СПОСОБ И ОПЫТОВАЯ СИСТЕМА С НЕЗАВИСИМЫМ ИСТОЧНИКОМ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА ДВУХТАКТНЫХ ДВС
METHOD AND EXPERIMENTAL SYSTEM WITH INDEPENDENT SUPPLY AIR SOURCE FOR TWO-STROKE ICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Группа изобретений относится к дизельным двигателям внутреннего сгорания, как двухтактным, так и четырехтактным, как судовым, так и береговым, используемых в береговых электростанциях, в частности, к средствам подачи надувочного воздуха, и может быть использована при проведении опытов по внедрению технологий по повышению индикаторного КПД на основе модернизации наддува двигателя, снижению расхода топлива и улучшению экологических параметров отходящих газов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Индикаторный КПД двигателя напрямую связан с энергией подведенного тепла и полезной работой в единицу времени, т.е. с качеством топлива, характеризуемый низшей теплотворной способностью, количеством подаваемого в цилиндры топлива в единицу времени и индикаторной мощностью.
IND
IND
MI
MI
2
2
Повышение индикаторной мощности двигателей достигается регулированием величин, на нее влияющих. Индикаторная мощность NДВС определяется выражением N - k⋅P⋅n⋅i, где P - средне-индикаторное давление (кг/см); n - частота вращения двигателя (об/мин); i - число цилиндров двигателя; k=1,745⋅D⋅S⋅m - постоянная цилиндра, определяемая диаметром цилиндра - D, ходом поршня - S и тактностью двигателя - m.
Традиционно, для повышения индикаторной мощности двигателей, производители ДВС ведут разработки в направлениях, связанных с оптимизацией определяющих индикаторную мощность параметров. Такими направлениями являются:
а) Повышение мощности за счет увеличения диаметра цилиндра - D. Метод использовался около 50 лет, что привело к наибольшему диаметру 90 см для двигателей MAN-B&W и SULZER и к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение диаметра цилиндра было бы нерентабельным.
б) Повышение мощности за счет увеличения хода поршня - S. Метод использовался около 40 лет, что привело к созданию длинно- и супер длинноходовых моделей типа LMC и SMC (отношение S/D>3÷4 соответственно) двигателей MAN-B&W и SULZER, и тоже к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение хода поршня было нерентабельным.
в) Повышение мощности за счет увеличения частоты вращения - n. Метод не применим для малооборотных и среднеоборотных двигателей.
г) Повышение мощности за счет увеличения числа цилиндров - i. Метод использовался до определенного момента, и тоже ведет к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение числа цилиндров нерентабельно.
IND
д) Повышение эффективности (индикаторного КПД - η) за счет форсирования двигателя по наддуву. Метод использовался около 40 лет, что привело к повышению давления наддува от 1 бара до 2,9 бара. Дальнейшее увеличение давления наддува не представлялось возможным ввиду необходимости увеличения конструктивной сверх прочности металла узлов и деталей остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя. Т.к. при увеличении давления надувочного воздуха на 1 бар, давление сжатия и давление сгорания увеличится на 38÷40 бар, к чему все перечисленные раннее детали и узлы не готовы по своим прочностным характеристикам.
Отсюда следует, что при проектировании дизелей параметры, определяющие мощность дизеля, не могут выбираться произвольно, требуется достаточно сложное согласование их величин между собой в зависимости от назначения дизеля. [1] Возницкий И.В., Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгорания», том 2, стр. 54. - МОРКНИГА, М. 2008 г.
MI
Особое место среди указанных параметров занимает величина средне-индикаторного давления P, которая зависит от уровня форсирования дизеля по наддуву. Повышение степени наддува при неизменном средне-индикаторном давлении ведет к снижению продолжительности горения топлива в цилиндре - увеличению скорости и интенсивности горения, снижению продолжительности впрыска топлива в цилиндр и как следствие к расходу топлива, [2] Фомин Ю.Я. «Судовые дизели. Топливоподача в судовых дизелях», стр. 15-19.-В/О «Мортехинформреклама», М. 1988 г. Однако реализация этих технических мер приводит к усложнению конструкций и эксплуатации систем наддува.
Известны следующие патентные документы, характеризующие уровень техники.
Известна «Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск» по патенту РФ №108107 на полезную модель, МПК F02G 5/00. Опубл. 10.09.2011 г., Бюл. №25. Целью данной системы является охлаждение свежего заряда надувочного воздуха и отработавших газов, подаваемых на впуск. Охлаждение отработавших газов позволяет увеличить задержку воспламенения, уменьшить скорость тепловыделения и значительно снизить выброс NOx. Эффективным охлаждением свежего заряда надувочного воздуха решается не только задача увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры, но и задача снижения температур рабочего цикла и тепловых нагрузок дизеля при форсировании его по наддуву. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет поддерживать оптимальные рабочие параметры систем на всех режимах работы дизеля и будет способствовать получению значительного экономического эффекта и формированию комплексных систем автоматизации судов водного транспорта.
В развитие этой системы предложена «Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск» по патенту РФ №2466289 на изобретение, МПК F02G 5/02, F02B 29/04, F02M 25/07. Опубл. 10.11.2012 г., Бюл. №31. Система для охлаждения свежего заряда надувочного воздуха и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск, содержит: выхлопной, всасывающий и рециркуляционный трубопроводы, утилизационный котел, блок управления, датчики температуры и нагрузки, элементы подачи и управления теплоносителей и хладоносителей, теплообменники отработавших газов и свежего заряда надувочного воздуха. Теплообменник отработавших газов установлен на рециркуляционном трубопроводе. Теплообменник свежего заряда установлен на всасывающем трубопроводе. Теплообменники отработавших газов и свежего заряда имеют возможность подключения к абсорбционной холодильной машине. Хладоноситель может подаваться в теплообменники через электронные трехходовые клапаны, в зависимости от нагрузки дизеля. Технический результат заключается в увеличении количества воздуха, поступающего в цилиндры, и в снижении температур рабочего цикла и тепловых нагрузок дизеля при форсировании его по наддуву.
Известна «Способ работы судового малооборотного дизеля и устройство камеры сгорания для его осуществления» по патенту РФ №2256806 на изобретение, МПК F02B 3/02. Опубл. 20.07.2005 г.
Данное техническое решение относится к судовым малооборотным двухтактным дизелям с прямоточно-клапанной схемой газообмена и разработано с целью повышения индикаторного коэффициента полезного действия дизеля и снижения расхода топлива. Изобретение обеспечивает увеличение индикаторной работы газов за цикл за счет уменьшения угла начала открытия и соответственно конца закрытия выпускного клапана (отсчет углов относительно нижней мертвой точки), повышение качества смесеобразования за счет изменения формы камеры сгорания. Впрыск топлива осуществляют в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, а факелы распыла направлены навстречу друг другу при длине не более радиуса втулки цилиндра. При увеличенном диаметре выпускного клапана (проходного сечения) выпуск отработанных газов начинается позже при меньшем угле поворота коленчатого вала относительно нижней мертвой точки. Устройство камеры сгорания содержит полуколпачкового типа крышку цилиндра с выпускным клапаном в центре, поршень, днище которого выполнено плоским, две форсунки для впрыска топлива расположены на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической части крышки цилиндра перпендикулярно оси.
КРИТИКА АНАЛОГОВ
Описанные патенты направлены на повышение индикаторного КПД, однако, в первом случае использование охлажденных выпускных газов в процессе горения напротив ведет к снижению количества свежего заряда воздуха, неотъемлемому компоненту горения, к увеличению продолжительности горения (уменьшению скорости горения), а значит, к увеличению температуры выпускных газов в конечном результате, т.е. к увеличению потерь тепла с выпускными газами и как следствие к увеличению расхода топлива, т.е. к увеличению подведенной энергии при неизменной полезной работе поршня. Все эти факторы наоборот уменьшают индикаторный КПД. Более того очень сомнительно, что в этом случае снизится концентрация вредных для атмосферы окислов азота NOx. Во втором случае конструктивное решение не позволяют достаточно эффективно решить эту задачу.
В качестве прототипа принята традиционная система газотурбинного наддува при постоянном давлении газов перед турбиной. Система включает газовую турбину, компрессор, цилиндры, выпускной коллектор, воздушный ресивер, воздухоохладитель. Продукты сгорания из всех цилиндров направляются в один общий выпускной коллектор, откуда газы поступают в одну или две турбины. Эта система не обеспечивает максимально возможный индикаторный КПД, т.к. нет технической возможности повысить давление наддува более 2,9 бар. При дальнейшем повышении давления наддува не выдерживают узлы и детали остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя ввиду их прочностных характеристик, т.к. при увеличении давления надувочного воздуха на 1 бар, давление сжатия и давление сгорания увеличивается на 38÷40 бар. Угол опережения подачи топлива составляет при этом 10÷12° до ВМТ, что также не обеспечивает получения оптимального смешивания топлива и свежего заряда воздуха. Дальнейшее увеличение угла опережения подачи топлива также не возможно по тем же самым причинам прочностных характеристик деталей и узлов остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя, т.к. его увеличение на 1° до ВМТ ведет к повышению максимального давления сгорания на 3 бара.
[3] Возницкий И.В., Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Теория и эксплуатация двигателей». Том. 2, стр. 166÷167. -МОРКНИГА, М. 2008 г.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Технической задачей предлагаемой группы изобретений является повышение КПД как двухтактных, так и четырехтактных ДВС, снижение расхода топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу на основе использования независимого источника надувочного воздуха.
3
Для достижения поставленной технической задачи предлагается способ с независимым источником надувочного воздуха двухтактного двигателя с прямоточно-клапанной схемой газообмена, включающий подачу надувочного воздуха, впрыск топлива, смесеобразование, сгорание, рабочий ход поршней двигателя от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), выпуск отработанных газов, отличающийся тем, что формируют независимый источник надувочного воздуха из находящегося в машинном отделении (МО) стационарного баллона пускового воздуха объемом 5 м, сжатым до давления 30 бар и осуществляют подачу воздуха в качестве надувочного с постоянным давлением 3,1 бара на всех нагрузках двигателя через редукционный клапан в воздушный ресивер и из него в подпоршневые пространства цилиндров, при этом при нахождении поршня в НМТ надувочный воздух вытесняет остаточные выпускные газы, которые выходят через открытый выпускной клапан и наполняет цилиндр через продувочные окна втулки, при движении поршня от НМТ к ВМТ, сначала закрывают продувочные окна при его нахождении в положении 140,5° до ВМТ, затем при достижении его положения 102,4° до ВМТ выпускной клапан, начинают сжимать свежий заряд воздуха и при нахождении поршня в ВМТ достигают давления сжатия, равного значению давления сгорания 140,2 бара при 100% нагрузке стандартной системы наддува, далее в этот же момент в цилиндр подают топливо через форсунку из топливного насоса высокого давления, причем предварительно регулируют угол опережения подачи топлива до значения, равного 0° до ВМТ, топливо смешивают со свежим сжатым зарядом воздуха до образования топливной смеси; при движении поршня от ВМТ к НМТ на линии расширения 12,5° после ВМТ осуществляют воспламенение топливной смеси и подведение тепловой энергии для рабочего хода поршня от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ, а выпускные газы, выходящие из цилиндров при открытии выпускных органов каждого цилиндра, направляют в выпускной коллектор и из него через проточную часть турбины ГТН с демонтированными ротором и сопловым аппаратом в утилизационный котел или в атмосферу.
3
Для достижения поставленной технической задачи предлагается также опытовая система с независимым источником надувочного воздуха двухтактных ДВС, содержащая коллектор выпускных газов двигателя, соединенный с выпускными коллекторами каждого цилиндра, имеющего продувочные и выпускные окна для ДВС с петлевой системой газообмена или продувочные окна и выпускной клапан для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена, газотурбонагнетатель - ГТН, забираемый наружный воздух из МО через воздушный фильтр и сжимаемый его в компрессорной части ГТН, воздухоохладитель ГТН, вспомогательную воздуходувку и воздушный ресивер двигателя, отличающаяся тем, что оснащена модулем подачи надувочного воздуха, включающим находящийся в машинном отделении (МО) баллон пускового воздуха с давлением 30 бар, редукционный клапан для создания необходимого повышенного постоянного давления наддува, стальную заглушку толщиной 10 мм с уплотнительным материалом (высокотемпературной паронитовой прокладкой толщиной 3 мм или высокотемпературным силиконовым герметиком) между проточными частями турбины и компрессора ГТН после демонтажа ротора ГТН и соплового аппарата, заглушку проточной части ГТН, заглушку от компрессора ГТН к воздухоохладителю, причем, надувочный воздух постоянного давления на всех нагрузках двигателя поступает от баллона пускового воздуха объемом 5 м через редукционный клапан в воздушный ресивер и из него в подпоршневые пространства цилиндров, ГТН остается в системе, но с демонтированным ротором и сопловым аппаратом для беспрепятственного выпуска отработанных газов.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Технический результат заключается в повышении индикаторного КПД за счет повышения давления наддува в двигателе. В предлагаемых способе и системе реализуется форсирование двигателя по наддуву за счет увеличения давления наддува до 3,1 бара, в отличие от стандартного давления 2 бара при данной нагрузке 87% МЭМ, и изменением угла опережения подачи топлива до 0° до ВМТ, в отличие от стандартного угла опережения подачи топлива 12,5° до ВМТ, т.е. появляется техническая возможность подать топливо в тот момент, когда воспламенение произойдет в 12÷13° после ВМТ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность предлагаемой группы изобретений заключается в следующем. Предлагается использовать независимый источник надувочного воздуха - без использования работы турбин (как опытовая система). Баллон пускового воздуха во всех двигателях, как в судовых, так и береговых, используемых в береговых электростанциях, предназначен для запуска ДВС. В предлагаемом решении он используется также и для наддува во время работы ДВС. Использование воздуха из баллона для наддува без участия ГТН - это принципиально новое для повышения давления наддува в опытовой системе, т.к. уже установленным ГТН не обеспечивается достаточно эффективный наддув.
Независимый источник надувочного воздуха включает баллон пускового воздуха, сжатого до 30 бар. Это обеспечивает возможность подачи повышенного постоянного давления надувочного воздуха 3,1 бар в отличие от стандартных 2 бар без использования ГТН от баллона пускового воздуха через редукционный клапан, кроме того, измененный угол опережения подачи топлива до значения, равного 0° до ВМТ обеспечивают возможность эффективного смешивания топлива с надувочным воздухом и эффективное сгорание с более высокой скоростью и интенсивностью теплоотдачи, при этом можно снизить продолжительность впрыска и горения топлива в цилиндре (снизить цикловую подачу или расход топлива).
2
Создаются условия улучшения смесеобразования, увеличивается полнота сгорания топлива, снижается температура выпускных газов и расход топлива, и то и другое ведет к снижению выбросов SOx, СО, СОх и NOx в атмосферу.
Возможность использования независимого источника надувного воздуха достигается совокупностью всех признаков формулы изобретения.
Редукционный клапан позволяет осуществлять подачу надувочного воздуха с постоянным давлением 3,1 бара в отличие от 2 бар.
Осуществление воспламенения топливной смеси и подведение тепловой энергии для рабочего хода поршня на линии расширения от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ, обеспечивает наилучшие условия сжигания топливной смеси -топливо сгорает практически полностью, время сгорания минимальное.
Использование заглушек в системе обеспечивает герметичность системы после демонтажа ротора и соплового аппарата турбины.
ГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображены: на фиг. 1 - принципиальная схема способа; на фиг. 2 - принципиальная схема системы; на фиг. 3 - (а) - стандартная рабочая индикаторная диаграмма, (б) - индикаторная диаграмма опытовой системы.
На фиг. 1 и 2 показаны:
1 - втулка цилиндра;
1а - выпускные окна цилиндровой втулки двухтактного ДВС с петлевой системой газообмена; 1б - выпускной клапан двухтактного ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена;
1в - продувочные окна цилиндровой втулки;
2 - воздушный ресивер двигателя;
3 - воздухоохладитель ГТН;
4 - заглушка между проточными частями турбины и компрессора ГТН;
5 - воздушный фильтр ГТН;
6 - вспомогательная воздуходувка;
7 - заглушка проточной части турбины ГТН;
8 - выпускной коллектор двигателя;
9 - заглушка от компрессора ГТН к воздухоохладителю;
10 - баллон пускового воздуха;
11 - редукционный клапан.
РАБОТА СПОСОБА и СИСТЕМЫ
3
Способ и система работают следующим образом. Надувочный воздух постоянного давления 3,1 бара на всех нагрузках двигателя поступает от баллона пускового воздуха 10 объемом 5 м через редукционный клапан 11 в воздушный ресивер 2 и из него в подпоршневые пространства цилиндров 1; при нахождении поршня в НМТ надувочный воздух вытесняет остаточные выпускные газы, которые выходят через выпускные клапаны 1б (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена) и наполняет цилиндр 1 через продувочные окна 1в втулки цилиндра 1. При движении поршня от НМТ к ВМТ сначала тем же поршнем закрываются продувочные окна 1в при достижении его положения 140,5° до ВМТ, затем при достижении его положения 102,4° до ВМТ закрывается выпускной клапан 1б с помощью механическо-гидравлической системы распредвала (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена), свежий заряд воздуха начинает сжиматься и при нахождении поршня в ВМТ достигает давления сжатия, равного значению давления сгорания 140,2 бара при 100% нагрузке стандартной системы наддува, далее в этот момент в цилиндр подается топливо через форсунку из топливного насоса высокого давления с уже измененным углом опережения подачи топлива с 12,5° до ВМТ стандартной системы турбонаддува на 0° до ВМТ, смешивается со свежим сжатым зарядом воздуха и образует топливную смесь. При движении поршня от ВМТ к НМТ на линии расширения 12,5° после ВМТ происходит воспламенение топливной смеси с подведением тепловой энергии для осуществления рабочего хода поршня от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена). Выпускные газы, выходящие из цилиндров 1 при открытии выпускных органов каждого цилиндра, поступают в выпускной коллектор и из него через проточную часть турбины ГТН (с демонтированными ротором и сопловым аппаратом) в утилизационный котел или в атмосферу.
На испытательном стенде была протестирована работа судового двигателя HYUNDAI MAN-B&W 6S50MC (МЭМ 11640 э.л.с. при МЧВ 127 об/мин) в период его форсирования по надувочному воздуху. Внешним источником - баллоном пускового воздуха через редукционный клапан, создавалось постоянное давление наддува, регулировался угол опережения подачи топлива. Индикаторная диаграмма показала неизменное средне-индикаторное давление при сниженном расходе топлива, а следовательно и увеличение индикаторного КПД. Результаты испытаний приведены в таблице.
На индикаторных диаграммах (фиг. 3(а) и (б)) штриховой линией указан их свернутый вид, по которому определяются площади диаграмм, а из площади определяются средне-индикаторные давления циклов. На оси абсцисс расположена шкала углов поворота коленвала от «-180°» до «180°». На оси ординат расположена шкала давлений рабочего тела (воздуха и рабочих газов) в цилиндре от «0 бар» до «150 бар». Такт сжатия происходит от НМТ (нижней мертвой точки, соответствующей «-180°» пкв) до ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв), а такты воспламенения и расширения от ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв) до НМТ (нижней мертвой точки, соответствующей «180°» пкв). В положении поршня в ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв) давление сжатия соответствует значению 103,62 бара стандартной системы наддува (фиг. 3(а)) и 140,2 бара опытовой системы наддува (фиг. 3(б)). В положении поршня ≈ 20° после ВМТ давление сгорания соответствует значению 121,4 бара стандартной системы наддува (фиг.3(а)) и 140,2 бара опытовой системы наддува (фиг. 3(б)).
Площади обеих индикаторных диаграмм, а значит и средне-индикаторных давлений одинаковые. Однако расходы топлива отличаются в 1,91 раза в пользу опытовой системы.
2
Предлагаемая группа изобретений направлена на увеличение эффективности как двухтактных, так и четырехтактных ДВС, сбережение углеводородных ресурсов, снижение вредных выбросов NOx, SOx, СО и СО с выпускными газами в атмосферу.