СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ДИЗЕЛЯ
CONTROL OVER DIESEL OPERATION

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к дизелям, и может быть использовано в способах управления рабочими процессами дизелей, работающих на альтернативных видах топлива.
Известен способ управления рабочим процессом двигателя, реализованный на примере четырехцилиндрового дизеля компрессионного типа, использующего газообразное углеводородное топливо с высокой температурой самовоспламенения и требующего внешнего подвода электроэнергии для воспламенения газовоздушной смеси (см. патент RU 2204727). Известный способ обеспечивает снижение температуры предварительного подогрева газовоздушной смеси и включает внешний подвод теплоты с помощью свечей накаливания, устанавливаемых в камере сгорания каждого цилиндра, корректировку коэффициента избытка окислителя и комбинированный подогрев газовоздушной смеси за счет:
- регулирования нагрева свечи накаливания, устанавливаемой в каждом цилиндре с целью минимизации отклонений температурных режимов;
- регулирования температуры предварительного подогрева смеси, которая является основным регулирующим параметром, определяющим момент самовоспламенения.
Газовоздушную смесь, подогретую до необходимой температуры, поступившую в цилиндры в такте всасывания, сжимают поршнем при его движении к верхней мертвой точке, повышают ее температуру и в заранее определенной фазе воспламеняют в зоне свечи накаливания, отрегулированной по току с помощью устройств регулировки, с целью создания одинакового температурного режима в цилиндрах. Благодаря этим мероприятиям снижают температуру предварительного подогрева газовоздушной смеси.
В настоящее время по мере ужесточения требований международных и национальных экологических стандартов усилия исследователей и конструкторов все в большей степени направлены на снижение выбросов оксидов азота и сажевых частиц в первую очередь за счет совершенствования рабочего процесса дизеля, в том числе использующего альтернативные жидкие виды топлива: газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина и т.д. (см. статью «Технология снижения выбросов и ресурсосбережения в двигателестроении», Мельник Г.В., «Двигателестроение», 2011, №2, с.45-52; см. статью «Характеристики процесса топливоподачи и показатели быстроходного дизеля, работающего на дизельном топливе и рапсовом масле». Гусаков С.В. и др. Вести. МГТУ. Сер. Машиностр. 2009, №2, с.58-71, 124).
В ходе исследований рабочего процесса дизеля 1415/20.5 (см. Диссертация К.Т.Н. Малоземова А.А. Обеспечение воспламенением различных топлив в дизеле с камерой сгорания в поршне электрическим свечами накаливания. Челябинск: ЧГАУ, 1996 г., 250 с.), работающего на альтернативных жидких видах топлива, было установлено, что температура свечи накаливания и характеристики самовоспламеняемости топлива влияют на период задержки воспламенения топливовоздушной смеси.
Известный по патенту RU 2204727 способ не может быть реализован в рабочем процессе дизеля, работающего на альтернативных жидких видах топлива (газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина), имеющих высокую температуру самовоспламенения, влияющую на основные параметры рабочего процесса: период задержки воспламенения и скорость нарастания давления газов при горении топлива, цикловую стабильность воспламенения топлива в цилиндрах дизеля (особенно на режимах низких нагрузок), так как в дизеле, работающем на альтернативных жидких видах топлива:
- отсутствует предварительный подогрев топливовоздушной смеси;
- имеет место внутреннее, а не внешнее смесеобразование, поэтому регулирование коэффициента избытка воздуха невозможно;
- в патенте RU 2204727 не указаны конкретные зависимости количества подводимой к свече накаливания энергии от вида топлива и режима работы дизеля.
Прототипом предлагаемого изобретения может служить известный способ управления рабочим процессом дизеля, использующего жидкое углеводородное топливо, включающий внешний подвод электроэнергии для воспламенения топливовоздушной смеси с помощью индивидуально устанавливаемых в камере сгорания каждого цилиндра свечей накаливания, отрегулированных по электропитанию в соответствии с изменяемыми режимами работы дизеля (см. патент США US5367994, F02B 33/38).
Особенность способа состоит в том, что для обеспечения низкого удельного расхода дизельного топлива поддерживают температуру нагревательного элемента свечи накаливания, входящего в камеру сгорания, на протяжении периода эксплуатации дизеля преимущественно выше 1600 градусов F (871 градусов С), обеспечивая самовоспламенение сжатого воздушно-топливного заряда без дополнительных затрат тепловой энергии.
Кроме того, известный способ предусматривает возможность снижения мощности свечи накаливания или прекращения электропитания нагревательного элемента в те периоды, когда дизель работает при частоте вращения коленчатого вала и нагрузке, ниже номинальных значений.
Известный способ управления рабочим процессом дизеля, выбранный в качестве прототипа, не может быть реализован в дизеле, работающем на таких альтернативных жидких видах топлива, как газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина, имеющих высокую температуру самовоспламенения, вследствие того что рекомендованная известным способом температура нагревательного элемента свечи накаливания, достаточная для нормального функционирования двигателя на дизельном топливе, может быть недостаточна для воспламенения альтернативных топлив, что влечет:
- увеличение периода задержки воспламенения;
- повышение скорости сгорания топлива;
- увеличение выбросов вредных веществ с отработавшими газами;
- пропуски циклов в цилиндрах дизеля (особенно на режимах низких нагрузок);
- увеличение динамических нагрузок на детали дизеля.
Задачей предложенного изобретения является обеспечение работоспособности дизеля, работающего на альтернативных жидких видах топлива: газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина, с хорошими эксплуатационными и экологическими показателями.
Техническим результатом предложенного изобретения является:
- повышение эффективности влияния свечи накаливания на рабочий процесс дизеля, работающего на альтернативных жидких видах топлива;
- снижение затрат электроэнергии на питание свечи накаливания;
- сокращение периода задержки воспламенения;
- оптимизация скорости сгорания топлива;
- снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами;
- устранение пропуска циклов в цилиндрах дизеля (особенно на режимах низких нагрузок);
- снижение динамических нагрузок на детали дизеля.
Технический результат достигается тем, что в способе управления рабочим процессом дизеля, работающего на жидком углеводородном топливе и с индивидуально устанавливаемыми в камере сгорания каждого цилиндра свечами накаливания, согласно изобретению выбирают топливо с цетановым числом в пределах от 22 до 45, поддерживают напряжение электропитания свечи накаливания с учетом цетанового числа выбранного топлива согласно линейной зависимости:
U=29-0,24×ЦЧ,
где U - напряжение питания свечи накаливания, В;
ЦЧ - цетановое число топлива.
В качестве топлива выбирают керосин.
В качестве топлива выбирают газовый конденсат.
В качестве топлива выбирают смесь дизельного топлива и бензина.
Напряжение электропитания свечи накаливания поддерживают с учетом цетанового числа выбранного топлива, задавая на устройство регулирования в качестве порогового минимальное значение напряжения, определенное экспериментально в процессе испытания дизеля.
В ходе лабораторных испытаний предложенного способа управления рабочим процессом дизеля, работающего на жидких видах топлива, включая альтернативные (газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина), было установлено (на примере дизеля 1415/20.5), что выбранные топлива имеют низкие значения цетановых чисел в пределах от 22 до 45, см. таблицу 1.
Таблица 1
Виды топлива
Альтернативные жидкие
Дизельное топливо
Газовый конденсат
Керосин
Бензин
Смесь дизельного топлива и бензина
Значения цетановых чисел
38
39
22
34
47
Выбор топлива с цетановым числом в пределах от 22 до 45 и поддержание напряжения электропитания свечи накаливания с учетом цетанового числа выбранного топлива, согласно линейной зависимости: U=29-0.24×ЦЧ,
где U - напряжение питания свечи накаливания, В;
ЦЧ - цетановое число топлива,
обеспечивает эффективное влияние свечи накаливания на рабочий процесс дизеля, работающего на альтернативных жидких видах топлива, т.к. в диапазоне температур штифта 600-1100°С, что соответствует напряжению питания свечи накаливания: 18÷24 В, уменьшается период задержки воспламенения на величину до (2,7 мс).
При более низких температурах и напряжении питания ниже 18 В свеча не оказывает влияния на рабочий процесс, при более высоких температурах степень влияния свечи накаливания на рабочий процесс снижается (при этом увеличиваются затраты энергии на питание свечи).
В таблице 2 приведены экспериментальные показатели поддерживаемого напряжения электропитания свечи накаливания с учетом цетанового числа выбранного топлива.
Таблица 2
Виды топлива
Альтернативные жидкие
Дизельное топливо
Газовый конденсат
Керосин
Бензин
Смесь дизельного топлива и бензина
Значения цетановых чисел
38
39
22
34
47
Напряжение электропитания U (В) на свече накаливания
20
20
24
21
18
Предлагаемый способ обеспечивает хорошие экологические и эксплуатационные показатели дизельного двигателя, работающего на альтернативных жидких видах топлива, таких как: газовый конденсат, керосин, смеси дизельного топлива и бензина, вследствие того что:
- сокращается период задержки воспламенения до 2,7 мс;
- снижается скорость сгорания топлива (на 8%);
- устраняются полностью пропуски циклов в цилиндрах дизеля (особенно на режимах низких нагрузок);
- снижаются динамические нагрузки на детали двигателя (на 5%);
- снижаются выбросы оксидов азота на 5-8% и сажевых частиц на 3-5%.
Сущность изобретения поясняется графиком экспериментальной зависимости (на фиг.1) поддерживаемого напряжения электропитания на свече накаливания в зависимости от цетанового числа топлива.
На фиг.2 проиллюстрирован пример конкретного осуществления способа: показана установка свечи накаливания в камере сгорания дизеля 1415/20,5.
Способ управления рабочим процессом дизеля, работающего на альтернативных жидких видах топлива, состоит из следующих технологических операций:
- топливовоздушную смесь воспламеняют в зоне свечи накаливания;
- поддерживают напряжение электропитания свечи накаливания с учетом цетанового числа топлива по линейной зависимости: U=29-0.24×ЦЧ, где U - напряжение питания свечи накаливания, В; ЦЧ - цетановое число топлива;
- напряжение электропитания свечи накаливания поддерживают на устройстве регулирования, где заранее задают пороговое минимальное значение напряжения, определенное экспериментально в процессе испытания дизеля.
Пример конкретного осуществления способа
На свечу накаливания 2 (см. фиг.2), установленную в головке цилиндра 3 дизеля 1415/20.5, с помощью переходника 4 подавали напряжение питания, регулируемое вручную в диапазоне 18…24 В в зависимости от цетанового числа жидкого топлива согласно выражению: U=29-0.24×ЦЧ, где U - напряжение питания свечи накаливания, В; ЦЧ - цетановое число топлива. На устройстве регулирования 4 заранее задавали пороговое минимальное значение напряжения, которое определили экспериментальным путем.