Дизель

Полезная модель относится к области дизелестроения и может быть использована при проектировании, изготовлении и модернизации дизелей.
Известна полезная модель дизеля, применяющего в качестве топлива водотопливную эмульсию (см., например, Ю.П. Пахомов, Ю.П. Коробков, Д.В. Дмитриевский, Г.Л. Васильев Топливо и топливные системы судовых дизелей. - Изд. «РК Консулы», 2003, 496 с., с. 223-240, а также В.А. Сомов, Ю.Г. Ищук Судовые многотопливные двигатели. Л.: Судостроение, 1984, 240 с.; с. 160-167). Дизель содержит цилиндровые узлы по числу цилиндров, каждый из которых включает цилиндр с поршнем, топливную форсунку и выпускной клапан, а также газоход и газоанализатор, входы, которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, и топливный насос высокого давления, выход которого подключен к выходу топливного насоса высокого давления. Здесь на вход топливного насоса высокого давления подается топливо или водотопливная эмульсия.
При применении дизеля с установкой водотопливной эмульсии проявляются следующие положительные эффекты.
x
Так как часть выделившейся при сгорании топлива теплоты идет на нагрев воды в составе водотопливной эмульсии до кипения и ее испарение, то происходит снижение температуры в камере сгорания. В результате снижается теплонапряженность цилиндро-поршневой группы, а также снижается содержание оксидов азота NO в отработавших газах дизеля. При этом улучшается смесеобразование, так как пары воды обеспечивают лучшее перемешивание топлива и воздуха. Наличие воды также улучшает процесс сгорания углеводородов в составе топлива, что ведет к снижению нагарообразования.
Однако наличие установки водотопливной эмульсии в дизеле ведет к его существенному усложнению и удорожанию. Кроме того, одним из этапов работы модели является процесс нагрева до кипения воды, впрыснутой в камеру сгорания в составе водотопливной эмульсии. Этот процесс достаточно энергозатратен. Отбор некоторого количества теплоты в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
Также известна полезная модель дизеля (патент на полезную модель № 181507, по заявке № 2018100722/06(000934) от 10.01.2018 «Дизель», заявитель ФГБОУ ВО «ВГУВТ», авторы А.Г. Чичурин, Ю.И. Матвеев, Н.А. Лаптев). Дизель содержит цилиндровые узлы, каждый из которых включает цилиндр с поршнем и выпускным клапаном, а также газоход и газоанализатор, входы которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, также содержит топливный насос высокого давления, кроме того, в каждом цилиндровом узле имеются последовательно соединенные дозирующий клапан и регулируемый клапан, а также переключатель, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления, а выход подключен к управляемому входу дозирующего клапана, а в цилиндре имеется двухканальная форсунка, первый канал которой подключен к выходу топливного насоса высокого давления, а второй к выходу дозирующего клапана, кроме того, дизель содержит последовательно соединенные цистерну дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле.
При применении предложенной полезной модели в первый канал двухканальной форсунки подается топливо из топливного насоса высокого давления. Топливо распыляется соплами форсунки по камере сгорания. После того как дизель прогреется, на второй канал двухканальной форсунки, в моменты подачи топлива, начинает подаваться дистиллированная вода, которая также распыляется в камере сгорания. Причем конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга. Количество впрыскиваемой воды, также как и при применении водотопливной эмульсии не должно превышать 15-20% и регулируется на основе данных газоанализатора по температуре и составу отработавших газов дизеля. В результате впрыснутая в камеру сгорания вода нагревается и испаряется, и здесь происходят все те же процессы, что и при применении водотопливной эмульсии.
Как следует из сказанного выше, одним из этапов работы модели является процесс нагрева до кипения впрыснутой в камеру сгорания воды. Этот процесс достаточно энергозатратен. К моменту впрыска воды (начало подачи топлива) в камере сгорания развивается достаточно высокое давление (может достигать порядка 3-6 МПа, а для некоторых типов дизелей и выше), а высокому давлению соответствует высокая температура кипения воды. Так, например, при давлении в 3,5 МПа температура кипения будет 242,56°С (см. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: справочник / А.А. Александров, К.А. Орлов, В.Ф. Очков - М.: Издательский дом МЭИ, 2017. - 226 с.; с. 38, Таблица II - Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению)). Если принять температуру воды в баке, расположенном в машинном помещении судна, равной порядка 30°С, то впрыснутую в камеру сгорания воду нужно нагреть более чем на 200°С. А для этого требуется примерно 920 кДж/кг теплоты. Отбор некоторого количества теплоты от продуктов сгорания топлива в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель дизеля (см. патент на полезную модель № 202709 по заявке № 2020133622/12(061437) от 12.10.2020 «Дизель». Заявитель ФГБОУ ВО «ВГУВТ», авторы: А.Г. Чичурин, А.В. Троицкий, О.П. Шураев, М.Х. Садеков).
Дизель, каждый цилиндровый узел которого включает цилиндр с поршнем, выпускным клапаном, топливной форсункой, две водяные форсунки, располагаемые напротив друг друга в верхней части цилиндра, а также газоход и газоанализатор, входы которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, кроме того, содержит топливный насос высокого давления, выход которого подключен к топливной форсунке и последовательно соединенные дозирующий клапан, выход которого соединен с входом двух водяных форсунок, переключатель и блок управления, на вход которого поступает значение угла поворота коленчатого вала, а также клапан и последовательно соединенные коммутатор, вход которого подключен к выходу клапана, и подогреватель, выход которого является входом дозирующего клапана, при этом второй выход коммутатора подключен к входу дозирующего клапана, кроме того, дизель содержит последовательно соединенные бак дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу клапана в каждом цилиндровом узле.
В предлагаемой полезной модели для снижения теплоты, затрачиваемой для нагрева впрыснутой воды до кипения (величина нагрева до кипения впрыснутой в камеру сгорания воды может достигать 100° и более градусов), предлагается осуществлять предварительный подогрев воды перед подачей ее в камеру сгорания. Температура подогрева выбирается несколько ниже (на 10-20°С) температуры ее кипения в камере сгорания дизеля. Последняя может быть получена на основе данных о давлении в камере сгорания в ходе индицирования рабочего процесса дизеля и соответствующих таблиц (см. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: справочник/А.А. Александров, К.А. Орлов, В.Ф. Очков - М.: Издательский дом МЭИ, 2017. - 226 с.; с. 38, Таблица II - Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению)).
Вследствие того, что вода в камеру сгорания дизеля подается уже подогретой до температуры близкой к температуре кипения (меньше температуры кипения на 10-20°С), то для ее подогрева до начала кипения потребуется меньшее количество теплоты, которая в свою очередь отбирается от продуктов сгорания топлива (то есть нужно подогреть воду всего на 10-20°С, а не на 200°С). В результате происходит увеличение полезной работы дизеля.
Недостатком данной полезной модели являются затраты теплоты на подогрев воды (на 10-20°С), впрыснутой в камеру сгорания дизеля, до температуры кипения и на превращение воды в пар. Отбор некоторого количества теплоты в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение полезной работы дизеля путем предварительного перегрева впрыскиваемой воды.
Поставленная задача полезной модели достигается тем, что в известной полезной модели дизеля, каждый цилиндровый узел которого включает цилиндр с поршнем, двухканальной форсункой и выпускным клапаном, а также газоход и газоанализатор, входы которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, также содержит топливный насос высокого давления, выход которого подключен к первому каналу двухканальной форсунки, кроме того, в каждом цилиндровом узле имеются последовательно соединенные регулируемый клапан, коммутатор и подогреватель, а также последовательно соединенные дозирующий клапан, выход которого подключен ко второму каналу двухканальной форсунки, и переключатель, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления, причем второй выход коммутатора подключен к входу дозирующего клапана, кроме того, дизель содержит насос, выполненный с возможностью подсоединения к цистерне с дистиллированной водой, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле, дополнительно введен в каждый цилиндровый узел перегреватель, вход, которого соединен с выходом подогревателя, а выход подключен к входу дозирующего клапана.
Существо предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
В известной полезной модели для снижения теплоты, затрачиваемой для нагрева впрыснутой воды до кипения, предлагается осуществлять предварительный подогрев воды перед подачей ее в камеру сгорания.
Температура подогрева выбирается несколько ниже (на 10-20°С) температуры ее кипения в камере сгорания дизеля в конце процесса сгорания топлива. К началу впрыска воды (заканчивается процесс горения топлива) в камере сгорания развивается достаточно высокое давление (может достигать порядка нескольких мегапаскалей), а высокому давлению соответствует высокая температура кипения воды. Так, например, при давлении в 3,5 МПа температура кипения будет 242,56°С (см. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: справочник / А.А. Александров, К.А. Орлов, В.Ф. Очков - М.: Издательский дом МЭИ, 2017. - 226 с.; с. 38, Таблица II - Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению)).
Вследствие того, что вода в камеру сгорания дизеля подается уже подогретой до температуры близкой к температуре кипения (меньше температуры кипения на 10-20°С), то для ее подогрева до начала кипения потребуется меньшее количество теплоты, чем без подогрева.
Недостатком данной полезной модели являются затраты теплоты на подогрев воды (на 10-20°С), впрыснутой в камеру сгорания дизеля, до температуры кипения и на превращение воды в пар. Отбор некоторого количества теплоты в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
В заявляемой полезной модели предлагается нагревать воду перед подачей в камеру сгорания дизеля до температуры выше температуры ее кипения в камере сгорания дизеля в конце процесса сгорания топлива. При этом можно использовать как «бросовую» теплоту котла, так и судовых дизелей, которой, как правило, на судне достаточно много (см., например, Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. - Л.: Судостроение, 1988, 296 с.; с. 231-232). Поскольку давление в трубопроводе перед водяной форсункой существенно выше, чем в камере сгорания дизеля, то закипания воды при ее нагревании не происходит. После попадания порции воды в камеру сгорания дизеля вода оказывается перегретой. При этом часть воды практически моментально превратится в пар, причем количество пара определяется величиной перегрева воды относительно температуры ее кипения в камере сгорания дизеля в конце процесса сгорания топлива. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды//Журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156). При этом остальная (не испарившаяся) вода окажется сразу же после впрыскивания нагретой до температуры кипения. То есть не требуется теплота на подогрев до кипения.
Таким образом в предлагаемой полезной модели уменьшаются затраты теплоты на подогрев впрыснутой в цилиндр воды до кипения и на ее испарение и соответственно повышается величина полезной работы совершаемой двигателем.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что уменьшаются затраты теплоты на подогрев впрыснутой в цилиндр воды до кипения и на ее испарение, за счет предварительного перегрева, впрыскиваемой воды, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, и обеспечивающих достижение положительного эффекта повышение полезной работы дизеля.
Краткое описание чертежей.
На фигуре приведена схема дизеля.
Здесь показан дизель 1, каждый цилиндровый узел 2 которого включает цилиндр 3 с поршнем 4, двухканальной форсункой 5 и выпускным клапаном 6, а также газоход 13 и газоанализатор 12, входы которых соединены с выпускным клапаном 6 цилиндра 3, также содержит топливный насос высокого давления 10, выход которого подключен к первому каналу двухканальной форсунки 5, кроме того, в каждом цилиндровом узле 2 имеются последовательно соединенные регулируемый клапан 8, коммутатор 14, подогреватель 15 и перегреватель 16, а также последовательно соединенные дозирующий клапан 7, выход которого подключен ко второму каналу двухканальной форсунки 5, и переключатель 11, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления 10, причем второй выход коммутатора 14 подключен к входу дозирующего клапана 7, кроме того, дизель 1 содержит насос 9, выполненный с возможностью подсоединения к цистерне с дистиллированной водой, выход которого подключен к входу регулируемого клапана 8 в каждом цилиндровом узле 2.
Осуществление полезной модели.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
В известной полезной модели предлагается увеличить полезную работу дизеля 1 за счет предварительного подогрева впрыскиваемой воды. Для этого в установившемся режиме работы известной полезной модели на подогревателе 15 устанавливается заданная температура подогрева впрыскиваемой в камеру сгорания воды. Температура подогрева выбирается несколько ниже (на 10-20°С) температуры ее кипения в камере сгорания дизеля в конце процесса сгорания топлива. Вследствие того, что вода в камеру сгорания дизеля подается уже подогретой до температуры близкой к температуре кипения (меньше температуры кипения на 10-20°С), то для ее подогрева до начала кипения потребуется меньшее количество теплоты, чем без подогрева, и, следовательно, повышается величина полезной работы совершаемой двигателем.
Недостатком данной полезной модели являются затраты теплоты на подогрев воды (на 10-20°С), впрыснутой в камеру сгорания дизеля 1, до температуры кипения и на превращение воды в пар.
В заявляемой полезной модели предлагается нагревать воду перед подачей в камеру сгорания цилиндра 3 до температуры выше температуры ее кипения в камере сгорания цилиндра 3 при соответствующем давлении в конце процесса сгорания топлива. Для этого после выхода известной модели на заданный режим работы (начал работу подогреватель 15) включается перегреватель 16 и постепенно увеличивается величина перегрева проходящей через него воды. Величина перегрева воды в перегревателе 16 выбирается на основе возможностей источников теплоты, имеющихся на судне и результатов индицирования внутрицилиндровых процессов. Поскольку давление в трубопроводе перед двухканальной форсункой 5 существенно выше, чем в камере сгорания цилиндра 3, то закипания воды при ее нагревании не происходит. После попадания порции воды в камеру сгорания цилиндра 3 вода оказывается перегретой. При этом часть воды практически моментально превратится в пар, причем количество пара определяется величиной перегрева воды относительно температуры ее кипения в камере сгорания цилиндра 3 в конце процесса сгорания топлива. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды. // Журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156). При этом остальная (не испарившаяся) вода окажется сразу же после впрыскивания нагретой до температуры кипения. То есть не требуется теплота на подогрев до кипения.
В результате в предлагаемой полезной модели уменьшаются затраты теплоты на подогрев впрыснутой в цилиндр воды до кипения и на ее испарение и, следовательно, повышается величина полезной работы, совершаемой двигателем.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в том, что уменьшаются затраты теплоты на подогрев впрыснутой в цилиндр воды до кипения и на ее испарение за счет предварительного перегрева впрыскиваемой воды, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, и обеспечивающие достижение положительного эффекта - повышение полезной работы дизеля.