Способ интенсификации периода основного горения в дизеле
METHOD FOR INTENSIFYING THE MAIN COMBUSTION PERIOD IN A DIESEL ENGINE

Изобретение относиться к области машиностроения, преимущественно, двигателестроения.
Известен способ работы дизельного двигателя с воспламенением топлива от нагретого свежего воздушного заряда в результате адиабатного сжатия [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016].
Недостатком известного способа является наличие малого периода основного горения. Это приводит к снижению экономичности рабочего цикла дизеля [И.Ш. Аднан, Г.М. Камфер, В.Н. Луканин. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования. Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: Тр. МАДИ. - Москва, 1985. С. 10-19].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату предлагаемому способу является способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле [Патент RU 2708484 C1, МПК F02M 31/00, F02M 31/02, F02M 31/12. Способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле: заявка №2018147777: заявл. 29.12.2018: опубл. 09.12.2019 / С.А. Плотников, Ш.В. Бузиков, М.В. Мотовилова; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ).].
Недостатком известного способа является пониженная экономичность рабочего цикла дизеля.
Цель данного изобретения состоит в возможности увеличения экономичности рабочего цикла дизеля, что в результате приводит к снижению удельного эффективного и эксплуатационного расхода топлива.
Техническим результатом заявляемого изобретения является интенсификация периода основного горения в дизеле.
Технический результат достигается путем нагрева, впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, и осуществляемого в теплообменнике, установленном на топливопроводах высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля. При этом температуру нагрева топлива равную температуре конца ее кипения изначально определяют путем фракционной разгонки применяемого топлива с использованием аппарата для разгонки нефтепродуктов, а на дизеле эту температуру поддерживают при помощи изменения количества отработавших газов, прошедших через теплообменник посредством регулировочного клапана с использованием электронной системы управления.
Раскрытие изобретения
Известно, что поступающее в камеры сгорания дизеля топливо в виде струй посредством форсунок, первоначально деструктурирует до образования каплей, далее идет процесс фракционирования в результате тепло- и массобмена со свежим воздушным зарядом [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. После чего впрыснутое топливо нагревается за счет адиабатного сжатия свежего воздушного заряда, затем испаряется, далее диффундирует в свежий заряд и лишь через некоторое время самовоспламеняется [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Как правило, на самовоспламеняемость топлива оказывает влияние его фракционный состав, определяющий скорость его испарения и образования смеси с свежим воздушным зарядом после впрыскивания топлива [Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы 2-е изд., перераб. - М.: Недра. 1979 г. 344 с.]. Температура фракционной разгонки топлива, соответствующая концу ее кипения, напрямую определяет степень интенсивности периода основного горения [Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. и др. Химия нефти и газа 3-е издание, дополненное и исправленное. - Под ред. Проскурякова В.А. - СПб: Химия, 1995. - 446 с.; Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974. - 264 с.]. Отрезок времени от конца периода управляемого горения, при котором достигается момент максимального давления цикла и до момента, при котором отмечается наибольшая температура цикла составляет период основного горения. Этот период характеризуется распространением пламени из образовавшихся зон горения по всему пространству камеры сгорания с достижением высокой объемной скорости протекания процессов, в связи с этим температура смеси при этом достигает максимального значения. Интенсивность протекания реакций определяется скоростью взаимной диффузии молекул топлива и окислителя и процессами переноса и смешения вещества. Степень интенсивности данного периода определяется количеством испарившегося топлива впрыснутого в камеры сгорания дизеля за период задержки воспламенения, сгоревшей за период фазы быстрого горения и период управляемого горения.
Для увеличения экономичности рабочего цикла дизеля необходимо чтобы динамическую напряженность цикла определяло не изменение давления основного горения, а более раннее выделение тепла. Поэтому более интенсивный период основного горения и достижение наибольшей температуры в момент, как можно более близкий к нахождению поршня в верхней мертвой точке (далее - ВМТ) обеспечит увеличение экономичности рабочего цикла дизеля [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974. - 264 с.].
Применение теплообменника, установленного на топливопроводы высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля, позволит, в результате теплообмена нагреть топливопроводы высокого давления, в которых протекает впрыскиваемое в камеры сгорания дизеля топливо до температуры, соответствующей концу ее кипения. Данный нагрев топлива от стенок топливопроводов высокого давления приведет к ее полному испарению в камерах сгорания дизеля, полностью исключит период задержки воспламенения, фазу быстрого горения и увеличит период управляемого горения, что в свою очередь интенсифицирует период основного горения.
При нагреве впрыскиваемого в камеры сгорания дизеля топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, горение начинается сразу без задержки в результате исключения времени на нагрев, далее испарение топлива и значительного ускорения их диффузионного перемешивания со свежим зарядом за счет значительного тепло- и массопереноса [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Следовательно, период основного горения интенсифицируется. В результате достижение наибольшей температуры происходит в момент более близкий к нахождению поршня в ВМТ что в свою очередь приводит к увеличению экономичности рабочего цикла дизеля.
Определение температуры топлива, соответствующей концу ее кипения, определяется согласно методике [ГОСТ 2177-99 Нефтепродукты. Методы определения фракционного состава; ГОСТ Р ЕН ИСО 3405-2007 Нефтепродукты. Метод определения фракционного состава при атмосферном давлении (с поправкой)]. Температуру нагрева топлива равную температуре конца ее кипения изначально определяют путем фракционной разгонки применяемого топлива с использованием аппарата для разгонки нефтепродуктов, а на дизеле эту температуру поддерживают при помощи изменения количества отработавших газов, прошедших через теплообменник посредством регулировочного клапана с использованием электронной системы управления. Данная электронная система поддерживает заданную температуру впрыскиваемого топлива посредством управления проходным сечением регулировочного клапана, обеспечивающего изменение количества отработавших газов, прошедших через теплообменник.
Дизель, в котором применен данный способ интенсификации периода основного горения, конструктивно не отличается от серийных дизелей, поэтому при конструктивных доработках, связанных с нагревом впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, может быть промышленно применен во всех конструкциях дизельных двигателей с использованием любых углеводородных топлив таких как легкое и тяжелое дизельное топливо.
z
На фигуре 1 показаны индикаторные диаграммы дизеля Д-245.5S2 при его работе в номинальном режиме при подаче не нагретого и нагретого топлива, впрыскиваемого в камеры сгорания, до температуры, соответствующей концу ее кипения. Линия 1 характеризует изменение давления в цилиндре работающего дизеля при подаче дизельного топлива без нагрева, линия 2 - при работе на дизельном топливе, нагретом до температуры, соответствующей концу ее кипения. Точка А характеризует момент начала впрыскивания топлива, точка В - момент его самовоспламенения, точка P- максимальное значение давления в цилиндре дизеля в процессе сгорания.
z
При подаче дизельного топлива (точка А) через какое-то время происходит его самовоспламенение (точка В), давление в цилиндре повышается до максимального значения в точке P.
z
z1
z2
z
z
Анализ индикаторных диаграмм показал, что работа дизеля с нагретым впрыскиваемым в камеры сгорания топливом до температуры, соответствующей концу ее кипения сопровождается понижением максимального давления цикла P. Значение P = 10,704 МПа соответствует работе дизеля без нагрева топлива, а при работе на нагретом топливе составляет P = 10,126 МПа соответственно. Максимальное значение давления цикла P достигается при 12 градусах угла поворота коленчатого вала (пкв) после верхней мертвой точки (ВМТ), а при нагреве топлива 9,0 градусов угла пкв после ВМТ. Видно, что точка P сдвигается по абсциссе влево на 4 градуса угла пкв.
max
i
На фигуре 2 показана характеристика тепловыделения дизеля Д-245.5S2 при его работе в номинальном режиме при подаче не нагретого и нагретого топлива, впрыскиваемого в камеры сгорания, до температуры, соответствующей концу ее кипения, полученная путем обработки индикаторных диаграмм. Линия T характеризует изменение среднеобъемной температуры цикла, линии χ и χ - активное и полное тепловыделение, соответственно, а линия dχ/dϕ - скорость тепловыделения.
i
i
max
max
max
max
max
max
max
max
При анализе характеристик полного χ и активного χ выделения теплоты при работе дизельного двигателя на номинальном режиме можно сделать вывод, что процесс сгорания начинается раньше. В ВМТ доля активного тепловыделения составляет χ = 0,282, а при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения она имеет значения 0,351 соответственно. Скорость тепловыделения (dχ/dϕ) в кинетической фазе резко возрастает и в максимуме имеет значение при работе дизеля без нагрева (dχ/dϕ) = 0,1239, а при нагреве (dχ/dϕ) = 0,0878, соответственно. Скорость тепловыделения в диффузионной фазе составила при работе дизеля без нагреве (dχ/dϕ) = 0,0549, а при нагреве топлива она равнялась (dχ/dϕ) = 0,0355, соответственно. При работе дизеля без нагрева топлива среднеобъемная температура в камере сгорания составляет T = 2561 K и достигается при 34 градусах угла пкв после ВМТ, а при нагреве температура равна T = 2409 K и достигается при 24 градусах угла пкв после ВМТ, соответственно. Видно, что точка Tсдвигается по абсциссе влево на 10 градусов угла пкв.
За период основного горения принимается отрезок времени, в данном случае угол пкв, от момента максимального давления цикла и до момента максимального значения среднеобъемной температуры цикла. Очевидно, что без нагрева топлива период основного горения составляет 22 градуса угла пкв, а при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения - 15 градусов угла пкв. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения при помощи теплообменника, установленного на топливопроводы высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля, приводит к интенсификации периода основного горения на 7 градусов угла пкв.