СПОСОБ ПОДАЧИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА И ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В РАБОЧИЕ ЦИЛИНДРЫ ГАЗОДИЗЕЛЯ
METHOD FOR SUPPLYING COMBUSTIBLE GAS AND DIESEL FUEL TO THE WORKING CYLINDERS OF THE GAS DIESEL

Изобретение относится к газожидкостным двигателям внутреннего сгорания - газодизелям, работающим на газообразном топливе с самовоспламенением сжимаемой в цилиндрах смеси горючего газа с воздухом и впрыском ограниченного количества - «запальной дозы» -жидкого дизельного топлива.
Известен способ подачи горючего газа - газового топлива (природный газ, метан) - в цилиндры газожидкостного двигателя внутреннего сгорания (газодизеля) путем подачи газа в каждый цилиндр или в полость впускных клапанов крышки каждого цилиндра через газовые клапаны. Газовые клапаны в этом случае открывают для подачи газа на такте наполнения данного цилиндра воздухом.
Газовые клапаны периодически открываются и закрываются либо механическим приводом от распределительного вала двигателя, либо электромагнитами, управляемыми автоматической электронной системой управления (АЭСУ). Подаваемый в цилиндры газ иногда подогревают в теплообменнике горячей водой, охлаждающей дизель, с температурой до 80-90°С [Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и газодизельные двигатели. М., ВНИИЭГазпром, 1992 г.; Фофанов Г.А., Бондаренко Л.М. и др. Газотепловозы. Опыт и перспективы развития. Труды ВНИТИ, Коломна. 1999, вып. 79, с. 419-422].
Недостатком такого способа подачи горючего газа в цилиндры газодизеля является негомогенность газовоздушной смеси в камерах сгорания цилиндров к моменту начала впрыска запального жидкого топлива и воспламенения смеси, поскольку поступающие в цилиндры струи горючего газа не успевают перемешаться с воздухом до однородного состава по всему объему камеры сгорания. В этих условиях процессы воспламенения и сгорания замедляются, снижается полнота сгорания, уменьшается индикаторный КПД и мощность дизеля, увеличиваются выбросы вредных веществ в отработавших газах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля заключается в том, что газ подают через впускной патрубок в компрессор наддува, где перемешивают с наддувочным воздухом, далее в виде газовоздушной смеси направляют в наддувочный ресивер газодизеля и через впускные клапаны - в рабочие цилиндры на такте наполнения цилиндров, отличающийся тем, что общее количество подаваемого газа разделяют на две части, одну часть в количестве от 20 до 50% подают через впускной патрубок в компрессор наддува и далее в виде газовоздушной смеси в наддувочный ресивер газодизеля и через впускные клапаны в рабочие цилиндры, а остальную часть газа в количестве от 80 до 50% направляют через коллектор газовый и газовые клапаны в рабочие цилиндры газодизеля.
На режимах малых нагрузок через газовый коллектор и газовые клапаны в рабочие цилиндры газодизеля подают от 80 до 65%, на режимах близких к полной мощности - от 65 до 50% общего количества подаваемого газа, остальное количество газа подают через впускной патрубок в компрессор наддува и далее в виде газовоздушной смеси в наддувочный ресивер и через впускные клапаны в рабочие цилиндры газодизеля. Часть газа, подаваемую через газовые клапаны в рабочие цилиндры, предварительно нагревают в подогревателе за счет тепла выпускных газов газодизеля до температуры 150-250°С. [Патент РФ №2319846, МПК: F02D 19/10; F02B 43/00; F02M 29/02. Опубл. 20.03.2008. Способ подачи горючего газа и дизельного топлива в рабочие цилиндры газодизеля / Бондаренко Л.М., Жданов В.А., Никольский Н.К., Сазонов И.В., Троицкий А.П., Фролов Г.В.].
Недостатками этого способа является то, что: не обеспечивается качество распыла дизельного топлива и сгорания смесевого топлива; не обеспечивается возможность применения других перспективных альтернативных топлив в качестве добавок к дизельному топливу и горючему газу.
Данный способ принят авторами в качестве прототипа.
Указанный технический результат заключается в том, что одну часть горючего газа в процентном соотношении в соответствии с оптимизированной программой управления работой дизеля подают через впускной патрубок в компрессор наддува, где газ перемешивается с воздухом, далее в виде газовоздушной смеси направляют в воздушный ресивер (коллектор) газодизеля и через впускные клапаны в рабочие цилиндры на такте наполнения цилиндров отличающийся тем, что на запуске, холостом ходу и малых нагрузках горючий газ и запальную дозу дизельного топлива обогащают водородом или синтез-газом в процентном соотношении 1-5%. Кроме того, газодизель запускают и прогревают на дизельном топливе. Запальную дозу дизельного топлива на холостом ходу и малых нагрузках нагревают теплотой охлаждающей воды, воды газодизеля до температуры 60-90°С. Часть газа, подаваемого через впускные клапаны, предварительно нагревают в подогревателе за счет тепла выпускаемых газов газодизеля до температуры 100-200°С.
Система содержит отсечной клапан 1, к которому подведен трубопровод от емкости с газом (на чертеже не показан), редуктор 2 понижения давления газа, разделитель 3 потока газа на две системы, систему 4 подачи газа в компрессор турбокомпрессора, компрессор 5 надува турбокомпрессора, систему 6 для подачи газа в коллектор газовый, а из него в рабочие цилиндры газодизеля, газовый коллектор 7, рабочие цилиндры 8 газодизеля, газодизель 9, регулятор 10 подачи газа, датчик 11, отсечной клапан 12, впускной патрубок 13 входа в воздушную полость компрессора наддува, каналы 14 охладителя газовоздушной смеси, охладитель 15 газовоздушной смеси, наддувочный рессивер 16, каналы 17 на входе впускных клапанов (на чертеже условно не показаны), крышки 18 рабочих цилиндров, регулятор 19 подачи газа, подогреватель 20 подачи газа, отсечной клапан 21, датчик давления газа 22, газовые клапаны 23 цилиндров, блок управления 24, регулятор 25, форсунки 26 подачи запальных доз дизельного топлива, трубопровод 27 дизельного топлива, механизм подачи 28 запальных доз дизельного топлива, смеситель 29, систему подачи 30 дизельного топлива, систему подачи 31 добавок водорода или синтез-газа.
Введение в систему смесителя 29 позволяет получить высокодисперсную однородную (гомогенную) смесь горючего газа и дизельного топлива с водородом или синтез-газом для успешного перемешивания до однородного состава по всему объему камеры сгорания.
Система подачи 30 дизельного топлива предназначена для запуска газодизеля на дизельном топливе для улучшения пусковых и рабочих характеристик, а также для организации газодизельного режима работы исходя из преимуществ газодизельного цикла, простоты переоборудования и обеспечения эксплуатационной надежности (конвертируемость работы дизеля осуществляется переключением тумблера). Запальная порция дизельного топлива составляет 15% общего расхода (газ + дизельное топливо), что обусловлено требованием к устойчивой, без пропусков подачи, работе топливной аппаратуры.
Система подачи 31 добавок водорода или синтез-газа предназначена для обогащения горючего газ и запальной дозы дизельного топлива на запуске, холостом ходу и малых нагрузках в процентном соотношении 1-5%.
Способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля осуществляется следующим образом.
Запускают газодизель 9 для работы по дизельному циклу с подачей жидкого топлива к форсункам 26 по трубопроводу 27 дизельного топлива. Для перехода на газодизельный цикл работы горючий газ под давлением подводят от газовой емкости (на чертеже не показана) через отсечной клапан 1 и редуктор 2 давления газа к разделителю 3 газовых потоков, в котором общее количество подаваемого газа разделяют на две части.
На запуске, холостом ходу и малых нагрузках горючий газ и запальную дозу дизельного топлива с помощью системы 31 обогащают водородом или синтез-газом в процентном соотношении 1-5%. Запальную дозу дизельного топлива на холостом ходу и малых нагрузках нагревают теплотой охлаждающей воды, воды газодизеля 9 до температуры 60-90°С.
В смесителе 29 получается высокодисперсная однородная (гомогенная) смесь горючего газа и дизельного топлива с водородом или синтез-газом для успешного перемешивания до однородного состава по всему объему камеры сгорания. Кроме того, газодизель 9 запускают и прогревают на дизельном топливе с применением системы подачи 30.
Часть газа, подаваемого через каналы 17 впускных клапанов, предварительно нагревают в подогревателе 20 за счет тепла выпускаемых газов газодизеля 9 до температуры 100-200°С.
Одну часть газа в количестве от 20 до 50% общего количества подаваемого газа подают по газопроводу 4 через впускной патрубок 13 в компрессор 5 наддува, где перемешивают с наддувочным воздухом. Проходя вместе с воздухом через лопаточный аппарат и диффузор компрессора 5 наддува, эта часть газа образует гомогенную газовоздушную смесь, которую направляют в каналы 14 охладителя газовоздушной смеси 15 для охлаждения и затем в наддувочный ресивер 16 газодизеля 9, откуда направляют через каналы 17 и впускные клапаны в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9 на такте наполнения цилиндров 8. Уменьшение в сравнении с прототипом количества газа, вводимого через наддувочный ресивер 16, до 20-50% общего количества подаваемого газа уменьшает в 2-5 раз концентрацию газа в газовоздушной смеси. При нижнем концентрационном пределе воспламенения газовоздушной смеси, равном 5% газа в воздухе, указанное уменьшение количества газа, вводимого через наддувочный ресивер, уменьшает содержание газа в газовоздушной смеси до 1,5-0,6%, что исключает возможность взрыва газовоздушной смеси в наддувочном ресивере 16 газодизеля 9. В том же соотношении в сравнении с известным способом газоподачи уменьшаются потери газовоздушной смеси в период, когда одновременно открыты впускные и выпускные (на чертеже не показаны) клапаны. Остальную часть газа в количестве 80%-50% общего количества подаваемого газа направляют от разделителя 3 потоков газа по газопроводу 6 подачи газа к регулятору 19 подачи газа в цилиндры 8, через подогреватель газа 20, в котором газ может быть нагрет за счет тепла выпускных газов газодизеля 9 и далее направляют через отсечной клапан 21, коллектор газовый 7 и газовые клапаны 23 в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9. Газовые клапаны 23 открывают периодически в соответствии с порядком работы рабочих цилиндров 8 с помощью электромагнитного привода (на чертеже не показано) под воздействием управляющих сигналов от блока управления 24 или механизма газораспределения газодизеля 9 (на чертеже не показано). Газовые клапаны 23 открывают проход газа в рабочие цилиндры 8, где газовые струи попадают в гомогенную газовоздушную среду, поскольку от 20 до 50% общего подаваемого количества газа уже введено в воздушный заряд в компрессоре 5 наддува, что ускоряет в сравнении с известным способом газоподачи равномерное распределение всего газа в объеме рабочего цилиндра 8 и гомогенизацию всей смеси, повышение скорости и полноты сгорания, определяющих индикаторный коэффициент полезного действия и приемистость газодизеля 9. Перемешивание подаваемого газа с газовоздушной смесью и воспламенение смеси ускоряют также повышением температуры газа до 150-250°С в подогревателе 20 газа. Для оптимизации процессов смесеобразования и сгорания на разных режимах работы газодизеля целесообразно изменять в заявленных пределах соотношение количеств горючего газа, подаваемых по газопроводу 6 через газовые клапаны 23 и по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува, и впускные клапаны в рабочие цилиндры. В частности, на режимах малых нагрузок (до 50% полной мощности) по газопроводу 6 в рабочие цилиндры подают от 80 до 65%, а на режимах, близких к полной мощности (свыше 50% полной мощности), подают от 65 до 50% общего количества подаваемого газа, при подаче остальных количеств газа по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува и впускные клапаны.
Технический результат в предлагаемом способе обогащения горючего газа и дизельного топлива с водородом или синтез-газом заключается в улучшении качества распыла и сгорания смесевого топлива путем дополнительного разрушения его топливной струи продуктами горения газа за счет выделения горючего газа при перепаде давления, что способствует разрушению струи дизельного топлива и более тонкому и однородному распыливанию с множеством начальных очагов воспламенения. В результате сгорания горючего газа в полном объеме происходит повышение давления и температуры, что сказывается на разрушении топливной струи.
При обогащении горючего газа и дизельного топлива водородом или синтез-газом в процентном соотношении 1-5% происходит снижение удельного эффективного расхода дизельного топлива, вредных выбросов и увеличение эффективной мощности газодизеля, что обусловлено существенным влиянием доли горючего газа как водородосодержащего газа на характеристики процесса горения, а также расширяется перспектива применения альтернативных топлив в газодизелях.