Способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием и устройство подачи топлива для него
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE (ICE) WITH SPARK IGNITION AND FUEL SUPPLY DEVICE THEREFOR

Областью техники предложенного способа является  двигателестроение, в частности, разработка способа применения спиртового топлива - метанол, этанол для   двигателей внутреннего сгорания ( ДВС)  с искровым зажиганием.
Назначением предложенного способа является замена топлив, получаемых из нефти,  поскольку мировые запасы минерального сырья, которым является нефть,  уменьшается, а  спиртовые топлива являются перспективным топливом.
Запасы нефти для производства жидкого моторного топлива неизбежно сокращаются, в следствие этого ближайшим заменителем традиционных топлив нефтяного происхождения признают метанол, этанол,  сырье для производства которых является возобновляемым.
Однако физико-химические  свойство спиртов при работе ДВС имеют свои особенности.
Спирты имеют большую теплоту испарения, что сопровождается значительным охлаждением топливовоздушного заряда, а, следовательно, топливный заряд требуется подогревать. При этом у спиртов  высокое октановое число (ОЧ) и малое  цетановое число ( ЦТ ). Так известные виды дизельного топлива имеют цетановое число на отметке 45–50,  у спиртов цетановое число составляет 104- 115. Для современных дизельных агрегатов наилучшим топливом является горючее с большим показателем цетанового числа. В связи с этим применение спиртов является предпочтительным.
Если впрыскивать в цилиндры, например, дизельного двигателя спирты вместо дизтоплива, воспламенения не произойдет, поскольку для самостоятельного поджига  газо-воздушной смеси нужны более высокие температуры по сравнению с дизтопливом.
Свойства  спиртов характеризуются  низкими показателями самовоспламенения, что вызывает необходимость  использования  принудительного воспламенения в виде специальной, дополнительной  установки при подаче спиртового топлива в системе подачи топлива. Это касается и таких видов дизельных двигателей, как 6ЧСП 18/22   В особенности,  на дизельных ДВС с искровым зажиганием для газового топлива. При этих условиях работа дизельного ДВС будет аналогична работе ДВС  на дизельном топливе с  газово-поршневыми генераторами. Установка на дизель оборудования для метанола является наиболее экономически выгодным, особенно для большегрузных машин.
В настоящее время наиболее распространенным типом топлив для дизельных двигателей с внешней системой зажигания является применение метана, однако газ применяют в сочетании с дизельным топливом. Так замещают  около 75-80% дизельного топлива метаном, а  замещение пропаном возможно  на 40-45% .
Однако при высокоточной комбинированной подаче дизельного топлива и газа метана, требуется очень сложная и дорогостоящая регулировка работы дизельного двигателя, поскольку поданное ранее дизтопливо воспламеняется естественным образом от сжатия,  а порция газа впрыскивается ближе к самому концу такта сжатия и воспламеняется принудительно. Для регулировки процесса применяют, например, дорогостоящую технологию   HPDI.
Также применение газа существенно утяжеляет оборудование автомобиля, так как, например, метан на борту автомашины хранится в газообразном состоянии под высоким давлением в 200 атмосфер в специальных баллонах. Большой вес и размер этих баллонов является существенным негативным фактором. Целесообразнее использовать в качестве топлива метанол.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является  изобретение «Способ подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и система с парогенератором для его осуществления», патент RU2 681 873, опубл.: 26.06.2018, МПК F02B, 43/00, F02B 19/12, F02M 31/18, F02M 27/02, который выбран в качестве прототипа. В данном способе применяют  подогрев газовоздушной смеси до заданной температуры, реакцию  обеспечивают за счет давления и соответствующей температуры подаваемой газовоздушной смеси в камеру зажигания  в расчетной объемной пропорции,  которую подают в камеру сгорания через впускной воздушный коллектор и далее в цилиндры двигателя на такте всасывания, а на такте сжатия обеспечивают воспламенение газовоздушной смеси при срабатывании штатной системы зажигания за счет искрообразования при достижении заданного давления. Данный способ позволяет достичь более равномерной смеси высокотемпературных паров топлива и воздуха  и  облегчить вспышку в цилиндрах ДВС с искровым зажиганием, что обеспечивает полноту сгорания смеси. Однако не решает задачи применения метанола, так как для него требуется не облегчить вспышку, а отрегулировать ее таким образом, чтобы не происходило детонации при достижении большей мощности ДВС.
Для использования метанола (этанола) приходится решать задачу по принудительному воспламенению впрыснутого спирта. Паровоздушная смесь из воздуха и паров метанола  не воспламеняется сама по себе от сжатия, так как  температура само воспламенения  метанола - 436°C, что примерно в полтора раза выше чем у дизельного топлива, которое составляет 300-320 град С. Также требуется учитывать, что компрессия базового бензинового двигателя обычно 10,5 атм, а дизельного примерно 18 - 20 атм. Для дизельных двигателей используются степень сжатия топливо-воздушной смеси в 14-22 раза, при дизельном  двигателе на метаноле он может иметь степень сжатия до 12-14 раз, а для большегрузов и гоночных автомобилей при дизельном двигателе на метаноле степень сжатия обычно доводят  до 15.
При использовании паров метанола следует учитывать, что метанол относится к предельным одноатомным спиртам с   температурой кипения +64,7 °C, и удельной теплотой сгорания 2500-2700 кДж/кг , что намного больше бензиновых ДВС.
Октановое число метанола, к примеру, достигает 120. Штатная степень сжатия дизельного двигателя для него слишком высока, и чтобы избежать детонации и, как следствие, быстрого разрушения агрегата, ее необходимо снизить до 12:1-14:1, в тяжелогрузных машинах или в гоночных автомобилях при метаноле можно получить степень сжатия 15:1.
Поскольку спирты имеют большую теплоту испарения, что сопровождается значительным охлаждением топливовоздушного заряда,  это способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению теплонапряженности цилиндра, что в свою очередь, приводит к повышению теплоты сгорания спирто вовоздушной смеси.  Однако теплота сгорания метанола составляет 22,7 МДж/кг, что на 40-50 % меньше, чем у бензина, при этом за счет лучшей наполняемости цилиндра двигателя и более равномерного распределения в нем паров метанола, производительность ДВС не снижается, а мощность повышается на 10-15 %.
Кроме того, поскольку температура вспышки метанола - 15,6 град С. , то диапазон воспламеняемости по коэффициенту избытка воздуха для спирта составляет примерно от 0,4, в то время, как  у дизельных ДВС требуется коэффициент избытка воздуха не ниже 1,3 для полного сгорания топлива.
Поэтому требуется учитывать при использовании метанола следующие аспекты работы дизельных двигателей:
- двигатель должен сочетать в себе топливную экономичность дизелей и удельную массу бензиновых двигателей, а для этого необходимо выполнить следующие основные требования к рабочему циклу:
- диапазон степеней сжатия приблизительно 12–15;
- работа в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха;
- работа в широком диапазоне частот циклов на уровне современных двигателей с искровым воспламенением.
Таким образом, использование метанола или этанола в качестве топлива позволяет достичь поставленной цели при большей мощности ДВС и при отсутствии вредных выхлопов.
Данный технический результат достигается за счет того, что предложен способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием,включающий подогрев паровоздушной смеси до заданной температуры, инициацию запуска реакции комбинированной  конверсии  за счет давления и соответствующей температуры подаваемой паровоздушной смеси в камеру зажигания  в расчетной объемной пропорции, паровоздушную смесь подают в камеру сгорания через впускной воздушный коллектор и далее в цилиндры двигателя на такте всасывания, а на такте сжатия  обеспечивают воспламенение паровоздушной смеси при срабатывании системы зажигания за счет искро образования при достижении заданного давления.
Новым является то, что  в качестве жидкого топлива для получения паровоздушной смеси применяют этиловый и/или метиловый спирты (метанол), получение паровоздушной смеси осуществляют путем нагревания спирта до + 60 °С и  инжекторного  распределенного впрыска  подогретого спирта, при этом осуществляют регулируемую по скорости подачу подогретого топлива для получения расчетной  температуры паровоздушной смеси, что обеспечивает рабочую температуру в камере зажигания.  В качеств примера  возможно применять  рабочее давление, полученное  за счет градиента разряжения в цилиндре ДВС на такте всасывания и на такте сжатия, при этом происходит  инжекторный  распределенный впрыск паровоздушной смеси в цилиндре ДВС, в том числе и в камере зажигания.
Таким образом реализуется способ работы  ДВС с искровым зажиганием за счет впрыска жидкого топлива в виде спиртов  метилового (метанол) и этилового (этанол) от системы инжекторного распределенного впрыска,  установленного на воздушном коллекторе двигателя.
Для этого способа может применяться  серийная топливная  аппаратура бензиновых ДВС - инжекторная  топливная система, которая в предложенном способе используется для распределенного впрыска  совместно паров спирта и воздуха, которые смешиваются в воздушном коллекторе ДВС.
Условию горения спиртов в камере сгорания дизельный ДВС с искровым зажиганием  соответствуют  двум следующих свойствам спиртов:
- для использования высокого октанового числа (ОЧ) спиртов дизельный ДВС имеет  высокую степень сжатия, которую требуется снизить;
- для воспламенения с малым цетановым числом (ЦТ) спиртов требуется установка  искрового зажигания.
В предложенном способе сначала подогретое спиртовое топливо  подается в инжекторные форсунки вместе с атмосферным воздухом.
Спирт до впрыска через форсунки инжектора подогревается  проточным электрическим подогревателем до + 60 °С, который при впрыске чрез форсунки инжектора мгновенно превращается в пар, так как  спирты при  температуре   + 60 °С  и давлении в топливной рампе инжектора до 10 атмосфер являются перегретой жидкостью. Полученный спиртовой пар смешивается в впускном воздушном коллекторе ДВС с атмосферным воздухом, и  в результате образуется  паро - воздушная топливной смесь, которая поступает в камеру сгорания ДВС  на такте впуска. А на такте сжатия  обеспечивают воспламенение паро-воздушной топливной  смеси при срабатывании системы зажигания за счет искрообразования при достижении заданного давления.
Назначением предложенного устройства для реализации предложенного способа является  применение в качестве топлива спиртов в  ДВС  с искровым зажиганием, которые заменяют собой классические дизельные двигатели,  использование  серийной  топливной системы подачи топлива для бензиновых  двигателей инжекторного типа, в частности,  инжекторной  топливной системы. Также назначением предложенного устройства является улучшение экологических и экономических  показателей, в частности,  улучшается  до 5 % экономических показателей дизельных ДВС с искровым зажиганием, которое обеспечивается при работе ДВС на спиртах по сравнению с работой на дизельном топливе.
Известно изобретение «Система впуска двигателя внутреннего сгорания», патент      RU152 094, опубл.10.05.2015. МПК F02M 35/02, F02M 31/13, F02N 19/0, содержащая - впускные патрубки,  в воздухоочистителе под воздушным фильтром установлен нагревательный элемент, нагревательный элемент функционально запитан от бортового источника питания. Изобретение позволяет улучшить пуск двигателя при низких температурах и сэкономить топливо до 5% за счет регулирования температуры на впуске в двигатель в пределах 20-60°C при минимальных затратах. Однако является бензиновым двигателем и работает на бензине. Кроме того, используют нагреватель воздуха, а не топлива.
Известно изобретение «Способ и система работы двигателя с воспламенением от сжатия», патент RU 2 557 965, опубл.27.07.2015, к.пр.31.03.2010 DK PA201000273, МПК F02B 51/02, F02M 27/02, F02M 37/00, F02M 31/02, в котором осуществляют распределение сжатого первичного топлива на основе спирта в трубки для топливных форсунок двигателя, осуществляют  непрерывный впрыск топлива под давлением в двигатель.  Однако используют   насос высокого давления, а теплообменник для нагревания первичного топлива располагают в  соединительных трубках  для впрыска топлива в двигатель. Предложенный способ использует воспламенение от сжатия паров топлива, что требует насоса высокого давления и  превращение части сжатого первичного топлива на основе спирта в эфир, что существенно усложняет процесс и удорожает его.
Наиболее близкой к предложенном устройству является изобретение «Система термокаталитической конверсии метанола в синтез-газ для автономных энергетических систем », патент RU151 383, опубл.10.04.2015, МПК F02B 43/10, F02M 31/18, C01B 3/22, содержащая  емкость для хранения метанола,  подающий насос, систему подачи синтез-газа во впускную систему двигателя. Однако использует специальный реактор для получения синтез - газа, так же как и в патенте  CN 201991593, т.е. спирт в жидком состоянии подается в выпускной коллектор, где испаряется и разлагается до синтез-газа, который подается во впускной коллектор. Однако во всех предложенных способах используют катализаторы для  осуществления некаталитической конверсии метанола в синтез-газ.
При впрыске в ДВС с искровым зажиганием требуется распределить инжекторный впрыск наиболее равномерно по всему объему камеры сгорания.
Спирты имеют большую теплоту испарения, что сопровождается значительным охлаждением топливо воздушного заряда, а, следовательно. затруднением его воспламенения в камере сгорания ДВС. Поэтому требуется решить задачу устойчивого воспламенения при такте впрыска. Достижение расчетного давления впрыснутой паро воздушной смеси достигают при такте сжатия. Условию горения спиртов в камере сгорания  ДВС с искровым зажиганием  соответствуют условию горения в дизельном ДВС благодаря двум  свойствам спиртов :
-для использования высокого октанового числа (ОЧ) спиртов дизельный ДВС не должен иметь высокую степень сжатия;
- для воспламенения с малым цетановым числом (ЦТ) спиртов требуется обязательно искровое зажигание.
Поэтому применение спиртов позволяет использовать серийную  топливную инжекторную  топливную систему, используемую в  бензиновых  двигателях.
Основным недостатком дизельных двигателей с искровым воспламенением, [Классификация судовых двигателей, 2007 - 2020 НЕВА-диз ] является высокий расход топлива на больших нагрузках при использовании тяжелых топлив, что объясняется необходимостью снижения степени сжатия относительно бензиновых аналогов. Так требуется достичь на дизельном ДВС с искровым зажиганием, работающим, в частности, на метаноле, степень сжатия как у  базового бензинового двигателя - примерно 10,5 атм. Это достигается использованием непосредственного впрыска топливовоздушной смеси и расположением искрового промежутка на относительно малом расстоянии от сопла форсунки, вблизи границ струи. Система зажигания имеет традиционную конструкцию и параметры разряда, характерные для бензиновых двигателей. Однако достижение рабочего давления на такте сжатия достигается на меньшем ходе поршня.
Для возможности воспламенения топливо в районе искрового разряда должно быть в газовой фазе, а смесь должна находиться в концентрационных пределах воспламенения поэтому основной регулировкой является регулировка задержки воспламенения, для регулировки хода поршня на такте сжатия, что является наиболее простым. Это обусловлено зависимостью задержки воспламенения от типа топлива и термодинамических условий в рабочей камере.
Применение спиртов позволяет использовать простое регулирование работы ДВС, в частности, реализовать бездроссельное регулирование. Пусковые свойства дизельных ДВС с искровым зажиганием, работающие на спиртах, значительно улучшены, так он существенно проще может начинать работу при низких температурах. Например, двигатель на спирте успешно запускался при температурах окружающей среды до -20°С и ниже.
Предложенное устройство позволяет наиболее простыми способом реализовать применение спиртов в  ДВС с искровым зажиганием. Фактически достигаются преимущества дизельного двигателя с использованием системы подачи топлива как у бензиновых двигателей. Это достигается за счет того, что устройство содержит  наряду со штатными системами зажигания и впрыска топлива также топливный бак, впускной воздушный коллектор, форсунки, электрический нагреватель топлива, электрический  топливный насос, электрогенератор, электрически соединенный  с нагревателем топлива и топливным насосом.
Новым является то, что топливный бак заполнен жидкостью, состоящей из метилового и/или этилового спирта, который подают по потоку топлива через фильтр в проточный электрический топливный насос, работающий от штатного электрогенератора ДВС с возможностью регулировки скорости подачи топлива, дополнительно по потоку топлива после топливного насоса установлен проточный электрический нагреватель топлива, на выходе которого топливо заданной температуры подают к форсункам, что обеспечивает  при впрыске через форсунки получение паровоздушной смеси рабочей температуры. Впускной воздушный коллектор ДВС с воздухопроводами, в которых размещены форсунки инжекторной системы питания для распределенного впрыска топлива,  размещены на топливной рампе. Топливной рампой в контексте данной заявки является конструкция, на которой размещают воздуховоды от воздушного коллектора, форсунки, к которым подводится подогретое топливо во трубопроводу от проточного электрического нагревателя и впускной воздушный коллектор в камеру зажигания ДВС.  На выходе каждого  воздуховода впускного воздушного коллектора перед соответствующей камерой зажигания соответствующего цилиндра дизельного ДВС размещена система искрового зажигания. Наиболее предпочтительным вариантом является то, что проточный электрический нагреватель топлива выполнен таким образом, что на его выходе топливо подогрето до  + 60 °С для образования при впрыске через форсунки паровоздушной смеси с рабочей температурой и давлением для данного ДВС.
Устройство иллюстрируется чертежом.
На  Фиг. – показана схема  дизельного двигателя внутреннего сгорания (1) с искровым зажиганием (2), воздушный коллектор ДВС (3), топливная рампа (4) с форсунками (5) , проточный электрический нагреватель топлива (6), проточный электрический  топливный насос (7), топливный бак (8), электрогенератор (9),  линия электро питания (10)  электрического проточного нагревателя топлива (6) и  электрического проточного топливного насоса (7).
Запуск и обеспечение работы дизельного ДВС с искровым зажиганием осуществляется  с  учетом следующих  физико-химических свойств спиртов :
-  Большая теплота испарения, что сопровождается значительным охлаждением топливовоздушного заряда.
-  Высокое октановое число (ОЧ).
- Малое  цетановое число ( ЦТ ) спиртов, которое характеризует низкие показатели самовоспламенения, вызывающие необходимость использования  принудительного воспламенения в виде установки на дизельный ДВС искрового зажигания как это сделано на газово-поршневых генераторах.
Спирты позволяют использовать серийную  топливную аппаратуру бензинового  двигателя  - инжекторную  топливную систему.
Запуск и  работа дизельного ДВС с искровым зажиганием осуществляется в следующим порядке :
С учетом большой теплоты испарения спирта, что сопровождается значительным охлаждением топливовоздушного заряда, а, следовательно, и затруднением его воспламенения в камере сгорания ДВС,  предварительно, до запуска системы подачи топлива,  к аккумулятору ДВС подключают проточный электрический нагреватель топлива (6), далее включают зажигание и электрический проточный топливный насос (7) подает  спирт  из топливного бака (8) через электрический проточный нагреватель (6),  подогретый  до + 60 °С  спирт  в топливную рампу (4), далее происходит впрыск нагретого спирта  форсунками (5) в камеру сгорания (1) с искровым зажиганием (2). После запуска двигателя питание для электрического проточного нагревателя (6) и электрического проточного топливного насоса (7) обеспечивается от генератора (9) по линии (10).
Таким образом,  условию горения спиртов в камере сгорания дизельный ДВС с искровым зажиганием  соответствуют  двум  свойствам спиртов:
- высокое октановое число (ОЧ) спиртов для дизельного ДВС со степенью сжатия, которое характерно для бензиновых двигателей;
- воспламенение спиртов с малым цетановым числом (ЦТ) обеспечено штатной системой зажигания, характерной для бензиновых двигателей:
- регулировка работы двигателя осуществляется штатными системами, регулирующими задержку воспламенения,
- термодинамические условия в рабочей камере ДВС обеспечены рабочей температурой в камере зажигания,
разницы разряжения в цилиндре ДВС
-  рабочее давление получают за счет  на такте всасывания с одновременным  инжекторным  распределенным впрыском паровоздушной смеси в камеру зажигания и ходом поршня на такте сжатия.
В связи с этим не требуется насоса высокого давления.
Устройство позволяет интегрировать данную систему в любой двигатель внутреннего сгорания при минимальных изменениях его конструкции, например, также и в дизельный ДВС, используя штатные системы зажигания бензиновых двигателей.