СПОСОБ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR POWERING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам и способам питания двигателей внутреннего сгорания с применением альтернативных видов топлива.
Общеизвестно, что природный газ (метан) наиболее пригоден для применения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Его преимущества по сравнению с топливами нефтяного происхождения хорошо известны:
- высокое октановое число (120);
2
- более высокое по сравнению с бензином и дизельным топливом соотношение водород - углерод (4/1). Поэтому при сгорании метана образуется примерно на 10% меньше диоксида углерода (СО), чем при сжигании эквивалентного количества бензина и дизельного топлива;
- при сгорании метана практически не выделяются углеводороды, участвующие в реакции образования озона в атмосфере;
- способность обеспечить устойчивое сгорание на более «бедных» топливовоздушных смесях, чем на традиционном моторном топливе.
Основным затруднением при осуществлении газодизельного цикла является высокая температура самовоспламенения для природного газа (650-700°С), значительно превышающая температуру самовоспламенения дизельных топлив (320-380°С). В качестве значительного приближения к такому процессу можно рассматривать впрыск газового топлива в цилиндр в конце процесса сжатия и его воспламенение запальной дозой топлива, количество которой не превышает 15-20%, что позволяет использовать дизели без изменения степени сжатия [Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: МАДИ (ТУ), 2000, 311 с.].
Газодизельный цикл в отличие от дизельного улучшает технико-экономические показатели работы ДВС, а именно увеличивает КПД на 1-2% и эксплуатационный расход дизельного топлива при работе в газодизельном цикле снижается на 75-80%.
Известен способ питания дизеля, при котором в качестве основного топлива используют природный газ, а дизельное топливо применяют в качестве запальной дозы, составляющей от 5 до 20% по отношению к общему количеству топлива [Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.: Машиностроение, 1977, 196 с].
Такой способ позволяет уменьшить расход дизельного топлива, но при общемировой тенденции снижения добычи нефти и, как следствие, увеличения ее цены имеет очевидные недостатки.
Известен также способ питания дизелей топливами ненефтяного происхождения, в частности диметиловым эфиром, который как моторное топливо по основным параметрам весьма близок к дизтопливу, но обладает лучшей воспламеняемостью, позволяющей снижать жесткость работы дизеля и токсичность выхлопа [RU 2135813. Топливная система дизеля для работы на диметиловом эфире, 1998.].
Однако недостатком такого способа является снижение к.п.д. цикла из-за меньшей теплотворной способности диметилового эфира и сложность топливоподающей аппаратуры.
Целью изобретения является улучшения экологических и технико-экономических показателей ДВС за счет насыщения дизельного топлива (ДТ) природным газом (ПГ).
Указанная цель достигается тем, что в топливной системе ДВС на линии низкого давления используют смеситель циркуляционного типа для создания высокодисперсной однородной эмульсии.
Предлагаемый способ реализовывается без серьезных изменений в конструкции или режимов эксплуатации двигателя, может осуществляться как при его производстве, так и в процессе эксплуатации.
Способ реализуется следующим образом.
В топливной системе ДВС для работы на двухтопливной смеси (90%ДТ + 10%ПГ) с целью реализации газодизельного режима включается подача в двигатель части природного газа в смеси с топливом, подача воздуха в камеру сгорания двигателя для получения гомогенной топливно-воздушной смеси, причем запуск двигателя и его работа на холостом ходу осуществляют на ДТ без подачи ПГ, а на рабочих режимах в топливную систему двигателя на линии низкого давления в смеситель циркуляционного типа подают ДТ и ПГ в соотношениях, обеспечивающих выдержанную требуемую мощности двигателя.
Благодаря тангенциальному расположению отверстий в смесителе создается эффект эжекции и возникает циркуляционное движение потока вокруг струй, которое перемешивает потоки ДТ и ПГ. В цилиндрической поверхности камеры закручивания перемешанные струи ДТ и ПГ чередуются по высоте и взаимодействуют друг с другом, образуя единый закрученный поток. В камере закручивания потоки перемешиваются и на выходе из камеры закручивания в штуцере-сопле получается перемешанный поток высоко дисперсной однородной эмульсии. Все элементы системы питания ДВС остаются практически без изменения. Изменяются только их регулировки, например угол опережения впрыска ДТ, количество впрыскиваемого природного газа, давление впрыска. Это является несомненным достоинством предлагаемого способа.
Данный способ реализован на двигателе 6ЧН31/36, расчетно-экспериментальные исследования которого представлены на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлены индикаторные диаграммы при работе двигателя 6ЧН31/36 на ДТ (1) и смесевом топливе (2)
На фиг 2 представлены кривые тепловыделения при работе двигателя 6ЧН31/36 на ДТ и смесевом топливе
Для оценки эффекта от смеси 90%ДТ + 10%ПГ на индикаторные показатели и характеристики тепловыделения двигателя 6ЧН31/36 было проведено индицирование, результаты которого представлены на совмещенных индикаторных диаграммах, приведенных на фиг. 1. При работе дизеля на смесевом топливе сгорание получается относительно плавным, приближенным к изобарному процессу. При этом максимальное давление цикла уменьшилось на 0,29 МПа или на 3,3%, а снижение жесткости составило 1,7%. при практически неизменной задержке самовоспламенения, а на кривых тепловыделения, приведенных на фиг. 2, отсутствует явный максимум, характерный для взрывного горения.
В результате подачи ПГ в ДТ происходит интенсивное выделение ПГ из капель распыленного смесевого топлива в камере сгорания ДВС, когда давление, оказываемое на природный газ, резко уменьшается. В связи с этим, улучшается качество распыла и сгорания смесевого топлива путем дополнительного разрушения его топливной струи продуктами горения газа, что способствует разрушению струи ДТ и более тонкому и однородному распыливанию с множеством начальных очагов воспламенения. Образовавшиеся пары топлива быстрее смешиваются с воздухом, нагреваются от него и воспламеняются. В конечном итоге это приводит к сокращению периода задержки самовоспламенения, снижению максимального давления цикла, уменьшению скорости нарастания давления при сгорании, следовательно, оказывает влияние на весь процесс сгорания. Таким образом, основной эффект от добавки ПГ к ДТ заключается в интенсификации физических процессов испарения, нагрева и смешения ДТ.
Полученные сравнительные результаты по применению способа питания ДВС 90%ДТ + 10%ПГ позволяют рекомендовать его для оптимального планирования эффективной работы ДВС и выбора рациональных регулировочных решений рабочего цикла.
Технический результат заключается в улучшения энергетических, экономических и экологических показателей ДВС, а также в экономии жидких нефтепродуктов.