Дизель

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может использоваться при проектировании и изготовлении судовых дизелей.
Известна полезная модель дизеля (см. Патент №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 воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле.
В полезной модели осуществляется организация впрыска в камеру сгорания дизеля одновременно и топлива и воды без предварительного перемешивания с помощью двухканальной форсунки. Причем конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга.
В результате впрыснутая в камеру сгорания вода нагревается и испаряется и здесь происходят все те же процессы, что и при применении водотопливной эмульсии. То есть достигается тот же положительный эффект, что и при применении водотопливной эмульсии, хотя и отсутствует сама установка приготовления водотопливной эмульсии. Одним из этапов работы модели является процесс нагрева до кипения впрыснутой в камеру сгорания воды. Этот процесс достаточно энергозатратен.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель дизеля (см. патент на полезную модель №188228 по заявке №2018127423/06(043722) от 25.07.2018 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 и топливной форсункой, 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 и регулируемый клапан, а также переключатель, выход которого подключен к управляемому выходу дозирующего клапана, кроме того, дизель содержит последовательно соединенные цистерну дистилированной воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле, а также каждый цилиндровый узел включает устройство управления, на вход которого поступает значение угла поворота коленчатого вала, а выход подключен к входу переключателя, а в цилиндре имеются две водяные форсунки, располагаемые напротив друг друга в верхней части цилиндра, вход которых подключен к выходу дозирующего клапана.
В известной полезной модели предлагается перед окончанием такта расширения после полного сгорания топлива (температура стенок цилиндра достигла максимального значения) впрыскивать в цилиндр воду. Вода, попадая в высокотемпературную среду камеры сгорания, нагревается и испаряется. В результате указанных процессов в камере сгорания появляется дополнительное рабочее тело - водяной пар. Это приведет к повышению давления в камере сгорания и тем самым усиливается воздействие газов на поршень и, следовательно, возрастает величина полезной работы, совершаемой двигателем, то есть повышается полезная работа дизеля.
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 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.; стр. 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.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение полезной работы дизеля путем повышения массы получаемого водяного пара в камере сгорания дизеля, за счет предварительного подогрева впрыскиваемой воды.
Поставленная задача полезной модели достигается тем, что в известной полезной модели дизеля, 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, кроме того дизель содержит последовательно соединенные бак дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу клапана в каждом цилиндровом узле дополнительно введены в каждый цилиндровый узел 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.
Существо предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
В известной полезной модели предлагается перед окончанием такта расширения после полного сгорания топлива (температура стенок цилиндра достигла максимального значения) впрыскивать в цилиндр воду. Вода, попадая в высокотемпературную среду камеры сгорания, нагревается и испаряется. В результате указанных процессов в камере сгорания появляется дополнительное рабочее тело - водяной пар. Это приведет к повышению давления в камере сгорания и тем самым усиливается воздействие газов на поршень и, следовательно, возрастает величина полезной работы, совершаемой двигателем, то есть повышается полезная работа дизеля.
В предлагаемой 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. 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.; стр. 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 нагретых стенок камеры сгорания. Для обеспечения отбора теплоты в том же количестве, что и в известной модели, необходимо увеличить количество воды, впрыскиваемой в камеру сгорания. То есть, в предлагаемой полезной модели для обеспечения того же отбора теплоты от стенок камеры сгорания дизеля, что и в известной полезной модели, будет подаваться в камеру сгорания дизеля большее количество воды. В результате повышается масса получаемого водяного пара, соответственно большим будет давление в камере сгорания и, следовательно, повышается величина полезной работы совершаемой двигателем.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что повышается масса водяного пара в камере сгорания дизеля, за счет предварительного подогрева впрыскиваемой воды, который совершает дополнительную полезную работу, 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 фиг. приведена схема дизеля.
Здесь показана схема дизеля 1, каждый цилиндровый узел 2 которого включает цилиндр 3 с поршнем 4, выпускным клапаном 6, топливной форсункой 5, две водяные форсунки 16, располагаемые напротив друг друга в верхней части цилиндра 3, а также газоход 14 и газоанализатор 13, входы которых соединены с выпускным клапаном 6 цилиндра 3, кроме того содержит топливный насос высокого давления 11, выход которого подключен к топливной форсунке 5 и последовательно соединенные дозирующий клапан 7, выход которого соединен с входом двух водяных форсунок 16, переключатель 12 и блок управления 15, на вход которого поступает значение угла поворота коленчатого вала, а также клапан 8 и последовательно соединенные коммутатор 17, вход которого подключен к выходу клапана 8, и подогреватель 18, выход которого является входом дозирующего клапана 7, при этом второй выход коммутатора 17 подключен к входу дозирующего клапана 7, кроме того, дизель 1 содержит последовательно соединенные бак дистиллированной воды 10 и насос 9, выход которого подключен к входу клапана 8 в каждом цилиндровом узле 2.
Осуществление полезной модели.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. В известной полезной модели предлагается перед окончанием - такта расширения после полного сгорания топлива (температура стенок цилиндра 3 достигла максимального значения) впрыскивать в цилиндр 3 воду. Вода, попадая в высокотемпературную среду камеры сгорания, нагревается и испаряется. В результате указанных процессов в камере сгорания появляется дополнительное рабочее тело - водяной пар. Это приведет к повышению давления в камере сгорания и тем самым усиливается воздействие газов на поршень и, следовательно, возрастает величина полезной работы, совершаемой двигателем, то есть повышается полезная работа дизеля. Данный режим работы дизеля реализуется при установке переключателя 12 в положение В и коммутатора 17 в положение С.
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 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 3,5МПа 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.; стр. 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.
В заявляемой полезной модели предлагается увеличить массу получаемого водяного пара в камере сгорания дизеля 1, за счет предварительного подогрева впрыскиваемой воды, что ведет к увеличению полезной работы дизеля.
Для этого в установившемся режиме работы известной полезной модели на подогревателе 18 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. 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.; стр. 38, Таблица II - Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению)).
После выставления на подогревателе 18 заданной температуры подогрева, коммутатор 17 переводится из положения С в положение D. При этом с выхода подогревателя 18 вода, подогретая до заданной температуры, через дозирующий клапан 7 и водяные форсунки 16 подается в камеру сгорания дизеля. 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 тепловой энергии, которая в свою очередь отбирается от нагретых стенок камеры сгорания. Для обеспечения отбора тепловой энергии в количестве, что и в известной модели, необходимо увеличить количество воды, впрыскиваемой в камеру сгорания. Это достигается увеличением производительности клапана 8.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели для обеспечения того же отбора тепловой энергии от стенок камеры сгорания дизеля, что и в известной полезной модели, будет подаваться в камеру сгорания дизеля большее количество воды. В результате повышается масса получаемого водяного пара, соответственно большим будет давление в камере сгорания и, следовательно, повышается величина полезной работы.