Дизель

Полезная модель относится к области дизелестроения и может быть использована при проектировании, изготовлении и модернизации дизелей.
Известна полезная модель дизеля, применяющего в качестве топлива водотопливную эмульсию (см., например, Ю.П. Пахомов, Ю.П. Коробков, Д.В. Дмитриевский, Г.Л. Васильев Топливо и топливные системы судовых дизелей. - Изд. «РК Консульт», 2003, 496 с., стр. 223-240, а также В.А. Сомов, Ю.Г. Ищук Судовые многотопливные двигатели. Л.: Судостроение, 1984, 240 с.; стр. 160-167). Дизель содержит цилиндровые узлы по числу цилиндров, каждый из которых включает цилиндр с поршнем, топливную форсунку и выпускной клапан, а также газоход и газоанализатор, входы, которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, и топливный насос высокого давления, выход которого подключен к выходу топливного насоса высокого давления. Здесь на вход топливного насоса высокого давления подается топливо или водотопливная эмульсия.
При применении дизеля с установкой водотопливной эмульсии проявляются следующие положительные эффекты.
x
Так как часть выделившейся при сгорании топлива теплоты идет на нагрев воды в составе водотопливной эмульсии до кипения и ее испарение, то происходит снижение температуры в камере сгорания. В результате снижается теплонапряженность цилиндро-поршневой группы, а также снижается содержание оксидов азота NO в отработавших газах дизеля. При этом улучшается смесеобразование, так как пары воды обеспечивают лучшее перемешивание топлива. Наличие воды также улучшает процесс сгорания углеводородов в составе топлива, что ведет к снижению нагарообразования.
Однако наличие установки водотопливной эмульсии в дизеле ведет к его существенному усложнению и удорожанию. Кроме того, одним из этапов работы модели является процесс нагрева до кипения воды, впрыснутой в камеру сгорания в составе водотопливной эмульсии. Этот процесс достаточно энергозатратен. Отбор некоторого количества теплоты в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель дизеля (патент на полезную модель №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 дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле.
При применении предложенной полезной модели в первый канал двухканальной форсунки подается топливо из топливного насоса высокого давления. Топливо распыляется соплами форсунки по камере сгорания. После того, как дизель прогреется, на второй канал двухканальной форсунки, в моменты подачи топлива, начинает подаваться дистиллированная вода, которая также распыляется в камере сгорания. Причем конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга. Количество впрыскиваемой воды, также как и при применении водотопливной эмульсии не должно превышать 15-20% и регулируется на основе данных газоанализатора по температуре и составу отработавших газов дизеля. В результате впрыснутая в камеру сгорания вода нагревается и испаряется, и здесь происходят все те же процессы, что и при применении водотопливной эмульсии.
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 моменту впрыска воды (начало подачи топлива) в камере сгорания развивается достаточно высокое давление (может достигать порядка 3-6 МПа, а для некоторых типов дизелей и выше), 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. Отбор некоторого количества теплоты от продуктов сгорания топлива в цилиндре дизеля для нагрева до кипения впрыснутой воды ведет к уменьшению полезной работы дизеля.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение полезной работы дизеля путем предварительного подогрева впрыскиваемой воды.
Поставленная задача полезной модели достигается тем, что в известной полезной модели дизеля каждый цилиндровый узел которого включает цилиндр с поршнем, двухканальной форсункой и выпускным клапаном, а также газоход и газоанализатор, входы, которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, также содержит топливный насос высокого давления, выход которого подключен к первому каналу двухканальной форсунки, кроме того в каждом цилиндровом узле имеются регулируемый клапан, а также последовательно соединенные дозирующий клапан, выход которого подключен ко второму каналу двухканальной форсунки и переключатель, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления, кроме того дизель содержит насос, выполненный с возможностью подсоединения к цистерне с дистиллированной водой, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле, дополнительно введены в каждый цилиндровый узел последовательно соединенные подогреватель, выход которого подключен к входу дозирующего клапана, и коммутатор, вход которого соединен с выходом регулируемого клапана, а второй выход подключен к выходу подогревателя.
Существо заявляемой полезной модели заключается в следующем.
В предлагаемой полезной модели для снижения теплоты, затрачиваемой для нагрева впрыснутой воды до кипения (величина нагрева до кипения впрыснутой в камеру сгорания воды может достигать 100 и более градусов), 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. 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 продуктов сгорания топлива (то есть нужно подогреть воду всего на 10-20°С, а не на 200°С). В результате происходит увеличение полезной работы дизеля.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что осуществляемый предварительный подогрев впрыскиваемой воды ведет к уменьшению количества теплоты, отбираемой от продуктов сгорания топлива, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающие достижение нового положительного эффекта - повышение полезной работы дизеля.
Краткое описание чертежей.
На фигуре приведена схема дизеля.
Здесь показан дизель 1, каждый цилиндровый узел которого 2 включает цилиндр 3 с поршнем 4, двухканальной форсункой 5 и выпускным клапаном 6, а также газоход 13 и газоанализатор 12, входы которых соединены с выпускным клапаном 6 цилиндра 3, также содержит топливный насос высокого давления 10, выход которого подключен к первому каналу двухканальной форсунки 5, кроме того, в каждом цилиндровом узле 2 имеются регулируемый клапан 8, а также последовательно соединенные дозирующий клапан 7, выход которого подключен ко второму каналу двухканальной форсунки 5 и переключатель 11, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления 10, также содержит последовательно соединенные подогреватель 15, выход которого подключен к входу дозирующего клапана 7 и коммутатор 14, вход которого соединен с выходом регулируемого клапана 8, а второй выход подключен к выходу подогревателя 15, кроме того, дизель содержит насос 9, выполненный с возможностью подсоединения к цистерне с дистиллированной водой, выход которого подключен к входу регулируемого клапана 8 в каждом цилиндровом узле 2.
Осуществление полезной модели.
Рассмотрим работу полезной модели применительно к одному цилиндровому узлу 2 дизеля 1. Вначале переключатель 11 ставится в положение «А» и полезная модель работает на штатном топливе. При этом па двухканальную форсунку 5 на первый канал подается топливо из топливного насоса высокого давления 11. Топливо распыляется соплами форсунки 5 по камере сгорания цилиндра 3. После того как дизель 1 прогреется, переключатель 11 ставится в положение «В, а коммутатор 14 в положение «С» В моменты выдачи топлива топливным насосом высокого давления 10 на его управляющем выходе будет управляющий сигнал, который через переключатель 11 поступает на управляемый вход дозирующего клапана 7. В результате, дозирующий клапан 7 будет открыт во время выдачи топлива топливным насосом высокого давления 11. Насос 9 забирает дистиллированную воду из цистерны дистиллированной воды и через регулируемый клапан 8, коммутатор 14, дозирующий клапан 7 подает на второй канал двухканальной форсунки 5. В результате на двухканальную форсунку 5 будет одновременно поступать на один канал штатное топливо, а на другой дистиллированная вода. Топливо и вода распыляются соплами двухканальной форсунки 5 в камере сгорания цилиндра 3. Причем конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга. Количество впрыскиваемой воды, также как и при применении водотопливной эмульсии не должно превышать 15-20% и регулируется на основе данных газоанализатора 12 по температуре и составу отработавших газов дизеля. В результате впрыснутая в камеру сгорания вода нагревается и испаряется, и здесь происходят все те же процессы, что и при применении водотопливной эмульсии.
После окончания переходных процессов в дизеле (на основе анализа параметров рабочего цикла дизеля и данных газоанализатора 12) на подогревателе 15 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 16 заданной температуры подогрева, коммутатор 14 переводится из положения «С» в положение «D». При этом с выхода подогревателя 15 вода, подогретая до заданной температуры, через дозирующий клапан 7 и второй канал двухканальной форсунки 5 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 теплоты, которая в свою очередь отбирается от продуктов сгорания топлива (то есть нужно подогреть воду всего на 10-20°С, а не на 200°С). В результате происходит увеличение полезной работы дизеля.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что осуществляемый предварительный подогрев впрыскиваемой воды ведет к уменьшению количества теплоты, отбираемой от продуктов сгорания топлива, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающие достижение нового положительного эффекта - повышение полезной работы дизеля.