Способ работы многоцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом являются увеличение ресурса работы двигателя, его мощности и улучшение экологических характеристик. Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе, использующем газообразное углеводородное топливо с высокой температурой воспламенения и требующем внешнего подвода энергии для его воспламенения в режимах химического реактора сжатия и энергетическом, согласно изобретению при подводе энергии, необходимой для воспламенения газовоздушной смеси, во всех цилиндрах создаются условия, обеспечивающие одинаковый момент воспламенения за верхней мертвой точкой путем предварительного подогрева газовоздушной смеси и индивидуально устанавливаемых нагревов калильных свеч в каждом цилиндре. При этом для работы двигателя в режиме химического реактора сжатия коэффициент избытка окислителя устанавливается меньшим единицы, а в энергетическом режиме - большим единицы путем изменения количества газа в газовоздушной смеси и температуры ее подогрева. 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к многоцилиндровым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания компрессионного типа.

Известны способы работы двигателя внутреннего сгорания в составе электростанции (см. , например, патенты РФ 2076225, 12.05.94). Способ предполагает регулирование частоты вращения путем изменения подачи запального топлива с фиксацией дозы подачей газа. Применение данного способа позволяет производить конвертацию дизелей на газожидкостной режим. Недостатком способа является отсутствие возможности использования его для выработки в цилиндрах компрессионного двигателя синтез-газа.

Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания компрессионного типа в режиме химического реактора сжатия (см. , например, патент РФ 2096313).

В данном способе синтез-газ вырабатывается в цилиндрах компрессорного двигателя внутреннего сгорания при подаче на вход предварительно подогретой до достаточно высоких температур смеси окислителя (воздуха) с углеводородными газами.

Этот способ работы многоцилиндрового двигателя компрессионного типа по технической сущности является наиболее близким к заявляемому, поскольку позволяет также вырабатывать электроэнергию, и выбирается в качестве прототипа.

Способ-прототип имеет следующие недостатки: сравнительно малый ресурс работы и малую мощность, а также плохие экологические характеристики.

Эти недостатки связаны со следующими причинами: фиксация момента самовоспламенения смеси во всех цилиндрах многоцилиндрового двигателя с точностью до нескольких угловых градусов за верхней мертвой точкой чрезвычайно затруднительна, т.к. процесс требует абсолютно равномерного распределения температур газовоздушной смеси по отдельным цилиндрам, высокой гомогенности смеси, одинаковой степени сжатия, определяемой геометрическими параметрами цилиндров и величиной износа отдельных элементов, а также одинакового съема тепла охлаждающей водой и маслом. Поэтому разнобой в работе отдельных цилиндров существенно влияет на получаемую мощность, экологические характеристики и ресурс работы агрегата.

В изобретении ставились задачи увеличения ресурса работы многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, работающего как химический реактор сжатия и энергетический агрегат, увеличение его мощности и улучшение экологических характеристик.

Эти задачи решены в способе работы многоцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, использующего газообразное углеводородное топливо с высокой температурой воспламенения и требующего внешнего подвода энергии для его воспламенения в режимах химического реактора сжатия и энергетическом, в котором при подводе энергии, необходимой для воспламенения газовоздушной смеси во всех цилиндрах, создаются условия, обеспечивающие одинаковый момент воспламенения за верхней мертвой точкой путем предварительного подогрева газовоздушной смеси и индивидуально устанавливаемых нагревов калильных свеч в каждом цилиндре, при этом для работы двигателя в режиме химического реактора сжатия коэффициент избытка окислителя устанавливается меньшим единицы, а в энергетическом режиме - большим единицы путем изменения количества газа в газовоздушной смеси и температуры ее подогрева.

Отличия предложенного способа заключаются в том, что при подводе энергии, необходимой для воспламенения газовоздушной смеси во всех цилиндрах, создаются условия, обеспечивающие одинаковый момент воспламенения за верхней мертвой точкой путем предварительного подогрева газовоздушной смеси и индивидуально устанавливаемых нагревов калильных свеч в каждом цилиндре, при этом для работы двигателя в режиме химического реактора сжатия коэффициент избытка окислителя устанавливается меньшим единицы, а в энергетическом режиме - большим единицы путем изменения количества газа в газовоздушной смеси и температуры ее подогрева.

Решению задач, поставленных в изобретении для двигателя с заданной степенью сжатия, способствует осуществление и в первую очередь создание единых для всех цилиндров условий, позволяющих в момент воспламенения в каждом цилиндре иметь одинаковое давление, а также частично демпфировать высокую жесткость процесса при сгорании смеси.

Режим воспламенения смеси при этом определяется следующими факторами: а) температурой предварительного индивидуально регулируемого нагрева калильной свечи, устанавливаемой в каждом цилиндре с целью минимизации отклонений температурных режимов, связанных с вышеперечисленными факторами и существенного снижения предварительного подогрева; б) температурой предварительного подогрева смеси, которая является основным регулирующим параметром (при постоянной подаче топлива и воздуха), определяющим момент воспламенения.

Изобретение иллюстрируется приведенными чертежами.

Способ может быть реализован, например, в четырехцилиндровом дизельном двигателе, схематически представленном на фиг.1. На фиг.2 представлены зависимости угла зажигания смеси от температуры подогрева, иллюстрирующие работу двигателя в режиме химического реактора сжатия. На фиг.3 представлены зависимости угла зажигания смеси от температуры подогрева, иллюстрирующие работу двигателя в режиме энергетического агрегата.

На фиг. 1 дизельный двигатель, на котором может быть реализован способ, содержит блок цилиндров 1 с цилиндрами 2, каждый из которых имеет калильную свечу 3 с устройством регулировки нагрева 4, теплообменник 5, смеситель 6, мотор-генератор 7 и турбину с компрессором (агрегат турбонадува) 8.

Согласно изобретению двигатель работает следующим образом.

Поступившая в цилиндры 2 подогретая до необходимой температуры газовоздушная смесь в такте всасывания сжимается поршнем при его движении к верхней мертвой точке, температура ее повышается и в заранее определенной фазе происходит ее воспламенение в зоне калильной свечи 3 зажигания, отрегулированной по току с помощью устройств регулировки 4, с целью создания одинакового температурного режима в цилиндрах 2.

Регулирование нагрузки осуществляется изменением количества рабочей смеси с одновременным воздействием через микропроцессор (не показан) на температуру ее подогрева.

Применение этих мероприятий позволяет осуществить новый способ работы двигателя внутреннего сгорания, как в режиме химического реактора сжатия, так и в режиме энергетического агрегата, что обеспечивается только изменением соотношения газ-воздух (α<1 - режим химического реактора сжатия; α>1 - энергетический режим) и изменением внешнего подогрева рабочей смеси и температуры калильных свечей 3, обеспечивающих необходимый диапазон регулирования. Возможен переход с одного режима на другой без остановки агрегата.

На фиг. 1 и 2 представлены характеристики моментов зажигания для двигателей Д-245 со степенью сжатия 15,1 и величине наддува смеси на входе 2 ата при различных значениях α, что обеспечивает работу в любом из названных режимов.

Изменение степени сжатия в высшую сторону снижает необходимую температуру предварительного подогрева, введение калильных свечей позволяет снизить ее радикально, наличие в составе углеводородного сырья пропана, бутана действует в этом же направлении. Поэтому сравнительно высокие температуры подогрева, указанные в графиках, относятся только к чистому метану без каких-либо дополнительных мероприятий.

При использовании различного газообразного углеводородного топлива (природный газ, попутные нефтяные газы, шахтный метан и т.п.), отличающихся теплофизическими характеристиками, работа двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа как в режиме химического реактора сжатия, так и в энергетическом режиме обеспечивается для каждого вида топлива за счет корректировки коэффициента избытка окислителя и комбинированного внешнего и внутреннего подогрева газовоздушной смеси.

Формула изобретения

Способ работы многоцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, использующего газообразное углеводородное топливо с высокой температурой воспламенения и требующего внешнего подвода энергии для его воспламенения в режимах химического реактора сжатия и энергетическом, отличающийся тем, что при подводе энергии, необходимой для воспламенения газовоздушной смеси, во всех цилиндрах создаются условия, обеспечивающие одинаковый момент воспламенения за верхней мертвой точкой путем предварительного подогрева газовоздушной смеси и индивидуально устанавливаемых нагревов калильных свеч в каждом цилиндре, при этом для работы двигателя в режиме химического реактора сжатия коэффициент избытка окислителя устанавливается меньшим единицы, а в энергетическом режиме - большим единицы путем изменения количества газа в газовоздушной смеси и температуры ее подогрева.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2