Устройство для запуска дизеля

 

Сущность изобретения: устройство содержит емкость с запасами дизельного топлива и кислородоносителя, которые сообщены с емкостью высокого давления, накопитель твердой фракции, установленный на выпуске дизеля, эжектирующий смеситель с устройством поджига газовоздушной смеси, газомасляный теплообменник. Предварительно из смеси выжигают СО в эжекционном смесителе, теплота его сжигания используется для подогрева масла. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для запуска дизельных энергоустановок при низких температурах окружающей среды.

Известно устройство запуска дизеля, содержащее твердотопливный газогенератор, газораспределитель, сообщенный с последним и кинематически связанный с валом дизеля, и резервуар с жидким топливом, снабженный впускным трубопроводом с запорным органом и выпускным трубопроводом, конец которого размещен во впускном коллекторе дизеля, причем твердотопливный газогенератор дополнительно сообщен с впускным коллектором дизеля [1] .

Основной недостаток устройства - низкая надежность, вызванная однократностью действия устройства и одновременностью процессов генерации и потребления пусковой газовой смеси. Вследствие этого требуется обеспечить при запуске точное соответствие характеристик твердотопливного газогенератора и дизеля, что весьма сложно осуществить.

Существенным недостатком данного устройства является низкая эффективность предпускового прогрева дизеля, так как дизель практически запускается из холодного состояния и имеет место лишь послепусковой прогрев путем подачи горячей смеси в цилиндры. К недостаткам данного технического решения можно отнести также отсутствие очистки пусковой газовой смеси от твердых фракций, образующихся при ее генерации, что снижает надежность и может привести к выходу устройства из строя. Даже если предположить наличие встроенного в газогенератор фильтра, то все равно следует ожидать низкой эффективности очистки в условиях высоких температур, перепадов давлений и относительно больших массовых расходов.

Известно устройство запуска дизеля, принятое авторами за прототип и содержащее емкость высокого давления с зарядом взрывчатого вещества и брикетом твердого источника кислорода, устройство поджига взрывчатого вещества, главный пусковой клапан, клапан-регулятор подачи газовой смеси во всасывающую систему двигателя, распределитель газовой смеси и пусковые клапаны цилиндров двигателя [2] .

Основной недостаток устройства - низкая надежность запуска, вызванная повышенной взрыво- и пожароопасностью, трудностью организации повторного цикла приготовления газовой смеси, невозможностью регулировать в процессе запуска давление газов во впускной системе, что особенно важно для дизелей с наддувом. К недостаткам можно отнести также низкую эффективность предпускового прогрева, так как, по существу, он сводится лишь к подаче горячих газов в цилиндры ДВС при его прокрутке.

Цель изобретения - повышение надежности запуска дизеля при низких температурах окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что устройство запуска дополнительно снабжено емкостью с запасом дизельного топлива, соединенной посредством клапана-дозатора с емкостью высокого давления, емкостью с запасом твердого кислородсодержащего продукта, связанной с емкостью высокого давления посредством клапана-дозатора подачи кислородсодержащего продукта, кожухом с пусковым запасом масла, охватывающим нижнюю часть емкости высокого давления, накопителем твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, соединенным посредством клапана продувки с пусковой емкостью высокого давления, клапаном-отсекателем подачи воздуха, установленным на впускном трубопроводе дизеля до соединения последнего с клапаном-регулятором подачи пусковой газовой смеси во впускную систему, эжектирующим смесителем, снабженным устройством поджига газовоздушной смеси, установленным на выпуске дизеля и одновременно связанным посредством клапана подачи воздуха с атмосферой, газомасляным теплообменником, установленным газовой полостью на выпускном трубопроводе после эжектирующего смесителя, причем кожух с пусковым запасом масла через пусковой маслопрокачивающий насос, масляную полость газомасляного теплообменника соединен с трубопроводом подачи масла к узлам трения дизеля.

На чертеже представлена принципиальная схема заявляемого устройства.

Устройство включает в себя дизель 1 с впускной 2 и выпускной 3 системами, пусковые клапаны 4, распределитель газовой смеси 5, емкость высокого давления 6, главный пусковой клапан 7, клапан-регулятор подачи газовой смеси на пуск дизеля 8, клапан-дозатор подачи дизельного топлива 9, клапан-дозатор подачи твердого кислородсодержащего продукта 10, емкость с запасом дизельного топлива 11, емкость с запасом кислородсодержащего продукта 12, клапан 13 продувки пусковой емкости высокого давления 6, устройство поджига пускового заряда 14, кожух емкости высокого давления с пусковым запасом масла 15, накопитель 16 твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, пусковой маслопрокачивающий насос 17, клапан-отсекатель подачи воздуха 18, клапан подачи воздуха 19, эжектирующий смеситель 20, устройство поджига газовоздушной смеси 21, газомасляный теплообменник 22.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении все клапаны, кроме клапана 19, закрыты. По команде на запуск открывают клапан-дозатор 10 подачи кислородсодержащего продукта и заполняют емкость высокого давления 6 требуемым количеством кислородсодержащего продукта из емкости 12. Возможно также и предварительное (до команды на запуск) заполнение емкости 6 данным продуктом. После закрытия клапана-дозатора 10 открывают клапан-дозатор 9 и подают в емкость 6 требуемое количество дизельного топлива. Количества топлива и кислородсодержащего продукта определяются, исходя из требуемого давления, температуры и состава пусковой смеси. После закрытия клапана-дозатора 9 включается устройство 14 поджига пускового заряда, состоящего из смеси дизельного топлива и кислородсодержащего продукта. Происходит взрывная реакция горения дизельного топлива в атмосфере кислорода. Зная элементарный состав дизельного топлива: углерода С≈87% , водорода Н≈13% , реакцию горения топлива можно описать следующими уравнениями: C (1) Наличие определенного количества СО в продуктах сгорания, помимо возможного недостатка кислорода, можно объяснить также взрывным характером горения и неоднородностью смеси топлива и кислородсодержащего продукта.

СО присутствует в продуктах сгорания даже при соотношениях топлива и кислородсодержащего продукта, близких к стехиометрическим. В качестве топлива для приготовления пусковой газовой смеси можно, помимо дизельного, использовать, например, бензин, различные виды масел и т. п. Однако в дизельных энергоустановках это вряд ли целесообразно. В качестве кислородсодержащего продукта можно использовать перекиси или надперекиси щелочных металлов, например надперекись натрия NaO₂.

Преимуществом использования надперекиси натрия является большой выход кислорода, химическая стойкость и возможность длительного хранения, высокая реакционная способность, освоенность производства промышленностью. Получение кислорода в процессе взрыва происходит по реакциям термического разложения: 2 (2) При этом пары воды из состава продуктов сгорания связываются в твердую фазу по реакциям: (3) Таким образом, при взаимодействии топлива и кислородсодержащего продукта образуется смесь газов СО₂, СО и О₂, а также твердая фаза Na₂O, NaO, NaOH. При этом выделяется значительное количество теплоты. Причем удельная теплота взрыва указанного заряда продукта 10000 ккал/кг, то есть на порядок выше, чем у взрывчатых веществ (теплота взрыва бездымного пороха 700-1300 ккал/кг, дымного - 720 ккал/кг). Фракционный состав частиц твердой фазы продуктов реакции взрыва, очевидно, будет аналогичен фракционному составу кислородсодержащего продукта, выпускаемого, как правило, в виде порошка или гранул с диаметром частиц 1-5 мм. Поэтому через определенное время, не более 2-5 мин (для частиц данного размера с насыпкой плотностью порядка 1 г/cм³), в емкости 6 происходит естественное отделение газообразной и твердой фазы, выпадающей в осадок. При этом теплота от газов и твердых частиц через стенки емкости 6 передается запасу масла, находящемуся в кожухе 15.

По истечении времени, необходимого для отстоя в емкости 6 твердых частиц, открываются клапана 7 и 8. Одновременно включаются маслопрокачивающий насос 17 и устройство поджига газовоздушной смеси 21. Одновременно происходит раскрутка коленчатого вала дизеля до пусковой частоты вращения, подача пусковой газовой смеси на впуск двигателя с требуемой для успешного воспламенения топлива температурой, составом и давлением, сгорание СО из газовой смеси в присутствии кислорода воздуха в смесителе 20, сопровождающееся подогревом масла в теплообменнике 22, а также подача разогретого масла к подшипникам коленчатого вала. По завершении предпускового прогрева двигателя, длительность которого тем больше, чем ниже температура окружающей среды, открывают подачу топлива в дизель, и он запускается. После этого открывают клапан-отсекатель 18 и закрывают клапаны 7, 8, 19, а также останавливают маслопрокачивающий насос. При необходимости клапан 8 может быть и далее частично открыт для послепускового прогрева дизеля горячими газами.

После запуска и прогрева двигателя открывают клапан продувки 13, и твердые частицы под действием остаточного давления емкости 6 продуваются в накопитель 16. После осаждения твердых частиц в емкости 6 оставшаяся пусковая газовая смесь может быть удалена путем открытия клапана 8, после чего клапаны 8 и 13 закрывают т, таким образом, установка готова к последующему циклу запуска дизеля.

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа заключается в следующем.

Повышенная надежность пуска вследствие: использования бинарного пускового заряда в виде смеси дизельного топлива и твердого кислородсодержащего продукта, при этом раздельное хранение компонентов существенно снижает взрыво- и пожароопасность установки; использования для сгорания дизельного топлива, обладающего на порядок большей удельной теплотой взрыва, чем обычное взрывчатое вещество; более интенсивного предпускового прогрева дизеля за счет дополнительного разогрева масла, подаваемого в подшипники дизеля, что особенно важно при раскрутке вала в пуске дизеля в условиях низких температур, при этом теплота взрыва используется более полно вследствие дожигания СО пусковой смеси и дополнительного отвода тепла от емкости высокого давления; возможности регулировать при запуске не только температуру и состав газовой смеси на впуске дизеля, но и ее давление с помощью клапанов 18 и 8, что особенно важно для пуска дизелей с наддувом, поскольку у них в процессе запуска турбокомпрессор не развивает требуемого давления, что существенно затрудняет пуск; возможности многократного использования устройства без разборки каких-либо элементов; наличие клапанов 7, 8, 9, 10, 13 позволяет полностью автоматизировать циклы запуска; способности индивидуального для каждого цикла запуска (или только прогрева) дозировать компоненты пускового заряда и, таким образом, обеспечить оптимальные термодинамические параметры, состав О₂, СО₂ и СО в пусковой смеси.

Улучшаются технико-экономические показатели установки за счет применения более доступных исходных компонентов заряда - дизельного топлива и кислородсодержащего продукта, например, технической надперекиси натрия.

Снижается взрыво- и пожароопасность установки вследствие применения бинарного заряда, компоненты которого в отдельности не относятся к классу взрывчатых веществ.

Совокупность отличительных признаков заявляемого технического устройства являются: наличие клапана-отсекателя 8 во впускной системе дизеля; наличие клапанов-дозаторов 9 и 10 и соответственно емкостей с запасом топлива и кислородсодержащего продукта; наличие бака-сепаратора 16 и клапана продувки 13; наличие эжектирующего смесителя 20, газомасляного теплообменника 22, кожуха 15 с пусковым запасом масла, охватывающего емкость высокого давления 6.

Указанная совокупность удовлетворяет критерию существенные отличия, так как сообщает устройству ряд новых свойств; возможность создавать при раскрутке коленчатого вала требуемый наддув во всасывающей системе (на время разгона турбокомпрессора) за счет элемента 8; возможность дозированного приготовления пускового заряда с помощью элементы, при этом плавно, в широких пределах могут быть изменены термодинамические параметры (давление и температура) пусковой смеси, а также относительное содержание в ней СО₂, СО и О₂; возможность безразборного автоматического функционирования устройства за счет элементов 9 и 10; использование для предпускового прогрева дизеля не только теплоты, содержащейся в пусковой смеси в результате взрыва, но и теплоты от дожигания СО пусковой смеси на воздухе, а также теплоты, аккумулированной стенками пусковой емкости высокого давления; отсутствие взрывоопасных продуктов в составе установки при нахождении ее в режиме готовности. В режиме же функционирования имеет место безразборное приготовление пускового заряда внутри емкости высокого давления.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ДИЗЕЛЯ, содержащее емкость высокого давления, соединенную через главный пусковой клапан, распределитель газовой смеси и пусковые клапаны с цилиндрами дизеля, имеющего впускной и выпускной трубопроводы и узлы трения, и через клапан-регулятор подачи пусковой газовой смеси связанную с впускным трубопроводом дизеля, и механизм поджига, соединенный с емкостью высокого давления, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности запуска при низких температурах, оно снабжено клапаном продувки, пусковым маслопрокачивающим насосом, двумя клапанами-дозаторами, баком с запасом дизельного топлива, соединенным посредством первого клапана дозатора с емкостью высокого давления, баком с запасом твердого кислородсодержащего продукта, связанным с емкостью высокого давления посредством второго клапана-дозатора для подачи кислородсодержащего продукта, кожухом с пусковым запасом масла, охватывающим нижнюю часть емкости высокого давления, накопителем твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, соединенным посредством клапана продувки с емкостью высокого давления, клапаном подачи воздуха, клапаном-отсекателем воздуха, установленным на впускном трубопроводе дизеля до соединения последнего с клапаном-регулятором подачи пусковой газовой смеси, эжектирующим смесителем с механизмом воспламенения, установленным в выпускном трубопроводе на выпуске дизеля и одновременно связанным посредством клапана подачи воздуха с атмосферой, и газомасляным теплообменником с масляной и газовой полостями, причем газовая полость размещена на выпускном трубопроводе после эжектирующего смесителя, а кожух с пусковым запасом масла через пусковой маслопрокачивающий насос и масляную полость газомасляного теплообменника подсоединен к узлам трения дизеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1