Способ работы газового двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Смесь газообразного углеводородного топлива и часть продуктов сгорания попадают в ДВС с коэффициентом избытка окислителя более 0,8, сжимают рабочим органом до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. В рабочий объем ДВС можно подавать смесь газообразного углеводородного топлива, окислителя, часть продуктов сгорания и дозированное количество воды или водяного пара, при сжатии рабочим теплом они самовоспламеняются с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. В рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания от предыдущего цикла, можно подать топливно-окислительную смесь и часть продуктов сгорания от предыдущего рабочего цикла, при сжатии рабочим телом они самовоспламеняются с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. В топливно-окислительную смесь может подаваться добавка, инициирующая процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющая пределы устойчивого горения. ДВС может иметь также дополнительную систему зажигания горючей смеси (искровая, впрыск топлива и др.). Технический результат заключается в проведении оптимального процесса горения с улучшением мощностных, экологических и эксплуатационных характеристик двигателя 5 з.п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др.

Известен способ работы газового двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче в цилиндры двигателя топлива и всасывания искусственной газовой смеси, сжатия, воспламенения, сгорания, расширения продуктов сгорания. Сущность изобретения состоит в том, что часть отработавших газов обогащают кислородом при их нагреве другой частью отработавших газов до температуры перегрева пара в газовой смеси (см. патент РФ N 2013587).

Недостатком данного способа является низкая эффективность процесса горения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ работы газового двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в качестве газового топлива природного газа в смеси с водородом в рабочий объем камеры сгорания (см. заявку WO 95/30825). Содержание водорода в топливно-окислительной смеси поддерживается от 21 до 50% об. В качестве окислителя используется воздух. Эквивалентное соотношение топливо-воздух приблизительно равно 0,625. В результате расширяются пределы горения природного газа как моторного топлива двигателей традиционных транспортных средств, а также пределы выбора воздух - топливного отношения для достижения наивыгоднейшей мощности, эффективности и уменьшения выбросов в окружающую среду.

Основным недостатком прототипа является использование в качестве компонента моторного топлива водорода, который имеет высокую стоимость, взрыво- и пожароопасность. Вызывает затруднение также хранение больших количеств водорода на заправочных станциях. Недостатком прототипа является необходимость для работы ДВС принудительного воспламенения горючей смеси, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) работы двигателя.

Задачей изобретения является обеспечение оптимального проведения процесса горения (полноты сгорания) с повышением КПД и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов (NO_x, CO, CH, и т.д.) и снижение тепловых и механических нагрузок двигателя, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС топливно-окислительной смеси на основе окислителя и углеводородного сырья, в том числе природного газа, ее сжатие, и ее горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, согласно изобретению, в топливно-окислительную смесь вводят часть продуктов сгорания предыдущего рабочего цикла, сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8, где α - мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому.

Кроме того, достигнутый эффект может быть увеличен тем, что в рабочий объем ДВС подают дозированное количество воды или водяного пара, в рабочем объеме ДВС оставляют часть продуктов сгорания от предыдущего цикла, углеводородное сырье подают в линию рециркуляции продуктов сгорания, в рабочий объем ДВС подают дозированное количество воды или водяного пара, может быть дополнительно использована система зажигания горючей смеси, а в углеводородное сырье может быть подана добавка, инициирующая процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющая пределы ее устойчивого горения.

Отличие предложенного способа заключается в том, что при сжатии топливно-окислительной смеси и части продуктов сгорания происходит ее самовоспламенение при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8, следовательно способ осуществляется в ДВС компрессионного типа. В рабочий объем ДВС компрессионного типа допустима подача дозированного количества воды или водяного пара. В рабочий объем ДВС компрессионного типа, частично заполненный продуктами сгорания от предыдущего цикла, допустима подача топливно-окислительной смеси и части продуктов сгорания. В линию рециркуляции допустимо введение углеводородного сырья. В углеводородное сырье допустима подача добавки, инициирующей процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющей пределы устойчивого горения. ДВС компрессионного типа может также иметь дополнительную систему зажигания.

На чертеже показано устройство для реализации заявленного способа.

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж). В смеситель 1 подают окислитель, углеводородное сырье, например, природный газ, и часть продуктов сгорания от предыдущего цикла с коэффициентом избытка окислителя более 0.8. Далее смесь поступает в рабочий объем 2, в частности в цилиндр(ы) ДВС компрессионного типа, где сжимается рабочим органом 3, в частности поршнем, до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. Способ предусматривает возможность подачи в рабочий объем дозированного количества воды или водяного пара, а также подачу в углеводородное сырье добавки, инициирующей процесс самовоспламенения горючей смеси. Кроме того, при подаче топливно-окислительной смеси и части продуктов сгорания рабочий объем ДВС может быть частично заполнен продуктами сгорания от предыдущего цикла. Способ предусматривает возможность подачи углеводородного сырья в линию рециркуляции продуктов сгорания. В ДВС может также использоваться дополнительная система зажигания 4. Примеры осуществления предлагаемого способа приведены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС топливно-окислительной смеси на основе окислителя и углеводородного сырья, в том числе природного газа, ее сжатие и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, отличающийся тем, что в топливно-окислительную смесь вводят часть продуктов сгорания предыдущего рабочего цикла, сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дозированное количество воды или водяного пара.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в рабочем объеме ДВС оставляют часть продуктов сгорания от предыдущего цикла.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что углеводородное сырье подают в линию рециркуляции продуктов сгорания.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что дополнительно используют систему зажигания горючей смеси.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в углеводородное сырье подают добавку, инициирующую процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющую пределы ее устойчивого горения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2