RU2163975C1

RU2163975C1 - Internal combustion engine operation method

Info

Publication number: RU2163975C1
Application number: RU2000103288/06A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Никитин; Э.А. Улановский; ев С.Б. Мил; С.Б. Миляев; Ю.Л. Долинский; Л.С. Толчинский; А.К. Олесевич
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-внедренческая фирма "КОНВЕР"
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: according to proposed method of operation of internal combustion engine on fuel with high temperature of self-ignition, energy required for self-ignition of fuel at end of mixture compression in cylinder is received from residual gases. EFFECT: simplified design and operation f engine. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и технологии переработки углеводородного сырья. The invention relates to the field of engine building and hydrocarbon processing technology.

Известно, что при использовании в двигателях внутреннего сгорания с высокой температурой самовоспламенения, например, газообразных смесей на основе метана, для их воспламенения применяется внешний подвод энергии. It is known that when self-ignition engines, for example, gaseous mixtures based on methane, are used in internal combustion engines with a high temperature, an external energy supply is used to ignite them.

Известны способы принудительного воспламенения смеси: искровой и от запальной дозы легковоспламеняемого топлива, например, дизельного. По первому способу работают газовые моторы, по второму - газодизели. При этом с ростом количества смеси в цилиндре, определяемого, при прочих равных условиях, давлением, требуемая энергия воспламенения возрастает. В случае искрового зажигания это требует повышения ресурса свечи, что является узким местом в осуществлении данного способа. Сегодня разрабатываются новые виды источников внешней энергии, которые призваны заменить традиционные - это лазерные, плазменные, плазмохимические и др. В качестве запальной дозы легковоспламеняемого топлива, с целью замены дизтоплива в газодизелях, применяют специальные химические инициаторы горения (см., например, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский, С.И. Ксенофонтов. Газовые и газодизельные двигатели. М.: ВНИИгазпром, 1992, с. 102-105). Known methods of forced ignition of a mixture: spark and ignition dose of flammable fuel, for example, diesel. According to the first method, gas engines work, according to the second - gas diesel engines. In this case, with an increase in the amount of mixture in the cylinder, determined, ceteris paribus, by pressure, the required ignition energy increases. In the case of spark ignition, this requires increasing the life of the candle, which is the bottleneck in the implementation of this method. Today, new types of external energy sources are being developed that are intended to replace traditional ones - laser, plasma, plasma-chemical, etc. As a firing dose of flammable fuel, in order to replace diesel fuel in gas diesel engines, special chemical initiators of combustion are used (see, for example, Yu.N. Vasiliev, LS Zolotarevsky, SI Ksenofontov. Gas and gas-diesel engines. M: VNIIgazprom, 1992, p. 102-105).

Известны способы работы двигателя внутреннего сгорания, в которых температура самовоспламенения топлива в конце сжатия обеспечивается за счет повышения температуры свежего заряда (воздуха или смеси), поступающего в цилиндры в момент наполнения, путем его предварительного подогрева (см., например, RU, патент N 2096313, кл. С 01 В 3/36, 1996. "Способ получения синтез-газа"). Так, в упомянутом способе получения синтез-газа на основе конверсии метана воспламенение газовоздушной смеси обеспечивается за счет ее предварительного подогрева во внешнем теплообменнике до температуры 200 - 450^oC.Known methods of operating an internal combustion engine in which the self-ignition temperature of the fuel at the end of compression is achieved by increasing the temperature of the fresh charge (air or mixture) entering the cylinders at the time of filling by preheating it (see, for example, RU, patent N 2096313 , class C 01 B 3/36, 1996. "A method for producing synthesis gas"). So, in the mentioned method for producing synthesis gas based on methane conversion, the ignition of the gas-air mixture is ensured by its preliminary heating in an external heat exchanger to a temperature of 200 - 450 ^o C.

Данный способ по технической сущности является наиболее близким к заявленному и выбирается в качестве прототипа. This method by technical nature is the closest to the claimed and is selected as a prototype.

Способ-прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в нагреве впускного коллектора (ресивера блока цилиндров), в связи с чем необходимо вводить конструктивные мероприятия по его теплоизоляции. The prototype method has a significant drawback, which consists in heating the intake manifold (receiver of the cylinder block), and therefore it is necessary to introduce structural measures for its thermal insulation.

В изобретении ставятся задачи упрощения способа работы и упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания. The invention aims at simplifying the method of operation and simplifying the design of an internal combustion engine.

Эти задачи решены в способе работы двигателя внутреннего сгорания, использующего топливо с высокой температурой воспламенения, в связи с чем требующего внешнего подвода энергии для его воспламенения, в котором энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов, количество которых подбирают путем прекращения вывода отработавших газов из цилиндра в процессе их принудительного выталкивания, а воздух или смесь подают в цилиндр в момент, когда исключено попадание остаточных газов в ресивер в опасных количествах, при этом в случае необходимости уменьшение количества воздуха (смеси) в цилиндре компенсируют повышением давления наддува. These problems are solved in the method of operation of an internal combustion engine that uses fuel with a high ignition temperature, and therefore requires an external supply of energy to ignite it, in which the energy necessary for self-ignition of the fuel at the end of compression of the mixture in the cylinder is obtained from residual gases, amount which are selected by stopping the discharge of exhaust gases from the cylinder during their forced ejection, and air or mixture is supplied to the cylinder at the moment when the ingress of residual gas is excluded in a receiver in a dangerous amount whereby if necessary reduction of the quantity of air (mixture) in a cylinder compensate increase boost pressure.

Отличие предложенного способа заключается в том, что энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов, количество которых подбирают путем прекращения вывода отработавших газов из цилиндра в процессе их принудительного выталкивания, а воздух или смесь подают в цилиндр в момент, когда исключено попадание остаточных газов в ресивер в опасных количествах, при этом в случае необходимости уменьшение количества воздуха (смеси) в цилиндре компенсируют повышением давления наддува. The difference of the proposed method lies in the fact that the energy necessary for self-ignition of the fuel at the end of compression of the mixture in the cylinder is obtained from the residual gases, the amount of which is selected by stopping the exhaust gas from the cylinder during their forced ejection, and the air or mixture is fed into the cylinder the moment when the ingress of residual gases into the receiver in dangerous quantities is excluded, and if necessary, the decrease in the amount of air (mixture) in the cylinder is compensated by increasing the boost pressure.

Первый вариант предложенного способа отличается тем, что в зависимости от назначения двигателя и режимов его работы фазы газораспределения выполняют регулируемыми. Второй вариант отличается тем, что его применяют в двигателях, работающих на любых видах топлива с целью снижения вредных выбросов (прежде всего NOx). Третий вариант способа отличается тем, что его применяют для газового двигателя с искровым зажиганием на малых нагрузках и холостом ходу с целью дополнительного подвода энергии и обогащения смеси, что исключает применение дополнительных конструктивных мероприятий, например, форкамеры. The first variant of the proposed method is characterized in that depending on the purpose of the engine and its operating modes, the gas distribution phases are adjustable. The second option is distinguished by the fact that it is used in engines running on any type of fuel in order to reduce harmful emissions (primarily NOx). The third variant of the method is characterized in that it is used for a gas engine with spark ignition at low loads and idling with the aim of additional supply of energy and enrichment of the mixture, which eliminates the use of additional structural measures, for example, a prechamber.

Сущность данного изобретения заключается в том, что температуру, необходимую для самовоспламенения топлива в конце такта сжатия, получают за счет нагрева свежего заряда при поступлении в цилиндр от остаточных газов, количество которых подбирают в зависимости от режимов эксплуатации. Необходимое количество остаточных газов обеспечивают за счет прекращения их вывода из цилиндра при принудительном выталкивании: в четырехтактном двигателе - при движении поршня к ВМТ на такте выпуска; в двухтактном двигателе - продувочным воздухом в процессе газообмена. The essence of this invention lies in the fact that the temperature necessary for self-ignition of the fuel at the end of the compression stroke is obtained by heating a fresh charge upon receipt of residual gases from the cylinder, the amount of which is selected depending on the operating conditions. The necessary amount of residual gases is provided by stopping their withdrawal from the cylinder during forced ejection: in a four-stroke engine - when the piston moves to TDC at the exhaust stroke; in a two-stroke engine - purge air during gas exchange.

Например, для четырехтактного двигателя необходимое количество остаточных газов в цилиндре достигают за счет изменения фаз газораспределения: конец закрытия выпускного клапана устанавливают в диапазоне 60^o п.к.в. до ВМТ - 20^o п.к.в. за ВМТ, когда количество остаточных газов значительно и они обладают высокой тепловой энергией (энтальпией); начало открытия впускного клапана в момент, когда исключено попадание (заброс) в опасных (с точки зрения поджига топливного заряда) количествах остаточных газов в ресивер, например, в моменты от 10^o п.к.в. до ВМТ до 50^o п.к.в. за ВМТ. Значения фаз зависят от необходимого количества остаточных газов и мгновенного соотношения эффективного проходного сечения клапанов и описываемого поршнем объема цилиндра.For example, for a four-stroke engine, the required amount of residual gas in the cylinder is achieved by changing the valve timing: the end of the closing of the exhaust valve is set in the range of 60 ^o p.p. to TDC - 20 ^o p.c. behind TDC, when the amount of residual gases is significant and they have high thermal energy (enthalpy); the beginning of the opening of the intake valve at the moment when ingress (throwing) in dangerous (from the point of view of ignition of the fuel charge) amounts of residual gases into the receiver is excluded, for example, at moments from 10 ^o p.p. to TDC up to 50 ^o p.p. for TDC. The phase values depend on the required amount of residual gases and the instantaneous ratio of the effective flow area of the valves and the cylinder volume described by the piston.

Необходимая для самовоспламенения топлива температура смеси в конце такта сжатия может достигаться также подбором следующих параметров: степени сжатия в цилиндре, степени предварительного охлаждения (подогрева) воздуха или смеси перед подачей в ресивер и коэффициента остаточных газов в зависимости от режима работы двигателя и состава смеси. Для обеспечения работы двигателя в широком диапазоне режимов фазы газораспределения могут выполняться регулируемыми. The temperature of the mixture necessary for self-ignition of the fuel at the end of the compression stroke can also be achieved by selecting the following parameters: the degree of compression in the cylinder, the degree of pre-cooling (heating) of the air or mixture before being fed to the receiver, and the coefficient of residual gases depending on the engine operating mode and mixture composition. To ensure engine operation in a wide range of valve timing modes, they can be adjustable.

Увеличением количества инертных остаточных газов снижают максимальную температуру цикла и за счет этого уменьшают выделение окислов азота в выпускных газах двигателей, работающих на любых видах топлива. Обогащением смеси до α = 0,36 - 0,45 и получением температуры в цилиндре 1300 - 2300^oC на период 10^-2- 10^-3 с при частоте вращения коленчатого вала, превышающей 350 мин^-1 обеспечивают работу двигателя в режиме генератора синтез-газа.By increasing the amount of inert residual gases, the maximum temperature of the cycle is reduced and due to this, the emission of nitrogen oxides in the exhaust gases of engines operating on any type of fuel is reduced. The enrichment of the mixture to α = 0.36 - 0.45 and obtaining a temperature in the cylinder of 1300 - 2300 ^o C for a period of 10 ^-2 - 10 ^-3 s with a crankshaft rotation speed exceeding 350 min ^-1 provide the engine to work in synthesis generator mode gas.

Предлагаемый способ, например, в отличие от известного способа рециркуляции, когда выпускные газы возвращают на вход в дизель, при прочих равных условиях, не требует очистки газов (исключает закоксовывание впускного тракта двигателя и прежде всего холодильника наддувочного воздуха при его наличии) и обладает большей энергоемкостью остаточных газов. The proposed method, for example, in contrast to the known recirculation method, when exhaust gases are returned to the diesel inlet, ceteris paribus, does not require gas purification (eliminates coking of the intake duct of the engine and, above all, the charge air cooler, if any) and has a higher energy consumption residual gases.

Потеря доли свежего заряда в цилиндре, вызванная увеличением количества остаточных газов, при необходимости компенсируется повышением давления наддува. The loss of the fraction of fresh charge in the cylinder caused by an increase in the amount of residual gases, if necessary, is compensated by an increase in boost pressure.

Пример работы двигателя типа Д49 (ЧН26/26) по данному способу иллюстрируется приведенными фиг. 1 и 2. An example of the operation of an engine of type D49 (CHN26 / 26) in this method is illustrated by the FIGS. 1 and 2.

На фиг.1 приведены зависимости изменения количества остаточных газов γ_r и величины заброса газов во впускной коллектор (ресивер) γ_zk в зависимости от угла начала открытия впускных клапанов φ_н.вп и двух значений угла конца закрытия выпускных клапанов φ_к.вып. : 1 - 335^o угла п.к.в., 2 - 345^o угла п. к.в.Figure 1 shows the dependence of the change in the amount of residual gases γ _r and the amount of gas reflux into the intake manifold (receiver) γ _zk depending on the angle of the opening opening of the intake valves φ _n.vp and two values of the angle of the end of the closing of the exhaust valves φ _{K. vyp.} : 1 - 335 ^o p.v. angle, 2 - 345 ^o p.v. angle

На фиг. 2 приведены зависимости температуры смеси в конце такта сжатия Т_с в цилиндре двигателя ЧН 26/26 от угла начала открытия впускных клапанов φ_н.вп.
Результаты расчета, полученные численным моделированием рабочего процесса, показывают, что нагрев свежего заряда от остаточных газов обеспечивает температуру смеси в конце такта сжатия на уровне, достаточном для самовоспламенения топлива с высокой температурой самовоспламенения. Например, для метана температура в конце такта сжатия Т_с= 1200-1300К. При расчете было принято, что предварительный подогрев смеси на входе в цилиндр не производится.In FIG. Figure 2 shows the dependences of the temperature of the mixture at the end of the compression stroke T _s in the cylinder of the engine ЧН 26/26 on the angle of the beginning of opening of the intake valves φ _n.p.
The calculation results obtained by numerical simulation of the working process show that heating the fresh charge from the residual gases ensures the temperature of the mixture at the end of the compression stroke at a level sufficient for self-ignition of a fuel with a high ignition temperature. For example, for methane, the temperature at the end of the compression stroke is T _s = 1200-1300K. In the calculation, it was assumed that the mixture was not preheated at the cylinder inlet.

Из условия сохранения количества свежего заряда в цилиндре давление наддува повышалось. По этой причине растет плотность заряда и при более раннем открытии впускных клапанов температура конца сжатия Т_с также повышается. Однако при изменении фазы начала впуска в сторону опережения увеличивается доля остаточных газов γ_zk, забрасываемых во впускной ресивер, и возрастает опасность поджига топливного заряда в ресивере.From the condition of maintaining the amount of fresh charge in the cylinder, the boost pressure increased. For this reason, the charge density increases, and when the intake valves are opened earlier, the temperature of the compression end T _s also rises. However, when the phase of the inlet start is changed in the advance direction, the fraction of residual gases γ _zk thrown into the inlet receiver increases, and the danger of igniting the fuel charge in the receiver increases.

Из опыта работы газодизельных двигателей (например, 12ЧН26/26 на станциях ПЭ-6) известно, что величина заброса газов в ресивер до 5% от начального заряда в цилиндре не приводит к нарушениям нормальной работы дизеля или к появлению вспышек газа в ресивере. Если принять указанную величину в 5% допустимой, а также учитывая, что температура газов резко снижается при дросселировании в щели впускного органа, то для работы двигателя по предлагаемому способу наилучшими будут следующие фазы газораспределения:
конец закрытия выпускных клапанов 25 град. п.к.в. до ВМТ;
начало открытия впускных клапанов 15 град. п.к.в. за ВМТ.From the experience of gas-diesel engines (for example, 12CHN26 / 26 at PE-6 stations), it is known that the amount of gas throwing into the receiver up to 5% of the initial charge in the cylinder does not lead to disruptions in the normal operation of the diesel engine or to gas flashes in the receiver. If we take the indicated value of 5% permissible, and also taking into account that the gas temperature decreases sharply when throttling in the slots of the intake body, then for the engine to work according to the proposed method, the following valve timing will be best:
the end of the closing of the exhaust valves 25 degrees. p.c. to TDC;
beginning of the opening of the intake valves 15 degrees. p.c. for TDC.

При этом доля остаточных газов в цилиндре (коэффициент остаточных газов γ_r) составляет 0,14-0,18 от объема смеси. На фиг.1 и 2 также видно, что при опережении закрытия выпускного клапана эффективность внутреннего подвода энергии возрастает.In this case, the fraction of residual gases in the cylinder (coefficient of residual gases γ _r ) is 0.14-0.18 of the mixture volume. Figures 1 and 2 also show that when the outlet valve is closed ahead of time, the efficiency of internal energy supply increases.

Claims

1. The method of operation of an internal combustion engine using fuel with a high ignition temperature, and therefore requiring an external supply of energy to ignite it, characterized in that the energy necessary for self-ignition of the fuel at the end of compression of the mixture in the cylinder is obtained from residual gases, amount which are selected by stopping the discharge of exhaust gases from the cylinder during their forced ejection, and the air or mixture is fed into the cylinder at the moment when the ingress of residual gases into the iver in dangerous quantities, and if necessary, a decrease in the amount of air (mixture) in the cylinder is compensated by an increase in boost pressure.

2. The method according to p. 1, characterized in that depending on the purpose of the engine and its operating modes, the gas distribution phases are adjustable.

3. The method according to claim 2, characterized in that it is used in engines operating on any type of fuel in order to reduce harmful emissions (primarily Nox).

4. The method according to claim 1, characterized in that it is used for a gas engine with spark ignition at low loads and idle for the purpose of additional energy supply and enrichment of the mixture, which eliminates the use of additional structural measures, for example, a pre-chamber.