Спосіб зниження токсичності відпрацьованих газів комбінованого двз

Винахід відноситься до галузі машинобудування і може бути використаний у двигунобудуванні, зокрема, при експлуатації дизелів з системами нейтралізації у цехах, кар'єрах та шахтах. Відомий спосіб зниження токсичності відпрацьованих газів (ВГ) ДВЗ (Chojel J., Hilliard J.C., Levendis J.A. Effect оf Oxygen Enrichment on the Perfomance and Emissions of I.D.I. Diesel Engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. - n830245. - 14рр; РЖ ДВЗ. - 1983. - №3. - реф.8.39. 153), в якому на чотирьохтактному дизелі з розподіленою камерою згоряння у повітряний заряд з балона додається кисень з концентрацією від 21 до 40% по обсягу заряда. При роботі без наддуву при доданні кисню затримка запалення скорочується на 22%, викиди сажі зменшуються в п'ять разів, концентрація CO і CH знижується до 70% навантаження, а після цього зростає. При цьому концентрація оксидів азоту збільшується пропорційно кисневому збагаченню на всіх режимах роботи. Недоліком цього способу є те, що зі зниженням димності ВГ відбувається зростання викидів оксидів азоту, і сумарна токсичність ВГ із-за більш шкідливого впливу оксидів азоту перевищує токсичність ВГ двигуна в штатному виконанні. Відомий спосіб зниження токсичності ВГ ДВЗ (Авт. св. СРСР №1749502, кл. F01N3/10, опубл. 23.07.92), зокрема, оксидів азоту шляхом заміру початкової концентрації оксидів азоту в струмі ВГ, запровадження в струм газу, що містить кисень, з наступним підпалюванням недоркислених компонентів при температурі не нижче 850°C, запровадження в струм хімічно активного середовища і повторного запровадження в струм відпрацьованого газу, що містить кисень з наступним допалюванням неокислених компонентів при температурі не нижче 350°C. Після повторного запровадження в струм газу, що містить кисень, заміряється концентрація і регулюється запровадження хімічно активного середовища в струмі, підтримуючи відношення концентрації хімічно активного середовища до початкової концентрації оксидів азоту в межах 1 1,5. Недоліком даного засобу є введення кисню за турбіною, складність системи та необхідність регулювання подачі кисню в струм ВГ. При цьому кисень виводиться з області високої температури (камери згоряння та випускного патрубку), що знижує температуру реакції та, відповідно, ефективність доокислення шкідливих речовин у ВГ. Треба також визначити складність підтримання високої роботоздатності системи подачі кисню за рахунок закоксовування та високих температур. Відомий спосіб зниження токсичності ВГ ДВЗ (Sekar R.R. Cylinder pressure analysis of a diesel engine using о oxydenenriched air and emulsified fuels // SAE Techn. Pap. - 1990. - №901565. - Рр. 10; РЖДВЗ. - 1991. - №3. - Реф.3.39. 17), прийнятий за прототип, по якому газ, що вміщує кисень, подається в циліндр при згорянні. Кисень подається з балона під тиском. При подачі кисню зменшується затримка запалення палива та збільшується потужність двигуна. При збільшенні вмісту кисню у повітрі від 21 до 35% підвищується значення максимального тиску згоряння на 15%. Це призводить до збільшення швидкості наростання тиску та збільшення викидів оксидів азоту. Недоліком даного способу є неефективне використання кисню для окислення шкідливих речовин у ВГ. Частина кисню при згорянні у камері згоряння викликає додаткове збільшення оксидів азоту внаслідок зростання концентрації кисню при згорянні та збільшення максимального тиску згоряння, що веде до зниження моторесурсу двигуна. Так як концентрація деяких шкідливих речовин, наприклад, вуглеводнів зі зменшенням обертів колінчатого валу зростає, то це вимагає збільшення вмісту кисню у повітрі, т.ч. наявності системи регулювання. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу підвищення ефективності використання кисню. Поставлена задача досягається тим, що газ, що вміщує кисень подається до продуктів згоряння в циліндр та вихлопний патрубок на частини такту випуску із змінною концентрацією кисню по куту повороту колінчатого вала. Висока температура у камері згоряння та випускному патрубку, а також висока міра суміші газу, що вміщує кисень із шкідливими речовинами, забезпечує ефективність окислення. Кисень подається в кінці такту випуску, тому після закриття випускного клапану частина кисню залишається у випускному патрубку, що також збільшує час його контакту з шкідливими речовинами у ВГ. Якщо подавати кисень тільки у випускний патрубок, то за час, необхідний для ефективної суміші, кисень виводиться з області високих температур, що знижує міру окислення шкідливих речовин у ВГ. Спосіб здійснюється таким чином. На дільниці перекриття клапанів (з моменту початку відкриття впускного клапану до моменту закриття випускного клапану) з отворів у сідлі впускного клапану до впускного патрубка надходить газ, що вміщує кисень у кількості, що не перевищує обсяг продуваного повітря. Кисень до газу, що вміщує кисень подається від речовин, що вміщують кисень, які нагріваються ВГ (перманганат калія) або крізь молекулярні мембрани. Для цього створюється необхідний надлишок тиску повітря перед мембраною. Молекули кисню з повітря проходять крізь мембрану і надходять до впускного патрубка. Залежно від перепада тиску поміж мембраною та обсягом у впускному патрубку за час, коли впускний клапан зачинено, концентрація кисню у впускному патрубку поблизу сідла клапану може досягати від 21 до 100% (по обсягу). На момент відкриття впускного клапану у газі, що вміщує кисень концентрація кисню може складати 100% (по обсягу), а на момент закриття випускного клапану - 21% (по обсягу). Після відкриття впускного клапану при продуванні повітря з підвищеною концентрацією кисню надходить через циліндр у випускний патрубок. Далі у струмі повітря, стікаючого з впускного патрубка, концентрація кисню знижується внаслідок зменшення подачі кисню у порівнянні з витратою повітря від компресора. При зниженні обертів колінчатого валу спостерігається зростання деяких шкідливих речовин у ВГ і це вимагає збільшення окислювальної спроможності продуваного газу, що вміщує кисень. У способі, що пропонується, це забезпечується автоматично шляхом збільшення часу на продуваний. При зменшенні обертів колінчатого валу частка продуваного повітря збільшується, і це забезпечує підвищення подачі кисню, необхідного для окислення ВГ (Орлин А.С. и др. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1971. С.51 - 86). Зміна площі прохідного перетину впускного та випускного клапанів і зміна вмісту кисню у газі, що вміщує кисень, (O2, O2*) по куту повороту колінчатого валу пояснюється графіком (фіг.). O2 вміст кисню у газі, що вміщує кисень з постійною концентрацією по куту повороту колінчатого валу. O2* - вміст кисню у газі, що вміщує кисень з перемінною концентрацією по куту повороту колінчатого валу. За законом O2 - концентрація кисню у газі, що вміщує кисень підтримується постійною. При O2* - концентрація кисню по куту повороту колінчатого валу змінюється, що забезпечує більш ефективне його використання. Для характеристики продування використовується коефіцієнт витоку продуваного повітря (q), що може бути визначений з формули: де Msцил, Mсм - кількість молей повітря, яке вийшло з циліндру при продуванні і що залишилось у циліндрі після наповнення. Параметри двигуну при газообміні характеризуються тиском наддува у впускному патрубку (Ps) та противотиском у випускному патрубку (Pт). Приклад 1. В комбінованому дизелі 8ЧН26/26 тривалість перекриття клапанів складає 130°п.к.в. На момент відкриття впускного клапану концентрація кисню у впускному патрубку складає 100% (по обсягу). При зміні обертів колінчатого вала відношення Ps/Pт підтримується однаковим і складає 1,3. При n = 1000мін-1 q = 0,18, при n = 850мін-1 q = 0,22, при n = 670мін-1 q = 0,32. Приклад 2. В комбінованому дизелі 8ЧН26/26 тривалість перекриття клапанів складає 130°п.к.в. На момент відкриття впускного клапану концентрація кисню у впускному патрубку складає 100% (по обсягу). При зміні обертів колінчатого вала відношення Ps/Pт підтримується однаковим і складає 1,1. При n = 1000мін-1 q = 0,05, при n = 850мін-1 q = 0,08, при n = 670мін-1 q = 0,12. Приклад 3. В комбінованому дизелі 8ЧН26/26 тривалість перекриття клапанів складає 90°п.к.в. На момент відкриття впускного клапану концентрація кисню у впускному патрубку складає 100% (по обсягу). При n = 1000мін-1 q = 0,045, при n = 850мін-1 q = 0,08, при n = 670мін-1 q = 0,1. В наведених прикладах на двигунах зі зменшенням обертів колінчатого валу забезпечується збільшення коефіцієнту витоку продуваного повітря, що забезпечує пропорційну подачу кисню при зростанні шкідливих речовин з ВГ.