Спосіб спалювання палива в двигунах внутрішнього згорання (двз)

1. Спосіб спалювання палива в двигуні внутрішнього згорання, що включає подачу повітря в камеру згорання, його завихрення під час впуску, впорскування палива форсункою, займання паливоповітряної суміші, який відрізняється тим, що впорскування палива здійснюють назустріч завихреному потоку повітря. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що паливо впорскують форсункою через короткі проміжки часу з однаковою швидкістю наростаючими до максимального розрахункового значення порціями відповідно до режиму роботи. (19) (21) 20040402779 (22) 15.04.2004 (24) 11.02.2008 (72) ШЕРЕТЮК ТАРАС БОГДАНОВИЧ, UA, ШЕРЕТЮК БОГДАН ПАВЛОВИЧ, UA (73) ШЕРЕТЮК БОГДАН ПАВЛОВИЧ, UA (56) Орлина А. С., Круглова М. Г. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированых двигателей. М.: Машиностроение, 1983. C. 372. SU 1111691 A, 30.08.84 3 підпружиненою голкою. Паливо в області високих частот обертання і/або навантажень двигуна подається переважно у вигляді плівки на стінку камери згорання суцільним потоком, а на холостому ходу та в області низьких частот обертання і/або навантажень двигуна відбувається переважно безпосереднє змішування палива з повітрям і при цьому кількість впорскнутого суцільним потоком палива регулюється в залежності від навантаження та частоти обертання. З метою зменшення токсичності відпрацьованих газів та полегшення запуску змінюють прохідний перетин соплового отвору шляхом підняття голки розпилювача, що впорскує паливо, в залежності від частоти обертання і навантаження двигуна в окремих умовно прийнятих областях всього робочого діапазону. Прохідний перетин соплового отвору збільшують за допомогою характеристики пружнього елемента або додаткових засобів регулювання повільніше в області низьких частот обертання і/або навантажень, ніж в області високих частот обертання і/або навантажень. Незважаючи на дотримання вище згаданих вимог під час проектування, доведення та виробництва сучасних дизелів існує проблема не якісного протікання робочого процесу окислення палива в камерах згорання, важкості запуску холодних двигунів взимку, викидів токсичних речовин і, зокрема, не згорівших вуглеводнів, що безпосередньо впливає на паливну економічність, екологічну безпеку та ефективну експлуатацію двигунів загалом. Спосіб організації спалювання палива за прототипом не може забезпечити максимальної ефективності процесу, а відтак зменшення токсичності викидів та покращення економічності двигуна з причини наявності підготовчих процесів для ефективного проходження стадії окислення палива, особливо в областях незначних, середніх та максимальних навантажень і/або частот обертання, а саме наявності плівкового впорскування та сумішоутворення, що спричиняє хаотизацію спрямованого завихреного потоку стиснутої повітряної маси, не раціональне витрачання енергії завихрення та енергії впорсування; наявність частини палива відсіченої фронтом полум’я, з причини локального впорскування суцільним потоком. В основу винаходу покладена задача досягнення граничного зменшення періоду затримки займання г,. та ефективного окислення (горіння) вуглецево-водневого рідкого CnH2n+2 палива в камері згорання ДВЗ шляхом його впорядкованої циклічної подачі за певним законом крізь розпилювач форсунки, зменшення токсичності відпрацьованих газів та покращення економічності. Відомо і очевидно, що за рахунок наявності завихруючих пристроїв на впуску в циліндр, в останньому повітряний потік буде мати вихровий рух з певним середнім значенням лінійної швидкості. Під час стискання швидкість руху збільшується за рахунок збільшення параметрів тиску Ρ та температури Τ не дивлячись на 81750 4 зменшення об'єму V циліндра, що видно з рівняння газового стану Клапейрона: 2 2 mn 2 1 NwDL = N DL = Mn 2DL, 3 3 2 3 де Р - тиск газу; V0 - об'єм, що займає газ; М - молярна маса газу, М=Nm; N - число Авогадро; m - маса молекули газу; n - швидкість руху молекули; DL - кількість молів газу. Звідки : PV0 = 3PV0 . MDL Паливо, що впорскується в камеру згорання під тиском до 150МПа теж має певну швидкість, і з огляду на короткий час горіння вона повинна сягати 800 -1000м/с. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі спалювання палива переважно в ДВЗ, що включає подачу повітря в камеру згорання, його завихрення, впорскування палива, займання паливо-повітряної суміші, запропоновано впорскування палива здійснити на зустріч завихреному потокові повітря. Процес впорскування від початку до завершення розподілити на наростаючі до максимального значення порції з однаковою швидкістю потоку часток палива. Маса порцій палива, що подаються крізь форсунку, щоразу збільшується до максимального розрахункового значення, що припадає на такт розширення, і залежить від режиму роботи двигуна і/або частоти обертання колінчастого вала. Під час руху молекул повітря та дрібнорозпилених часток палива (5-50 мкм) на зустріч одні одним, вони мають певні кінетичні енергії. Так, для палива : n= mчn 2 ч , 2 Ε „а, = 2 » де m ч - маса частки палива; vч - швидкість частки палива. Використовуючи середнє значення лінійної швидкості завихреної повітряної маси перейдемо до значення її кінетичної енергії : M' n ч Eпов. = , 2 де М' - маса повітря, що знаходиться в циліндрі; v - середня лінійна швидкість повітряного потоку. В результаті зіткнення молекул повітря та часток палива, згідно із законом збереження енергії, сума цих кінетичних енергій S Е = Епов. + Епал. буде витрачатись впорядковано на руйнування міжмолекулярних зв'язків, їх дисоціацію та активізацію процесу окислення. Для самовільного протікання хімічної реакції окислення палива необхідно забезпечити середовищу енергію Гiббса, яка становить: Eпал. = G = DH0 + DH - S = -318,7кДж / моль, 298 5 0 де DH298 - ентальпія хімічної реакції окислення палива С16Н34 при стандартних умовах; DН - ентальпія при температурі кінця стиску; S - ентропія хімічної реакції окислення палива С16Н34 при температурі кінця стиску. Знак «-» показує, що енергія споживається. Слід врахувати, що енергія міжмолекулярних зв'язків вуглецю в паливі для одинарних зв'язків становить С-С - 294кДж/моль, а для подвійних - С = С -410кДж/моль. Тому, очевидно, що в результаті виконання роботи стиснення руйнуються тільки одинарні вуглецеві зв'язки С - С в паливі під час його впорскування в стиснуте повітря, і саме при цій умові можливий початок процесу окислення палива (самозаймання). Саме за рахунок використання кінетичних енергій повітряного потоку та потоку часток палива в результаті їх зіткнення досягається максимальна активізація і ефективність протікання процесу окислення палива. В результаті нескладних підрахунків отримуємо, що ступінь активізації процесу хімічної реакції окислення палива збільшується в 250 - 300 разів. Для забезпечення плавного збільшення швидкості наростання тиску кінця такту стиснення і початку такту розширення паливо впорскується в камеру згорання порціями за диференціальним законом подачі палива через короткі проміжки часу з однаковою швидкістю потоку часток палива. Маса порцій палива, що подаються крізь форсунку, щоразу збільшується до максимального розрахункового значення, що припадає на такт розширення, і залежить від режиму роботи двигуна і/або частоти обертання колінчастого вала. Разом з цим, для забезпечення окислення (горіння) 1 кг палива необхідно близько 15кг повітря, тобто, співвідношення рухомих паливо-повітряних мас буде відповідно складати 1:15. Тому, згідно із третім законом Ньютона, малі порції палива, що впорскуються в стиснене, завихрене повітря, не змінять його напрямок руху, а лише підсилять турбулентність разом з підвищенням величини тиску Ρ, активізують процес, в результаті окислення палива. Використання запропонованого способу дозволить максимально ефективно використати дуже малий час горіння порції палива в камері згорання на максимальних частотах обертання колінчастого валу двигуна, що працює за циклом Дизеля, і дасть можливість покращити якість окислення (горіння) палива, тягові характеристики, зменшити димність відпрацьованих газів, їх токсичність, витрату палива та підвищити ККД. 81750 6