RU2163306C2

RU2163306C2 - Diesel engine emergency starting method

Info

Publication number: RU2163306C2
Application number: RU99110578A
Authority: RU
Inventors: О.Н. Кирсанов; М.О. Кирсанова; В.И. Примин
Original assignee: Кирсанов Олег Николаевич; Кирсанова Милана Олеговна; Примин Владимир Ильич
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2001-02-20

Abstract

FIELD: power engineering; diesel engine starting methods. SUBSTANCE: according to proposed method vapor-gas is pressure-fed into engine cylinders. Vapor-gas is created by decomposition of liquid reagent, for instance, hydrogen peroxide filled in main reservoir on catalytic pack. Liquid reagent is delivered by carrying out decomposition reaction in auxiliary reservoir placed inside main reservoir and furnished with reaction initiator. Rate of reagent delivery to catalytic pack and further on to diesel engine cylinders is regulated by changing velocity of reagent decomposition in auxiliary reservoir by combined selection of type and concentration of reagent in auxiliary reservoir, mass and type of catalyst and size of surface face of reagent in auxiliary reservoir. EFFECT: provision of reliable starting, compactness, simple handling, self- sustained operation and high degree of process control. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к дизелям средней и большой мощности. The invention relates to diesel engines of medium and high power.

Известна система пуска дизеля, содержащая источник газа и устройство подачи его в цилиндры [1]. A known system for starting a diesel engine containing a gas source and a device for supplying it to the cylinders [1].

Изобретение решает задачу цилиндрового пуска дизеля от компактного источника сжатого газа с заданным расходом и давлением. Ожидаемый технический результат от использования изобретения - уменьшение массы и габаритов системы пуска, облегчение пуска из холодного состояния и обеспечение надежности полностью автономного пуска дизеля в аварийной ситуации (полное отсутствие какой-либо энергии на объекте: обесточивание, утечка воздуха из штатной системы пуска и т.п.). The invention solves the problem of cylinder starting of a diesel engine from a compact source of compressed gas with a given flow rate and pressure. The expected technical result from the use of the invention is to reduce the weight and dimensions of the start-up system, facilitate starting from a cold state and ensure the reliability of a fully autonomous diesel start in an emergency (the complete absence of any energy at the facility: blackout, air leakage from a standard start-up system, etc. P.).

Предлагаемая система аварийного пуска дизеля, содержащая источник газа и устройство подачи его в цилиндры двигателя, выполненный в виде емкости, заполненной жидким реагентом с бездетонационной экзотермичной реакцией разложения, снабженной устройством для регулирования подачи реагента и средством инициирования реакции разложения его [2], отличается тем, что, вводится дополнительная емкость, заполненная жидким реагентом, что обеспечивает регулирование темпа подачи реагента из основной емкости. The proposed diesel emergency start system, containing a gas source and a device for supplying it to the engine cylinders, made in the form of a tank filled with a liquid reagent with a detonation-free exothermic decomposition reaction, equipped with a device for controlling the reagent supply and means for initiating its decomposition reaction [2], characterized in that, an additional tank filled with a liquid reagent is introduced, which ensures the regulation of the rate of supply of the reagent from the main tank.

Как и в прототипе [2] в качестве реагентов используются, например, окись этилена, пероксид водорода, гидразин или их растворы. Инициирование реакции разложения в дополнительной емкости в дефлаграционном (недетонационном) режиме осуществляется с помощью катализатора. Основным требованием для таких катализаторов является обеспечение разложения реагента при заданной температуре (холодный пуск) со скоростью, обеспечивающей успешный запуск дизеля. В настоящее время промышленностью освоен большой спектр различных катализаторов, отличающихся своей активностью. В частности, таким требованиям отвечают катализатор типа SHELL-405 для гидразина и его растворов (наш отечественный аналог К-201), катализаторы на основе окиси меди и марганца (например, катализатор типа К-83) - для пероксида водорода. Предложенный в прототипе [2] метод регулировки подачи реагента с помощью плунжерного насоса в аварийной ситуации (ручной привод) даже для дизеля мощностью ~ 100 кВт физически не выполним. В нашем случае предлагается регулирование темпа нарастания давления в основной емкости, а следовательно, давления и скорости подачи реагента из нее, осуществлять изменением массовой скорости разложения реагента во вспомогательной емкости путем подбора соответствующего катализатора (его активности, массы), концентрации реагента во вспомогательной емкости, а также размерами зеркала в ней. Кроме того, в этом случае возникает возможность использовать во вспомогательной емкости реагент, отличный от основного. As in the prototype [2], for example, ethylene oxide, hydrogen peroxide, hydrazine or their solutions are used as reagents. The decomposition reaction in the additional tank in the deflagration (non-detonation) mode is initiated using a catalyst. The main requirement for such catalysts is to ensure the decomposition of the reagent at a given temperature (cold start) at a speed that ensures the successful start of the diesel engine. Currently, the industry has mastered a wide range of different catalysts, characterized by their activity. In particular, the SHELL-405 type catalyst for hydrazine and its solutions (our domestic analogue of K-201), and catalysts based on copper oxide and manganese (for example, the K-83 type catalyst) for hydrogen peroxide meet these requirements. The method of adjusting the reagent supply using a plunger pump in an emergency (manual drive), proposed in the prototype [2], is not physically feasible even for a ~ 100 kW diesel engine. In our case, it is proposed to control the rate of increase in pressure in the main tank, and therefore, the pressure and feed rate of the reagent from it, by changing the mass rate of decomposition of the reagent in the auxiliary tank by selecting the appropriate catalyst (its activity, mass), the concentration of the reagent in the auxiliary tank, and also the size of the mirror in it. In addition, in this case, it becomes possible to use a reagent different from the main one in the auxiliary tank.

Принципиальная схема системы аварийного пуска дизеля изображена на чертеже. A schematic diagram of a diesel emergency start system is shown in the drawing.

В основной емкости с реагентом 1 помещается вспомогательная емкость 2 с реагентом выбранной концентрации. Катализатор 3 размещается в устройстве 4, обеспечивающем контакт катализатора с реагентом во вспомогательной емкости. Основная емкость трубопроводами через узел с разрывной мембраной 5 соединяется с каталитическим пакетом 6, с газораспределительным механизмом 7, установленным на дизеле 8. Система работает следующим образом. В аварийной ситуации оператор с помощью устройства 4 вводит в контакт катализатор с поверхностью реагента во вспомогательной емкости 2. Вследствие протекания экзотермичной бездетонационной реакции разложения реагента с явно выраженным Махе-эффектом [3] во вспомогательной емкости образуется соответствующее количество парогаза, которое создает давление в основной емкости. По достижении расчетного давления прорывается мембрана и реагент из основной емкости поступает в каталитический пакет, где и разлагается с образованием парогаза. Парогаз через газораспределитель поступает к цилиндрам дизеля, создавая необходимое усилие для вращения его с заданной скоростью. Применение этого же принципа-самонаддува (сравнительные испытания проводились на модельной системе с использованием в качестве источника рабочего тела пероксида водорода, дизель имитировался диаметром критического сечения) только с одной основной емкостью исключало возможность регулирования темпа набора давления путем изменения концентрации и типа реагента, площади зеркала его во вспомогательной емкости. Влияние концентрации реагента на темп нарастания давления и скорость подачи его, следовательно, и продуктов разложения в цилиндры двигателя однозначно: чем больше концентрация, тем больше темп и наоборот. Это же можно сказать об активности катализатора и массе его [4]. Изменение площади "зеркала" реагента по мере его разложения по определенному закону, например выполнение вспомогательной емкости в виде конуса таким же образом нивелирует Махе-эффект, т. е. влияет на массовую скорость разложения соответствующим образом: чем меньше угол раскрытия конуса, тем меньше темп нарастания давления в основной емкости и наоборот. Экспериментами установлено: угол конуса не должен быть меньше 450 и больше 120^o. Применение в качестве источника рабочего тела для пуска дизеля вместо пероксида водорода других компонентов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамическими параметрами продуктов разложения и конкретными условиями эксплуатации. Например, там, где на первое место после надежности пуска становится готовность к работе в течение длительного промежутка времени (более года), где массо-габаритные требования жесткие, там предпочтение следует отдать системе на гидразине (гарантийный срок хранения и энергетические параметры наивысшие из рассмотренных компонентов). Там же, где экологическая ситуация является главной (метро, туннели, замкнутые пространства и т.п.) использование пероксида водорода не вызывает сомнения. При рассмотрении экономической стороны вопроса необходимо учесть следующее. Для дизелей мощностью до 500 кВт основной вклад в стоимость системы приходится на каталитический пакет. Стоимость катализатора К-83 (штатного для пероксида водорода) в десятки раз меньше стоимости штатного для гидразина катализатора К-201. Однако система на пероксиде водорода сугубо одноразовая из-за разрушения катализатора К-83, тогда как система на гидразине допускает многократное использование катализатора К-201, а после заправки и смены разрывной мембраны она опять готова к работе. Следует отметить, что десятки натурных испытаний на дизеле К-731 как с холодного состояния, так и с горячего подтвердили экологичность, высокую надежность, простоту и компактность предлагаемой системы аварийного пуска (~ в 1500 - 2000 раз легче штатной). Для запуска этого дизеля с холодного состояния требуется ~ 120 г пероксида водорода ( ~ 100 г концентрации 92 - 95% и ~ 20 г концентрации 80 - 85% во вспомогательной емкости с углом конуса 90^o). Длительность процесса запуска (от осуществления оператором контакта катализатора с реагентом во вспомогательной емкости до набора оборотов дизеля) составляет 2 - 5 с.In the main tank with reagent 1 is placed auxiliary tank 2 with the reagent of the selected concentration. The catalyst 3 is located in the device 4, providing contact of the catalyst with the reagent in the auxiliary tank. The main capacity by pipelines through a node with a bursting disc 5 is connected to a catalytic package 6, with a gas distribution mechanism 7 mounted on a diesel 8. The system operates as follows. In an emergency, the operator using the device 4 brings the catalyst into contact with the surface of the reagent in the auxiliary vessel 2. Due to the exothermic non-detonation reaction of decomposition of the reagent with a pronounced Mach effect [3], an appropriate amount of steam is generated in the auxiliary vessel, which creates pressure in the main vessel . Upon reaching the design pressure, the membrane breaks through and the reagent from the main tank enters the catalytic package, where it decomposes with the formation of gas. Combined gas through the gas distributor enters the diesel cylinders, creating the necessary force to rotate it at a given speed. Application of the same principle of self-pressurization (comparative tests were carried out on a model system using hydrogen peroxide as the working fluid source, the diesel engine was simulated with a critical cross-section diameter) with only one main tank excluded the possibility of controlling the rate of pressure build-up by changing the concentration and type of reagent, and its mirror area in the auxiliary tank. The influence of the concentration of the reagent on the rate of increase in pressure and the rate of its supply, therefore, of the decomposition products into the engine cylinders is unambiguous: the higher the concentration, the higher the rate and vice versa. The same can be said about the activity of the catalyst and its mass [4]. Changing the area of the “mirror” of the reagent as it decomposes according to a certain law, for example, performing an auxiliary container in the form of a cone in the same way eliminates the Mach effect, that is, affects the mass decomposition rate accordingly: the smaller the cone’s opening angle, the lower the rate pressure build-up in the main tank and vice versa. The experiments established: the angle of the cone should not be less than 450 and more than 120 ^o . The use of other components instead of hydrogen peroxide as a source of a working fluid for starting a diesel engine is determined by their physicochemical properties, thermodynamic parameters of decomposition products, and specific operating conditions. For example, where readiness for operation for a long period of time (more than a year) becomes the first place after the start-up reliability, where the weight and size requirements are strict, there should be preference for a hydrazine system (warranty period of storage and energy parameters are the highest of the considered components ) Where the environmental situation is the main one (metro, tunnels, confined spaces, etc.), the use of hydrogen peroxide is not in doubt. When considering the economic side of the issue, the following should be considered. For diesel engines up to 500 kW, the main contribution to the cost of the system comes from the catalytic package. The cost of the K-83 catalyst (standard for hydrogen peroxide) is ten times less than the cost of the regular K-201 catalyst for hydrazine. However, the hydrogen peroxide system is purely disposable due to the destruction of the K-83 catalyst, while the hydrazine system allows the K-201 catalyst to be reused, and after refueling and changing the bursting membrane, it is ready for use again. It should be noted that dozens of full-scale tests on the K-731 diesel engine both from a cold state and from a hot one confirmed the environmental friendliness, high reliability, simplicity and compactness of the proposed emergency start system (~ 1500-2000 times lighter than the standard one). To start this diesel engine from a cold state, ~ 120 g of hydrogen peroxide is required (~ 100 g of a concentration of 92 - 95% and ~ 20 g of a concentration of 80 - 85% in an auxiliary tank with a 90 ^° cone angle). The duration of the start-up process (from the operator contacting the catalyst with the reagent in the auxiliary tank to a set of diesel revs) is 2 - 5 s.

Возможность осуществления изобретения подтверждается как натурными испытаниями на реальных дизелях, так и тем, что все элементы предлагаемых систем пуска освоены и выпускаются отечественной промышленностью без ограничений. The possibility of carrying out the invention is confirmed both by full-scale tests on real diesel engines, and by the fact that all elements of the proposed starting systems are mastered and produced by the domestic industry without restrictions.

Из-за обилия вариантов регулирования ниже приводятся лишь два из них, причем один из них проведен на модельной установке (обладающей большей информативностью), где дизель заменен соплом, с соответствующим диаметром критического сечения, а другой - на дизеле К-731 (результат осреднения более чем 10 пусков). Рассмотрена система пуска дизеля с использованием пероксида водорода в качестве источника рабочего тела. Такой выбор был обусловлен конкретными условиями: замкнутое стендовое хозяйство (требования экологии), большей доступностью катализатора К-83 и пероксида водорода для разработчика. Due to the abundance of control options, only two of them are listed below, and one of them was carried out on a model unit (which is more informative), where the diesel engine was replaced by a nozzle with the corresponding critical section diameter, and the other on a K-731 diesel engine (the averaging result is more than 10 starts). A diesel starting system using hydrogen peroxide as a source of a working fluid is considered. This choice was due to specific conditions: a closed bench farm (environmental requirements), the greater availability of the K-83 catalyst and hydrogen peroxide for the developer.

ПРИМЕР 1
Параметры системы пуска: масса пероксида водорода в основной емкости 115.0 г концентрации 96.0%; во вспомогательную емкость, выполненную в виде конуса с углом ~ 60 залито 26.8 г пероксида водорода концентрации 80.0%; масса катализатора типа К-83 в каталитическом пакете 40.5 г; внутренний диаметр каталитического пакета 30.0 мм; диаметр критического сечения сопла каталитического пакета - имитатора дизеля 1.8 мм; масса катализатора на основе окислов кобальта - инициатора разложения пероксида водорода во вспомогательной емкости 1.4 г. Получены следующие параметры процесса: время от контакта катализатора (во вспомогательной емкости) до разрыва мембраны составило 7.15 с, время достижения максимального давления в камере каталитического пакета 1.65 с, длительность работы каталитического пакета при давлении в камере ~ 3.03 МПа не превышала 4.85 с, импульс последействия 6.65 с, максимальное давление в основной емкости 5.9 МПа, максимальная температура парогаза на выходе из каталитического пакета 470^oC, температура пероксида водорода в основной емкости не более 20^oC, полнота процесса 0.78.EXAMPLE 1
Launch system parameters: the mass of hydrogen peroxide in the main tank is 115.0 g, concentration 96.0%; 26.8 g of hydrogen peroxide with a concentration of 80.0% are poured into an auxiliary tank made in the form of a cone with an angle of ~ 60; the mass of the catalyst type K-83 in the catalytic package 40.5 g; the inner diameter of the catalytic package 30.0 mm; the diameter of the critical section of the nozzle of the catalytic package - diesel simulator 1.8 mm; the mass of the catalyst based on cobalt oxides - the initiator of the decomposition of hydrogen peroxide in the auxiliary tank 1.4 g. The following process parameters were obtained: the time from contact of the catalyst (in the auxiliary tank) to the rupture of the membrane was 7.15 s, the time to reach the maximum pressure in the chamber of the catalytic package 1.65 s, duration the operation of the catalytic package at a pressure in the chamber of ~ 3.03 MPa did not exceed 4.85 s, the impulse of the aftereffect was 6.65 s, the maximum pressure in the main tank was 5.9 MPa, and the maximum vapor and gas temperature was leaving the catalyst package 470 ^o C, the temperature of hydrogen peroxide in the main tank is not more than 20 ^o C, the completeness of the process 0.78.

ПРИМЕР 2
Параметры системы пуска: дизель К-731; масса пероксида водорода концентрации 95.0%, в основной емкости 120.0 г; масса пероксида водорода концентрации 82.5% во вспомогательной емкости (с углом конуса 90^o) 20.0 г; масса катализатора-инициатора разложения на основе окислов кобальта во вспомогательной емкости 1.2 г; масса каталитического пакета, загруженного катализатором типа К-83, с внутренним диаметром корпуса 30 мм - 327 г (из них катализатора 67 г); масса всей сборки (включая трубопроводы от емкости к газораспределительному механизму) не превышала 1.5 кг. После осуществления оператором контакта катализатора с реагентом во вспомогательной емкости дизель набрал необходимые обороты в течение 2 - 5 с.EXAMPLE 2
Parameters of the launch system: diesel K-731; the mass of hydrogen peroxide concentration of 95.0%, in the main tank 120.0 g; the mass of hydrogen peroxide concentration of 82.5% in the auxiliary tank (with a cone angle of 90 ^o ) 20.0 g; the mass of the catalyst initiator of decomposition based on cobalt oxides in an auxiliary tank of 1.2 g; the mass of the catalytic bag loaded with a K-83 type catalyst with an inner diameter of 30 mm is 327 g (of which 67 g of catalyst); the mass of the entire assembly (including pipelines from the tank to the gas distribution mechanism) did not exceed 1.5 kg. After the operator contacted the catalyst with the reagent in the auxiliary tank, the diesel engine gained the necessary speed within 2 - 5 s.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей/ под ред. А.С. Орлина, М.Г.Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.SOURCES OF INFORMATION
1. Internal combustion engines. Systems of reciprocating and combined engines / ed. A.S. Orlina, M.G. Kruglova. - M.: Mechanical Engineering, 1985 .-- 456 p.

2. Патент России N 2046987, приоритет от 28.04.1992 г. В.Г.Лабейш, О.Н. Кирсанов. 2. Patent of Russia N 2046987, priority dated April 28, 1992, V. G. Labeysh, O. N. Kirsanov.

3. Я. Б. Зельдович, Г.И. Баренблат, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. Математическая теория горения. - М.: Наука, 1980. - 478 с. 3. Ya. B. Zeldovich, G.I. Barenblatt, V.B. Librovich, G.M. Makhviladze. The mathematical theory of combustion. - M .: Nauka, 1980 .-- 478 p.

4. И.И. Иоффе, Л.М. Письмен. Инженерная химия гетерогенного катализа. - Л.: Химия, 1972. - 462 с. 4. I.I. Ioffe, L.M. Writing. Engineering chemistry of heterogeneous catalysis. - L .: Chemistry, 1972.- 462 p.

Claims

1. A method for emergency starting of a diesel engine by supplying gas to its cylinders, obtained by decomposing a liquid reagent on a catalytic bag with a detonation-free decomposition reaction, for example hydrogen peroxide, hydrazine, ethylene oxide, etc., charged into the main tank, characterized in that the liquid the reagent to the catalytic bag is carried out by carrying out the decomposition reaction in an auxiliary vessel equipped with a reaction initiation device, and the feed rate of the reagent to the catalytic bag and further to the dis To regulate the speed change decomposition reagent in the auxiliary container located within said main and regulation is carried out by co-selection type and concentration of reactant in the auxiliary capacitance, weight and type of catalyst and the amount of mirror surface reagent in the auxiliary tank.

2. The method according to claim 1, characterized in that the concentration of the reagent in the auxiliary tank is selected at a lower concentration of the reagent in the main tank, the mass of the catalyst in the initiating device is less than the mass of the catalyst in the catalyst bag, and the mirror area in the auxiliary tank is variable in the direction of the main tank .

3. The method according to claim 1, characterized in that the device for initiating the reaction is performed in the form of a mechanism that excludes unauthorized contact of the catalyst with the liquid reagent and its vapors in the auxiliary vessel.