RU2786859C1 - Method and experimental system with independent supply air source for two-stroke ice - Google Patents
Method and experimental system with independent supply air source for two-stroke ice Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786859C1 RU2786859C1 RU2022114445A RU2022114445A RU2786859C1 RU 2786859 C1 RU2786859 C1 RU 2786859C1 RU 2022114445 A RU2022114445 A RU 2022114445A RU 2022114445 A RU2022114445 A RU 2022114445A RU 2786859 C1 RU2786859 C1 RU 2786859C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- air
- engine
- tdc
- pressure
- exhaust
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 claims abstract description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 11
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 5
- 229910002089 NOx Inorganic materials 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitrogen oxide Substances O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052813 nitrogen oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 239000004590 silicone sealant Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Группа изобретений относится к дизельным двигателям внутреннего сгорания, как двухтактным, так и четырехтактным, как судовым, так и береговым, используемых в береговых электростанциях, в частности, к средствам подачи надувочного воздуха, и может быть использована при проведении опытов по внедрению технологий по повышению индикаторного КПД на основе модернизации наддува двигателя, снижению расхода топлива и улучшению экологических параметров отходящих газов.SUBSTANCE: group of inventions relates to diesel internal combustion engines, both two-stroke and four-stroke, both marine and coastal, used in coastal power plants, in particular, to means of supplying charge air, and can be used when conducting experiments on the introduction of technologies to increase indicator Efficiency based on the modernization of engine boost, reducing fuel consumption and improving the environmental parameters of exhaust gases.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Индикаторный КПД двигателя напрямую связан с энергией подведенного тепла и полезной работой в единицу времени, т.е. с качеством топлива, характеризуемый низшей теплотворной способностью, количеством подаваемого в цилиндры топлива в единицу времени и индикаторной мощностью.The indicator efficiency of the engine is directly related to the energy of the supplied heat and useful work per unit of time, i.e. with fuel quality, characterized by the net calorific value, the amount of fuel supplied to the cylinders per unit of time and the indicator power.
Повышение индикаторной мощности двигателей достигается регулированием величин, на нее влияющих. Индикаторная мощность NIND ДВС определяется выражением NIND - k⋅PMI⋅n⋅i, где PMI - средне-индикаторное давление (кг/см2); n - частота вращения двигателя (об/мин); i - число цилиндров двигателя; k=1,745⋅D2⋅S⋅m - постоянная цилиндра, определяемая диаметром цилиндра - D, ходом поршня - S и тактностью двигателя - m.An increase in the indicated power of engines is achieved by adjusting the quantities that affect it. The indicator power N IND of the internal combustion engine is determined by the expression N IND - k⋅P MI ⋅n⋅i, where P MI is the average indicator pressure (kg/cm 2 ); n - engine speed (rpm); i - number of engine cylinders; k=1.745⋅D 2 ⋅S⋅m - cylinder constant determined by cylinder diameter - D, piston stroke - S and engine cycle - m.
Традиционно, для повышения индикаторной мощности двигателей, производители ДВС ведут разработки в направлениях, связанных с оптимизацией определяющих индикаторную мощность параметров. Такими направлениями являются:Traditionally, to increase the indicated power of engines, ICE manufacturers are developing in areas related to the optimization of the parameters that determine the indicated power. These areas are:
а) Повышение мощности за счет увеличения диаметра цилиндра - D. Метод использовался около 50 лет, что привело к наибольшему диаметру 90 см для двигателей MAN-B&W и SULZER и к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение диаметра цилиндра было бы нерентабельным.a) Increasing power by increasing the cylinder diameter - D. The method was used for about 50 years, which led to the largest diameter of 90 cm for MAN-B&W and SULZER engines and to an increase in engine weight. A further increase in the cylinder diameter would be unprofitable.
б) Повышение мощности за счет увеличения хода поршня - S. Метод использовался около 40 лет, что привело к созданию длинно- и супер длинноходовых моделей типа LMC и SMC (отношение S/D>3÷4 соответственно) двигателей MAN-B&W и SULZER, и тоже к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение хода поршня было нерентабельным.b) Increasing power by increasing the piston stroke - S. The method has been used for about 40 years, which led to the creation of long- and super-long-stroke models of the LMC and SMC type (S / D> 3÷4 ratio, respectively) of MAN-B&W and SULZER engines, and also to increase the mass of the engine. A further increase in the piston stroke was unprofitable.
в) Повышение мощности за счет увеличения частоты вращения - n. Метод не применим для малооборотных и среднеоборотных двигателей.c) Increasing power by increasing the speed - n. The method is not applicable for low-speed and medium-speed engines.
г) Повышение мощности за счет увеличения числа цилиндров - i. Метод использовался до определенного момента, и тоже ведет к увеличению массы двигателя. Дальнейшее увеличение числа цилиндров нерентабельно.d) Increasing power by increasing the number of cylinders - i. The method was used up to a certain point, and also leads to an increase in the mass of the engine. Further increase in the number of cylinders is unprofitable.
д) Повышение эффективности (индикаторного КПД - ηIND) за счет форсирования двигателя по наддуву. Метод использовался около 40 лет, что привело к повышению давления наддува от 1 бара до 2,9 бара. Дальнейшее увеличение давления наддува не представлялось возможным ввиду необходимости увеличения конструктивной сверх прочности металла узлов и деталей остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя. Т.к. при увеличении давления надувочного воздуха на 1 бар, давление сжатия и давление сгорания увеличится на 38÷40 бар, к чему все перечисленные раннее детали и узлы не готовы по своим прочностным характеристикам.e) Increasing efficiency (indicator efficiency - η IND ) by forcing the engine to boost. The method has been used for about 40 years, resulting in an increase in boost pressure from 1 bar to 2.9 bar. A further increase in boost pressure was not possible due to the need to increase the structural super strength of the metal of the components and parts of the core, cylinder liner, cylinder covers, parts and components of the translational and rotational movement of the engine. Because with an increase in charge air pressure by 1 bar, the compression pressure and combustion pressure will increase by 38 ÷ 40 bar, for which all the parts and assemblies listed earlier are not ready for their strength characteristics.
Отсюда следует, что при проектировании дизелей параметры, определяющие мощность дизеля, не могут выбираться произвольно, требуется достаточно сложное согласование их величин между собой в зависимости от назначения дизеля. [1] Возницкий И.В., Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгорания», том 2, стр. 54. - МОРКНИГА, М. 2008 г.It follows that when designing diesel engines, the parameters that determine the power of a diesel engine cannot be chosen arbitrarily, rather complex coordination of their values with each other is required, depending on the purpose of the diesel engine. [1] Voznitsky I.V., Punda A.S. "Marine internal combustion engines",
Особое место среди указанных параметров занимает величина средне-индикаторного давления PMI, которая зависит от уровня форсирования дизеля по наддуву. Повышение степени наддува при неизменном средне-индикаторном давлении ведет к снижению продолжительности горения топлива в цилиндре - увеличению скорости и интенсивности горения, снижению продолжительности впрыска топлива в цилиндр и как следствие к расходу топлива, [2] Фомин Ю.Я. «Судовые дизели. Топливоподача в судовых дизелях», стр. 15-19.-В/О «Мортехинформреклама», М. 1988 г. Однако реализация этих технических мер приводит к усложнению конструкций и эксплуатации систем наддува.A special place among these parameters is occupied by the value of the average indicator pressure P MI , which depends on the level of boosting the diesel engine by boost. An increase in the degree of boost at a constant average indicator pressure leads to a decrease in the duration of fuel combustion in the cylinder - an increase in the speed and intensity of combustion, a decrease in the duration of fuel injection into the cylinder and, as a result, to fuel consumption, [2] Fomin Yu.Ya. Marine diesels. Fuel supply in marine diesel engines”, pp. 15-19.-V/O “Mortekhinformreklama”, M. 1988. However, the implementation of these technical measures leads to the complication of the design and operation of pressurization systems.
Известны следующие патентные документы, характеризующие уровень техники.The following patent documents characterizing the prior art are known.
Известна «Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск» по патенту РФ №108107 на полезную модель, МПК F02G 5/00. Опубл. 10.09.2011 г., Бюл. №25. Целью данной системы является охлаждение свежего заряда надувочного воздуха и отработавших газов, подаваемых на впуск. Охлаждение отработавших газов позволяет увеличить задержку воспламенения, уменьшить скорость тепловыделения и значительно снизить выброс NOx. Эффективным охлаждением свежего заряда надувочного воздуха решается не только задача увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры, но и задача снижения температур рабочего цикла и тепловых нагрузок дизеля при форсировании его по наддуву. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет поддерживать оптимальные рабочие параметры систем на всех режимах работы дизеля и будет способствовать получению значительного экономического эффекта и формированию комплексных систем автоматизации судов водного транспорта.Known "System for cooling fresh charge and exhaust gases of a marine diesel engine supplied to the intake" according to the patent of the Russian Federation No. 108107 for a utility model, IPC F02G 5/00. Published September 10, 2011, Bull. No. 25. The purpose of this system is to cool the fresh charge of charge air and exhaust gases supplied to the intake. Exhaust gas cooling can increase ignition delay, reduce heat generation and significantly reduce NOx emissions. Efficient cooling of a fresh charge of charge air solves not only the problem of increasing the amount of air entering the cylinders, but also the task of reducing the operating cycle temperatures and thermal loads of the diesel engine when boosting it. Thus, the proposed utility model allows you to maintain optimal operating parameters of the systems in all operating modes of the diesel engine and will contribute to obtaining a significant economic effect and the formation of integrated automation systems for water transport ships.
В развитие этой системы предложена «Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск» по патенту РФ №2466289 на изобретение, МПК F02G 5/02, F02B 29/04, F02M 25/07. Опубл. 10.11.2012 г., Бюл. №31. Система для охлаждения свежего заряда надувочного воздуха и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск, содержит: выхлопной, всасывающий и рециркуляционный трубопроводы, утилизационный котел, блок управления, датчики температуры и нагрузки, элементы подачи и управления теплоносителей и хладоносителей, теплообменники отработавших газов и свежего заряда надувочного воздуха. Теплообменник отработавших газов установлен на рециркуляционном трубопроводе. Теплообменник свежего заряда установлен на всасывающем трубопроводе. Теплообменники отработавших газов и свежего заряда имеют возможность подключения к абсорбционной холодильной машине. Хладоноситель может подаваться в теплообменники через электронные трехходовые клапаны, в зависимости от нагрузки дизеля. Технический результат заключается в увеличении количества воздуха, поступающего в цилиндры, и в снижении температур рабочего цикла и тепловых нагрузок дизеля при форсировании его по наддуву.In the development of this system, a “System for cooling a fresh charge and exhaust gases of a marine diesel engine supplied to the intake” was proposed according to the patent of the Russian Federation No. 2466289 for the invention, IPC
Известна «Способ работы судового малооборотного дизеля и устройство камеры сгорания для его осуществления» по патенту РФ №2256806 на изобретение, МПК F02B 3/02. Опубл. 20.07.2005 г.Known "Method of operation of a marine low-speed diesel engine and the device of the combustion chamber for its implementation" according to the patent of the Russian Federation No. 2256806 for the invention, IPC F02B 3/02. Published July 20, 2005
Данное техническое решение относится к судовым малооборотным двухтактным дизелям с прямоточно-клапанной схемой газообмена и разработано с целью повышения индикаторного коэффициента полезного действия дизеля и снижения расхода топлива. Изобретение обеспечивает увеличение индикаторной работы газов за цикл за счет уменьшения угла начала открытия и соответственно конца закрытия выпускного клапана (отсчет углов относительно нижней мертвой точки), повышение качества смесеобразования за счет изменения формы камеры сгорания. Впрыск топлива осуществляют в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, а факелы распыла направлены навстречу друг другу при длине не более радиуса втулки цилиндра. При увеличенном диаметре выпускного клапана (проходного сечения) выпуск отработанных газов начинается позже при меньшем угле поворота коленчатого вала относительно нижней мертвой точки. Устройство камеры сгорания содержит полуколпачкового типа крышку цилиндра с выпускным клапаном в центре, поршень, днище которого выполнено плоским, две форсунки для впрыска топлива расположены на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической части крышки цилиндра перпендикулярно оси.This technical solution relates to marine low-speed two-stroke diesel engines with a direct-flow-valve gas exchange scheme and was developed in order to increase the indicator efficiency of a diesel engine and reduce fuel consumption. The invention provides an increase in the indicator work of gases per cycle by reducing the angle of the beginning of the opening and, accordingly, the end of the closing of the exhaust valve (counting the angles relative to the bottom dead center), improving the quality of mixture formation by changing the shape of the combustion chamber. Fuel injection is carried out in the direction perpendicular to the axis of the cylinder, and the spray jets are directed towards each other with a length not exceeding the radius of the cylinder sleeve. With an increased diameter of the exhaust valve (flow area), the exhaust gas release begins later at a smaller angle of rotation of the crankshaft relative to the bottom dead center. The device of the combustion chamber contains a semi-cap type cylinder cover with an exhaust valve in the center, a piston, the bottom of which is made flat, two nozzles for fuel injection are located on diametrically opposite sides of the cylindrical part of the cylinder cover perpendicular to the axis.
КРИТИКА АНАЛОГОВCRITIQUE OF ANALOGUES
Описанные патенты направлены на повышение индикаторного КПД, однако, в первом случае использование охлажденных выпускных газов в процессе горения напротив ведет к снижению количества свежего заряда воздуха, неотъемлемому компоненту горения, к увеличению продолжительности горения (уменьшению скорости горения), а значит, к увеличению температуры выпускных газов в конечном результате, т.е. к увеличению потерь тепла с выпускными газами и как следствие к увеличению расхода топлива, т.е. к увеличению подведенной энергии при неизменной полезной работе поршня. Все эти факторы наоборот уменьшают индикаторный КПД. Более того очень сомнительно, что в этом случае снизится концентрация вредных для атмосферы окислов азота NOx. Во втором случае конструктивное решение не позволяют достаточно эффективно решить эту задачу.The described patents are aimed at increasing the indicator efficiency, however, in the first case, the use of cooled exhaust gases in the combustion process, on the contrary, leads to a decrease in the amount of fresh air charge, an integral component of combustion, to an increase in the duration of combustion (decrease in the combustion rate), and hence to an increase in the temperature of the exhaust gases. gases in the final result, i.e. to an increase in heat losses with exhaust gases and, as a result, to an increase in fuel consumption, i.e. to an increase in the input energy with the same useful work of the piston. All these factors, on the contrary, reduce the indicator efficiency. Moreover, it is very doubtful that in this case the concentration of nitrogen oxides harmful to the atmosphere NOx will decrease. In the second case, the constructive solution does not allow to solve this problem effectively enough.
В качестве прототипа принята традиционная система газотурбинного наддува при постоянном давлении газов перед турбиной. Система включает газовую турбину, компрессор, цилиндры, выпускной коллектор, воздушный ресивер, воздухоохладитель. Продукты сгорания из всех цилиндров направляются в один общий выпускной коллектор, откуда газы поступают в одну или две турбины. Эта система не обеспечивает максимально возможный индикаторный КПД, т.к. нет технической возможности повысить давление наддува более 2,9 бар. При дальнейшем повышении давления наддува не выдерживают узлы и детали остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя ввиду их прочностных характеристик, т.к. при увеличении давления надувочного воздуха на 1 бар, давление сжатия и давление сгорания увеличивается на 38÷40 бар. Угол опережения подачи топлива составляет при этом 10÷12° до ВМТ, что также не обеспечивает получения оптимального смешивания топлива и свежего заряда воздуха. Дальнейшее увеличение угла опережения подачи топлива также не возможно по тем же самым причинам прочностных характеристик деталей и узлов остова, втулок цилиндров, крышек цилиндров, деталей и узлов поступательного и вращательного движения двигателя, т.к. его увеличение на 1° до ВМТ ведет к повышению максимального давления сгорания на 3 бара.As a prototype, a traditional gas turbine pressurization system at a constant gas pressure in front of the turbine was adopted. The system includes a gas turbine, compressor, cylinders, exhaust manifold, air receiver, air cooler. Combustion products from all cylinders are sent to one common exhaust manifold, from where gases enter one or two turbines. This system does not provide the highest possible indicator efficiency, because there is no technical possibility to increase the boost pressure more than 2.9 bar. With a further increase in boost pressure, the components and parts of the core, cylinder liner, cylinder covers, parts and components of the translational and rotational motion of the engine do not withstand due to their strength characteristics, because when the charge air pressure is increased by 1 bar, the compression and combustion pressures increase by 38÷40 bar. The fuel supply advance angle is 10÷12° before TDC, which also does not provide optimal mixing of fuel and fresh air charge. A further increase in the advance angle of the fuel supply is also not possible for the same reasons of the strength characteristics of parts and assemblies of the core, cylinder liner, cylinder covers, parts and assemblies of the translational and rotational motion of the engine, because its increase by 1° to TDC leads to an increase in the maximum combustion pressure by 3 bar.
[3] Возницкий И.В., Пунда А.С. «Судовые двигатели внутреннего сгорания. Теория и эксплуатация двигателей». Том. 2, стр. 166÷167. -МОРКНИГА, М. 2008 г.[3] Voznitsky I.V., Punda A.S. Marine internal combustion engines. Theory and operation of engines. Volume. 2, pp. 166÷167. -MORKNIGA, M. 2008
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧАTECHNICAL PROBLEM
Технической задачей предлагаемой группы изобретений является повышение КПД как двухтактных, так и четырехтактных ДВС, снижение расхода топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу на основе использования независимого источника надувочного воздуха.The technical objective of the proposed group of inventions is to increase the efficiency of both two-stroke and four-stroke internal combustion engines, reduce fuel consumption, reduce harmful emissions into the atmosphere through the use of an independent source of charge air.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается способ с независимым источником надувочного воздуха двухтактного двигателя с прямоточно-клапанной схемой газообмена, включающий подачу надувочного воздуха, впрыск топлива, смесеобразование, сгорание, рабочий ход поршней двигателя от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), выпуск отработанных газов, отличающийся тем, что формируют независимый источник надувочного воздуха из находящегося в машинном отделении (МО) стационарного баллона пускового воздуха объемом 5 м3, сжатым до давления 30 бар и осуществляют подачу воздуха в качестве надувочного с постоянным давлением 3,1 бара на всех нагрузках двигателя через редукционный клапан в воздушный ресивер и из него в подпоршневые пространства цилиндров, при этом при нахождении поршня в НМТ надувочный воздух вытесняет остаточные выпускные газы, которые выходят через открытый выпускной клапан и наполняет цилиндр через продувочные окна втулки, при движении поршня от НМТ к ВМТ, сначала закрывают продувочные окна при его нахождении в положении 140,5° до ВМТ, затем при достижении его положения 102,4° до ВМТ выпускной клапан, начинают сжимать свежий заряд воздуха и при нахождении поршня в ВМТ достигают давления сжатия, равного значению давления сгорания 140,2 бара при 100% нагрузке стандартной системы наддува, далее в этот же момент в цилиндр подают топливо через форсунку из топливного насоса высокого давления, причем предварительно регулируют угол опережения подачи топлива до значения, равного 0° до ВМТ, топливо смешивают со свежим сжатым зарядом воздуха до образования топливной смеси; при движении поршня от ВМТ к НМТ на линии расширения 12,5° после ВМТ осуществляют воспламенение топливной смеси и подведение тепловой энергии для рабочего хода поршня от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ, а выпускные газы, выходящие из цилиндров при открытии выпускных органов каждого цилиндра, направляют в выпускной коллектор и из него через проточную часть турбины ГТН с демонтированными ротором и сопловым аппаратом в утилизационный котел или в атмосферу.To achieve the stated technical task, a method is proposed with an independent source of charge air for a two-stroke engine with a direct-flow valve gas exchange scheme, including charge air supply, fuel injection, mixture formation, combustion, engine piston stroke from top dead center (TDC) to bottom dead center (BDC). ), the exhaust gas outlet, characterized in that an independent source of charge air is formed from a stationary starting air cylinder with a volume of 5 m 3 located in the engine room (MO), compressed to a pressure of 30 bar and air is supplied as charge air with a constant pressure of 3.1 bar at all engine loads through the pressure reducing valve into the air receiver and from it into the under-piston spaces of the cylinders, while when the piston is at BDC, the charge air displaces the residual exhaust gases that exit through the open exhaust valve and fills the cylinder through the purge windows of the sleeve, when the piston moves from NM T to TDC, first close the purge windows when it is in the position of 140.5 ° to TDC, then when it reaches its position of 102.4 ° to TDC, the exhaust valve begins to compress a fresh charge of air and, when the piston is at TDC, they reach a compression pressure equal to combustion pressure value of 140.2 bar at 100% load of the standard boost system, then at the same moment fuel is supplied to the cylinder through the nozzle from the high pressure fuel pump, and the fuel supply advance angle is preliminarily adjusted to a value equal to 0 ° before TDC, the fuel is mixed with a fresh compressed charge of air until a fuel mixture is formed; when the piston moves from TDC to BDC on the expansion line 12.5° after TDC, the fuel mixture is ignited and thermal energy is supplied for the piston stroke from 12.5° after TDC to the opening of the exhaust valve when the piston position reaches 102.4° after TDC, and the exhaust gases leaving the cylinders when the exhaust organs of each cylinder are opened are sent to the exhaust manifold and from it through the flow path of the GTN turbine with the dismantled rotor and nozzle apparatus into the utilization boiler or into the atmosphere.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается также опытовая система с независимым источником надувочного воздуха двухтактных ДВС, содержащая коллектор выпускных газов двигателя, соединенный с выпускными коллекторами каждого цилиндра, имеющего продувочные и выпускные окна для ДВС с петлевой системой газообмена или продувочные окна и выпускной клапан для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена, газотурбонагнетатель - ГТН, забираемый наружный воздух из МО через воздушный фильтр и сжимаемый его в компрессорной части ГТН, воздухоохладитель ГТН, вспомогательную воздуходувку и воздушный ресивер двигателя, отличающаяся тем, что оснащена модулем подачи надувочного воздуха, включающим находящийся в машинном отделении (МО) баллон пускового воздуха с давлением 30 бар, редукционный клапан для создания необходимого повышенного постоянного давления наддува, стальную заглушку толщиной 10 мм с уплотнительным материалом (высокотемпературной паронитовой прокладкой толщиной 3 мм или высокотемпературным силиконовым герметиком) между проточными частями турбины и компрессора ГТН после демонтажа ротора ГТН и соплового аппарата, заглушку проточной части ГТН, заглушку от компрессора ГТН к воздухоохладителю, причем, надувочный воздух постоянного давления на всех нагрузках двигателя поступает от баллона пускового воздуха объемом 5 м3 через редукционный клапан в воздушный ресивер и из него в подпоршневые пространства цилиндров, ГТН остается в системе, но с демонтированным ротором и сопловым аппаратом для беспрепятственного выпуска отработанных газов.To achieve the stated technical task, an experimental system with an independent source of charge air for two-stroke internal combustion engines is also proposed, containing an engine exhaust manifold connected to the exhaust manifolds of each cylinder having purge and exhaust ports for internal combustion engines with a loop gas exchange system or purge ports and an exhaust valve for internal combustion engines with direct-flow-valve gas exchange system, a gas turbocharger - GTN, outside air taken from the MO through the air filter and compressed in the compressor part of the GTN, an air cooler of the GTN, an auxiliary blower and an air receiver of the engine, characterized in that it is equipped with a charge air supply module, including one located in the engine compartment (MO) starting air cylinder with a pressure of 30 bar, a pressure reducing valve to create the necessary increased constant boost pressure, a steel plug 10 mm thick with sealing material (high-temperature paronite gasket 3 mm thick or high-temperature silicone sealant) between the flow parts of the turbine and the turbocharger compressor after dismantling the turbocharger rotor and the nozzle apparatus, the cap of the turbocharger flow path, the cap from the turbocharger compressor to the air cooler, moreover, charge air of constant pressure at all engine loads comes from a starting air cylinder with a volume of 5 m 3 through the pressure reducing valve into the air receiver and out of it into the under-piston spaces of the cylinders, the GTN remains in the system, but with the dismantled rotor and nozzle apparatus for the unhindered release of exhaust gases.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТTECHNICAL RESULT
Технический результат заключается в повышении индикаторного КПД за счет повышения давления наддува в двигателе. В предлагаемых способе и системе реализуется форсирование двигателя по наддуву за счет увеличения давления наддува до 3,1 бара, в отличие от стандартного давления 2 бара при данной нагрузке 87% МЭМ, и изменением угла опережения подачи топлива до 0° до ВМТ, в отличие от стандартного угла опережения подачи топлива 12,5° до ВМТ, т.е. появляется техническая возможность подать топливо в тот момент, когда воспламенение произойдет в 12÷13° после ВМТ.The technical result consists in increasing the indicator efficiency by increasing the boost pressure in the engine. In the proposed method and system, the engine is boosted by boost by increasing the boost pressure to 3.1 bar, in contrast to the standard pressure of 2 bar at a given load of 87% MEM, and by changing the fuel supply advance angle to 0° to TDC, in contrast to standard fuel feed advance angle of 12.5° to TDC, i.e. it becomes technically possible to supply fuel at the moment when ignition occurs at 12 ÷ 13 ° after TDC.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Сущность предлагаемой группы изобретений заключается в следующем. Предлагается использовать независимый источник надувочного воздуха - без использования работы турбин (как опытовая система). Баллон пускового воздуха во всех двигателях, как в судовых, так и береговых, используемых в береговых электростанциях, предназначен для запуска ДВС. В предлагаемом решении он используется также и для наддува во время работы ДВС. Использование воздуха из баллона для наддува без участия ГТН - это принципиально новое для повышения давления наддува в опытовой системе, т.к. уже установленным ГТН не обеспечивается достаточно эффективный наддув.The essence of the proposed group of inventions is as follows. It is proposed to use an independent source of charge air - without the use of turbines (as an experimental system). The starting air cylinder in all engines, both marine and coastal, used in coastal power plants, is designed to start the internal combustion engine. In the proposed solution, it is also used for pressurization during the operation of the internal combustion engine. The use of air from a pressurization cylinder without the participation of a gas turbine pump is fundamentally new for increasing the boost pressure in an experimental system, since already installed gas turbine pumps are not provided with sufficiently effective pressurization.
Независимый источник надувочного воздуха включает баллон пускового воздуха, сжатого до 30 бар. Это обеспечивает возможность подачи повышенного постоянного давления надувочного воздуха 3,1 бар в отличие от стандартных 2 бар без использования ГТН от баллона пускового воздуха через редукционный клапан, кроме того, измененный угол опережения подачи топлива до значения, равного 0° до ВМТ обеспечивают возможность эффективного смешивания топлива с надувочным воздухом и эффективное сгорание с более высокой скоростью и интенсивностью теплоотдачи, при этом можно снизить продолжительность впрыска и горения топлива в цилиндре (снизить цикловую подачу или расход топлива).An independent source of charge air includes a cylinder of starting air compressed to 30 bar. This makes it possible to supply an increased constant charge air pressure of 3.1 bar, in contrast to the standard 2 bar, without the use of a turbocharger from the starting air cylinder through a pressure reducing valve, in addition, a modified fuel feed advance angle to a value equal to 0° before TDC ensures efficient mixing fuel with charge air and efficient combustion with a higher speed and intensity of heat transfer, while it is possible to reduce the duration of injection and combustion of fuel in the cylinder (reduce cyclic supply or fuel consumption).
Создаются условия улучшения смесеобразования, увеличивается полнота сгорания топлива, снижается температура выпускных газов и расход топлива, и то и другое ведет к снижению выбросов SOx, СО2, СОх и NOx в атмосферу.Conditions for improving mixture formation are created, the completeness of fuel combustion increases, the exhaust gas temperature and fuel consumption decrease, both of which lead to a decrease in SOx, CO 2 , COx and NOx emissions into the atmosphere.
Возможность использования независимого источника надувного воздуха достигается совокупностью всех признаков формулы изобретения.The possibility of using an independent source of inflatable air is achieved by the combination of all the features of the claims.
Редукционный клапан позволяет осуществлять подачу надувочного воздуха с постоянным давлением 3,1 бара в отличие от 2 бар.The pressure reducing valve allows the supply of charge air at a constant pressure of 3.1 bar as opposed to 2 bar.
Осуществление воспламенения топливной смеси и подведение тепловой энергии для рабочего хода поршня на линии расширения от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ, обеспечивает наилучшие условия сжигания топливной смеси -топливо сгорает практически полностью, время сгорания минимальное.The implementation of the ignition of the fuel mixture and the supply of thermal energy for the piston stroke on the expansion line from 12.5 ° after TDC to the opening of the exhaust valve when the piston reaches 102.4 ° after TDC provides the best conditions for burning the fuel mixture - the fuel burns out almost completely, time combustion is minimal.
Использование заглушек в системе обеспечивает герметичность системы после демонтажа ротора и соплового аппарата турбины.The use of plugs in the system ensures the tightness of the system after dismantling the turbine rotor and nozzle apparatus.
ГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫGRAPHIC MATERIALS
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображены: на фиг. 1 - принципиальная схема способа; на фиг. 2 - принципиальная схема системы; на фиг. 3 - (а) - стандартная рабочая индикаторная диаграмма, (б) - индикаторная диаграмма опытовой системы.The essence of the invention is illustrated by graphic materials, which show: in Fig. 1 is a schematic diagram of the method; in fig. 2 - schematic diagram of the system; in fig. 3 - (a) - standard working indicator diagram, (b) - indicator diagram of the experimental system.
На фиг. 1 и 2 показаны:In FIG. 1 and 2 are shown:
1 - втулка цилиндра;1 - cylinder sleeve;
1а - выпускные окна цилиндровой втулки двухтактного ДВС с петлевой системой газообмена; 1б - выпускной клапан двухтактного ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена;1a - outlet windows of the cylinder sleeve of a two-stroke internal combustion engine with a loop gas exchange system; 1b - exhaust valve of a two-stroke internal combustion engine with a direct-flow valve gas exchange system;
1в - продувочные окна цилиндровой втулки;1c - purge windows of the cylinder sleeve;
2 - воздушный ресивер двигателя;2 - air receiver of the engine;
3 - воздухоохладитель ГТН;3 - air cooler GTN;
4 - заглушка между проточными частями турбины и компрессора ГТН;4 - a plug between the flow parts of the turbine and the GTN compressor;
5 - воздушный фильтр ГТН;5 - air filter GTN;
6 - вспомогательная воздуходувка;6 - auxiliary blower;
7 - заглушка проточной части турбины ГТН;7 - plug of the flow part of the GTN turbine;
8 - выпускной коллектор двигателя;8 - exhaust manifold of the engine;
9 - заглушка от компрессора ГТН к воздухоохладителю;9 - plug from the GTN compressor to the air cooler;
10 - баллон пускового воздуха;10 - starting air cylinder;
11 - редукционный клапан.11 - pressure reducing valve.
РАБОТА СПОСОБА и СИСТЕМЫOPERATION OF THE METHOD AND SYSTEM
Способ и система работают следующим образом. Надувочный воздух постоянного давления 3,1 бара на всех нагрузках двигателя поступает от баллона пускового воздуха 10 объемом 5 м3 через редукционный клапан 11 в воздушный ресивер 2 и из него в подпоршневые пространства цилиндров 1; при нахождении поршня в НМТ надувочный воздух вытесняет остаточные выпускные газы, которые выходят через выпускные клапаны 1б (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена) и наполняет цилиндр 1 через продувочные окна 1в втулки цилиндра 1. При движении поршня от НМТ к ВМТ сначала тем же поршнем закрываются продувочные окна 1в при достижении его положения 140,5° до ВМТ, затем при достижении его положения 102,4° до ВМТ закрывается выпускной клапан 1б с помощью механическо-гидравлической системы распредвала (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена), свежий заряд воздуха начинает сжиматься и при нахождении поршня в ВМТ достигает давления сжатия, равного значению давления сгорания 140,2 бара при 100% нагрузке стандартной системы наддува, далее в этот момент в цилиндр подается топливо через форсунку из топливного насоса высокого давления с уже измененным углом опережения подачи топлива с 12,5° до ВМТ стандартной системы турбонаддува на 0° до ВМТ, смешивается со свежим сжатым зарядом воздуха и образует топливную смесь. При движении поршня от ВМТ к НМТ на линии расширения 12,5° после ВМТ происходит воспламенение топливной смеси с подведением тепловой энергии для осуществления рабочего хода поршня от 12,5° после ВМТ до открытия выпускного клапана при достижении положения поршня 102,4° после ВМТ (для ДВС с прямоточно-клапанной системой газообмена). Выпускные газы, выходящие из цилиндров 1 при открытии выпускных органов каждого цилиндра, поступают в выпускной коллектор и из него через проточную часть турбины ГТН (с демонтированными ротором и сопловым аппаратом) в утилизационный котел или в атмосферу.The method and system work as follows. Charge air of constant pressure of 3.1 bar at all engine loads comes from the starting
На испытательном стенде была протестирована работа судового двигателя HYUNDAI MAN-B&W 6S50MC (МЭМ 11640 э.л.с. при МЧВ 127 об/мин) в период его форсирования по надувочному воздуху. Внешним источником - баллоном пускового воздуха через редукционный клапан, создавалось постоянное давление наддува, регулировался угол опережения подачи топлива. Индикаторная диаграмма показала неизменное средне-индикаторное давление при сниженном расходе топлива, а следовательно и увеличение индикаторного КПД. Результаты испытаний приведены в таблице.The operation of the HYUNDAI MAN-B&W 6S50MC marine engine (MEM 11640 hp at 127 rpm) was tested on the test bench during its forcing through the charge air. An external source - a cylinder of starting air through a pressure reducing valve, created a constant boost pressure, and adjusted the advance angle of the fuel supply. The indicator diagram showed a constant average indicator pressure with reduced fuel consumption, and, consequently, an increase in indicator efficiency. The test results are shown in the table.
На индикаторных диаграммах (фиг. 3(а) и (б)) штриховой линией указан их свернутый вид, по которому определяются площади диаграмм, а из площади определяются средне-индикаторные давления циклов. На оси абсцисс расположена шкала углов поворота коленвала от «-180°» до «180°». На оси ординат расположена шкала давлений рабочего тела (воздуха и рабочих газов) в цилиндре от «0 бар» до «150 бар». Такт сжатия происходит от НМТ (нижней мертвой точки, соответствующей «-180°» пкв) до ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв), а такты воспламенения и расширения от ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв) до НМТ (нижней мертвой точки, соответствующей «180°» пкв). В положении поршня в ВМТ (верхней мертвой точки - TDC - top dead center, соответствующей «0°» пкв) давление сжатия соответствует значению 103,62 бара стандартной системы наддува (фиг. 3(а)) и 140,2 бара опытовой системы наддува (фиг. 3(б)). В положении поршня ≈ 20° после ВМТ давление сгорания соответствует значению 121,4 бара стандартной системы наддува (фиг.3(а)) и 140,2 бара опытовой системы наддува (фиг. 3(б)).On the indicator diagrams (Fig. 3(a) and (b)) the dashed line indicates their collapsed form, according to which the areas of the diagrams are determined, and the average indicator pressures of the cycles are determined from the area. On the abscissa axis there is a scale of crankshaft rotation angles from "-180°" to "180°". On the ordinate axis there is a pressure scale of the working fluid (air and working gases) in the cylinder from "0 bar" to "150 bar". The compression stroke occurs from BDC (bottom dead center, corresponding to "-180 °" pkv) to TDC (top dead center - TDC - top dead center, corresponding to "0 °" pkv), and the ignition and expansion strokes from TDC (top dead center - TDC - top dead center, corresponding to "0°" pkv) to BDC (bottom dead center, corresponding to "180°" pkv). In the piston position at TDC (top dead center - TDC - top dead center, corresponding to "0 °" pkv), the compression pressure corresponds to the value of 103.62 bar of the standard boost system (Fig. 3(a)) and 140.2 bar of the experimental boost system (Fig. 3(b)). At a piston position of ≈20° after TDC, the combustion pressure corresponds to 121.4 bar of the standard boost system (FIG. 3(a)) and 140.2 bar of the test boost system (FIG. 3(b)).
Площади обеих индикаторных диаграмм, а значит и средне-индикаторных давлений одинаковые. Однако расходы топлива отличаются в 1,91 раза в пользу опытовой системы.The areas of both indicator diagrams, and hence the average indicator pressures, are the same. However, fuel consumption differs by 1.91 times in favor of the experimental system.
Предлагаемая группа изобретений направлена на увеличение эффективности как двухтактных, так и четырехтактных ДВС, сбережение углеводородных ресурсов, снижение вредных выбросов NOx, SOx, СО и СО2 с выпускными газами в атмосферу.The proposed group of inventions is aimed at increasing the efficiency of both two-stroke and four-stroke internal combustion engines, saving hydrocarbon resources, reducing harmful emissions of NOx, SOx, CO and CO 2 with exhaust gases into the atmosphere.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2786859C1 true RU2786859C1 (en) | 2022-12-26 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU877107A1 (en) * | 1979-07-11 | 1981-10-30 | Предприятие П/Я В-8748 | Method and apparatus for starting i.c.engine |
US6966295B2 (en) * | 2001-05-22 | 2005-11-22 | Hitachi, Ltd. | Compression ignition internal combustion engine |
RU182967U1 (en) * | 2018-05-28 | 2018-09-06 | Денис Викторович Шабалин | SYSTEM OF SHORT FORCING POWER INSTALLATION OF THE TANK WITH FUEL AND WATER SUPPLY TO THE INLET MANIFOLD OF THE ENGINE |
RU194935U1 (en) * | 2019-10-15 | 2019-12-30 | Денис Викторович Шабалин | SYSTEM OF SHORT FORCING OF POWER INSTALLATION OF A TANK WITH A DEVICE FOR ANGLE CORRECTION A START OF FUEL INJECTION |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU877107A1 (en) * | 1979-07-11 | 1981-10-30 | Предприятие П/Я В-8748 | Method and apparatus for starting i.c.engine |
US6966295B2 (en) * | 2001-05-22 | 2005-11-22 | Hitachi, Ltd. | Compression ignition internal combustion engine |
RU182967U1 (en) * | 2018-05-28 | 2018-09-06 | Денис Викторович Шабалин | SYSTEM OF SHORT FORCING POWER INSTALLATION OF THE TANK WITH FUEL AND WATER SUPPLY TO THE INLET MANIFOLD OF THE ENGINE |
RU194935U1 (en) * | 2019-10-15 | 2019-12-30 | Денис Викторович Шабалин | SYSTEM OF SHORT FORCING OF POWER INSTALLATION OF A TANK WITH A DEVICE FOR ANGLE CORRECTION A START OF FUEL INJECTION |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6080224B2 (en) | 2-stroke internal combustion engine, 2-stroke internal combustion engine operating method, and 2-stroke engine conversion method | |
US20070022977A1 (en) | Method and apparatus for operating an internal combustion engine | |
US20110108012A1 (en) | Internal combustion engine and working cycle | |
US5970929A (en) | Turbocharged 4 stroke diesel engine with a variable camshaft timing system | |
US20120048218A1 (en) | System and method for operating an internal combustion engine | |
JP2020070804A (en) | Large 2-stroke uniflow scavenging gas fuel engine and method of reducing preignition or diesel knocking | |
US20050039711A1 (en) | Internal combustion engine and working cycle | |
RU2786859C1 (en) | Method and experimental system with independent supply air source for two-stroke ice | |
CN109681318B (en) | Hydrocarbon fuel ignition type zero-nitrogen rotor machine with oxygen as oxidant and control method thereof | |
RU2316658C1 (en) | Diesel engine | |
CN110043363B (en) | Reciprocating piston type two-stroke internal combustion engine | |
US20160032821A1 (en) | Six Stroke Internal-Combustion Engine | |
Blundell et al. | Two stroke engines-the Lotus approach | |
RU2626611C2 (en) | Two-stroke internal combustion engine with highest technical-economical and environmental criterial parameters and electronic control of accumulated fuel injection system of large fraction composition | |
RU2764613C1 (en) | Method for operation of free-piston gas generator and apparatus for implementation thereof | |
US8251041B2 (en) | Accelerated compression ignition engine for HCCI | |
US8875672B2 (en) | Engine system having dedicated cylinder-to-cylinder connection | |
CN102155285B (en) | Novel four-stroke four-cylinder layered dual-vortex combustion energy-saving internal combustion engine with new gas distribution mechanism | |
Nork et al. | HoLeGaMo High Performance Natural Gas Engine for Industrial Applications | |
RU2280188C1 (en) | Internal combustion engine | |
CN117328994A (en) | Two-stage combustion multi-stroke circulation system and method with controllable air inlet and outlet valve | |
CN103382881A (en) | Cylinder pressure boost four stroke internal combustion engine | |
RU2268376C2 (en) | Internal combustion engine | |
WO2020164395A1 (en) | Two-stroke engine having independent combustion chamber and special piston and with synchronous boosting | |
RU101499U1 (en) | TWO STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE |