WO2013157981A1 - Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием - Google Patents

Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием Download PDF

Info

Publication number
WO2013157981A1
WO2013157981A1 PCT/RU2012/000308 RU2012000308W WO2013157981A1 WO 2013157981 A1 WO2013157981 A1 WO 2013157981A1 RU 2012000308 W RU2012000308 W RU 2012000308W WO 2013157981 A1 WO2013157981 A1 WO 2013157981A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ignition
gas
air mixture
chamber
hydrogen
Prior art date
Application number
PCT/RU2012/000308
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Константин Иванович ФЕДИН
Original Assignee
Fedin Konstantin Ivanovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fedin Konstantin Ivanovich filed Critical Fedin Konstantin Ivanovich
Priority to US14/373,087 priority Critical patent/US9341143B2/en
Priority to RU2013109086/06A priority patent/RU2535308C2/ru
Priority to PCT/RU2012/000308 priority patent/WO2013157981A1/ru
Priority to DE112012006249.3T priority patent/DE112012006249B4/de
Priority to KR1020147018971A priority patent/KR20140147077A/ko
Publication of WO2013157981A1 publication Critical patent/WO2013157981A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0209—Hydrocarbon fuels, e.g. methane or acetylene
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to engine building and can be used in gas piston engines with spark ignition, working mainly on lean mixtures of hydrocarbon gases.
  • the prior art gas engine with a pre-ignition torch ignition comprising a cylinder, a cylinder cover in which the main spark plug is located on the axis of the cylinder, a prechamber with an additional spark plug and a gas inlet valve is installed in the cylinder cover (see RF patent N ° 2080471) [ one].
  • the disadvantage of such a gas engine is the complexity and high cost of the fuel system. Nevertheless, it found application on high power engines, mainly from 2 MW.
  • a rich hydrogen-air mixture is fed into the gas chamber of the gas engine through a controllable valve, which, after lighting the candles, ignites the main lean air-fuel mixture in the engine cylinder.
  • This method is more efficient than the above Russian invention, but also much more complicated, since two different types of fuel are required, and the second type of fuel is hydrogen, supplied from outside in the form of a hydrogen-air mixture through a controlled valve.
  • the possibility of reforming the depleted gas-air mixture directly into prechamber due to the use of a catalyst with electric heating, with a lack of hydrogen it is supplied externally in the form of a hydrogen-air mixture through a controlled valve.
  • the design proposed in [2] cannot be workable because the heated structure, consisting of a substrate-electric heater and a catalyst grid, is located inside the prechamber and is not able to withstand the destructive effect of cyclic abrupt changes in pressure and temperature from 0.1 up to 11 MPa and from 50 to 1700 ° C, every 80 ms at an engine speed of 1500 min "1.
  • the method has not found practical application.
  • the closest features with the claimed invention has a method of ignition of air-fuel mixtures in an internal combustion engine described in RF patent N ° 2099549 [3].
  • the prototype [3] proposed a method of ignition of a fuel-air, mostly poor, mixture in an internal combustion engine with a main combustion chamber and with an ignition chamber, which includes the following steps: inlet at a compression stroke into the ignition chamber of a fuel-air mixture from a main combustion chamber , ignition of the fuel-air mixture, the ejection of a burning torch into the main combustion chamber at the beginning of the expansion stroke.
  • inlet at a compression stroke into the ignition chamber of a fuel-air mixture from a main combustion chamber ignition of the fuel-air mixture
  • the ejection of a burning torch into the main combustion chamber at the beginning of the expansion stroke.
  • the main difference in this method see Fig.
  • the problem to which the invention is directed is to develop a method for organizing the working process of a gas piston engine with spark ignition with minimal changes in the design of diesel engines, on the basis of which gas piston engines with spark ignition are produced.
  • the engine using the inventive process must have improved performance and ease of manufacture.
  • the technical result is achieved through the development of an improved method of organizing the working process of a gas piston engine with spark ignition, the method involves entering in the process of compressing a lean gas-air mixture from the combustion chamber to the ignition chamber containing residual gases, forming a hydrogen-air mixture in the ignition chamber due to reactions of the combined conversion of the components of a gas-air mixture into hydrogen and carbon monoxide, spark ignition of a hydrogen-air mixture, select from a burning torch to a combustion chamber with ignition of the main lean gas-air mixture.
  • hydrocarbon gases are used as fuel, which includes components from the group of lower alkanes: methane, ethane, propane, butane, etc., which make up natural gas, associated petroleum gas, liquefied petroleum gas (propane -butane mixture) and others.
  • the claimed invention is based on a number of theoretical studies, namely, Dyachenko VT Theory of internal combustion engines. / - Kharkov: Publishing Center KHNADU, 2009. - 500 p. [four]; Krylov O. V. Carbon dioxide conversion of methane to synthesis gas // J. Russian Chem. Society them. DI. Mendeleev. - M., 2000. -T.XLIV. - N ⁇ ! 1 - S. 19-33 [5]; Usachev N.Ya. Oxidative processing of lower alkanes: state and prospects / N.Ya. Usachev, V.V. Kharlamov, E.P. Belanova, T.S. Starostina, I.M. Krukovsky / Russian chemical Journal (ZhRLO named after D.I. Mendeleev). - 2008. - T.52, JYS 4. - p. 22-31 [6].
  • the composition of residual gases by volume contains an average of 6.7 - 5.6% carbon dioxide, 6.6 - 8.8% oxygen, 12.8 - 10.8% water vapor, with a coefficient of excess air 1, 5 - 1, 8.
  • One of the main conditions for the formation of a hydrogen-air mixture is the heating of the initial gas-air mixture to a temperature at which the reactions of the conversion of lower alkanes to hydrogen and carbon monoxide spontaneously begin to occur.
  • the temperature of the onset of conversion for: methane ⁇ 4 400 ° ⁇ , ethane ⁇ 2 ⁇ b 300 ° ⁇ , propane ⁇ 3 ⁇ 8 and butane ⁇ 4 ⁇ 10 200 ° ⁇ .
  • the temperature of the residual gases in the ignition chamber is 500–700 ° ⁇ , and the temperature of the walls of the ignition chamber due to heat removal is set, on average, at the level of 350-400 ° ⁇ (see [4]).
  • the volume of the ignition chamber conditions are created for the occurrence of combined conversion reactions when the lean gas-air mixture enters the ignition chamber during compression.
  • an increase in the intensity of reactions is significantly affected by an increase in pressure in the ignition chamber during compression.
  • the above factors are sufficient to create optimal conditions for the formation of a hydrogen-air mixture in the ignition chamber.
  • the hydrogen-air mixture formed in this way is subjected to spark ignition, and through the channel connecting the ignition chamber to the combustion chamber, the resulting burning torch enters the combustion chamber and ignites the main lean gas-air mixture.
  • FIG. 2 presents a section of a gas piston engine with spark ignition, configured to implement the proposed method.
  • the engine has a combustion chamber 1, which is the upper part of the working cylinder, an ignition chamber 4, made preferably symmetrically about the axis of the cylinder and equipped with a spark plug 5, an ignition chamber 4 communicated by channel 8 with the combustion chamber 1, limited by the piston 2 and the cylinder head 3.
  • the ignition chamber 4 preferably made of a material that is a catalyst for the reactions of combined conversion, for example, nickel heat-resistant steel, a spark plug 5 is installed.
  • the combined conversion reactions proceed quite satisfactorily without the presence of a catalyst.
  • Gas exchange of the engine is carried out through the intake valve 6 and exhaust valve 7.
  • a poor gas-air mixture with an excess air coefficient of 1.5 - 1, 8 through the inlet valve 6 enters the combustion chamber 1 (engine cylinder), while the residual gases with a temperature of 500 - 700 ° are stored in the ignition chamber 4 and channel 8 C (based on the design, there is no purging it), which contain 6.7 - 5.6% carbon dioxide, 6.6 - 8.8% oxygen, 12.8 - 10.8% water vapor by volume.
  • the lean gas-air mixture begins to flow from the combustion chamber 1 through channel 8 into the ignition chamber 4.
  • Hydrogen has very wide concentration limits of ignition by volume in air - from 4.09% to 80%, as well as carbon monoxide - from 12.5% to 80%, in contrast to methane - from 5.28% to 15 ,four %. Hydrogen has a higher diffusion coefficient of 0.66 cm / s in contrast to methane 0.196 cm / s. Ignition of hydrogen requires approximately 17 times less energy. The minimum ignition energy of hydrogen is 0.019 mJ, methane 0.33 mJ. (see Gaynullin F.G. Natural gas as a motor fuel in transport / F.G. Gainullin, A.I. Grishchenko, Yu.N. Vasiliev, L.S. Zolotarevsky. - M.: Nedra, 1986. - 255 p.) [7].
  • the volume of the ignition chamber 4 together with the connecting channel 8 is 3 to 10% of the volume of the combustion chamber 1 and depends on the design, dimensions, engine speed and a number of other less important parameters.
  • the inventive method is implemented in the manufacture of gas piston engines with spark ignition based on serial diesel engines.
  • the diesel engine is subjected to minimal modification, namely, an adapter in the form of a cylinder is installed in the nozzle seat, in the upper part of which the spark plug is located, and the lower part forms the ignition chamber.
  • a gas piston engine with spark ignition stably operates without detonation with a compression ratio of the diesel engine in the entire range of rotational speeds, loads and under transient conditions, with an excess air coefficient of 1.5 to 1.8.
  • the temperature of the exhaust gases is in the range of 400 - 450 ° C, which significantly increases the reliability of gas piston engines with spark ignition and increases the engine life of the exhaust system, especially exhaust valves and seats.
  • the ignition chamber together with the connecting channel fits well into the place of the nozzle of serial diesel engines, which greatly simplifies their conversion to work on gas fuel, especially without changing the compression ratio.
  • the claimed invention is simple to implement and can find wide application in the engine industry.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в газовых поршневых двигателях с искровым зажиганием. Сущность изобретения заключается в том, что из камеры сгорания в камеру зажигания в процессе сжатия поступает газо-воздушная смесь. При этом в камере зажигания сохраняют остаточные газы с температурой 500-700°С, инициируя с помощью этих остаточныъх газов, при их соприкосновении и смешении с топливо-воздушной смесью, запуск реакций комбинированной конверсии нисших алканов, входящих в состав углеводородных топлив, в водород и окись углерода. При этом обеспечивают интенсификацию реакций комбинированной конверсии в процессе сжатия за счет повышенных давления и температуры газо-воздушной смеси, соответственно, 5-5,5 МПА и 500-600°С, в камерах зажигания и сгорания на момент искрообразования.

Description

СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГАЗОВОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в газовых поршневых двигателях с искровым зажиганием, работающих, преимущественно, на бедных смесях углеводородных газов.
Из уровня техники известен газовый двигатель с форкамерно- факельным воспламенением, содержащий цилиндр, крышку цилиндра, в которой по оси цилиндра расположена основная свеча зажигания, в крышке цилиндра установлена форкамера с дополнительной свечой зажигания и газовпускным клапаном (см. патент РФ N° 2080471) [1]. Недостатком такого газового двигателя является сложность и высокая стоимость топливной системы. Тем не менее, он нашел применение на двигателях большой мощности, в основном от 2-х МВт.
В техническом решении, описанном в патенте США Ν» 561 1307 [2], в форкамеру газового двигателя через управляемый клапан подается богатая водородно-воздушная смесь, которая после зажигания свечей воспламеняет основную обедненную топливно-воздушную смесь в цилиндре двигателя. Данный способ более эффективен, чем выше представленное российское изобретение, но и значительно сложнее, поскольку требуется наличие двух разных видов топлива, причем второй вид топлива представляет собой водород, подающийся извне в виде водородно-воздушной смеси через управляемый клапан. В одном из вариантов реализации способа упоминается также возможность реформинга обедненной газо-воздушной смеси непосредственно в форкамере за счет применения катализатора с электрическим подогревом, при недостатке водорода его подают извне в виде водородно-воздушной смеси через управляемый клапан. Однако, конструкция, предложенная в [2] не может быть работоспособной так как, нагреваемая структура, состоящая из подложки-электронагревателя и сетки-катализатора, расположена внутри форкамеры и не способна выдержать разрушительное действие циклических резко-переменных изменений давления и температуры от 0,1 до 11 МПа и от 50 до 1700 °С, каждые 80 мс при частоте вращения двигателя 1500 мин"1. Способ не нашел практического применения.
Наиболее близкими признаками с заявляемым изобретением обладает способ зажигания топливно-воздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ N° 2099549 [3]. В прототипе [3] предложен способ зажигания топливно-воздушной, преимущественно бедной, смеси в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающий в себя следующие этапы: впуск на такте сжатия в камеру зажигания топливно- воздушной смеси из основной камеры сгорания, зажигание топливно- воздушной смеси, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения. При этом в качестве основного отличия в данном способе (см. Фиг. 1) заявляется то, что впуск топливно- воздушной смеси из основной камеры 1 сгорания в камеру 4 зажигания осуществляют по ее центральной оси через газодинамические детекторы, причем, по меньшей мере, один детектор 8 имеет пропускную способность в сторону камеры зажигания, а выброс горящего факела из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по ее периферии через газодинамические детекторы 9, из которых, по меньшей мере, два имеют пропускную способность в сторону основной камеры сгорания, при этом горящие струи направляют на условную окружность центра масс для заданного объема основной камеры сгорания. Для реализации предложенного способа заявлена также конструкция отдельных узлов модифицированного двигателя внутреннего сгорания. На Фиг. 1 изображен такой узел, где 1 - камера сгорания, 2 - поршень, 3 - корпус, 4 - камера зажигания, 5 - устройство зажигания, 8 - впускной однонаправленный канал (детектор), 9 - выпускной однонаправленный канал (детектор). В данном решении используется лишь один вид топлива, и авторы заявляли, что данное решение обеспечивает повышение надежности и эффективности при сжигании в нем бедных топливно-воздушных смесей, однако, сведений о широком применении такого двигателя до настоящего времени не было обнаружено. Основными недостатками прототипа [3] является сложность конструкции и повышенные требования к точности изготовления и обработки элементов конструкции, а также невысокая эффективность.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке способа организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием при минимальных изменениях в конструкции дизельных двигателей, на базе которых производятся газовые поршневые двигатели с искровым зажиганием. При этом двигатель, использующий заявляемый процесс, должен обладать повышенными эксплуатационными характеристиками и простотой в изготовлении.
Концепция, положенная в основу заявляемого изобретения, принципиально отличается от традиционного подхода к разработке газовых поршневых двигателей. Все известные конструкции предусматривают удаление остаточных газов из форкамеры, освобождая объем для введения богатой (запальной) газо-воздушной или водородно- воздушной смеси. В заявляемом способе удаления остаточных газов не предусмотрено, напротив, предлагается рациональное использование свойств, присущих остаточным газам, для повышения эксплуатационных параметров двигателя.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованного способа организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием, при этом способ предусматривает поступление в процессе сжатия бедной газо-воздушной смеси из камеры сгорания в камеру зажигания, содержащую остаточные газы, формирование в камере зажигания водородно-воздушной смеси за счет реакций комбинированной конверсии компонентов газо-воздушной смеси в водород и окись углерода, искровое зажигание водородно- воздушной смеси, выброс горящего факела в камеру сгорания с воспламенением основной бедной газо-воздушной смеси.
Следует отметить, что в качестве топлива в данном случае используют углеводородные газы, в состав которых входят компоненты из группы низших алканов: метан, этан, пропан, бутан и пр., из которых состоят природный газ, попутный нефтяной газ, сжиженный нефтяной газ (пропан-бутановая смесь) и другие.
Заявляемое изобретение основано на ряде теоретических исследований, а именно, Дьяченко ВТ Теория двигателей внутреннего сгорания./ - Харьков: Издательский центр ХНАДУ, 2009. - 500 с. [4]; Крылов О. В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ // Ж. Российского хим. Общества им. Д.И. Менделеева. - М., 2000. -T.XLIV. - N<! 1 - С. 19-33 [5]; Усачев Н.Я. Окислительная переработка низших алканов: состояние и перспективы/ Н.Я. Усачев, В.В. Харламов, Е.П. Беланова, Т.С. Старостина, И.М. Круковский / Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). - 2008. - Т.52, JYS 4. - с. 22-31 [6].
Согласно данным, приведенным в [4], в составе остаточных газов по объему содержится в среднем 6,7 - 5,6 % углекислого газа, 6,6 - 8,8 % кислорода, 12,8 - 10,8 % водяного пара, при коэффициенте избытка воздуха 1 ,5 - 1 ,8. При соприкосновении и смешении остаточных газов, сохраняющихся в камере зажигания с газо-воздушной смесью, поступающей из камеры сгорания при цикле сжатия, формируется водородно-воздушная смесь, которая достаточно легко воспламеняется.
Одним из основных условий для формирования водородно- воздушной смеси является нагрев исходной газо-воздушной смеси до температуры, при которой спонтанно начинают протекать реакции конверсии низших алканов в водород и окись углерода.
Реакции конверсии, согласно источникам [5] и [6], описываются следующими выражениями:
Углекислотная конверсия
СпН2п+2 + пС02 = 2пСО + ( 2п +1 ) Н2
Для метана С + С02 = 2СО + 2Н2
Для этана С2Н6 + 2С02 = 4СО + 5Н2
Для пропана С3Н8 + ЗС02 = 6СО + 7Н2
Для бутана C4H,0 + 4С02 = 8СО + 9Н2
Парциальное окисление кислородом
CnH2n+2 + V2 n02 = nCO + ( п + 1 ) Н2
Для метана СН4 + У2 02 = СО + 2Н2
Для этана С2Н6 + 02 = 2СО + ЗН2
Для пропана С3Н8 + 3/2 02 = ЗСО + 4Н2
Для бутана С4Н10 + 2 02 = 4СО + 5Н2
Паровая конверсия
CnH2n+2 + n Н20 = пСО + ( 2п +1 ) Н2 Для метана СЬ + Н20 = СО + ЗН2
Для этана С2Н6 + 2Н20 = 2СО + 5Н2
Для пропана С3Н8 + ЗН20 = ЗСО + 7Н2
Для бутана С4НШ + 4Н20 = 4СО + 9Н2
Параллельно идет паровая конверсия окиси углерода в водород со + н2о = со2 + н2
Температура начала конверсии для: метана СН4 400 °С, этана С2Нб 300 °С, пропана С3Н8 и бутана С4Н10 200 °С.
Температура остаточных газов в камере зажигания составляет 500- 700°С, а температура стенок камеры зажигания за счет теплоотвода устанавливается, в среднем, на уровне 350-400°С (см. [4]). Таким образом, в объеме камеры зажигания создаются условия для протекания реакций комбинированной конверсии при поступлении в камеру зажиганию в процессе сжатия бедной газо-воздушную смеси. При этом на повышение интенсивности реакций существенно влияет повышение давления в камере зажигания в процессе сжатия. Вышеприведенных факторов достаточно для создания оптимальных условий формирования водородно-воздушной смеси в камере зажигания. Сформировавшаяся таким образом водородно-воздушная смесь подвергается искровому зажиганию, и через канал, соединяющий камеру зажигания с камерой сгорания, образовавшийся горящий факел выходит в камеру сгорания и воспламеняет основную бедную газо-воздушную смесь.
На Фиг. 2 представлен разрез газового поршневого двигателя с искровым зажиганием, выполненного с возможностью реализации заявляемого способа. Двигатель имеет камеру 1 сгорания, представляющую собой верхнюю часть рабочего цилиндра, камеру 4 зажигания, выполненную предпочтительно симметрично относительно оси цилиндра и снабженную свечой 5 зажигания, камера 4 зажигания сообщается каналом 8 с камерой 1 сгорания, ограниченной поршнем 2 и головкой 3 цилиндра. В камере 4 зажигания, предпочтительно изготовленной из материала, который является катализатором реакций комбинированной конверсии, например, из никелевой жаропрочной стали, установлена свеча 5 зажигания. Однако реакции комбинированной конверсии вполне удовлетворительно протекают без присутствия катализатора. Газообмен двигателя осуществляется через впускной клапан 6 и выпускной клапан 7.
Последовательность этапов организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием согласно изобретению происходит следующим образом.
На такте наполнения бедная газо-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха 1,5 - 1 ,8 через впускной клапан 6 поступает в камеру 1 сгорания (цилиндр двигателя), при этом в камере 4 зажигания и канале 8 сохраняют остаточные газы температурой 500 - 700°С (исходя из конструкции нет ее продувки), в составе которых по объему содержится 6,7 - 5,6 % углекислого газа, 6,6 - 8,8 % кислорода, 12,8 - 10,8 % водяного пара. На такте сжатия бедная газо-воздушная смесь начинает поступать из камеры 1 сгорания через канал 8 в камеру 4 зажигания. При соприкосновении и смешении газо-воздушной смеси с остаточными газами в канале 8 и в камере 4 зажигания начинаются реакции комбинированной конверсии низших алканов (метан, этан, пропан, бутан и пр.) в водород и окись углерода. По мере сжатия при нарастании температуры и давления газо-воздушной смеси, поступающей из камеры сгорания в камеру зажигания реакции комбинированной конверсии интенсифицируются. К моменту искрообразования (при энергии разряда, по меньшей мере, в 200 мДж), температура и давление в камерах сгорания и зажигания возрастают до 500 - 600 °C и 5 - 5,5 МПа. Повышенная энергия разряда является одним из существенных признаков заявляемого изобретения, поскольку только разряд, превышающий 200 мДж, обеспечивает уверенное воспламенение водородно-воздушной смеси при высокой степени сжатия и, соответственно, высоком давлении.
Исследования, проведенные в процессе реализации заявляемого изобретения, подтвердили достоверность приведенных в источниках [5] и [6] сведений и позволили использовать их для практического формирования оптимальной водородно-воздушной смеси в камере зажигания. Водород за счет своего минимального веса скапливается в камере 4 зажигания в районе свечи 5 зажигания, в канале 8, соединяющем камеру 4 зажигания с камерой 1 сгорания, и послойно у выхода из канала 8. К моменту искрообразования в районе свечи зажигания сосредоточено достаточное для воспламенения количество водорода.
Водород имеет очень широкие концентрационные пределы воспламенения по объему в воздухе - от 4,09% до 80 %, так же, как и окись углерода - от 12,5% до 80 %, в отличие от метана - от 5,28% до 15,4 %. Водород имеет более высокий коэффициент диффузии 0,66 см /с в отличие от метана 0,196 см /с. Для воспламенения водорода энергии требуется приблизительно в 17 раз меньше. Минимальная энергия воспламенения водорода 0,019 мДж, метана 0,33 мДж. (см. Гайнуллин Ф.Г. Природный газ как моторное топливо на транспорте / Ф.Г. Гайнуллин, А.И. Грищенко, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский. - М.:Недра, 1986. - 255 с.) [7].
Вышеизложенное дает возможность надежно воспламенить во дородно-воздушную смесь при искрообразовании в свече 5 зажигания. Далее факел горящего водорода выходит в камеру 1 сгорания, зажигая широким фронтом основную бедную газо-воздушную смесь, обеспечивая устойчивую работу двигателя без детонации с высокой степенью сжатия во всем необходимом диапазоне частот вращения, нагрузок и при переходных режимах работы. При этом повышается надежность, эффективные и экологические показатели двигателя.
Следует особо отметить отсутствие необходимости жестко контролировать концентрацию водородно-воздушной смеси в камере 4 зажигания, т.к. водород имеет очень широкие концентрационные пределы воспламенения по объему в воздухе от 4,09 до 80 %. Объем камеры 4 зажигания совместно с соединительным каналом 8 составляет 3 - 10 % объема камеры 1 сгорания и зависит от конструкции, размеров, быстроходности двигателя и ряда прочих менее важных параметров.
Заявляемый способ реализуется при изготовлении газовых поршневых двигателей с искровым зажиганием на базе серийных дизельных двигателей. При этом дизельный двигатель подвергают минимальной модификации, а именно, в посадочное место форсунки устанавливают адаптер в виде цилиндра, в верхней части которого расположена свеча зажигания, а нижняя часть образует камеру зажигания.
С использованием данного изобретения была проведена конвертация для работы на природном газе ряда дизельных двигателей (ЯМЗ-238ДИ, ЯМЗ-7514, ЯМЗ-850) и были получены следующие результаты.
Газовый поршневой двигатель с искровым зажиганием устойчиво работает без детонации со степенью сжатия дизельного двигателя во всем диапазоне частот вращения, нагрузок и при переходных режимах, с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 1,8 .
Эффективный коэффициент полезного действия экспериментальных образцов газового поршневого двигателя с искровым зажиганием превысил 40 %.
Экологические показатели - минимально возможные без применения катализаторов. Токсичность отработавших газов (г/кВт*ч) по оксидам азота NOx 2,39 - 3,84, по оксидам углерода СО 3,11 - 4,99, по углеводородам СН 0,79— 1,15.
Температура выпускных газов в пределах 400 - 450 °С, что значительно повышает надежность газовых поршневых двигателей с искровым зажиганием и увеличивает моторесурс выпускной системы, особенно выпускных клапанов и седел.
Во всех случаях камера зажигания вместе с соединительным каналом хорошо вписывается на место форсунки серийных дизельных двигателей, что значительно упрощает их конвертацию для работы на газовом топливе, особенно без изменения степени сжатия.
Заявляемое изобретение отличается простотой реализации и может найти широкое применение в двигателестроении.

Claims

Формула изобретения.
1. Способ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием, предусматривающий поступление газо-воздушной смеси из камеры сгорания в камеру зажигания в процессе сжатия, отличающийся тем, что в камере зажигания сохраняют остаточные газы температурой 500 - 700°С, инициируя с помощью этих остаточных газов, при их соприкосновении и смешении с газо-воздушной смесью, запуск реакций комбинированной конверсии низших алканов, входящих в состав углеводородных газов в водород и окись углерода, при этом обеспечивают интенсификацию реакций комбинированной конверсии в процессе сжатия за счет повышения давления и температуры газо-воздушной смеси до 5-5,5 МПа и 500 - 600°С в камерах зажигания и сгорания на момент искрообразования.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют остаточные газы, имеющие в своем составе 6,7 - 5,6 % углекислого газа, 6,6 - 8,8 % кислорода, 12,8 - 10,8 % водяного пара при коэффициенте избытка воздуха 1,5-1,8.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в момент искрообразования обеспечивают энергию разряда не менее 200 мДж.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что камеру зажигания выполняют из материала, являющегося катализатором реакций комбинированной конверсии низших алканов в водород и окись углерода.
PCT/RU2012/000308 2012-04-20 2012-04-20 Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием WO2013157981A1 (ru)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/373,087 US9341143B2 (en) 2012-04-20 2012-04-20 Method of organizing the working procedure in a spark ignition gas piston engine
RU2013109086/06A RU2535308C2 (ru) 2012-04-20 2012-04-20 Способ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием
PCT/RU2012/000308 WO2013157981A1 (ru) 2012-04-20 2012-04-20 Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием
DE112012006249.3T DE112012006249B4 (de) 2012-04-20 2012-04-20 Verfahren zur Gestaltung eines Arbeitsflusses eines Kolbengasmotors mit Kerzenzündung
KR1020147018971A KR20140147077A (ko) 2012-04-20 2012-04-20 스파크 점화식 가스 피스톤 엔진의 작동 과정을 수립하는 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2012/000308 WO2013157981A1 (ru) 2012-04-20 2012-04-20 Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013157981A1 true WO2013157981A1 (ru) 2013-10-24

Family

ID=49383799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2012/000308 WO2013157981A1 (ru) 2012-04-20 2012-04-20 Cпособ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9341143B2 (ru)
KR (1) KR20140147077A (ru)
DE (1) DE112012006249B4 (ru)
RU (1) RU2535308C2 (ru)
WO (1) WO2013157981A1 (ru)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015203493A1 (de) * 2015-02-26 2016-03-24 Mtu Friedrichshafen Gmbh Vorkammer für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine
US10066580B2 (en) * 2015-10-15 2018-09-04 The Regents Of The University Of Michigan Lean burn internal combustion engine
RU2681873C2 (ru) * 2016-12-26 2019-03-13 Ильшат Гайсеевич Мусин Способ подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и система с парогенератором для его осуществления
RU2657401C1 (ru) * 2017-03-28 2018-06-13 Евгений Куртович Гауэр Тепловой двигатель
RU2700866C1 (ru) * 2018-12-19 2019-09-23 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Способ организации рабочего процесса газодизельного двигателя
RU2708180C1 (ru) * 2019-01-18 2019-12-04 Мусин Ильшат Гайсеевич Двс с магнитно-каталитической камерой сгорания и с ультразвуковым парогенератором и способ подачи газо-водовоздушной топливной смеси в камеру сгорания этого двс
DE102019214703A1 (de) * 2019-09-25 2021-03-25 Volkswagen Aktiengesellschaft Hybridfahrzeug mit Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündvorrichtung
US11739702B2 (en) 2021-02-23 2023-08-29 Aramco Services Company Reheated residual gas ignitor
US11994058B2 (en) * 2022-02-16 2024-05-28 Caterpillar Inc. Ignition charge formation stabilization in gaseous fuel engine system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001173446A (ja) * 1999-12-17 2001-06-26 Nissan Motor Co Ltd 副室付き内燃機関
RU2269657C2 (ru) * 2003-12-18 2006-02-10 Виктор Сергеевич Барышников Двигатель внутреннего сгорания (варианты)
US20060130804A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Nissan Motor Co., Ltd. Internal combustion engine with auxiliary combustion chamber
US20090133667A1 (en) * 2005-09-15 2009-05-28 Yanmar Co., Ltd. Spark Ignition Engine
US20110100322A1 (en) * 2008-07-22 2011-05-05 Friedrich Gruber Device for igniting a fuel/air mixture

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR89404E (fr) * 1964-12-23 1967-06-23 Inst Francais Du Petrole Procédé permettant la combustion de mélanges pauvres dans les moteurs à allumage commandé
US3443552A (en) * 1966-12-13 1969-05-13 Ernest A Von Seggern Internal combustion engine,fuel supply system and process
US3933134A (en) * 1973-10-11 1976-01-20 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method and apparatus using proportional residual gas storage to reduce NOx emissions from internal combustion engines
US4096844A (en) * 1974-02-19 1978-06-27 James Bellamy Mackaness Internal combustion engine apparatus
JPS51127923A (en) * 1975-04-30 1976-11-08 Nissan Motor Co Ltd Thermal engine
JPS5493705A (en) * 1978-10-02 1979-07-25 Nissan Motor Co Ltd Torch ignition internal combustion engine
US4203393A (en) * 1979-01-04 1980-05-20 Ford Motor Company Plasma jet ignition engine and method
DE3206708A1 (de) * 1982-02-25 1983-09-01 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Zuendkerze mit einer zuendkammer
US5109817A (en) * 1990-11-13 1992-05-05 Altronic, Inc. Catalytic-compression timed ignition
RU2032819C1 (ru) * 1991-04-15 1995-04-10 Тольяттинский политехнический институт Форкамера двигателя внутреннего сгорания
WO1993008385A1 (en) * 1991-10-14 1993-04-29 The University Of Melbourne Internal combustion engine ignition device
RU2080471C1 (ru) * 1994-09-16 1997-05-27 Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий Газовый двигатель с форкамерно-факельным воспламенением
JPH08254121A (ja) * 1995-03-20 1996-10-01 Yanmar Diesel Engine Co Ltd 火花点火式内燃機関
RU2099549C1 (ru) * 1995-05-04 1997-12-20 Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева Способ зажигания топливовоздушных, преимущественно бедных, смесей в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
RU2210667C2 (ru) * 2001-08-29 2003-08-20 Новосибирский государственный аграрный университет Способ определения адсорбционной способности почв и устройство для его осуществления
US20080295501A1 (en) * 2007-05-31 2008-12-04 Weidong Gong Stoichiometric engine system utilizing reformed exhaust gas
DE102009012249A1 (de) * 2009-03-07 2010-09-09 Man Diesel Se Zündeinrichtung für einen Gasmotor, mit dieser ausgerüsteter Gasmotor und Verfahren zum Betreiben des Gasmotors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001173446A (ja) * 1999-12-17 2001-06-26 Nissan Motor Co Ltd 副室付き内燃機関
RU2269657C2 (ru) * 2003-12-18 2006-02-10 Виктор Сергеевич Барышников Двигатель внутреннего сгорания (варианты)
US20060130804A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Nissan Motor Co., Ltd. Internal combustion engine with auxiliary combustion chamber
US20090133667A1 (en) * 2005-09-15 2009-05-28 Yanmar Co., Ltd. Spark Ignition Engine
US20110100322A1 (en) * 2008-07-22 2011-05-05 Friedrich Gruber Device for igniting a fuel/air mixture

Also Published As

Publication number Publication date
DE112012006249B4 (de) 2016-09-01
RU2535308C2 (ru) 2014-12-10
US20140360468A1 (en) 2014-12-11
KR20140147077A (ko) 2014-12-29
DE112012006249T5 (de) 2015-03-05
RU2013109086A (ru) 2014-09-10
US9341143B2 (en) 2016-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2535308C2 (ru) Способ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием
Karim et al. Methane-hydrogen mixtures as fuels
US3717129A (en) Method and apparatus for reducing engine exhaust pollutants
US4002151A (en) Diesel engine and method for improving the performance thereof
KR20060051733A (ko) 연소 엔진으로부터의 방출물을 감소시키기 위한 시스템 및방법
Zhou et al. Toward highly-efficient combustion of ammonia–hydrogen engine: Prechamber turbulent jet ignition
WO1993018346A1 (en) Fuel supply systems for engines and combustion processes therefor
JP2009541644A (ja) 内燃機関
US20130055985A1 (en) Method for operating an internal combustion engine
US20160195041A1 (en) Stable Combustion In Spark-Ignited Lean-Burn Engine
US7188587B1 (en) Methods for operating a compression ignition engine
Sharma et al. Use of acetylene as an alternative fuel in IC engine
KR0148195B1 (ko) 내연 동력원으로 부터 산화질소 이미션을 감소시키기 위한 장치 및 방법
Morsy Modeling study on the production of hydrogen/syngas via partial oxidation using a homogeneous charge compression ignition engine fueled with natural gas
RU2120913C1 (ru) Способ получения синтез-газа
US4023539A (en) Fuel-reforming device for internal combustion engines
Zhu et al. Recent progress on combustion characteristics of ammonia-based fuel blends and their potential in internal combustion engines
RU2681873C2 (ru) Способ подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и система с парогенератором для его осуществления
GB2342390A (en) Providing an oxygen-rich atmosphere in the combustion chamber of a gas-fuelled compression-ignition engine
RU2488013C2 (ru) Способ работы двигателя внутреннего сгорания
JPS61171870A (ja) 改質天然ガスを用いた内燃機関
RU2154741C1 (ru) Способ работы газового двигателя внутреннего сгорания
RU2700866C1 (ru) Способ организации рабочего процесса газодизельного двигателя
WO2019056119A1 (en) ROTARY REFORMER
RU2165534C1 (ru) Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013109086

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12874789

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20147018971

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14373087

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120120062493

Country of ref document: DE

Ref document number: 112012006249

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12874789

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1