Изобретение относится к области технологических решений организации рабочего процесса газовых поршневых двигателях с искровым зажиганием, которые выполнены на базе серийных дизелей. Специфические свойства газового топлива обуславливают и особый подход к организации рабочего процесса в двигателе. При этом камера зажигания со свечой устанавливается в форсуночном стакане и соединяется с камерой сгорания через отверстие под распылитель. Такая конфигурация не позволяет продуть камеру зажигания и освободить ее от остаточных газов. Далее все саморегулируется естественными процессами протекания рабочего цикла поршневых двигателей внутреннего сгорания, и основная задача - получить порцию водорода в камере зажигания за счет конверсии низших алканов (метан, этан, пропан, бутан), из которых состоит газовое топливо.
Используются следующие особенности рабочего процесса ДВС:
1. Температура остаточных газов составляет 500-700°C и соответствует температуре отработанных газов в конце расширения и начале впуска 600-900°C.
2. Для газовых поршневых двигателей с искровым зажиганием, работающих на природном газе (основной вид топлива) при коэффициенте избытка воздуха 1,5 – 1,8 (поддерживается системой управления) в остаточных газах содержится 6,7-5,6% углекислого газа, 6,6 – 8,8% кислорода и 12,8 – 10,8% водного пара. Остальное азот и небольшое количество NOx, СО и СН.
3. В процессе сжатия происходит повышение давления и температуры в камере сгорания (цилиндре двигателя), и соответственно камере зажигания до 5 – 5,5 МПа и 500 – 600°C на момент искрообразования.
В изобретении решается вопрос каким технологическим подходом можно рационально организовать рабочий процесс в двигателе на основе известных из уровня техники теоретических и экспериментальных данных.
Суть предлагаемого изобретения заключается в том, что в процессе сжатия газовоздушная смесь поступает из камеры сгорания (цилиндра) двигателя в камеру зажигания и смешивается с остаточными газами, температура которых 500 – 700°C. Это запускает реакции конверсии метана и других низших алканов в водород и окись углерода.
Углекислотная конверсия метана
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
Парциальное окисление кислородом метана
CH4 + ½ O2 = CO + 2H2
Паровая конверсия метана
CH4 + H2O = CO + 3H2
Одновременно идет реакция – паровая конверсия окиси углерода в водород.
CO + H2O = CO2 + H2
Температуры начала конверсии для метана СН4 – 400°C, этана С2Н6 – 300°C, пропана С3Н8 и бутана С4Н10 – 200°C.
При сжатии повышение температуры поддерживает вышеперечисленные реакции.
На момент искрообразования температура в камере сгорания и соответственно камере зажигания достигает 500 – 600°C. Образовавшийся 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 (Рис.). К моменту искрообразования в районе свечи зажигания сосредоточено достаточное количество водорода для воспламенения основной газовоздушной смеси в камере сгорания широким фронтом по всему объему при выходе из камеры зажигания горящего водорода, что исключает детонацию при высоких степенях сжатия до 15, т.к. в камере сгорания давление фактически мгновенно выравнивается, исключая волновые явления.
Известно, что водород имеет широкие концентрационные пределы воспламенения по объему в воздухе – от 4,00% до 80%, так же как и окись углерода – от 12,5% до 80%, в отличие от метана – от 5,28 до 15,4 %, поэтому не требуется контролировать концентрацию водородо-воздушной смеси в камере 4 зажигания. Для воспламенения водорода требуется приблизительно в 17 раз меньше энергии, чем для воспламенения метана 0,019 мДж и 0,33 мДж соответственно. Водород имеет более высокий коэффициент диффузии 0,66 см2/с, а у метана 0,196 см2/с.
Вышеизложенное дает возможность надежно воспламенить водородно-воздушную смесь в камере 4 зажигания при искрообразовании в свече 5 зажигания. Далее горящий водород выходит в камеру 1 сгорания, зажигая широким фронтом основную бедную газо-воздушную смесь, обеспечивая устойчивую работу двигателя без детонации с высокой степенью сжатия до 15 во всем диапазоне частот вращения и нагрузок и при переходных режимах. При этом значительно повышаются надежность, эффективные и экологические показатели двигателя по сравнению с рабочим процессом по циклу Отто с невысокой степенью сжатия.
Изобретение реализуется при изготовлении газовых поршневых двигателей с искровым зажиганием на базе отечественных серийных дизельных двигателей в составе электростанций. При этом дизельный двигатель подвергается 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. Газовые поршневые двигатели с искровым зажиганием устойчиво работают без детонации со степенью сжатия дизельных двигателей во всем диапазоне частот вращения, нагрузок и при переходных режимах, с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 1,8 с эффективным коэффициентом полезного действия, превышающим 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 менее 500°C, 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.
Изобретение отличается простотой реализации, получило одобрение в научной среде и промышленности и широко примененяется в двигателестроении.
