Способ подготовки нефтяной водотопливной эмульсии для сжигания ее в дизеле

 

Использование: подготовка нефтяных топлив для сжигания их в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ) в дизельных двигателях. Сущность изобретения: в заявляемом способе подают предварительно подогретую ВТЭ в топливный насос высокого давления дизеля перед форсункой, далее в трубопровод высокого давления и впрыскивают в камеру сжатия. Отличие способа состоит в том, что ВТЭ дополнительно подогревают в трубопроводе высокого давления до температуры ниже температуры парообразования воды, например, 300-320^oC при создании между насосом высокого давления и форсункой повышенного остаточного давления ВТЭ в период между впрыскиваниями не менее 10 МПа. При этом обеспечивают впрыскивание ВТЭ в камеру сжатия при давлении не менее 70 МПа при условии сохранения стабильного остаточного давления. 1 ил.

Изобретение относится к области подготовки нефтяных топлив для сжигания их в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ) в дизельных двигателях.

Известно использование в дизелях ВТЭ вместо нефтяного топлива (см. Ю.И. Воржев. "Применение водотопливных эмульсий в судовых дизелях" Двигателестроениюе 1986, N 12, стр. 30, 33, 35, Ледебев О.Н. Сомов В.А. Сисин В.Д. "Водотопливные эмульсии в судовых дизелях", 1988, Судостроение, Л. Katsoulakes P. S. Effectiveness of the combustion of emulsified fuels in diesel engines "Int. Conf. Combust Eng" Oxford, 1983, Apr. Vol. 2 London, pp. 51-62. Thompson RV. Katsoulakos PS the application of emulsified fuels in diesel engine designes: experimental results and Theoretical predictions Trans. Inst. Mar. Eng. 1985, V97, Paper 10. Mollenhauer K, Zelenka P. Zur Verbrennung von Wasserkraftstoff emulsionen in stationar betrieben diselmotoren, MTZ, 1986, 47 N 1, s. 3-7. Карпов Л.Н. Волосатов О.С. "Применение водотопливных эмульсий в судовых дизелях". Судостроение за рубежом, 1989, N 7 (271), с. 46-60, Гладков О.Н. Лерман Е.Ю. "Создание малотоксичных дизелей речных судов", 1990, Судостроение, Л.

По данным большинства литературных источников, включая указанные, потери тепла, идущие на подогрев глобул воды в камере сгорания дизеля до их вскипания, значительно снижают эффект дробления топлива "микровзрывами", но окончательный результат остается положительным, обеспечивая экономию топлива за счет более интенсивного сгорания (в пределах 2-3%), снижение содержания окислов азота и температуры выпускных газов, очищение камеры сгорания двигателя от нагаров.

Перечисленные выше и прочие литературные источники об исследованиях и практическом применении ВТЭ основаны лишь на одном способе сжигания топлива, когда нагрев ее до температуры вскипания глобул воды происходит только в камере сгорания дизеля.

Однако подогрев ВТЭ можно осуществить еще до камеры сгорания и тем выше, чем больше будет давление в трубопроводах, по которым она подается к форсунке дизеля.

Способ предварительного подогрева ВТЭ еще до линии высокого давления был практически реализован и представлен в работе.

D Mc Sorland BSc, C.Eng. MJMare, FA Hugnes Marine Ltd "Emulified fuels-the savings are prover", MER, June, 1984, при котором ВТЭ подогревается на линии низкого давления при давлении не более 0,3 МПа перед подачей в топливный насос высокого давления до температуры не более 95^oC, что в некоторой степени компенсирует потери тепла в камере сгорания, идущего на разогрев глобул воды. Этот способ принят нами за прототип.

Недостаток прототипа состоит в том, что несмотря на предварительный подогрев ВТЭ, она попадает в камеру сжатия дизеля, так же как и в первом способе, с температурой меньшей, чем сжатый заряд воздуха.

Заявляемый нами способ относится к категории высокотемпературного подогрева ВТЭ на линии высокого давления, при котором она попадает в камеру сжатия дизеля с температурой и давлением более высокими, чем температура и давление заряда сжатого воздуха.

В результате такого явления глобулы воды вскипают сразу же, попадая из среды высокого давления в среду с меньшим давлением, будучи уже подогретыми предварительно до температуры близкой к критической, соответствующей остаточному давлению в трубопроводе высокого давления.

Такой способ позволяет повысить эффективность сгорания ВТЭ по сравнению с первым способом и прототипом на всех режимах работы двигателя, и особенно на долевых нагрузках, за счет более раннего и более интенсивного дробления и распыливания топлива с обеспечением более высокой топливной экономичности дизеля.

Подогрев ВТЭ на линии высокого давления остается последним, технически выполнимым этапом и является новым вариантом системы подготовки ее к сжиганию в дизеле.

Возможный уровень нагрева ВТЭ в трубопроводе высокого давления определяется величиной остаточного давления, при котором еще не будет происходить вскипания глобул воды по условиям ее критического состояния. В то же время это остаточное давление должно быть в 1,5-2 раза выше максимального давления сжатого воздуха в камере сжатия двигателя, чтобы нагретая до высокой температуры ВТЭ из топливной системы попадали бы в среду с меньшим давлением с целью самопроизвольного мгновенного вскипания предварительно нагретой воды, вскипающей только за счет резкого изменения условий ее критического состояния по давлению. Таким образом, если считать, что максимальное давление сжатия в дизеле составляет 6-7 МПа, то остаточное давление в трубопроводе желательно иметь не менее 10-15 МПа, что определяет по условиям критического состояния воды температуру подогрева ВТЭ в трубопроводе высокого давления около 300-320^oC.

Следовательно, в предлагаемом способе дробления глобул воды ВТЭ используется новый принцип обеспечения вскипания воды, происходящий не в результате нагрева ее в камере сжатия дизеля, а в результате ее предварительного высокотемпературного подогрева при высоком давлении с последующим резким паданием давления в камере сжатия по сравнению с условиями сжатия ее в топливоподающей аппаратуре.

Такая ситуация по условиям только физического состояния приводит к мгновенному вскипанию воды при попадании ВТЭ в камеру сжатия, что обеспечивает наиболее раннее интенсивное дробление капель топлива, окружающих глобул воды.

Высокое давление в системе топливоподачи стимулируется и одновременно усиливается характеристикой впрыскивания, обеспечиваемой насосом высокого давления, которая в современных дизелях достигает максимального давления 100 и более МПа, способствуя созданию в трубопроводе повышенного среднего давления. Поэтому в предлагаемом варианте для обеспечения высокого остаточного и среднего давления в трубопроводе желательно также иметь и высокое максимальное давление характеристики впрыскивания топлива, которое обычно определяется конструкцией системы топливоподачи.

В заявляемом нами способе также, как и в прототипе подают предварительно подогретую ВТЭ в топливный насос высокого давления дизеля, далее в трубопровод высокого давления и впрыскивают в камеру сжатия.

Отличие заявляемого способа состоит в том, что ВТЭ дополнительно подогревают в трубопроводе высокого давления до температуры ниже температуры парообразования воды, например 300-320^oC при создании между насосом высокого давления и форсункой повышенного остаточного давления ВТЭ в период между впрыскиваниями не менее 10 МПа, при этом обеспечивают впрыскивание ВТЭ в камеру сжатия при давлении не менее 70 МПа при условии сохранения стабильного остаточного давления.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, достигается за счет использования совокупности всех признаков (как новых, так и известных) и выражается в повышении эффективности сгорания ВТЭ на всех режимах работы дизеля, что в свою очередь приведет к снижению удельного расхода топлива.

В заявляемом способе подготовка глобул воды для парообразования и "микровзрыва" происходит не в камере сгорания дизеля, а еще до нее в трубопроводе высокого давления топливоподающей системы, где они нагреваются при высоком давлении, а попадая в камеру сжатия с меньшим давлением, мгновенно превращаются в пар, стимулируя "микровзрыв". По сравнению с прототипом в данном случае исключается потеря времени на нагрев глобул воды в камере сгорания от сжатого в ней воздуха до температуры парообразования. В заявляемом способе, чем выше давление ВТЭ, тем выше температура начала парообразования. Поэтому, чем выше остаточное давление эмульсии в трубопроводе высокого давления, тем больше ее можно нагреть без опасения вскипания пузырьков воды. Чем выше давление в топливной системе и чем выше температура окончательного подогрева ВТЭ, тем быстрее и интенсивнее будут происходить процессы парообразования воды в глобулах при попадании их в камеру сжатия цилиндра дизеля. Чем больше перепад давления и температур между объемами топливной аппаратуры и камеры сжатия, тем быстрее начинаются "микровзрывы" и тем качественнее происходит дробление и сгорание топлива в цилиндре двигателя.

Принципиально температура ВТЭ после окончательного подогрева в трубопроводе высокого давления должна быть на 8-10^oC ниже критического состояния воды в глобулах при достигнутом остаточном давлении в трубопроводе, чтобы исключить возможность возникновения пузырьков пара в топливоподающей системе.

На долевых нагрузках, когда перепад давлений увеличивается из-за снижения давления сжатия, усиливается эффект дробления топлива "микровзрывами" глобул воды и улучшается качество распыливания топлива. Глобулы воды несут в себе запас тепла от подогрева эмульсии на линиях как низкого, так и высокого давления, и чем этот запас выше, тем скорее наступает момент вскипания глобул при впрыске ВТЭ в цилиндр дизеля. Сжатие эмульсии, идущей от насоса, при движении ВТЭ по трубопроводу высокого давления только усиливает эффект влияния перепада давлений между форсункой и камерой сгорания.

Предлагаемый способ подготовки ВТЭ в дизеле может быть реализован при помощи следующей системы топливоподачи (см. чертеж), где 1 дизель, 2 - форсунка, 3 трубопровод высокого давления, 4 подогреватель ВТЭ на трубопроводе высокого давления, 5 подогреватель ВТЭ на линии низкого давления, 6 топливоподкачивающий насос низкого давления, 7 топливный насос высокого давления со специальным нагнетательным клапаном без разгрузки, 8 - трубопровод низкого давления.

ВТЭ из расходного танка после первоначального подогрева в системе низкого давления до температуры 95-100^oC подается с давлением 0,2-0,3 МПа топливоподкачивающим насосом 6 к топливному насосу высокого давления 7 и в трубопроводе 3 подвергается высокотемпературному подогреву до температуры 320^oC при давлении между впрыскиваниями не менее 10 МПа, а насос 7 обеспечивает впрыскивание ВТЭ в цилиндр дизеля с давлением в пределах 70-100 МПа с условием сохранения стабильного остаточного давления.

Высокотемпературный подогрев ВТЭ в трубопроводе 3 может быть осуществлен различными способами, но наиболее целесообразным является индукционный нагрев трубопровода 3 электрическим током от судовой электростанции с помощью специального индукционного нагревателя с изоляционной обмоткой. Система индукционного нагревателя является обычной для индукционных систем и состоит из четырех основных элементов: согласующего-развязывающего трансформатора, тиристорного регулятора напряжения, индукционного нагревателя и регулирующего устройства.

Задающий сигнал, поступающий в регулирующее устройство, обеспечивает такую величину выходного напряжения тиристорного регулятора, которая достаточна для получения необходимой температуры трубопровода высокого давления.

Потребляемая мощность тока при индукционном подогреве до температуры 400^oC в зависимости от размеров трубопровода и диаметра цилиндра должна составлять от 1,0 до 4,0 кВт на каждый цилиндр двигателя.

Повышение остаточного давления в трубопроводе между насосом и форсункой не представляет особых технических трудностей. Это может быть достигнуто установкой специального нагнетательного клапана в насосе высокого давления без разгрузочного пояска, повышением давления открытия этого клапана и увеличением давления открытия иглы форсунки. Кроме того, в насосе высокого давления может быть использован плунжер с дополнительной спиралью, осуществляющей подпитку линии высокого давления после основного впрыска топлива.

Особенно эффективен данный способ на долевых нагрузках дизеля, когда необходимо повысить качество распыливания топлива и снизить интенсивность образования нагаров и отложений кокса в цилиндре двигателя за счет улучшения качества его распыливания "микровзрывами" глобул воды.

Экономический эффект от использования способа будет получен тогда, когда экономия топлива превысит затраты на модернизацию топливоподающих систем для высокотемпературного подогрева ВТЭ. Снижение же удельного расхода топлива может достигнуть 5-6% особенно при долевых нагрузках. Уменьшаются затраты, связанные с техническим обслуживанием двигателя.

Формула изобретения

Способ подготовки нефтяной водотопливной эмульсии для сжигания ее в дизеле, включающий подачу предварительно подогретой водотопливной эмульсии в топливный насос высокого давления дизеля, далее в трубопровод высокого давления перед форсункой и впрыскивание водотопливной эмульсии в камеру сжатия, отличающийся тем, что дополнительно подогревают водотопливную эмульсию в трубопроводе высокого давления до температуры ниже температуры парообразования воды, например 300 320^oС, при создании между насосом высокого давления и форсункой повышенного остаточного давления водотопливной эмульсии в период между впрыскиваниями не менее 10 МПа, при этом обеспечивают впрыскивание водотопливной эмульсии в камеру сжатия при давлении не менее 70 МПа при условии сохранения стабильного остаточного давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1