Способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в двс с впрыском топлива
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам, системам и устройствам для приготовления и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС, оборудованные системами впрыска. Изобретение позволяет повысить мощностные показатели, улучшить экологические показатели, использовать низкооктановые топлива. Способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в ЛВС с впрыском топлива включает штатную топливную систему, подкачивающий насос и смеситель роторно-импульсного типа. Автономно формируются и подаются к цилиндрам два потока: чистого топлива - штатной топливной системой и топливно-водной эмульсии - роторно-импульсным смесителем. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), но главным образом к способам, системам и устройствам для приготовления и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС, оборудованные системами впрыска.
Достоинства топливно-водной смеси, используемой в качестве топлива, хорошо известны: экономия природного горючего, улучшение экологических показателей, повышение термического КПД, использование низкооктановых топлив при высоких степенях сжатия без детонации.
Известны следующие способы увлажнения топливно-воздушной смеси:
- увлажнение топливно-воздушной смеси распылением воды (например, патент RU 2092709 С1; 10.10.97);
- насыщение топливно-воздушной смеси парами воды, получаемыми за счет тепла выхлопных газов (например, патент RU 2136942 С1; 10.09.99);
- прямое впрыскивание воды в цилиндры ДВС во время рабочего хода поршня (например, патент RU 2069274 С1; 28.11.96);
- насыщение топливной смеси парами воды за счет предварительного образования воздушно-водной смеси и перевода ее в перегретый пар (например, патент RU 2094642 С1; 27.10.97);
- увлажнение воздуха, подаваемого компрессором, посредством встречных потоков паров воды и воздуха (например, патент RU 2136041 С1; 25.02.94).
Основным и наиболее существенным недостатком является их заниженная по сравнению с чистым топливом энергетическая способность.
Наиболее эффективным является прямое использование топливно-водной смеси в штатных топливных системах ДВС, так как в этом случае наряду с реализацией всех перечисленных выше положительных показателей топливно-водной смеси не происходит снижения мощностных параметров ДВС.
Однако прямое использование топливно-водной эмульсии в штатных механических системах постоянного впрыска практически исключено по следующим причинам: настройка механической системы очень чувствительна к качеству и составу топлива; добавка к топливу воды снижает смазывающую способность топлива; применяемые мелкосетчатые фильтры задерживают воду, а образовавшийся слой воды не пропускает топливо; наличие воды вызывает коррозию, которая, в свою очередь выводит из строя подвижные механические части.
В качестве прототипа заявленного способа принят способ по патенту РФ 2099575 С1; опубл. 20.12.1997, который позволяет получать топливно-водную смесь для дизельных ДВС посредством частичного эмульгирования воды топливом воздействием электрического разряда на воду и последующего окончательного эмульгирования.
В соответствии с этим поставленная техническая задача заключается в использовании топливно-водной эмульсии в ДВС, имеющих систему впрыска, и прежде всего механическую систему постоянного впрыска без вредных последствий для функционирования штатных систем впрыска.
Получаемый технический результат заключается в реализации всех перечисленных выше положительных показателей топливно-водной смеси без внесения существенных изменений в штатные системы впрыска.
Задача заявленного способа достигается за счет того, что в способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС с впрыском топлива, включающий штатную топливную систему, подкачивающий насос и смеситель роторно-импульсного типа, автономно формируются и подаются к цилиндрам два потока: чистого топлива - штатной топливной системой и топливно-водной эмульсии - роторно-импульсным смесителем.
Смеситель роторно-импульсного типа может приводиться в действие потоком топлива и осуществляет подачу чистого топлива в полость ротора.
Привод ротора в роторно-импульсном смесителе может осуществляться от лопастного диска, взаимодействующего с потоком чистого топлива.
Подача чистого топлива к ротору может осуществляться вытеснением топлива из полости, в которой размещен лопастной диск.
Топливно-водную эмульсию могут подавать в цилиндры двигателя ДВС через полость охлаждения форсунок впрыска или посредством пусковой форсунки, или дополнительной форсункой впрыска, встроенной во впускной коллектор.
Привод ротора в роторно-импульсном смесителе можно дополнительно осуществлять от внешнего механического или электрического устройства.
Принципиальным решением поставленной технической задачи является использование топливно-водных эмульсий в обход штатной системы впрыска. Такое решение достигается, во-первых, встраиванием системы получения и подачи топливно-водной эмульсии в обратный топливопровод; во-вторых, приготовлением сравнительно небольшого количества эмульсии, в которой составляющая воды соизмерима с составляющей чистого топлива; в-третьих, подача топливно-водной эмульсии и чистого топлива производится независимо друг от друга; в-четвертых, применением высокоэффективных эмульгаторов, к которым, например, относятся смесители роторно-импульсного типа.
Предлагаемый способ приготовления и подачи топливно-водной эмульсии заключается в том, что одновременно формируются и подаются два самостоятельных потока: один - поток чистого топлива в штатной топливной системе, другой - поток топливно-водной эмульсии, в которой содержание воды равно или соизмеримо в содержанием чистого топлива. Первый поток поступает в штатные форсунки впрыска, второй - в область впрыска, где топливно-водная эмульсия взаимодействует с топливно-воздушной смесью.
Предлагаемая система приготовления и подачи топливно-водной эмульсии помимо штатной топливной системы, подающей чистое топливо форсункам впрыска и пусковой форсунке, включает систему приготовления топливно-водной эмульсии с большим содержанием воды.
Предлагаемое устройство для приготовления топливно-водной эмульсии представляет собой роторно-импульсный смеситель, встроенный в обратный топливопровод и приводимый в действие потоком чистого топлива, проходящего через обратный топливопровод, и осуществляющий самостоятельную подачу чистого топлива в приемный патрубок в соответствии с расходом топлива.
Как показано на фиг.1, в штатную систему топливоподачи, включающей емкость 1 для чистого топлива, бензонасос 2 высокого давления, дозатор-распределитель 3, форсунки впрыска 4, пусковую форсунку 5 и другие штатные элементы существующих механических систем постоянного впрыска топлива (в том числе регулятор управляющего давления или электрогидравлический регулятор), дополнительно встроены емкость 6 для воды, подкачивающий насос 7, смеситель 8, дозатор воды 9, дозатор чистого топлива 10, дозатор эмульсии 11, электрогидравлический клапан подачи воды 12, электрогидравлический клапан подачи эмульсии 13, обратные клапаны 14, датчик давления 15, топливопровод подачи эмульсии 19, обратный топливопровод 21, электрогидравлические клапаны 28 и 29, электромагнитный клапан 30 подачи эмульсии в дополнительную форсунку 31.
Система работает следующим образом. Подача чистого топлива в форсунку впрыска 4 осуществляется штатной системой из емкости 1 электробензонасосом 2 через топливопровод 16 в дозатор-распределитель 3 и далее в топливопровод 23. Элементы, осуществляющие управляющие функции, являются штатными и не показаны.
Количество подаваемого чистого топлива уменьшается на удвоенное количество подаваемой воды. Например, расходуемое топливо должно состоять из 80% чистого топлива и 20% воды. В топливопровод 23 поступает 60% чистого топлива и 40% эмульсии поступает в топливопровод 19 из расчета 20% чистого топлива и 20% воды, причем это соотношение может изменяться как в большую, так и в меньшую стороны.
В обратный топливопровод 17 встроен смеситель 8 роторно-импульсного типа, ротор которого приводится во вращение струей топлива, поступающей под давлением в емкость 1 из дозатора-распределителя 3. Часть топлива через дозатор 10 по топливопроводу 18 поступает во входной патрубок смесителя 8. Вода из емкости 6 при открытом электрогидравлическом клапане 12 подается подкачивающим насосом 7 через дозатор 9 во входной патрубок смесителя 8. При закрытом электрогидравлическом клапане 13 эмульсия циркулирует через обратный топливопровод 21 и подкачивающий насос 7. При открытом электрогидравлическом клапане 13 эмульсия через дозатор 11 и отверстие 25 в кожухе 24 форсунки 4, показанные на фиг.2, поступает в полость воздушного охлаждения 20 форсунки 4 и через каналы 27, образованные гофрами насадки 26 и форсункой 4, - в область впрыска чистого топлива, где образуется окончательная топливно-водная эмульсия. Электрогидравлический клапан 12 срабатывает от датчика давления 15, электрогидравлические клапаны 13, 28 и 30 срабатывают на открытие, когда срабатывает на закрытие электрогидравлический клапан 29 пусковой форсунки 5.
Для системы подачи топлива, в которой форсунки впрыска 4 не имеют полости воздушного охлаждения, как показано на фиг.3а, эмульсия из смесителя 8 при открытом электрогидравлическом клапане 28 и закрытом электрогидравлическом клапане 29 поступает к пусковой форсунке 5 или к дополнительной форсунке впрыска 31 при открытом электрогидравлическом клапане 30, показанные на фиг.36. Дополнительная форсунка впрыска 31 встраивается в проставку между воздуховодом 22 и впускным коллектором. Во впускном коллекторе топливно-водная эмульсия смешивается с воздухом, и полученная таким образом топливно-водно-воздушная смесь на такте всасывания поступает в цилиндры ДВС.
Получение смеси горючей и негорючей жидкости примерно в равной пропорции требует высокой интенсивности смешивания. В этой связи преимущество имеют смесители вибрационного и импульсного воздействия на обрабатываемую среду. Требования эксплуатационной надежности и простоты преобразования одного вида энергии в другой, связанного со смесеобразованием, заставляют отдать предпочтение смесителям роторно-импульсного типа. Кроме того, в таких смесителях реализуются кавитационные процессы, также интенсифицирующие процесс смешивания.
Смеситель, показанный на фиг.4, состоит из ротора 32, статора 33, корпуса 34. В роторе и статоре выполнены сцентрированные отверстия соответственно 35 и 36 круглой или другой формы. Ротор 35 закреплен неподвижно на валу 37, установленном в подшипниковых опорах. На противоположном относительно ротора 35 конце вала 37 неподвижно закреплен диск 38 с прорезями, в которых размещены лопасти 39. По касательной к диску 38 установлены штуцеры 40 и 41, которые расположены по одной оси и образуют канал 42, в который заходят лопасти 39. В крышке со стороны ротора 32 установлен штуцер 43, через который подаются смешиваемые компоненты. В корпусе 34 установлен штуцер 44, по которому эмульсия выводится в топливную систему, и штуцер 45, через который осуществляется отбор чистого топлива, подаваемого затем вместе с водой к штуцеру 43.
Отличительной особенностью конструкции указанного роторного смесителя является совмещение привода ротора 32 посредством диска 38, получающего вращение от потока топлива, проходящего через канал 42 и воздействующего на лопасти 39, с подачей чистого топлива в роторный смеситель за счет давления в обратном топливопроводе 17 и центробежных сил, воздействующих на жидкостное кольцо между диском 38 и корпусом 34.
Принцип работы устройства следующий. Поток чистого топлива, транспортируемый по обратному топливопроводу 17 под давлением, несколько меньшим давления в топливопроводе 16, приводит во вращение диск 38 посредством лопастей 39. Скорость потока чистого топлива является окружной скоростью по отношению к диску 38. Величиной радиуса диска 38 можно управлять частотой вращения ротора 32, другим параметром управления является число отверстий 35 и 36. В момент совмещения отверстий 35 и 36 происходит впрыск смешиваемых компонентов в камеру между ротором 32 и статором 33, вызывая таким образом импульсные колебания, вызывающие перемешивание компонентов, а перепад давления создает кавитацию, существенно ускоряющую процесс смешивания.
Наилучший вариант исполнения системы и устройства предусматривает изготовление всех ее элементов из материалов, не подверженных коррозии.
1. Способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС с впрыском топлива, включающий штатную топливную систему, подкачивающий насос и смеситель роторно-импульсного типа, отличающийся тем, что автономно формируются и подаются к цилиндрам два потока: чистого топлива - штатной топливной системой и топливно-водной эмульсии - роторно-импульсным смесителем.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смеситель роторно-импульсного типа приводится в действие потоком топлива и осуществляет подачу чистого топлива в полость ротора.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что привод ротора в роторно-импульсном смесителе осуществляется от лопастного диска, взаимодействующего с потоком чистого топлива.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что подача чистого топлива к ротору осуществляется вытеснением топлива из полости, в которой размещен лопастной диск.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливно-водную эмульсию подают в цилиндры двигателя ДВС через полость охлаждения форсунок впрыска, или посредством пусковой форсунки, или дополнительной форсункой впрыска, встроенной во впускной коллектор.
6. Способ по п.3, отличающиеся тем, что привод ротора в роторно-импульсном смесителе дополнительно осуществляют от внешнего механического или электрического устройства.
