Устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке
Владельцы патента RU 2702825:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" (ФГУП "НАМИ") (RU)
Изобретение относится к области энергетики, в частности, к системам питания с подогревом компримированного газового топлива в энергетических установках. Устройство 1 подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке 2, например, выполненной в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержит контур 3 питания и циркуляции газового топлива со входом 4 и выходом 5, по меньшей мере, одного теплообменника 6, выхлопной трубопровод 7 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством 9 регулирования интенсивности теплообмена и с перепускным трубопроводом 10 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, причем каждый трубопровод средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов снабжен, по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов, а блок 12 автоматического управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выполнен с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов. Технический результат - повышение эффективности, улучшение и расширение диапазона параметров работы устройства подогрева компримированного газового топлива с автоматизированным средством регулирования расхода газов в энергетической установке. 1 ил.
Изобретение относится к области энергетики, в частности, к системам питания с подогревом компримированного или ожиженного газового топлива в энергетических установках.
Область применения предлагаемого устройства подогрева компримированного газового топлива энергетической установки - использование в системах питания энергетических установок, предназначенных для выработки механической или тепловой энергии. Предлагаемое устройство подогрева компримированного газового топлива может быть установлено в системах питания различных энергетических установок, в том числе и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств, сельскохозяйственных, дорожных, строительных, транспортных машинах и другой энергонасыщенной технике.
Газовое топливо, обычно содержится в герметичном газовом контейнере (баллоне) под высоким давлением. Температура газового топлива снижается при подаче топлива в питающую топливную магистраль через редуктор понижения давления газа и расширении его до параметров окружающей среды в системе впуска. Достаточное давление компримированного горючего топливного газа в топливной магистрали необходимо для правильного протекания рабочего процесса смесеобразования и последующего его сгорания в любой энергетической установке, например, содержащей ДВС, работающей на газообразном топливе (в нашем случае это компримированный (сжатый) природный газ). Достаточное давление компримированного газового топлива энергетической установки после редуктора, понижающего давление с высокого давления хранения до рабочего и при наличии соответствующего охлаждения из-за эффекта Джоуля-Томсона, обычно поддерживается с помощью устройства для его нагрева, установленного в магистрали подачи газообразного топлива в контур питания. Эффективность устройства подогрева компримированного газового топлива энергетической установки определяется возможностью нагрева участка топливной магистрали, выполненной в виде разного рода теплообменника, до температуры, соответствующей поддержанию необходимого давления газа и устранения возможности обмерзания и выпадения конденсата, после процесса расширения в теплообменнике системы питания и соответственного охлаждения из-за эффекта Джоуля-Томсона при любом расходе компримированного газового топлива, например, в виде ожиженного горючего топливного газа, с учетом температуры окружающей среды в регионе, где эксплуатируется транспортное средство.
В современных системах подогрева компримированного газового топлива, подаваемого, например, в ДВС применяются различные методы и устройства для нагрева топлива, такие как нагрев горячей охлаждающей жидкостью двигателя, электрическими нагревателями, нагрев газового топлива теплом отработавших газов, (см. книгу «Транспорт на газе», Ю.Н. Васильев, А.И. Гриценко и Л.С. Золотаревский, М. «НЕДРА» 1992 г., Глава 1. Газовое моторное топливо, Раздел «Использование КПГ и СНГ за рубежом» и «Отечественный опыт и прогноз применения газового моторного топлива на транспорте», стр. 34-43).
Известно устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке, которое содержит контур питания и циркуляции газового топлива со входом и выходом теплообменника, выхлопной трубопровод выпускного контура циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, со средством регулирования интенсивности теплообмена, (см. патент РФ на изобретение №RU 2622357 С1, Заявитель ФГБОУ высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет", опубл. 14.12.2015).
Основным недостатком известного устройства подогрева газового топлива энергетической установки является ограниченность режимов и регулировок средств регулирования интенсивности теплообмена, так как для изменения настройки необходима замена кольца с комплектом сменных насадок с отверстиями заданного размера для регулировки расхода газового топлива, что может применяться только при ограниченном числе установившихся режимов.
Известно устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке, которое содержит контур питания и циркуляции газового топлива со входом и выходом теплообменника, выхлопной трубопровод выпускного контура циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с перепускным рециркуляционным трубопроводом выпускного контура циркуляции отработавших газов, (см. патент РФ на полезную модель №RU 186341 U1, Заявители Курносов В. В., и др., опубл. 16.01.2019).
Основным недостатком известного устройства подогрева газового компримированного топлива в энергетической установке является стабильность режима работы и отсутствие регулировок средств регулирования интенсивности теплообмена, что приводит к необходимости работы устройства подогрева компримированного газового топлива энергетической установки в одном строго определенном режиме подогрева и единственной его массовой подаче.
Наибольшим разнообразием режимов работы отличаются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) энергетических установок. По этой причине работа устройств подогрева ожиженного компримированного газового топлива в двигателях внутреннего сгорания должна быть наиболее сложно организована.
Известно устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке в виде ДВС, которое содержит контур питания и циркуляции газового топлива со входом и выходом теплообменника, выхлопной трубопровод выпускного контура циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством регулирования интенсивности теплообмена и с перепускным трубопроводом выпускного контура циркуляции отработавших газов, (см. патент РФ на изобретение №RU 2474761 С2, Заявитель ROHR UND MASCHINENANLAGENTECHNIK GMBH, EWE AKTIENGESELLSCHAFT, LENK, ANDREAS, опубл. 14.12.2015).
Основным недостатком известного устройства подогрева компримированного газового топлива энергетической установки является ограниченность режимов регулирования, которые связаны только с зависимостью компримированного газового топлива от температуры подачи.
Известное устройство подогрева ожиженного компримированного газового топлива в энергетической установке, выполненной в виде ДВС, содержит подогреваемый контур питания циркуляции газового топлива, выпускной контур циркуляции отработавших газов с трубопроводом их отвода в атмосферу, (см. патент РФ №RU 2568764 С2 аналог патента США №US 9765918 В2, Заявитель ГЕРЦЕР БЕРНАРДО, опубл. 20.11. 2015).
Основным недостатком известной конструкции является ограниченная поверхностью контакта топливной емкости и корпуса двигателя теплопередача и вследствие этого недостаточная на многих режимах интенсивность подогрева ожиженного компримированного газового топлива.
Известное устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке, выполненной в виде ДВС, содержит контур питания циркуляции газового топлива, выпускной контур циркуляции отработавших газов с трубопроводом их отвода в атмосферу, со средством регулирования расхода газов (см. патент США №US 6557535 В2, Заявители STONE KEVIN, и ISE RESEARCH CORPORATION MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, INC, опубл. 06. 05. 2003).
Основным недостатком известной конструкции является ограниченная возможность, определяющая теплопередачу, от отработавших газов через промежуточный теплоноситель и поэтому недостаточная на многих режимах интенсивность подогрева ожиженного компримированного газового топлива даже с использованием тепла отработавших газов.
Известное устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке, выполненной в виде ДВС, содержит контур питания циркуляции газового топлива, выпускной контур циркуляции отработавших газов с трубопроводом их отвода в атмосферу, со средством регулирования расхода отработавших газов (см. патент США №US 8146571 В2, Заявители HONDA MOTOR CO., LTD, ISHIKAWA TAKESHI, FUJIWARA KAZUHISA, опубл. 03. 04. 2012).
Основным недостатком известной конструкции является ограниченная поверхность теплопередачи корпуса двигателя и трубопровода отработавших газов и по этой причине интенсивность подогрева ожиженного компримированного газового топлива будет недостаточной на многих режимах даже с использованием тепла отработавших газов. При создании избыточной площади теплопередачи достаточной при больших стационарных нагрузках и скоростях вращения, при пониженных нагрузках эта увеличенная площадь теплопередающей поверхности, наоборот приведет к излишней интенсивности подогрева топлива и его перегреву вплоть до термического крекинга, при этом диапазона автоматизированного средства регулирования интенсивности подачи и теплообмена компримированного газового топлива может быть недостаточно.
Известное устройство подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке, выполненной в виде ДВС, содержит контур питания циркуляции газового топлива со входом и выходом, по меньшей мере, одного теплообменника, выхлопной трубопровод выпускного контура циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством регулирования интенсивности теплообмена, выполненным совместно с перепускным трубопроводом выпускного контура циркуляции отработавших газов, (см. патент США №US 5257609 А, Заявители REED, MORGAN Р; REDMOND, DANIEL J; REDMOND, DONALD С, опубл. 02.11.1993).
Основным недостатком известной конструкции является ограниченная возможность регулирования, определяющая теплопередачу от отработавших газов, поэтому на многих режимах интенсивность подогрева ожиженного компримированного газового топлива даже с использованием тепла отработавших газов может быть недостаточной, что приводит к необходимости увеличения площади теплопередающей поверхности. А регулирование интенсивности теплообмена путем создания избыточной площади теплопередачи при больших стационарных нагрузках и скоростях вращения будет достаточно и не может быть оптимальным, но наоборот при увеличенной площади теплопередающей поверхности при пониженных нагрузках интенсивность подогрева топлива может быть излишней, а автоматизированного средства регулирования интенсивности подачи и теплообмена компримированного газового топлива может быть недостаточно, т.е. процесс подогрева компримированного газового топлива будет также далек от оптимальности.
Так же недостатком такой системы является отсутствие подогрева газового топлива на режимах пуска и прогрева ДВС на газовом топливе, вследствие чего необходимо использовать альтернативные нагреватели газа специально для этих режимов работы двигателя.
Технической проблемой, решаемой изобретением является повышение эффективности, улучшение и расширение диапазона параметров работы устройства подогрева компримированного газового топлива с автоматизированным средством регулирования расхода отработавших газов в энергетической установке, выполненной в виде ДВС, путем оптимизированного подогрева компримированного газового топлива от циркулирующих рабочих и отработавших газов на всех режимах от режима холодного пуска, прогрева и различной интенсивности работы ДВС до режима максимальных нагрузок и оборотов по внешней характеристике, а также на режимах резкого изменения нагрузки и скорости вращения ДВС, т.е. поддерживать необходимые давление и температуру газового топлива при любых условиях ее работы на всех режимах, чтобы обеспечить качественное смесеобразование на всех указанных режимах.
Техническая проблема решается тем, что устройство 1 подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке 2, например, выполненной в виде ДВС, содержит контур 3 питания и циркуляции газового топлива со входом 4 и выходом 5, по меньшей мере, одного теплообменника 6, выхлопной трубопровод 7 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством 9 регулирования интенсивности теплообмена и с перепускным трубопроводом 10 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, причем каждый трубопровод средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов снабжен, по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов, а блок 12 автоматического управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выполнен с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов.
Снабжение каждого трубопровода автоматизированного средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, по меньшей мере, одним теплообменником 6, и по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов, а также выполнение блока 12 автоматического управления ими и расходом отработавших газов в каждом трубопроводе с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена, обеспечивающим необходимое движение отработавших газов через каждый трубопровод и по каждому теплообменнику 6 должным образом, что позволяет расширить функциональные возможности устройства 1 подогрева компримированного газового топлива, путем выбора множества перманентных регулировок во всех комбинациях их работы при минимуме переключений. Особенно это важно, если в топливной системе ДВС имеются средства рециркуляции части отработавших газов, обычные для такого рода конструкций.
Регуляторы 11 расхода отработавших газов можно расположить в каждом трубопроводе, как выхлопном 7, так и перепускном 10, соответственно в разных его местах, например в его начале, или в конце, или в обоих указанных или иных его положениях, что позволяет оптимальным образом организовать процесс теплоотдачи от разогретых до различных рабочих температур отработавших газов путем организации передачи тепла от них с необходимой заданной интенсивностью через поверхности соответствующего теплообменника к компримированному газовому топливу на всех режимах, начиная от холодного пуска, прогрева и до работы ДВС с различной интенсивностью, что приведет к повышению эффективности, улучшению смесеобразования и сгорания, расширению диапазона параметров работы устройства подогрева компримированного газового топлива с автоматизированным средством регулирования интенсивности теплообмена при различном наперед заданном его расходе в ДВС и организации оптимального сгорания на всех основных режимах работы ДВС, путем оптимизированного управления подогревом компримированного газового топлива от циркулирующих рабочих или отработавших газов на всех режимах, начиная от режима холодного пуска, прогрева и режимов различной интенсивности работы ДВС до режима максимальных нагрузок и оборотов (по внешней характеристике), а также на режимах резкой смены нагрузки и скорости вращения ДВС, путем поддерживания необходимых давления и температуры газового топлива при любых условиях ее работы, чтобы обеспечить качественное смесеобразование на всех режимах, которые последовательно и подробно будут рассмотрены в разделе работы устройства подогрева компримированного газового топлива в ДВС.
При этом повышение эффективности, улучшение и расширение диапазона параметров работы устройства подогрева компримированного газового топлива с автоматизированным средством регулирования интенсивности теплообмена при заданном расходе отработавших газов достигается потому, что переход с одного режима на другой происходит автоматически на всех возможных взаимных переходах режимов работы ДВС и этим улучшается его работа, а выбор метода каждого автоматизированного перехода, его оптимизации и изменения рабочего установившегося режима определяется заранее расчетным, расчетно-аналитическим или опытным путем в соответствии с заданными параметрами оптимальности для каждого конкретного типо-размера ДВС и вида компримированного газового топлива, что не может быть описано как однозначно определяемый процесс для всех видов энергетических установок с ДВС.
Заявленное изобретение поясняется чертежом.
Устройство 1 подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке 2, выполненной, например, в виде ДВС, содержит контур 3 питания и циркуляции газового топлива со входом 4 и выходом 5, по меньшей мере, одного теплообменника 6, выхлопной трубопровод 7 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством 9 регулирования интенсивности теплообмена и с перепускным трубопроводом 10 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, причем каждый трубопровод средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов снабжен, по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов, а блок 12 автоматического управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выполнен с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов.
Устройство 1 подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке 2, выполненной, например, в виде ДВС, работает следующим, описанным ниже образом, в полном соответствии с последовательностью исполнения и оптимизации работы на каждом из соответствующих режимов.
При этом очевидно, что из физико-химических процессов смесеобразования и сгорания компримированного газового топлива в топливо-воздушной смеси вытекают общепризнанные основные требования к работе устройства подогрева, ко всем процессам, происходящим в нем, и оптимальной последовательности их прохождения.
Последующая работа и обобщенные требования оптимизации управления изложены в естественной последовательности, начиная с момента пуска, начала работы до принятия максимальных скоростей вращения и максимальных нагрузок по внешней характеристике ДВС и переходных режимов. При этом средства хранения компримированного или ожиженного топлива, трубопроводы подачи, автоматика и управляющие устройства могут быть выполнены в виде обще известных баллонов хранения компримированного газового топлива, устройств подачи и регулирования расхода газового топлива и смесеобразования в соответствии режимом работы и типоразмером ДВС, таких как газовые редукторы и регуляторы расхода, работающие в соответствии с выбранным режимом работы подогревателей и испарителей газового топлива (см. книгу «Транспорт на газе», Ю.Н. Васильев, А.И. Гриценко и Л.С. Золотаревский, М. «НЕДРА» 1992 г., Глава II. "Эксплуатация автомобилей на ГМТ», Разделы «Системы газоподачи и баллоны для хранения СНГ» и «Редукторы, смесительные устройства и арматура для работы на СНГ», стр. 44-54.).
Для повышения эффективности оптимальной организации процесса могут быть также использованы известные современные электронные системы управления, регулирования цикловой подачи и контроля аварийных ситуаций, но подробное рассмотрение таких конструкций не входит в объем данной заявки и в силу сложности и большого разнообразия таких конструкций не является предметом рассмотрения в данном случае (см. например, книгу «Системы и агрегаты современных энергоустановок для автомобилей и автобусов», под редакцией д-ра т.н. В.Ф. Кутенева, раздел VI «Газовые системы питания», 6.3.2. Системы питания для работы на сжатом (Компримированном) природном газе, стр. 105-107).
В начале работы первая порция компримированного или ожиженного газового топлива при открытии вентиля его подачи поступает из баллонов хранения газового топлива, заполняя трубопроводы контура питания и циркуляции газового топлива, а также - теплообменник подогревателя газового топлива, расширяется от высокого давления хранения в сжатом состоянии в соответствующем баллоне хранения до почти атмосферного давления и соответственно за счет дроссельного эффекта Джоуля-Томсона охладится до температуры много ниже температуры окружающей среды. При этом часть многокомпонентного газового топлива может распадаться на составляющие его легкую легкокипящую газообразную и тяжелую ожиженную фракции. Такое дополнительное охлаждение системы питания приведет к ухудшению условий смесеобразования, воспламенения и сгорания газового топлива в энергетической установке, например, в цилиндрах ДВС. Очевидно, что перед началом запуска энергетической установки в трубопроводы и теплообменник 6 контура 3 питания и циркуляции компримированного газового топлива может быть запущена предварительная порция газового топлива, расширившегося до давления окружающей среды, и выдержана в теплообменнике для подогрева его до температуры окружающей среды. Поэтому для улучшения условий первичного пуска рекомендуется указанная выдержка системы питания для достижения ею хотя бы за счет естественного или принудительного прогрева температуры окружающей среды. Естественно при этом вентили управления системой, обеспечивающие непосредственное поступление газового топлива в систему впуска перекрыты (для предотвращения не контролируемых утечек газового топлива в окружающую среду или вытеснения им туда же кислорода воздуха и нарушения воспламеняемости газо-воздушной смеси).
При холодном пуске особенно в условиях низких температур окружающей среды без использования средств принудительного подогрева или облегчения воспламенения при пуске, то есть при прокрутке вала и запуске непрогретого ДВС с холодными его деталями и агрегатами, составляющими его конструкцию, не доведенными в результате подогрева или сгорания в цилиндрах до рабочих температур, рабочее тело в виде рабочих, т.е. не воспламенившихся отработавших, выпускаемых из рабочих цилиндров газов, подогревается и (при возможности организации рециркуляции) может перепускаться обратно до момента пуска (т.е. первого эффективного принудительного или естественного воспламенения рабочей смеси в рабочем объеме одного или каждого цилиндра ДВС) только за счет его мятия (сжатия-расширения) в рабочих цилиндрах ДВС и греет в устройстве подогрева компримированное газовое топливо, которое при восполнении рециркуляции, расширении и принудительном испарении части ожиженной легкокипящей его фракции, например, пропана из пропан-бутановой фракции, может охладить тяжелую фракцию бутана в теплообменнике топливного контура ниже температуры окружающей среды вплоть до температуры повторного ожижения этой тяжелокипящей, например, бутановой фракции или даже - другой более легкой фракции газового топлива, и создать дополнительные трудности его воспламенения в цилиндрах ДВС. Особенно такой подогрев (путем повторного циклического мятия рабочего тела) эффективен при низких температурах и при организации рециркуляции (повторного возврата) рабочего тела обратно в рабочий объем ДВС. При прокрутке и перепуске можно снизить повышенные пусковые подачи компримированного газового топлива и предотвратить пусковое переобогащение рабочей смеси и соответственно снизить пусковые потери топлива путем снижения подачи новых порций газового топлива в рециркулирующий объем рабочей смеси только до величин, необходимых для восполнения той части, которая теряется в выпускном и рециркуляционном трубопроводах, и подавать их до момента создания условий для воспламенения первой порции горючей смеси в одном из цилиндров и выхода на устойчивый режим вращения вала ДВС. При этом возможно создание условий для обогащения рабочей смеси легкокипящими и легковоспламеняющимися компонентами газового топлива, что должно облегчить первичное воспламенение и пуск. Зацикливание на стадии пусковой рециркуляции через цилиндры ДВС рабочей смеси из газообразного топлива и воздуха повышает равномерность их смешивания и распределения газового топлива в рабочей смеси, что также должно облегчить первичное воспламенение и пуск. Такая рециркуляция рабочего тела также снижает вредные выбросы в окружающую среду не воспламенившихся или недогоревших фракций углеводородов компримированного газового топлива и повышает экологичность ДВС.
Далее начинается первое воспламенение и его последующее устойчивое повторение в одном или нескольких цилиндрах. Сгоревшие отработавшие газы греют компримированное газовое топливо теплом первых сгоревших порций топливо-воздушной смеси. Рабочий цикл размыкается, что способствует вовлечению в работу, расширению и испарению накопившейся тяжелой ожиженной его части, например, бутановой фракции, которая также может охладиться в теплообменнике контура питания и циркуляции газового топлива ниже температуры окружающей среды, что будет требовать дополнительного тепла на ее разогрев. При этом подогрев труднокипящих компонент газового топлива позволяет обеспечить создание депо запаса порций высоко калорийного газообразного топлива, например, бутана для поддержания первичного разгона при пуске и при первых вспышках до появления последующих поддерживающих рабочих воспламенений в цилиндрах и раскрутку ДВС до устойчивых оборотов холостого хода. Очевидно, что регуляторы 11 расхода отработавших газов должны быть выполнены с возможностью автоматического открывания для пропуска порций высокоэнергетических, воспламенившихся отработавших порций смеси газообразного топлива и воздуха в окружающую среду и частичного перепуска их недогоревших химически активных остатков в рабочий объем других цилиндров для облегчения воспламенения в их циклах. Это нужно для предотвращения разрушения от газовых ударов выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и свободного их отвода в атмосферу даже при случайном воспламенении в нем рециркулирующей топливо-воздушной смеси. Так же очевидно, что при достижении устойчивых оборотов холостого хода один из регуляторов 11 расхода отработавших газов, например, в выхлопном трубопроводе 7 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу должен быть открыт для выпуска сгоревшей части рабочей смеси и предотвращения глушения работы ДВС излишним дросселированием на выпуске, но с возможностью оптимального перепуска части горячих газов через перепускной трубопровод 10 и необходимого подогрева оставшейся в его теплообменнике ожиженной части компримированного газового топлива.
Свободный выпуск в выхлопной трубопровод 7 рабочего тела в виде рабочих (в виде не воспламенившейся рабочей смеси) или сгоревших отработавших газов из каждого рабочего цилиндра идет порционно, импульсами с соответствующими волновыми явлениями, при этом свободное прохождение волны и соответственно порции отработавших газов по выхлопному трубопроводу 7 будет происходить с минимальным уровнем теплопередачи. Для улучшения теплоотдачи, можно создать сопротивление на выходе соответствующего трубопровода (дросселирование потока), например, установкой регулятора расхода в конце каждого трубопровода, волны давления-разряжения будут отражаться и повторно проходить по трубопроводу, порции рабочего тела будут задерживаться в трубопроводах, дополнительно отдавая свое тепло, а снижение средней скорости движения по трубопроводу приведет к увеличению времени теплообмена и эффективности теплопередачи. Резонансные явления могут увеличить повторение, достичь максимального давления и перепада давлений при волновых явлениях при том же времени теплообмена и повышении эффективности теплопередачи. Это также приведет к интенсификации теплопередачи.
При наличии средств принудительного подогрева газового топлива и воздуха или принудительного подогрева всего ДВС процесс первичного воспламенения смеси не значительно отличается от пуска прогретого ДВС.
После пуска и достижения устойчивой работы (т.е. без пропуска зажигания топливо-воздушной смеси в отдельных рабочих цилиндрах) без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода, и во время дальнейшего разогрева ДВС отработавшие газы могут быть полностью направлены на подогрев компримированного газового топлива в теплообменнике, что позволит эффективно прогреть весь объем и все фракции компримированного газового топлива и предотвратить нежелательное выпадение его фракций в жидкой фазе, не только для тяжелокипящих фракций, но и конденсата, в том числе воды из ее паров. После достижения оптимального притока тепла в теплообменник, его излишки могут быть направлены с частью отработавших газов на выпуск помимо теплообменника по другому параллельному перепускному трубопроводу.
Режим холостого хода - это первый самоподдерживающийся установившийся режим работы ДВС после пуска. Для прогрева ДВС этот режим не самый выгодный, так как из-за малой нагрузки тепловыделение за каждый цикл мало и ДВС будет прогреваться долго. Обычно для ускорения прогрева рекомендуют повышение нагрузки, например, путем начала движения с малой или постепенно увеличивающейся скоростью.
Интенсивность теплопередачи и теплообмена определяется перепадом температур на стенках теплообменника и их термическим сопротивлением, то есть возможностью передачи количества тепла через теплопередаюшую стенку и съема тепла с внутренней поверхности теплообменника 6 контура 3 питания и циркуляции газового топлива, что и определяет возможность нагрева заданной массы компримированного газового топлива за единицу времени, то есть получение в течении цикла заданной продолжительности теплообмена необходимого нагрева каждой порции газового топлива для обеспечения рабочего цикла в каждом цилиндре.
При переходе на любые установившиеся промежуточные режимы нагрузок, например, начиная со скоростной характеристики, теплообменник 6 переводится в режим необходимого и достаточного подогрева заданной порции компримированного газового топлива для ее испарения, оптимального подогрева и обеспечения необходимой массой газового топлива цилиндры ДВС в выбранном установившемся промежуточном режиме. Режим работы устройства подогрева компримированного газового топлива выбирается на основе расчетного метода или опытного подбора режима теплопередачи.
Следующим режимом будет режим максимальных нагрузок согласно внешней характеристике при изменении скорости вращения вала ДВС от минимально устойчивой до максимальной. Режим работы устройства подогрева компримированного газового топлива и метода соединения теплообменников также выбирается на основе расчетного метода или опытного подбора.
До максимальной скорости вращения ДВС при промежуточных нагрузках приток тепла и процесс газификация всех фракций компримированного ожиженного газового топлива может выбираться также из дополнительного условия возможности динамического процесса диспергации и смешения части неиспарившегося топлива и выноса его в виде мелких капель (тумана) в рабочие цилиндры, что приведет к динамическому доиспарению мелких капель в процессе сжатия и разогрева рабочего тела внутри цилиндров. Этот режим позволяет повысить массовое наполнение цилиндров ДВС, снизить максимальную температуру в соответствующем цилиндре ДВС и снизить токсичность по NOX. Высокие скорости вращения и малое время газообмена может приводить к ранее указанным явлениям. Для полного испарения и предотвращения выноса избыточного неиспарившегося компримированного ожиженного газового топлива в виде капель (тумана) в рабочие цилиндры и предотвращения местного переобогащения смеси из-за слияния указанных капель в более крупные устройство подогрева компримированного газового топлива может быть выполнено двух ступенчатым с последовательным соединением теплообменников, установленных на разных отдельных трубопроводах.
Последний режим - режим резкого увеличения скорости или нагрузки. Для этого отработавшие газы могут быть заранее перенаправлены в теплообменники для повышения интенсивности подогрева компримированного газового топлива. При режиме разгона по числу циклов в единицу времени (увеличении числа оборотов) или подаче газообразного топлива на каждый цикл (при увеличении нагрузки) расчет или опыт возможного аккумулирования тепла или подогрева газообразного топлива может использоваться для резервного теплообменника.
Выполнение блока 12 автоматического управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов включает определение критериальных требований оптимальности управления энергетической установкой по отношению расхода газового топлива к режимам ее работы, которые могут быть выполнены, например, по следующим направлениям:
По минимизации удельных показателей, например, на единицу результирующей энергетической эффективности характеристики, например, поддержание температурного режима помещения при изменении сезонных, погодных или суточных колебаний параметров окружающей среды, которые могут быть заранее предсказаны, или случайно внезапно измениться, например, как метеорологические показатели, такие как шквал, дождь и т.д.;
По минимальным токсичным выбросам, СО, NOX, CXHX,;
По минимальным выбросам, вредных для экологии планеты газов таких как СО2 или лишним сбросным тепловыделениям из-за необходимости поддержания непрерывного режима работы энергетической установки;
По минимизации удельных показателей, например, на единицу транспортной работы в т/км;
По минимальности общего расхода газообразного топлива на весь маршрут или удельного на километр перемещения транспортного средства;
По максимальной приемистости во время резкой смены режимов;
По поддержанию постоянной скорости при изменении дорожных условий (круиз-контроль) и т.д.
Стратегия оптимальности управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена определяется соответствием результатов с точки зрения критериальной оценки каждого действия с каждым регулятором 11 расхода отработавших газов и его влияние на общий результат работы энергетической установки, который может быть задан только назначением и типо-размером энергетической установки. А снабжение каждого теплообменника и трубопровода средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов и выполнение блока 12 автоматического управления с возможность индивидуального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена с возможностью независимого оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов позволяет путем оперативной настройки блока 12 автоматического управления добиться соответствия его работы и управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов в соответствии с любым наперед заданным критерием оптимальности.
Устройство 1 подогрева компримированного газового топлива в энергетической установке 2, содержащее контур 3 питания и циркуляции газового топлива со входом 4 и выходом 5, по меньшей мере, одного теплообменника 6, выхлопной трубопровод 7 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов и их отвода в атмосферу, с автоматизированным средством 9 регулирования интенсивности теплообмена и с перепускным трубопроводом 10 выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов, отличающееся тем, что каждый трубопровод средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выпускного контура 8 циркуляции отработавших газов снабжен, по меньшей мере, одним регулятором 11 расхода отработавших газов, а блок 12 автоматического управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов средства 9 регулирования интенсивности теплообмена выполнен с возможностью оптимального управления каждым регулятором 11 расхода отработавших газов.
