Судовая силовая установка и способ эксплуатации такой установки
Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания. Предложена судовая силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания 50 для привода судна, содержащий камеру сгорания 52 для сжигания ископаемого топлива, электролизную камеру 20 для выработки газообразного водорода и газообразного кислорода и вакуумный насос 25 для откачивания газообразного водорода и газообразного кислорода из электролизной камеры 20. Cудовая силовая установка содержит газогенератор 30, выполненный с возможностью преобразования летучих органических соединений, в частности метанол или этанол, в газообразную форму, а также питающий трубопровод 38 для подачи газовой смеси в камеру сгорания 52, причем газовая смесь содержит переведенные в газообразную форму летучие органические соединения, а также по меньшей мере часть газообразного водорода и газообразного кислорода. Кроме того, заявлен соответствующий способ эксплуатации судовой силовой установки. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя и снизить выбросы вредных веществ с выхлопными газами. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к судовой силовой установке в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации судовой силовой установки в соответствии с ограничительной частью пункта 9 формулы.
Уровень техники
Судовые силовые установки, являющиеся объектом настоящей заявки, могут служить единственным или дополнительной силовой установкой практически любого судна. Такая судовая силовая установка может представлять собой, например, дизельный вспомогательный двигатель, установленный дополнительно к уже существующей силовой установке, сжигающей мазут для приведения судна в движение.
Подобная судовая силовая установка содержит по меньшей мере один двигатель внутреннего сгорания для привода судна, причем двигатель внутреннего сгорания имеет камеру сгорания для сжигания ископаемого энергоносителя, в частности дизельного топлива.
В соответствии с подобным способом эксплуатации судовой силовой установки по меньшей мере один двигатель внутреннего сгорания служит приводом судна, для чего в камеру сгорания указанного двигателя внутреннего сгорания подают ископаемый энергоноситель, например дизельное топливо.
На уровне техники, в частности, вследствие постоянно ужесточающихся норм выбросов вредных веществ, существует потребность в осуществлении процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания таким образом, чтобы максимально уменьшить выбросы вредных веществ. В то же время эффективность или КПД двигателя внутреннего сгорания должны быть максимально высокими.
Патентные документы KR 20110119055 A, US 2012/0067304 А1, ЕР 2602358 А1, US 2006/0179819 А1 и WO 2008/033107 А2 раскрывают двигатели внутреннего сгорания, в которых для снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах применяют газообразный водород и кислород. Газообразный водород и кислород изготавливают в установке для электролиза, например, согласно патентным документам US 2012/0067304 А1 и US 2006/0179819 А1.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить судовую силовую установку и способ эксплуатации судовой силовой установки, позволяющие двигателю внутреннего сгорания работать, по возможности, с максимальным КПД и выбрасывать, по возможности, минимальное количество вредных веществ с выхлопными газами.
Поставленная задача решена судовой силовой установкой с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения, и способом эксплуатации судовой силовой установки с признаками, раскрытыми в пункте 10 формулы. Выгодные варианты осуществления судовой силовой установки, описываемой изобретением, и способа, описываемого изобретением, раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и в нижеследующем описании.
Согласно изобретению, судовая силовая установка указанного выше типа содержит электролизную камеру для выработки газообразного водорода и газообразного кислорода, а также вакуумный насос для откачивания газообразного водорода и газообразного кислорода из электролизной камеры. Кроме того, предусмотрен газогенератор, в котором летучие органические соединения, в частности метанол или этанол, переходят в газообразное состояние, то есть по меньшей мере частично переходят из жидкой формы в газообразную форму. Кроме того, предусмотрен питающий трубопровод для подачи газовой смеси в камеру сгорания, причем газовая смесь содержит переведенные в газообразную форму органические соединения (то есть перешедшую в газообразную форму часть летучих органических соединений из газогенератора) и по меньшей мере часть газообразных водорода и кислорода, произведенных в электролизной камере. Питающий трубопровод и газогенератор расположены таким образом, чтобы при эксплуатации судовой силовой установки газовая смесь, как было указано выше, поступала в камеру сгорания.
Согласно способу указанного выше типа, усовершенствованному в соответствии с изобретением, в электролизной камере производят газообразный водород и кислород, газообразный водород и кислород откачивают из электролизной камеры вакуумным насосом, летучие органические соединения, в частности метанол или этанол, переводят в газогенераторе в газообразную форму, и газовую смесь, содержащую газообразные органические соединения и по меньшей мере часть газообразных водорода и кислорода, произведенных в электролизной камере, подают в камеру сгорания.
Существенная идея изобретения заключается в том, что газообразные водород и кислород, полученные методом электролиза, направляют в камеру сгорания только вместе с газообразными летучими органическими соединениями, то есть, в частности, вместе с метанолом и/или этанолом, переведенным в газообразную форму. Такая газовая смесь позволяет снизить образование NOx и значительно ускорить сгорание дизельного топлива в камере сгорания. Ускоренное сгорание позволяет повысить давление в определенный момент времени, что в конечном итоге позволит повысить эффективность передачи мощности.
Газовую смесь постоянно подают в камеру сгорания дополнительно к ископаемому энергоносителю и сжигают в ней. Существенная часть высвобожденной энергии, например по меньшей мере 70 или 90%, обеспечивается ископаемым энергоносителем, в частности дизельным топливом. Дополнительная газовая смесь служит не альтернативным источником энергии, а вспомогательным средством, обеспечивающим желательные характеристики сгорания ископаемого энергоносителя. Это позволяет снизить количество вредных веществ и ускорить процесс сгорания, то есть повысить эффективность передачи мощности.
Упомянутые летучие органические соединения могут представлять собой, по существу, определенное органическое соединение или смесь различных органических соединений. Под «летучими» органическими соединениями могут пониматься любые органические соединения, находящиеся в преимущественно газообразной форме при комнатной температуре и/или имеющие диапазон кипения ниже 100°С, или 200°С, или 300°С. Органические соединения могут представлять собой, в частности, углеводороды и/или любые соединения, состоящие преимущественно из атомов водорода и углерода, например, предельные спирты (в частности, метанол и этанол) или предельные углеводороды (в частности, метан или этан).
Под газогенератором, в частности, может пониматься любой резервуар, в который помещены летучие органические соединения. Последние могут в этом резервуаре по меньшей мере частично переходить из жидкой формы в газообразную. Предпочтительно, вакуумный насос и газогенератор расположены таким образом, чтобы газообразный водород и кислород по меньшей мере частично транспортировался вакуумным насосом из электролизной камеры в газогенератор. Затем в газогенераторе вырабатывают газовую смесь. Поэтому питающий трубопровод может начинаться в газогенераторе и транспортировать из него газовую смесь в направлении камеры сгорания.
Выгодным образом, газогенератор может содержать впуск, соединенный с электролизной камерой, выпуск, из которого выводятся переведенные в газообразную форму органические соединения и перекачанные газообразные водород и кислород, а также загрузочное отверстие для добавления жидких органических соединений, например, этанола.
В предпочтительном варианте газообразный водород и кислород можно вводить в газогенератор, предпочтительно, через несколько форсунок, расположенных в нижней части газогенератора. В частности, нижней частью можно считать нижнюю половину или нижнюю четверть газогенератора. Такое введение в нижней части выгодным образом усиливает газообразование. При использовании нескольких форсунок введенные газы могут более равномерно распределяться при прохождении через газогенератор, что также способствует усилению газообразования.
Питающий трубопровод может вести непосредственно в камеру сгорания. По существу будет достаточно, если питающий трубопровод будет подключен к направляющему устройству, выполненному с возможностью транспортировать газовую смесь в камеру сгорания. Предпочтительно, питающий трубопровод соединен с воздухозаборным компонентом двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, изобретением предусмотрен турбонагнетатель, и питающий трубопровод выполнен с возможностью направления газовой смеси через компрессор турбонагнетателя в камеру сгорания. В результате, выгодным образом, исполнение камеры сгорания и расположенных непосредственно рядом с ней компонентов судовой силовой установки, описываемой изобретением, может быть аналогично обычным судовым силовым установкам. Кроме того, этот вариант осуществления изобретения позволяет особенно эффективно управлять количеством газовой смеси, поступающей в камеру сгорания. Это будет описано ниже.
Обычно под электролизной камерой может пониматься любое устройство, производящее с использованием электрической энергии газообразные водород и кислород, то есть, в частности, Н2 и O2. Исходным материалом для электролиза может быть вода или водосодержащая смесь. Может быть выгодным вариант, в котором электролизную камеру и систему трубопроводов, ведущую из электролизной камеры в газогенератор, выполняют таким образом, чтобы произведенные газообразные водород и кислород могли транспортироваться без разделения в виде гремучего газа. В результате сравнительно простая конструкция позволяет обеспечить своевременное воспламенение в камере сгорания путем введения этого гремучего газа.
Вакуумный насос может иметь, по существу, любую конструкцию. Этот насос создает разрежение, позволяющее откачивать газообразный водород и кислород из электролизной камеры. Кроме того, вакуумный насос может состоять из нескольких насосных агрегатов. Это особенно выгодно в том случае, если произведенные газообразные водород и кислород откачиваются раздельно, то есть не в виде гремучего газа.
Помимо перенаправления газообразного водорода и кислорода из электролизной камеры, вакуумный насос способен повысить КПД электролизной камеры. Так, для процесса электролиза желательно, чтобы электроды электролизной камеры были окружены жидким электролитом. Образование пузырьков, то есть газов, в частности, произведенного газообразного водорода и кислорода, препятствует электролизу и требует повышения температуры. В предпочтительном варианте осуществления изобретения этого можно избежать за счет создания в электролизной камере с помощью вакуумного насоса разрежения, в частности, давления ниже 1 бар, в частности от 200 до 700 мбар, в частности от 300 до 600 мбар или от 340 до 580 мбар. При таком сравнительно низком давлении электролизную камеру можно эксплуатировать при температуре ниже 40°С, в частности при 38-39°С, повышая тем самым эффективность электролиза.
Вакуумный насос можно эксплуатировать таким образом, чтобы он откачивал из электролизной камеры столько газа (в частности, образующегося газообразного водорода и кислорода), чтобы газом было заполнено не более четверти работающей электролизной камеры, предпочтительно не более 10% электролизной камеры.
Двигатель внутреннего сгорания судовой силовой установки может представлять собой, по существу, известный двигатель, производящий тепловую энергию путем сжигания энергоносителя (в частности, ископаемого) и, следовательно, энергию движения для привода судна. Примером ископаемого энергоносителя служит дизельное топливо, точный состав которого может варьироваться, по существу, известным образом.
Судовая силовая установка может также содержать фильтр выхлопных газов для очистки выхлопных газов, например сажевый фильтр. Для обеспечения максимально высокой долговечности и эффективности фильтра выхлопных газов очень важна очистка такого фильтра. Очистка может быть реализована с помощью газообразного кислорода. Кислород, добавляемый к выхлопным газам перед фильтром выхлопных газов, может действовать на фильтре как радикал и, тем самым, служить для очистки фильтра. Такая схема реализована в предпочтительном варианте осуществления изобретения. В данном случае может быть предусмотрено разделительное средство, например диафрагма, разделяющая газообразный водород и газообразный кислород, которые могут быть произведены в электролизной камере. Кроме того, предусмотрен трубопровод для направления части газообразного кислорода в фильтр выхлопных газов, причем газовая смесь, подаваемая из питающего трубопровода в камеру сгорания, может содержать оставшийся газообразный кислород (то есть часть газообразного кислорода, не направленную в фильтр отработавших газов) и газообразный водород, а также переведенные в газообразную форму органические соединения.
При этом газообразный кислород можно отделять от газообразного водорода, по существу, в любом месте. Также возможен вариант, в котором газообразный кислород и водород будут направляться из электролизной камеры в камеру сгорания, не разделяясь, в то время как часть этой гремучей газовой смеси (то есть смеси газообразного кислорода и газообразного водорода) будет отводиться в отдельный трубопровод и лишь там разделяться с помощью разделительного средства на газообразный кислород и газообразный водород.
Выгодным образом, к электролизной камере подведен электрический ток, позволяющий вырабатывать газообразный водород и газообразный кислород в электролизной камере. Кроме того, в камеру подают воду, из которой производят газообразный водород и газообразный кислород. Предпочтительно, предусмотрены управляющие средства, выполненные с возможностью управления электрическим током и/или подачей воды в электролизную камеру, и/или производительностью вакуумного насоса в зависимости от мгновенной характеристики работы двигателя внутреннего сгорания. В частности, управление может осуществляться таким образом, чтобы количество газовой смеси увеличивалось с увеличением количества ископаемого энергоносителя, вводимого в камеру сгорания. Соответственно, произведенная газовая смесь не заменяет ископаемое топливо / энергоноситель. Напротив, газовую смесь используют в качестве добавки, улучшающей характеристики процесса сгорания. Управляющие средства выполнены с возможностью регулировать ток и производительность насоса, в частности, таким образом, чтобы соотношение впрыснутого дизельного топлива и введенной газовой смеси оставалось, по существу, постоянным, то есть, по существу, не зависело от скорости впрыска и количества впрыскиваемого дизельного топлива. «По существу, постоянное количество» может допускать колебания вышеупомянутого соотношения в размере не более 10%, предпочтительно, не более 5%.
В предпочтительном варианте осуществления управляющие средства могут использовать в качестве мгновенной характеристики работы двигателя внутреннего сгорания, в зависимости от которой осуществляется управление электрическим током и/или производительностью насоса, давление наддува двигателя внутреннего сгорания. При этом давлением наддува называют давление воздуха в воздухозаборном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания. Управляющие устройства могут быть выполнены с возможностью повышения электрического тока и производительности насоса по мере повышения давления наддува. По существу, вместо давления наддува для управления можно использовать другое зависимое от него давление, например давление выхлопных газов, в частности, перед турбонагнетателем. Для определения давления наддува и/или другого давления, используемого для управления, можно предусмотреть соответствующие средства измерения давления. Кроме того, вместо давления можно использовать для управления величину, связанную с мощностью двигателя, например, частоту вращения двигателя. Однако при определенных обстоятельствах использование таких электрических сигналов повышает вероятность ошибок по сравнению с управлением по давлению (наддува).
Кроме того, предпочтительно, предусмотрен воздушный насос для подачи воздуха в газогенератор. Под воздухом может пониматься окружающий воздух, в частности смесь любых газов. С увеличением количества воздуха, закачиваемого в газогенератор, растет количество органических соединений, переведенных в газообразную форму. В результате увеличивается количество полученной газовой смеси. Это желательно в том случае, если двигатель внутреннего сгорания сжигает ископаемое топливо с особенно высокой скоростью и, соответственно, требует подачи особенно большого количества произведенной газовой смеси.
Для увеличения количества подаваемой газовой смеси с увеличением вводимого количества ископаемого топлива, предпочтительно, производительность вакуумного насоса увеличивают при повышении давления наддува. Возможен вариант, в котором вакуумный насос будет работать с максимальной производительностью, когда давление наддува достигнет заданного значения. Если давление наддува превысит это заданное значение, было бы желательно увеличить количество подаваемой газовой смеси. Хотя количество газообразного кислорода и газообразного водорода ограничено вакуумным насосом и электролизной камерой, с помощью воздушного насоса можно увеличить количество подаваемых органических соединений, переведенных в газообразную форму. Поэтому может быть предусмотрено дополнительная эксплуатация воздушного насоса при превышении давлением наддува заданного значения. В частности, производительность воздушного насоса можно увеличивать по мере превышения давлением наддува заданного значения. При этом вакуумный насос постоянно работает с максимальной производительностью. Хотя воздушный насос изменяет состав газовой смеси, это все равно лучше недостатка доступной газовой смеси. Такой вариант управления позволяет использовать вместо давления наддува другое давление, зависящее от давления наддува (например, давление выхлопных газов). Кроме того, вместо давления наддува можно использовать другую величину, увеличивающуюся с ростом мощности двигателя, например, частоту вращения двигателя.
В предпочтительном варианте может быть предусмотрен накопительный резервуар, соединенный с газогенератором. Накопительный резервуар содержит органические соединения и служит для наполнения газогенератора. Чтобы газовая смесь, произведенная в газогенераторе, содержала гремучий газ и органические соединения в требуемом соотношении, размер газогенератора не должен быть слишком большим. Чтобы, тем не менее, сохранить возможность введения большого количества органических соединений, объем накопительного резервуара для хранения может по меньшей мере в 3 раза, предпочтительно по меньшей мере в 5 раз, превышать объем газогенератора.
Выгодным образом, введение газовой смеси может способствовать воспламенению введенного ископаемого энергоносителя в камере сгорания. Газовая смесь, содержащая гремучий газ, может ускорять сгорание. В предпочтительном варианте момент воспламенения может соответствовать углу коленчатого вала менее 20°, в частности от 17° до 19°, в частности от 17,5° 18,5°, перед верхней мертвой точкой (поршня двигателя внутреннего сгорания). Такой момент воспламенения можно задавать и им управлять с помощью времени введения газовой смеси в камеру сгорания. Таким образом, в этом варианте осуществления воспламенение происходит ближе к верхней мертвой точке, чем обычно. Такой более поздний момент воспламенения можно выбрать потому, что сгорание согласно изобретению происходит особенно быстро. Таким образом, можно повысить давление в нужный момент времени.
Кроме того, изобретение относится к судну с описанной судовой силовой установкой.
Область применения описанных вариантов осуществления судовой силовой установки определяет варианты способа согласно изобретению. Кроме того, предпочтительные варианты осуществления судовой силовой установки согласно изобретению, в частности средств управления такой установкой, предназначены для осуществления вариантов способа согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Прочие преимущества и признаки изобретения раскрыты в нижеследующем описании со ссылкой на прилагаемые схематичные фигуры, на которых изображено:
Фигура 1: схематичное изображение варианта осуществления судовой силовой установки согласно изобретению.
Фигура 2: схематичное изображение другого варианта осуществления судовой силовой установки согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 схематично изображен вариант осуществления судовой силовой установки 100, описываемой изобретением. Такая установка может быть частью описываемого изобретением судна, не показанного на фигурах. Помимо судовой силовой установки 100 судно может также содержать другую силовую установку, например двигатель внутреннего сгорания, работающий на мазуте. Кроме того, судно может иметь несколько судовых силовых установок 100, каждая из которых может быть выполнена описанным ниже образом.
К основным компонентам судовой силовой установки 100 относится электролизная камера 20 для выработки газообразного водорода и газообразного кислорода, газогенератор 30 для перевода летучих органических соединений в газообразную форму, и двигатель 50 внутреннего сгорания, в который помимо ископаемого топлива подают произведенный газообразный водород, газообразный кислород и газообразные органические соединения.
Добавление такой газовой смеси может ускорять сгорание дизельного или другого ископаемого топлива и уменьшать содержание вредных веществ в выхлопных газах.
Сначала в электролизной камере 20 с помощью электрической энергии преобразуют воду или другое исходное вещество в газообразный водород, газообразный кислород и, возможно, другие компоненты.
По системе 28 трубопроводов транспортируют произведенный газообразный водород и произведенный газообразный кислород. Два этих газа могут присутствовать, в частности, в виде смеси, то есть в виде гремучего газа. Для дальнейшей транспортировки в системе 28 трубопроводов предусмотрен вакуумный насос 25. Он создает разрежение в электролизной камере 20, что позволяет откачивать газообразный кислород и газообразный водород.
Кроме того, разрежение в электролизной камере 20 способствует переходу небольших количеств электролита, присутствующих в электролизной камере 20, из жидкой фазы в газообразную фазу. Это позволяет увеличить КПД электролизной камеры 20.
Система 28 трубопроводов направляет газообразный кислород и газообразный водород в газогенератор 30. В нем находятся органические соединения, например, метанол и/или этанол, подвергающиеся поверхностному газообразованию при введении газообразного водорода и газообразного кислорода. Для этого газообразный водород и газообразный кислород вводят в газогенератор 30 в нижней части, в частности, у дна газогенератора 30. Таким образом, в газогенераторе 30 образуется газовая смесь, содержащая, по меньшей мере, газообразный водород, газообразный кислород и переведенные в газообразную форму органические соединения, в частности метанол и/или этанол. Полученную газовую смесь транспортируют по питающему трубопроводу 38. В альтернативном варианте можно не пропускать гремучий газ через газогенератор 30, а отводить газообразные органические соединения из газогенератора и лишь после этого смешивать с гремучим газом.
Размер газогенератора 30 можно выбрать таким образом, чтобы при пропускании газообразного водорода и газообразного кислорода нужное количество органических соединений переходило в газообразную форму и присутствовало в виде смеси с газообразным водородом и газообразным кислородом. Чтобы судно, оборудованное судовой силовой установкой согласно изобретению, могло везти с собой объемы соединений, превышающие объем газогенератора, может быть предусмотрен накопительный резервуар 32. Он снабжает газогенератор 30 органическими соединениями, и через него не проходит произведенный газообразный водород и газообразный кислород. На газогенераторе 30 может быть предусмотрен датчик уровня наполнения, управляющий подачей органических соединений из накопительного резервуара 32 в газогенератор 30.
Питающий трубопровод 38 направляет произведенную газовую смесь из газогенератора 30 в компрессор 42 турбонагнетателя 40. При этом газовую смесь можно направлять в компрессор 42 вместе с окружающим воздухом. Для этого может быть предусмотрен соответствующий трубопровод (не показанный на фигуре). Из турбонагнетателя 40 газовая смесь поступает в камеру 52 сгорания двигателя 50 внутреннего сгорания. В камере 52 сгорания газовая смесь воспламеняется и способствует сгоранию также введенного ископаемого топлива, например впрыснутого дизельного топлива.
Выхлопные газы поступают из камеры 52 сгорания через выхлопную трубу 54 на турбину 44 турбонагнетателя 40. Давление выхлопных газов используется турбиной 44 выхлопных газов для транспортировки газовой смеси с помощью компрессора 42 в направлении двигателя 50 внутреннего сгорания. После турбины 44 выхлопные газы поступают на опциональный фильтр 60 выхлопных газов.
Подача газовой смеси в камеру 52 сгорания должна быть тем больше, чем больше количество введенного ископаемого топлива. Для этого, в том числе, используют турбонагнетатель 40. Компрессор 42 турбонагнетателя 40 приводится в действие турбиной 44 выхлопных газов. Турбина приводит в действие компрессор 42 тем сильнее, чем выше давление выхлопных газов в турбине 44 выхлопных газов. Если в камере 52 сгорания сгорает лишь небольшое количество топлива, давление в турбине 44 выхлопных газов будет низким, и компрессор 42 обеспечит всасывание лишь небольшого объема из питающего трубопровода 38. Если, напротив, в камере 52 сгорания будет сжигаться большее количество дизельного топлива, компрессор 42 будет всасывать большее количество газовой смеси из питающего трубопровода 38.
Кроме того, количеством произведенной газовой смеси можно управлять по мере необходимости. Для этого предусмотрены управляющие средства 10, выполненные с возможностью, в частности, регулировать электрический ток, протекающий через электролизную камеру 20, и, тем самым, задавать количество произведенного газообразного водорода и газообразного кислорода. Кроме того, управляющие средства 10 могут управлять вакуумным насосом 25 и, тем самым, количеством газообразного водорода и газообразного кислорода, подаваемым из электролизной камеры 20 в газогенератор 30. Чтобы увеличить количество произведенной газовой смеси, можно увеличить электрический ток и производительность вакуумного насоса 25. Количество произведенной газовой смеси может быть тем больше, чем выше скорость или объем впрыска дизельного топлива в камеру 52 сгорания. Мерой может служить давление наддува двигателя 50 внутреннего сгорания. Так, управляющие средства 10 могут быть выполнены с возможностью увеличения производительности вакуумного насоса 25 и электрического тока в электролизной камере 20 по мере увеличения давления наддува. Могут быть предусмотрены соответствующие средства измерения давления. В представленном примере предусмотрены средства 12 измерения давления, измеряющие давление выхлопных газов перед турбонагнетателем 40. Такое давление выхлопных газов также можно использовать для управления количеством произведенной газовой смеси.
Может оказаться желательным подавать в турбонагнетатель 40 или двигатель 50 внутреннего сгорания больше газовой смеси, чем это возможно при максимальном электрическом токе через электролизную камеру 20 и максимальной производительности вакуумного насоса 25. В частности, для этого дополнительно предусмотрен воздушный насос 35. Он нагнетает воздух, в частности, окружающий воздух, в газогенератор 30 и, следовательно, ускоряет переход органических соединений в газообразное состояние. Может оказаться выгодным вариант, в котором трубопровод от воздушного насоса 35 и система 28 трубопроводов на вакуумном насосе 25 выходят в общую линию, вследствие чего воздух из воздушного насоса 35 и газообразные водород и кислород, полученные электролизом, будут поступать в газогенератор 30 через одни и те же форсунки. В других вариантах осуществления может оказаться выгодным поступление воздуха из воздушного насоса 35 и произведенного газообразного водорода и газообразного кислорода в газогенератор 30 по раздельным трубопроводам.
Производительность воздушного насоса 35 также регулируется посредством управляющих средств 10. Возможен вариант, в котором воздушный насос 35 будет работать только тогда, когда через электролизную камеру 20 будет протекать максимальный ток, а вакуумный насос 25 будет работать с максимальной производительностью.
Также может быть выгодным вариант, в котором газ может направляться в газогенератор 30 только воздушным насосом 35, а не вакуумным насосом 25. Это позволяет регулировать количество органических соединений, подаваемых в двигатель 50 внутреннего сгорания, независимо от количества гремучего газа, подаваемого в двигатель 50 внутреннего сгорания.
Для повышения эффективности очистки фильтра 60 выхлопных газов на фильтр можно подавать газообразный кислород из электролизной камеры 20. В представленном варианте осуществления для этого используют трубопровод 62, ведущий от электролизной камеры 20 к фильтру 60 выхлопных газов. В зависимости от варианта осуществления может оказаться предпочтительной конструкция электролизной камеры 20, в которой газообразный кислород отделяют от газообразного водорода и транспортируют по трубопроводу 62 отдельно, либо транспортируют газообразный кислород и газообразный водород по трубопроводу 62 совместно.
Благодаря добавлению произведенной газовой смеси к ископаемому энергоносителю в камере 52 сгорания можно значительно ускорить сгорание. В результате воспламенение может происходить незадолго до верхней мертвой точки поршня двигателя 50 внутреннего сгорания, что позволяет повысить КПД. Кроме того, уменьшается количество вредных веществ в выхлопных газах.
Другой вариант осуществления судовой силовой установки 100, описываемой изобретением, схематично показан на фигуре 2. Компоненты со ссылочными обозначениями, совпадающими с фигурой 1, могут иметь такую же конструкцию и принцип действия, которые были описаны со ссылкой на фигуру 1, и наоборот.
К основным компонентам судовой силовой установки 100 по-прежнему относится электролизный модуль 20, газогенератор 30, турбонагнетатель 40 и двигатель 50 внутреннего сгорания.
Как было указано при описании фигуры 1, в электролизной камере 20 производят газообразный водород и кислород. Вместе с летучими углеводородами, присутствующими в газогенераторе 30 в газообразной форме, газообразный водород и газообразный кислород направляются турбонагнетателем 40 в двигатель 50 внутреннего сгорания.
Кроме того, показан накопительный резервуар 32, содержащий запас летучих углеводородов, в частности запас этанола или иных летучих органических соединений. Их можно управляемо направлять в газогенератор 30 по трубопроводу 31.
Кроме того, показан канал 33 подачи воздуха, предназначенный для подачи сжатого воздуха в газогенератор 30. Этот канал 33 подачи воздуха важен для увеличения выработки количества газообразных летучих углеводородов в газогенераторе 30, необходимого для увеличения подачи летучих углеводородов в турбонагнетатель 40 и двигатель 50 внутреннего сгорания. Сжатие воздуха может выполняться воздушным насосом, не показанным на фигуре.
В то время как по каналу 33 подачи воздуха в газогенератор 30 можно подавать сжатый окружающий воздух, то есть, по существу, смесь азота и кислорода, может быть предусмотрен резервуар 36 для СO2, из которого с помощью клапана 37 можно контролируемо направлять СO2 в газогенератор 30.
Электролизная камера 20 соединена с конденсатоотводчиком 21 или конденсатосборником 21. В нем может происходить разделение электролита и произведенной смеси водорода с кислородом. Электролит конденсируется в конденсатоотводчике 21, после чего может быть перекачан обратно в электролизную камеру 20 циркуляционным насосом 15 для электролита. Таким образом, конденсатоотводчик 21 защищает двигатель 50 внутреннего сгорания от проникновения жидкости. Газообразный водород и газообразный кислород, напротив, откачиваются из конденсатоотводчика 21 вакуумным насосом 25.
Гремучий газ (то есть произведенные газообразный водород и газообразный кислород), транспортируемый вакуумным насосом 25 вместе с углеводородами или другими органическими соединениями, направляют из газогенератора 30 по трубопроводу 28 к диафрагме 39 турбонагнетателя 40.
Через впуск 23 для воды можно подавать в электролизную камеру 20 воду, где она будет преобразована в газообразный водород и газообразный кислород. Для транспортировки воды от впуска 23 для воды в электролизную камеру 20 можно также использовать циркуляционный насос 15 для электролита, что позволяет упростить и удешевить конструкцию. Как показано на фигуре, для этого трубопровод для воды от впуска 23 для воды и трубопровод для электролита от конденсатоотводчика 21 выходят в общую линию, ведущую к циркуляционному насосу 15 для электролита.
Выгодным образом, электролизную камеру 20, производящую легковоспламеняющийся гремучий газ, располагают во взрывозащищенной области 19. Такая взрывозащищенная область 19 может быть образована, в частности, герметичным корпусом и/или может содержать гальванически развязанные средства передачи электрических сигналов. В этой взрывозащищенной области 19, помимо электролизной камеры 20, может быть установлен газогенератор 30, конденсатоотводчик 21 и вакуумный насос 25. Однако, чтобы не увеличивать чрезмерно размер взрывозащищенной области 19, накопительный резервуар 32, предпочтительно, располагают вне взрывозащищенной области 19. Целесообразно, турбонагнетатель 40 и его диафрагму 39 также размещают вне взрывозащищенной области 19.
Судовая силовая установка согласно изобретению позволяет повысить КПД двигателя внутреннего сгорания путем добавления гремучего газа и дополнительных летучих органических соединений. Кроме того, при этом снижается образование вредных веществ.
1. Судовая силовая установка, содержащая:
- двигатель (50) внутреннего сгорания для привода судна, содержащий камеру (52) сгорания для сжигания ископаемого энергоносителя, в частности дизельного топлива,
- электролизную камеру (20) для выработки газообразного водорода и газообразного кислорода,
- турбонагнетатель (40),
- питающий трубопровод (38), выполненный с возможностью направления газовой смеси через компрессор (42) турбонагнетателя (40) в камеру (52) сгорания, причем газовая смесь содержит по меньшей мере часть газообразного водорода и газообразного кислорода,
отличающаяся тем, что:
предусмотрен вакуумный насос (25) для откачивания газообразного водорода и газообразного кислорода из электролизной камеры (20),
предусмотрен газогенератор (30) с содержащимися в нем летучими органическими соединениями, в частности метанолом или этанолом,
предусмотрен канал (33) подачи воздуха для подачи сжатого воздуха в газогенератор (30), причем в дополнение к турбонагнетателю (40) предусмотрены средства (35) сжатия воздуха для нагнетания воздуха в газогенератор (30), причем
газовая смесь, направляемая через питающий трубопровод (38) и турбонагнетатель (40) в камеру (52) сгорания, также содержит переведенные в газообразную форму органические соединения из газогенератора (30).
2. Судовая силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что вакуумный насос (25) и газогенератор (30) расположены таким образом, что предусмотрена возможность транспортировки газообразного водорода и газообразного кислорода по меньшей мере частично посредством вакуумного насоса (25) из электролизной камеры (20) в газогенератор (30) для образования газовой смеси.
3. Судовая силовая установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что электролизная камера (20) и система трубопроводов от электролизной камеры (20) к газогенератору (30) выполнены с возможностью транспортировки газообразного водорода и газообразного кислорода неразделенными в виде гремучего газа.
4. Судовая силовая установка по одному из пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что введение газообразного водорода и газообразного кислорода, направленных в газогенератор (30) через несколько форсунок, предусмотрено в нижней части газогенератора (30).
5. Судовая силовая установка по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что для наполнения газогенератора (30) органическими соединениями предусмотрен накопительный резервуар (32), соединенный с газогенератором (30).
6. Судовая силовая установка по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что предусмотрена возможность подведения к электролизной камере (20) электрического тока, позволяющего получать в электролизной камере (20) газообразный водород и газообразный кислород, причем предусмотрены управляющие средства (10), выполненные с возможностью управления электрическим током, и/или подачей воды в электролизную камеру (20), и/или производительностью вакуумного насоса (25) в зависимости от мгновенной характеристики работы двигателя внутреннего сгорания.
7. Судовая силовая установка по п. 6, отличающаяся тем, что управляющие средства (10) выполнены с возможностью использования в качестве мгновенной характеристики работы двигателя внутреннего сгорания, в зависимости от которой предусмотрено управление электрическим током и/или производительностью вакуумного насоса (25), давления наддува двигателя (50) внутреннего сгорания, причем управляющие средства (10) выполнены с возможностью увеличения электрического тока и производительности насоса при увеличении давления наддува.
8. Судно с судовой силовой установкой по одному из пп. 1-7.
9. Способ эксплуатации судовой силовой установки, в котором:
посредством двигателя (50) внутреннего сгорания приводят в движение судно, для чего в камеру (52) сгорания двигателя (50) внутреннего сгорания подают ископаемый энергоноситель,
в электролизной камере (20) вырабатывают газообразный водород и газообразный кислород,
газовую смесь направляют через компрессор (42) турбонагнетателя (40) в камеру (52) сгорания, причем газовая смесь содержит по меньшей мере часть газообразного водорода и газообразного кислорода,
отличающийся тем, что:
газообразный водород и газообразный кислород из электролизной камеры (20) откачивают посредством вакуумного насоса (25),
летучие органические соединения, в частности метанол или этанол, переводят в газообразную форму в газогенераторе (30), причем
для подачи сжатого воздуха в газогенератор (30) предусмотрен канал (33) подачи воздуха, причем для нагнетания воздуха в газогенератор (30) в дополнение к турбонагнетателю (40) предусмотрены средства (35) сжатия воздуха, при этом
газовая смесь, которую направляют через турбонагнетатель (40) в камеру (52) сгорания, также содержит переведенные в газообразную форму летучие органические соединения из газогенератора (30).
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в электролизной камере (20) посредством вакуумного насоса (25) создают разрежение, в частности давление ниже 1 бар, в частности от 200 до 700 мбар, в частности от 300 до 600 мбар.
11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что газ из электролизной камеры (20) откачивают посредством вакуумного насоса (25) в количестве, достаточном для заполнения газом при работе электролизной камеры (20) не более четверти электролизной камеры (20).
12. Способ по одному из пп. 9-11, отличающийся тем, что зажигание осуществляют в момент времени, соответствующий углу коленчатого вала менее 20°, в частности от 17 до 19°, в частности от 17,5 до 18,5°, перед верхней мертвой точкой.
13. Способ по одному из пп. 9-12, отличающийся тем, что вакуумный насос (25) эксплуатируют с максимальной производительностью, когда характеристика мощности двигателя, в частности давление наддува двигателя (50) внутреннего сгорания, достигает заданного порогового значения, причем дополнительно эксплуатируют средства (35) сжатия воздуха, нагнетающие воздух в газогенератор (30), когда указанная характеристика превышает заданное пороговое значение.
