СИСТЕМА ПОДАЧИ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02M25/02 

Изобретение относится к системам топливоподачи внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано на моторных заводах, автотранспортных и других предприятиях для приготовления и подачи в цилиндр ДВС водотопливной эмульсии (ВТЭ) с целью снижения токсичности отработавших газов, т.е. для повышения экологической надежности двигателя.

Известна система (установка) для циклического получения ВТЭ вне машины (судна) с последующей подачей в топливный бак (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В. Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях, Л.: Судостроение, 1988, с.60-68).

Известные системы для циклического получения ВТЭ позволяют смешивать топливо с водой с помощью специальных диспергаторов - жидкостный свисток, эжектор, эмульсор в виде центробежного насоса, эффект дробления струи о преграду (двойное диспергирование).

Недостатки известных систем - разделение приготовления и подачи ВТЭ в топливный бак или, при циклическом получении ВТЭ, - длительность получения эмульсии с мелкостью частиц воды широкого спектра (с самыми мелкими до 2-4 мкм).

Известна также система (устройство) для непрерывного приготовления и подачи ВТЭ в судовой ДВС, содержащая топливный насос высокого давления (ТНВД), снабженный рейкой управления впрыском, трубопроводом слива отсечного топлива, подкачивающими насосами воды и топлива, механизмом управления подачей ВТЭ, зубчатого колеса с рейкой, сильфона - датчика и двух кулачков, установленных на общем с зубчатым колесом валу подкачивающих насосов (а.с. СССР N 1449692, кл. F 02 M 25/02). Диспергатор позволяет дробить воду с размерами частиц 10-45 мкм в широком диапазоне.

Недостатком данного устройства является невозможность получения водотопливной эмульсии с узкой фракцией частиц (капель) воды в диапазоне 2-5 мкм (80-90% от всех капель), в связи с чем качество приготовления ВТЭ относительно низко. Кроме того, невозможно применение известного устройства непосредственно на борту сухопутного транспорта (автомобиль, трактор, тепловоз и т.д.) в связи с громоздкостью этого устройства.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототип) является система подготовки и подачи ВТЭ в ДВС, которая с целью повышения экономичности путем оптимизации дозирования воды использует регулирующую часть игольчатого клапана, выполненную из трех участков. Привод мембранного дифференциального и электромагнитного клапанов осуществляют от давления воздуха. Используется гидродинамический диспергатор невысокой эффективности. Недостатки данного технического решения - низкое качество дробления воды гидродинамическим диспергатором и, соответственно, низкое качество ВТЭ.

Цель изобретения - повышение эффективности работы.

Поставленная цель реализуется с помощью встроенного в штатную топливную систему ДВС (дизеля) диспергатора, в котором установлены электроды специального пневмогидропреобразователя (гидравлический аккумулятор), подаваемого под давлением воды через дозатор в емкость диспергатора, датчиков состояния ДВС, например датчиков частоты вращения вала ТНВД и давления газов в цилиндре двигателя, а также микропроцессора (микро или миниЭВМ), обеспечивающего оптимальную дозировку воды в ВТЭ. Система снабжена гидравлическим аккумулятором с воздушной и водяной полостями, разделенными подпружиненной мембраной, датчиками параметров двигателя, микроЭВМ, связанной с датчиками и с исполнительным механизмом дозирующего устройства, электрическими контактами, установленными на мембране и корпусе в водяной полости, источником электрического тока, соединенным электрической цепью с электрическими контактами. Воздушная полость через воздухопровод соединена с ресивером, водяная полость входом сообщена с водяным баком, а выходом - с электрогидравлическим диспергатором через водяной фильтр и дозирующее устройство.

На фиг. 1 представлена общая принципиальная схема системы подачи ВТЭ в цилиндр ДВС; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - гидравлический аккумулятор (ГА) с обслуживающими его элементами.

Система подачи водотопливной эмульсии в цилиндр ДВС состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД) 1, связанного трубопроводом высокого давления 2 с форсункой 3, установленной в камере сгорания (головке цилиндров) 4 вблизи от датчика давления газов (ДДГ) 5. Датчик частоты вращения (ДЧВ) 6 установлен на кулачковом валу ТНВД или на коленчатом валу ДВС (не показан). На корпусе ТНВД установлен топливоподкачивающий насос (ТПН) 7, связанный топливопроводом низкого давления 8 с одной стороны с топливным фильтром грубой очистки (ТФГО) 9, с топливным баком 10 через запорный кран 11, а с другой стороны - с емкостью диспергатора 12 через топливный фильтр тонкой очистки (ТФТО) 13 и обратный клапан 14. Емкость диспергатора 12 связана топливопроводом 15 с входной полостью ТНВД, а внутри нее установлены электроды 16, электрически связанные с известным блоком высокого напряжения (не показан), который может состоять из ГИТ - генератора импульсов тока (трансформатор, выпрямитель, конденсатор, электрический разрядник) и электродов 16 (емкостный накопитель энергии). Гидравлический аккумулятор (ГА) 17 (мультипликатор) имеет два входа (ввода) и один выход. Внутри ГА установлена диафрагма 18 (в виде эластичной пластины, сильфона и т.д.), разделяющая ГА на две части (камеры 19 и 20). Левая камера с помощью воздухопроводов 21 соединена последовательно с клапаном (электромеханическим или механическим) 22, газовым редуктором 23 и воздушным ресивером 24, на котором установлен манометр 25. Внутри ГА расположены возвратная пружина 26 и контакты 27, связанные соответственно с бортовой аккумуляторной батареей 28 (или генератором), сетевым включателем (тумблером) 29, электромагнитным клапаном (ЭМК) 30, установленным на емкости (водяном баке) 31, контрольной электрической лампочкой 32 с помощью электропровода 33. Камера 20 ГА трубопроводом 34 соединена с водяным баком 31 (внутри которого находится датчик уровня воды), а также через ЭМК запирания воды 35 - с водяным фильтром (ВФ) 36, дозатором воды 37, обратным клапаном 14 и емкостью диспергатора 12. Вместо ГА может быть использован аналогичный или другой усилитель, использующий энергию выхлопных газов ДВС (газовый вытеснитель и т.п.). Дозатор воды 37 выполняется либо в виде жиклера 38 с регулирующей его проходное сечение иглой 39 (дистанционное или ручное управление), либо в виде жиклера с постоянным сечением и электромагнитным клапаном, либо в виде иного устройства, позволяющего менять подачу (дозу) воды в емкость диспергатора 12 с помощью микропроцессора (микроЭВМ) 40, который связан с датчиками ДДГ 5, ДЧВ 6 и другими датчиками состояния двигателя, например датчиками детонации, температуры выхлопа газов, содержания токсичных газов и сажи и т.д.

МикроЭВМ работает по заранее составленной программе, учитывающей режим работы ДВС.

Емкость диспергатора 12 представляет собой прочный сосуд, электрически изолированный от металлических корпусных деталей машины (автомобиля, трактора, гидромелиоративной, дорожностроительной или другого сухопутного транспортного (колесного или гусеничного) или иного мобильного или стационарного технического средства). Внутри диспергатора установлены электроды (дисковые, плоские, круглые и др.), на которые от ГИТ может подаваться рабочее напряжение U_р от 1,2-2,0 до 70-80 кВ, а на смесь топлива с водой в этом диспергаторе - импульсные разряды с энергией от 10-50 Дж до 3000 кДж. В данном случае используется для дробления воды на капли с размерами (дисперсностью) 2-5 мкм (узкий диапазон - 80-50% общей массы, т.е. дозы воды) электрогидравлический эффект (ЭГЭ). При ЭГЭ электрическая энергия преобразуется в механическую в короткие промежутки времени (10-100 мкс) в виде ударных волн в жидкости (гидропоток). Акустическое действие ЭГЭ включает действие как ударных и тепловых, так и ультразвуковых и звуковых волн сжатия широкого спектра частот. Амплитуда на фронте ударной волны составляет обычно 150-200 МПа. Мощность W разряда легко регулируется подбором емкости С конденсаторов (с помощью известной зависимости W = 0,5˙C˙U_р²). Можно отметить, что использование ЭГЭ существенно эффективнее чисто ультразвукового эффекта (УЗЭ) для диспергирования (эмульгирования, смешения) различных жидкостей.

П р и м е р. От топливного бака 10 через фильтр грубой очистки 9 с помощью подкачивающего насоса 7 по топливопроводам низкого давления 8 топливо через фильтр тонкой очистки 13 поступает в диспергатор 12. Также в диспергатор подается определенное количество (1-20% и более) воды, которая поступает из гидравлического аккумулятора 17, имеющего камеры 19 и 20, разделенные между собой диафрагмой 18, например из резины.

В камеру 19 из ресивера 24 (в него нагнетается воздух с помощью компрессора (не показан) и поддерживается давление не менее 0,7-0,8 МПа, которое контролируется манометром 25) через газовый редуктор 23 поступает по воздухопроводу 21 воздух под давлением не ниже 0,15 МПа. Вторая камера 20 ГА соединена с водяным баком 31 (с емкостью 3 л), откуда вода через электромагнитный клапан (ЭМК) 30 поступает в эту камеру. С другой стороны на диафрагму действует цилиндрическая пружина 26. На диафрагме и корпусе ГА установлены контакты 27. Эти контакты соединены с электрической цепью, к которой последовательно подключен ЭМК 30 и другие элементы. Как только количество воды в баке 31 уменьшается, диафрагма прогибается и контакты 27 замыкают электрическую цепь, ЭМК 30 срабатывает и вода поступает в соответствующую камеру. Из камеры вода через водяной фильтр 36 и дозатор 37 подается в диспергатор 12. Дозатор 37 регулирует количество подаваемой воды в зависимости от давления в камере сгорания 4 и датчика частоты вращения валика ТНВД 6. В диспергаторе установлены электроды 16, на которые импульсами подается напряжение до 10 кВ. Вода раздробляется в данном случае (капли) на мелкие частицы 5-10 мкм и вместе с топливом поступает по трубопроводу 15 в ТНВД. От ТНВД топливо с водой (водотопливная эмульсия - ВТЭ) по топливопроводам высокого давления 2 поступает к форсунке 3 и впрыскивается в камеру сгорания 4. В результате сгорания ВТЭ резко сокращается количество токсичных компонентов отработавших газов, что снижает экологическую напряженность зоны работы машин с установленными на них ДВС.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: с помощью встроенного в штатную топливную систему дизеля основных элементов гидравлического аккумулятора с воздушной и водяной полостями, датчиков состояния (параметров) двигателя, микроЭВМ 40 - обеспечивается оптимальная дозировка воды в водотопливной эмульсии. 3 ил.

СИСТЕМА ПОДАЧИ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ В ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая топливный насос высокого давления, форсунки, топливный бак, топливопроводы низкого и высокого давления, первый из которых сообщает топливный бак с топливным насосом высокого давления с форсунками, фильтр грубой очистки, подкачивающий насос, фильтр тонкой очистки, установленные последовательно на трубопроводе низкого давления, водяной бак с водяным трубопроводом, сообщающим последний с топливным насосом высокого давления, водяной фильтр, диспергатор, установленный на топливопроводе низкого давления и сообщенный с водяным трубопроводом, воздухопровод с ресивером, дозирующее устройство с исполнительным механизмом, установленное на водяном трубопроводе между диспергатором и водяным фильтром, клапаны, установленные на водяном трубопроводе, первый из которых размещен после водяного бака, второй - перед дозирующим устройством, а третий - между дозирующим устройством и диспергатором, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы, система снабжена гидравлическим аккумулятором с воздушной и водяной полостями, разделенными подпружиненной мембраной, датчиками параметров двигателя, микроЭВМ, связанной с датчиками и с исполнительным механизмом дозирующего устройства, электрическими контактами, установленными на мембране и корпусе в водяной полости, источником электрического тока, соединенным электрической цепью с электрическими контактами, причем воздушная полость через воздухопровод соединена с ресивером, водяная полость входом сообщена с водяным баком, а выходом - с диспергатором через водяной фильтр и дозирующее устройство, диспергатор установлен между фильтром тонкой очистки и топливным насосом высокого давления, а первый клапан выполнен с электромагнитным приводом, установлен перед входом в водяную полость и связан с электрическими контактами.