ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02M43/00 

Изобретение относится к области стационарной и судовой энергетике, в частности к конструкциям систем подачи топлива к двигателям внутреннего сгорания (дизелям).

Известна система подачи топлива к двигателю (см. Камкин С.В., Возницкий И. В. , Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей.- М.: Транспорт, 1990, с. 252-256), предназначенная для подачи к форсункам двигателя дизельного (ГОСТ 305-85, ГОСТ 10433-75), моторного (ГОСТ 1667-68) топлив или флотского мазута Ф-5 (ГОСТ 10585-75) и включающая расходные цистерны дизельного и тяжелого топлив, вентиляционную цистерну, отстойные цистерны тяжелого топлива, ловушку для конденсата, рециркуляционную (бустерную) цистерну, паровые или электрические подогреватели цистерн, топливные фильтры, циркуляционные топливные насосы, подогреватель топлива, топливный насос высокого давления, топливные трубопроводы, запорную арматуру и контрольно-измерительные приборы.

Анализируемая система обладает рядом принципиальных недостатков. Во-первых, данная система является экологически небезопасной, поскольку в процессе ее использования происходит интенсивное газовое и тепловое загрязнение окружающей среды дымовыми газами высокой температуры, содержащими более 200 ядовитых и высокотоксичных химических соединений и веществ, кроме того на сжигание топлива требуется большое количество кислорода, потребляемого из атмосферного воздуха. Во-вторых, конструкция данной системы не решает задачу по термической утилизации нефтеостатков, огневому обезвреживанию загрязненных нефтепродуктами вод и облагораживанию (улучшению физико-химических свойств) подаваемого на горение в двигатель низкосортного тяжелого топлива. Последнее вызвано тем, что в составе системы отсутствуют элементы, реализующие указанные процессы для двигателя внутреннего сгорания. В-третьих, использование рассматриваемой системы по прямому назначению требует обязательной циркуляции топлива, что, в свою очередь, ухудшает эксплуатационные свойства топлива и приводит к его потери в результате протечек. В-четвертых, анализируемая система имеет большое количество элементов, что снижает ее надежность функционирования, требует постоянного внимания со стороны обслуживающего персонала и создает дополнительные сложности в проведении осмотров и ремонтов. Кроме того, большое количество элементов в данной системе требует наличия дополнительных площадей (объемов) для своего размещения, что иногда, например в судовых условиях, не представляется возможным.

Также известна топливная система дизеля (см. Зубрилов С.П., Селиверстов В.М., Браславский М.И. Ультразвуковая кавитационная обработка топлив на судах. - Л. : Судостроение, 1988. с. 76-77), представляющая собой 2-топливную (т.н. битопливную) систему и позволяющая подавать на горение в камеры сгорания дизеля как дизельное (ГОСТ 305-82), моторное (ГОСТ 1667-68), газотурбинное (ГОСТ 10433-75) топлива, так и флотский мазут Ф-5 (ГОСТ 10585-75), а также смеси указанных топлив в различных заданных пропорциях. Данная система включает запасную цистерну тяжелого топлива (мазута), запасную цистерну легкого топлива (дизельного, моторного или газотурбинного), два фильтра очистки топлива (тяжелого и легкого, соответственно), смеситель-дозатор УЗГС-5000 (А. С. СССР N 313574), расходную топливную цистерну обработанного топлива, насос подачи тяжелого топлива, насос подачи легкого топлива, подогреватели тяжелого топлива, топливные трубопроводы и запорные устройства. Расширяя диапазон сжигаемых в дизеле топлив и, следовательно, повышая экономичность двигателя в целом, рассматриваемая топливная (битопливная) система обладает рядом существенных конструктивных недостатков. Во-первых, анализируемая система является экологически опасной, т.к. ее использование не снижает газового и теплового загрязнения биосферы, а горение топлива требует большого количества кислорода воздуха. Во-вторых, конструкция системы не позволяет при ее функционировании осуществлять термическую утилизацию нефтеостатков и огневое обезвреживание нефтесодержащих вод. В-третьих, система имеет большое количество элементов, что снижает ее надежность функционирования и усложняет эксплуатацию. Кроме того, для размещения элементов рассматриваемой топливной системы требуются большие дополнительные объемы. В-четвертых, к конструктивным недостаткам системы следует отнести и хранение обработанного топлива. Это снижает экономический эффект от использования данной системы, поскольку топливо не только теряется по причине дополнительных утечек, но и в результате хранения более 6 ч обработанное посредством гомогенизации топливо теряет свои положительные свойства и становится "обычным" топливом. В-пятых, эксплуатация анализируемой системы требует специальной подготовки обслуживающего личного состава, дополнительных мероприятий при проведении ремонтов и осмотров.

Наиболее близкой по технологической сущности к заявляемой системе является топливная система - установка для водотопливной эмульсии (см. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. - Л.: Судостроение, 1988. с. 63-65). Данная топливная система предназначена для приготовления (смешения воды и дизельного топлива) водотопливной эмульсии и ее подачи на сжигание в двигатель внутреннего сгорания. Рассматриваемая система включает расходную топливную цистерну маловязкого топлива. 2-секционный топливо-водяной бак, шестеренный топливный насос, эжектор, топливные фильтры, водяные фильтры, подогреватели топлива, подогреватели воды, топливные трубопроводы, водяные трубопрводы, запорные клапаны, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления, топливные форсунки и контрольно-измерительные приборы. Причем сопло эжектора соединяется с напорным патрубком шестеренного насоса, выходной патрубок эжектора - со всасывающим патрубком насоса, а всасывающий трубопровод эжектора имеет две ветви, одна из которых соединена с водяным отсеком 2-секционного водотопливного бака, а другая - с топливным отсеком. Обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания на водотопливной эмульсии и, тем самым, несколько повышая его экономичность и снижая газовое и тепловое загрязнение природной среды, данная система имеет ряд принципиальных недостатков. Во-первых, конструкция системы не позволяет производить термическую утилизацию нефтеостатков, огневое обезвреживание нефтесодержащих вод и улучшение физико-химических свойств (облагораживание) нефтяного топлива, сжигаемого в камерах сгорания дизеля. Это снижает не только экологический эффект от внедрения системы, но и требует дополнительных материальных затрат, связанных со сбором, хранением, обработкой и удалением с технического объекта нефтеостатков и нефтесодержащих вод. Во-вторых, конструктивно анализируемая система сделана таким образом, что ее функционирование возможно только при использовании легкого (дизельного или моторного) топлива и пресной хорошо очищенной воды из санитарной системы, что в свою очередь снижает экономический эффект от использования данной системы, поскольку стоимость легкого топлива составляет около 2000-2500 долларов США, а стоимость чистой пресной воды - 70-80 долларов США за одну тонну. В-третьих, работа системы основана на принципе циркуляционного контура, что означает наличие постоянной циркуляции топлива по системе и, следовательно, приводит к дополнительным потерям горючего. Кроме того, применение принципа циркуляционного контура влечет за собой неконтролируемое повышение влагосодержания сжигаемого топлива (водотопливной эмульсии), что, в конечном итоге, может привести к снижению мощности работающего дизеля и его остановке. В-четвертых, анализируемая система имеет большое количество элементов (цистерн, насосов, трубопроводов, запорных устройств и т. д. ), неисправности которых повышают вероятность отказов всей системы, а, следовательно, снижают надежность ее функционирования. Кроме того, для размещения элементов системы требуются значительные площади и объемы, а для обеспечения ее работоспособности - дополнительные энергозатраты. Кроме указанных недостатков системы, следует отметить очень низкий коэффициент полезного действия (не более 10-12%) основного элемента системы - эжектора (диспергирующего и дозирующего устройства). Для нормальной работы эжектора (диспергирующего устройства), используемого в данной системе, требуется большое количество рабочей жидкости, что вызывает необходимость установки дополнительного топливного насоса с большой производительностью по перекачиваемой жидкости (топливу).

Целью настоящего изобретения является повышение экологической чистоты и топливной экономичности двигателя внутреннего сгорании (дизеля) в процессе его использования по прямому назначению на основе расширения его функциональных возможностей путем термической утилизации нефтеостатков, огневого обезвреживания нефтесодержащих вод в составе водотопливной эмульсии, сжигаемой в камерах сгорания, а также облагораживания нефтяного топлива, подаваемого на горение.

Указанная цель достигается тем, что в состав топливной системы двигателя внутреннего сгорания, включающей расходную топливную цистерну маловязкого топлива, расходную топливную цистерну высоковязкого топлива со встроенным теплообменником в виде змеевика, топливоподкачивающий насос (ТПН), топливные фильтры, подогреватель топлива, топливный насос высокого давления (ТНВД), топливные форсунки, топливный трубопровод, запорные органы и контрольно-измерительные приборы вводятся эжектор (диспергирующее устройство струйно-кавитационного типа), имеющий кольцевое сопло, соединенное трубопроводом с напорным трубопроводом топливоподкачивающего насоса; выходной патрубок эжектора соединен с со всасывающим трубопроводом топливного насоса высокого давления, а всасывающая линия эжектора соединена с нижней частью расходных цистерн, соответственно, высоковязкого и маловязкого топлив, цистерны грязного топлива и цистерны нефтесодержащих вод, запорные устройства, установленные на трубопроводе подачи рабочей жидкости (топлива) на кольцевое сопло эжектора, на трубопроводе, соединяющим эжектор с подогревателем, на трубопроводе, соединяющим подогреватель топлива и всасывающий патрубок топливного насоса высокого давления, а также на всасывающем трубопроводе эжектора.

В совокупности введенные элементы образуют систему-приставку к штатной топливной системе двигателя внутреннего сгорания, которая в процессе своего использования позволяет сжигать в камере сгорания дизеля маловязкое (дизельное, моторное и т.д.), высоковязкое (флотский мазут Ф-5) топлива, а также водотопливную эмульсию, приготовленную на их основе, компонентом которой являются или нефтеостатки, или нефтесодержащая вода, причем топливо, подаваемое на горение проходит струйно-кавитационную обработку, в результате чего облагораживается и улучшает свои эксплуатационные свойства.

Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже представлен общий вид описываемой системы.

Топливная система двигателя внутреннего сгорания включает расходную топливную цистерну маловязкого топлива (1), расходную топливную цистерну высоковязкого топлива (2) со встроенным внутри змеевиком подогревателем (3), трубопровод подачи маловязкого топлива к топливоподкачивающему насосу (4) с запорным органом (5), трубопровод подачи высоковязкого топлива к топливоподкачивающему насосу (6) с запорным органом (7), ручной топливопрокачивающий насос (8), топливоподкачивающий насос (9), трубопровод подачи топлива к фильтрам (10), топливные фильтры (11), трубопровод подачи топлива к топливному насосу высокого давления (12) с запорным органом (13), трубопровод подачи топлива на эжектор (14) с запорным органом (15), эжектор (диспергирующее устройство струйно-кавитационного типа) с кольцевым соплом (16), трубопровод подачи топлива к топливному насосу высокого давления (выходной трубопровод эжектора) (17) с запорным органом (18), подогреватель топлива (19), всасывающий трубопровод эжектора (20) с запорным органом (21), топливный насос высокого давления (22), трубопровод отвода избыточного топлива(23), топливные форсунки (24), трубопровод отвода топлива от форсунок (25), двигатель внутреннего сгорания (26), контрольно-измерительные приборы (27).

Система работает следующим образом. Двигатель внутреннего сгорания вводится в действие на маловязком топливе, указанном в его формуляре. В этом случае из цистерны (10) по трубопроводу (4) при открытом клапане (5) топливо забирается топливоподкачивающим насосом (9) и по трубопроводу (10) подается на фильтры (11), затем по трубопроводу (12) при открытом клапане (13) топливо поступает на всасывающий патрубок топливного насоса высокого давления (22) и далее на форсунки (24) дизеля. Клапаны (15, 18, 21) закрыты, а эжектор (16) и подогреватель топлива (19) не работают. Эжектор (диспергирующее устройство) (16) вводится в действие в том случае, когда возникает необходимость в термической утилизации нефтеостатков, отстоя топлива или огневого обезвреживания нефтесодержащих вод, а также при работе двигателя на низкосортном топливе или ухудшении качества маловязкого топлива. В этом случав клапан (13) закрывается, клапана (15, 18) открываются, а подогреватель топлива (19) вводится в работу. При работе двигателя (26) на мазуте, топливо, предварительно подогретое в цистерне (2) при помощи подогревателя (3), забирается насосом (9) и по трубопроводу (6) при открытом клапане (7) подается на фильтры (11), затем по трубопроводу (14) топливо поступает на кольцевое сопло эжектора (16). Выходя из сопла со скоростью 30-40 м/с топливо попадает в рабочую камеру эжектора (16), где поддерживается вакуум. В этих условиях происходит разрыв длинных топливных углеводородов, т.е. так называемый "микрокрекинг", что в конечном счете приводит к облагораживанию низкосортного топлива (см. а.с. СССР N 1766949, 19902, патент РФ N 1766949, 1992). Далее топливо улучшенного качества по трубопроводу (12) через подогреватель топлива (19) забирается насосом (22) и подается к форсункам (24) дизеля (26) на сжигание. При необходимости термической утилизации нефтеостатков и огневого обезвреживании нефтесодержащих вод, кроме указанных клапанов (15, 18) открывается клапан (21) на всасывающем трубопроводе (20) эжектора (16). При этом в смесительной камере эжектора (16) создается разряжение, достаточное для всасывания нефтеостатков, отстоя топлива и загрязненных нефтепродуктами вод из цистерн топлива, грязных вод и грязного топлива. В эжекторе (16) происходит струйно-кавитационное смешение рабочего топлива и всасываемых жидкостей (см. а.с. РФ N 1820149, 1994) в результате чего на выходе из эжектора (16) непрерывно получается высококачественная водотопливная эмульсия, которая по трубопроводу (12) через подогреватель (19) поступает на насос (22) и далее через форсунки (24) на горение в камеры сгорания дизеля (26). После утилизации нефтеостатков или огневого обезвреживания нефтесодержащих вод клапан (21) на всасывающем трубопроводе (20) эжектора (16) закрывается, а при переходе дизеля на сжигание маловязкого топлива закрываются клапана (7, 15, 18), открываются клапана (5, 13), подогреватели топлива (3, 19) выводятся из работы, а топливо на работу дизеля забирается из цистерны (1). При подаче на эжектор (16) маловязкого топлива можно также осуществить утилизацию нефтеостатков и огневое обезвреживание нефтесодержащих вод в составе вододизельной эмульсии, приготавливаемой эжектором (16) и подаваемой топливным насосом высокого давления (22) на сжигание в камеры сгорания дизеля (26). Работа системы контролируется при помощи контрольно-измерительных приборов (22).

Техническая эффективность заявляемого изобретения состоит в том, что его использование позволит не только повысить топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания, расширить диапазон топлив, сжигаемых в стационарных и судовых дизелях, снизить эксплуатационные затраты при использовании дизельных энергетических установок, но и одновременно обеспечивать высокую экологическую безопасность в процессе использования двигателей путем термической утилизации нефтеостатков, огневого обезвреживания нефтесодержащих вод, значительного уменьшения газового и теплового загрязнения окружающей природной среды. Проведенные эксперименты (см. акт) объективно подтвердили, что практическая реализация заявляемого изобретения позволит при минимальных затратах добиться повышения экологической чистоты дизельных энергетических комплексов, устраняя загрязнение окружающей природной среды нефтеостатками и нефтесодержащими водами, снижая концентрацию экологически опасных соединений и веществ в отработанных дизельных газах, уменьшая тепловое загрязнение атмосферы, сокращая количество кислорода, забираемого из атмосферного воздуха на обеспечение процесса сжигания топлива в дизелях.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения состоит в том, что в технологический процесс, т.е. на горение, возвращаются нефтепродукты, стоимость которых сотни тысяч рублей. В тоже время, добавка воды до 8-10% по объему топлива позволяет экономить до 3-4% сухого нефтяного топлива, снижать на 40-43% нагар в камерах сгорания при небольшом повышении коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, использование загрязненных нефтепродуктами вод позволяет снижать затраты, связанные с их сбором, складированием, перевозкой, очисткой и утилизацией на специальных пунктах.

Система предназначена для подготовки и подачи на сжигание в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания (дизеля) маловязкого топлива, предварительно облагороженного и подогретого высоковязкого топлива, а также водотопливной эмульсии, приготовленной на их основе, компонентами которой являются нефтеостатки, отстой топлива или нефтесодержащая вода. Технический результат - повышение экологической чистоты и экономичности двигателя внутреннего сгорания в процессе его использования на основе расширения его функциональных возможностей путем термической утилизации нефтеостатков, огневого обезвреживания нефтесодержащих вод в составе водотопливной эмульсии, сжигаемой в камере сгорания двигателя, а также расширения диапазона сжигаемых в дизеле топлив путем облагораживания низкосортного нефтяного топлива, подаваемого на горение. Система содержит трубопровод, соединяющий напорный патрубок топливоподкачивающего насоса. Всасывающий патрубок топливного насоса высокого давления оборудуется запорным органом в состав топливной системы двигателя внутреннего сгорания также вводятся расходная топливная цистерна высоковязкого топлива, внутренняя полость которой снабжена змеевиковым подогревателем, трубопровод подачи высоковязкого топлива во всасывающую полость топливоподкачивающего насоса, запорные органы и эжектор с кольцевым соплом, соединенным с напорным трубопроводом топливоподкачивающего насоса, выходной трубопровод эжектора сообщен со всасывающей полостью топливного насоса высокого давления, а всасывающий трубопровод эжектора соединен с расходными топливными цистернами, цистерной грязного топлива и цистерной сбора нефтесодержащих вод. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Топливная система двигателя внутреннего сгорания, включающая расходную топливную цистерну маловязкого топлива, эжектор, топливные фильтры, топливный подогреватель, топливные трубопроводы, запорные органы, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления, топливные форсунки и контрольно-измерительные приборы, отличающаяся тем, что трубопровод подачи топлива от напорного патрубка топливоподкачивающего насоса на всасывание топливного насоса высокого давления снабжен запорным органом, а в состав топливной системы двигателя внутреннего сгорания вводятся расходная топливная цистерна высоковязкого топлива, внутренний объем которой оборудован змеевиковым подогревателем, трубопровод подачи высоковязкого топлива из расходной цистерны во всасывающую полость топливоподкачивающего насоса с запорным органом. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что эжектор имеет кольцевое сопло, соединенное трубопроводом с напорной полостью топливоподкачивающего насоса, выходной патрубок сообщается при помощи трубопровода с всасывающим патрубком топливного насоса высокого давления, а всасывающий патрубок эжектора соединен трубопроводом с внутренним объемом расходных топливных цистерн (маловязкого и высоковязкого топлив), цистерной грязного топлива и цистерной сбора нефтесодержащих вод. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что трубопровод подачи топлива на сопло эжектора, выходной трубопровод эжектора и всасывающий трубопровод эжектора оборудованы запорными органами, выполненными в виде невозвратно-запорных органов.