ПРЕДПУСКОВОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ Российский патент 1999 года по МПК F02N17/04 

Изобретение относится к двигателестроению и особенно к предпусковым подогревателям двигателя внутреннего сгорания и предназначено для использования на транспортном средстве для тепловой подготовки двигателя в условиях низких температур.

В настоящее время распространенным способом тепловой подготовки двигателя является применение автономных предпусковых подогревателей на жидком топливе [Пуск автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1979, с. 18-20].

Известны конструкции предпусковых подогревателей двигателя внутреннего сгорания, работающих на жидком моторном топливе, в которых происходит подогрев охлаждающей жидкости за счет теплоты сгорания топлива, содержащие теплообменник, горелочное устройство, водяной и топливный насос, вентилятор и блок управления [а.с. СССР N 1035270, F 02 N 17/02, 1983, БИ N 30; патент N 465800, F 02 N 17/04, 1973, БИ N 12, 75].

Недостатками этих устройств является высокое потребление электрической энергии для привода топливного насоса и воздушного вентилятора, т.е. снижение емкости аккумуляторной батареи автомобиля перед запуском. При этом сжигание жидкого топлива при низких температурах представляет определенные трудности, поскольку увеличивается его вязкость, ухудшается распыл. В продуктах сгорания жидкого топлива образуется сажа, которая ухудшает процесс теплопередачи, что обуславливает низкий КПД этих устройств, кроме того, образуются канцерогенные углеводороды и другие вещества, вредные для человека и окружающей среды.

Известна конструкция предпускового подогревателя для тепловой подготовки двигателя, выбранная в качестве прототипа, содержащего рекуперативный теплообменник, горелку, работающую на жидком топливе, электромагнитный топливный клапан с форсункой и электронагревателем топлива, насосный агрегат с электродвигателем, вентилятором, жидкостным и топливным насосами, системы электроискрового розжига топливной смеси и дистанционного управления подогревателем. Теплообменник подогревателя имеет две рубашки охлаждения, соединенные между собой окнами для прохода охлаждающей жидкости и газоход с разворотом на 180^o. Горелка представляет собой два цилиндра, установленные один в другой, причем внутренний цилиндр имеет отверстия для прохода воздуха. В передней части горелки между наружным и внутренним донышками цилиндров устанавливается неподвижный многолопаточный завихритель, а в выходной части горелки имеется сужение в виде сопла [Пуск автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1979, с. 38-54].

Недостатками известной конструкции является низкая эффективность, обусловленная тем, что охлаждающая жидкость, поступая во внутреннюю рубашку через окна, образует зоны застоя и вскипает, в результате чего ухудшается теплообмен. Увеличение вязкости жидкого топлива при низких температурах ухудшает распыл, что обуславливает низкую полноту сгорания. Совокупность этих факторов не дает возможность получить высокий КПД устройства. Кроме того, к недостаткам конструкции следует отнести следующие факторы.

Для нормальной работы подогревателя требуется стабильное питающее напряжение для питания насосного агрегата, в противном случае при частично разряженных батареях подогреватель дымит и не обеспечивает необходимый темп прогрева двигателя.

Требуются дополнительные элементы, завихрители для стабилизации факела, что увеличивает газодинамическое сопротивление воздушного тракта и соответственно мощность электродвигателя вентилятора.

Невозможность регулирования по тепловой мощности.

Низкие надежность и долговечность некоторых узлов подогревателя, например уплотнительных манжет жидкостного и топливного насосов.

В продуктах сгорания жидкого топлива образуются альдегиды, сажа и другие вещества, вредные для человека и окружающей среды.

Целью изобретения является создание простой и высокоэффективной конструкции предпускового подогревателя, обеспечивающей полное сгорание топлива, устойчивую и экономичную работу агрегата в широком диапазоне регулирования теплопроизводительности и экологически чистые продукты сгорания.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом подогревателе горелочный узел выполнен в виде инжекционной газовой горелки атмосферного типа без применения воздушного вентилятора, с источником зажигания в диффузоре горелки, где происходит смешение и восстановление давления газовоздушной смеси. При этом скорость газовоздушного потока в месте зажигания на порядок больше скорости распространения пламени, что обеспечивает практически мгновенное смещение очага воспламенения в камеру сгорания, где обеспечивается стабилизация факела за счет уступа, образованного устьем горелки с камерой сгорания, т. е. внезапного расширения канала. Дальнейшее распространение пламени осуществляется рециркуляционными токами горячих газов, образующихся в результате внезапного расширения канала, в котором реализуются четко выраженные фазы накопления и сгорания газовоздушной смеси. В силу специфики процесса скорость движения фронта пламени имеет разную величину во время накопления и сгорания смеси, в результате чего реализуется релаксационный колебательный процесс горения, причем роль газодинамического клапана вибрационной камеры сгорания в данном случае играет внутренний объем горелки. Режим вибрационного горения повышает полноту сгорания топлива и увеличивает коэффициент теплопередачи. Поскольку релаксационные колебания характеризуются низкой частотой и большим пиком давления в камере сгорания, что обусловлено акустическими свойствами собственно газового тракта, то для исключения явления помпажа, когда амплитуда пульсаций давления в камере сгорания превышает полное давление на срезе горелки, что приводит к потере устойчивости и даже срыву горения, акустический объем газового тракта разделен акустическим демпфером в виде коллектора перепуска жидкости.

Инжекционная горелка имеет возможность регулирования тепловой мощности, причем режим вибрационного горения реализуется при давлениях газового топлива, близких к критическому перепаду, и зависит от свойств газового топлива. Известно, что инжекционная горелка обладает способностью поддерживать постоянное значение коэффициента инжекции независимо от давления газа, что позволяет регулировать мощность горелки в широких пределах, при этом коэффициент избытка окислителя поддерживается автоматически на расчетном режиме без применения дополнительных регуляторов соотношения за счет инжекционной способности газа.

Теплообменник подогревателя выполнен таким образом, что внутренний контур охлаждения выполнен в виде цилиндра, не имеющего отверстий и футеровки внутренней поверхности стенок, представляющего собой камеру сгорания топлива и в то же время являющегося стабилизатором факела. Подвод охлаждающей жидкости во внутренний контур охлаждения осуществляется через коллектор перепуска жидкости, состоящий из трубок одинакового сечения, расположенных радиально по периметру кольцевого канала в месте разворота продуктов сгорания, что обеспечивает полное сгорание топлива в камере сгорания и резкое охлаждение горячих газов на входе в кольцевой канал с развитой поверхностью охлаждения. В результате внезапного охлаждения продуктов сгорания тепловая энергия горячих газов переходит в энергию давления, таким образом, реализуется эффект отрицательного теплового сопротивления, что уменьшает общее гидравлическое сопротивление по газовому тракту и обеспечивает устойчивую работу подогревателя при небольших перепадах давления на срезе горелки, а следовательно, и в камере сгорания, а также увеличивает его надежность и диапазон регулирования по тепловой мощности. Коллектор перепуска жидкости одновременно является разделительным элементом акустического объема газового тракта. Кольцевой канал для прохода продуктов сгорания разделен ребрами на равные части, что позволяет использовать максимальную поверхность теплообмена, исключая перетекание продуктов сгорания в выхлопной патрубок, минуя всю поверхность газохода.

Такая конструкция подогревателя обеспечивает устойчивую и экономичную работу агрегата, полное сгорание топлива и высокий КПД в широком диапазоне изменения температуры окружающего воздуха и регулирования по тепловой мощности.

Предлагаемый подогреватель схематично изображен на фиг. 1. На фиг. 2 показано сечение подогревателя в месте расположения коллектора. На фиг. 3 изображена схема подключения подогревателя с насосом охлаждающей жидкости к двигателю внутреннего сгорания.

Примеры конкретного выполнения.

Предпусковой подогреватель на газовом топливе состоит из рекуперативного теплообменника 1 (фиг. 1), горелочного узла 2, электромагнитного топливного клапана 3 и насоса охлаждающей жидкости 4 (фиг. 3). Горелочный узел 2 (фиг. 1) и электромагнитный топливный клапан 3 закрыты защитным кожухом 5, в котором канал для подачи воздуха имеет козырек 6. Теплообменник изготовлен предположительно из листовой нержавеющей стали и имеет две рубашки охлаждения: внутреннюю 7 и внешнюю 8, акустический объем газового тракта, представляющий собой камеру сгорания 9 с кольцевым каналом для прохода продуктов сгорания 10. Со стороны горелочного узла теплообменник закрыт фланцем 11, в отверстие которого установлен датчик пламени 12. Датчик температуры жидкости 13 установлен во внешней рубашке охлаждения. Внутренняя рубашка охлаждения сообщена с внешней через коллектор перепуска жидкости, представляющий собой двенадцать трубок 14, расположенных радиально по периметру камеры сгорания 9. Кольцевой канал для прохода продуктов сгорания 10 разделен четырьмя плоскими ребрами 15 (фиг. 2) предпочтительно на равные части и соединен с выхлопным патрубком 16.

Горелочный узел 2 (фиг. 1) имеет камеру предварительного смешения 17 с диффузором 18, куда через проставку 19 помещен источник зажигания 20. Газовое сопло 21 установлено в натекателе 22. Горелочный узел снабжен дополнительным набором сопл для работы на различных газах.

Подогреватель снабжен системой контроля, сигнализации и автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости.

Описанный подогреватель работает следующим образом.

Питание подогревателя осуществляется от топливного баллона 23 (фиг. 3), на котором установлен редуктор 24, расходный вентиль 25 и заправочный вентиль 26 и который подключается к штатной системе топливопитания двигателя газобаллонного автомобиля или является автономным агрегатом для обычных автомобилей. При установке подогревателя на автомобиль, оборудованный газовой системой питания на сжатом природном газе (СПГ), зарядка топливного баллона 23 производится следующим образом. Cжатый газ из баллонов высокого давления 27 через магистральный вентиль 28 и подогреватель газа 29 поступает в редуктор высокого давления 30, где редуцируется до давления 0,95 - 1,1 МПа, далее газ поступает в топливный баллон 23 через заправочный вентиль 26. Давление газа 0,1 МПа для питания подогревателя устанавливают редуктором 24 и контролируют по манометру 31. Регулируя давление газа от 0,02 до 0,15 МПа можно менять тепловую мощность подогревателя (увеличивать или уменьшать) в 2,5-3 раза. Причем при давлении газа 0,08 - 0,15 МПа реализуется режим вибрационного горения.

При открытии расходного вентиля 25 газовое топливо поступает на электромагнитный топливный клапан 3 (фиг. 1). После нажатия клавиши "Пуск" на пульте управления 32 (фиг. 3) подогревателем включается насос охлаждающей жидкости 4 (фиг. 3), открывается электромагнитный топливный клапан 3 (фиг. 1) и в то же время подается импульс напряжения на источник зажигания 20. Газовое топливо, истекая из сопла 21, инжектирует необходимое количество воздуха для горения, смешивается в камере предварительного смешения 17 и воспламеняется от искрового разряда свечи 21. В момент воспламенения фронт пламени переносится в камеру сгорания 9, образуя устойчивый факел с развитой турбулентностью, который стабилизируется рециркуляционными токами горячих газов, образующихся в результате внезапного расширения канала. Далее газовое топливо сгорает в камере сгорания 9, а продукты сгорания охлаждаются по всему тракту теплообменника, нагревая охлаждающую жидкость, и через выпускную трубу 33 (фиг. 3) направляются под масляный картер 34 и нагревают в нем масло. Наличие факела в камере сгорания контролируется датчиком пламени 12 (фиг. 1). При неудачном пуске (отсутствии воспламенения) блок управления 35 (фиг. 2) подогревателем закрывает электромагнитный топливный клапан 3 (фиг. 1), отсекая подачу газа, и через некоторое время выключает насос охлаждающей жидкости 4 (фиг. 3). Затем программа пуска повторяется. Число повторных пусков ограничено и программируется в блоке управления 35 (фиг. 3).

Нагретая охлаждающая жидкость поступает в блок цилиндров 36 двигателя внутреннего сгорания.

При установке подогревателя на газобаллонный автомобиль часть жидкости отбирается в подогреватель газа 29, где обеспечивается прогрев газового топлива. Предпусковой подогреватель отключается автоматически при нагреве охлаждающей жидкости до заданной температуры по сигналу датчика температуры жидкости 13 (фиг. 1) либо вручную с пульта управления 32 (фиг. 3) подогревателем нажатием клавиши "Стоп".

Технико-экономическая или иная эффективность.

Наличие существенных отличий обеспечивает высокую надежность и эффективность подогревателя. Предварительное смешение горючего с воздухом позволяет получить высокую полноту сгорания, а организация режима вибрационного горения обеспечивает тепловой коэффициент полезного действия порядка 87-90%, что на 25% больше, чем у прототипа.

Повышение КПД подогревателя при отсутствии вентилятора и топливного насоса позволяет уменьшить его размеры, массу и стоимость, а также снизить потребление электрической энергии не менее чем в 5 раз.

При стехиометрическом соотношении компонентов в составе продуктов сгорания газового топлива отсутствуют сажа и другие вредные вещества в отличие от жидких топлив.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к предпусковым подогревателем двигателя внутреннего сгорания, и предназначено для использования на транспортном средстве на тепловой подготовки двигателя в условиях низких температур. В предпусковом подогревателе на газовом топливе горелочный узел выполнен в виде газовой горелки, а акустический объем газового тракта теплообменника разделен акустическим демпфером в виде коллектора перепуска жидкости. Газовая горелка выполнена в виде камеры предварительного смешения и снабжена источником зажигания. Коллектор перепуска выполнен из трубок одинакового сечения, расположенных по периметру камеры сгорания в месте разворота газового тракта, кольцевой канал для прохода продуктов сгорания разделен на части плоскими ребрами. Изобретение обеспечивает высокую надежность и эффективность подогревателя, а также повышение технико-экономических показателей. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Предпусковой подогреватель на газовом топливе для двигателя внутреннего сгорания, содержащий горелочный узел, электромагнитный топливный клапан, теплообменник, кольцевой канал для прохода продуктов сгорания, отличающийся тем, что горелочный узел выполнен в виде газовой горелки, а акустический объем газового тракта теплообменника разделен акустическим демпфером в виде коллектора перепуска жидкости. 2. Предпусковой подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что газовая горелка выполнена в виде камеры предварительного смешения и снабжена источником зажигания, который размещен в камере смешения. 3. Предпусковой подогреватель по п.1, отличающийся тем, что коллектор перепуска жидкости выполнен из трубок одинакового сечения, расположенных радиально по периметру камеры сгорания в месте разворота газового тракта. 4. Предпусковой подогреватель по п.1, отличающийся тем, что кольцевой канал для прохода продуктов сгорания разделен на части плоскими ребрами.