УСТРОЙСТВО ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ Российский патент 1999 года по МПК F02M25/22 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности к топливным системам дизелей.

Известно устройство для приготовления водотопливной эмульсии в составе топливной системы дизеля (а. с. СССР 1574882, МПК F 02 М 25/02, 1990 г.), предназначенной для хранения и подачи дизельного топлива, а также для приготовления и подачи в камеру сгорания водотопливной эмульсии (ВТЭ). Данное устройство включает в себя топливный насос, трубопроводы подачи топлива, фильтр топлива. Для приготовления водотопливной эмульсии требуемых параметров (влагосодержания и дисперсности) в анализируемое устройство включены дозатор, трубопровод подачи воды, и смеситель, причем последний выполнен в виде эжектора. Наличие указанных элементов устройства позволяет подавать водотопливную эмульсию к каждой форсунке ДВС для впрыска ее в цилиндры. Наряду с достоинствами, а именно возможностью дизеля работать на водотопливной эмульсии разного влагосодержания, дозировать расход эмульсии в цилиндр и т.п., указанное устройство имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, нарушение эксплуатационных свойств водотопливной эмульсии, а именно осаждение и укрупнение (коагуляция) водяных капель на режимах малых нагрузок дизеля, что приводит к внезапной остановке ДВС в процессе работы. Во-вторых, низкая надежность устройства по причине забивания трубопроводов, фильтров, топливной аппаратуры получаемым гелем (включениями воды, самопроизвольно укрупняющимися за счет "слипания" друг с другом). В-третьих, элементы анализируемой системы частично дублируют друг друга, что усложняет конструкцию, повышает ее металлоемкость и стоимость.

Известна также топливная система ДВС (патент РФ N 200 2092 МПК F 02 М 25/02, 1993 г. ) для получения и подачи на горение водотопливной эмульсии, элементы которой последовательно сообщены и образуют циркуляционный контур. В совокупности элементы этой системы образуют устройство, позволяющее использовать в дизеле в качестве топлива водотопливную эмульсию. Устройство включает топливный бак, бак воды, топливный насос, эжектор, приемная полость которого связана с баком воды. В данной конструкции устранены отдельные недостатки вышеописанного устройства (авт. свид. СССР 1574882, l990 г), так ее использование устраняет появление коагуляции в системе за счет непрерывного прокачивания полученной эмульсии через циркуляционный контур. Однако при этом рассматриваемое устройство обладает рядом недостатков: во-первых, приготовление водотопливной эмульсии здесь требует больших затрат энергии, во-вторых, анализируемое устройство имеет сложную технологическую конструкцию, большое количество сложного оборудования, в связи с чем обладает невысокой надежностью. Кроме того, устройство требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

Известно устройство приготовления водотопливной эмульсии (а.с. СССР 1705187, МПК В 63 H 21/38, 1992 г.).

Устройство включает топливный насос, приемный трубопровод которого соединен с топливной цистерной, а напорный - с потребителем, и эжектор, сопло которого подключено к напорному трубопроводу насоса, а выходной патрубок - к приемному трубопроводу насоса, причем входной патрубок эжектора соединен трубопроводом, снабженным запорным органом, с судовой цистерной сбора сточных вод.

Анализируемое устройство обладает несомненными достоинствами, а именно: имеет низкую себестоимость, нет необходимости в дорогостоящем технологическом оборудовании и высокой квалификации обслуживающего персонала, имеет достаточную простоту конструкции, позволяет исключить коагуляцию воды, так как водотопливная эмульсия приготавливается непосредственно перед подачей на сжигание. Однако рассматриваемое устройство имеет и существенные недостатки. Во-первых, его конструкция предусматривает только ручное обслуживание, что в свою очередь требует увеличения количества обслуживающего персонала. Во-вторых, на переходных режимах работы дизеля и режимах малых нагрузок эффективность устройства очень низкая по причине низкого качества приготавливаемой ВТЭ. В-третьих, в указанном устройстве отсутствуют элементы, позволяющие регулировать качество получаемой эмульсии в зависимости от режимов работы дизеля.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство приготовления водотопливной эмульсии в топливной системе дизеля, содержащее топливный трубопровод, трубопровод подачи эмульсии в топливную систему дизеля, расходный бак воды и эжектор струйно-кавитационного типа, состоящий из корпуса, активного сопла, присоединенного к трубопроводу подачи рабочей жидкости из напорного трубопровода топливоподкачивающего насоса дизеля и диспергирующего диффузора, присоединенного при помощи трубопровода к всасываемой магистрали топливоподающего насоса (а.с. СССР 1271993, МПК F 02 M 25/00, 1986).

Недостаток известного устройства заключается в недостаточной экономичности работы устройства и надежности на различных режимах работы двигателя.

Задачей изобретения является повышение надежности системы подготовки и подачи водной эмульсии в дизельный двигатель на переходных режимах и режимах малых нагрузок.

Поставленная задача решается тем, что устройство приготовления водотопливной эмульсии в топливной системе дизеля, содержащее топливный трубопровод, трубопровод подачи эмульсии в топливную систему дизеля, расходный бак воды и эжектор струйно-кавитационного типа, состоящий из корпуса, активного сопла, присоединенного к трубопроводу подачи рабочей жидкости из напорного трубопровода топливоподкачивающего насоса дизеля, диспергирующего диффузора, присоединенного при помощи трубопровода к всасывающей магистрали топливоподающего насоса, всасывающего стакана, присоединенного при помощи шланга к расходному баку воды, причем устройство снабжено фильтром воды, эжектор содержит всасывающий стакан, присоединяемый при помощи шланга к расходному баку воды, активное кольцо сопло эжектора выполнено подвижным по оси вдоль корпуса эжектора, для чего снабжено шестерней, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, перемещаемой при помощи механического привода, который посредством кинематической связи соединен с органами управления топливоподачей и нагрузкой дизеля.

Кроме того, на линии всасывания воды в эжектор отсутствуют запорные и регулировочные устройства.

На фиг.1 показано устройство приготовления водотопливной эмульсии; фиг. 2 - эжектор с элементами регулирования качества водотопливной эмульсии.

Предлагаемое устройство приготовления водотопливной эмульсии (фиг.1) содержит топливный трубопровод 4, трубопровод 5 подачи эмульсии в топливную систему дизеля, расходный бак 3 воды, шланг 6 подачи воды, эжектор 1 струйно-кавитационого типа, фильтр 2 воды. Эжектор 1 выполнен с подвижным соплом 7 активного типа, размещенным соосно с неподвижным диффузором. Элементы конструкции эжектора 1 показаны на фиг.2. Для регулирования качества и количества подаваемой на сжигание в дизель водотопливной эмульсии активное сопло 7 эжектора снабжено шестерней 10, зубчатой рейкой 11, которая входит в зацепление с шестерней 10, приводом 12 зубчатой рейки 11. Всасывающий стакан 14 соединен при помощи шланга 6 с расходным баком 3.

Таким образом, сопло 7 может быть перемещено по оси вдоль корпуса 9 эжектора относительно неподвижного диффузора 8. Для этого сопло 7 присоединяется к корпусу 9 эжектора на резьбовом соединении, что позволяет путем поворота сопла 7 на определенный угол изменять расстояние по оси между оконечной кромкой сопла 7 и рабочей полостью диффузора 8. Поворот сопла 7 осуществляется посредством шестерни 10, вращение которой обусловлено поступательным движением зубчатой рейки 11. Рейка 11 в свою очередь перемещается с помощью привода 12. При этом изменяется площадь контакта разнородных жидкостей в смесительной камере 13 эжектора, большее (или меньшее) количество воды поступает на диспергирование в смесительную камеру, и соответственно изменяется качество приготовляемой ВТЭ.

В общем случае все эксплуатационные свойства приготовляемой ВТЭ - вязкость, плотность, температура застывания, температура вспышки, устойчивость - зависят от процентного содержания воды в эмульсии (влагосодержания) и размеров водяных капель (дисперсности). Эти величины в эжекторах струйно-кавитационного типа являются функцией давления нагнетания топлива в активном сопле 7 и площади контакта разнородных сред (в данном случае воды и топлива), которые определяются площадью сечения рабочей полости диффузора 8, т.е. полезной площадью диспергирования и величиной зазора между оконечной кромкой сопла 7 и рабочей полостью диффузора 8. Изменение давления нагнетания в широких пределах незначительно меняет влагосодержание и дисперсность эмульсии. Поэтому в предлагаемом устройстве регулирование качества эмульсии осуществляется изменением полезной площади диспергирования и величины зазора от оконечной кромки активного сопла эжектора до рабочей полости диффузора 8.

Устройство работает следующим образом. При работе дизеля на переходных режимах и режимах малых нагрузок регулирование влагосодержания и дисперсности водотопливной эмульсии в устройстве производится поворотом сопла эжектора на заданный угол (0-360^oC), причем при повороте по часовой стрелке площадь контакта разнородных сред уменьшается, против часовой стрелки увеличивается. Производительность устройства по всасываемой воде увеличивается вследствие увеличения влагосодержания водотопливной эмульсия, причем размеры водяных глобул (капель) в эмульсии при этом не изменяются и составляют 3-5 мкм. При полном ввинчивании сопла 7 в корпус 9 эжектора оконечная кромка сопла 7 упирается в стенку неподвижного диффузора 8, при этом перекрывает подачу воды на диспергирование, и дизель работает на штатном (необводненном) топливе.

Наличие такой конструкции заявляемого устройства позволяет исключить установку дополнительных запорных устройств на линии всасывания воды.

Регулирование качества приготавливаемой эмульсии в заявляемом устройстве может осуществляться при работе дизеля различными способами (вручную, электроприводом, гидроприводом, пневмоприводом, а также и другими способами) в зависимости от конструкции дизеля, особенностей его топливной системы и размещения на техническом объекте.

Заявляемое устройство отличается новыми конструктивными признаками элементов и последовательностью их связи в составе системы:
- активное сопло 7 эжектора снабжено шестерней 10;
- наличие зубчатой рейки 11, входящей в зацепление с шестерней 10,
- наличие механического (ручного) или электрического, или гидравлического, или пневматического, или др.) привода 12 у зубчатой рейки 11;
- отсутствие запорных устройств на линии всасывания вод.

Сравнение предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными в настоящее время техническими решениями в области использования водотопливных эмульсий в дизелях показывает, что заявляемое устройство регулирования качества подаваемой в камеру сгорания дизеля водотопливной эмульсии отличается оригинальным подходом к процессу обработки углеводородного топлива перед сжиганием с использованием эффективных физических явлений, таких как струйно-кавитационная обработка с применением пропускания струи топлива через вакуум с фиксированными эффективными диапазонами изменения параметров скорости истечения в сочетании с достаточной простотой технического исполнения.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей систем приготовления водотопливных эмульсий и, в связи с этим, в повышении экологической безопасности с сохранением заданной экономичности, надежности ДВС, сжигающих в качестве топлива водотопливные эмульсии. С физической точки зрения экологическая безопасность работающего дизеля обусловлена тем, что заявляемое устройство регулирования качества водотопливной эмульсии, подаваемой в цилиндры дизеля, обеспечивает стабильность процесса горения без срыва пламени и, как следствие, более полное окисление углеводородного топлива, в том числе и на переходных режимах и режимах малых нагрузок. Эффективность заявляемого устройства обеспечивается:
-автоматизацией процесса перевода дизеля на различные виды топлива,
- автоматизацией процесса регулирования качества приготовляемой водотопливной эмульсии на различных режимах работы дизеля,
- плавным изменением количества подаваемой на диспергированные воды в зависимости от величины расхода топлива и нагрузки дизеля,
- оптимизацией влагосодержания приготовляемой при работе дизеля водотопливной эмульсии, особенно на переходных режимах и режимах малых нагрузок, посредством установления прямой кинематической связи между углом поворота сопла эжектора и элементами регулирования топливоподачи и нагрузки дизеля (например, перемещением рейки управления впрыском топлива).

Указанное подтверждается результатами многочисленных систематизированных и экспериментальных исследований.

Пример 1.

Перед сжиганием водотопливной змульсии на основе дизельного топлива Л-0,5(ГОСТ-З05-82) в камере сгорания судового дизеля 6 ч 15/18 с использованием заявляемого устройства производилось регулирование процентного содержания воды в эмульсии. Исследования проводились при изменении номинальной нагрузки дизеля от 0 до 100 %, изменении угла поворота сопла эжектора от 0 до 360 ^o, соответствующее продольное перемещение сопла относительно неподвижного диффузора при этом составляло 0-1,0 мм. Анализ проб газов осуществлялся с помощью переносных газоанализаторов "МИГ-1", ПГА-ВПМ, дымомера ИНА-109, стационарных газоанализаторов КСМ-2М. Нагрузка дизеля измерялась пружинным гидромотором. Влагосодержание водотопливной эмульсии определялось по результатам химического анализа. Экспериментальные исследования показали, что продольное перемещение сопла эжектора на 0,08-0,34 мм (угол поворота от 30 до 120 ^o) обеспечивает поддержание влагосодержания водотопливной эмульсии в пределах от 2,5 до 7,5% на любых нагрузочных режимах (0-100%) работы дизеля, при этом концентрация химических компонентов в отработавших газах в сравнении с прототипом составляла как указано в таблице.

Кроме того, экспериментальные исследования показали, что использование заявляемого устройства позволяет (по сравнению с прототипом) применять для образования водотопливной эмульсии нефтесодержащую воду, которая в настоящее время сливается в окружающую среду и уменьшить расход топлива на 4-5% при одинаковой производительности дизеля.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить экологическую безопасность ДВС, находящихся в эксплуатации, при сохранении их себестоимости, экономичности, надежности и эксплуатационных качеств.

Изобретение позволяет получить водотопливную эмульсию для использования ее в дизельных двигателях. Эжектор струйно- кавитационного типа содержит диспергирующий диффузор, присоединенный к всасывающей магистрали топливоподающего насоса, всасывающий стакан, сообщенный с расходным баком воды, и активное сопло, сообщенное с топливоподкачивающим насосом дизеля. Активное кольцевое сопло имеет возможность перемещаться вдоль оси корпуса под действием зубчатой рейки и привода, соединенных с органами управления топливоподачей и нагрузкой дизеля для регулировки качества водотопливной эмульсии. Технический результат заключается в повышении надежности работы на переходных режимах и режимах малых нагрузок. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Устройство приготовления водотопливной эмульсии в топливной системе дизеля, содержащее топливный трубопровод, трубопровод подачи эмульсии в топливную систему дизеля, расходный бак воды и эжектор струйно-кавитационного типа, состоящий из корпуса, активного сопла, присоединенного к трубопроводу подачи рабочей жидкости из напорного трубопровода топливоподкачивающего насоса дизеля и диспергирующего диффузора, присоединенного при помощи трубопровода к всасывающей магистрали топливоподающего насоса, отличающееся тем, что устройство снабжено фильтром воды, а эжектор содержит всасывающий стакан, присоединяемый при помощи шланга к расходному баку воды, причем активное кольцевое сопло эжектора выполнено подвижным по оси вдоль корпуса эжектора, для чего снабжено шестерней, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, перемещаемой при помощи механического привода, который посредством кинематической связи соединен с органами управления топливоподачей и нагрузкой дизеля. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на линии всасывания воды в эжектор отсутствуют запорные и регулировочные устройства.