СПОСОБ ЦЕЛЕВОЙ ПОДГОТОВКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА К СЖИГАНИЮ Российский патент 2006 года по МПК F02B47/02 

Изобретение относится к системам подготовки топлива к сжиганию в дизельных и газотурбинных двигателях, а именно к подготовке водотопливных эмульсий (ВТЭ) к сжиганию.

Применение ВТЭ является одним из перспективных и наиболее эффективных способов снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами в окружающую среду и улучшения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания.

Проведенные длительные испытания и накопленный опыт исследовательских работ выявили необходимость, независимо от конструктивных схем получения и подачи ВТЭ в дизель, применения специальных стабилизирующих присадок-эмульгаторов для обеспечения работоспособности на эмульсии топливной аппаратуры дизелей, поскольку работа без применения эмульгаторов приводит к эрозионному разрушению плунжерных пар и распылителей.

Известные способы и устройства приготовления ВТЭ (патенты 2083924, 2069688, 2100413, 2134715 и др.) позволяют получать на основе углеродосодержащих топлив, эмульгаторов и воды двухфазные жидкие эмульсии определенной устойчивости, пригодные для использования в двигателях внутреннего сгорания непосредственно после приготовления, но не допускающие длительного хранения.

Основной причиной, препятствующей получению стабильных ВТЭ, является то, что используемые при приготовлении эмульсии эмульгаторы не обеспечивают необходимую для длительного хранения степень сопротивляемости разделению фаз топливо-вода.

Важнейшим физико-химическим свойством эмульгированных топлив является их седиментационная устойчивость, т.е. способность сохранять со временем достигнутую при диспергировании дисперсность (агрегативную устойчивость) и равномерность распределения (кинетическую устойчивость) водной среды. Агрегативная устойчивость ВТЭ зависит от вида и количества присаживаемого эмульгатора, понижающего поверхностное натяжение на границе двух жидкостей и образующего прочные защитные пленки, которые препятствуют слиянию дисперсных частиц.

Известные способы приготовления ВТЭ с использованием в качестве эмульгаторов мазута, присадок типа ОП-4, ОП-7, олеаната натрия и др. позволяют при помощи различных смесителей-диспергаторов достигать достаточно высокую агрегативную устойчивость эмульсий (примерно 650-700 часов). Однако они имеют низкую кинетическую устойчивость (эмульсия расслаивается на водную и топливную фазы за несколько часов), и достигнутая агрегативная устойчивость теряется. Поэтому приготовленные подобным способом эмульсии не допускают длительного хранения в емкостях, значит и перерывов в эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Заявлямый способ повышения кинетической устойчивости ВТЭ основан на том, что при приготовлении эмульсии в качестве эмульгатора используется поверхностно-активное вещество алкилбензолсульфанат натрия, который в отличие от известных эмульгаторов обладает лучшей растворяемостью в непрерывной фазе и образует более прочные защитные пленки, препятствующие слиянию дисперсных частиц. Изменением процентного содержания эмульгатора от 0,15 до 0,4% в эмульсии с содержанием воды от 20 до 40% регулируется длительность хранения ВТЭ в емкостях от одного до шести месяцев без каких-либо изменений в структуре ВТЭ. Таким образом решается задача многократного (в сто и более раз) повышения кинетической устойчивости ВТЭ и сохранения достигнутой дисперсности в течение длительного времени.

Существенным недостатком известных способов подготовки и сжигания ВТЭ (например, патент 2083924 от 10.07.97 г.), затрудняющим их практическое использование, является невозможность обеспечения эксплуатационной надежности двигателя на режимах малых нагрузок по причине некачественного распыливания эмульсии, а также на режимах пуска и остановки из-за возможного коррозионного разрушения деталей топливоподающей аппаратуры.

Заявляемый способ целевой подготовки жидкого топлива и сжигания заключается в следующем.

При приготовлении водотопливной эмульсии поверхностно-активное вещество (ПАВ - алкилбензолсульфанат натрия) растворяют в соотношении 0,15-0,18% от общей массы приготавливаемой эмульсии в определенном количестве воды (1:10) с температурой 60°С и добавляют в бак 4 (Фиг.1) с дизельным топливом. Тщательно перемешивают в течение 3-5 минут и добавляют в этот же бак воду в соотношении 30% от общей массы эмульсии. Электродвигателем 1 запускают диспергатор 2 и, забрав эмульсию из бака 4 для приготовления ВТЭ через трехходовой кран 3, ее диспергируют из бака 6 через клапана 3 и 5 снова в бак 6 для получения определенной дисперсности водной составляющей ВТЭ с одновременным подогревом подогревателем 7 до 80°С, котролируя температуру термопарой 8.

При запуске и работе на сниженных нагрузках топливо к дизелю подается из бака 11 через трехходовой кран 10. При превышении нагрузок сверх малых (примерно 55-60% от полной мощности) датчик 13, контролирующий подачу топлива в зависимости от нагрузки, вырабатывает сигнал и шаговый двигатель 14 переключает трехходовой кран 10 на подачу ВТЭ в топливную систему и дизель функционирует на эмульсии, обеспечивая снижение расхода углеводородного топлива и уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами.

При снижении нагрузки ниже средних (примерно 55-60% от полной мощности) трехходовой кран 10 вновь переключается и в топливную систему дизеля подается топливо из бака 11, обеспечивая и остановку двигателя на топливе.

Таким образом, способ позволяет обеспечивать:

- сохранение достигнутой дисперсности и устойчивости ВТЭ в течение длительного времени (до 30 суток при 0,15% содержании в ВТЭ поверхностно-активного вещества);

- запуск, работу на сниженных нагрузках и остановку двигателя на топливе, сохраняя тем самым ее эксплуатационную надежность;

- повышение технической эффективности двигателей внутреннего сгорания при работе на ВТЭ.

Использование через месяц приготовленной вышеуказанным способом ВТЭ с содержанием воды 30% и ПАВ 0,15% в качестве топлива для судового дизеля 6 ЧН15/18 полной мощностью 110 кВт и частотой вращения 1500 мин^-1 позволил обеспечить его функционирование в рабочем диапазоне мощностей и частот вращения при одновременном повышении экономичности на средних и полных нагрузках (Фиг.2) и снижение вредных выбросов в окружающую среду (Фиг.3). Сохранение эксплуатационной надежности двигателя обеспечивается тем, что при пуске и остановке двигатель функционирует на топливе.

На Фиг.2 представлены зависимости удельного эффективного расхода топлива g_e от мощности Р_е при постоянной частоте вращения n_Д=1500 мин^-1, а на Фиг.3 приведены сравнительные данные по вредным выбросам (окиси углерода - СО; оксида азота - NO_х; углеводорода - С_nH_m) в окружающую среду при работе судового двигателя 6 ЧН15/18 на дизельном топливе и ВТЭ.

Изобретение обеспечивает получение нового технического результата, которое заключается в следующем.

На Фиг.4 изображена схема подключения устройства для приготовления ВТЭ в топливную систему дизеля 6ЧН30/38 (12), полной мощностью 1600 кВт и частотой вращения 750 об/мин. Отличие от схемы на фиг.1 состоит в том, что пять цилиндров дизеля через клапан 16 работают на топливе из бака 11, а шестой цилиндр может функционировать как на топливе, так и на ВТЭ через клапан 9. Система контроля внутрицилиндровой работы включает датчик 13, цифровой аналоговый преобразователь 14 и монитор 15 и обеспечивает снятие индикаторных диаграмм с любого цилиндра.

Сравнительный анализ индикаторных диаграмм, снятых на режимах средних нагрузок с шестого цилиндра при работе на топливе (Фиг.5) и на ВТЭ (Фиг.6), показывает, что при работе на ВТЭ на индикаторной диаграмме наблюдается двойной пик давления.

На первый взгляд напрашивается вывод, что термическому разложению воды, находящейся в составе ВТЭ, на молекулярный или атомарный водород и кислород, способствуют высокие давление и температура (порядка 2100 К) в цилиндре в результате горения углеводородной составляющей топлива, а сгорание водорода дает второй пик давления. Однако этих условий для диссоциации воды недостаточно.

На двигателе 6ЧН15/18 максимальное давление распыливания топлива составляет 40 МПа и на индикаторных диаграммах, снятых при работе на ВТЭ, двойных пиков нет. Необходимо обратить внимание на то, что в дизеле 6ЧН30/38 установлена насос-форсунка, которая на полной мощности двигателя имеет максимальное давление впрыска топлива до 100 МПа. При таких давлениях молекулярные связи воды, находящейся в составе ВТЭ, испытывают значительные нагрузки и при впрыске в область низкого давления порядка 6-8 МПа и расширении за практически мгновенный период времени энергии ассоциации молекул становится недостаточно для того, чтобы удержать молекулу воды воедино. Молекулярная связь разрушается, образуя тем самым водород и кислород в свободном виде, то есть происходит диссоциация воды.

Также доказательством горения водорода является смещение точки максимального горения топлива в первом пике в левую сторону, т.е. при росте максимального давления сгорания период резкого нарастания давления сокращается - дизель работает более жестко. Это свидетельствует о том, что водород, обладая малым периодом задержки самовоспламенения, выгорает первым, а углеводородная составляющая ВТЭ, которая имеет меньшую теплотворную способность, воспламеняясь позже, образует второй пик давления на индикаторной диаграмме.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что при работе двигателя 6ЧН30/38 на ВТЭ при средних и полных нагрузках за счет сгорания дополнительного горючего - водорода с высокой теплотворной способностью - улучшение экономичности составляет до 12-14%.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам подготовки топлива к сжиганию. Изобретение позволяет обеспечить сохранение достигнутой дисперсности и устойчивости водотопливной эмульсии (ВТЭ) в течение длительного времени, а также повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания при работе на ВТЭ. Способ целевой подготовки жидкого топлива к сжиганию заключается в том, что при приготовлении водотопливной эмульсии поверхностно-активное вещество (ПАВ - алкилбензолсульфанат натрия) растворяют в соотношении 0,15-0,18% от общей массы приготавливаемой эмульсии в воде в количестве 1:10 с температурой 60°С и добавляют в бак с дизельным топливом. Затем перемешивают в течение 3-5 минут и добавляют в этот же бак воду в соотношении 30% от общей массы эмульсии. После этого диспергируют эмульсию с одновременным подогревом. 6 ил.

Способ целевой подготовки жидкого топлива к сжиганию, отличающийся тем, что при приготовлении водотопливной эмульсии поверхностно активное вещество (ПАВ - алкилбензолсульфанат натрия) растворяют в соотношении 0,15-0,18% от общей массы приготавливаемой эмульсии в воде в количестве 1:10 с температурой 60°С и добавляют в бак с дизельным топливом, перемешивают в течение 3-5 мин и добавляют в этот же бак воду в соотношении 30% от общей массы эмульсии, после чего диспергируют эмульсию с одновременным подогревом.