УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИСАДКИ ВОДЫ В ПЕРВИЧНЫЙ ВОЗДУХ Российский патент 2008 года по МПК F01K3/04 F02M25/22 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в автомобилестроении при проектировании и изготовлении систем подачи топлива и воздуха, а также глушителей выхлопа для двигателей внутреннего сгорания.

Известна присадка воды, как в жидком виде, так и в виде пара, в первичный воздух, который подается в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Целью присадки воды является снижение температуры деталей, увеличение детонационной стойкости, а также снижение содержания окислов азота NO_X в выхлопных газах. Для дизельного двигателя лучшие показатели достигнуты при присадке воды во впускной трубопровод с помощью карбюратора или форсунки.

Однако постоянное хранение воды на борту автомобиля в отдельной емкости создает определенные сложности при эксплуатации автомобиля в странах, в которых в зимнее время года температура воздуха на длительное время опускается ниже 0°С. В таких странах невозможно постоянно хранить воду на борту автомобиля вследствие ее замерзания. Известно, что при сгорании углеводородного топлива в отработавших газах образуется вода в виде перегретого пара. Поэтому задачу получения воды непосредственно на борту автомобиля решают охлаждением отработавших газов выхлопа до температуры конденсации воды при помощи теплообменника (конденсатора). Полученный конденсат используют для присадки в первичный воздух.

Известно устройство двигателя, реализующее впрыск воды в цилиндр двигателя внутреннего сгорания на такте сжатия, конденсирование водяных паров из выхлопных газов и повторную подачу конденсированной воды в цилиндр двигателя. При этом достигается экономия воды и снижение выброса вредных веществ в окружающую среду

(РФ №94000342 A1, F02D 23/00, F02B 75/28, опубл. 1995.09.20).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство рециркуляции газов двигателя внутреннего сгорания

(JP 10-318049, F02M 25/07, F02M 25/022, опубл. 02.12.1998).

Известное техническое решение включает выпускной газовый трубопровод, соединенный через управляющий (регулирующий) газовый клапан со входом конденсатора (теплообменника), выход которого газовым трубопроводом через нагнетатель (компрессор) и дроссельный клапан соединен с впускным воздушным трубопроводом. Конденсатор в своей нижней части соединен первым водяным трубопроводом с баком для хранения конденсата, который вторым водяным трубопроводом через управляемый водяной насос и регулируемый инжекционный клапан (форсунку) соединен с впускным воздушным трубопроводом.

Известное устройство обеспечивает отбор части выхлопных газов двигателя с использованием управляющего газового клапана и подачу газов в конденсатор, в котором происходит конденсирование воды из выхлопных газов. Осушенные выхлопные газы из конденсатора подают нагнетателем по газовому трубопроводу через регулируемый дроссельный клапан во впускной воздушный трубопровод, их которого после смешения с атмосферным воздухом они поступают в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Конденсат воды из конденсатора по первому водяному трубопроводу поступает в бак для хранения конденсированной воды, откуда его водяным насосом по второму водяному трубопроводу подают на регулируемый инжекционный клапан (форсунку), через который (-ую) осуществляют впрыск конденсата во впускной воздушный трубопровод.

Известно, что рециркуляция отработавших газов приводит к возрастанию длительности задержки воспламенения, уменьшению скорости тепловыделения и к значительному снижению выбросов NO_x и шума. Однако на больших нагрузках она приводит к снижению индикаторного КПД и росту концентрации СН в выхлопе. Поэтому рециркуляцию целесообразно применять на малых нагрузках и на холостом ходу. Кроме того, известное устройство содержит значительное число управляемых извне элементов, что требует сложной системы управления для синхронизации их работы.

Задачей изобретения и его техническим результатом является создание устройства для присадки воды в первичный воздух, позволяющее уменьшить число управляемых элементов и уменьшить температуру выхлопных газов, что повышает надежность и долговечность работы двигателя, а также обеспечить уменьшение содержания окислов азота в выхлопных газах,

Сущностью изобретения является устройство для присадки воды в первичный воздух, содержащее нагнетатель на впускном трубопроводе двигателя, конденсатор на выпускном трубопроводе двигателя с емкостью для конденсата, которая соединена через сливное отверстие водяным трубопроводом, включающим насос и форсунку, со впускным трубопроводом, отличающееся тем, что выход форсунки расположен перед входом нагнетателя под некоторым углом, а конденсатор выполнен единым из двух расположенных одна над другой секций, разделенных теплоизолирующей перегородкой, причем в верхней секции расположены трубы глушителя с перепускными отверстиями, которые соединены патрубками с нижней секцией - емкостью для конденсата, выполненной с выпуклым днищем, снабженным снаружи ребрами.

Кроме того, патрубки соединяют с нижней секцией 20-30% перепускных отверстий труб глушителя; режимы работы нагнетателя, насоса и форсунки управляются электронным блоком управления; насос дополнительно снабжен клапаном слива воды из устройства, который управляется электронным блоком управления и срабатывает при выключении двигателя.

Устройство по изобретению представлено на фиг.1 и 2, где:

1 - двигатель внутреннего сгорания;

2 - впускной трубопровод, включающий устройство забора первичного воздуха из атмосферы;

3 - нагнетатель (компрессор);

4 - выпускной трубопровод;

5 - верхняя секция конденсатора (глушитель);

6 - трубы глушителя с перепускными отверстиями;

7 - патрубки с выходом в нижнюю секцию;

8 - нижняя секция - емкость для конденсата (для хранения конденсата);

9 - выпуклое днище нижней секции;

10 - наружные ребра днища нижней секции;

11 - сливное отверстие;

12 - теплоизолирующая перегородка;

13 - конденсат;

14 - водяной трубопровод;

15 - насос с клапаном слива воды;

16 - форсунка с выходом во впускной трубопровод.

Работу устройства по изобретению можно проиллюстрировать примером.

Присадку воды в первичный воздух впускного трубопровода проводили с использованием дизеля ЯМЗ-240 автомобиля БелАЗ-540А.

Технический результат оценивали по снижению температура отработанных газов и изменению концентрации в них окислов азота NO_X.

Согласно устройству по изобретению (фиг.1) первичный воздух из атмосферы поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания 1 из устройства забора воздуха (не показано) по впускному трубопроводу 2 через нагнетатель (компрессор) 3. Отработанные газы, содержащие до 6 мас.% воды в виде пара, из двигателя поступают в выпускной трубопровод 4 и по нему - в верхнюю секцию 5 конденсатора.

Конденсатор выполнен единым из двух расположенных одна над другой секций. В верхней секции 5 конденсатора расположены трубы 6 глушителя с перепускными отверстиями (на фиг.1 не показаны). Данная секция 5, полноценно выполняя функции глушителя, служит для отбора части отработанных газов для конденсации из них воды. Взаимное расположение труб глушителя, их форма, а также форма, число и размер перепускных отверстий тождественны стандартному глушителю, используемому в автомобиле, например, представленному на фиг.2.

Для обеспечения отбора части отработанных газов для охлаждения часть перепускных отверстий, оптимальное число которых составляет 20-30%, соединены патрубками 7 с нижней секцией 8, выполняющей функции как охладителя, так и емкости для конденсата (хранения конденсата). Для этого к каждой трубе 6 глушителя, содержащей, например 60 перепускных отверстий, приваривается патрубок 7, перекрывающий по 18 отверстий в каждой, выход которого расположен в нижней секции 8. Направление движения отработанных газов в нижней секции 8 - охладителе показано стрелкой (фиг.1).

Для интенсификации конденсации воды из отработанных газов и обеспечения надежного слива конденсата 13 нижняя секция 8 выполнена с выпуклым днищем 9, снабженным снаружи ребрами 10, а также сливным отверстием 11 в нижней части. Также для интенсификации конденсации воды из отработанных газов верхняя секция 5 отделена от нижней секции 8 теплоизолирующей перегородкой 12, материалом для которой служил асбокартон КАОН-1 (ГОСТ 2850-95) толщиной 5 мм, армированный стальным каркасом.

Объем нижней секции 8, выполненной из сплава АЛ2 (ГОСТ 11069-74), составил 14 литров с производительностью около 10 кг конденсата в час. Высота ребер составила 45 мм, толщина - 2 мм, расстояние между ребрами - 11 мм.

Из указанной нижней секции 8 конденсат 13 по водяному трубопроводу 14 насосом 15 подается на форсунку 16, выход которой во впускной трубопровод 2 расположен перед входом нагнетателя 3. Такое взаимное расположение выхода форсунки 16 и входа нагнетателя 3 обеспечивает после впрыска воды форсункой 16 получение после нагнетателя 3 более мелкой и устойчивой водяной пыли, которая поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания 1, что дает большую эффективность от использования присадки воды.

Для обеспечения достижения максимальных параметров поставленного технического результата оптимальные режимы работы нагнетателя, насоса и форсунки задаются и регулируются электронным блоком управления. При этом следует отметить, что число управляемых элементов устройства по изобретению меньше числа управляемых элементов известного устройства аналогичного назначения.

Для обеспечения полного слива конденсата из устройства по изобретению при отрицательных температурах воздуха и неработающем двигателе насос дополнительно снабжен клапаном слива воды (не показан). Указанный клапан слива воды связан с электронным блоком управления и срабатывает при выключении двигателя или по отдельной команде.

Результаты эксплуатационных испытаний устройства по изобретению показали, что температура отработанных газов снижается на 20-50°С, а выделение окислов азота NO_X - в среднем на 30%. Пробег пяти автосамосвалов с устройством присадки воды по изобретению составил от 5000 до 20000 км. Проведенный на трех двигателях микрометраж деталей цилиндропоршневой группы при пробеге от 12000 до 20000 км снижения долговечности работы двигателя не выявил. Вместе с тем нагарообразование в цилиндрах уменьшилось в 2-3 раза.

При наработке 240 моточасов загрязненность масла дизеля, работающего с устройством присадки воды на впуске по изобретению, выше на 20-25 баллов, чем у контрольного дизеля. Разборка дизеля через 240 моточасов показала, что если днища поршней дизеля, работающего с устройством по изобретению, покрыты равномерным тонким слоем сажистых отложений, то днища поршней контрольного дизеля покрыты нагаром средней твердости. На головках цилиндров, верхних поясах гильз у дизеля, работающего с устройством по изобретению, количество нагара также меньше. Масса нагара на комплекте поршней дизеля с подачей воды на впуске составила 4 г (у контрольного дизеля - 8,4 г), т.е. снизалась более чем в 2 раза.

Таким образом, устройство по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: уменьшает число управляемых элементов и уменьшает температуру выхлопных газов, повышает надежность и долговечность работы двигателя, а также обеспечивает уменьшение содержания окислов азота в выхлопных газах и снижение расхода топлива на 30-40%.

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в автомобилестроении при проектировании и изготовлении систем подачи топлива и воздуха, а также глушителей выхлопа для двигателей внутреннего сгорания. Устройство содержит нагнетатель на впускном трубопроводе двигателя, конденсатор на выпускном трубопроводе двигателя с емкостью для конденсата, которая соединена через сливное отверстие водяным трубопроводом, включающим насос и форсунку, с впускным трубопроводом, причем выход форсунки расположен перед входом нагнетателя под некоторым углом, а конденсатор выполнен единым из двух расположенных одна над другой секций, разделенных теплоизолирующей перегородкой, причем в верхней секции расположены трубы глушителя с перепускными отверстиями, которые соединены патрубками с нижней секцией - емкостью для конденсата, выполненной с выпуклым днищем, снабженным снаружи ребрами. Такое выполнение позволяет упростить конструкцию устройства и уменьшить температуру выхлопных газов. 2 ил.

1. Устройство для присадки воды в первичный воздух, содержащее нагнетатель на впускном трубопроводе двигателя, конденсатор на выпускном трубопроводе двигателя с емкостью для конденсата, которая соединена через сливное отверстие водяным трубопроводом, включающим насос и форсунку, с впускным трубопроводом, отличающееся тем, что выход форсунки расположен перед входом нагнетателя, а конденсатор выполнен единым из двух расположенных одна над другой секций, разделенных теплоизолирующей перегородкой, причем в верхней секции расположены трубы глушителя с перепускными отверстиями, которые соединены патрубками с нижней секцией - емкостью для конденсата, выполненной с выпуклым днищем, снабженным снаружи ребрами.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубки соединяют с нижней секцией 20-30% перепускных отверстий труб глушителя.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что режимы работы нагнетателя, насоса и форсунки управляются электронным блоком управления.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что насос дополнительно снабжен клапаном слива воды из устройства, который управляется электронным блоком управления и срабатывает при выключении двигателя.