СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО СИНТЕЗ-ГАЗА ВО ВПУСКНОЙ КОЛЛЕКТОР ДВС Российский патент 2023 года по МПК F02B43/00 F02M25/10 F02M25/12 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в производстве и эксплуатации дизельных поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств.

Применение водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и поэтапный переход к водородной энергетике является перспективным и приоритетным направлением научно-технического прогресса, но применение с этой целью чистого водорода затрудняется по причине сложности создания соответствующей инфраструктуры, обеспечивающей транспортировку и хранение газообразного водородного топлива, а также по причине необходимости кардинального изменения конструкции энергетических установок. Поэтому наиболее целесообразным является получение водородсодержащего синтез-газа непосредственно на борту транспортного средства и его подача во впускной коллектор традиционного ДВС в определенной пропорции по отношению к массе жидкого топлива (для дизеля от 5 до 10%) к основному топливу. В этом случае особую актуальность приобретает автоматизация процессов управления подачей водородсодержащего синтез-газа.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания и система управления подачей водородсодержащего конвертированного топлива для его реализации (см. патент РФ №2240437, МПК F02M 25/022, F02B 43/08), содержащая редуктор, электромагнитные клапаны, дозаторы подачи углеводородного топлива в систему впуска ДВС и в каталитический конвертор, дозатор подачи воздуха в каталитический конвертор, дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной тракт ДВС, датчик фаз, датчик положения дроссельной заслонки, датчик массового расхода воздуха и расхода водородсодержащего синтез-газа, датчик содержания кислорода в отработавших газах, датчики температуры, блок управления двигателем, устройство предварительного подогрева каталитического конвертора.

Недостатками данной системы управления подачей топлива являются невозможность ее применения на дизельных двигателях внутреннего сгорания, так как тяжелое дизельное топливо требует предварительного нагрева и испарения для обеспечения его частичной конвертации в водородсодержащий синтез-газ, а также невозможность обеспечения оперативного управления подачей необходимого количества конвертированного топлива в зависимости от режима работы двигателя и положения органа управления подачей топлива по причине инерционности каталитического конвертора. Кроме того, предлагаемые способ работы двигателя и система управления подачей топлива основаны на реализации автотермического парциального окисления углеводородного топлива, которое неприменимо для массового использования в каталитических конверторах жидкого дизельного топлива по причине сложности поддержания оптимальной температуры и обеспечения долговечности катализатора. Как показали экспериментальные исследования, более предпочтительным для дизелей является использование паровоздушной конверсии дизельного топлива.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система питания двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом (см. патент РФ №179096, МПК F02B 43/08, F02M 25/10, F02M 25/12), содержащая топливный бак, соединенный посредством топливоподкачивающего насоса с системой впуска топлива, клапан-дозатор топлива, каталитический конвертор, соединенный посредством впускного клапана с системой впуска топлива и включающий испаритель топлива, теплообменник и воздушный компрессор, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя и температуры каталитического элемента, топливный насос высокого давления, имеющий рейку и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, подключенный к блоку управления подачей конвертированного топлива.

Недостатком данной системы питания и управления подачей водородсодержащего синтез-газа являются сложность обеспечения оперативного управления подачей необходимого количества конвертированного топлива в зависимости от режима работы двигателя и положения органа управления подачей топлива по причине инерционности каталитического конвертора, сложность поддержания оптимальной температуры и обеспечения долговечности катализатора и неприспособленность для реализации паровоздушной конверсии жидкого дизельного топлива.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности эксплуатации системы управления подачей водородсодержащего синтез-газа путем оперативного управления подачей необходимого количества конвертированного топлива и обеспечения возможности реализации управления паровоздушной конверсией жидкого дизельного топлива, способствующей поддержанию оптимальной температуры и повышению долговечности каталитического элемента.

Для решения поставленной задачи система управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС, содержащая клапан-дозатор подачи жидкого топлива из топливного бака, клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор, датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, датчик положения органа управления подачей топлива, датчик частоты вращения коленчатого вала ДВС, датчик температуры каталитического элемента и блок управления, снабжена накопителем синтез-газа, клапаном-дозатором подачи воды из резервуара в парогенератор, датчиком температуры пара, клапаном-дозатором подачи перегретого пара, клапаном-дозатором подачи воздуха, обеспечивающих паровоздушную конверсию жидкого углеводородного топлива и устройством остановки двигателя.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема работы системы управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС.

Система управления состоит из клапана-дозатора подачи жидкого топлива 1 из топливного бака 2, накопителя синтез-газа 3, выполненного в виде герметичной емкости, клапана-дозатора подачи водородсодержащего синтез-газа 4 во впускной коллектор двигателя, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 5, датчика положения органа управления подачей топлива 6, датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС 7, датчика температуры 8 каталитического реактора 9, включающего испаритель 10 и конденсатор 11, подключенный к системе охлаждения ДВС, блока управления подачей конвертированного топлива 12, клапана-дозатора подачи воды 13 из резервуара 14 в парогенератор 15, датчика температуры пара 16, клапана-дозатора подачи перегретого пара 17, клапана-дозатора подачи воздуха 18 и устройства остановки двигателя 19. Блок управления 12 электрически связан с входами клапана-дозатора подачи жидкого топлива 1, клапана-дозатора подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4, клапана-дозатора подачи воды 13, клапана-дозатора подачи перегретого пара 17, клапана-дозатора подачи воздуха 18 и с выходами датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 5, датчика положения органа управления подачей топлива 6, датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС 7, датчика температуры каталитического элемента 8 и датчика температуры пара 16. Выходы блока управления 12 соединяются также с входом устройства остановки двигателя 19 и с нагревательными элементами испарителя каталитического реактора 10 и парогенератора 15.

При монтаже системы управления подачей водородсодержащего синтез-газа клапан-дозатор подачи жидкого топлива 1 устанавливается в трубопровод, соединяющий топливный бак 2 с испарителем жидкого топлива 10, клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа 4 устанавливается в трубопровод, соединяющий накопитель синтез-газа 3 с впускным трубопроводом ДВС, датчик положения рейки топливного насоса высокого давления 5 и датчик положения органа управления подачей топлива 6 закрепляются соответственно на топливной рейке и органе управления подачей топлива ТНВД, датчик частоты вращения коленчатого вала 7 устанавливается на шкиве ДВС. Датчик температуры 8 устанавливается в корпусе каталитического реактора 9, датчик температуры пара 16 - в корпусе парогенератора 15. Блок управления 12 закрепляется в моторном отсеке транспортного средства. Клапан-дозатор подачи воды 13 монтируется на трубопроводе, соединяющим резервуар для воды 14 с парогенератором 15, клапан-дозатор подачи перегретого пара 17 устанавливается на выходе из парогенератора в каталитический реактор, клапан-дозатор подачи воздуха 18 соединяется с входом каталитического реактора. Устройство остановки двигателя 19 монтируется на органе управления подачей топлива топливного насоса высокого давления.

Система управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС работает следующим образом. После запуска двигателя сигнал от датчика частоты вращения коленчатого вала 7 поступает на блок управления 12, который открывает клапан-дозатор 1 для подачи пусковой порции жидкого топлива в испаритель каталитического реактора 10, а также клапан-дозатор 13 для подачи воды из резервуара 14 в парогенератор 15. Одновременно подается питание на электрические нагревательные элементы испарителя каталитического реактора 10 и парогенератора 15. Испаритель 10 разогревает парами дизельного топлива каталитический элемент каталитического реактора до рабочей температуры, а в парогенераторе 15 образуется перегретый пар, при этом двигатель внутреннего сгорания работает полностью на жидком дизельном топливе. При получении сигналов от датчика температуры каталитического элемента 8 и датчика температуры пара 16 о достижении рабочих температур блок управления 12 включает постоянную подачу жидкого топлива клапаном-дозатором 1 в испаритель каталитического реактора, подачу перегретого пара клапаном-дозатором 17 и подачу воздуха из атмосферы либо от нагнетателя клапаном-дозатором 18, тем самым обеспечивая переход каталитического реактора в режим каталитической конвертации жидкого углеводородного топлива в водородсодержащий синтез-газ. Полученная в результате каталитического риформинга смесь синтез-газа и водяных паров поступает в подключенный к системе охлаждения ДВС конденсатор 11, в котором происходит разделение водяных паров, возвращаемых в виде конденсата в резервуар для воды 14, и водородсодержащего синтез-газа в накопитель 3.

Частичное замещение основного жидкого дизельного топлива водородсодержащим синтез-газом экономически целесообразно только при работе ДВС с полезной внешней нагрузкой, поэтому при переходе двигателя в нагрузочный режим блок управления 12, получая информацию о наличии внешней нагрузки от датчиков положения рейки топливного насоса высокого давления 5, положения органа управления подачей топлива 6 и частоты вращения коленчатого вала 7, открывает клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа 4 во впускной коллектор ДВС. Клапан-дозатор 4 и накопитель синтез-газа 3 обеспечивают оперативность управления подачей необходимого количества конвертированного топлива. В дальнейшем согласно, заложенной в процессор блока управления 12, программе выработка водородсодержащего синтез-газа производится путем управления одновременной подачей клапанами-дозаторами 1, 17 и 18 в каталитический реактор дизельного топлива, перегретого пара и атмосферного воздуха в соответствующих пропорциональных соотношениях. При снижении количества циркулирующей в парогенераторе воды ее уровень пополнятся путем включения клапана-дозатора подачи воды 13 из резервуара 14. Количество подаваемого из накопителя во впускной коллектор водородсодержащего синтез-газа регулируется в зависимости от положения датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 5 клапаном-дозатором подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4, управляемым согласно заданной пропорции блоком управления 12. Таким образом достигается улучшение экологических и экономических характеристик двигателя внутреннего сгорания. Переход двигателя в режим холостого хода, фиксируемый датчиком положения рейки топливного насоса высокого давления 5, вызывает отключение блоком управления 12 клапана-дозатора подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4. При этом фиксируемое датчиком 5 перемещение органа управления подачей топлива в сторону увеличения подачи топлива при отсутствии внешней нагрузки без существенного перемещения рейки топливного насоса высокого давления не вызывает включение клапана-дозатора подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4. При необходимости остановки двигателя оператором машины, в блок управления 12 поступает сигнал об этом от датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 5 и датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС 7, в результате чего происходит отключение клапанов-дозаторов подачи дизельного топлива, перегретого пара и атмосферного воздуха 1, 17 и 18, а также отключение нагревательных элементов испарителя 10 каталитического реактора 9 и парогенератора 15. При этом для выработки остатков водородсодержащего синтез-газа клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4 остается открытым и устройство остановки двигателя 19 не позволяет в течение заданного времени, например, от 5 до 7 минут, переместить рейку ТНВД в положение полного прекращения подачи топлива. После истечении заданного временного интервала устройство остановки двигателя 19 отключается, и подача топлива полностью прекращается, клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор 4 закрывается.

Заявленная система управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС в сравнении с прототипом позволяет обеспечить возможность реализации паровоздушной конверсии жидкого дизельного топлива в водородсодержащий газ, способствующей поддержанию оптимальной температуры и повышению долговечности катализатора, и оперативность управления подачей необходимого количества конвертированного топлива.

Использование накопителя синтез-газа, клапана-дозатора подачи воды из резервуара в парогенератор, датчика температуры пара, клапана-дозатора подачи перегретого пара, клапана-дозатора подачи воздуха и устройства остановки двигателя обеспечивает одновременную подачу жидкого топлива в цилиндры ДВС и оперативное управление подачей полученного путем паровоздушной конверсии водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор двигателя в необходимых для эффективного использования добавок водорода при данном режиме работы пропорциях, что позволяет обеспечить оптимальную температуру и повысить долговечность каталитического элемента.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Система управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС состоит из клапана-дозатора подачи жидкого топлива (1) из топливного бака (2), накопителя синтез-газа (3), клапана-дозатора подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор ДВС (4), датчика положения рейки топливного насоса высокого давления (5), датчика положения органа управления подачей топлива (6), датчика частоты вращения (7) коленчатого вала ДВС, датчика температуры (8) каталитического реактора (9) с испарителем (10) и конденсатором (11), блока управления подачей конвертированного топлива (12), клапана-дозатора подачи воды (13) из резервуара (14) в парогенератор (15), датчика температуры пара (16), клапана-дозатора подачи перегретого пара (17), клапана-дозатора подачи воздуха (18) и устройства остановки двигателя (19). Изобретение позволяет обеспечить оперативность управления подачей необходимого количества конвертированного топлива и возможность реализации паровоздушной конверсии жидкого дизельного топлива в водородсодержащий газ, способствующей поддержанию оптимальной температуры и повышению долговечности катализатора. 1 ил.

Система управления подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащая клапан-дозатор подачи жидкого топлива из топливного бака, клапан-дозатор подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор, каталитический реактор, соединенный посредством впускного клапана с системой впуска топлива, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения рейки топливного насоса высокого давления, положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала ДВС и температуры каталитического элемента, отличающаяся тем, что она снабжена накопителем синтез-газа, соединенным с впускным коллектором ДВС, клапаном-дозатором подачи воды из резервуара в парогенератор, датчиком температуры пара в парогенераторе, клапанами-дозаторами подачи перегретого пара и воздуха в каталитический реактор и устройством остановки двигателя, подсоединенными к блоку управления.