Способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК F02M21/02 F02B29/04 F02D19/08 B61C5/00 

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, конкретнее к способам подготовки к сжиганию аммиака и устройствам для подачи аммиака в трубопровод за турбокомпрессором перед впускным коллектором дизельного двигателя с турбо надувом.

Предложен способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя и устройство для его осуществления, которое обеспечивает необходимый расход аммиака с обеспечением однофазного жидкостного течения без специальных устройств регулирования параметров, обеспечение равномерной концентрации смеси воздуха и аммиака, а также уменьшение температуры рабочего тела за турбокомпрессором и тем самым увеличение мощности дизеля путем увеличения расхода воздуха в цилиндры.

В общем случае для дизельных двигателей в качестве альтернативных топлив применяют природный сжиженный газ, аммиак или спирты, а в качестве запальной дозы при этом - дизельное топливо.

Известен эжекторный смеситель воздуха и топлива, содержащий приемную камеру с соплом питания, сообщенную с камерой смешения и диффузором, имеющую радиальный канал подсоса с перекрывающим его входное сечение регулирующим элементом и регулятор давления газа перед соплом питания, причем канал подсоса выполнен в виде калиброванного отверстия, а перекрывающий его элемент выполнен в виде съемной заглушки, при этом в стенке приемной камеры выполнены дополнительные радиальные калиброванные отверстия, снабженные заглушками [патент РФ №2075339, МПК B01F 5/04, опубл. 20.03.97, БИ №8. Эжекторный смеситель газов / Жуков Б.П., Кожухов И.В. и др.].

Недостатком этого устройства является низкая эффективность перемешивания сред, сложная конструкция, а также значительные энергозатраты и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.

Известно перемешивающее устройство, содержащее напорный трубопровод и стаканообразный корпус с отверстиями, причем корпус установлен на конце трубопровода с возможностью вращения и состоит из двух стаканообразных частей, обращенных открытыми сторонами друг к другу, образуя одну полость, а отверстия, выполненные на цилиндрических элементах корпуса тангенциально к их внутренним поверхностям, имеют различное направление [патент РФ №2143945, МПК B01F 5/00, опубл. 10.01.2000, БИПМ №1. Перемешивающее устройство / Горшков Г.М., Горшков М.Г.].

Недостатком этого устройства также является низкая эффективность перемешивания сред, сложная конструкция и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.

Известно перемешивающее устройство, содержащее напорные трубопроводы и разъемный корпус с отверстиями, корпус выполнен многогранным, по оси корпуса имеется цилиндрическая камера закручивания, образованная внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, торцом корпуса и торцевой крышкой, закрепленной на корпусе, при этом на каждой грани корпуса выполнено не менее двух групп чередующихся тангенциально расположенных отверстий, в которых установлены штуцеры-жиклеры, соединенные с напорными трубопроводами подачи жидкости и газа соответственно, а отводящий трубопровод выполнен в виде выходного штуцера-сопла и установлен по оси в торце камеры. [патент РФ №2255796, МПК B01F 5/00, опубл. 10.07.2005. Перемешивающее устройство / Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д.].

Недостатком этого устройства является низкая степень перемешивания сред, неоднородная дисперсность и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является обеспечение необходимого расхода аммиака с обеспечением однофазного жидкостного течения без специальных устройств регулирования параметров, обеспечение равномерной концентрации смеси воздуха и аммиака, а также уменьшение температуры рабочего тела за турбокомпрессором и тем самым увеличение мощности дизеля путем увеличения расхода воздуха в цилиндры.

Согласно заявленному способу после запуска дизельного двигателя включают насос шестеренчатый с электрическим приводом для подкачки аммиака из емкости, вентилем регулировочным устанавливают давление аммиака перед основным жиклером на режимах пониженной мощности дизельного двигателя маневрового тепловоза, в том числе на 2-й, 3-й и 4-й позициях контроллера машиниста и в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 % устанавливают и контролируют давление по показаниям манометра, а на повышенных 5-й, 6-й, 7-й и 8-й позициях контроллера машиниста устанавливают и контролируют давление также в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 %, при этом открывается нормально закрытый клапан и аммиак поступает через основной жиклер и дополнительный жиклер.

Технический результат достигается тем, что устройство подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя, согласно изобретению, дополнительно содержит систему подачи аммиака, включающую жиклер основной, жиклер дополнительный, нормально закрытый клапан, манометр, вентиль регулировочный, насос шестеренчатый с электрическим приводом и емкость с аммиаком, при этом на режимах пониженной мощности дизельного двигателя подача аммиака в дизельный двигатель осуществляется через основной жиклер под давлением, устанавливаемым вентилем регулировочным, а на режимах повышенной мощности дизельного двигателя открывается нормально закрытый клапан и подача аммиака в дизельный двигатель осуществляется через основной жиклер и дополнительный жиклер.

В основу создания устройства подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя положены следующие положения:

- одним из условий при постановке задачи по созданию устройства было минимальное изменение штатной компоновки дизельного двигателя;

- с точки зрения получения оптимальных характеристик дизельного двигателя по вредным выбросам целесообразно стремиться выполнять замещение дизельного топлива аммиаком в диапазоне 40-60 % [1].

- аммиак подавать в жидком виде для исключения управления двух фазными процессами. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении составляет -33,43°С, при плюсовых температурах давление должно быть повышено [2].

На фиг. 1 приведена зависимость температуры кипения аммиака от давления.

В соответствии с зависимостью температуры кипения аммиака от давления получаем, что кипение аммиака при температуре 30°С происходит при давлении 12 атмосфер. Давление воздуха за компрессором равно 1,5 атм. С небольшим запасом принимаем перепад давления на отверстиях подачи аммиака ΔР = 10 кг/см². При меньших температурах воздуха за компрессором давление подачи аммиака моет быть снижено.

Доля оптимального замещение дизельного топлива аммиаком на каждом конкретном режиме работы дизельного двигателя и с учетом температуры воздуха за компрессором должна определяться путем расчетных оценок с учетом ограничений, приведенных выше.

Маневровые тепловозы эксплуатируются на режимах пониженной мощности, в том числе на 2-й, 3-й и 4-й позициях контроллера машиниста.

Для иллюстрации методики расчетной оценки рассмотрим вариант подачи аммиака за турбокомпрессором на номинальном режиме (8 позиция контроллера машиниста). В дизель поступает 1,7 кг/с воздуха с избыточным давлением давление 0,52 кг/см². Примем температуру воздуха на входе в компрессор t = 15°C или T = 288 K. Атмосферное давление 760 мм. рт. ст. или 1,033 кг/см², коэффициент полезного действия компрессора η_к = 0,78.

Потери полного давления на фильтре и канале подвода воздуха ко входу в компрессор турбокомпрессора равны σ = 0,95. С учетом потерь давление воздуха на входе в компрессор равно Р₁ = Р_н ⋅ σ = 1,033*0,95 = 0.981 кг/см².

Из таблицы π-i функции определяем при температуре воздуха T = 288 K энтальпия рана i₁ = 288 кДж/кг. Термодинамическая функция π(T) = 1,21.

Для определения параметров воздуха за компрессором используем π-i функции [3], которые построены с учетом изменения теплоемкости от температуры.

Выполнена оценки возможных параметров подачи аммиака во входной коллектор. Исходя из условий, которым должна соответствовать система, выбраны оптимальные параметры подачи аммиака, в том числе расход, давление и площадь проходных сечений отверстий устройства на низких режимах, например, на 2-й позиции контроллера машиниста. Далее без изменения площади отверстий на других режимах определена оптимальное значение давления и расхода аммиака, замещающего дизельное топлива.

На 2-й позиции при 50 % замещении дизельного топлива аммиаком необходимо подавать G_a = 0,009 кг/с при перепаде давления ΔР = 9,5 кг/см² через 2 отверстия диаметром d = 0,44 мм общей площадью f = 0,3 мм².

На 8-й позиции для замещения 50 % дизельного топлива необходимо подавать G_a = 0,0596 кг/с. Для обеспечения такого расхода через отверстия площадью f = 0,3 мм² необходимо создать перепад давления ΔР = 416,6 кг/см², а при замещения 10 % дизельного топлива необходимо подавать G_a = 0,0119 кг/с. Следовательно без изменения площади проходных сечений отверстий обеспечить замещение дизельного топливо аммиаком в необходимом диапазоне на всех режимах дизельного двигателя не возможно.

Необходимо на пониженных режимах мощности на 2-й, 3-й и 4-й позициях контроллера машиниста для замещения 50 % дизельного топлива аммиак подавать через отверстия общей площади f = 0,95 мм², при этом давление подачи будет изменяться соответственно с 9,5 до 45 кг/см². На повышенных 5-й, 6-й, 7-й и 8-й позициях контроллера машиниста аммиак целесообразно подавать через отверстия общей площади f = 0,3 мм², при этом давление подачи будет изменяться соответственно с 9,5 до 43 кг/см².

На фиг. 2 приведены по позициям контроллера зависимости расходов аммиака для замены 50 % дизельного топлива и давления подачи аммиака при двух размерах отверстий.

При работе тепловоза замещение части дизельного топлива аммиаком возможно путем изменения площади проходных сечений жиклеров в системе подачи аммиака с минимальными издержками. На позициях контроллера от 5 до 8 необходимо аммиак подавать через жиклер с эквивалентной площадью отверстий f = 0,95 мм². На позициях контроллера машиниста от 2 до 4 необходимо подключать жиклер, который обеспечит площадь проходного сечения f = 0,3 мм².

На фиг. 3 представлено устройство для подачи и смешения с воздухом аммиака перед подачей в цилиндры двигателя.

Устройство смонтировано на двигатель дизельный 1, который содержит коллектор выпускной 2, турбину турбокомпрессора 3, компрессор турбокомпрессора 4 и коллектор впускной 5. Устройство для подачи и смешения с воздухом аммиака перед подачей в цилиндры двигателя содержит жиклер основной 6, жиклер дополнительный 7, нормально закрытый клапан 8, манометр 9, вентиль регулировочный 10, насос шестеренчатый 11 и емкость с аммиаком 12.

Устройство для подачи и смешения с воздухом аммиака перед подачей в цилиндры дизельного двигателя работает следующим образом.

После запуска дизельного двигателя включают насос шестеренчатый 11 с электроприводом для подкачки аммиака из емкости с аммиаком. Перепускная система условно не показана. Вентилем регулировочном 10 устанавливают давление аммиака перед жиклером 6 на 2-й, 3-й и 4-й позициях контролера машиниста в соответствии с зависимостью на фиг. 2 и контролируемого по показаниям манометра 9. На повышенных 5-й, 6-й, 7-й и 8-й позициях контроллера машиниста давление также устанавливают в соответствии с зависимостью на фиг. 2, при этом открывают нормально закрытый клапан 8 и аммиак поступает через жиклер основной 6 и жиклер дополнительный 7.

Способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя и устройство для его осуществления обеспечивает равномерную концентрацию смеси воздуха и испаренного аммиака и, тем самым равномерную тепловую нагрузку по цилиндрам дизеля.

На фиг. 4 приведены расчетные поля концентраций аммиака при подаче во входной коллектор на расстоянии 7 см (а) и 35 см (б).

Расчетная неравномерность концентрации аммиака по сечению канала на расстоянии 35 см от устройства выравнивается и составляет не более 0,2 %.

Расчетные термодинамические оценки также показывают, что температура рабочего тела (смесь воздуха и аммиака) после турбокомпрессора равна 284 К или 11°С, т.е. смесь остыла на 47°С. При этом охладитель воздуха за турбокомпрессором не требуется.

Источники информации:

1. Климентьев А.Ю., Климентьева А.А. Аммиак - перспективное моторное топливо для без углеродной экономики. [Текст] // «Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (57) / 2017 г.

2. ГОСТ 6221-90. Аммиак, сжиженный безводный. Технические требования [Текст]. - Введ. 91-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2011. 27 с.

3. Термогазодинамический расчет газотурбинных силовых установок. - М.: «Машиностроение», 1973. - 144 с.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи дизельных двигателей внутреннего сгорания. Предложены способам сжигания аммиака и устройствам для смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя. Предложено устройство подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя включающее жиклер основной 6, жиклер дополнительный 7, нормально закрытый клапан 8, манометр 9, вентиль регулировочный 10, насос шестеренчатый 11 с электрическим приводом и емкость с аммиаком 12. На режимах пониженной мощности дизельного двигателя подача аммиака в дизельный двигатель 1 осуществляется через основной жиклер 6 под давлением, устанавливаемым вентилем регулировочным 10, а на режимах повышенной мощности дизельного двигателя открывается нормально закрытый клапан 8 и подача аммиака в дизельный двигатель 1 осуществляется через основной жиклер 6 и дополнительный жиклер 7. Подача аммиака в дизельный двигатель осуществляется в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 %. Технический результат - обеспечение равномерной концентрации смеси воздуха и аммиака, а также уменьшение температуры рабочего тела за турбокомпрессором и тем самым увеличение мощности дизельного двигателя путем увеличения расхода воздуха в цилиндры. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя заключается в том, что после запуска дизельного двигателя включают насос шестеренчатый с электрическим приводом для подкачки аммиака из емкости, вентилем регулировочным устанавливают давление аммиака перед основным жиклером на режимах пониженной мощности дизельного двигателя маневрового тепловоза, в том числе на 2-й, 3-й и 4-й позициях контроллера машиниста и в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 % устанавливают и контролируют давление по показаниям манометра, а на повышенных 5-й, 6-й, 7-й и 8-й позициях контроллера машиниста устанавливают и контролируют давление также в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 %, при этом открывается нормально закрытый клапан и аммиак поступает через основной жиклер и дополнительный жиклер.

2. Устройство подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя, содержащего коллектор выпускной, турбину турбокомпрессора, компрессор турбокомпрессора и коллектор впускной, отличающееся тем, что устройство содержит систему подачи аммиака, включающую жиклер основной, жиклер дополнительный, нормально закрытый клапан, манометр, вентиль регулировочный, насос шестеренчатый с электрическим приводом и емкость с аммиаком, при этом на режимах пониженной мощности дизельного двигателя подача аммиака в дизельный двигатель осуществляется через основной жиклер под давлением, устанавливаемым вентилем регулировочным, а на режимах повышенной мощности дизельного двигателя открывается нормально закрытый клапан и подача аммиака в дизельный двигатель осуществляется через основной жиклер и дополнительный жиклер.