Способ работы двигателя внутреннего сгорания с жидкостной системой охлаждения Советский патент 1992 года по МПК F02B47/10 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано при проектировании энергоустановок подводных аппаратов для работы в погруженном положении, а также аварийно-спасательных средств в горнодобывающей промышленности и специальной техники для проведения аварийно-восстановительных работ в условиях аномального состояния атмосферы или замкнутых объемов

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, при котором его отработавшие газы (ОГ) охлаждают путем кон- такта с жидким хладагентом для конденсации паров воды, очищают от двуокиси углерода раствором абсорбента, обогащают кислородом и подают на впуск (в камеру сгорания) двигателя для сжигания топлива. Для реализации способа запасается абсорбент и газообразный кислород.

Недостатками способа являются большие габариты вспомогательных систем для его реализации, сложность и, вследствие этого, низкая надежность системы управления процессами, повышенная взрыве- и ложа роопасность.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, по которому ОГ двигателя охлаждают неконтактным способом в рекуперативном теплообменнике с целью конденсации водяных паров и вводят в контакте твердым кислородоносителем для поглощения двуокиси углерода и выделения кислорода для пополнения ОГ перед подачей в двигатель для получения искусственной газовой смеси (ИГС). Регулирование концентрации кислорода в И ГС осуществляют изменением количества ОГ, вводимых в контакте кислородоносителем, по сигналу о концентрации кислорода на впуске двигателя.

v| v4 00 OJ CJ СО

Недостатками способа являются его низкая надежность вследствие невозможности качественногоуправления процессом получения кислорода из твердого кислоро- доносителя в переходных режимах ввиду большой инерционности газового тракта и анализатора кислорода, а также повышенная взрыво- и пожароопасность вследствие возможности работы двигателя на И ГС с пониженными концентрациями кислорода при набросах нагрузки и повышенными- при его сбросах.

Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания с системой рецир- куляции выхлопных газов, принятый авторами за прототип, по которому отработавшие газы охлаждаются и как минимум часть отработавших газов двигателя направляется в компрессор для сжатия, последующего охлаждения в холодильнике и удаления из их состава СОа в жидкой фазе в сепараторе. Отработавшие газы, свободные от С02. смешивают с испарившимся из емкости кислородом и подают в контрольный клапан и далее смешивают с остальными отработавшими газами, подогревают в подогревателе и подают во впускной коллектор ДВС. Углеводородное топливо подают в двигатель из емкости через расходомер, который выдает сигнал, соответствующий расходу топлива, на контроллер. На последний поступает также сигнал с датчика, соответствующий содержанию кислорода в газовой смеси. Контроллер регулирует расход кислорода в соответствии с расходом топлива.

К недостаткам способа следует отнести следующее.

Низкая эффективность способа в результате получения газообразного кислорода путем его испарения из жидкого состояния, требующего значительных затрат энергии на охлаждение запасов сниженного кислорода, наличие утечек при хранении, возможность воспламенения в помещении хранения при достижении в нем повышенных концентраций кислорода, а также охлаждение газовой смеси после смешения с кислородом; низкая эффективность способа в результате затрат энергии на обработку как минимум части отработавших газов, обусловленную сжатием ее в компрессоре с последующим охлаждением и удалением С0,г из системы; низкая эффективность способа вследствие невозможности качественного управления процессом получения газообразного кислорода из сжиженного состояния в переходных режимах ввиду большой инерционности резервуара с запасом жидкого кислорода и необходимости ресивера газообразного кислорода повышенной емкости с целью сглаживания пульсаций давления в нем; отсутствие быстродействующего датчика анализатора кислорода снижает эффективность способа вследствие возможных значительных отклонений от нормы концентрации кислорода в газовой смеси.

Целью изобретения является повыше0 ние эффективности способа.

Поставленная цель достигается тем, что

кислород получают в реакционном объеме

путем смешивания твердого кислородоносителя и нагретой воды из жидкостной сис5 темы охлаждения с образованием газообразного кислорода и твердой фазы, последние вводят в контакт с отработавшими газами, отделяя и удаляя твердую фазу, а газовую смесь охлаждают оставшейся ча0 стью нагретой воды из системы охлаждения, причем подачу кислородоносителя и нагретой воды из системы охлаждения осуществляют дозированно в зависимости от концентрации кислорода в отработавших

5 газах и нагрузки на двигатель двумя противоположно движущимися потоками.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Для получения газообразного кислоро0 да твердый кислородоноситель разлагают в реакционном обьеме гидролитическим способом, используя для этого часть потока воды, охлаждающей двигатель. Воду в реакционный объем подают равномерно

5 распределенными восходящими потоками в количестве, обеспечивающем полное разложение необходимого для данной нагрузки количества кислородоносителя по стехио- метрическому уравнению и удаление про0 дуктов реакции нисходящими потоками под действием образующегося в реакционном обьеме давления кислорода и сил гравитации, а твердый кислородоноситель(ТКН) - нисходящим потоком под действием сил

5 гравитации по мере его расходования. Образовавшиеся твердые и газообразные продукты реакции по мере удаления из реакционного объема вводят в контакт с высокотемпературными ОГ двигателями, хи0 мически связывая при этом двуокись углерода и, частично поглощая, содержащуюся в продуктах сгорания влагу. Затем от ОГ отделяют твердую фазу, а газовую фазу, включающую кислород, наполнитель ИГС и

5 оставшийся водяной пар, охлаждают контактным способом оставшейся частью потока охлаждающей двигатель воды, понижая температуру газовой смеси до заданного значения и конденсируя содержащуюся в ней влагу. После этого газовую смесь подают на впуск двигателя, а отработавшую воду и конденсат возвращают в систему охлаждения. Расход воды на разложение ТКН корректируют дополнительно по концентрации кислорода в ОГ после дизеля.

Применительно к конкретному виду ТКН, например надпероксиду калия (KCte). реакции получения газообразного кислорода и химического связывания двуокиси углерода реализуются по следующим стехиометрическим уравнениям:

2 К02 + Н20 2 КОН + 3/2 02,(1)

2 КОН + С02 - К2СОз пН20 + Н20. (2)

На чертеже показана установка, реализующая предлагаемый способ.

Установка включает двигатель 1 с электрогенератором 2, выпускной коллектор 3, смеситель 4. выходной патрубок 5 реактора 6 с присоединены к последнему бункером 7, сепаратор 8, трубопровод 9 удаления твердой фазы, бункер 10 для сбора твердой фазы, трубопровод 11 искусственной газовой смеси, контактный охладитель 12, форсунку 13, циркуляционный насос 14 воды внутреннего контура охлаждения двигателя, охладитель 15 воды внутреннего контура, трубопровод 16 подвода охлажденной воды в двигатель, трубопровод 17 подвода воды к реактору, регулятор расхода воды 18, датчик нагрузки 19, датчик анализатора кислорода 20, топливный бак 21 с трубопроводом 22 подвода топлива к двигателю.

Установка работает с использованием К02 следующим образом.

Отработавшие газы двигателя 1, работающего с определенной нагрузкой, измеряемой датчиком нагрузки 19 на электрогенераторе 2, направляются по выпускному коллектору 3 к одному из входов смесителя 4. К второму входу смесителя 4 через трубопровод 5 из реактора 6 направляется смесь газообразного кислорода и твердой фазы (щелочи). Количество кислорода и щелочи определяется величиной нагрузки на двигатель 1 и корректируется датчиком анализатора кислорода 20 в отработавших газах двигателя 1 и регулируется количеством воды, поступившей в реактор б через регулятор расхода воды 18. Твердый кислородоноситель из бункера 7 поступает в реактор 6 под действием сил гравитации по мере расходования его в реакторе 6. Продукт ы разложения ТКН, имеющие температуру свыше 100°С, вводятся в ускоренный до 120 м/с поток горячих (150...550°С) отработавших газов. В результате смешивания образуется развитая поверхность контакта фаз и осуществляется в соответствии с уравнением (2) поглощение углекислого газа и других продуктов сгорания из состава отработавших газов, а также, частично, и паров воды. В сепараторе 8 происходит отделение и удаление в бункер 10 твердой фазы от искусственной газовой смеси, обогащенной 5 в смесителе 4 кислородом. После этого ИГС в контактном охладителе 12 охлаждается до требуемой температуры основным потоком воды через форсунку 13 из системы охлаждения и забирается на всасывание двигате0 ля. Нагретая вода из контактного охладителя 12 забирается циркуляционным насосом 14, кинематически связанным с коленчатым валом двигателя, и направляется в систему охлаждения двигателя. Нагретая

5 вдаигателе вода направляется потрубопро- воду 16 через охладитель 15 к контактному охладителю 12, а оставшаяся часть воды направляется по трубопроводу 17 к регуля0 тору расхода воды 18 и далее к реактору 6. Согласно уравнениям (1) и (2) в результате химических реакций и с учетом воды, образующейся при сжигании органического топ- лива, подаваемого в двигатель из

5 топливного бака 21 по трубопроводу 22,воды в газовом контуре образуется несколько больше, чем расходуется на разложение ТКН в реакторе 6. Избыток воды удаляется в бункер-10 в виде кристаллогидратов К2СОз

0 n H20.

Таким образом, в газовом и жидкостном контурах сохраняется материальный баланс, обеспечивающий устойчивость и эффективность работы двигателя. Повышение

5 эффективности способа достигается также в результате получения газообразного кислорода из твердых кислородоносителей, обладающих малой инерционностью при смешивании их с горячей водой; отделения

0 и удаления С02 в химически связанном виде, требующем значительно меньших затрат энергии: регулируемого водой в зависимости от нагрузки процесса разложения ТКН с коррекцией ее расхода по кон5 центрации кислорода в отработавших газах двигателя.

Формула изобретения

Способ работы двигателя внутреннего 0 сгорания с жидкостной системой охлаждения путем впуска в цилиндр свежего заряда, состоящего из топлива и искусственной газовой смеси, содержащей кислород, сжатия, сгорания и выпуска из цилиндра 5 отработавших газов, причем искусственную газовую смесь получают очисткой от углекислого газа и водяных паров отработавших газов и их обогащения кислородом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, кислород получают в реакционном объеме путем смешивания твердого кислородоносителя и нагретой воды из жидкостной системы охлаждения с образованием газообразного кислорода и твердой фазы, последние вводят в контакт с отработавшими газами, отделяя и удаляя твердую фазу, а газовую смесь охлаждают оставшейся частью нагретой йоды из системы охлаждения, причем подачу кислородоносителя и нагретой воды из системы охлаждения осуществляют дозированно в зависимости от концентрации кислорода в отработавших газах и нагрузки на двигатель двумя противоположно движущимися потоками.

Сущность изобретения заключается в следующем. Кислород получают в реакционном объеме путем смешивания твердого кислородоносителя и нагретой воды из жидкостной системы охлаждения с образованием газообразного кислорода и твердой фазы, последние вводят в контакт с отработавшими газами, отделяя и удаляя твердую фазу, а газовую смесь охлаждают оставшейся частью нагретой воды из системы охлаждения, причем подачу кислородоносителя и нагретой воды из системы охлаждения осуществляют дозированно в зависимости от концентрации кислорода в отработавших газах и нагрузки на двигатель двумя противоположно движущимися потоками. 1 ил.