Способ питания двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1975 года по МПК F02M21/00 F02M27/02 F02B43/08 

1

Изобретение относится к двигателестроению

Известны способы питания двигателя внутреннего сгорания путем смешения жидкого топлива с кислородсодержащим газом, преимущественно углекислым газом, с последующей подачей образовавшейся смеси в нагретый каталитический реактор для получения смеси газов, имеющий окись углерода, смешения иоследней с атмосферным воздухом и подачи образовавшегося заряда в двигатель для сжигания и совершения полезной работы.

Цель изобретения - снижение токсичности отработавших газов и использование низкооктановых топлив. Предлагаемый способ обеспечивает достижение этой цели.

По предлол енному способу питания топливо, освобожденное от токсичных веществ, например присадок, перед смешением с кислородсодержащим газом испаряют с добавлением атмосферного воздуха для получения после реактора смеси, имеющей метан, а температуру в реакторе поддерживают в пределах 300-500°С.

Смесь паров топлива, кислородсодержащего газа и воздуха пропускают через никелевый, платиновый или платиново-никелевый реактор.

Кроме того, жидкое топливо испаряют путем подвода тепла от отработавших газов двигателя, а в качестве кислородсодержащего газа используют отработавшие газы двигателя.

На чертеже изображена схема системы питания двигателя внутреннего сгорания, работающей по предложенному способу.

В системе питания жидкое топливо, освобожденное от токсичных веществ, например присадок, подается насосом 1 по трубопроводу 2 в испаритель 3. Оттуда образовавшиеся пары топлива направляются в смеситель 4, где

происходит их смешение с кислородсодержащим газом, подаваемым по трубопроводу 5, и атмосферным воздухом, подаваемым по трубопроводу 6. Кислородсодержащим газом являются углекислый газ и отработавшие газы

двигателя 7.

Образовавшаяся в смесителе 4 смесь паров топлива, отработавших газов и воздуха по трубопроводу 8 подается в нагретый каталитический реактор 9, имеющий каталитические

иористые спеченные элементы 10 с примерно параллельными проходными каналами 11, выполненными на некотором расстоянии один относительно другого.

В реакторе 9 эта смесь превращается в смесь газов, содержащую окись углерода и метан.

Выходящая из реактора 9 смесь перемешивается в смесителе 12 с вторичным воздухом, поступающим по трубопроводу 13, а образовавшийся заряд направляется по трубопроводу 14 в двигатель 7 для сжигания и соверщения работы. Отработавшие газы двигателя 7 по трубопроводу 15 подаются в теплообменник 16 реактора 9. Из теплообменника 16 отработавшие газы по трубопроводу 17 подаются в трубопровод 5 и в трубопровод 18, подключенный к теплообменнику 19 испарителя 3. Из теплообменника 19 отработавшие газы по трубопроводу 20 направляются в атмосферу, а по трубопроводу 5 - в смеситель 4.

Жидкое топливо не должно иметь токсичных веществ. Таким топливом может быть прямогонный бензин.

Например, если применяется прямогонный бензин со средней химической формулой СуНи (в нем также могут содержаться гексан и гептан), то после смешения и испарения паров и смешения их с атмосферным воздухом и отработавщими газами в реакторе 9 происходит слабо экзотермическая реакция; С,Н,, + CO,+H,0+6N, + 1,50,+6N, -

атмосферный возотработавщие газы (1,83 л) дух (1,71 л)

- 4CH,+2CO+2CQ,+12N, +

смесь газов (4,57 л)

+ ОКОЛО 29 ккал1моль топлива.

Иосле смешения с вторичным воздухом в двигателе 7 при сгорании происходит следующая реакция:

4CH4+2CO+2COj+12Na + 9Oa+36N,

смесь газов (4,57 л)

атмосферный воздух (0,29 л)

- 8CO,+8H,,O-f 48N2

отработавшие газы (14,63 л)

Таким образом, в двигателе из 65 об. ч. смеси, выходящей из реактора, и вторичного воздуха образуется 64 об. ч. отработавших газов, а температура сгорания достигает примерно 1765°С.

Как видно из вышеописанного, пары топлива смешиваются с атмосферным воздухом и отработавщими газами, которые должны иметь соотношение, примерно равное 1 : 1. Соотнощение между атмосферным воздухом и отработавшими газами может быть и другим.

Смесь, выходящая на реактора, должна смешиваться с вторичным воздухом, поступающим в таком количестве, чтобы обеспечивать более полное сгорание.

При обычном сгорании такого жидкого топлива в двигателе получается 56 об. ч. отработавших газов при температуре 1990°С. Компенсацию снижения получаемой мощности можно достигнуть повышением степени сжатия двигателя, так как смесь, выходящая из реактора, имеет октановое число около 110.

При предложенном способе питания вследствие невысокой температуры сгорания и увеличения полноты сгорания снижается токсичность отработавших газов, так как они содержат меньше окиси углерода.

Согласно предложенному способу из жидкого топлива, отработавших газов и атмосферного воздуха в реакторе 9 получается газовая смесь, содержащая окись углерода и метан.

Временно могут образовываться другие горючие газы, как например водород, однако они все преобразуются в метан. Температуру в реакторе поддерживают в пределах 300- 500°С для образования метана, а также для

обеспечения активности катализатора. При более низких температурах (примерно 150°С) реакция преобразования в метан, хотя и происходит, но при этом в выходящей из реактора 9 смеси количество углекислого газа увеличивается, а количество метана, следовательно, уменьщается. Эффективность предложенного способа также снижается.

Поэтому пуск двигателя можно осуществлять при выключенном реакторе 9, обеспечивая какими-либо средствами его разогрев. Возможно сжигание топлива перед реактором 9.

При применении предложенного способа для газовых турбин, например, с использованием топлива со средней химической формулой С1бНз4 в реакторе происходит следующая реакция:

2С,вНз4 + 8CO,+8H,0+48N, +

тоилпвоотработавшие газы

+ 2,5O,-f lON,

атмосферный воздух

21CH4+9CO-flQCOa+58Na +

смесь газов

+ ОКОЛО 16 ккал1моль топлива.

Реакция также является слабо экзотермической.

В камере сгорания газовой турбины происходит реакция:

21CH +9CO+10CO2+58N2 +

смесь газов

40CO.,+42H20+244N.,

-f 46,50,,-fl86Na

отработавшие газы

атмосферный воздух

Таким образом, при использовании предложенного способа из 330,5 об. ч. смеси, выходящей из реактора 9, и атмосферного воздуха образуется 326 об. ч. отработавших газов, а температура сгорания достигает 1615°С. При сгорании жидкого топлива в атмосферном воздухе получилось бы 262 об. ч. отработавших газов, а температура сгорания достнгала бы 1965°С.

Следовательно, при питании газовых турбин по предложенному способу обеспечивается желаемое снижение температуры газового потока, подводимого к лопаткам турбин, так как

обычно требуемая температура газового потока лежит не выше 750°С. При этом предложенный снособ обеспечивает более полное сгорание топлива.

Каталитические спеченные элементы 10 могут изготавливаться из окиси алюминия или силиката магния - алюминия в качестве наполнителя, платины ИиПИ никеля - в качестве катализатора.

Элементы 10 имеют продольные каналы 11 диаметром от 0,1-2 мм. Число этих каналов на 1 см зависит от их диаметра. Например, при диаметре каналов 1 мм их число примерно равно 40. Каналы имеют пористые стенки, а объем нор составляет 20-60% объема элементов 10, предпочтительно 40-50%.

Например, расположенный на входе в реактор 9 элемент 10 имеет катализатор платпну, а остальные элементы 10 - платиново-никелевый катализатор.

Катализатор можно вносить в элементы 10 обычными способами, например пропиткой спеченпых элементов соответствующими раствора.мп. Например, пористый элемент пропитывают хлоридом никеля (NiCb), а затем обрабатывают щелоком до получения гидроокиси никеля Ni(OH)2, из которой затем путем восстановления водородом получается чистый никель. Платиновый катализатор можно получить путем пропитки спеченных элементов 10 раствором гексахлорплатиновой кислоты Ii2 PtCl2 и восстановления ее водородом в чистую платину. Восстановление можно проводить при высоких температурах путем воздействия смеси, состоящей из 10% водорода п 90% азота.

Элементы 10 должны иметь 10-80 мг/сл; никеля в качестве катализатора и 5-10 мг/смплатины.

Можно добавлять уран до 1-3% от содержапия основного катализатора.

Толщина и количество элементов 10 и расстояние между ними выбирают в завнсил;остп от конструктивных размеров реактора 9. Так, например, при размерах реактора 80 мм

Х80 ммХ215 мм можно установить четыре элемента толщиной 50 мм и на расстоянии 5 мм.

Предмет изобретения

1.Способ питаиня двигателя внутреннего сгорания путем смещения жидкого топлива с кислородсодсржаищм газом, преимуществепио углекислым газом, с последуюн;ей подачей

образовавшейся смеси в нагретый каталитический реактор для получения смеси газов, имеющей окись углерода, смещения последней с атмосферным воздухом и нодачи образовавшегося заряда в двигатель для сжигания и совершения полезной работы, отличающийся тем, что, с целью снижения токсичности отработавших газов и использования низкооктаноьых топлив, топливо, освобожденное от токсичных веществ, например, присадок,

перед смешением с кислородсодержащи.м газом испаряют с добавлением атмосферного воздуха для получения после реактора смеси, ил1еющсй метан.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру в реакторе поддерживают в

пределах 300-500 С.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что смесь паров топлива, кислородсодержащего газа и воздуха пропускают через пикслевый реактор.

4.Способ по пп. 1 и 2, о т л п ч а ю щ и и с я тем, что смесь паров топлива, кислородсодержащего газа и воздуха пропускают через платиповый реактор.

5. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ п и с я тем, что смесь паров топлива, кислородсодержащего газа п воздуха пропускают через платипо-пикслевый реактор.

6.Способ по пп. 1-5, от л и ч а ю п;и и ся тем, что жидкое Toii.iiiiio испаряют путем подвода тепла от отработавших газов двигателя.

7.Способ по пп. 1 -6, о т л п ч а ю щ п и с я тем, что в качестве кислородсоде 1жащего газа использ кгг отработавшие газы двигателя.