Устройство подачи воды в газодизельный двигатель

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а именно к системам выпуска отработавших газов, системам питания дизелей жидким и газообразным топливом, в частности сжиженным углеводородным газом и может использоваться в системах питания двигателей внутреннего сгорания работающих на газомоторных топливах, таких как сжиженные углеводородные топлива, природный газ и другие.
Известна система автоматического управления подачей активатора в дизель содержащая устройство для подачи активатора и распылитель. Распылитель размещен во впускном трубопроводе дизеля и управляется электромагнитом, связанным с источником питания. Система содержит также электронный блок управления и датчики температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения, электрически соединенные с источником питания, а также датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления. Информативные сигналы от датчиков поступают через электронный блок управления в электромагнит распылителя с периодичностью и продолжительностью, зависящими от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Устройство для подачи активатора выполнено в виде электрического насоса, соединенного с электронным блоком управления. Распылитель и электромагнит объединены в один узел и представляют собой электромагнитную форсунку. Подключение электронного блока управления и электрического насоса к источнику питания происходит автоматически по сигналам датчика температуры охлаждающей жидкости и датчика допустимого снижения напряжения соответственно при температуре 50+5°С и напряжении 9-14 В, а отключение - при температуре 95+5°С и напряжении ниже 9 В.(патент РФ 2273750 МПК F 02 D 19/12, F 02 M 43/00, 2006)
Данная система не обеспечивает фазного перехода активатора - воды из жидкого состояния в парообразное, что не позволяет использовать в качестве активатора воду, при этом использование воды в качестве активатора, позволяет исключить детонацию на всех режимах работы газодизельных двигателей и снижает выбросы вредных веществ с отработавшими газами.
Известно устройство для подачи воды в двигатель внутреннего сгорания, содержащее емкость с водой, поплавковую камеру, трубопроводы подачи воды и распылители воды, присоединенные к карбюратору. Распылители воды инжекторного типа содержат сопло Лаваля с боковыми воздушными отверстиями и подключены по одному к горловинам диффузоров первичной и вторичной смесительных камер и два распылителя за дроссельной заслонкой первичной смесительной камеры карбюратора, трубопроводы которых содержат электромагнитные клапаны воды. Один из клапанов электрически связан с топливным электромагнитным клапаном холостого хода, а другой - с концевым выключателем, приводимым в действие рычагом привода  топливного ускорительного насоса карбюратора ( патент РФ 2260144 МПК F 02 M 25/022, 2017)
Недостатком известного устройства является его применимость только в карбюраторных двигателях, отсутствие возможности фазного перехода состояния воды. Поступление водного раствора в карбюратор непосредственно через патрубок не производит качественного распыла и приводит к неустойчивой работе двигателя. Отсутствие автоматического регулирования соотношения воды в топливе.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ снижения содержания вредных ингредиентов в отработавших газах дизельного двигателя, заключающийся в предварительной подготовке жидкого активатора, подающегося через наконечник-дозатор во впускной трубопровод дизельного двигателя, при этом оптимизируя состав аэрозольной смеси активатора с воздухом (патент РФ 2510469 МПК F 02 M 43/00, F 02 M 25/00, F 02 D 19/12, 2014). В качестве активатора используют следующий состав:
- перекись водорода - 23-53%
- алифатические спирты - 5-10%
- антикоррозионная присадка -0,1-0,3%
- стабилизирующее вещество - 0,1-0,2%
- остальное - дистиллированная вода.
При этом указанный активатор обрабатывают в устройстве в виде аэрозольного генератора, работающего в трех режимах: распылительном, комбинированном и барботажном, в зависимости от литража дизеля. В аэрозольном генераторе размещен картридж-поплавок, обеспечивающий оптимальный состав аэрозоли в зависимости режимов работы ДВС за счет постоянного уровня активатора в картридже. Генератор связан гибким трубопроводом с наконечником-дозатором, имеющим насадку-рассекатель, размещенную с зазором в сужающемся в направлении потока воздуха кожухе, закрепленном во впускном воздуховоде. Изменение характеристик турбулирования активатора осуществляется регулированием подачи воздуха через барботажную трубку и электромагнитный клапан и изменением пропускной способности нижнего патрубка трехходового крана. Используя варианты формы насадки-рассекателя, повышают дисперсность аэрозоли в зависимости от типа ДВС.
Недостатком известного способа является сложность подготовки и высокая стоимость активатора, необходимость установки устройства обработки активатора, отсутствие возможности фазного перехода состояния активатора.
Технической задачей полезной модели является улучшение топливной экономичности, обеспечения без детонационной работы газодизельного двигателя, повышение надежности системы на всех скоростных и нагрузочных режимах работы тепловых поршневых двигателях, работающих на газе.
Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство подачи воды в газодизель, содержащее емкость с водой, трубопроводы подачи воды и распылители водыинжекторного типа, согласно полезной модели, снабжено охладителем-смесителем, с жидкостным контуром охлаждения и контуром рециркулируемых отработавших газов, конверсивной камерой, выпускным и впускным коллекторами двигателя, дозирующим устройством регулирования подачи парогазовой смеси, блоком управления, исполнительным устройством регулирования циркуляции охлаждающей жидкости в контуре охлаждения.
Полезная модель объясняется чертежом, на котором представлено устройство подачи воды в газодизель.
Устройство подачи воды в газодизель содержит емкость 1 с водой, трубопроводы 2 подачи воды и распылители 3 воды инжекторного типа  установленные в охладитель-смеситель 4, имеющий контур 5 охлаждения, в котором циркулирует охлаждающая жидкость и контур 6 рециркулируемых отработавших газов, который обеспечивает охлаждение перепускаемых из выпускного коллектора во впускной коллектор двигателя отработавших газов. Впрыск воды осуществляется в поток горячих отработавших газов по ходу движения газов в конверсивной камере 7, где вода переходит из жидкого фазного состояния в парообразное, далее пар смешивается с отработавшими газами в каналах 8 охладителя-смесителя 4, образуя паро-газовую смесь, при этом вода дополнительно охлаждает отработавшие газы. Управление подачей воды для достижения необходимой концентрации парогазовой смеси (2-7% содержания пара) и регулирование подачи парогазовой смеси дозирующим устройством 9 во впускной коллектор двигателя (до 50% воздуха) обеспечивается блоком управления 10, который может быть выполнен в качестве отдельного устройства или интегрирован в блок управления двигателем. Регулирование осуществляется по сигналам от датчиков двигателя в зависимости от скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. Исполнительное устройство 11 регулирует циркуляцию охлаждающей жидкости в контуре охлаждения для достижения необходимых температурных диапазонов рециркулируемых отработавших газов перед впускным коллектором.
Устройство подачи воды в газодизель служит для улучшения топливной экономичности, обеспечения без детонационной работы газодизельного двигателя, повышение надежности системы на всех скоростных и нагрузочных режимах работы тепловых поршневых двигателях, работающих на газе.
Устройство подачи воды в газодизель работает следующим образом.
Добавление паров воды в рабочую смесь в количестве 2...7% на данных режимах снижает теплонапряженность цилиндропоршневой группы и скорость распространения пламени, что позволяет исключить детонацию на режимах от 82% до номинальной мощности, а так же на корректорной ветви. Система подачи воды интегрирована в систему рециркуляции, вода впрыскивается в струю горячих отработавших газов, температура которых составляет 200...800˚С, где испаряется и далее пар с отработавшими газами поступает во впускной коллектор.
°
Отбор отработавших газов производится в выпускном трубопроводе, на минимальном расстоянии от выпускного коллектора двигателя, далее отработавшие газы поступают в соответствующий контур охладителя-смесителя 4, где в конверсивную камеру 7 в струю раскаленных газов распылителями 3впрыскивается 2...7% воды от количества отработавших газов. Количество впрыскиваемой воды определяется блоком управления 10 подачи топлива, пропорционально расходу топлива и величине нагрузки на двигатель, увеличивая подачу воды при увеличении нагрузки. В конверсивной камере 7 охладителя-смесителя 4 вода испаряется и далее в каналах 8 смесителя-охладителя пар смешивается с отработавшими газами одновременно охлаждая его. Подготовленная парогазовая смесь через регулируемый блоком управления 10 запорный элемент поступает во впускной трубопровод двигателя внутреннего сгорания. Охладитель-смеситель 4 имеет контур 5 охлаждения, в котором циркулирует охлаждающая жидкость, который может быть выполнен независимо или включен в систему охлаждения двигателя обеспечивающий снижение температуры отработавших газов ниже 100 С. Исполнительное устройство 11 регулирует циркуляцию охлаждающей жидкости в контуре охлаждения для достижения необходимых температурных диапазонов рециркулируемых отработавших газов перед впускным коллектором по сигналам от блока управления 10. Вода поступает в распылители из отдельного бака для воды, оснащенного насосом с регулятором давления по водяным трубопроводам 2. Регулировка количества рециркулируемых газов осуществляется регулируемым запорным элементом под управлением блока управления 10 подачи топлива двигателя.
Сгорание пропан-бутановых смесей в цилиндре двигателя на режимах работы более 50% от максимальной мощности и на корректорной ветви сопровождается детонацией. Использование системы рециркуляции отработавших газов позволяет повысить порог возникновения детонации и обеспечить без детонационное сгорание пропан-бутановой смеси на режимах 50%...82% от максимальной мощности, при запальной дозе 30%. Обеспечение перепуска 40...50% отработавших газов на режимах 82...95% мощности позволяет исключить детонацию при запальной дозе 40%, дальнейшее увеличение мощности до номинальной влечет за собой существенное увеличение запальной дозы до 45...60%. Применение полезной модели, с целью снижения объема запальной дозы до 30 %, обеспечивает испарение водяного заряда за счет тепловой энергии отработавших газов и перепуск отработавших газов до 50%, с паровым зарядом во впускной коллектор, что обеспечивает без детонационное сгорание пропан-бутановой смеси на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя, при запальной дозе 30%.
В лаборатории «Двигателей и применения альтернативных топлив» ФГБНУ ВИМ изготовлен и испытан опытный образец устройства подачи воды в газодизель.
Результаты испытаний показали, что устройство подачи воды в газодизель обеспечивает исключение явления детонации на всех режимах работы двигателя в газодизельном режиме, имеет более простую конструкцию, высокую надежность, улучшает топливную экономичность двигателя, снижает токсичность отработавших газов двигателя.