Система питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом на основе аммиака
SYSTEM FOR FEEDING AMMONIA-BASED HYDROGEN FUEL TO AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам питания двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием газообразным топливом.
В результате анализа уровня техники изобретения выявлены следующие аналоги и прототип.
Известна система питания водородом двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте (Патент RU ПМ №92913 Система питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергоустановки опубл.: 10.04.2010 г., МПК F02B 43/10) и содержащая топливный бак со спиртом, первый топливный контур, содержащий форсунки для подачи спирта топливным насосом в патрубки впускного трубопровода двигателя, второй топливный контур, содержащий другой топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния, соединенный с обратным клапаном, подключенным в термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода, теплообменник для охлаждения синтез-газа, регулятор подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, топливные трубки, расположенные во впускных каналах в головке цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии впускных клапанов в щели между ними и их седлами.
Также известна система питания водородом двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте (Патент RU ПМ №179096 Система питания двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом Опубл.: 26.04.2018 г., МПК F02B 43/08, F02M 25/10, F02M 25/12) содержащая топливный бак, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления, топливные форсунки, впускной коллектор, теплообменник, клапан-дозатор, впускной клапан, каталитический конвертор, испаритель, воздушный компрессор, блок управления подачей конвертированного топлива, датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, датчик положения органа управления подачей топлива, датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчик температуры каталитического элемента.
Недостатком приведенных аналогов является низкая экологичность процесса преобразования исходного топлива в водородное, так как получаемый в результате синтез-газ содержит значительные количества оксида углерода.
Наиболее близкой по технической сущности является выбранная в качестве прототипа система питания, использующая аммиак в качестве исходного материала для генерации водорода (Патент US №8,561,578 В2, Hydrogengenerator and internal combuston engine provided with hydrogen generator (Генератор водорода и двигатель внутреннего сгорания с генератором водорода) опубл. 22.10.2013 г., МПК F02B 43/08, G05D 7/00) содержащая бак с аммиаком, соединенный с испарителем, соединенный с крекинг-установкой, включающей катализатор, крекинг-установка соединена с охладителем, подключенным в патрубок подвода воздуха, соединенный с электромагнитной форсункой.
В такой системе питания жидкий аммиак хранящийся в резервуаре подается через испаритель в теплообменник и нагревается до требуемых для процесса крекинга температур за счет тепла отработавших газов или вспомогательного электрического нагревателя в зависимости от режима работы двигателя. В результате газообразный аммиак, подаваемый в теплообменник частично расщепляется на водород и азот в процессе эндотермической реакции. Полученная газовая смесь аммиака азота и водорода подается через охладитель и электромагнитную форсунку во впускной трубопровод двигателя.
Недостатком данной системы является то, что в получаемой газовой смеси часть объема занимает неразложившийся аммиак, имеющий низкую теплотворную способность и негорючий компонент - азот. В следствии чего в камеру сгорания заведомо поступает меньшее количество водорода, чем теоретически возможное, что приводит к снижению энергоэффективности, уменьшению диапазона регулировки мощности.
Задача изобретения - повышение энергоэффективности двигателя и обеспечение высоких экологических показателей его работы.
Техническим результатом является увеличение доли горючего компонента в составе топливовоздушной смеси, подаваемой в цилиндры двигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система питания двигателя внутреннего сгорания, включает систему питания ДВС воздухом, содержащую воздушный фильтр, соединенный с впускным трубопроводом, в который вмонтированы датчик массового расхода воздуха, дроссельная заслонка и управляемый привод заслонки, а также систему питания ДВС водородом содержащую топливный бак с жидким аммиаком, соединенный с испарителем обеспечивающим подачу газообразного аммиака в устройство каталитического разложения, установленное в выпускной трубопровод ДВС, состоящее из датчиков температуры, установленных в секцию с подводом тепла от отработавших газов ДВС и секцию с подводом тепла от встроенного электронагревателя, последовательно соединенных с охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой, установленной во впускной трубопровод системы питания ДВС воздухом и соединенной с блоком управления, обеспечивающим контроль параметров и управление работой ДВС, причем, между испарителем и устройством каталитического разложения первичный управляемый редуктор, между охладителем азотно-водородной смеси и электромагнитной форсункой вторичный управляемый редуктор, соединенный трубопроводом с устройством повышения концентрации водорода в топливе, содержащим мембранный фильтр разделяющий исходное топливо на горючие и негорючие компоненты и сбросной клапан обеспечивающий отведение негорючих компонентов.
На фигуре показана система питания двигателя внутреннего сгорания синтезирующая водородное топливо из аммиака.
Система питания двигателя внутреннего сгорания, включает систему питания ДВС воздухом, содержащую воздушный фильтр 1, соединенный с впускным трубопроводом 2, в который вмонтированы датчик массового расхода воздуха 3, дроссельная заслонка 4 и управляемый привод заслонки 5, а также систему питания ДВС водородом содержащую топливный бак 6 с жидким аммиаком, соединенный с испарителем 7 обеспечивающим подачу газообразного аммиака через первичный управляемый редуктор 8 в устройство каталитического разложения 9, установленное в выпускной трубопровод ДВС 10, состоящее из датчиков температуры 11, установленных в секцию 12 с подводом тепла от отработавших газов ДВС и секцию 13 с подводом тепла от встроенного электронагревателя 14, последовательно соединенных с охладителем азотно-водородной смеси 15, после которого установлен вторичный управляемый редуктор 16, соединенный трубопроводом с устройством повышения концентрации водорода в топливе 17, содержащим мембранный фильтр 18 разделяющий исходное топливо на горючие и негорючие компоненты и сбросной клапан 19 обеспечивающий отведение негорючих компонентов, в то время как горючие подаются трубопроводом к электромагнитной форсунке 20, установленной во впускной трубопровод системы питания ДВС воздухом. Управляемые элементы соединены с блоком управления 21, обеспечивающим контроль параметров и управление работой двигателя внутреннего сгорания 22.
2
2
2
2
2
2
2
2
Порядок работы системы питания следующий: жидкий аммиак из топливного бака 6 поступает в испаритель 7. Там он переходит в газообразное состояние. Подвод теплоты к испарителю может быть реализован как от электронагревателя, так и от системы охлаждения двигателя (в прогретом состоянии). Испарившийся аммиак попадает в управляемый редуктор 8, обеспечивающий оптимальное давление в устройстве каталитического разложения 9, а именно в секцию 12 с подводом тепла от отработавших газов и секцию 13 с подводом тепла от встроенного электронагревателя 14. Используя тепло отработавших газов двигателя или подогрев от электрического нагревателя 14, в присутствии катализатора, в устройстве каталитического разложения 9 происходит разложение аммиака на водород Н и азот N. Для снижения температуры газовой смеси H+N служит охладитель азотно-водородной смеси 15. После него газовая смесь поступает в управляемый редуктор 16, который обеспечивает оптимальное давление в устройстве повышения концентрации водорода в топливе 17, содержащее мембранный фильтр 18 на котором происходит отделение азота N от водорода Н и сбросной клапан 19, обеспечивающий отвод азота N в атмосферу. Очищенный водород Н направляется по трубопроводу к форсунке 20, впрыскивающей его во впускной трубопровод 2, что обеспечивает увеличение доли горючего компонента в составе топливно-воздушной смеси, подаваемой в цилиндры двигателя, приводящее к повышению энергоэффективности двигателя и обеспечение высоких экологических показателей его работы. Управление подачей водорода через форсунки и управление составом смеси на различных режимах работы осуществляется электронным блоком управления 21 двигателем внутреннего сгорания 22.