СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА СЖИЖЕННОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ
SUPPLY SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE ON LIQUEFIED NATURAL GAS

Изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно - к системам питания сжиженным газом двигателя внутреннего сгорани,я (ДВС) и может быть использовано в двигателях автомобиля, трактора и других машин.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания с охлаждением сжиженным газом [патент RU 2296233 от 27.03.2007]. Данный способ заключается в использовании сжиженного газа в качестве охладителя ДВС с последующим его применением в качестве топлива для ДВС.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности (прототипом) является система питания двигателя сжиженным газом [патент RU 2430258 от 27.09.2011]. Прототип включает в себя конструктивно и функционально связанные газовый баллон с блоком запорно-контрольной арматуры с обратным клапаном (мультиклапаном), содержащим вентили сжиженной фазы и вентиль паровой фазы газа, закрытые газонепроницаемым кожухом с трубками для вывода газа, газопровод, выносную заправочную горловину, связанную газопроводом с заправочным вентилем сжиженной фазы, редуктор-испаритель, электромагнитный газовый клапан сжиженной фазы, электронный блок управления, электрический коммутатор, блок переключателей, по одному электромагнитному газовому клапану для сжиженной фазы и для паровой фазы, устройство контроля давления, газовый предохранительный клапан. Редуктор-испаритель соединяется трубопроводами с электромагнитным клапаном отсечки газа, газовыми штуцерами и газовыми форсунками приемного коллектора ДВС. Редуктор-испаритель связан электрическими проводами с термочувствительными элементами электрического коммутатора и с блоком переключателей. Электронный блок управления (ЭБУ) связан электрическими проводами с электромагнитными клапанами сжиженной фазы газа и отсечки газа, а также с газовыми форсунками и с переключателем «газ/бензин». Устройство контроля давления соединено газопроводом с газовыми штуцерами и с газовым предохранительным клапаном.
Во время работы системы происходит отбор сжиженного природного газа из бака. По системе трубопроводов он поступает в редуктор-испаритель, где испаряется и поступает в камеру сгорания (КС) двигателя через газовые штуцеры на топливные форсунки. Для облегчения пуска двигателя в холодное время года предусмотрен электромагнитный клапан, который установлен на магистрали отбора паровой фазы. При запуске двигателя данный клапан открывается, и испарившийся во время стоянки природный газ поступает в двигатель.
К недостаткам прототипа относятся: низкая экономическая эффективность использования газомоторного топлива (ГМТ) вследствие отсутствия шеститактного режима работы; регазификатор, находящийся вне КС; необходимость в использовании многотопливных систем.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) силовой установки, улучшение ее экологических и экономических показателей.
Технический результат достигается за счет того, что в систему питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным природным газом, включающую в себя газовый баллон с блоком запорно-контрольной арматуры с обратным клапаном (мультиклапаном), содержащим вентили сжиженной фазы и вентиль паровой фазы газа, закрытые газонепроницаемым кожухом с трубками для вывода газа, газопровод (трубопровод), выносную заправочную горловину, связанную газопроводом с заправочным вентилем сжиженной фазы, электромагнитный газовый клапан сжиженной фазы, электромагнитный газовый клапан для паровой фазы, устройство контроля давления, газовый предохранительный клапан, введены бак компримированного (сжатого) природного газа (КПГ), фильтр очистки газа, две топливные рампы подачи СПГ и КПГ, выпускной коллектор паровой фазы, турбодетандер, компрессор, магистраль подачи паровой фазы газа из топливной рампы подачи СПГ в бак КПГ, - при этом бак КПГ установлен между компрессором и фильтром очистки газа и соединен с ними газопроводами; фильтр очистки газа установлен между баком КПГ и обратным клапаном соединен с ними газопроводами; топливная рампа подачи СПГ установлена между жидкостным редуктором и двигателем, соединена с ними газопроводами; топливная рампа подачи КПГ установлена между обратным клапаном и двигателем, соединена с ними газопроводами; выпускной коллектор паровой фазы установлен между двигателем и турбодетандером и соединен с ними трубопроводами; турбодетандер установлен между выпускным коллектором паровой фазы и компрессором, соединен с ними газопроводами; компрессор установлен между турбодетандером и баком КПГ и соединен с ними газопроводами; СПГ подается из газового баллона в топливную рампу СПГ и затем - в двигатель; газовый баллон представляет собой криогенный бак СПГ.
После попадания в КС СПГ испаряется и через выпускной коллектор подается в турбодетандер, охладившись в котором, поступает далее в бак КПГ для накапливания (аккумулирования). Из бака КПГ газообразное топливо через фильтр очистки газа и топливную рампу подачи КПГ поступает в двигатель и сгорает, совершая полезную работу.
Для безотказной работы ДВС при отрицательной температуре воздуха возможна установка дополнительных свечей накала в цилиндр для подогрева топливо-воздушной смеси.
Принципиальная пневмогидравлическая схема системы питания двигателя внутреннего сгорания на сжиженном природном газе приведена на фигуре. Она включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - изотермический криогенный бак СПГ; 2 - газонепроницаемый кожух с блоком запорно-контрольной арматуры; 3 - предохранительный клапан бака СПГ; 4 - заправочный вентиль сжиженной фазы; 5 - вентиль сжиженной фазы; 6 - вентиль паровой фазы; 7 - выносная заправочная горловина; 8 - система предохранительных клапанов; 9, 19, 27 - обратный клапан; 10 - жидкостный редуктор; 11 - топливная рампа подачи СПГ; 12 - топливные форсунки; 13 -выпускной коллектор паровой фазы; 14 - турбодетандер; 15 - аккумулятор; 16 - компрессор; 17 - бак КПГ; 18 - фильтр очистки газа; 20 - топливная рампа подачи КПГ; 21 - выпускной коллектор отработавших газов (ОГ); 22 - отработавшие газы; 23 - система электрических проводов; 24 - блок запорно-контрольной арматуры с предохранительным клапаном бака КПГ; 25 - заправочный вентиль; 26 - вентиль подачи газа; 28 - ДВС; 29 - цилиндры ДВС.
Изотермический криогенный бак СПГ 1 имеет блок запорно-контрольной арматуры, установленный внутри газонепроницаемого кожуха 2 с предохранительным клапаном бака СПГ 3, заправочный вентиль сжиженной фазы 4, соединенный посредством криогенного трубопровода с выносной заправочной горловиной 7, вентиль сжиженной фазы 5 для подачи жидкого топлива по криогенному трубопроводу через обратный клапан 9 и жидкостный редуктор 10 в топливную рампу подачи СПГ 11, вентиль паровой фазы 6 для подачи испарившегося топлива по системе трубопроводов через обратный клапан 9 в бак КПГ 17 при работающем компрессоре 16. В случае остановки работы двигателя для предотвращения резкого увеличения избыточного давления в баке СПГ 1 предусмотрена система предохранительных клапанов 8, осуществляющих аварийный сброс газообразного СПГ в атмосферу.
Топливная рампа подачи СПГ 11 соединена магистралями с топливными форсунками 12, посредством которых осуществляется принудительная подача криогенного топлива в камеру сгорания цилиндра 29 ДВС 28. При этом топливная рампа дополнительно подключена к компрессору 16 трубопроводом, включающим в себя обратный клапан 27 и линию отвода с предохранительным клапаном 8.
Цилиндры 29 ДВС 28 через выпускной коллектор паровой фазы 13 сообщаются при помощи системы трубопроводов с турбодетандером 14, который осуществляет снижение температуры газообразного СПГ. Турбодетандер 14 подключен системой электрических проводов 23 к аккумулятору 15. Компрессор 16 предназначен для нагнетания охлажденного газообразного топлива из турбодетандера 14 через заправочный вентиль 25 в бак КПГ 17, содержащего блок запорно-контрольной аппаратуры с предохранительным клапаном бака КПГ 24.
Установленный в баке КПГ 17 вентиль подачи газа 26 соединен трубопроводом с фильтром очистки газа 18, обратным клапаном 19 и топливной рампой подачи КПГ 20. Магистральный трубопровод, соединяющий вентиль подачи газа 26 с фильтром очистки газа 18 оснащен предохранительным клапаном 8.
Топливная рампа подачи КПГ 20 подключена к топливным форсункам 12, установленным в ДВС 28, к которому присоединен выпускной коллектор ОГ 21, осуществляющий выпуск отработавших газов 22.
Система питания двигателя работает следующим образом. В баке СПГ 1 имеется криогенное топливо, заправка которого осуществляется с помощью выносной заправочной горловины 7, соединенной криогенным трубопроводом с заправочным вентилем сжиженной фазы 4. Для защиты конструкции топливного бака СПГ 1 от внешних воздействий, сохранения рабочей температуры криогенного топлива и требуемого избыточного давления в емкости предусмотрен газонепроницаемый кожух 2, содержащий тепловую изоляцию (на фигуре не показана). При работе двигателя топливная рампа подачи СПГ 11 производит нагнетание жидкой фазы криогенного топлива, отбор которого осуществляется посредством вентиля сжиженной фазы 5 через обратный клапан 9 и жидкостный редуктор 10 по системе криогенных трубопроводов (на фигуре не показаны). Обратный клапан 9 предназначен для однонаправленного движения жидкого метана, а жидкостный редуктор 10 - для поддержания нагнетания давления в топливной рампе.
Топливная рампа подачи СПГ 11 реализует принудительную порционную подачу криогенного топлива, находящегося в жидком состоянии, на топливные форсунки 12 по топливным трубкам. В цилиндрах 29 ДВС 28 выполняется впрыск СПГ в камеру сгорания, вследствие чего происходит отбор тепла и последующая регазификация жидкой фазы топлива. Данная техническая особенность позволяет исключить из системы питания двигателя испаритель с аккумулятором высокого давления и производить нагрев СПГ непосредственно в камере сгорания, осуществляя параллельно процесс охлаждения ДВС 28. В результате достигается повышение КПД двигателя, вследствие уменьшения теплоотдачи в окружающую среду. Однако для полноценного охлаждения двигателя требуется больше жидкого топлива, чем того количества СПГ, которое необходимо для функционирования ДВС в номинальном режиме работы.
После регазификации топлива, при которой его температура повышается до (500 - 600)°K, происходит его расширение, вследствие которого совершается полезная работа. Газообразная фаза СПГ из ДВС 28 направляется по системе трубопроводов в выпускной коллектор паровой фазы 13, после прохождения которого газ подается в турбодетандер 14, где происходит его последующее циклическое охлаждение до температуры (310 - 325)°K. В процессе охлаждения газа турбодетандером 14 за счет вращения лопастей вырабатывается полезная электроэнергия, которая посредством электрических проводов 23 подается на аккумулятор 15. Турбодетандер 14 подключен к компрессору 16, который повышает рабочее давление газообразного топлива, тем самым осуществляя его подачу в бак КПГ 17 через заправочный вентиль КПГ 25.
В случае образования в баке СПГ 1 газообразного топлива по причине испарения жидкой фазы производится отбор излишков газообразного СПГ через систему криогенных трубопроводов, содержащую обратный клапан 9, в компрессор 16. В случае резкого увеличения избыточного давления в баке СПГ 1 в магистрали, соединяющей бак с компрессором 16, предусмотрен предохранительный клапан 8 для аварийного сброса газа в окружающую среду. Дополнительно компрессор 16 осуществляет отбор газообразного топлива, образовавшегося во время транспортировки, из топливной рампы подачи СПГ 11 с помощью трубопровода через обратный клапан 27. Данная магистраль оснащена предохранительным клапаном 8 для аварийного сброса газа. Бак КПГ 17 оборудован блоком запорно-контрольной арматуры с предохранительным клапаном 3, осуществляющей запорно-регулировочную, предохранительную и контрольную функции. Бак КПГ 17 предназначен для аккумулирования газовой фазы топлива, поступающего из компрессора 16, с целью обеспечения бесперебойного питания силовой установки и облегченного запуска силовой установки в холодное время года.
Топливная рампа подачи КПГ 20 осуществляет отбор газа из бака КПГ 17 с помощью вентиля подачи газа 26 через фильтр очистки газа 18, предназначенный для удаления продуктов сгорания, и обратный клапан 19. Система подачи газа на рампу оснащена предохранительным клапаном 8. Затем с помощью топливных трубок осуществляется подача топлива в газообразном состоянии на форсунки 12. В дальнейшем осуществляется классический цикл работы двигателя (по циклу Отто). Отработавшие газы, проходя через выпускной коллектор ОГ 21, направляются в атмосферу 22.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия силовой установки и в улучшении ее экологических и экономических показателей.