Многотопливная система подготовки топливного газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания
MULTI-FUEL SYSTEM FOR PREPARATION OF FUEL GAS FOR FEEDING GAS INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к системам подготовки топливного газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в двигателях автомобильного транспорта и приводах агрегатов динамичного и стационарного исполнения разных отраслей промышленности.
Одним из основных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания является бензин, вырабатываемый из нефти на базе первичных и вторичных процессов ее переработки. Прогнозируемое снижение ресурсов нефти в последние десятилетия способствовало потреблению в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания сжиженных пропана или смеси пропана с бутаном или газообразного метана (природного газа). Также в разработке находятся гибридные системы питания двигателя внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива бензин и природный газ.
Известна двухтопливная система питания для газового двигателя внутреннего сгорания, содержащая двухступенчатый газовый редуктор, снабженный магистральным электромагнитным газовым клапаном, карбюратор-смеситель, состоящий из корпуса, разделенного на первичную и вторичную камеры, поплавковой камеры, главной дозирующей системы подачи бензина, электронный блок управления, переключатель вида топлива, при этом система холостого хода с помощью электромагнитного клапана отключает подачу бензина в систему холостого хода, а газовая форсунка установлена только в первичной камере карбюратора-смесителя (патент на изобретение RU 2211360 С1, МПК F02M 21/94, F02B 69/04, заявлен 23.01.2002 г., опубликован 27.08.2003 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) использование в системе питания двух видов топлива, осложняющее вариативность работы двигателя при различных условиях эксплуатации двигателя;
2) использование наряду с дешевым газом дорогостоящего бензина, подача которого прекращается только во время работы двигателя на холостом ходу;
3) обеспечивающие регулирование расхода бензина электромагнитные клапаны с большой задержкой, увеличивающей расход дорогостоящего топлива;
4) образование смеси газа и бензина в камерах карбюратора-смесителя, которые при небольшом объеме не обеспечивают качественного смешения компонентов.
Известна также система питания многотопливного двигателя, содержащая бак основного и бак пускового топлива, топливный насос высокого давления, соединенный с топливными баками, систему кранов переключения топливных баков, расходомеры и смеситель топлив (патент на полезную модель RU 166584 U1, МПК F02M 43/00, заявлена 11.01.2016 г., опубликована 10.12.2016 г.). Недостатками данной полезной модели являются:
1) использование в системе питания двух видов топлива, осложняющее вариативность работы двигателя при различных условиях эксплуатации двигателя;
2) отсутствие сведений о виде основного топлива, в то время как в качестве пускового топлива, используемого только при запуске двигателя, предложено дорогостоящее дизельное топливо, что не дает возможность оценить экономический эффект полезной модели;
3) ручное регулирование состава смеси двух топлив по показателям расходомеров, не позволяющее оперативно сформировать оптимальный состав этой смеси.
Известно устройство двухтопливной системы питания газового двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник хранения газа с заправочным и расходным вентилями, одноступенчатый газовый редуктор высокого давления, связанный через электромагнитный газовый клапан с двухступенчатым газовым редуктором низкого давления, карбюратор-смеситель с газосмесительным устройством и переключатель вида топлива, связанный электрической цепью с электромагнитным бензиновым и газовым клапанами, устройство дополнительно снабжено электронным блоком управления, корректором величины угла опережения зажигания, электромагнитным пусковым и магистральным запорным клапанами, корректор величины угла опережения зажигания связан электрической цепью с электронным блоком управления и исполнительными функциональными элементами, входная ступень высокого давления выполнена в виде замкнутой полости и запорного элемента с приводом, кинематически связанным с мембраной, нагруженной пружиной, средства регулирования давления газа по ступеням выполнены в виде пружины, подвижного штока с приводом и нажимной шайбы (патент на изобретение RU 2101540 С1, МПК F02M 13/08, F02M 21/00, F02В 69/04, заявлен 07.09.1995 г., опубликован 10.01.1998 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) использование наряду с дешевым газом дорогостоящего бензина;
2) наличие механических исполнительных элементов, нагруженных пружинами, что приводит к существенному периоду запаздывания этих элементов;
3) использование электронного блока управления только для корректирования величины угла опережения зажигания;
4) ручное управление перехода от одного вида топлива на другое и их смешения.
Известна также система управления двухтопливным двигателем внутреннего сгорания (ДВС), которая содержит систему зажигания с высоковольтным N-канальным распределителем, где N – число цилиндров ДВС, систему питания жидким топливом (СПЖТ) и систему питания газовым топливом (СПГТ), СПЖТ выполнена в виде карбюраторной системы питания с экономайзером принудительного холостого хода и электронным управлением, СПГТ содержит газовый баллон с расходно-наполнительной арматурой, дифференциальный газовый редуктор и N быстродействующих электромагнитных клапанов, переключение питания осуществляется переключателем вида топлива, управление осуществляется единым микропроцессорным блоком управления, который содержит датчик (Д) температуры газа, Д абсолютного давления, Д состава отработавших газов, Д температуры охлаждающей жидкости, Д момента искрообразования и обеспечивает формирование оптимального состава топливовоздушной смеси и угла опережения зажигания во всех режимных точках работы ДВС при использовании как жидкого, так и газового топлива (патент на изобретение RU 2504679 С2, МПК F02D 19/06, F02D 41/02, F02M 21/02, заявлен 08.02.2012 г., опубликован 20.08.2013 г.). Недостатками данного изобретения являются:
1) использование наряду с дешевым газом дорогостоящего бензина;
2) отсутствие возможности формирования состава топливной смеси с опережением возникающих условий эксплуатации;
3) применение в системе управления показаний датчиков температуры, давления, момента искрообразования и состава отработавших газов – параметров выхода работы двигателя, что приводит к запаздыванию в формировании состава топливной смеси и не позволяет оптимизировать работу двигателя.
Общим недостатком изобретений, направленных на использование многотопливной системы подготовки топливной смеси для питания газового двигателя внутреннего сгорания, является формирование взаимосвязи между видом топлива и характеристиками работы двигателя, обеспечиваемой организацией раздельной или смесевой подачи топлива ручным или электронным управлением с определением, например, угла опережения зажигания. При этом совершенно не учитывается необходимость подготовки многотопливной системы к изменению условий эксплуатации.
Задача обеспечения подготовки многотопливной системы к изменению условий эксплуатации и формирования оптимального состава топливной смеси из различных компонентов с требуемыми энергетическими качествами решается за счет того, что многотопливная система подготовки топливной газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания включает топливные емкости, узел регазификации, узел смешения, содержащий клапаны и датчики расхода, и блок управления, при этом в топливных емкостях осуществляют раздельное хранение топливных компонентов в сжиженном состоянии: метана, этана, пропана и бутана, посредством блока управления обеспечивают регулирование соотношения в топливном газе поступающих в узел смешения топливных компонентов в зависимости от величины теплоты сгорания топливного газа, необходимой для конкретных условий эксплуатации двигателя: пускового режима, крейсерского режима, форсажа.
Коэффициент полезного действия бензинового двигателя внутреннего сгорания как отношение тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива, к полезной механической энергии, развиваемой коленчатым валом, не превышает 25 %, а использование топлива с повышенной теплотой сгорания приводит как к увеличению коэффициента полезного действия, так и к снижению расхода топлива. Использование нескольких компонентов: метана, этана, пропана и бутана, с высокими значениями удельной теплоты сгорания (таблица 1) при формировании оптимального топливного газа для конкретных условий эксплуатации двигателя с помощью блока управления позволяет рассчитывать состав топливного газа с учетом его теплоты сгорания.
Целесообразно многотопливную систему соответственно адаптировать для двухкомпонентного, трехкомпонентного или четырехкомпонентного топливного газа для разных регионов с достаточным наличием на рынках сбыта ассортимента определенных углеводородных газов.
Полезно сжиженные метан, этан, пропан и бутан хранить в изотермических баках для снижения потерь тепла в окружающую среду, при этом сжиженные метан и этан хранят в жидком состоянии, а пропан и бутан – под давлением при температуре ниже критической для увеличения массы соответствующего топливного компонента в топливной емкости, что увеличивает запас хода транспортного средства.
Если в качестве топливного газа многотопливной системы используют сжиженные метан, этан, пропан и/или бутан, то регазификацию сжиженных метана и этана целесообразно осуществлять в едином узле регазификации с последующей подачей необходимого количества каждого топливного компонента в узел смешения для сокращения числа элементов многотопливной системы. Если же в качестве топливного газа многотопливной системы используют только сжиженные метан и этан, то их регазификацию целесообразно осуществлять в раздельных узлах регазификации.
3
Целесообразно после узла смешения дополнительно установить анализатор, контролирующий работу системы по ключевой характеристике топливного газа, в качестве которой можно использовать теплоту сгорания топливного газа. В этом случае в блоке управления, который обеспечивает необходимые режим работы двигателя и расход топливного газа путем получения, обработки и передачи на клапаны для подачи соответствующего компонента топливного газа информации об изменении дорожной ситуации в виде сигналов, теплоту сгорания топливного газа Q, кДж/м, удобно рассчитывать в соответствии с формулой Д.И. Менделеева:
1
2
3
4
Q=358С+692С+992С+1285С,
1
2
3
4
где С, С, С, С – концентрация в топливном газе, соответственно, сжиженных метана, этана, пропана и бутана, % об.
Целесообразно для дополнительного контроля качества топливной смеси использовать разность величин теплоты сгорания топливного газа, определенной с помощью анализатора и рассчитанной по формуле, в качестве корректирующего параметра в блоке управления.
Многотопливная система подготовки топливного газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания представлена на фигуре 1 в виде принципиальной схемы с использованием следующих условных обозначений:
100 – топливная емкость;
200 – узел регазификации;
300 – клапан;
400 – узел смешения;
500 – анализатор;
600 – агрегат/двигатель/турбина;
700 – блок управления;
1-6 – трубопровод;
7-12 – сигнал.
Работа многотопливной системы подготовки топливного газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания рассмотрена на следующем примере. Транспортное средство перемещается в стационарном крейсерском режиме по асфальтовому шоссе, при этом его многотопливная система формирует оптимальный состав топливного газа, заданный блоком управления 700. При повороте с асфальтового шоссе на грунтовую дорогу с подъемом на горный перевал в блок управления 700 в виде сигнала 7 поступает входная информация о предстоящих условиях эксплуатации для формирования выходной информации: необходимого состава топливного газа и расхода каждого топливного компонента, передаваемой также в форме сигналов 8-11 на клапаны 300, которые обеспечивают подачу необходимых топливных компонентов в сжиженном состоянии: метана, этана, пропана и бутана, из топливных емкостей 100 по трубопроводам 1, 2, 3, и 4, соответственно, в узел смешения 400. В тех случаях, когда в качестве компонентов топлива используются сжиженные метан и этан, их предварительно переводят в газообразное состояние с помощью соответствующих узлов регазификации 200.
Сформированный в узле смешения 400 топливный газ направляется по трубопроводу 6 в двигатель 600 транспортного средства, проходя через анализатор 500 по трубопроводу 5 для определения фактической теплоты сгорания. Результат анализа в виде сигнала 12 поступает в блок управления 700, где сравнивается с расчетной теплотой сгорания топливного газа, и в случае неприемлемого расхождения между ними блоком управления 700 выполняется необходимая коррекция выходной информации, передаваемой в форме сигналов 8-11 на клапаны 300, для обеспечения оптимального состава топливного газа.
По аналогичному алгоритму формируется оптимальный состав топливного газа для других условий эксплуатации транспортного средства.
Таким образом, заявляемая многотопливная система подготовки топливного газа для питания газового двигателя внутреннего сгорания решает поставленную задачу подготовки многотопливной системы к изменению условий эксплуатации и формирования оптимального состава топливной смеси из различных топливных компонентов с требуемыми энергетическими качествами.