СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И СИСТЕМА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR PREPARATION OF DIESEL FUEL AND DIESEL ENGINE FUEL SUPPLY SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Группа изобретений относится к области двигателестроения и является развитием начального изобретения согласно патенту РФ №2192662 с приоритетом от 02.02.1998 г. Новая дополнительная система и технология топливоподачи обеспечивает высокоэкономичный режим работы двигателя внутреннего сгорания благодаря гиперэффективному сжиганию и носит акроним А*2.
АНАЛОГИ И ИХ ОПИСАНИЕ
Известны решения с растворением газов в жидком топливе и подача полученного топливного раствора в двигатель на сжигание описанные, например, в АС СССР №1416732, патент РФ №2129662, патент США №7,261,094, патент США №7,281,500, патент США №7,406,955. У всех рассматриваемых аналогов общий недостаток - подача топливного раствора в двигатель к форсункам выполняется по схеме «в тупик», т.е. на форсунки подается топливо в количестве, равном расходу в камерах сгорания; в том числе, как на малой, так и на максимальной мощности. В таких условиях форсунки и плунжерные высоконапорные насосы работать сколь-нибудь длительное время не могут.
В других опубликованных решениях имеются линии возврата топлива после выхода из двигателя. Например, в патенте США №7,011,048 возвратный поток из двигателя направляют в топливный бак. Недостатками данного решения, а также подобного решения, опубликованного в одной из схем более позднего патента США №7,523,747, являются:
а) большая паразитная работа с дополнительными энергозатратами на приготовление топливного раствора в абсорбере при высоком давлении газа перед подачей в двигатель, и в дальнейшем процессе - слив неиспользованного топливного раствора после двигателя в топливный бак, происходит дегазация раствора при низком давлении внутри бака;
б) высокая вероятность переполнения топливного бака «топливной пеной» в результате интенсивного газовыделения в горячей возвратной линии после двигателя и слива возвратного потока в бак. Возвращаемый обратный поток топливного раствора из двигателя содержит много растворенного газа; при сливе обратного потока в топливный бак давление этого потока в линии возврата падает до атмосферного, как в топливном баке, в результате произойдет интенсивное выделение газа из горячего раствора, и как следствие, переполнение бака вспененным топливом. Как следствие значительная часть топливной пены выльется из бака наружу на проезжую часть дороги. Такая ситуация запрещена правилами эксплуатации транспортных средств, так как создает аварийную ситуацию.
АНАЛИЗ ПРОТОТИПОВ
В патенте США №6,273,072 предпринята попытка вернуть горячий топливный раствор после двигателя в абсорбер, что значительно снижает концентрацию газа в растворе и эффективность всего процесса. Недостатком способа и системы по данному патенту является также нагрев топлива перед растворением газов в емкости газификации. Таким образом, в данном патенте №6,273,072 в процессе растворения газов при приготовлении раствора присутствует два физических параметра, действующих противоположно.
Согласно закону Генри (о растворимости газов в жидкостях) концентрация растворенных газов в жидкости а) пропорциональна парциальному давлению каждого газа над поверхностью жидкости, и в) обратно пропорциональна температуре. Непринятие во внимание закона Генри при работе с топливными растворами приводит к значительному снижению качества рассматриваемой технологии.
Абсолютно нелогичным и, естественно, неправильным в патенте США №6,273,072 является (см. пункт формулы 4) проведение первичного растворения газов в горячем топливе, первоначально в камере насыщения (21), а затем еще дополнительный нагрев раствора нагревателем (16) перед подачей на вторичное насыщение в диффузионной камере (26). Подобные технологические приемы заявлены, по-видимому, без экспериментальной отработки и потому ошибочны. Следующим важным недостатком рассматриваемого решения является невозможность эксплуатации двигателя в режимах остановки и хранения. Остановка двигателя во время подачи топливного раствора к форсункам, приведет к выделению газа из раствора. Линия топливоподачи к инжекторам после остановки двигателя и главного насоса топливоподачи будет заполнена газовыми пузырями в связи с понижением давления, последующий запуск двигателя окажется невозможным из-за неработоспособности плунжерных насосов высокого давления.
Очевидно, для двигателистов-специалистов любого уровня, что уверенный запуск двигателя и его надежная эксплуатации возможны при жестком условии заполнения линий питания насосов-форсунок однофазным потоком - только жидкой фазой топлива.
Авторы другого патента-прототипа, в более позднем патенте США №8,037,849, указывают на возможность работы двигателя как на базовом, стандартном топливе, так и на растворе «топливо + газ». В данном патенте, в отличие от предшествующих патентов тех же авторов, рассмотрен вопрос организации обратного (возвратного) горячего потока топливного раствора от двигателя через клапан-переключатель (21) в емкость (10), в которую также подается свежее топливо с помощью дополнительного насоса высокого давления (9). Внутри емкости (10) свежее топливо распыляется соплами (11) для создания высокоразвитой поверхности обмена жидкость-газ и эффективного растворения газов. Одновременно, большой поток возвратного топливного раствора, в 3,5…5 раз превышающий расход свежего топлива, также заполняет емкость газирования (10) и создает высокую температуру топливного раствора в емкости. Следует отметить, что в патенте принята попытка охладить возвратный поток топливного раствора перед емкостью (10) с помощью воздушного охлаждения. Очевидно, что охладить горячий возвратный поток после двигателя (85°С) сколько-нибудь эффективно с помощью воздушного радиатора, не удастся, особенно при высокой температуре атмосферного воздуха (например, при Т=+35±5°С). Каких-либо других устройств для охлаждения в данном патенте не указано. Очевидно, что для эффективного охлаждения возвратного топлива в реальных транспортных средствах с ДВС невозможно поместить крупногабаритный радиатор с активным потоком охлаждающего воздуха. Тем более невозможно эффективное охлаждение с помощью воздушного радиатора на стационарных типовых энергоустановках с ДВС.
Таким образом, в патенте США №8,037,849 также, как и в патенте США №6,273,072 рассмотрены режимы растворения газа и содержания топливного раствора внутри емкости при высоких температурах, что является препятствием для эффективного растворения газа и, следовательно, не позволяет реализовать эффективную технологию топливоподачи.
Предложенное в патенте США №8,037,849 другое техническое решение, так называемый «топливный аккумулятор» (23), принципиально ничего аккумулировать не может.
Главным недостатком патента США №8,037,849 является неработоспособность двигателя при подаче из емкости (10) газирования топливного раствора с помощью дополнительного насоса высокого давления (16). Специалистам очевидно, что насос (16) повысить давление в коллекторе (7) самостоятельно не может, т.к. для повышения давления перед инжекторами (19) необходимо создать подпор потоку после насосов-форсунок, на выходе из двигателя, например, установить регулятор давления/перепускной клапан в линии возврата (20). В приведенной схеме и в описании патента указан регулятор давления (18), установленный на коллекторе (7), в то время поток топливного раствора протекает по параллельной линии через насосы-форсунки. При такой установке регулятор (18) выполняет обратную функцию - не позволяет повысить давление перед форсунками, работая как предохранительный клапан. Данный регулятор (18) типа «до себя» другой функции выполнить не может и предназначен, по-видимому, для исключения роста давления как при работе на базовом топливе, так и в режиме питания форсунок топливным раствором.
Указанные недостатки в патенте №8,037,849 не позволяют обеспечить эксплуатацию двигателя и реализовать потенциал повышения экономичности при использовании нефтяного или иного рода жидкого топлива, т.к. подача топливного раствора при низком давлении к форсункам вызывает загазованность линий топливоподачи свободной газовой фазой, в том числе пузырями газа, что приводит к аварийной остановке двигателя и, как правило, вызывает детонацию в камерах сгорания с поломкой двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является разработка двигателя повышенной экономичности путем активации жидкого топлива перед подачей на инжекцию в камеры сгорания. Цель изобретения - реализация потенциала топливной экономии в стандартном двигателе внутреннего сгорания путем подачи на инжекцию однофазного топливного потока, содержащего растворенный газ. Новое техническое решение системы топливоподачи призвано обеспечить надежную работу двигателя во всех условиях реальной эксплуатации при высокой экономичности.
Поставленная цель достигается благодаря специальным техническим приемам и конструктивным решениям, направленным на обеспечение главного требования к системам топливоподачи: гарантированного заполнения однофазной жидкой средой всех линий топливоподачи после абсорбера до выхода потока из двигателя. Конструктивное решение поставленной задачи показано на примере дизельного локомотивного двигателя высокой мощности, до 5700 л.с., с насосами-форсунками и с общим питающим топливным коллектором для всех насосов-форсунок, и также с общим коллектором возвратного топлива от насосов-форсунок.
Основное преимущество процесса сжигания в двигателях топливного раствора обусловлено гипервысоким диспергированием микрокапель топлива в результате инжекции в связи с цепным характером десорбции газа, тем самым исключается возможность коалесценсии - слипания микрокапель топлива как в объеме камеры сгорания, так и на стенках камеры сгорания. Достигнутое качество гипердиспергирования инжектируемой дозы топливного раствора позволяет получить мгновенный переход жидкой фазы в паровую и обеспечить процесс сгорания при наиболее оптимальных параметрах топливо-воздушной смеси внутри камеры, в том числе обеспечить оптимальное расслоение дозы впрыска. Применение любых других приемов, и в особенности, таких как повышение давления топлива в момент впрыска, не исключает процесса коалесценсии микрокапель топлива внутри камеры сгорания и медленного сгорания пленки топлива на холодных стенках.
Экспериментально показано, что процесс коалесценсии оказывает негативный эффект при сжигании стандартного топлива, например бензина, в особенности бедной топливно-воздушной смеси даже при условии активного воздействия на воспламенение топливо-воздушной смеси при многоимпульсном впрыске и прямой инжекции топлива в камеру сгорания.
Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается приведенной схемой топливоподачи, которая должна рассматриваться лишь как один из вариантов иллюстративных, но не ограничивающих.
Достаточно близкой к рассматриваемой схеме является схема с Common Rail системой топливоподачи в современном дизельном двигателе. Выбор среднеоборотного локомотивного дизельного двигателя для описания примера реализации нового метода и системы обусловлен тем, что локомотивные двигатели высокой мощности являются заведомо высокоэкономичными.
Так, например, расход топлива на мощности 5300 л.с., при 910 об/мин, не превышает 3,7 г/кВт·мин, в тех же сравнимых условиях тестирования двигателя тягача на мощности 425 л.с. при 1700 об/мин потребление топлива составляет 4,8 г/кВт·мин.
Новая схема двигателя высокой мощности с модернизированной системой топливоподачи показана на Рисунке. Типовой среднеоборотный дизельный двигатель (1) имеет насосы-форсунки, питающий топливный коллектор (2), коллектор возвратного топлива (3) после форсунок, линии топливоподачи к двигателю и возвратного топлива из двигателя со средствами автоматического контроля и визуального наблюдения, и тракт воздухоподачи с турбокомпрессором.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному варианту реализации изобретения, предложен способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания, состоящий в том, что предварительно преобразуют топливо в топливный раствор в абсорбере (33), где жидкое топливо распыляют группой сопел в среде газа или смеси газов, для чего газы подают от источника, давление газов в абсорбере поддерживают стабильным с помощью понижающего регулятора давления (64), при этом жидкое топливо к соплам подводят с помощью питающего топливного насоса (32) и управляют подачей топлива по сигналам датчика уровня (42), регистрирующего объем топливного раствора в абсорбере (33), отличающийся тем, что организуют подачу топливного раствора к насосам-форсункам путем рециркуляции топливного раствора через двигатель (1), избыточный поток топливного раствора на выходе из двигателя направляют через 3-ходовой кран (17) на охлаждение в теплообменник (52), затем на сепарацию газов для отделения паровой фазы и пузырьков свободного газа и далее через перепускной клапан (54) типа «до себя» для повышения давления топливного раствора в линии подачи перед насосами-форсунками двигателя, возвратный охлажденный поток топливного раствора направляют на смесительное устройство (46) для смешивания со свежим топливным раствором из абсорбера (33), после объединения двух потоков смешанный топливный раствор подают на рециркуляционный насос (47), повышающий давление топливного раствора в линии подачи к насосам-форсункам двигателя для исключения в потоке топливного раствора свободной газовой фазы.
Согласно другому варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания отличается тем, что перед смешением с рециркулирующим потоком топливного раствора производят активацию свежего топливного раствора в активаторе потока (45) для создания концентраторов напряжений в связях между молекулами газа и топлива, при этом в процессе возбуждения - создания концентраторов, исключается выделение газа в самостоятельную свободную фазу.
Согласно третьему варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания отличается тем, что операцию перевода жидкого топлива в состояние топливного раствора целесообразно применять при нагрузках в режиме постоянной работы двигателя; при необходимости остановки двигателя выполняют переходный режим для замены топливного раствора в системе подачи топлива после абсорбера базовым топливом, с продолжительностью переходного режима не более 20 секунд.
Согласно следующему варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания характеризуется тем, что в процессе работы двигателя на топливном растворе подачу газов в абсорбер (33) сопровождают периодической продувкой газового объема абсорбера, при этом продувочные газы направляют в тракт воздухоподачи двигателя предпочтительно после компрессора (72).
Согласно следующему варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания отличается тем, что периодически выполняют продувку газового объема сепаратора (53) для удаления избыточных паров и газов, выделенных из потока топливного раствора на выходе из двигателя; удаляемые газы и пары направляют в тракт воздухоподачи, впрыскивая в поток воздуха после компрессора (72).
Согласно следующему варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания, характеризуется тем, что рециркуляцию топливного раствора в замкнутом контуре, включающем линию подачи топливного раствора к насос-форсункам, насосы-форсунки и линию возврата топливного раствора, организуют с помощью рециркуляционного насоса (47), а для охлаждения возвратного потока топливного раствора из двигателя применяют предпочтительно двухконтурный теплообменник (52), в первый контур подают «горячий» возвратный поток из двигателя, а во второй контур направляют поток «холодного» топлива от главного топливного насоса (7) системы топливоподачи двигателя и возвращают топливо из второго контура теплообменника по штатной сливной линии в топливный бак (4).
Согласно следующему варианту, указанный способ подготовки дизельного топлива перед инжекцией в камеру сгорания характеризуется тем, что предварительно готовят топливный раствор, обеспечивающий гипервысокое диспергирование жидкого топлива при инжекции в камеру сгорания, отличающийся тем, что при нагрузке двигателя подачу топливного раствора в камеру сгорания организуют по двум независимым путям, при этом пилотную дозу, часть общей дозировки топлива, предпочтительно не более 18,5%, впрыскивают в тракт воздухоподачи, после компрессора (72) предпочтительно через вихревую форсунку (77), а основную часть топливного раствора направляют в двигатель, при этом управление впрыском пилотной дозы в тракт воздухоподачи выполняют с помощью электронного контроллера в зависимости от величины нагрузки двигателя.
Вместе с тем предложена система топливоподачи дизельного двигателя с применением топливного раствора, имеющая:
а) абсорбер (33) для приготовления свежего топливного раствора путем распыления жидкого топлива в газовой среде;
б) активатор потока (45) для создания концентраторов напряжений в связях между молекулами газа и жидкости в потоке топливного раствора;
в) контур рециркуляции топливного раствора включающий в себя линию подачи топливного раствора к насос-форсункам с помощью рециркуляционного насоса (47); насос-форсунки; линию возврата топливного раствора; двухконтурный теплообменник (52) для охлаждения возвратного горячего потока топливного раствора из двигателя; сепаратор (33) для отделения выделившегося в возвратном потоке после двигателя свободной газовой фазы/паров топлива; перепускной клапан (54) типа «до себя» для повышения давления топливного раствора в линии подачи перед насосами-форсунками двигателя; и смесительное устройство (46) для пополнения потребленной в двигателе части топливного раствора свежим топливным раствором поступающем из абсорбера (33) через активатор потока (45);
г) линию подачи пилотной дозы топливного раствора в тракт воздухоподачи в размере не более 18,5% от общей дозы инжекции; и
д) линии продувки абсорбера и сепаратора с подачей избыточных паров и газов в тракт воздухоподачи.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В традиционной системе топливоподачи топливо поднимается из топливного бака (4) с помощью лифт-насоса (5) через фильтр первой ступени (6) к главному топливному насосу (7). Далее от насоса топливо поступает на 3-ходовой кран с ручным переключением (8), в зимнее время топливо направляется для нагрева в теплообменник. Затем топливо поступает на фильтр (9) с возможностью визуального наблюдения за потоком, параллельно фильтру установлен перепускной регулятор потока (10), который включается в работу при засорении фильтра (9). Величина настройки давления регулятора (10), например, 2,1 бар, при повышении давления перед регулятором, клапан регулятора открывается и пропускает поток через клапан. Чтобы избежать внезапной остановки подачи топлива в двигатель (1), после фильтра (9) топливо поступает через точку подключения т. 2 А*2 системы А*2 к 3-ходовому крану (12), далее к 3-ходовому крану (13), затем через обратный клапан (14) на фильтр финишной очистки (15), далее подают в питающий топливный коллектор (2). Линии потока топлива после насосов-форсунок собирают топливо в коллектор возвратного топлива (3). Из выходного порта коллектора (3) горячее топливо по линии (16) направляют через 3-ходовой клапан (17) на перепускной клапан (18), создающий подпор, например, 0,03 бар в устройство для визуального контроля (19) и далее в топливный бак (4). В линии подачи топлива, параллельно питающему топливному коллектору (2) двигателя установлен предохранительный регулятор давления/перепускной регулятор (20) для защиты линий питания насосов-форсунок от превышения рабочего давления, например, 16 бар.
мах
Главный топливный насос (7) такого двигателя обеспечивает подачу топлива к насосам-форсункам с большим избытком относительно расхода в камерах сгорания: так, например, при максимальной нагрузке расход подачи составляет 230% относительно потребления на работу, а в основном эксплуатационном режиме нагрузок двигателя (0,25-0,5) Р соотношение расходов подачи и потребления составляет 870-450%.
С помощью повышенных расходов топлива через насосы-форсунки обеспечивается эффективное охлаждение и смазка этих устройств, расположенных в самых горячих зонах двигателя, что в свою очередь гарантирует долговечную и надежную работу системы топливоподачи и всего двигателя.
В предшествующем изобретении по патенту РФ №2,129,662 впервые был описан метод приготовления топливного раствора путем распыления топлива в емкости для растворения газов - абсорбере. Данный метод получения топливного раствора является высокоэффективным как по производительности, так и по возможности достижения требуемой высокой концентрации газов в растворе. Были описаны условия сохранения жидкой фазы полученного топливного раствора при подаче на инжекцию.
Новая система топливоподачи обеспечивает гипердиспергирование топлива при инжекции и сгорании в камерах, носит акроним «А*2».
Новая система топливоподачи с подачей в камеры сгорания двигателя топливного раствора подключена в точках т. 1 А*2, т. 2 А*2, т. 3 А*2 и т. 4 А*2 параллельно базовой системе топливоподачи двигателя. Подключение выполнено с помощью 3-ходовых электроклапанов или шаровых кранов (11), (12), (13) и (17) с пневмоуправлением.
Нормально открытые порты данных устройств коммутируют линии питания стандартным топливом, а нормально закрытые порты подключены в линию питания топливным раствором.
Первая точка подключения новой системы 1А*2 находится перед входным портом главного топливного насоса (7), топливо подается на питающий низконапорный топливный насос (32), который по линии (31) обеспечивает подачу топлива в абсорбер или блок абсорберов (33).
После выходного порта питающего топливного насоса (32) установлен обратный клапан (34) для предотвращения обратного потока топлива из абсорбера. Подобный обратный клапан (35) установлен и перед входным портом питающего насоса (32) для обеспечения гарантированного заполнения насоса топливом.
В блоке абсорберов (33), при подаче топлива питающим насосом (32) выполняют распыление топлива в газовой среде с помощью сопл или диспергирование с помощью других устройств для создания развитой поверхности контакта с газами. В результате распыления, в топливе абсорбируются газы в соответствии с законом Генри: концентрация растворенных газов, при достаточной поверхности обмена, прямо пропорциональна парциальному давлению составляющих компонентов смеси газов и обратно пропорциональна температуре полученного топливного раствора.
Газ или газы подают в блок абсорберов (33) от источника (61), например, через ресивер (62) и электроклапан (63). Уровень давления газов в абсорберах (33), предпочтительно, не менее 2,4 бар обеспечивают с помощью регулятора давления (64). Перед входным портом ввода газов в абсорбер предпочтительна установка обратного клапана (65).
Объем газовой среды в абсорберах (33) занимает приблизительно половину общего объема внутренней полости абсорберов в верхней ее части. В этом объеме выполняют диспергирование свежего топлива, а в нижней половине объема абсорберов (33) накапливают приготовленный топливный раствор. Для обеспечения достаточного уровня распыления топливо подается в абсорберы (33) под давлением, которое, например, не менее чем на 35% превышает давление газов. Подачу топлива в абсорберы (33) ведут по показаниям управляющего датчика уровня (42) путем релейного регулирования накопленного топливного раствора. При минимальном рабочем уровне топливного раствора по показаниям датчика (42) контроллер (50) системы А*2 подает команду на включение питающего топливного насоса (32). По верхнему уровню топливного раствора в абсорберах (33) управляющий датчик (42) подает сигнал на контроллер (50), контроллер продолжает обеспечивать работу насоса (32), например, с задержкой 5±2 секунды после выдачи сигнала датчиком (42) о достижении топливом верхнего уровня. Таким образом, некоторое переполнение абсорберов выполняют специально, чтобы исключить ложное срабатывание (фибриляцию) датчика при колебаниях уровня топливного раствора, например, в транспортном применении данной системы. Благодаря указанной задержке в работе насоса (32) и продолжению наполнения абсорберов поплавок управляющего датчика (42) занимает устойчивое, крайнее верхнее положение и фиксируется в состоянии затопления.
Для обеспечения надежной работы системы топливоподачи А*2 во внутренней полости абсорбера устанавливают дополнительные датчики уровня (41 и 43). Датчик (41) регистрирует минимальный уровень накопленного топливного раствора, другой датчик уровня (43) регистрирует максимально допустимый уровень накопленного топливного раствора. Датчики (41 и 43) являются аварийными датчиками, предназначенными для выдачи информации о возможных неполадках в системе А*2, и выдают сигнал на контроллер (50) для переключения на базовую систему топливоподачи. Аварийные датчики предусмотрены с целью исключения попадания газа из абсорберов в двигатель, а также неконтролируемого роста давления топливного раствора в линии питания насосов-форсунок.
Приготовленный свежий топливный раствор выводят из абсорберов (33) по линиям (44) и объединенный поток подают на активатор потока (45) для реконструкции сорбционных связей между молекулами жидкости и растворенного газа. В активаторе потока (45) топливный раствор проходит своего рода репетицию процесса десорбции газа, которая должна активно выполняться при последующей инжекции в камеру сгорания двигателя (1). В активаторе потока (45) создаются концентраторы напряжений в связях молекул и жидкости, при этом процесс возбуждения-создания концентраторов должен исключать выделение газа в самостоятельную свободную фазу. В качестве активатора потока можно применить понижающий регулятор давления, или завихритель потока, создающий пониженное давление в зоне завихрения, например, на основе известного в гидродинамике эффекта Ранка-Хилша, или, например, ультразвуковой магнитостриктор помещенный в поток топливного раствора, протекающего в замкнутой капсуле.
Показано экспериментально, что обработка топливного раствора в активаторе потока (45) обеспечивает проявление в процессе инжекции улучшенного диспергирования топливного раствора даже при низкой концентрации газа в растворе, например воздуха, растворенного при давлении 3 бар. Применение такого же раствора без активатора потока не приводит к проявлению какого-либо эффекта в процессах сжигания топливного раствора в дизельных двигателях.
Данный технологический прием - активация топливного раствора - тем более необходим для получения положительного эффекта при сжигании топлива в коротких циклах средне- и высокооборотных двигателях внутреннего сгорания. Такая зависимость подтверждает правильность гипотезы о проявлении активной десорбции газа из раствора благодаря первично созданным центрам-концентраторам напряжений в сорбционных связях однофазного двухкомпонентного раствора.
После активатора потока (45) топливный раствор подают на смесительное устройство (46), где свежеприготовленный раствор из абсорберов смешивают с рециркулирующим обратным потоком охлажденного топливного раствора из двигателя и смешанный поток направляют на рециркуляционный насос (47) для подачи в двигатель. Ввод в двигатель потока после рециркуляционного насоса (47) выполняют через 3-ходовой кран (13). В режиме работы системы А*2 нормально закрытый входной порт 3-ходового крана (13) открыт по команде контроллера (50). После крана (13) поток подают на порт питающего топливного коллектора (2) двигателя через обратный клапан (14) и фильтр (15), и далее к насосам-форсункам (не показаны). Выходной горячий поток топливного раствора после насосов-форсунок по коллектору возвратного топлива (3) двигателя отводится по линии (16) через 3-ходовой кран (17) на двухконтурный теплообменник (52), далее охлажденный поток подают на отделение паров топлива и пузырьков газа в сепаратор (53). Охлажденный и сепарированный поток возвратного топливного раствора подают на перепускной клапан-регулятор давления типа «до себя» (54), с помощью которого повышают давление в линии рециркуляции топливного раствора (например, не менее чем на 8%) после рециркуляционного насоса (47), в линиях подачи к насосам-форсункам и в линии возврата потока из двигателя до указанного регулятора (54). После регулятора (54) рециркулирующий поток топливного раствора подают на смесительное устройство (46). В смесительном устройстве (46) рециркулирующий поток пополняется свежим топливным раствором из абсорберов (33). Таким образом, подачу топливного раствора к насосам-форсункам выполняют из замкнутого контура рециркуляции, в котором задают давление потока топливного раствора не менее чем на 8% выше давления его приготовления, чтобы исключить газовыделение из потока топливного раствора в питающем топливном коллекторе (2) до насосов-форсунок двигателя. Расход свежего топливного раствора из абсорберов равен расходу потребления топливного раствора в двигателе. Подачу газов в абсорберы производят непрерывно и регулируют величину давления с помощью регулятора (64) типа «после себя» с точностью регулирования давления ±1,5%.
В газовой полости абсорберов некоторые компоненты смеси газов сорбируются непропорционально, вследствие этого концентрация высокорастворимых компонентов снижается быстрее, чем малорастворимых и поэтому для обеспечения гарантированного содержания всех компонентов смеси газов необходима периодическая замена газов в абсорберах. Периодическую продувку газового объема абсорберов выполняют по линии (67) через дроссель (68) и электроклапан (69) по команде контроллера (50). Продувочные газы отводят в тракт воздухоподачи по линии (70), предпочтительно после воздушного компрессора (72).
Возвратный поток горячего топливного раствора отводят через открытый порт 3-ходового клапана (17) на охлаждение для последующего смешения со свежим топливным раствором из абсорберов. В первый контур теплообменника (52), например, пластинчатого подают для охлаждения горячий рециркулирующий топливный раствор, а во второй контур противотоком направляют поток базового топлива от главного топливного насоса (7) двигателя через 3-ходовой кран (12) в качестве хладагента. Возврат базового охлаждающего топлива из теплообменника в топливный бак ведут через базовый подпорный переливной клапан (18) и прибор визуального наблюдения (19).
Далее охлажденный возвратный поток топливного раствора поступает в сепаратор (53) для отделения выделившихся в горячем возвратном потоке топливного раствора свободных газовых пузырьков и/или паров топлива. Топливный раствор некоторое время находится в сепараторе (53) и после выделения свободного газа/паров топлива выводится из нижней зоны сепаратора (53), а выделившийся газ/пары топлива скапливаются в верхней зоне, и периодически сбрасываются по команде контроллера (50) путем открытия клапана (57) по линии (59) в тракт воздухоподачи двигателя после компрессора (72). Дросселем (56) регулируется расход сбрасываемых газов.
В тракте подачи в двигатель воздуха на линии (70) установлена смесительная камера (75) с вихревой форсункой (77), через которую выполняют периодическую инжекцию топливного раствора из контура рециркуляции путем управления работой, импульсной продувкой, электроклапанов (78) по команде контроллера (50).
В процессе работы на топливном растворе при повышенной нагрузке двигателя может быть включен режим форсирования двигателя (1) по команде оператора или автоматически по сигналу штатного ЕСМ (электронного контрольного модуля) двигателя и/или по команде контроллера (50) системы А*2. В режиме форсирования мощности двигателя некоторая часть топливного раствора, предпочтительно до 18,5% относительно расчетной, рабочей дозы инжекции, впрыскивается в тракт воздухоподачи (70). Для этой цели организуют смесительную камеру (75), предпочтительно с круговым потоком воздуха. В центр камеры (75) устанавливают вихревую форсунку (77), через которую инжектируют топливный раствор в поток воздуха перед подачей в камеры сгорания. Инжекция малой дозы топливного раствора в поток воздуха создает крайне бедную топливовоздушную смесь в тракте воздухоподачи. Изначально бедная смесь не способна к воспламенению, в процессе такта сжатия смеси в камере сгорания температура значительно повышается и микрокапли гипердиспергированного топлива активно испаряются. При положении поршня вблизи крайней верхней точки, пары топлива самовоспламеняются благодаря достижению температуры воздуха и паров уровня 800±30°С.
Таким образом, малая доза топливного раствора, инжектируемая в тракт воздухоподачи, обладающая способностью к тонкому диспергированию в потоке воздуха и быстрому испарению в процессе сжатия воздуха, выполняет роль «пилотной дозы» впрыска, и обеспечивает эффективный процесс горения основной рабочей дозы инжектируемого топливного раствора по основной линии топливоподачи.
Новый метод позволяет повысить мощность двигателя дополнительно на 8,5…10% при снижении всех компонентов выхлопных газов более чем на 12%, в том числе сажи более чем на 85%. Логика управления инжекцией «пилотной дозы» впрыска в тракт воздухоподачи построена пропорционально расходу свежего топливного раствора из абсорберов, например, в зависимости от скорости расхода накопленного топливного раствора в паузе подачи свежего топлива питающим насосом (32) или пропорционально длительности управляющего сигнала ЕСМ на инжекцию топлива основными инжекторами двигателя.
В процессе эксплуатации двигателя, при необходимости остановки, выполняют переход на базовый режим топливоподачи путем замены топливного раствора в линиях двигателя на базовое топливо. Для выполнения данной операции по команде контроллера (50), закрывают электроклапан (63) подачи газов в абсорберы (33), включают питающий насос (32), переключают 3-ходовой кран (11) и направляют поток свежего базового топлива в линию (81) для доставки в питающий топливный коллектор (2) двигателя, при этом периодически открывают электроклапан (55). Через 5 секунд после начала операции замены топлива отключают рециркуляционный насос (47), переключают 3-ходовые краны (12) и (13) на базовый режим и открывают постоянно электроклапан (55). Через 15 секунд от начала операции переключают 3-ходовой кран (17) на закрытие рециркуляционной линии и слива возвратного топлива из двигателя в топливный бак (4). Одновременно с началом операции открывают импульсно клапан (69) продувки газа из абсорберов и снижают давление в абсорберах до атмосферного. На 20-й секунде клапан (69) закрывают, отключают питающий насос (32) и снимают электропитание всех выходящих каналов контроллера системы А*2.
Операция перехода на базовый режим топливоподачи заканчивается не позднее чем через 20 секунд после подачи команды контроллером системы А*2.
Переход на базовый режим топливоподачи выполняется без остановки двигателя и без потери мощности.
Данный переход выполняется также на холостом ходу при остановке двигателя оператором-водителем, после поворота ключа управления двигателем по команде контроллера (50) системы А*2, двигатель продолжает работать 30 секунд и затем отключается автоматически.
Аналогичные приемы задержки холостого хода перед полной остановкой применяются на двигателях высокой мощности, например на локомотивных и судовых двигателях.
В качестве примера приведены результаты тестов среднеоборотного 16-цилиндрового дизельного двигателя, имеющего максимальную мощность 3250 л.с. при 910 об/мин.
Наиболее малоэффективным трудным является режим горения на минимальных нагрузках, при высоком переизбытке воздуха в камерах сгорания (при λ=12-13,5), в условиях «холодного» горения. В этих условиях удельный расход топлива, приведенный к 1 л.с., повышен относительно средних и максимальных мощностей более чем в 1,5 раза.
Проведено 10 тестов при различных параметрах потоков в системе А*2. Во всех тестах для приготовления топливного раствора в блок абсорберов подавался воздух при давлении Р=12 бар.
Результаты тестов показали высокоэффективный режим горения топлива:
* экономия топлива
от 8,1% до 14,4%
* снижение общего выброса
отходящих газов
8,8%-16,1%
** в том числе,
NOx
9,5%-16,5%
CO<sub>2</sub>
8,1%-13,7%
СО
до 15%
НС
до 11,7%
Таким образом, согласованное изменение расходных характеристик двигателя при одновременном снижении компонентов выхлопа является объективным доказательством высокоэффективного горения топливного раствора.