СПОСОБ РАБОТЫ БОРТОВОЙ ВОДОТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING ICE WATER-FUEL SYSTEM

Изобретение относится к технике приготовления эмульсии, которая может быть использована в качестве альтернативного топлива в двигателях внутреннего сгорания, но особенно широкое применение может найти в дизельных двигателях.
Известен способ работы водотопливной системы двигателя внутреннего сгорания, в котором эмульгированные топлива производят посредством лазера (см. патент RU 2173210). Основными недостатками данного способа являются:
- использование сложного и дорогостоящего оборудования для получения эмульсии;
- необходимость постоянного контроля плотности эмульсии и корректировка режима обработки;
- длительный период выхода водотопливной системы на рабочий режим после прекращения работы двигателя.
Известен способ работы транспортной водотопливной системы двигателя внутреннего сгорания, когда эмульгирование топлива достигают за счет кавитации в специальном диспергаторе, при этом необходимый состав водотопливной эмульсии поддерживают за счет регулирования воды (см. О.Н. Лебедев, В.А. Сомов. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988, стр.60-68). Недостатками данного способа являются:
- необходимость создания специальной конструкции кавитатора;
- возможность существенного снижения качества эмульсии из-за отсутствия контроля за очень тонким кавитационным процессом;
- возможность работы водотопливной системы только в одном установившемся режиме работы двигателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ работы бортовой водотопливной системы двигателя внутреннего сгорания, включающий механическое эмульгирование топлива с добавлением эмульгатора, отбор и впрыск эмульсии в цилиндр двигателя с помощью топливоподающей системы, и получение оптимального состава эмульсии за счет регулирования расходов воды и топлива (см. Ф.В.Смаль, Е.Е.Арсенов. Перспективные топлива для автомобилей. М.: Транспорт, 1979, стр.74-87). Несмотря на то, что данный способ отличается простотой, он имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются:
- относительное снижение показателей эффективности работы и увеличение показателей токсичности работы двигателя, особенно при его работе в области холостого хода или в режиме, при котором эффективная мощность становится выше номинального значения, что обусловлено использованием эмульсии грубой дисперсности, требующей для ее стабилизации дополнительного ввода больших доз эмульгатора;
- необходимость новой отстройки водяного и топливного жиклеров при изменении скоростного или нагрузочного режимов работы двигателя или состава водотопливной эмульсии.
Технической задачей является повышение показателей эффективности и снижение показателей токсичности за счет повышения качества эмульсии и оптимизации состава эмульсии в зависимости от скоростного режима работы двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что эмульгирование топлива осуществляют в два этапа - на первом выполняют механическое смешение и диспергирование без эмульгатора, а на втором этапе полученную эмульсию дополнительно диспергируют за счет энергии волн давления, которые получают в топливоподающей системе в процессе впрыска эмульсии в цилиндр, при этом на любом скоростном режиме работы двигателя контролируют только расход топлива, а воду для получения эмульсии добавляют только на определенном скоростном участке, ограниченном верхней линией, соответствующей работе двигателя по внешней скоростной характеристике, нижней линией, соответствующей работе двигателя по частичной характеристике в районе изменения эффективной мощности, составляющей 10÷15% от ее номинального значения, а также двумя вертикальными линиями, ограничивающими диапазон числа оборотов. При этом одна линия соответствует минимальному числу оборотов, равному 0,65÷0,7 от номинального значения, а вторая - максимальному числу оборотов, составляющему 0,9÷0,95 от номинального числа оборотов, причем воду добавляют ступенчато по мере роста расхода топлива, увеличивая количество воды в каждой ступени таким образом, чтобы получать оптимальный состав водотопливной эмульсии для указанного диапазона скоростных режимов двигателя. Заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения поясняется рис.1 и рис.2. На рис.1 дана принципиальная схема бортовой водотопливной системы, реализующей предложенный способ работы. Бортовая водотопливная система состоит из бака 1 для топлива, механического насоса 2 (роторного, шестеренчатого или центробежного типа), топливоподающей системы в виде насоса 3 высокого давления, топливопровода 4 и форсунки 5, кроме того, в систему входят магистраль 6 с расходомером топлива 7, байпасная магистраль с обратным клапаном 8, бак для воды 9, подключенный к магистрали 6 посредством гребенки с электромагнитными клапанами 10, 11 и 12 и дюзами 13, 14 и 15 с разными проходными сечениями. В баке 9 с водой установлен датчик уровня 16, а необходимое давление в баке поддерживается с помощью редуктора 18 из воздушного баллона 19. На байпасной линии с обратным клапаном 8 установлен теплообменник 20, посредством которого из байпасируемого потока отводится теплота, внесенная насосом 2.
На рис.2 в несколько упрощенной форме для пояснения принципа работы представлена зависимость относительного расхода водотопливной эмульсии  от относительной частоты вращения  во
всем диапазоне изменения скоростных характеристик работы двигателя, выделен скоростной участок (ABCD) эффективной работы двигателя на водотопливной эмульсии, который ограничен:
- верхней линией (АВ) относительного расхода водотопливной эмульсии, соответствующего работе двигателя по внешней скоростной характеристике;
- нижней линией (DC) относительного расхода водотопливной эмульсии, соответствующего работе двигателя по частичной характеристике в диапазоне эффективной мощности, равной 10-15% от ее номинального значения;
- вертикальной линией (DA), соответствующей минимальному относительному числу оборотов , при достижении которых подачу воды для получения эмульсии прекращают;
- вертикальной линией (ВС), соответствующей максимальному относительному числу оборотов , при достижении которых подачу воды для получения эмульсии прекращают.
Кроме того, вся площадь (ABCD) эффективной работы двигателя на водотопливной эмульсии разбита на три участка:
- участок (DLMC) соответствует работе двигателя в области малых относительных расходов водотопливной эмульсии от 0,18 до 0,4, при этом количество воды, подаваемой через дюзу 13 при постоянном перепаде давления для получения эмульсии, на этом участке остается постоянной величиной и составляет 10% от среднего значения относительных расходов указанного диапазона;
- участок (LAHM) соответствует работе двигателя в области средних относительных расходов водотопливной эмульсии от 0,4 до 0,6, при этом количество воды, подаваемой через дюзу 14 при постоянном перепаде давления для получения эмульсии, на этом участке остается постоянной величиной и составляет 15% от среднего значения относительных расходов указанного диапазона;
- участок (АВН) соответствует работе двигателя в области высоких относительных расходов водотопливной эмульсии от 0,6 до 0,9, при этом количество воды, подаваемой через дюзу 15 при постоянном перепаде давления на образование эмульсии, остается постоянным и составляет 20% от среднего значения относительных расходов данного диапазона.
Предлагаемый способ работы бортовой водотопливной системы на примере двигателя, работающего по циклу Дизеля, реализуется следующим образом. Пуск и первоначальная работа двигателя происходит на топливе, которое из бака 1 по трубопроводу 6 идет на всас механического насоса 2, например, шестеренчатого. После насоса 2 топливо поступает в топливоподающую систему двигателя, где в зависимости от эффективной мощности, развиваемой двигателем, необходимая часть топлива после насоса высокого давления 3 по трубопроводу 4 подается на форсунку 5, а другая часть топлива, нереализованная в насосе 3, по байпасной линии с обратным клапаном 8 через теплообменник 20 возвращается на всас насоса 2.
x
Перевод работы двигателя с топлива на эмульсию осуществляют за счет подачи воды из бака 9. В зависимости от расхода топлива, контролируемого с помощью расходомера 7, воду подают через соответствующую дюзу 13, 14 или 15, открывая для этого один из электромагнитных клапанов 10, 11 или 12, при этом расход воды через каждую дюзу протекает разный, но постоянный на время ее работы, что обеспечивается за счет постоянного перепада давления на дюзе и гарантируется сохранением постоянного давления в баке 9, которое создается и поддерживается за счет воздуха, подаваемого из баллона 19 с помощью редуктора 18. Вода, смешиваясь в магистрали 6 с топливом, поступает в механический насос 2, где происходит эмульгирование топлива. Водотопливная смесь активно перемешивается и диспергируется, однако образующаяся эмульсия имеет грубую дисперсионную структуру, в которой диаметр дисперсной фазы (воды) колеблется от 50 до 200 мкм. После насоса 2 эмульсия подается в топливоподающую систему, из которой часть водотопливной эмульсии возвращается через теплообменник 20 и обратный клапан 8 на всас механического насоса 2, где с новой порцией воды и топлива повторно перемешивается и диспергируется, а другая часть водотопливной эмульсии через форсунку 3 впрыскивается в цилиндр двигателя под давлением 10,0-25,0 МПа, создаваемым насосом 3, при этом процесс впрыска сопровождается возникновением в топливопроводе 4 прямых и ударных волн давления, под действием энергии которых существенно повышается качество эмульсии, которая становится более однородной и мелкодисперсной с диаметром дисперсной фазы от 3 до 30 мкм, что в конечном итоге и приводит к увеличению полноты сгорания водотопливной эмульсии в цилиндре двигателя и, как следствие, повышает его эффективность работы и приводит к существенному снижению токсичных выбросов (СО, NO и т.д.) в атмосферу с выхлопными газами.
Кроме того, для повышения эффективной работы двигателя на водотопливной эмульсии, а именно: увеличения мощности, крутящего момента, использования топлива в составе водотопливной эмульсии, улучшения показателей токсичности в широком спектре скоростных нагрузок работы двигателя, ввод воды для получения водотопливной эмульсии осуществляют ступенчато, при этом повышают концентрацию воды в каждой следующей ступени по мере увеличения расхода топлива, напрямую связанного со скоростным режимом работы двигателя. Так, если двигатель работал на топливе в области малых нагрузок и числе оборотов в диапазоне , то режим его работы при переходе на эмульсию в соответствии с рис.2 будет продолжаться в области DLMC, т.е. в области с относительно малым расходом водотопливной эмульсии, где для эффективной работы двигателя в составе эмульсии требуется относительно небольшое количество воды, например, 10% от среднего значения диапазона изменения относительного расхода водотопливной эмульсии, а именно от 0,18 до 0,4. Этот расход воды обеспечивает дюза 13 после открытия клапана 10 по сигналу от расходомера 7, контролирующего расход топлива, поступающего из бака 1 для работы двигателя. И хотя расход воды, поступающей из бака 9 через дюзу 13, для образования эмульсии, остается постоянным, то концентрация воды в составе эмульсии при работе двигателя в указанном скоростном поле может колебаться от 15% до 7,5%, что практически очень мало влияет на показатели работы двигателя, но существенно упрощает организацию процесса получения водотопливной эмульсии, необходимого оптимального состава для работы двигателя.
В случае повышении мощности двигателя расход топлива также повышается и может достичь такого значения, когда для сохранения эффективной работы необходимо увеличить расход воды. В этом случае электроклапан 10 закрывается, а клапан 11 открывается и вода для образования эмульсии поступает через дюзу 14, проходное сечение которой при заданном перепаде давления обеспечивают 15% содержание воды в составе эмульсии, относительно среднего диапазона изменения относительного расхода водотопливной эмульсии в области LAHM, а именно от 0,4 до 0,6, при этом процентное колебание воды в составе эмульсии в зависимости от характера частичной скоростной характеристики работы двигателя будет лежать в диапазоне от 17,5 до 12,5%. В этом случае, если характер нагрузки требует дальнейшего роста мощности и крутящего момента двигателя, что сопровождается дальнейшим ростом расхода топлива, то вновь наступит момент, когда для сохранения эффективных показателей работы двигателя на эмульсионном топливе необходимо увеличить процентное содержание воды в составе эмульсии. В этом случае также по сигналу расходомера 7, контролирующего расход топлива, закрывается электроклапан 11 и открывается клапан 12, и вода для образования эмульсии поступает через дюзу 15, проходное сечение которой при установленном перепаде давления обеспечивает расход воды для получения 20% водотопливной эмульсии, где содержание воды 20% также определяется по среднему значению изменения относительного расхода водотопливной эмульсии в области АВН, а именно от 0,6 до 0,9, при этом процентное колебание воды в составе эмульсии будет изменяться в диапазоне от 25% до 15% в зависимости от скоростного режима.
Таким образом, для обеспечения эффективной работы двигателя на водотопливной эмульсии в широком спектре скоростных режимных характеристик осуществляют ступенчатую подачу воды, подбирая для каждой ступени оптимальный состав эмульсии.
x
С той же целью подачу воды производят только в области изменения относительного числа оборотов , при этом первая критическая относительная частота вращения , как показывают испытания, лежат в интервале 0,65-0,7, а вторая -  - в интервале 0,9-0,95 от номинального значения числа оборотов. Продолжение работы двигателя за указанными границами частот вращения приводит к заметному снижению эффективной мощности, крутящего момента, эффективности использования дизельного топлива в составе эмульсии, росту концентрации основных токсичных компонентов (СО, NO) в отработавших газах. Поэтому при уменьшении оборотов двигателя ниже  или их увеличении выше  выгоднее переходить на работу с эмульсии на топливо. Переход на топливо осуществляется также при достижении минимального уровня воды в баке 9, когда по сигналу от датчика уровня 16 закрывают электромагнитные клапаны 10, 11 и 12.
Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет улучшения качества эмульсии и оптимизации ее состава на ограниченном участке скоростного режима работы двигателя обеспечивает высокие термодинамические и экологические показатели его работы.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».