СИСТЕМА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD TO PREPARE WATER-FUEL EMULSION FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE (ICE)

Изобретение относится к перспективным ресурсо- и природосберегающим топливным системам питания транспортных средств или энергетического оборудования, которые монтируются в штатной системе питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на транспортном средстве и которые предусматривают использование топливных эмульсий типа «вода в углеводороде», где углеводородом является дизельное топливо или мазут, или биотопливо, или печное топливо, или масло, или бензин, или керосин, или спирт.
Одно из направлений повышения экономичности ДВС и снижения вредных видимых и невидимых выбросов в атмосферу связано с использованием эмульгированного топлива. Достоинства водо-топливной эмульсии, используемой в качестве топлива, хорошо известны. Это хорошая воспламеняемость, экономия нефтепродуктов, улучшение экологических показателей, снижение стоимости, повышение термического КПД, использование низкооктановых топлив при высоких степенях сжатия без детонации.
Несмотря на преимущества, из-за трудностей, связанных с проблемами производства и использования, до сих пор ни одно топливо на основе воды и углеводородов не нашло широкого применения.
7
Один из известных подходов решения этой проблемы предполагает использование заранее приготовленного эмульгированного топлива, например, с помощью известного устройства, включающего дозатор-смеситель, состоящий из систем подачи компонентов эмульсии и камеры смешивания, диспергатор, снабженный системой подачи водо-топливной смеси, и трубопровод выдачи водо-топливной эмульсии (описание к патенту RU 2227155 МПК C10L 1/32, В01Р 5/10, опубликовано 2004.04.20, прототип).
Известное устройство не предусматривает возможность эксплуатации непосредственно на транспортном средстве и обеспечивает получение стойкой топливной эмульсии, которая стабилизирована эмульгаторами в виде поверхностно-активных веществ. Использование эмульгаторов не только не решает полностью проблему физико-химической стабильности топливных эмульсий при хранении и транспортировке, но и повышает их стоимость. Кроме того, эмульгирующие добавки ухудшают теплообменные свойства топлива, снижая эффективность сокращения вредных выбросов при сжигании водо-топливных эмульсий.
Перспективным подходом решения проблемы физико-химической стабильности топливных эмульсий является смешивание компонентов и диспергирование воды в полученной смеси непосредственно на транспортном средстве во время использования, получая при этом водо-топливную эмульсию без эмульгирующих добавок. Эмульсия типа «вода в топливе», приготовленная без эмульгирующих добавок является более экономичной с точки зрения стоимости и расхода и снижает загрязнение окружающей среды.
Задача, решаемая изобретением - создание простого в изготовлении и надежного в эксплуатации оборудования для приготовления двухкомпонентной стойкой эмульсии типа «вода в топливе» во время использования, которое монтируется на транспортном средстве в штатной топливной системе питания ДВС.
Технический результат от использования изобретения - повышение эффективности использования водо-топливной эмульсии в системе питания транспортных средств или энергетического оборудования за счет снижения стоимости, расхода и загрязнения окружающей среды при использовании.
Технический результат достигается тем, что в системе приготовления водо-топливной эмульсии для двигателя внутреннего сгорания, включающей дозатор-смеситель, состоящий из систем подачи чистого топлива и воды и камеры смешивания, диспергатор, снабженный системой подачи водо-топливной смеси и трубопроводом выдачи водо-топливной эмульсии, системы подачи чистого топлива, воды и водо-топливной смеси включают циркуляционные контуры, которые снабжены насосом и редукционным клапаном, и, кроме того, подающая ветвь циркуляционного контура воды снабжена обратным клапаном, а подающая ветвь циркуляционного контура чистого топлива снабжена отводом с клапаном для соединения с трубопроводом выдачи топливной эмульсии, при этом трубопровод выдачи водо-топливной эмульсии присоединен к насосу высокого давления ДВС, а системы подачи чистого топлива и воды присоединены к трубопроводам перемещения соответствующих жидкостей в штатной системе питания.
Камера смешивания дозатора-смесителя может быть снабжена электромагнитным клапаном, обеспечивающим пульсирующую подачу воды и топлива, и насадкой для увеличения поверхности контакта между чистым топливом и водой, которая выполнена в виде сплошных шаров или полых шаров с отверстиями или дискретных тел другой формы, уложенных навалом или в определенном порядке, или в виде сетки или в виде спирали, изготовленных из керамики или стали, или других химически стойких материалов.
Диспергатор может быть выполнен в виде виброакустического смесителя, действующего на основе гидродинамического воздействия излучателя на струю водо-топливной смеси и включающего камеру диспергирования с входным и выходными отверстиями, которая снабжена редукционным клапаном, соплом, установленным во входном отверстии камеры, отражателем, обеспечивающим циркуляцию смеси в камере, и излучателем с приводом осевого вращения и рабочей поверхностью в виде полого полуцилиндра с прорезями, образующими одинаковые пластины, который установлен у выходного отверстия сопла с размещением оси вращения перпендикулярно направлению струи водо-топливной смеси.
На фиг.1 схематично представлена система приготовления топливной эмульсии для ДВС и схема ее присоединения к штатной системе питания транспортного средства; на фиг.2 - схематично представлен корпус дозатора-смесителя (вид сверху); на фиг.3 - вид А-А фиг.2; на фиг.4 - вид А-А фиг.2; на фиг.5 - схематично представлен виброакустический смеситель; на фиг.6 - вид А-А фиг.5; на фиг.7 - объемное представление отражателя; на фиг.8 - объемное представление излучателя.
Система приготовления топливной эмульсии для ДВС содержит дозатор-смеситель 1, включающий систему подачи чистого топлива 2 и систему подачи воды 3, и диспергатор 4, снабженный системой подачи водо-топливной смеси 5 и трубопроводом перемещения 6 водо-топливной эмульсии для присоединения к насосу 7 системы питания двигателя.
Системы подачи 2, 3 дозатора соединены соответственно с трубопроводами перемещения чистого топлива и воды в штатной системе питания и камерой смешивания (фиг.4).
Системы подачи 2, 3, 5 включают циркуляционные контуры, подающая ветвь каждого из которых снабжена соответственно насосом 8, 9, 10, а отводящая ветвь редукционным клапаном 11, 12, 13. Редукционные клапаны 11, 12 и 13 обеспечивают регулирование давления подачи жидкостей в камеры смешивания дозатора-смесителя 1 и диспергатора 4 соответственно.
В циркуляционном контуре системы 2 может быть использован топливный насос 8 подачи чистого штатной топливной системы транспортного средства.
Подающая ветвь циркуляционного контура воды снабжена обратным клапаном 14, исключающим поступление водо-топливной смеси в штатную систему подачи воды.
Подающая ветвь циркуляционного контура чистого топлива снабжена отводом 15 с нормально закрытым клапаном 16 и трубопроводом 17 для соединения с трубопроводом 6 выдачи водо-топливной эмульсии.
При закрытом клапане 16 работает система и в топливный насос 7 из диспергатора 4 подается топливная эмульсия.
При открытом клапане 16 по отводу и трубопроводу 6 осуществляется подача чистого топлива к насосу 7 высокого давления ДВС.
Чистое топливо подается при запуске и остановке двигателя. Переход работы двигателя с топливной эмульсии на чистое топливо предназначен для того, чтобы исключить отрицательное воздействие воды (окисление, коррозия и др.) на детали транспортного средства.
Камера смешивания 18 дозатора-смесителя может быть снабжена электроклапаном 19, обеспечивающим пульсирующую подачу, и насадкой 20 для увеличения поверхности контакта между чистым топливом и водой, которая может быть выполнена из керамики или стали, или других химически стойких материалов. Насадка 20, заполняя рабочее пространство камеры 18, увеличивает поверхность контакта между чистым топливом и водой. В результате происходит выравнивание потоков чистого топлива и воды и улучшаются условия их перемешивания. Поверхность контакта воды с чистым топливом определяется величиной поверхности насадки. Для этого насадка 20 может быть выполнена в виде сплошных шаров, как показано на фиг.4, или полых шаров с отверстиями, или дискретных тел другой формы, уложенных навалом или в определенном порядке, или в виде сетки, или в виде спирали.
Диспергатор 4 может быть выполнен в виде виброакустического смесителя (фиг.5, 6), действующего на основе гидродинамического воздействия вращающегося излучателя 21 на поток водо-топливной смеси, поступающий из подающий ветви циркуляционного контура 5 через сопло 22, формирующее струю. Сопло 22 установлено во входном отверстии камеры диспергирования 23 и предназначено для формирования струи смеси. В камере 23 по ходу подачи водо-топливной смеси установлен отражатель 24, обеспечивающий циркуляцию диспергируемой смеси в камере. Редукционный клапан поддерживает заданное давление.
Отражатель 24 имеет направляющие цилиндрические поверхности, которые выполнены по форме «ласточкин хвост» и обращены вогнутыми поверхностями к соплу 22 навстречу потоку.
Направляющие отражателя 24 выполнены в виде изогнутых, например, по кривой, описываемой уравнением спираль Архимеда, пластин 25, зафиксированных между накладными пластинами, обеспечивающими конструкции отражателя жесткость и прочность.
Излучатель снабжен приводом 26 осевого вращения и рабочей поверхностью (фиг.8) в виде полого полуцилиндра 27 с прорезями 28, образующими одинаковые пластины. Пластины рабочей поверхности излучателя могут быть выполнены шириной от 1 мм до 3 мм.
Установлен излучатель 21 у выходного отверстия сопла 22 с размещением оси вращения полуцилиндра 27 перпендикулярно направлению струи водо-топливной смеси.
Камера 23 дополнительно снабжена редукционным клапаном 29, поддерживающим заданное давление в процессе диспергирования водо-топливной смеси, обеспечивая получение водо-топливной эмульсии в виде дисперсной композиции с непрерывной фазой чистого топлива и дисперсными фазами водных капелек и кавитационных парогазовых пузырьков.
Выходное отверстие 30 камеры 22 соединено с трубопроводом 6 перемещения водо-топливной эмульсии и размещено со стороны выпуклых поверхностей отражателя 24.
Система приготовления топливной эмульсии в штатной топливной системе транспортного средства монтируется с размещением трубопровода 6 водо-топливной эмульсии на минимальном расстоянии от топливного насоса 17 высокого давления ДВС. Это позволяет уменьшить длину топливопровода и наиболее эффективно использовать теплообменные свойства эмульсии.
Получаемая водо-топливная эмульсия представляет собой высокодисперсную композицию, включающую частицы воды размером не более 1 мкм, парогазовые пузырьки размером не более 0,2 мкм.
Управление работой аппарата осуществляется в автоматическом режиме по заданной программе. Перед началом работы аппарата подается предупреждающий звуковой сигнал.