СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПАРОВ ТОПЛИВА
FUEL VAPOR RECOVERY METHOD

Способ утилизации паров топлива предназначен как для транспортных средств, так и энергетических стационарных установок с двигателями внутреннего сгорания.
Известен способ работы двухтопливного газотурбинного двигателя, работающего на углеводородном и криогенном топливе (заявка РФ №93006021, F02C 9/00, опубликована: 30.04.1995), заключающийся в том, что при работе на углеводородном топливе в камеру сгорания через теплообменник подают и криогенное топливо в количестве, обеспечивающем охлаждение стенок теплообменника до температуры ниже допустимой температуры для конструкции теплообменников. Криогенное топливо также подают через теплообменник на режимах выше малого газа, а расход криогенного топлива через теплообменник увеличивают пропорционально увеличению температуры газов за турбиной.
Недостаток способа заключается в том, что в процессе эксплуатации транспортного средства в топливном баке за счет внешнего теплопритока повышается давление паров криогенного топлива, для снижения которого часть этих паров выбрасывается через дренаж в атмосферу, что снижает эффективность энергетической установки транспортного средства, а также повышает вероятность возгорания паров топлива, выброшенных в атмосферу.
Известна система заправки самолета криогенным топливом (SU 1834201 А1, опубл. 09.07. 1995, бюл. №19). Система заправки содержит топливозаправщик, на выходе которого и смонтирована линия заправки, оканчивающаяся наконечником для стыковки с заправочным штуцером борта самолета, соединенного с топливным баком трубопроводом заправки. На баке установлен трубопровод дренажирования паров топлива. Линия заправки и трубопровод дренажирования паров топлива коаксиально соединены внутренним каналом заправочного штуцера с трубопроводом заправки самолета, а наконечник линии заправки снабжен линией отвода и утилизации паров с перекрывным краном, которая внешним каналом наконечника коаксиально соединены с линией заправки, при этом между наконечником и штуцером на их внешних каналах установлено уплотнение для герметизации дренируемых паров от внешней среды, а на внутренних каналах - дополнительные уплотнения для разделения топлива от его дренируемых паров, при этом в каналах смонтированы отсечные клапаны.
Недостаток системы заключается в том, что не раскрыта сущность системы утилизации паров топлива во время заправки самолета.
Известен способ использования паров топлива в поршневом двигателе внутреннего сгорания с электронной системой управления (стр. 137, Системы управления бензиновыми двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М.: ООО «Книжное издательство за «За рулем», 2005. - 432 с.). Способ заключается в поступлении паров топлива из топливного бака в адсорбер, заполненный активированным углем, с последующей его импульсной продувкой воздухом во впускной трубопровод поршневого двигателя внутреннего сгорания при его работе, при этом уменьшают расход основного топлива на величину прогнозируемого расхода паров топлива из адсорбера.
Недостаток способа заключается в том, что не все виды топлива в газообразном состоянии можно адсорбировать в достаточном количестве без увеличения объема и массы адсорбера, а также в том, что расход паров топлива из адсорбера вычисляется в электронном блоке управления по алгоритму прогноза, что ухудшает точность дозирования общего количества топлива, поступающего в цилиндр двигателя, а значит и ухудшает токсичность отработавших газов.
Задачи изобретения: повышение эффективности использования паров топлива при работе двигателя внутреннего сгорания, повышения безопасности при эксплуатации транспортного средства, а также снижения вредных выбросов в атмосферу в виде паров топлива и токсичных компонентов на выхлопе двигателя внутреннего сгорания.
Поставленные задачи в способе утилизации паров топлива заключающемся в подаче паров топлива в двигатель внутреннего сгорания, при этом измеряют давление паров топлива в топливном баке и измеренное давление паров топлива в топливном баке сравнивают с первым и вторым контрольными давлениям, причем второе контрольное давление больше первого контрольного давления, при превышении второго контрольного давления включают подачу паров топлива в двигатель внутреннего сгорания и снижают расхода основного топлива на величину расхода паров топлива, а при снижении давления паров топлива в топливном баке ниже первого контрольного давления выключают подачу паров топлива в двигатель внутреннего сгорания, решаются тем, что с целью повышения экономичности и безопасности транспортных средств путем использования энергии сгорания паров топлива в рабочем цикле двигателя внутреннего сгорания, первое и второе контрольные давления паров топлива изменяют в зависимости от внешних условий - давления и температуры окружающей среды, при этом при увеличении температуры окружающей среды или снижения давления окружающей среды значение второго контрольных давлений паров топлива уменьшают, а при снижении температуры окружающей среды или увеличении давления окружающей среды второе контрольные давления паров топлива увеличивают, при этом второе контрольное давление паров топлива не превышает максимального рабочего давления в топливном баке, а разность между вторым и первым контрольными давлениями паров топлива остается постоянной, а также тем, что перед подачей паров топлива на вход компрессора газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, закрывают отбор воздуха на продувку и наддув кабины транспортного средства и блокируют этот сигнал закрытия отбора воздуха, после выключения подачи паров топлива на вход компрессора газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, снимают блокировку сигнала закрытия отбора воздуха и включают продувку и наддув кабины транспортного средства, а также тем, что подачу паров топлива во впускной воздушный трубопровод, открывают по команде с момента начала открытия впускного клапана и прекращают подачу паров топлива за 20-60 градусов по углу положения коленчатого вала до момента закрытия впускного клапана, а также тем, что пары топлива из топливного бака сжимают в компрессоре и подают их непосредственно в камеру сгорания через дополнительную газовую форсунку, при этом давление сжатых паров топлива превышает давление смеси воздуха с топливом в камере сгорания, а также тем, что пары топлива из топливного бака сжимают в компрессоре до рабочего давления основного расхода газообразного криогенного топлива и подают их в смеситель после теплообменника газификатора для смешения с основным расходом газообразного криогенного топлива с последующей подачей полученной смеси в камеру сгорания, а также тем, что при изменении высоты над уровнем моря, команду управления подачей сжатых паров топлива из топливного бака в двигатель внутреннего сгорания блокируют или разблокируют, при увеличении высоты над уровнем моря разблокируют, а при уменьшении высоты над уровнем моря - устанавливают, а также тем, что команду управления подачей сжатых паров топлива из топливного бака, дополнительно блокируют или разблокируют по режиму работы газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, с увеличением режима работы блокировку устанавливают, а при снижений режима снимают, а также тем, что непосредственную подачу паров топлива в камеру сгорания через дополнительную форсунку начинают с момента закрытия впускного клапана и заканчивают за 10-50 градусов по положению коленчатого вала до угла опережения зажигания, а также тем, что при превышении давления в криогенном топливном баке выше третьего контрольного давления, которое больше второго контрольного давления, но не превышает рабочее давление криогенного топливного бака, установленное производителем, снимают блокировку подачи паров топлива из криогенного топливного бака по высоте над уровнем моря, а также тем, что расход паров топлива определяют дополнительным турбинным датчиком или по температуре и перепаду давления на дроссельной шайбе, установленной в системе подачи паров топлива в двигатель внутреннего сгорания.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом машиностроении и криогенных системах и может быть использовано в системах подачи топлива, как на транспорте, так и на стационарных установках, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема системы утилизации паров топлива.
На фиг. 2 представлена схема системы по п. 1 формулы для коррекции первого и второго контрольных значений давления паров.
На фиг. 3 представлена схема системы утилизации паров топлива для осуществления способа по п. 4 формулы.
На фиг. 4 представлена схема системы утилизации паров топлива для осуществления способа по п. 5 формулы.
1i
2i
Система (фиг. 1) содержит топливный бак 1, на выходе паров топлива из топливного бака 1 установлен датчик давления 2 и отсечной клапан 3 паров топлива, через который пары топлива поступают в двигатель внутреннего сгорания 4. Блок управления 5 получает данные с датчика давления 2 паров топлива и управляет подачей паров топлива через отсечной клапан паров топлива 3, а также подает команду 6 в электронный блок 7 управления двигателем внутреннего сгорания 4, при этом электронный блок 7 управления двигателем, в свою очередь, управляет дозатором 8 основного расхода топлива в двигатель внутреннего сгорания 4. В блок управления 5 задают сигналы о величине P первого 9 и P второго 10 контрольных давлений паров топлива.
Н
Н
1i
2i
Система (фиг. 2) по отличительной части п. 1 формулы содержит дополнительно блок 11 для измерения давления Р 12 и температуры Т 13 окружающей среды и вычисления в зависимости от этих параметров первого P и второго P контрольных давлений паров топлива.
Система (фиг. 3) по п. 4 формулы содержит дополнительно компрессор 14, вход которого соединенный с подушкой топливного бака 1, а его выход с отсечным клапаном паров топлива 3, при этом компрессор соединен с блоком управления 5.
Система (фиг. 4) по п. 5 формулы содержит дополнительно между топливным баком 1 и дозатором 7 основного расхода криогенного топлива, последовательно соединенные теплообменник 15 газификатор криогенного топлива и смеситель 16 сжатых паров топлива с основным расходом газообразного криогенного топлива, при этом отсечной клапан 3 паров топлива из топливного бака соединен со смесителем 16.
пт
1i
2i
2i
1i
2i
1i
2i
1i
H
H
1i
2i
1i
2i
H
H
Hi
Hi+1
H
1i
2i
2(i+1)
2i
H
Hi
Hi+1
Hi
Hi+1
H
1i
2i
2(i+1)
2i
H
Hi
Hi+1
мирд
2i
H
2(i+1)
H
2(i+1)
2(i+1)
мирд
2i
1i
Способ по п. 1 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Измеренное давление Р паров топлива в топливном баке 1 сравнивают с первым P и вторым P контрольными давлениям, при этом второе P контрольное давление больше первого P контрольного давления, т.е. P>P, при превышении второго P контрольного давления включают подачу паров топлива в двигатель внутреннего сгорания 4, а при снижении давления паров топлива в топливном баке 1 ниже первого P контрольного давления выключают подачу паров топлива в двигатель внутреннего сгорания 4. Это позволяет использовать пары топлива в рабочем цикле двигателя внутреннего сгорания 4, а также повысить экологические характеристики двигателя внутреннего сгорания, т.к. пары топлива не выбрасывают в атмосферу. Из дополнительного блока 11 (фиг. 2) для измерения давления P 12 и температуры T 13 окружающей среды и вычисления в зависимости от этих параметров первого P и второго P контрольных давлений паров топлива, в блок управления 5 (фиг. 1) поступают сигналы о величине P первого 9 и P второго 10 контрольных давлений паров топлива, которые изменяют в зависимости от внешних условий - давления P и температуры T окружающей среды, при этом при увеличении температуры окружающей среды с T до T или снижения на ΔP давления окружающей среды, P первого 9 и P второго 10 контрольных давлений паров топлива уменьшают до: Р=(P-ΔP)⋅T/T, а при снижении температуры окружающей среды с T до T или увеличении давления на ΔP окружающей среды значения P первого 9 и P второго 10 контрольного давления паров топлива увеличивают до: Р=(P+ΔP)⋅T/T., при этом разность между вторым и первым контрольными давлениями паров топлива остается постоянной. Пример первый, при использовании в качестве топлива жидкого водорода, на летательном аппарате, например применен топливный бак 1 с максимальным избыточным рабочим давлением Р=200 кПа. На уровне земной поверхности при стандартной атмосфере (760 мм. рт.ст., 293 К) второе контрольное давление паров топлива принято, например P=190 кПа. При подъеме на высоту 10000 м атмосферное давление снижается на ΔP=76 кПа, а температура снижается до 218 К. Тогда на высоте 10000 м второе контрольное давление паров топлива равно: P=(190-76)⋅293/218=153,2 кПа. Пример второй. На уровне земной поверхности увеличение атмосферного давления от стандартного (760 мм. рт.ст), может быть ΔP=5 кПа, а минимальная температура достигать 193 К. В этом случае второе контрольное давление паров топлива равно: P=(190+5)⋅293/193=296 кПа., но так как оно превышает максимальное избыточное рабочее давление топливного бака 1, то его принимают равным максимальному избыточному рабочему давлению в топливном баке 1, т.е. P=Р=200 кПа, при этом разность между вторым P и первым P контрольными давлениями паров топлива остается постоянной. Предел прочности нержавеющей стали, например 12Х18Н10Т при снижении температуры от 293 К до 198 К увеличивается примерно на 35%, что позволяет повышать максимальное избыточное рабочее давление топливного бака 1 при отрицательных температурах, но для обеспечения надежности его работы следует ограничиваться максимальным избыточным рабочим давлением, назначенным его производителем. Изменение контрольных давлений паров топлива по изменению давления и температуры окружающей среды, позволяет повысить безопасность эксплуатации топливного бака 1, т.к. снижаются нагрузки на стенки топливного бака 1 из-за уменьшения перепада давления между внутренней полостью топливного бака 1 и внешней средой, а также влияния внешней температуры на стенки топливного бака 1.
Способ по п. 2 формулы для газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4 осуществляют следующим образом. Продувка и наддув кабины транспортного средства производится воздухом из-за компрессора газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4, поэтому перед подачей паров топлива на вход компрессора газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4 (фиг. 1), закрывают отбор воздуха на продувку и наддув кабины транспортного средства и блокируют этот сигнал закрытия отбора воздуха, после выключения подачи паров топлива на вход компрессора газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4, снимают блокировку сигнала закрытия отбора воздуха и включают продувку и наддув кабины транспортного средства. Это предотвращает попадание паров топлива в кабину транспортного средства, что повышает надежность его эксплуатации.
Способ по п. 3 формулы для поршневого двигателя внутреннего сгорания 4 осуществляют следующим образом. Подачу паров топлива во впускной воздушный трубопровод двигателя внутреннего сгорания 4 (фиг. 1), открывают по команде с момента начала открытия впускного клапана и прекращают подачу паров топлива за 20-60 градусов по углу положения коленчатого вала до момента закрытия впускного клапана. Это снижает количество паров топлива во впускном трубопроводе между рабочими тактами и в период продувки цилиндров (период, в котором одновременно открыты и впускной и выпускной клапана), что повышает как безопасность (отсутствие хлопков во впускной системе поршневого двигателя внутреннего сгорания 4), так и уменьшает количество выбросов паров топлива в атмосферу из впускного трубопровода поршневого двигателя внутреннего сгорания 4.
Способ по п. 4 формулы осуществляют следующим образом. При включении подачи паров топлива из топливного бака 1 в двигатель внутреннего сгорания 4 (фиг. 3) блок управления 5 дополнительно включает компрессор 14, который сжимает пары топлива из топливного бака 1, а затем подают их через отсечной клапан паров топлива 3 непосредственно в камеру сгорания через дополнительную газовую форсунку, при этом давление сжатых паров топлива превышает давление смеси воздуха с топливом в камере сгорания. Это повышает безопасность и экологические показатели работы двигателя внутреннего сгорания, т.к. пары топлива не попадают в воздушный поток на входе в двигатель, а также не попадают в окружающую атмосферу.
Способ по п. 5 формулы осуществляют следующим образом. Пары топлива из топливного бака 1 сжимают в компрессоре 14 до рабочего давления основного расхода газообразного криогенного топлива и подают их в смеситель 16 после теплообменника газификатора 15 для смешения с основным расходом газообразного криогенного топлива с последующей подачей полученной смеси через дозатор 8 основного расхода топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4. Это также повышает безопасность и экологические показатели работы двигателя внутреннего сгорания 4, т.к. пары топлива не попадают в воздушный поток на входе в двигатель внутреннего сгорания 4, а также не попадают в окружающую атмосферу.
Способ по п. 6 формулы осуществляют следующим образом. При изменении высоты над уровнем моря, команду управления подачей сжатых паров топлива из топливного бака 1 блокируют или разблокируют, при увеличении высоты над уровнем моря разблокируют, а при уменьшении высоты над уровнем моря - устанавливают. При увеличении высоты над уровнем моря снижается атмосферное давление, пропорционально ему снижается давление в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания 4. Это позволяет уменьшить перепад давления паров топлива для подачи их в камеру сгорания, при этом снижают энергетические затраты на сжатие паров топлива, что повышает экономичность транспортного средства.
Способ по п. 7 формулы осуществляют следующим образом. При изменении режима работы газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4 команду управления подачей сжатых паров топлива из топливного бака 1, дополнительно блокируют или разблокируют, с увеличением режима работы блокировку устанавливают, а при снижении режима снимают. Это также позволяет уменьшить перепад давления паров топлива для подачи их в камеру сгорания, т.к. на малых режимах давление в камере сгорания ниже, чем на высоких режимах работы газотурбинного двигателя внутреннего сгорания 4, при этом снижают энергетические затраты на сжатие паров топлива, что повышает экономичность транспортного средства.
Способ по п. 8 формулы преимущественно для поршневого двигателя внутреннего сгорания 4 осуществляют следующим образом. Непосредственную подачу паров топлива в камеру сгорания через дополнительную форсунку начинают с момента закрытия впускного клапана и заканчивают за 10-50 градусов по положению коленчатого вала до угла опережения зажигания. Это обеспечивает безопасность и экологические параметры работы поршневого двигателя внутреннего сгорания 4, т.к. пары топлива не попадают во впускной и выпускной трубопроводы и не попадают в окружающую атмосферу.
3i
2i
Способ по п. 9 формулы, преимущественно для газотурбинных двигателей внутреннего сгорания работающих на криогенном топливе, осуществляют следующим образом. При превышении давления в криогенном топливном баке 1 выше третьего P контрольного давления, которое больше второго P контрольного давления, но не превышает рабочее давление криогенного топливного бака 1, установленное производителем, снимают блокировку подачи паров топлива из криогенного топливного бака 1 по высоте над уровнем моря. Это обеспечивает безопасность работы криогенного топливного бака 1 в аварийных ситуациях, например при разгерметизации вакуумной полости криогенного топливного бака 1.
Способ по п. 10 формулы осуществляют следующим образом. Для повышения точности дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания 4 при использовании паров топлива, расход паров топлива определяют дополнительным турбинным датчиком или по температуре и перепаду давления на дроссельной шайбе, установленной в системе подачи паров топлива в двигатель внутреннего сгорания 4. Это повышает точность определения расхода паров топлива, т.к. используется не алгоритм прогноза образования паров топлива, а реально замеренный расход, а значит и точность дозирования топлива в двигатель внутреннего сгорания 4.
Таким образом, изобретением усовершенствован способ использования паров топлива, в котором повышена экономичность двигателя внутреннего сгорания, как за счет сжигания паров топлива в камере сгорания, так и на снижении затрат на повышение давления паров топлива для их подачи в камеру сгорания, повышена надежность эксплуатации как транспортного средства, так и его топливного бака, а также снижены выбросы паров топлива в атмосферу, что повышает экологические характеристики транспортного средства.