СИСТЕМА ПИТАНИЯ ВОДОРОДНЫМ ТОПЛИВОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания, находящегося в составе комбинированной энергоустановки транспортного средства.
Известны различные системы питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом, показанные в патенте РФ №2120041, в патентах №№4413594, 4444158, 5435274, выданных в США. В качестве прототипа принята система питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания, показанная в журнале «Автомобильная промышленность», 2003 год, №11, с.20, статья «Конструкции водородных ДВС. Поиски и решения», авторы В.Ф.Каменев, Н.А.Хрипач. Она содержит топливный бак со спиртом, первый топливный контур для подачи спирта в карбюратор двигателя, второй топливный контур, содержащий топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния теплом от системы охлаждения двигателя, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, теплообменник для охлаждения синтез-газа, газовый редуктор. Однако двигатель с такой системой его питания водородным топливом имеет высокую пожароопасность из-за возможности появления обратных вспышек топлива во впускном трубопроводе на больших нагрузках двигателя.
Задача - создание более безопасной системы питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергоустановки.
Решение задачи повышения безопасности системы питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания обеспечено тем, что созданная система питания двигателя водородным топливом содержит топливный бак со спиртом, первый топливный контур, содержащий форсунки для подачи спирта топливным насосом в патрубки впускного трубопровода двигателя, второй топливный контур, содержащий другой топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода, теплообменник для охлаждения синтез-газа, регулятор подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, топливные трубки, расположенные во впускных каналах в головке цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии впускных клапанов в щели между ними и их седлами.
При подаче синтез-газа в цилиндры двигателя через топливные трубки в щели между впускными клапанами и их седлами на фазе открытия клапанов синтез-газ вследствие насосного действия поршня на такте впуска и возникающего перепада давлений поступает непосредственно в цилиндры, где происходит его смешение с воздухом и образование горючей смеси. Это повышает взрывобезопасность, так как даже при обратных вспышках впускные каналы заполнены только воздухом.
Во втором топливном контуре на его участке между теплообменником для нагрева спирта до газообразного состояния и термохимическим реактором расположен обратный клапан.
На фигуре 1 показана система питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом.
На фигуре 2 показана частично головка блока цилиндров с впускным клапаном и с направленной в сторону его гнезда топливной трубкой подачи синтез-газа.
Представленный на фигуре 1 двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для работы на водородном топливе в составе комбинированной энергоустановки транспортного средства, содержит блок цилиндров 1, систему питания двигателя водородом, находящимся в составе синтез-газа, получаемого из спирта, систему впуска в цилиндры двигателя рабочей среды и систему выпуска отработавших газов. Система впуска в цилиндры двигателя рабочей среды состоит из воздушного фильтра 2, расходометра 3 воздуха, устройства 4 для дросселирования потока воздуха, впускного трубопровода 5, содержащего патрубки 6 (фигура 2), число которых равно числу цилиндров двигателя. Система отработавших газов содержит выпускной трубопровод 7 с байбасным каналом 8.
Система питания двигателя водородным топливом содержит топливный бак 9 со спиртом, например, с метанолом или этанолом, и два топливных контура. Первый топливный контур, включаемый в работу при пуске двигателя, содержит топливный насос 10, топливный фильтр 11 и расположенные в топливной рампе 12 форсунки для подачи спирта топливным насосом 10 в патрубки впускного трубопровода. Второй топливный контур содержит другой топливный насос 13, топливный фильтр 14, теплообменник 15 для нагрева спирта до газообразного состояния теплом, забираемым от системы охлаждения двигателя и от горячего синтез-газа, термохимический реактор 16, расположенный в выпускном трубопроводе 7 в потоке горячих отработавших газов для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода. Для подачи синтез-газа в цилиндры двигателя второй топливный контур содержит теплообменник, который может быть частью теплообменника 15, для охлаждения синтез-газа жидким спиртом и жидкостью системы охлаждения двигателя, подаваемой в теплообменник через термостат 17, регулятор 18 подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, расположенные в газовой рампе 19, и топливные трубки 20. Топливные трубки 20 расположены во впускных каналах 21 в головке 22 цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии каждого впускного клапана 23 в кольцевую щель между его тарелкой 24 и его седлом 25.
Для предотвращения попадания горячих паров спирта в топливный насос 13 при остановке двигателя во втором топливном контуре на его участке между теплообменником 15 и термохимическим реактором расположен обратный клапан 26, закрывающийся при прекращении работы упомянутого топливного насоса.
Датчики расходометра воздуха и температуры в термохимическом реакторе, и также исполнительные элементы форсунок топливной рампы, электромагнитных клапанов газовой рампы, устройства дросселирования потока воздуха, механизма поворота заслонок в выпускном трубопроводе и в байпасном канале подключены электрическими цепями к блоку управления двигателем.
Первый топливный контур обеспечивает питание двигателя спиртом через форсунки топливной рампы 12 с подачей спирта в патрубки впускного трубопровода на режимах холодного пуска двигателя и в первые 3-5 секунд его прогрева. Второй топливный контур обеспечивает питание двигателя синтез-газом на всех рабочих режимах гибридной силовой установки путем его подачи через электромагнитные клапаны газовой рампы 19 в зону щели, открывающейся при отходе впускного клапана от его седла.
Холодный пуск и прогрев двигателя производится на жидком спирте. Через несколько секунд после пуска двигателя, когда произошел нагрев жидкости в системе охлаждения цилиндров двигателя, спирт из топливного бака подают топливным насосом через фильтр в теплообменник, подогреваемый проходящей через него нагретой жидкостью системы охлаждения цилиндров двигателя. В теплообменнике происходит испарение спирта, и он в газообразном состоянии поступает через обратный клапан в термохимический реактор, где происходит его нагрев потоком горячих отработанных газов до температуры 400-600С° и подача в каталитическую зону реактора. В реакторе происходят термохимические процессы конверсии горячего газообразного спирта с образованием синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода. Полученный горячий синтез-газ проходит через теплообменник, в котором происходит его охлаждение жидким спиртом и жидкостью системы охлаждения двигателя. Охлажденный синтез-газ через регулятор его подачи поступает в газовую рампу, из которой он при открытии впускных клапанов подается через электромагнитные клапаны, подключенные к электронному блоку управления, в топливные трубки. Из топливной трубки синтез-газ за счет насосного хода поршня двигателя на такте впуска и возникающего вследствие этого перепада давлений проходит через открытую кольцевую щель между тарелкой впускного клапана и его седлом непосредственно в цилиндр двигателя. В цилиндре двигателя синтез-газ смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, воспламеняемую при рабочем ходе поршня.
Так как синтез-газ подается в охлажденном состоянии в цилиндры двигателя порциями от электромагнитных клапанов через топливные трубки, расположенные во впускных клапанах головки блока цилиндров рядом с впускными клапанами и направленные в сторону открывающихся щелей между впускными клапанами и их седлами на такте впуска, то повышается взрывоопасность работы двигателя на водороде, содержащемся в синтез-газе.