Система рециркуляции газодизельного двигателя
GAS-DIESEL ENGINE RECIRCULATION SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а именно к системам выпуска отработавших газов, системам питания дизелей жидким и газообразным топливом, в частности сжиженным углеводородным газом и может использоваться в системах питания двигателей внутреннего сгорания работающих на газомоторных топливах, таких как сжиженные углеводородные топлива, природный газ и другие.
Известна система рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержащая перепускной трубопровод с регулируемым запорным элементом. Вход перепускного трубопровода сообщен с выпускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорания, а выход перепускного трубопровода сообщен с впускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорании. Перепускной трубопровод выполнен съемным с возможностью присоединения посредством накидных гаек, а перепускной трубопровод по ходу потока перепускаемых продуктов сгорания снабжен последовательно расположенными теплоотводной трубой с воздушным или жидкостным охлаждением и сепаратором для отвода влаги, причем последний размещен перед регулируемым запорным элементом. Техническим результатом изобретения является уменьшение количества воды, попадающей в цилиндры двигателя совместно с выхлопными газами через систему рециркуляции отработавших газов, снижение токсичности выхлопных газов, повышение мощности и снижение расхода топлива (патент РФ № 2509906, МПК F 02 D 9/00, F 02 M 25/07, 2014)
Известная система не обеспечивает исключение детонации на режимах близких к максимальной мощности в газовых и газодизельных двигателях, что недостаточно, для современных требований, не снижает выбросы вредных веществ с отработавшими газами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система автоматического управления подачей активатора в дизель, которая позволяет автоматически управлять подачей активатора в дизель в широком диапазоне и регулировать процентное соотношение активатора и топлива. Система автоматического управления подачей активатора в дизель содержит содержащая перепускной трубопровод с регулируемым запорным элементом, вход которого сообщен с выпускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорания, а выход - с впускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорания, устройство для подачи активатора и распылитель. Распылитель размещен во впускном трубопроводе дизеля и управляется электромагнитом, связанным с источником питания. Система содержит также электронный блок управления и датчики температуры охлаждающей жидкости и допустимого снижения напряжения, электрически соединенные с источником питания, а также датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления. Информативные сигналы от датчиков поступают через электронный блок управления в электромагнит распылителя с периодичностью и продолжительностью, зависящими от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Устройство для подачи активатора выполнено в виде электрического насоса, соединенного с электронным блоком управления. Распылитель и электромагнит объединены в один узел и представляют собой электромагнитную форсунку. Подключение электронного блока управления и электрического насоса к источнику питания происходит автоматически по сигналам датчика температуры охлаждающей жидкости и датчика допустимого снижения напряжения соответственно при температуре 50+5°С и напряжении 9-14 В, а отключение - при температуре 95+5°С и напряжении ниже 9 В. (патент РФ № 2273750, МПК F 02 D 19/12, F 02 M 43/00, 2006)
Недостатком известной системы является ее сложность, отсутствие решения для снижения детонации при работе в газодизельном режиме. Так же, применение сложных элементов усложняющих настройку системы.
Технической задачей изобретения является улучшение топливной экономичности, снижение детонации при работе дизеля в газодизельном режиме, повышение надежности системы на всех скоростных и нагрузочных режимах работы тепловых поршневых двигателях работающих на газе.
Поставленная техническая задача достигается тем, что система рециркуляции газодизельного двигателя, перепускной трубопровод с регулируемым запорным элементом, вход которого сообщен с выпускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорания, а выход - с впускным трубопроводом двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению, она  снабжена клапаном перепуска, охладителем-смесителем, системой подачи воды состоящей из форсунки, системы охлаждения отработавших газов, выполненной независимой или включённой в систему охлаждения двигателя, насоса подачи воды, бака для воды, блока управления подачей топлива двигателя или блока управления впрыска воды в зависимости от скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.
Изобретение объясняется чертежом, на котором представлена система питания газодизельного двигателя.
Система рециркуляции газодизельного двигателя содержит перепускной трубопровод 1  с регулируемым запорным элементом 2, вход которого сообщен с выпускным трубопроводом 3 двигателя внутреннего сгорания, а выход - с впускным трубопроводом 4 двигателя внутреннего сгорания, клапан перепуска 5, охладитель-смеситель 6, систему подачи воды состоящей из форсунки 7, системы охлаждения отработавших газов 8, выполненную независимой или включенной в систему охлаждения двигателя, насоса подачи воды 9, бака для воды 10. Подача воды происходит в струю раскаленных отработавших газов, где вода преобразуется в пар, при этом дополнительно охлаждая отработавшие газы, а управление подачей воды необходимой для впрыскивания регулируется блоком управления подачей топлива двигателя или отдельным блоком управления впрыска воды (на фигуре не показаны) в зависимости от скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.
Система служит для улучшения топливной экономичности, обеспечения без детонационной работы газодизельного двигателя, повышение надежности системы на всех скоростных и нагрузочных режимах работы тепловых поршневых двигателях работающих на газе.
Система рециркуляции газодизельного двигателя работает следующим образом.
Отбор отработавших газов производится в выпускном трубопроводе 3, на минимальном расстоянии от выпускного коллектора двигателя, при открытии перепускного клапана 5, далее отработавшие газы поступают в охладитель-смеситель 6, где в струю раскаленных газов форсункой 7 впрыскивается 2...7% воды от количества подаваемого топлива в цилиндры двигателя. Количество впрыскиваемой воды определяется блоком управления подачи топлива, пропорционально расходу топлива и величине нагрузки на двигатель увеличивая подачу воды при увеличении нагрузки. В охладителе смесителе 6 вода испаряется и пар смешивается с отработавшими газами одновременно охлаждая его. Далее паро-газовая смесь через регулируемый запорный элемент 2 поступает во впускной трубопровод 4 двигателя внутреннего сгорания. Охладитель-смеситель имеет контур охлаждения, который может быть выполнен независимо или включен в систему охлаждения двигателя обеспечивающий снижение температуры отработавших газов ниже 100 С. Вода поступает в форсунку 7 из отдельного бака 10 для воды при помощи насоса с регулятором давления по водяной магистрали. Регулировка количества рециркулируемых газов осуществляется регулируемым запорным элементом 2 под управлением блока управления подачи топлива двигателя.
Сгорание пропан-бутановых смесей в цилиндре двигателя на режимах работы более 50% от максимальной мощности и на корректорной ветви сопровождается детонацией. Использование системы рециркуляции отработавших газов позволяет повысить порог возникновения детонации и обеспечить без детонационное сгорание пропан-бутановой смеси на режимах 50%...82% от максимальной мощности, при запальной дозе 30%. Обеспечение перепуска 40...50% отработавших газов на режимах 82...95% мощности позволяет исключить детонацию при запальной дозе 40%, дальнейшее увеличение мощности до номинальной влечет за собой существенное увеличение запальной дозы до 45..60%. Применение изобретения, с целью снижения объема запальной дозы до 30%, обеспечивает испарение водяного заряда за счет тепловой энергии отработавших газов и перепуск отработавших газов до 50%, с паровым зарядом во впускной коллектор, что обеспечивает без детонационное сгорание пропан-бутановой смеси на всех скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя, при запальной дозе 30%.
Добавление паров воды в рабочую смесь в количестве 2...7% на данных режимах снижает теплонапряженность цилиндро-поршневой группы и скорость распространения пламени, что позволяет исключить детонацию на режимах от 82% до номинальной мощности, а так же на корректорной ветви. Система подачи воды интегрирована в систему рециркуляции, вода впрыскивается в струю горячих отработавших газов, температура которых составляет 200...800 ˚С, где испаряется и далее пар с отработавшими газами поступает во впускной коллектор.
В лаборатории «Двигателей и применения альтернативных топлив» ФГБНУ ВИМ изготовлен и испытан опытный образец системы питания газодизельного двигателя.
Результаты испытаний показали, что система питания газодизельного двигателя обеспечивает исключение явления детонации на всех режимах работы двигателя в газодизельном режиме, имеет более простую конструкцию, высокую надежность, улучшает топливную экономичность двигателя, снижает токсичность отработавших газов двигателя.