Устройство для подачи и смешения с воздухом альтернативного топлива перед подачей в цилиндры двигателя
DEVICE FOR FEEDING AND MIXING ALTERNATIVE FUEL WITH AIR BEFORE FEEDING IT INTO THE ENGINE CYLINDERS

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, конкретнее к способам сжигания горючих смесей в потоке и устройствам для создания многокомпонентных смесей топлива, например, для двигателя внутреннего сгорания.
Предложено устройство для подачи альтернативного топлива, в том числе таких как сжиженный природный газ (СПГ), спиртов.
Для двигателей в качестве альтернативных топлив применяют газообразные, в том числе природный сжиженный газ или спирты, а качестве запальной дозы дизельное топливо.
Известен эжекторный смеситель газов, содержащий приемную камеру с соплом питания, сообщенную с камерой смешения и диффузором, имеющую радиальный канал подсоса с перекрывающим его входное сечение регулирующим элементом и регулятор давления газа перед соплом питания, причем канал подсоса выполнен в виде калиброванного отверстия, а перекрывающий его элемент выполнен в виде съемной заглушки, при этом в стенке приемной камеры выполнены дополнительные радиальные калиброванные отверстия, снабженные заглушками [патент РФ №2075339, МПК B01F 5/04, опубл. 20.03.97, БИ №8. Эжекторный смеситель газов / Жуков Б.П., Кожухов И.В. и др.].
Недостатком этого устройства является низкая эффективность перемешивания сред, сложная конструкция, а также значительные энергозатраты и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.
Известно перемешивающее устройство, содержащее напорный трубопровод и стаканообразный корпус с отверстиями, причем корпус установлен на конце напорного трубопровода с возможностью вращения и состоит из двух стаканообразных частей, обращенных открытыми сторонами друг к другу, образуя одну полость, а отверстия, выполненные на цилиндрических элементах корпуса тангенциально к их внутренним поверхностям, имеют различное направление [патент РФ №2143945, МПК B01F 5/00, опубл. 10.01.2000, БИПМ №1. Перемешивающее устройство / Горшков Г.М., Горшков М.Г.].
Недостатком этого устройства также является низкая эффективность перемешивания сред, сложная конструкция и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.
Известно перемешивающее устройство, содержащее напорные трубопроводы и разъемный корпус с отверстиями, корпус выполнен многогранным, по оси корпуса имеется цилиндрическая камера закручивания, образованная внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, торцом корпуса и торцевой крышкой, закрепленной на корпусе, при этом на каждой грани корпуса выполнено не менее двух групп чередующихся тангенциально расположенных отверстий, в которых установлены штуцеры-жиклеры, соединенные с напорными трубопроводами подачи жидкости и газа соответственно, а отводящий трубопровод выполнен в виде выходного штуцера-сопла и установлен по оси в торце камеры. [патент РФ №2255796, МПК B01F 5/00, опубл. 10.07.2005. Перемешивающее устройство / Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д.].
Недостатком этого устройства является низкая степень перемешивания сред, неоднородная дисперсность и повышенные потери полного давления на линии подачи воздуха.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение равномерности концентрацию смеси воздуха и альтернативного топлива и уменьшение потерь полного давления на линии подачи воздуха.
Технический результат достигается тем, что в устройство для подачи и смешения с воздухом альтернативного топлива перед подачей в цилиндры двигателя согласно изобретению содержит трубопровод подвода воздуха, канал подвода альтернативного топлива, полость испарения альтернативного топлива и смешения с воздухом, причем полость смешения имеет четное количество рядов входных отверстий подачи альтернативного топлива, как минимум два ряда, при этом на одном из рядов, например, в первом ряду входные отверстия выполнены под углом 15 - 45 градусов от тангенциального направления по отношению к внутреннему диаметру трубопровода, например, вправо, а входные отверстия в следующим за первым ряду выполнены также под углом 15 - 45 градусов, но в другом направлении и далее по потоку расположена перфорированная спрямляющая решетка и трубопровод гомогенной смеси газа с воздухом.
Четное количество поясов позволяет повысить качество однородной смеси альтернативного топлива и воздуха путем использования вращательного движение смеси в четных и не четных рядах в противоположные стороны. Такое движение смеси вызывает повышение сдвиговых напряжений, уровня пульсаций и значений турбулентной диффузии и, тем самым, получение гомогенной смеси альтернативного топлива с воздухом.
L
Рассмотрим пример подачи в качестве альтернативного топлива сжиженного природного газа (СПГ). Следует отметить, что у большинства дизельных двигателей коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме находится в среднем в диапазоне α=1,7…2,1. Потребное количества воздуха для сжигания находится в пределах =17,1…17,2 в зависимости, например, от состава СПГ. Следовательно, на сжигание одного килограмма СПГ требуется примерно 34 килограмма воздуха.
4
ж
г
в
в
В первом приближении выполнены расчетные оценки температуры смеси из условия, что СПГ состоит только из метана СН. Метан имеет температуру кипения при атмосферном давлении - 161,6 °С [1]. Теплота испарения Δh=509 кДж/кг, теплоемкость метана в жидком состоянии с=2,1 кДж/кг⋅К, теплоемкость метана в газовом состоянии с=1,9 кДж/кг⋅К, теплоемкость воздуха при 20 °С равна с=1,005 кДж/кг⋅К, температура воздуха в трубопроводе t=20 °С.
В результате расчетных оценок получено, что температура смеси при подаче и испарении СПГ уменьшится на 25,4 °С от начальной температуры воздуха и станет равной - 5,4 °С.
При таких уровнях температур в устройстве испарения сжиженного природного газа и смешения с воздухом не требуются специальные теплообменники или подогревающие элементы.
На фиг. 1 представлено устройство для подачи и смешения с воздухом альтернативного топлива перед подачей в цилиндры двигателя.
В простейшем виде устройство содержит трубопровод подвода воздуха 1, канал подвода жидкой фазы альтернативного топлива 2, полость испарения альтернативного топлива и смешения с воздухом 3, перфорированная спрямляющая решетка 4, трубопровод гомогенной смеси газа с воздухом 5, отверстия 6 и 7 для прохода альтернативного топлива в полость испарения и смешения с воздухом.
Причем полость испарения альтернативного топлива и смешения с воздухом 3 имеет четное количество рядов отверстий. При этом на одном из рядов, например, в первом ряду отверстия 6 выполнены под углом 15 - 45 градусов от тангенциального направления по отношению к внутреннему диаметру трубопровода, например, вправо, а отверстия 7 в следующем за первым ряду выполнены под углом 15 - 45 градусов в другом направлении.
Устройство для подачи и смешения с воздухом альтернативного топлива перед подачей в цилиндры двигателя работает следующим образом.
Устройство подвода воздуха к цилиндрам дизельного двигателя, как правило, содержит на входе фильтр (на схеме не показан), далее по трубопроводу 1 воздух может поступать в турбокомпрессор и охладитель воздуха при их наличии (на схеме не показаны) и далее во впускной коллектор. При подаче альтернативного топлива непосредственно во впускной коллектор образуется смесь топлива и воздуха с существенно высокой неравномерностью концентрации топлива в воздухе. Расчетные оценки показывают, что разница концентрации альтернативного топлива по сечению канала впускного клапана достигает 6…7%. Для подготовки альтернативного топлива к сжиганию в трубопровод 1 помещают устройство с полостью испарения альтернативного топлива и смешения с воздухом 3. Топливо поступает по каналу подвода жидкой фазы альтернативного топлива 2. Далее по входным отверстиям 6 и 7 альтернативное топливо поступает в полость испарения и смешения с воздухом. При этом на одном из рядов, например, входные отверстия 6 выполнены под углом 15 - 45 градусов вправо от тангенциального направления внутреннего диаметра трубопровода, а входные отверстия 7 в другом ряду выполнены под углом 15 - 45 градусов влево. В полость испарения альтернативного топлива и смешения с воздухом компоненты смеси поступают, как минимум через два ряда входных отверстий с противоположным направлением вращения. Противоположное направление вращения вызывает повышение турбулентности и эффективности смешения воздуха и топлива. После испарения и смешения альтернативного топлива с воздухом смесь проходит через перфорированную спрямляющую решетку 4 в трубопровод гомогенной смеси газа с воздухом 5. Такое течение с повышенной турбулентностью формирует процесс смешения и получения гомогенной смеси с равномерной концентрацией топлива в воздухе. Далее горючую смесь подают в цилиндры дизельного двигателя через систему подачи воздуха. Устройство испарения топлива и смешения с воздухом перед подачей в двигатель обеспечивает равномерную концентрацию смеси воздуха и испаренного топлива и, тем самым равномерную тепловую нагрузку по цилиндрам дизеля.
Источники информации:
1. Загорученко В.А., Журавлев А.М. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. - М.: Издательство комитета стандартов, 1969. - 236 с.