ТОПЛИВОПОДАЮЩАЯ СИСТЕМА ГАЗОДИЗЕЛЯ С ВНУТРЕННИМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к системам питания двигателей внутреннего сгорания и, прежде всего, дизелей, использующих газовые топлива, и может быть использована на железнодорожном транспорте.
Известна топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива, баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива, линию питания газовым топливом, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, что плунжер топливного насоса высокого давления в районе подачи дизельного топлива выполнен с отсечной кромкой в начальной ее части по криволинейной образующей, а в районе подачи газа кромка выполнена по плоской образующей, при этом в блоке гидравлического управления кромка начала подачи газа выполнена плоской, кромка окончания подачи газа выполнена криволинейной, линия питания газовым топливом при помощи расходного трубопровода с пневмоуправляемым клапаном подачи газа соединена с подыгольной полостью форсунки, а управляющая полость пневмоклапана соединена управляющим трубопроводом с выходом блока гидравлического управления, фильтр газа, установленный на выходе баллонов для хранения и питания газом [Патент РФ на полезную модель №50258, МПК F02M 43/00, опубл. 27.12.2005, БИ №36, авторы: Носырев Д.Я. и др. «Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием»].
Недостатком такой системы является то, что смесь двух углеводородных топлив, одно из которых имеет низкое цетановое число, приводит к снижению ресурса. Это приводит к снижению производительности применения таких систем на двигателях тепловозной размерности.
Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием, содержащая топливный насос высокого давления, линию высокого давления, форсунку закрытого типа с подыгольной полостью и распылителем, бак жидкого дизельного топлива, баллоны для хранения и питания газом, линию низкого давления дизельного топлива с топливоподкачивающим насосом, линию питания газовым топливом с обратным клапаном, питающий трубопровод, компрессор для сжатия газа и блок гидравлического управления, причем компрессор включен между баллонами хранения газа и баллоном питания газом, питающий трубопровод включен между баллоном питания газом и блоком гидравлического управления, а линия высокого давления связывает топливный насос высокого давления с распылителем форсунки, плунжер топливного насоса высокого давления в районе подачи дизельного топлива выполнен с отсечной кромкой в начальной ее части по криволинейной образующей, а в районе подачи газа кромка выполнена по плоской образующей, при этом в блоке гидравлического управления кромка начала подачи газа выполнена плоской, кромка окончания подачи газа выполнена криволинейной, линия питания газовым топливом при помощи расходного трубопровода с пневмоуправляемым клапаном подачи газа соединена с подыгольной полостью форсунки, а управляющая полость пневмоклапана соединена управляющим трубопроводом с выходом блока гидравлического управления, фильтр газа, установленный на выходе баллонов для хранения и питания газом, баллон с инертным газом, соединенный линией продувки с газовым трубопроводом, газовый редуктор, установленный на дополнительной линии подачи газа, которая соединена с газовым трубопроводом, смеситель, установленный на входе в цилиндры газодизеля и соединенный с дополнительной линии подачи газа, турбокомпрессор, выход компрессора которого соединен линией подачи воздуха со смесителем и вход турбины соединен линией отработавших газов с выходом из цилиндров, воздушный фильтр, установленный на входе в компрессор турбокомпрессора, охладитель газа, установленный на линии подачи воздуха, заправочное устройство, установленное на входе баллонов для хранения и питания газом, связанные между собой блок измерения, блок управления, блок обработки и программатор, расходомер дизельного топлива, установленный на линии низкого давления дизельного топлива, расходомеры газа, установленные на дополнительной линии подачи газа и на линии питания газовым топливом, расходомер воздуха, установленный на входе в компрессор турбокомпрессора, расходомер отработавших газов, расположенный на выходе турбины турбокомпрессора, датчики давления и температуры, расположенные на выходе заправочного устройства, на выходе баллона с инертным газом, на входе и выходе компрессора, на выходе баллона питания газом дизеля, на выходе топливоподкачивающего насоса, на выходе пневмоуправляемого клапана подачи газа, на выходе редуктора газа, на входе и выходе турбины и компрессора турбокомпрессора, на выходе охладителя газа, датчики частоты вращения газодизеля и турбокомпрессора, расходомеры и датчики связаны с блоком измерения, электроуправляемые клапаны, установленные на выходе заправочного устройства, на выходе баллонов для хранения и питания газом, на выходе баллона с инертным газом, а также топливоподкачивающий насос и электроуправляемые клапаны связаны с блоком управления. [Патент РФ на полезную модель №151684, МПК F02M 43/00, опубл. 10.04.2015, БИ №10, Авторы: Носырев Д.Я. и др. «Топливоподающая система газодизеля с внутренним смесеобразованием»].
Основным недостатком этой топливной системы газодизеля является ограниченный запас компримированного газа в баллоне, что снижает экипировочный пробег, а также большие габариты и масса баллонов.
Данная система принята в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Техническим результатом является увеличение запаса природного газа и сокращения его потерь на транспортном средстве за счет его захолаживания и частичного замораживания.
Технический результат достигается тем, что в систему дополнительно введены два теплообменника, модуль захолаживания, три криогенных насоса, сепаратор шуги, газификатор, сепаратор жидкости, три пары датчиков давления и температуры, шесть электроуправляемых клапанов, съемная емкость переохлажденного газового криогенного топлива с внутренним и межстенным пространством и горловиной с предохранительным и электроуправляемым клапанами, выход съемной емкости подачи шуги соединен с первым криогенным насосом, на линии которой установлен первый электроуправляемый клапан, выход первого криогенного насоса соединен с входом сепаратора шуги, второй выход которого соединен через газификатор, на входе которого установлен датчик давления, а на его выходе датчик температуры, с сепаратором жидкости, который через байпасный патрубок со вторым электроуправляемым клапаном соединен с сепаратором шуги, первый выход которого связан линией возврата шуги с внутренним объемом съемной емкости, на которой установлен второй криогенный насос, сепаратор жидкости через третий криогенный насос соединен линией возврата жидкости с входом межстенного пространства съемной емкости, третий выход сепаратора жидкости соединен линией с входом охладителя газа, на которой последовательно установлены два теплообменника, на их входе и выходе установлены пары датчиков давления и температуры, а межтрубное пространство теплообменников соединено с линией отработавших газов, а третий электроуправляемый клапан установлен на дополнительной линии подачи газа перед входом в газовый редуктор, четвертый - на выходе фильтра газа и входе в компрессор между датчиками давления и температуры, пятый - на выходе баллона питания газом дизеля, шестой - на выходе из бака дизельного топлива, причем модуль захолаживания соединен с программатором, все датчики давления и температуры соединены с блоком измерения, а все электроуправляемые клапаны соединены с блоком управления.
Введение технологического узла, состоящего из сепаратора шуги, газификатора, сепаратора жидкости, а также модуля захолаживания обеспечивает увеличение запаса природного газа и сокращения его потерь.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема топливоподающей системы газодизеля с внутренним смесеобразованием.
Газодизель содержит съемную емкость 1 переохлажденного газового криогенного топлива с внутренним объемом 2 и межстенным пространством 3, предохранительный клапан 4, электроуправляемый клапан 5, горловину 6 для пополнения съемной емкости переохлажденным газовым криогенным топливом, первый криогенный насос 7 для подачи переохлажденного газового криогенного топлива из межстенного пространства 3, второй криогенный насос 8 для подачи переохлажденного газового криогенного топлива во внутренний объем 2 съемной емкости 1, третий криогенный насос 9 для подачи переохлажденного газового криогенного топлива в межстенное пространство 2, сепаратор шуги 10, байпасный газовый патрубок 11, газификатор 12, сепаратор жидкости 13, баллон с инертным газом 14 для продувки газовых магистралей подогреватели, линию продувки 15, линию подачи шуги 16, линию возврата шуги 17, линию возврата жидкости 18, теплообменники - подогреватели 19, 20, газовый трубопровод 21, фильтр газа 22, компрессор 23, баллон 24 питания газом дизеля, питающий трубопровод 25, бак дизельного топлива 26, топливоподкачивающий насос 27, линию низкого давления 28 дизельного топлива, нагнетательный клапан 29 топливного насоса высокого давления 30, нагнетательную головку 31 плунжера топливного насоса высокого давления, имеющую нагнетательную кромку 32 и отсечную кромку криволинейного выполнения 33, вход питающего сжатого газа 34, регулирующую кромку 35, для подачи газа, плунжера топливного насоса высокого давления, кромку окончания подачи газа 36, кулачек 37 привода топливного насоса высокого давления, управляющий трубопровод 38 пневмоуправляемого клапана 39 подачи газа, линию подачи топлива высокого давления 40, линию питания газовым топливом 41, обратный клапан 42 линии питания газовым топливом 41, газодизель 43 и форсунку 44 закрытого типа, дополнительную линию 45 подачи газа, газовый редуктор 46, смеситель 47, охладитель газа 48, линию подачи воздуха 49, турбокомпрессор 50, воздушный фильтр 51, линию отработавших газов 52, блок измерения 53, блок обработки 54, блок управления 55, программатор 56, модуль захолаживания 57, электроуправляемые клапаны 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64 датчики давления 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 датчики температуры 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, расходомер дизельного топлива 95, расходомеры газа 96, 97, расходомер воздуха 98, расходомер отработавших газов 99, датчик частоты вращения газодизеля 100, датчик частоты вращения турбокомпрессора 101.
Газодизель работает следующим образом.
Перед работой газодизеля происходит процесс захолаживания криогенного насоса. Переохлажденное газовое криогенное топливо поступает из емкости переохлажденного газового криогенного топлива 1, содержащей электроуправляемый клапан 5, пердохранительный клапан 4, и горловину 6, через линию подачи шуги в газовый трубопровод 21 и далее поступает в зависимости от необходимости во впускной клапан, при этом закрыт элекроуправляемый клапан 62, либо в баллон 24 питания газом дизеля, при этом закрыты клапаны 61 и 63. При этом в сепараторе шуги 10 твердая часть топлива отделяется и циркуляционным насосом 8 по линии возврата шуги 17 возвращается в бак 2, а жидкая часть топлива поступает в газификатор 12. На выходе из теплообменника испарителя смесь газообразной части и остатков жидкой поступает в сепаратор жидкости 13, где жидкая часть отделяется и насосом 9 по линии возврата жидкости 18 поступает в межстенное пространство бака, а газообразная часть поступает в теплообменники подогреватели 19,20, а затем через фильтр 22, поступает в компрессор 23, где сжимается и поступает в баллон 24 питания газом дизеля. В начале захолаживания в сепараторе шуги могут появиться шары твердой части топлива, которые по байпасному газовому патрубку 11 через открытый клапан 60 перепускаются в сепаратор жидкости 13. Таким образом, процесс захолаживания топливной системы происходит без потери природного газа. Во время работы газодизеля переохлажденное газовое криогенное топливо с помощью криогенного насоса 7 поступает из емкости переохлажденного газового криогенного топлива 1, через линию подачи шуги 16, в сепаратор шуги 10, где твердая часть топлива отделяется и циркуляционным насосом 8 по линии возврата шуги 17 возвращается в бак 2, а жидкая часть топлива поступает в газификатор 12, на входе которого контролируется давление с помощью датчика давления 66, а на выходе контролируется температура, с помощью датчика 81. На выходе из теплообменника испарителя смесь газообразной части и остатков жидкой поступает в сепаратор жидкости, где жидкая часть отделяется и насосом 9 по линии возврата жидкости 18 поступает в межстенное пространство бака 3, а газообразная часть поступает, по газовому трубопроводу 21, в теплообменники подогреватели 19, 20, где газ нагревается, за счет отработавших газов, далее газ проходит воздушный теплообменник, где охлаждает атмосферный воздух, поступающий в компрессор турбокомпрессора, тем самым повышая его КПД. При этом контролируется параметры газа на входе в теплообменник 19, с помощью датчика температуры 82 и датчика давления 67, на выходе теплообменника 20, с помощью датчика температуры 83 и датчика давления 68. Далее газ поступает в фильтр газа 22. Далее часть газа до 10% поступает по дополнительной линии 45 подачи газа через газовый редуктор 46 в смеситель 47. На дополнительной линии 45 подачи газа установлены датчики давления 74, температуры 89 и расходомер газа 97 для контроля ее параметров. В смесителе 47 газ перемешивается с воздухом, который поступает из атмосферы через охладитель газа 48, воздушный фильтр 51, компрессор турбокомпрессора 50 по линии подачи воздуха 49. При этом контролируются параметры воздуха на входе и выходе компрессора турбокомпрессора 50 с помощью расходомера воздуха 98, датчиков давления 76, 77 и температуры 91, 92, а на выходе охладителя газа 48 - с помощью датчиков давления 75 и температуры 90. Затем газовоздушная смесь поступает в цилиндры газодизеля 43. Основная часть газа поступает ко входу компрессора 23, который сжимает газ до уровня 20…25 МПа и нагнетает его в баллон 24 питания газом дизеля. При этом контролируются параметры компрессора 23 с помощью датчиков давления 69,70 и температуры 84, 85. Газ из баллона 24 питания газом дизеля по питающему трубопроводу 25 подводится через расходный трубопровод к пневмоуправляемому клапану подачи газа 39 и на вход питающего сжатого газа 34 топливного насоса высокого давления 30. При этом давление и температура газа в питающим трубопроводе 25 контролируется датчиками давления 71 и температуры 86. Дизельное топливо из бака дизельного топлива 26 подается топливоподкачивающим насосом 27 по линии низкого давления 28 дизельного топлива к топливному насосу высокого давления 30. Параметры топливоподкачивающего насоса 27 контролируют датчики давления 72, температуры 87 и расходомер дизельного топлива 95. При работе топливного насоса высокого давления 30 кулачек 37 привода топливного насоса высокого давления приводит плунжер топливного насоса высокого давления 30 в возвратно-поступательное движение. Пространство над нагнетательной головкой 31 плунжера топливного насоса высокого давления 30 заполняется дизельным топливом из линий низкого давления 28 дизельного топлива и при очередном нагнетательном ходе плунжера топливного насоса высокого давления 30 топливо через нагнетательный клапан 29 по линии высокого давления 40 поступает в форсунку 44 закрытого типа. В начале нагнетательного хода плунжера топливного насоса высокого давления 30 регулирующая кромка 35 плунжера открывает вход сжатого природного газа и газ по управляющему трубопроводу 38 подводится к управляющей полости пневмоуправляемого клапана подачи газа 39. В этот момент пневмоуправляемый клапан подачи газа 39 открывается и сжатый природный газ из расходного трубопровода по линии питания газовым топливом 41 и через обратный клапан 42 также подводится в форсунку 44, в ее подыгольную полость. На линии питания газовым топливом 41 с помощью датчиков давления 73, температуры 88 и расходомера газа 96 контролируют параметры газа. Через форсунку 44 осуществляется впрыскивание в газодизель 43 дизельного топлива и сжатого газа. При этом жидкое дизельное топливо впрыскивается в цилиндр несколько раньше, чем газовое. А газ не только служит топливом, но и обеспечивает пневматическое распыливание дизельного топлива. После начала нагнетательного хода плунжера топливного насоса высокого давления 30 его регулирующая кромка в плоском исполнении 35 открывает вход питающего сжатого газа 30, который поступает в управляющую полость пневмоуправляемого клапана подачи газа 39. Причем при увеличении расстояния между кромками 35 и 36 увеличивается время открытия пневмоуправляемого клапана подачи газа 39 за счет увеличения давления в его управляющей полости. Отсечная кромка криволинейного выполнения 33 обеспечивает подачу дизельного топлива 15...20% от необходимой нормы. В представленной схеме системы не предусмотрено изменение количества подаваемого в газодизель запального дизельного топлива, так как нагнетательная кромка 32 плунжера топливного насоса высокого давления 30 выполнена с постоянной образующей. Отработавшие газы из газодизеля поступают по линии отработавших газов 52 на привод турбины турбокомпрессора 50. При этом контроль параметров турбины турбокомпрессора 50 производится датчиками давления 78, 79, температуры 93, 94, и расходомером отработавших газов 99. Работу турбокомпрессора и газодизеля контролируют с помощью датчиков частоты вращения 100 и 101. После окончания работы газодизеля электроуправляемый клапан 59 и 64 закрываются, открывается электроуправляемый клапан 58 и производится продувка инертным газом из баллона 14 через линию продувки 15 производят продувку всех газовых трубопроводов топливоподающей системы газодизеля. Для контроля инертного газа установлены датчики давления 65 и температуры 80. Система управления газодизелем состоит из блока измерения 53, блока обработки 54, блока управления 55, программатора 56 и модуля захолаживания 57 которые связаны между собой. Все расходомеры и датчики связаны с блоком измерения 53, а топливоподкачивающий насос и электроуправляемые клапаны с блоком управления 55.
Предложенные технические решения позволяют увеличить запас Переохлажденного газового криогенного топлива на борту транспортного средства в 5 -7 раз, по сравнению с компримированным газообразным топливом. Одновременно обеспечивается бездренажное хранение криогенного топлива до 40-50 дней. Дополнительно используются хладоресурс газообразного топлива на охлаждение воздуха на входе в турбокомпрессор. В результате повышается КПД турбокомпрессора и КПД газодизеля в целом.