СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИМ ТОПЛИВОМ

Полезная модель относится к области машиностроения и может найти применение в производстве поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Перспективным направлением совершенствования конструкций двигателей внутреннего сгорания с целью обеспечения экологичности и экономичности рабочих процессов является применение в качестве топлива водорода. Но применение чистого водорода связано с необходимостью решения проблем обеспечения безопасности при транспортировке, заправке и хранении. Поэтому наиболее целесообразным является получение водородсодержащего топлива непосредственно на борту транспортного средства, а применительно к двигателям, работающим по принципу воспламенения от сжатия (дизельным ДВС), его получение и добавка в определенной пропорции (от 5 до 10% от массы жидкого дизельного топлива) к основному топливу.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ на изобретение №2446294, МПК F02B 43/10, F02M 25/10), содержащая топливный бак; топливный фильтр; топливоподкачивающий насос; топливодозирующее устройство; впускной коллектор; бортовой генератор водорода и кислорода; кислородный насос; ресивер кислорода; кислородные редукторы с предохранительными клапанами водородный насос; пневмоаккумулятор водорода; датчика давления водорода; водородные магистрали; устройство впрыска водорода; электромагнитные клапаны; датчик фаз; регулятор подачи водорода; датчик положения дроссельной заслонки; датчика массового расхода воздуха, устройство подачи водорода и выпускной коллектор.
Недостатками данной системы являются сложность конструкции, потребность в хранении кислорода на борту транспортного средства, а также необходимость сброса части кислорода в выпускной тракт двигателя и невозможность использования применительно к дизельным двигателям внутреннего сгорания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является система питания двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом, содержащая топливный бак, соединенный посредством топливоподкачивающего насоса с системой впуска топлива, клапан-дозатор топлива, каталитический конвертор для получения водородсодержащего топлива, включающий испаритель топлива, теплообменник и воздушный компрессор, впускной клапан, соединяющий каталитический конвертор с системой впуска топлива, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры каталитического элемента, при этом клапан-дозатор топлива, впускной клапан, испаритель топлива и во душный компрессор подсоединены к блоку управления (см. патент US №8561578, кл. F02B 43/08, опубл. 22.10.2013 г.).
Недостатком данной системы питания топливом двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом является невозможность ее использования на дизельных двигателях внутреннего сгорания, так как регулирование количества подаваемого в цилиндры дизельного ДВС топлива производится не на основе стехиометрического соотношения, а посредством соотношения положения органа управления подачей топлива, величины угловой скорости коленчатого вала и величины цикловой подачи топлива, а это возможно только при наличии топливного насоса высокого давления с регулятором частоты вращения, а также дизельный ДВС не может работать только на газообразном топливе.
Кроме того, она не обеспечивает оптимального управления подачей конвертированного топлива, поскольку не обеспечивает подачи водородсодержащего синтез-газа в цилиндры дизельного ДВС в необходимой для эффективного использования добавок водорода пропорции к жидкому дизельному топливу. Также система питания не обеспечивает в полной мере безопасность эксплуатации при остановке двигателя, так как в воздушном коллекторе и системе пуска двигателя при его остановке возможно наличие остатков взрывоопасной смеси водорода и воздуха. Избыточное количество подаваемого водородсодержащего топлива вызывает вспышки во впускном коллекторе и в процессе работы дизельного двигателя.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение безопасности эксплуатации системы, за счет обеспечения подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор дизельного ДВС в необходимой пропорции по отношению к дизельному топливу и только в режимах работы, близких к номинальной нагрузке.
Для решения поставленной задачи система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом, содержащая топливный бак, соединенный посредством топливоподкачивающего насоса с системой впуска топлива, клапан-дозатор топлива, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры каталитического элемента, каталитический конвертор, соединенный посредством впускного клапана с системой впуска топлива и включающий испаритель топлива, теплообменник и воздушный компрессор. Система снабжена топливным насосом высокого давления, имеющим рейку, и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, подключенный к блоку управления подачей конвертированного топлива.
Сущность технического решения поясняется чертежом и графиком, где на фиг. 1 представлена блок-схема системы питания дизельного двигателя водородсодержащим топливом, на фиг. 2 - график зависимости содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя при подаче водородсодержащего синтез-газа на различных нагрузочных режимах работы ДВС.
Устройство состоит из топливного бака 1, топливоподкачивающего насоса 2, топливного насоса высокого давления (ТНВД) 3, топливных форсунок 4, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 5, впускного коллектора двигателя 6, теплообменника 7, клапана-дозатора дизельного топлива 8, клапана, соединяющего каталитический конвертор с впускным коллектором 9, каталитического конвертора для получения водородсодержащего топлива 10, испарителя 11, воздушного компрессора 12, блока управления подачей конвертированного топлива 13, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 14, датчика положения органа управления подачей топлива 15, датчиком частоты вращения коленчатого вала ДВС 16 и датчика температуры каталитического элемента 17.
При монтаже системы питания в топливную магистраль, соединяющую топливоподкачивающий насос 2 и топливный насос высокого давления 3, устанавливают клапан-дозатор топлива 8, который, в свою очередь, соединяется трубопроводом с каталитическим конвертором 10 для получения водородсодержащего топлива. Во впускной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания устанавливают впускной клапан 9, соединяющий его с каталитическим конвертором 10. Теплообменник каталитического конвертора 7 соединяют трубопроводами с системой охлаждения ДВС (на черт. не показана). В моторном отсеке или непосредственно на двигателе закрепляют каталитический конвертор 10 с испарителем 11, датчиком температуры каталитического элемента 17 и воздушным компрессором 12. На шкиве двигателя внутреннего сгорания устанавливается датчик частоты вращения коленчатого вала 16, а на топливном насосе высокого давления 3 датчик положения рейки ТНВД 14 и датчик положения органа управления подачей топлива 15. Также в моторном отсеке располагается блок управления подачей конвертированного топлива 13, электрически подсоединенный к датчикам 14, 15, 16, 17, испарителю 11, воздушному компрессору 12, клапану-дозатору дизельного топлива 8 и впускному клапану 9, соединяющему каталитический конвертор 10 с впускным коллектором 6. После монтажа и подключения питания к блоку управления система питания готова к работе.
2
Система питания водородсодержащим топливом работает следующим образом. После запуска двигателя сигнал от датчика частоты вращения коленчатого вала 16 поступает в блок управления подачей конвертированного топлива 13, который подает питание на электрический нагревательный элемент испарителя 11. Испаритель, работая в ждущем режиме, разогревает каталитический элемент конвертора 10 до рабочей температуры, а ДВС работает полностью на жидком дизельном топливе. При переходе ДВС 5 в нагрузочный режим, увеличивается частота вращения коленчатого вала и соответственно рейка топливного насоса 3 перемещается в сторону увеличения подачи жидкого топлива в ДВС посредством топливных форсунок 4. Блок управления подачей конвертированного топлива 13, получая сигналы от датчика положения органа управления подачей топлива 15, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 14 и датчика температуры каталитического элемента 17, сигнализирующего о достижении рабочей температуры катализатора, подает питание на клапан-дозатор дизельного топлива 8, клапан 9 и воздушный компрессор 12. При этом топливо из топливного бака 1 посредством топливоподкачивающего насоса 2 через клапан-дозатор дизельного топлива 8 поступает в испаритель 11 и далее, в виде испарений конвертируется каталитическим элементом конвертора 10 в водородсодержащий синтез-газ, состоящий преимущественно из смеси водорода Н с окисью углерода CO (см. фиг. 2). Водородсодержащий газ подается через открытый клапан 9 во впускной коллектор двигателя 6 и далее в цилиндры ДВС, при этом происходит уменьшение расхода жидкого дизельного топлива. Подача водородсодержащего топлива в нужном направлении осуществляется воздушным компрессором 12, обеспечивающим необходимое избыточное давление и подачу воздуха для каталитического окисления топлива в каталитическом конверторе 10. Величина подачи топлива в каталитический конвертор 10 и, соответственно, величина подачи водородсодержащего топлива во впускной коллектор 6, регулируется проходным сечением клапана-дозатора 8, которое, в свою очередь, зависит от величины подачи жидкого дизельного топлива. Степень открытия клапана-дозатора 8 регулируется блоком управления подачей водородсодержащего топлива 13 в соответствии с величиной сигнала от датчика положения рейки ТНВД 14. Теплообменник 7 обеспечивает поддержание рабочей температуры каталитического конвертора 10 в нужном диапазоне, прогревая его до температуры начала каталитического окисления топлива в начальный период и отводя избыточное тепло, выделяющееся при осуществлении каталитической реакции, в систему охлаждения ДВС и далее во внешнюю среду. Перемещение органа управления подачей топлива в сторону увеличения подачи топлива, фиксируемое датчиком 15, при отсутствии внешней нагрузки не вызывает перемещения рейки топливного насоса на значительную величину, поэтому, в этом случае, на основании сигнала от датчика положения рейки 14 об отсутствии режима увеличенной подачи топлива, блок управления 13 отключает подачу топлива через клапан-дозатор 8 в каталитический конвертор 10. При перемещении органа управления подачей топлива в режим минимальной подачи топлива, соответствующее режиму холостого хода ДВС, и получении соответствующего сигнала от датчика положения органа управления подачей топлива 15, блок управления 13 отключает подачу дизельного топлива через клапан-дозатор 8 в каталитический конвертор 10, но при этом клапан 9 остается открытым и продолжает работу воздушный компрессор 12. Таким образом, обеспечивается удаление из каталитического конвертора и сжигание в цилиндрах двигателя остатков водородсодержащего топлива. При остановке двигателя и отсутствии сигнала от датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС 16, блок управления подачей водородсодержащего топлива 13 отключает подачу питания также и на клапан 9, воздушный компрессор 12 и электрический нагревательный элемент испарителя 11.
Заявленная система питания водородсодержащим топливом в сравнении с прототипом позволяет использовать добавки водородсодержащего синтез-газа применительно к дизельным двигателям внутреннего сгорания и способствует снижению содержания вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива без изменения конструкции ДВС.
Использование блока управления подачей конвертированного топлива, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления, датчика положения органа управления подачей топлива, датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС и датчика температуры каталитического элемента позволяет обеспечить подачу водородсодержащего синтез-газа в цилиндры дизельного ДВС в необходимой для эффективного использования добавок водорода пропорции к жидкому дизельному топливу и безопасность эксплуатации энергетической установки при остановке двигателя.