RU2015399C1

RU2015399C1 - System for supplying water-fuel emulsion to cylinder of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2015399C1
Application number: SU914934860A
Authority: RU
Inventors: Г.М. Легошин; К.Б. Карякин; А.В. Бичахчян; С.С. Абрамов; Ю.Н. Иванской
Original assignee: Легошин Георгий Михайлович; Карякин Константин Борисович; Бичахчян Ашот Володяевич; Абрамов Сергей Станиславович; Иванской Юрий Николаевич
Priority date: 1991-05-05
Filing date: 1991-05-05
Publication date: 1994-06-30

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: fuel system additionally has hydraulic accumulator with air and water spaces, pickups of engine parameters, and micro-computer. EFFECT: optimal batching of water in water-fuel emulsion. 3 dwg

Description

Изобретение относится к системам топливоподачи внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано на моторных заводах, автотранспортных и других предприятиях для приготовления и подачи в цилиндр ДВС водотопливной эмульсии (ВТЭ) с целью снижения токсичности отработавших газов, т.е. для повышения экологической надежности двигателя. The invention relates to fuel systems for internal combustion (ICE) and can be used at motor plants, motor vehicles and other enterprises for the preparation and supply of water-fuel emulsion (VTE) to the cylinder of an internal combustion engine in order to reduce the toxicity of exhaust gases, i.e. to improve the environmental reliability of the engine.

Известна система (установка) для циклического получения ВТЭ вне машины (судна) с последующей подачей в топливный бак (Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В. Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях, Л.: Судостроение, 1988, с.60-68). A known system (installation) for the cyclical production of VTE outside the machine (vessel) with subsequent supply to the fuel tank (Lebedev O.N., Somov V.A., Sisin V.D. Water-fuel emulsions in marine diesel engines, L .: Shipbuilding, 1988 , p. 60-68).

Известные системы для циклического получения ВТЭ позволяют смешивать топливо с водой с помощью специальных диспергаторов - жидкостный свисток, эжектор, эмульсор в виде центробежного насоса, эффект дробления струи о преграду (двойное диспергирование). Known systems for the cyclic production of VTE allow mixing fuel with water using special dispersants - a liquid whistle, an ejector, an emulsifier in the form of a centrifugal pump, the effect of crushing a jet against an obstacle (double dispersion).

Недостатки известных систем - разделение приготовления и подачи ВТЭ в топливный бак или, при циклическом получении ВТЭ, - длительность получения эмульсии с мелкостью частиц воды широкого спектра (с самыми мелкими до 2-4 мкм). The disadvantages of the known systems are the separation of the preparation and supply of VTE to the fuel tank or, upon cyclic production of VTE, the length of time the emulsion is obtained with fineness of water particles of a wide spectrum (with the smallest up to 2-4 microns).

Известна также система (устройство) для непрерывного приготовления и подачи ВТЭ в судовой ДВС, содержащая топливный насос высокого давления (ТНВД), снабженный рейкой управления впрыском, трубопроводом слива отсечного топлива, подкачивающими насосами воды и топлива, механизмом управления подачей ВТЭ, зубчатого колеса с рейкой, сильфона - датчика и двух кулачков, установленных на общем с зубчатым колесом валу подкачивающих насосов (а.с. СССР N 1449692, кл. F 02 M 25/02). Диспергатор позволяет дробить воду с размерами частиц 10-45 мкм в широком диапазоне. Also known is a system (device) for the continuous preparation and supply of VTE to a marine ICE, comprising a high-pressure fuel pump (TNVD), equipped with an injection control rail, a cut-off fuel drain pipe, water and fuel booster pumps, a VTE supply mechanism, a gear wheel with a rail , a bellows - sensor and two cams mounted on a shaft of booster pumps common with a gear wheel (as USSR AS N 1449692, class F 02 M 25/02). The dispersant allows you to crush water with a particle size of 10-45 microns in a wide range.

Недостатком данного устройства является невозможность получения водотопливной эмульсии с узкой фракцией частиц (капель) воды в диапазоне 2-5 мкм (80-90% от всех капель), в связи с чем качество приготовления ВТЭ относительно низко. Кроме того, невозможно применение известного устройства непосредственно на борту сухопутного транспорта (автомобиль, трактор, тепловоз и т.д.) в связи с громоздкостью этого устройства. The disadvantage of this device is the inability to obtain a water-fuel emulsion with a narrow fraction of particles (drops) of water in the range of 2-5 microns (80-90% of all drops), and therefore the quality of the preparation of VTE is relatively low. In addition, it is impossible to use the known device directly on board the land transport (car, tractor, diesel locomotive, etc.) due to the bulkiness of this device.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототип) является система подготовки и подачи ВТЭ в ДВС, которая с целью повышения экономичности путем оптимизации дозирования воды использует регулирующую часть игольчатого клапана, выполненную из трех участков. Привод мембранного дифференциального и электромагнитного клапанов осуществляют от давления воздуха. Используется гидродинамический диспергатор невысокой эффективности. Недостатки данного технического решения - низкое качество дробления воды гидродинамическим диспергатором и, соответственно, низкое качество ВТЭ. Closest to the claimed technical solution (prototype) is a system for preparing and supplying VTE to ICE, which, in order to increase efficiency by optimizing the dosage of water, uses a regulating part of a needle valve made of three sections. The membrane differential and electromagnetic valves are driven by air pressure. A low-performance hydrodynamic dispersant is used. The disadvantages of this technical solution is the low quality of water crushing by a hydrodynamic dispersant and, accordingly, the low quality of VTE.

Цель изобретения - повышение эффективности работы. The purpose of the invention is improving work efficiency.

Поставленная цель реализуется с помощью встроенного в штатную топливную систему ДВС (дизеля) диспергатора, в котором установлены электроды специального пневмогидропреобразователя (гидравлический аккумулятор), подаваемого под давлением воды через дозатор в емкость диспергатора, датчиков состояния ДВС, например датчиков частоты вращения вала ТНВД и давления газов в цилиндре двигателя, а также микропроцессора (микро или миниЭВМ), обеспечивающего оптимальную дозировку воды в ВТЭ. Система снабжена гидравлическим аккумулятором с воздушной и водяной полостями, разделенными подпружиненной мембраной, датчиками параметров двигателя, микроЭВМ, связанной с датчиками и с исполнительным механизмом дозирующего устройства, электрическими контактами, установленными на мембране и корпусе в водяной полости, источником электрического тока, соединенным электрической цепью с электрическими контактами. Воздушная полость через воздухопровод соединена с ресивером, водяная полость входом сообщена с водяным баком, а выходом - с электрогидравлическим диспергатором через водяной фильтр и дозирующее устройство. The goal is achieved using the dispersant built into the standard fuel system of the internal combustion engine (diesel engine), in which the electrodes of a special pneumohydraulic converter (hydraulic accumulator) are installed, which are supplied under water pressure through the dispenser to the capacity of the dispersant, the internal combustion engine status sensors, for example, the speed sensors of the injection pump shaft and gas pressure in the cylinder of the engine, as well as a microprocessor (micro or mini-computer), providing the optimal dosage of water in the VTE. The system is equipped with a hydraulic accumulator with air and water cavities separated by a spring-loaded membrane, sensors of engine parameters, a microcomputer connected to sensors and the metering actuator, electrical contacts mounted on the membrane and body in the water cavity, an electric current source connected by an electric circuit to electrical contacts. The air cavity is connected to the receiver through the air duct, the water cavity is inlet connected to the water tank, and the output to the electro-hydraulic disperser through the water filter and dosing device.

На фиг. 1 представлена общая принципиальная схема системы подачи ВТЭ в цилиндр ДВС; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - гидравлический аккумулятор (ГА) с обслуживающими его элементами. In FIG. 1 shows a general schematic diagram of a system for supplying VTE to an internal combustion engine cylinder; in FIG. 2 - section aa in figure 1; figure 3 - hydraulic accumulator (GA) with its serving elements.

Система подачи водотопливной эмульсии в цилиндр ДВС состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД) 1, связанного трубопроводом высокого давления 2 с форсункой 3, установленной в камере сгорания (головке цилиндров) 4 вблизи от датчика давления газов (ДДГ) 5. Датчик частоты вращения (ДЧВ) 6 установлен на кулачковом валу ТНВД или на коленчатом валу ДВС (не показан). На корпусе ТНВД установлен топливоподкачивающий насос (ТПН) 7, связанный топливопроводом низкого давления 8 с одной стороны с топливным фильтром грубой очистки (ТФГО) 9, с топливным баком 10 через запорный кран 11, а с другой стороны - с емкостью диспергатора 12 через топливный фильтр тонкой очистки (ТФТО) 13 и обратный клапан 14. Емкость диспергатора 12 связана топливопроводом 15 с входной полостью ТНВД, а внутри нее установлены электроды 16, электрически связанные с известным блоком высокого напряжения (не показан), который может состоять из ГИТ - генератора импульсов тока (трансформатор, выпрямитель, конденсатор, электрический разрядник) и электродов 16 (емкостный накопитель энергии). Гидравлический аккумулятор (ГА) 17 (мультипликатор) имеет два входа (ввода) и один выход. Внутри ГА установлена диафрагма 18 (в виде эластичной пластины, сильфона и т.д.), разделяющая ГА на две части (камеры 19 и 20). Левая камера с помощью воздухопроводов 21 соединена последовательно с клапаном (электромеханическим или механическим) 22, газовым редуктором 23 и воздушным ресивером 24, на котором установлен манометр 25. Внутри ГА расположены возвратная пружина 26 и контакты 27, связанные соответственно с бортовой аккумуляторной батареей 28 (или генератором), сетевым включателем (тумблером) 29, электромагнитным клапаном (ЭМК) 30, установленным на емкости (водяном баке) 31, контрольной электрической лампочкой 32 с помощью электропровода 33. Камера 20 ГА трубопроводом 34 соединена с водяным баком 31 (внутри которого находится датчик уровня воды), а также через ЭМК запирания воды 35 - с водяным фильтром (ВФ) 36, дозатором воды 37, обратным клапаном 14 и емкостью диспергатора 12. Вместо ГА может быть использован аналогичный или другой усилитель, использующий энергию выхлопных газов ДВС (газовый вытеснитель и т.п.). Дозатор воды 37 выполняется либо в виде жиклера 38 с регулирующей его проходное сечение иглой 39 (дистанционное или ручное управление), либо в виде жиклера с постоянным сечением и электромагнитным клапаном, либо в виде иного устройства, позволяющего менять подачу (дозу) воды в емкость диспергатора 12 с помощью микропроцессора (микроЭВМ) 40, который связан с датчиками ДДГ 5, ДЧВ 6 и другими датчиками состояния двигателя, например датчиками детонации, температуры выхлопа газов, содержания токсичных газов и сажи и т.д. The system for supplying a water-fuel emulsion to an internal combustion engine cylinder consists of a high-pressure fuel pump (TNVD) 1 connected by a high-pressure pipe 2 to an injector 3 installed in a combustion chamber (cylinder head) 4 in the vicinity of a gas pressure sensor (FGD) 5. Speed sensor ( DCHV) 6 is installed on the camshaft of the high-pressure fuel pump or on the crankshaft of the internal combustion engine (not shown). A fuel priming pump (ТПН) 7 is installed on the injection pump casing 7, connected by a low-pressure fuel line 8 on the one hand to a fuel filter of rough cleaning (TFGO) 9, with a fuel tank 10 through a shut-off valve 11, and on the other hand, to a dispersant tank 12 through a fuel filter fine cleaning (TFTO) 13 and check valve 14. The capacity of the dispersant 12 is connected by a fuel line 15 to the input cavity of the injection pump, and inside it there are electrodes 16, electrically connected to a known high-voltage unit (not shown), which can consist of GIT - gene current pulse generator (transformer, rectifier, capacitor, electric spark gap) and electrodes 16 (capacitive energy storage). The hydraulic accumulator (GA) 17 (multiplier) has two inputs (inputs) and one output. A diaphragm 18 (in the form of an elastic plate, a bellows, etc.) is installed inside the GA, dividing the GA into two parts (chambers 19 and 20). The left chamber using air ducts 21 is connected in series with a valve (electromechanical or mechanical) 22, a gas reducer 23, and an air receiver 24 on which a pressure gauge 25 is mounted. A return spring 26 and contacts 27, respectively connected with the onboard battery 28 (or generator), a network switch (toggle switch) 29, an electromagnetic valve (EMC) 30 mounted on the tank (water tank) 31, a control light bulb 32 using an electric wire 33. The camera 20 GA pipe 34 connected to a water tank 31 (inside which there is a water level sensor), and also through an EMC for locking water 35 - with a water filter (WF) 36, a water meter 37, a check valve 14 and a dispersant tank 12. Instead of a HA, a similar or other an amplifier that uses the energy of exhaust gases from an internal combustion engine (gas displacer, etc.). The water dispenser 37 is either in the form of a nozzle 38 with a needle 39 regulating its flow cross-section (remote or manual control), or in the form of a nozzle with a constant cross-section and an electromagnetic valve, or in the form of another device that allows changing the supply (dose) of water to the dispersant tank 12 using a microprocessor (microcomputer) 40, which is connected to the sensors DDG 5, DFV 6 and other sensors of the state of the engine, for example, detonation sensors, exhaust gas temperature, toxic gas and soot content, etc.

МикроЭВМ работает по заранее составленной программе, учитывающей режим работы ДВС. The microcomputer operates according to a pre-compiled program that takes into account the internal combustion engine operating mode.

Емкость диспергатора 12 представляет собой прочный сосуд, электрически изолированный от металлических корпусных деталей машины (автомобиля, трактора, гидромелиоративной, дорожностроительной или другого сухопутного транспортного (колесного или гусеничного) или иного мобильного или стационарного технического средства). Внутри диспергатора установлены электроды (дисковые, плоские, круглые и др.), на которые от ГИТ может подаваться рабочее напряжение U_р от 1,2-2,0 до 70-80 кВ, а на смесь топлива с водой в этом диспергаторе - импульсные разряды с энергией от 10-50 Дж до 3000 кДж. В данном случае используется для дробления воды на капли с размерами (дисперсностью) 2-5 мкм (узкий диапазон - 80-50% общей массы, т.е. дозы воды) электрогидравлический эффект (ЭГЭ). При ЭГЭ электрическая энергия преобразуется в механическую в короткие промежутки времени (10-100 мкс) в виде ударных волн в жидкости (гидропоток). Акустическое действие ЭГЭ включает действие как ударных и тепловых, так и ультразвуковых и звуковых волн сжатия широкого спектра частот. Амплитуда на фронте ударной волны составляет обычно 150-200 МПа. Мощность W разряда легко регулируется подбором емкости С конденсаторов (с помощью известной зависимости W = 0,5˙C˙U_р ²). Можно отметить, что использование ЭГЭ существенно эффективнее чисто ультразвукового эффекта (УЗЭ) для диспергирования (эмульгирования, смешения) различных жидкостей.The capacity of the dispersant 12 is a durable vessel, electrically isolated from the metal body parts of the machine (car, tractor, irrigation and drainage, road construction or other land transport (wheeled or tracked) or other mobile or stationary technical means). Electrodes (disk, flat, round, etc.) are installed inside the dispersant, to which the operating voltage U _p from 1.2–2.0 to 70–80 kV can be supplied from the GIT, and pulsed to the fuel-water mixture in this disperser discharges with energies from 10-50 J to 3000 kJ. In this case, the electro-hydraulic effect (EGE) is used to crush water into droplets with sizes (dispersion) of 2-5 microns (narrow range - 80-50% of the total mass, i.e., dose of water). During EGE, electrical energy is converted into mechanical energy in short periods of time (10-100 μs) in the form of shock waves in a liquid (hydroflow). The acoustic effect of the EGE includes the action of both shock and thermal, as well as ultrasonic and sound compression waves of a wide range of frequencies. The amplitude at the front of the shock wave is usually 150-200 MPa. The discharge power W is easily regulated by selecting the capacitance C of the capacitors (using the well-known dependence W = 0.5˙C˙U _p ² ). It can be noted that the use of EGE is much more effective than the purely ultrasonic effect (USE) for dispersing (emulsifying, mixing) various liquids.

П р и м е р. От топливного бака 10 через фильтр грубой очистки 9 с помощью подкачивающего насоса 7 по топливопроводам низкого давления 8 топливо через фильтр тонкой очистки 13 поступает в диспергатор 12. Также в диспергатор подается определенное количество (1-20% и более) воды, которая поступает из гидравлического аккумулятора 17, имеющего камеры 19 и 20, разделенные между собой диафрагмой 18, например из резины. PRI me R. From the fuel tank 10 through the coarse filter 9 using the booster pump 7 through the low pressure fuel lines 8, the fuel through the fine filter 13 enters the dispersant 12. Also, a certain amount (1-20% or more) of water is supplied to the dispersant, which comes from the hydraulic a battery 17 having cameras 19 and 20, separated by a diaphragm 18, for example of rubber.

В камеру 19 из ресивера 24 (в него нагнетается воздух с помощью компрессора (не показан) и поддерживается давление не менее 0,7-0,8 МПа, которое контролируется манометром 25) через газовый редуктор 23 поступает по воздухопроводу 21 воздух под давлением не ниже 0,15 МПа. Вторая камера 20 ГА соединена с водяным баком 31 (с емкостью 3 л), откуда вода через электромагнитный клапан (ЭМК) 30 поступает в эту камеру. С другой стороны на диафрагму действует цилиндрическая пружина 26. На диафрагме и корпусе ГА установлены контакты 27. Эти контакты соединены с электрической цепью, к которой последовательно подключен ЭМК 30 и другие элементы. Как только количество воды в баке 31 уменьшается, диафрагма прогибается и контакты 27 замыкают электрическую цепь, ЭМК 30 срабатывает и вода поступает в соответствующую камеру. Из камеры вода через водяной фильтр 36 и дозатор 37 подается в диспергатор 12. Дозатор 37 регулирует количество подаваемой воды в зависимости от давления в камере сгорания 4 и датчика частоты вращения валика ТНВД 6. В диспергаторе установлены электроды 16, на которые импульсами подается напряжение до 10 кВ. Вода раздробляется в данном случае (капли) на мелкие частицы 5-10 мкм и вместе с топливом поступает по трубопроводу 15 в ТНВД. От ТНВД топливо с водой (водотопливная эмульсия - ВТЭ) по топливопроводам высокого давления 2 поступает к форсунке 3 и впрыскивается в камеру сгорания 4. В результате сгорания ВТЭ резко сокращается количество токсичных компонентов отработавших газов, что снижает экологическую напряженность зоны работы машин с установленными на них ДВС. Into the chamber 19 from the receiver 24 (air is pumped into it by means of a compressor (not shown) and a pressure of at least 0.7-0.8 MPa is maintained, which is controlled by a pressure gauge 25) through a gas reducer 23, air is supplied through the air duct 21 with a pressure of at least 0.15 MPa. The second chamber 20 HA is connected to a water tank 31 (with a capacity of 3 l), from where water through an electromagnetic valve (EMC) 30 enters this chamber. On the other hand, a cylindrical spring 26 acts on the diaphragm. Contacts 27 are installed on the diaphragm and the body of the GA. These contacts are connected to an electric circuit to which the EMC 30 and other elements are connected in series. As soon as the amount of water in the tank 31 decreases, the diaphragm bends and the contacts 27 close the electric circuit, the EMC 30 is activated and the water enters the corresponding chamber. Water is supplied from the chamber through the water filter 36 and the dispenser 37 to the disperser 12. The dispenser 37 controls the amount of water supplied depending on the pressure in the combustion chamber 4 and the speed sensor of the injection pump 6. The electrodes 16 are installed in the disperser, and voltage up to 10 is applied by pulses to it kV In this case, the water is crushed (droplets) into small particles of 5-10 microns and together with the fuel enters through the pipeline 15 to the high-pressure fuel pump. From fuel injection pump fuel with water (water-fuel emulsion - VTE) through high-pressure fuel lines 2 goes to nozzle 3 and is injected into combustion chamber 4. As a result of VTE combustion, the amount of toxic components of exhaust gases is sharply reduced, which reduces the environmental tension of the area of operation of machines installed on them ICE.

Claims

SYSTEM FOR FILLING THE WATER-FUEL EMULSION TO THE CYLINDER OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing a high-pressure fuel pump, nozzles, a fuel tank, low and high pressure fuel pipes, the first of which communicates a fuel tank with a high-pressure fuel pump with nozzles, a fine filter, a fuel filter purifications installed in series on the low pressure pipeline, a water tank with a water pipeline communicating the latter with the high pressure fuel pump, water filter, disperser a gator installed on the low pressure fuel line and connected to the water pipe, an air pipe with a receiver, a metering device with an actuator mounted on the water pipe between the dispersant and the water filter, valves installed on the water pipe, the first of which is located after the water tank, the second in front of the metering device, and the third between the metering device and the dispersant, characterized in that, in order to increase work efficiency, the system is equipped with a hydraulic a emulator with air and water cavities separated by a spring-loaded membrane, engine parameter sensors, a microcomputer connected to the sensors and the dosing device actuator, electrical contacts mounted on the membrane and the housing in the water cavity, an electric current source connected by an electric circuit to electrical contacts, moreover, the air cavity through the air duct is connected to the receiver, the water cavity is inlet connected to the water tank, and the output to the dispersant through the water an filter and a metering device, a dispersant are installed between the fine filter and the high-pressure fuel pump, and the first valve is made with an electromagnetic drive, installed in front of the entrance to the water cavity and connected to electrical contacts.