RU2472016C2

RU2472016C2 - Power plant

Info

Publication number: RU2472016C2
Application number: RU2011110855/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Кузин; Сергей Николаевич Кузин
Original assignee: Николай Иванович Кузин
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-01-10
Also published as: RU2011110855A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: power plant includes engine, engine cooling system, steam generator, radiator, engine temperature control system, ignition system and fuel system with thermochemical reactor and with synthesis gas supply pipeline to combustion chamber. Steam generator is made in the form of annular chamber divided with a partition wall into two parts, equipped with tangential connection pipes for supply and removal of cooled medium and with steam channel connected via pipeline to thermochemical reactor. Control system is made in the form of a gate valve provided with elastic heat-resistant membrane brought into action with temperature-sensitive substance through a stock and acting as actuating element shutting off the section.

EFFECT: reduction of metal consumption for engine cooling system; simpler design of temperature control system and reduction of response time of control in narrow range of temperatures.

3 cl, 3 dwg

Description

Известны силовые установки, содержащие двигатель, топливную систему, систему охлаждения двигателя, систему принудительного зажигания, систему утилизации тепла отработавших газов и охлаждающего тела. В них используют для качественного и надежного поджигания топливной смеси форкамерно-факельное зажигание со свечой из двух электродов, выполненных в форме стержней (см. «Двигатели внутреннего сгорания», Москва, «Машиностроение, 1985 г.» под редакцией А.С.Орлина и М.Г.Круглова, ББК 31.365 Д22 УДК 621.43 (075) стр.228-229).Known power plants containing an engine, a fuel system, an engine cooling system, a forced ignition system, a heat recovery system for exhaust gases and a cooling body. They use a prechamber-torch ignition with a candle made of two electrodes made in the form of rods for high-quality and reliable ignition of the fuel mixture (see "Internal Combustion Engines", Moscow, "Engineering, 1985" edited by A.S. Orlin and M.G. Kruglova, BBC 31.365 D22 UDC 621.43 (075) p. 228-229).

В этих устройствах форкамерно-факельное зажигание обеспечивает надежное возгорание топливной смеси в камере сгорания двигателя, но имеет значительную металлоемкость за счет наличия отдельной камеры для зажигания топливной смеси. В них мало утилизируется тепло уходящих газов и охлаждающего двигатель телаIn these devices, a pre-chamber ignition torch provides reliable ignition of the fuel mixture in the engine combustion chamber, but has significant metal consumption due to the presence of a separate chamber for igniting the fuel mixture. The heat of the flue gases and the body cooling the engine are little utilized in them.

Известна силовая установка, содержащая двигатель, топливную систему, систему охлаждения двигателя, систему принудительного зажигания, систему утилизации тепла выхлопных газов и охлаждающего телаKnown power plant containing an engine, fuel system, engine cooling system, forced ignition system, heat recovery system of exhaust gases and cooling body

(SU 1353914 AI F02G 5/02 В 37/00 от 23.11.1987 г.)(SU 1353914 AI F02G 5/02 B 37/00 of 11/23/1987)

В этой установке более полно используется тепло уходящих газов и охлаждающего тела, для чего установка снабжена парогенератором в виде теплообменника с корпусом и трубным змеевиком, паровыми и воздушными турбинами, нагнетателями, приводящими в действие другие агрегаты.In this installation, the heat of the exhaust gases and the cooling body is used more fully, for which the installation is equipped with a steam generator in the form of a heat exchanger with a casing and a pipe coil, steam and air turbines, superchargers that drive other units.

В известном устройстве используется тепло охлаждающего тела (воды) только от верхней головки цилиндра. А наличие паровых, воздушных турбин, нагревателя и других агрегатов снижает КПД утилизации в связи с потерями в самих этих агрегатах, повышает металлоемкость установки.In the known device uses the heat of the cooling body (water) only from the upper cylinder head. And the presence of steam, air turbines, a heater and other units reduces the efficiency of utilization due to losses in these units themselves, increases the metal consumption of the installation.

Наиболее близкими к заявленному изобретению является изобретение SU №1321872 AI от 07.07.1987 г.Closest to the claimed invention is the invention SU No. 1321872 AI of 07/07/1987

В указанной силовой установке, содержащей двигатель, топливную систему с реактором синтезгаза, систему утилизации тепла с теплообменниками и парогенератором в виде трубопровода в корпусе со входом и выходом охлаждаемого и нагреваемого тела, более полно и эффективно используется тепло уходящих газов направлением паров воды в термохимический реактор, с превращением паров воды в топливо.In this power plant, which contains an engine, a fuel system with a synthesis gas reactor, a heat recovery system with heat exchangers and a steam generator in the form of a pipeline in the housing with the inlet and outlet of a cooled and heated body, the exhaust gas heat is more fully and efficiently used by directing water vapor into a thermochemical reactor, with the conversion of water vapor into fuel.

Однако в нем, как и в других изобретениях, система охлаждения деталей цилиндра, камеры сгорания является инерционной, громоздкой, металлоемкой, а использование для зажигания свечи с двумя электродами, выполненными в форме стержней, не обеспечивают надежную работу двигателя и полноту сгорания топливной системы.However, in it, as in other inventions, the cooling system of cylinder parts, the combustion chamber is inertial, cumbersome, metal-intensive, and the use of spark plugs with two electrodes made in the form of rods for ignition does not provide reliable engine operation and complete combustion of the fuel system.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение инерционности регулирования температуры двигателя, обеспечения узкого диапазона регулируемой температуры, увеличение надежности и КПД двигателя, упрощение и уменьшение металлоемкости системы регулирования температуры двигателя и форкамерно-факельного зажигания топливной смеси.The technical result of the claimed invention is to reduce the inertia of temperature control of the engine, provide a narrow range of adjustable temperature, increase the reliability and efficiency of the engine, simplify and reduce the metal consumption of the temperature control system of the engine and the pre-combustion ignition of the fuel mixture.

Сущность технического решения в том, что в силовой установке, содержащей двигатель, систему охлаждения двигателя, парогенератор в виде корпуса со входом и выходом охлаждаемого тела, систему зажигания, содержащую свечу с двумя электродами, выполненными в виде стержней, топливную систему с термохимическим реактором с трубопроводом для направления синтезгаза в камеру сгорания, парогенератор выполнен в виде кольцевой камеры, разделенной перегородкой на две части, снабженной тангенциальными патрубками для ввода и вывода охлаждаемого тела и паровым каналом, соединенным трубопроводом с термохимическим реактором, а система регулирования температуры выполнена в виде задвижки, снабженной, в качестве исполнительного органа, перекрывающего сечение, эластичной термостойкой мембраной, приводимой в действие через шток термочувствительным веществом. Топливная система снабжена дополнительным электрическим реактором, выполненным из двух электродов (с поданным на них высоким напряжением) в виде труб, одна из которых выполнена перфорированной, для получения водорода и кислорода из пара, соединенным топливопроводами с камерой сгорания и со свечой.The essence of the technical solution is that in a power plant containing an engine, an engine cooling system, a steam generator in the form of a housing with an input and output of a cooled body, an ignition system containing a candle with two electrodes made in the form of rods, a fuel system with a thermochemical reactor with a pipeline to direct synthesis gas to the combustion chamber, the steam generator is made in the form of an annular chamber divided by a partition into two parts, equipped with tangential nozzles for input and output of the cooled body steam duct connected with the duct thermochemical reactor, and the temperature control system is designed as a bolt, provided, as an executive authority overlapping section, the heat-resistant elastic membrane actuated by a rod thermosensitive substance. The fuel system is equipped with an additional electric reactor made of two electrodes (with high voltage applied to them) in the form of pipes, one of which is perforated, to produce hydrogen and oxygen from steam, connected by fuel lines to the combustion chamber and to the candle.

Система зажигания топливной смеси выполнена со свечой, снабженной полым корпусным электродом с водной и топливной камерами, причем корпусный электрод выполнен из трех частей, соединенных между собой резьбой, при этом топливная камера снабжена впускным и выпускным клапанами, кольцевым выступом, электродом с конусообразной вершиной и соплом Лаваля.The fuel mixture ignition system is made with a candle provided with a hollow body electrode with water and fuel chambers, and the body electrode is made of three parts interconnected by a thread, while the fuel chamber is equipped with inlet and outlet valves, an annular protrusion, an electrode with a cone-shaped apex and a nozzle Laval.

Силовая установка (фиг.1) состоит из двигателя 1, насадки 2 для охлаждающей жидкости, свечи зажигания 3 со штуцерами 4 и 5 для подачи нагретой жидкости и топливной смеси, парогенератора 6 с кольцевой перегородкой и паровым каналом 8. На выходе парогенератора размещен регулятор температуры 9 с задвижкой 10. Вакуумный насос 11, предназначенный для циркуляции пара, соединен с пароперегревателем 12, размещенным совместно с реакционной камерой 13, электрическим подогревателем 14 в теплообменнике 15, снабженном впускным 16 и выпускным 17 патрубками для отработанных газов двигателя 1. Реакционная камера 13 заполнена мелким порошком угля, соединена с емкостью 18 для синтезгаза и далее с устройством 19 подготовки топливной смеси к впрыску в камеру сгорания. Выход с пароперегревателя 12 соединен со входом реакционной камеры 13 и далее с регулятором температуры пара 20, с реактором 21, емкостью 22 для хранения газа, соединенной со свечой 3 и устройством 19 подготовки топливной смеси. Силовая установка содержит конденсатор 23, соединенный с баком 24 для воды, а сам бак 24 соединен через гидроклапан 25 с рубашкой охлаждения двигателя 1.The power plant (Fig. 1) consists of an engine 1, a nozzle 2 for coolant, a spark plug 3 with fittings 4 and 5 for supplying heated liquid and fuel mixture, a steam generator 6 with an annular partition and a steam channel 8. A temperature controller is located at the output of the steam generator 9 with a valve 10. A vacuum pump 11 for circulating steam is connected to a superheater 12 located in conjunction with the reaction chamber 13, an electric heater 14 in a heat exchanger 15, equipped with an inlet 16 and an outlet 17 nozzles for reflux otannyh gas engine 1. The reaction chamber 13 is filled with fine carbon powder, is connected with the container 18 for the syngas, and further with the preparation device 19 to the injection of the fuel mixture in the combustion chamber. The output from the superheater 12 is connected to the inlet of the reaction chamber 13 and then to the steam temperature controller 20, to the reactor 21, a gas storage capacity 22 connected to the candle 3 and the fuel mixture preparation device 19. The power plant contains a condenser 23 connected to the tank 24 for water, and the tank 24 is connected through a hydraulic valve 25 to the cooling jacket of the engine 1.

Регулятор температуры системы охлаждения (фиг.2) состоит из задвижки 10 с регулирующим органом 26, выполненным, например, в виде термопластичной мембраны, змеевика 27, заполненного термочувствительным веществом, например церезином, и размещенного в корпусе 28, соединенного через резиновую пробку 29, шток 30 с пружиной 31, передаточный механизм 32, с регулирующим органом 26. Пружина 31 одним концом соединена с пробкой 29, а другим - с регулировочным винтом 33. Регулятор температуры снабжен патрубком 34 для ввода воды. Свеча 3 (фиг.3) состоит из корпусного, полого электрода 35 и центрального электрода 36, размещенного в полости электрода 35. Электрод 36 проложен в изоляционной трубке 37, заканчивается конусообразной вершиной 38, закрепленной в обтекаемой топливной смесью изоляционной вставке 39, снабжен клеммой 40 для подвода напряжения. Корпусный электрод 35 состоит из двух камер: водной 41 со штуцером 42 для подвода воды, с клеммой 43 для подвода напряжения, с впускным клапаном 44 и выпускным 45, с клапаном 48 для подсоединения трубопровода с топливной смесью, кольцеобразным выступом 49, образующим с конусообразной вершиной 38 минимальный зазор между электродами 35 и 36, резьбами 50 и 51 для разборки свечи и регулировки минимального межэлектродного расстояния, резьбой 52 для вворачивания в верхнюю часть камеры сгорания, выступом 53 под ключ для вворачивания свечи, кавитационным соплом Лаваля 54.The temperature controller of the cooling system (Fig. 2) consists of a valve 10 with a regulating body 26, made, for example, in the form of a thermoplastic membrane, a coil 27 filled with a thermosensitive substance, such as ceresin, and placed in a housing 28 connected through a rubber stopper 29, a rod 30 with a spring 31, a transmission mechanism 32, with a regulating member 26. A spring 31 is connected at one end to a plug 29 and the other to an adjusting screw 33. The temperature controller is equipped with a nozzle 34 for introducing water. Candle 3 (figure 3) consists of a housing, hollow electrode 35 and a central electrode 36 located in the cavity of the electrode 35. The electrode 36 is laid in the insulating tube 37, ends with a conical peak 38, mounted in a streamlined fuel mixture insulating insert 39, is equipped with a terminal 40 to supply voltage. The housing electrode 35 consists of two chambers: a water chamber 41 with a fitting 42 for supplying water, with a terminal 43 for supplying voltage, with an inlet valve 44 and an outlet 45, with a valve 48 for connecting the pipeline with the fuel mixture, an annular protrusion 49 forming with a cone-shaped top 38 the minimum gap between the electrodes 35 and 36, the threads 50 and 51 for disassembling the candle and adjusting the minimum interelectrode distance, thread 52 for screwing into the upper part of the combustion chamber, a turn-key protrusion 53 for screwing the candle in, a cavitation nozzle L Aval 54.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

При запуске двигателя 1 основное топливо по трубопроводу поступает в устройство подготовки топливной смеси 19 к впрыску в камеру сгорания. Там оно активируется, перемешивается с воздухом и поступает в двигатель 1 через впускной клапан на такте всасывания. Также на такте всасывания поступает горючая смесь через клапан 48 в топливную камеру 46 свечи 3. В требуемый момент, определяемый углом опережения зажигания, на электроды 35 и 36 подается высокое напряжение. Между кольцевым выступом 49 и вершиной 38 проскакивает искра. За счет ионизации по всему кольцу образуется радиальная плазма. За счет электромагнитных сил плазма начинает «выдуваться» в сторону сопла Лаваля. Одновременно идет возгорание топливной смеси по обе стороны плазменного кольца. Продукты сгорания топлива и плазмы с большой скоростью истекают из сопла Лаваля 54 и поджигают топливную смесь в камере сгорания. Давление в камере и в полости 46 свечи 3 резко возрастает. Открывается клапан 45, и порция воды впрыскивается в полость 46 свечи, охлаждает электроды, испаряется, истекая из сопла 54, частично диссоциируется, участвует в горении, смягчая его, очищает стенки камеры сгорания. При снижении давления в камере сгорания и в топливной камере 46 свечи 3 клапан 45 закрывается. После этого клапан 44 открывается в водяную камеру 41 и поступает новая порция воды. Далее цикл повторяется.When starting the engine 1, the main fuel through the pipeline enters the device for preparing the fuel mixture 19 for injection into the combustion chamber. There it is activated, mixed with air and enters the engine 1 through the intake valve at the suction stroke. Also, at the suction stroke, the combustible mixture enters through the valve 48 into the fuel chamber 46 of the candle 3. At the required time, determined by the ignition timing, high voltage is applied to the electrodes 35 and 36. Between the annular protrusion 49 and the peak 38, a spark jumps. Due to ionization, a radial plasma is formed throughout the ring. Due to electromagnetic forces, the plasma begins to “blow out” towards the Laval nozzle. At the same time, the fuel mixture ignites on both sides of the plasma ring. The products of combustion of fuel and plasma at high speed flow out of the Laval nozzle 54 and set fire to the fuel mixture in the combustion chamber. The pressure in the chamber and in the cavity 46 of the candle 3 increases sharply. The valve 45 opens, and a portion of water is injected into the cavity 46 of the candle, cools the electrodes, evaporates, flowing out of the nozzle 54, partially dissociates, participates in combustion, softens it, and cleans the walls of the combustion chamber. When the pressure in the combustion chamber and in the fuel chamber 46 of the candle 3 decreases, the valve 45 closes. After that, the valve 44 opens into the water chamber 41 and a new portion of water enters. Next, the cycle repeats.

При изменении минимального межэлектродного расстояния его регулировка производится с помощью средней части электрода 35 при помощи резьб 50 и 51.When changing the minimum interelectrode distance, its adjustment is made using the middle part of the electrode 35 using threads 50 and 51.

После подогрева двигателя 1 горячая вода насосом 2 подается тангенциально в парогенератор 6, представляющий собой цилиндрическую камеру с перегородками 7 и газовым каналом 8, закручивается от большего радиуса к меньшему, вскипает в области малого радиуса, охлаждается и через выходной тангенциальный патрубок направляется снова в рубашку охлаждения. Пар из парового канала вакуумным насосом 11 отсасывается и подается на пароперегреватель 12. Излишки пара направляются в конденсор 23, а затем в бак 24, из которого через гидроклапан 25 идет пополнение воды в рубашку охлаждения взамен испарившейся воды. Пароперегреватель 12 и реакционная камера 13 нагреваются выхлопными газами двигателя 1 через патрубки 16 и 17, а также при необходимости электрическим подогревателем 14. Перегретый пар вступает в камере 13 в реакцию с углем и образует синтезгаз, который поступает в емкость 18 и на такте всасывания поступает в камеру сгорания двигателя 1 через узел подготовки топлива 19 и, непосредственно, в топливную камеру 46 свечи через штуцер 47 и клапан 48. Одновременно часть перегретого пара из пароперегревателя 12 поступает на регулятор температуры пара 20 и из него при температуре 500-550°С поступает в реактор 21, где, проходя под мощным электрическим полем в 6000 V, разлагается на водород и кислород. Последние направляются в емкость для газа 22 и при всасывании направляются на свечу 3 и в камеру сгорания, дополняя основное топливо. Это обеспечивает зажигание и полноту сгорания топлива.After the engine 1 is heated, hot water is pumped tangentially into the steam generator 6, which is a cylindrical chamber with partitions 7 and a gas channel 8, twisted from a larger radius to a smaller one, boils in a region of small radius, is cooled, and is sent again through a tangential outlet to the cooling jacket . The steam from the steam channel by the vacuum pump 11 is aspirated and fed to the superheater 12. The excess steam is sent to the condenser 23, and then to the tank 24, from which water is replenished through the hydraulic valve 25 to the cooling jacket instead of the evaporated water. The superheater 12 and the reaction chamber 13 are heated by the exhaust gases of the engine 1 through the nozzles 16 and 17, and also, if necessary, by an electric heater 14. The superheated steam reacts in the chamber 13 with coal and forms a synthesis gas, which enters the tank 18 and enters the suction cycle the combustion chamber of the engine 1 through the fuel preparation unit 19 and, directly, into the fuel chamber 46 of the spark plug through the fitting 47 and valve 48. At the same time, part of the superheated steam from the superheater 12 enters the steam temperature controller 20 and from at a temperature of 500-550 ° C, it enters reactor 21, where, passing under a powerful electric field of 6000 V, it decomposes into hydrogen and oxygen. The latter are sent to the gas tank 22 and, upon suction, are sent to the candle 3 and to the combustion chamber, supplementing the main fuel. This provides ignition and complete combustion of fuel.

Регулирование температуры охлаждающей жидкости двигателя 1 происходит следующим образом (см. фиг.2). Установка температуры регулирования происходит с помощью винта 33 путем изменения степени сжатия пружины 31. Например, для открытых систем охлаждения в диапазоне 90-95°С, для закрытых 110-115°С.The temperature control of the coolant of the engine 1 is as follows (see figure 2). The control temperature is set using the screw 33 by changing the compression ratio of the spring 31. For example, for open cooling systems in the range of 90-95 ° C, for closed 110-115 ° C.

Рассмотрим регулирование температуры в диапазоне 110-115°С. При увеличении температуры охлаждающей воды выше 115°С термочувствительное вещество в змеевике 27 расширяется и перемещает пробку 29 и шток 30. Одновременно сжимается пружина 31. Шток 30 через передаточный механизм 32, который увеличивает величину хода штока 30 и меняет направление движения, перемещает регулирующий орган 26 задвижки 10 в сторону увеличения проходного сечения. Давление в канале 8 парогенератора 6 уменьшается, парообразование увеличивается, температура охлаждающей жидкости уменьшается. При понижении температуры ниже 110°С термочувствительное вещество в змеевике 27 сжимается, давление на шток 30 уменьшается. За счет пружины 31 шток 30 перемещается вправо, а шток передаточного механизма 32 перемещает орган 26 в сторону уменьшения сечения проходного канала. Давление в канале 8 парогенератора увеличивается, парообразование уменьшается, температура охлаждающей жидкости увеличивается.Consider temperature control in the range of 110-115 ° C. When the temperature of the cooling water rises above 115 ° C, the heat-sensitive substance in the coil 27 expands and moves the plug 29 and the stem 30. At the same time, the spring 31 is compressed. The stem 30 through the transmission mechanism 32, which increases the stroke of the stem 30 and changes the direction of movement, moves the regulatory body 26 gate valves 10 in the direction of increasing the bore. The pressure in the channel 8 of the steam generator 6 decreases, vaporization increases, the temperature of the coolant decreases. When the temperature drops below 110 ° C, the heat-sensitive substance in the coil 27 is compressed, the pressure on the rod 30 decreases. Due to the spring 31, the rod 30 moves to the right, and the rod of the transmission mechanism 32 moves the organ 26 in the direction of decreasing the cross section of the passage channel. The pressure in the channel 8 of the steam generator increases, vaporization decreases, the temperature of the coolant increases.

Давление пара в проходном канале задвижки незначительное, и регулирование требуется в небольшом интервале температур и давлений. Это дает возможность использовать датчик температуры как исполнительный механизм перекрывающего органа задвижки.The vapor pressure in the bore of the valve is negligible, and regulation is required in a small range of temperatures and pressures. This makes it possible to use the temperature sensor as an actuator of the valve shutter body.

Использование изобретения позволяет с минимальной инерционностью в узком диапазоне температур регулировать температуру охлаждающей жидкости, что увеличивает надежность работы двигателя, полноту сгорания топливной смеси, уменьшить потери на теплоотдачу, эффективно использовать тепло охлаждающей жидкости. Отбор тепла напрямую, мгновенный.The use of the invention allows with a minimum inertia in a narrow temperature range to regulate the temperature of the coolant, which increases the reliability of the engine, the completeness of combustion of the fuel mixture, reduce heat loss, efficiently use the heat of the coolant. Direct heat extraction, instant.

Выработка синтезгаза, водорода и кислорода, направление их на свечу и в камеру сгорания обеспечивает качественное зажигание топливной смеси, полноту сгорания топлива, более высокий КПД и мощность установки. Охлаждение электродов свечи жидкостью, частичная диссоциация молекул воды способствуют увеличению надежности в работе свечи, смягчению работы двигателя, увеличению КПД за счет участия диссоциированных молекул пара воды в сгорании топливной смеси.The production of synthesis gas, hydrogen and oxygen, their direction to the candle and into the combustion chamber ensures high-quality ignition of the fuel mixture, completeness of fuel combustion, higher efficiency and plant power. The cooling of the spark plug electrodes with liquid, the partial dissociation of water molecules increase the reliability of the spark plug operation, soften the engine, increase the efficiency due to the participation of dissociated water vapor molecules in the combustion of the fuel mixture.

Claims

1. A power plant comprising an engine, an engine cooling system, a steam generator in the form of a body with an input and output of a cooled body, a radiator and an engine temperature control system, an ignition system containing a candle with two electrodes made in the form of rods, a fuel system with a thermochemical reactor, with a pipeline for directing the synthesis gas to the combustion chamber, characterized in that the steam generator is made in the form of an annular chamber divided by a partition into two parts, equipped with tangential nozzles for the input and output of the cooled body and the steam channel connected by a pipe to a thermochemical reactor, and the control system is made in the form of a valve equipped with an elastic heat-resistant membrane, which is actuated through the stem by a heat-sensitive substance, as an actuating element that blocks the section.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that the fuel system is equipped with an additional reactor of two pipes for producing hydrogen and oxygen, connected by a fuel line to the combustion chamber and to the candle.

3. The power plant according to claim 1, characterized in that the ignition system of the fuel mixture is made with a candle provided with a hollow body electrode with water and fuel chambers, and the body electrode consists of three parts interconnected by a thread, while the water chamber is equipped with an inlet and exhaust valves, the fuel chamber is equipped with an intake valve, an annular protrusion, a cone-shaped electrode and a Laval nozzle.