RU2488013C2 - Method of operating internal combustion engine - Google Patents
Method of operating internal combustion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488013C2 RU2488013C2 RU2010124282/06A RU2010124282A RU2488013C2 RU 2488013 C2 RU2488013 C2 RU 2488013C2 RU 2010124282/06 A RU2010124282/06 A RU 2010124282/06A RU 2010124282 A RU2010124282 A RU 2010124282A RU 2488013 C2 RU2488013 C2 RU 2488013C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- hydrogen
- engine
- air
- containing converted
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Landscapes
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и их систем питания, и может найти применение в производстве поршневых двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to the field of engineering, and in particular to methods of operation of an internal combustion engine (ICE) and their power systems, and may find application in the production of reciprocating internal combustion engines.
Быстрый рост производства автомобилей в развитых странах и их концентрация в крупных городах вызвали значительное увеличение потребления топлива, а также привели к росту количества вредных выбросов в атмосферу. Создалось положение, когда автомобильный транспорт стал основным источником загрязнения воздуха в крупных городах мира. Достигнутый к настоящему времени в мире уровень удельного расхода топлива и токсичности отработанных газов автомобилей остается неудовлетворительным. Поэтому в настоящее время ведущими автомобилестроительными фирмами интенсивно проводятся работы по усовершенствованию двигателей внутреннего сгорания и в том числе переводу транспортных средств на газообразные виды топлив. Традиционный способ снижения вредных выбросов сводится к установке дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, которые уменьшают концентрации оксида углерода и оксидов азота в отработавших газах автомобиля. Использование дорогостоящих трехкомпонентных нейтрализаторов на основе платиноидов увеличивает стоимость автомобилей и примерно на 4% снижает мощность двигателя. Иными словами, традиционные способы снижения вредных выбросов направлены на борьбу со следствием принципиальных недостатков сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Представляется более правильным устранить эти недостатки посредством перехода на новые принципы использования углеводородных топлив в двигателях внутреннего сгорания и создания двигателя нового поколения, приспособленного к работе в режимах обедненного сгорания топлива. В городских условиях эксплуатации транспортных средств его двигатель, в основном, работает в режимах малых и средних нагрузок, что приводит к значительным выбросам вредных продуктов неполного сгорания. Например, для автомобиля с номинальной мощностью 70÷100 кВт средняя потребляемая мощность при городском цикле езды составляет не более 15 кВт при к.п.д. менее 17% (вместо 34% при номинальной мощности). Таким образом, для экономии углеводородного топлива, снижения выбросов углекислого газа и улучшения экологических характеристик ДВС при городском цикле езды необходимо использовать обедненную топливную смесь.The rapid increase in automobile production in developed countries and their concentration in large cities caused a significant increase in fuel consumption, and also led to an increase in the amount of harmful emissions into the atmosphere. The situation was created when road transport became the main source of air pollution in large cities of the world. The level of specific fuel consumption and vehicle exhaust gas toxicity achieved to date in the world remains unsatisfactory. Therefore, currently leading automotive companies are actively working to improve internal combustion engines, including the conversion of vehicles to gaseous fuels. The traditional way to reduce harmful emissions is to install expensive catalytic converters, which reduce the concentration of carbon monoxide and nitrogen oxides in the exhaust gases of the car. The use of expensive three-component platinum-based converters increases the cost of cars and reduces engine power by about 4%. In other words, traditional methods of reducing harmful emissions are aimed at combating the consequence of the fundamental shortcomings of fuel combustion in internal combustion engines (ICE). It seems more correct to eliminate these shortcomings by switching to new principles of using hydrocarbon fuels in internal combustion engines and creating a new generation engine adapted for operation in lean fuel combustion modes. In urban conditions of vehicle operation, its engine mainly operates in low and medium load conditions, which leads to significant emissions of harmful products of incomplete combustion. For example, for a car with a rated power of 70 ÷ 100 kW, the average power consumption during the urban driving cycle is not more than 15 kW at efficiency less than 17% (instead of 34% at rated power). Thus, in order to save hydrocarbon fuel, reduce carbon dioxide emissions and improve the environmental performance of internal combustion engines in an urban driving cycle, it is necessary to use a lean fuel mixture.
Однако при этом не удается обеспечить устойчивую работу двигателя, поскольку искра свечи зажигания не воспламеняет смесь беднее определенного уровня. Применение водорода в виде добавок к бедным топливным смесям при их сгорании в ДВС представляется наиболее целесообразным решением этой проблемы. Использование водорода на транспорте при баллонной системе его хранения даже в небольших количествах нежелательно по причинам высокой взрыво- и пожароопасности водорода и отсутствия развитой инфраструктуры снабжения транспорта водородом. Практическим вариантом решения этой проблемы может быть получение водородсодержащего синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля. В этом случае реализуются все преимущества применения водорода для воспламенения обедненных топливных смесей, и исчезает необходимость в создании инфраструктуры снабжения транспорта водородом.However, it is not possible to ensure stable operation of the engine, since the spark of the spark plug does not ignite the mixture poorer than a certain level. The use of hydrogen in the form of additives to poor fuel mixtures during their combustion in ICE seems to be the most appropriate solution to this problem. The use of hydrogen in transport with a balloon storage system, even in small quantities, is undesirable due to the high explosion and fire hazard of hydrogen and the lack of a developed infrastructure for supplying hydrogen to a transport. A practical solution to this problem may be to obtain hydrogen-containing synthesis gas from hydrocarbon fuel on board an automobile. In this case, all the advantages of using hydrogen to ignite lean fuel mixtures are realized, and the need to create an infrastructure for supplying hydrogen to vehicles disappears.
Уровень техникиState of the art
В патентах США №5943859, F01N 3/02, 31.08.99 и №6079373, F02B 43/00, 18.11.98 предлагается вариант использования в ДВС синтез-газа, получаемого углекислотной конверсией природного газа. Для получения углекислого газа предполагается использовать выпускные газы двигателя, из которых СО2 выделяется посредством жидкофазного поглощения диэтаноламином и последующей десорбцией газа в результате подогрева раствора. Как вариант предполагается также использовать мембранное разделение газов с выделением углекислого газа. Для осуществления углекислотной конверсии используется катализатор, содержащий в качестве активного компонента никель или платину.US Pat. Nos. 5,943,859, F01N 3/02, 08/31/99, and 6079373, F02B 43/00, 11/18/98 offer the option of using synthesis gas produced by carbon dioxide conversion of natural gas in ICEs. To obtain carbon dioxide, it is proposed to use engine exhaust gases, from which CO 2 is released through liquid-phase absorption with diethanolamine and subsequent gas desorption as a result of heating the solution. Alternatively, it is also intended to use membrane gas separation with carbon dioxide evolution. For the implementation of carbon dioxide conversion, a catalyst containing nickel or platinum as an active component is used.
Реактор (генератор синтез-газа) для проведения углекислотной конверсии в патенте США №5943859 выполнен в виде двух цилиндрических труб. Центральная труба заполнена насадкой для интенсификации теплопередачи с непроницаемой металлической стенкой, вокруг которой расположен цилиндрический слой катализатора. Подача смеси метана с углекислым газом, и вывод продуктов реакции осуществляются через систему трубок, установленных внутри слоя катализатора.The reactor (synthesis gas generator) for carbon dioxide conversion in US patent No. 5943859 made in the form of two cylindrical pipes. The central tube is filled with a nozzle for intensifying heat transfer with an impermeable metal wall around which a cylindrical layer of catalyst is located. The supply of a mixture of methane with carbon dioxide, and the conclusion of the reaction products are carried out through a system of tubes installed inside the catalyst bed.
В патенте США №6079373 для проведения углекислотной конверсии используют двухступенчатый реактор с неподвижным слоем катализатора.US Pat. No. 6,079,373 uses a two-stage fixed-bed reactor for carrying out carbon dioxide conversion.
Полученный в описанных реакторах синтез-газ подается в двигатель с использованием турбонаддува. В установке предусматривается использование тепла выпускных газов за счет использования паровой турбины. Вместе с применением синтез-газа паровая турбина приводит к повышению термической эффективности энергетической установки в 1,38 раза по сравнению с обычными вариантами ДВС за счет когенерации тепла. К сожалению, в патенте не приведены примеры,- иллюстрирующие данные по повышению эффективности. Кроме того, предполагается, что двигатель работает полностью на полученном синтез-газе без добавок исходного неконвертируемого топлива, что вызывает сомнение в справедливости приведенных данных.The synthesis gas obtained in the described reactors is supplied to the engine using turbocharging. The installation provides for the use of heat from exhaust gases through the use of a steam turbine. Together with the use of synthesis gas, a steam turbine increases the thermal efficiency of a power plant by 1.38 times in comparison with conventional ICE options due to heat cogeneration. Unfortunately, the patent does not provide examples that illustrate data on improving efficiency. In addition, it is assumed that the engine runs completely on the resulting synthesis gas without additives of the original non-convertible fuel, which raises doubts about the validity of the data.
В патенте США №3963000, F02B 43/08, 15.06.76 предлагается способ питания ДВС, базирующийся на получении синтез-газа посредством автотермической конверсии различных видов углеводородных топлив и также спиртов, альдегидов, кетонов в слое катализатора. Каталитический реактор представляет собой статическое непроточное устройство, обогреваемое выпускными газами двигателя, в которое периодически по определенной циклограмме поршневым компрессором под давлением 20-30 атм из смесителя подается смесь, состоящая из углеводородного топлива, отработавших газов двигателя и воздуха. При недостатке воды в выпускных газах необходимое дополнительное количество воды может подаваться через форсунку в смеситель. В реакторе в зависимости от вида конвертируемого топлива при температурах 300-800°С происходит реакция автотермического риформинга с образованием синтез-газа, который затем подается в смеси с основным топливом в ДВС. Как вариант в качестве источника получения воды и кислорода для автотермической конверсии топлив предлагается использовать перекись водорода. Таким образом, в данном патенте предполагается, что катализатор всегда будет работать в нестационарном режиме и при воздействии периодических механических нагрузок, вызванных работой поршневого компрессора. Поскольку в статическом реакторе невозможно обеспечить равномерность распределения смеси реагентов по объему реакционного пространства, то такой режим работы катализатора приведет к коксованию и дезактивации. Кроме того, воздействие периодических механических нагрузок будет способствовать быстрому разрушению катализатора.In US patent No. 3963000, F02B 43/08, 06/15/76, a method for supplying ICE is proposed, which is based on the production of synthesis gas through autothermal conversion of various types of hydrocarbon fuels and also alcohols, aldehydes, ketones in the catalyst bed. The catalytic reactor is a static non-flowing device heated by the exhaust gases of the engine, into which a mixture consisting of hydrocarbon fuel, exhaust gases of the engine and air is fed from the mixer periodically according to a certain sequence diagram by a reciprocating compressor. With a lack of water in the exhaust gases, the necessary additional amount of water can be supplied through the nozzle to the mixer. In the reactor, depending on the type of convertible fuel at temperatures of 300-800 ° C, an autothermal reforming reaction takes place with the formation of synthesis gas, which is then fed into the internal combustion engine mixed with the main fuel. Alternatively, it is proposed to use hydrogen peroxide as a source of water and oxygen for autothermal fuel conversion. Thus, in this patent it is assumed that the catalyst will always work in an unsteady mode and when exposed to periodic mechanical loads caused by the operation of a reciprocating compressor. Since it is impossible to ensure uniform distribution of the mixture of reagents in the volume of the reaction space in a static reactor, this mode of operation of the catalyst will lead to coking and deactivation. In addition, the effect of periodic mechanical loads will contribute to the rapid destruction of the catalyst.
В патенте США №4108114, F02B 43/08, 22.08.78 для получения синтез-газа предлагается использовать гомогенное парциальное окисление или гомогенную паровоздушную конверсию газообразных и жидких углеводородных топлив и спиртов. Реакция осуществляется при повышении температуры до 800-1000°С и давления в цилиндрическом риформере за счет адиабатического сжатия смеси (степень сжатия 14÷20). Полученные продукты реакции через систему клапанов удаляются из риформера и после смешения с воздухом и основным топливом подаются в рабочие цилиндры двигателя.In US patent No. 4108114, F02B 43/08, 08/22/78 to obtain synthesis gas, it is proposed to use a homogeneous partial oxidation or a homogeneous vapor-air conversion of gaseous and liquid hydrocarbon fuels and alcohols. The reaction is carried out with increasing temperature to 800-1000 ° C and pressure in a cylindrical reformer due to adiabatic compression of the mixture (
В патентах США №6508209, F02M 27/02, 21.01.03 и №6397790, F02B 43/08, 04.06.02 предлагается способ проведения процесса в ДВС, основанный на конверсии паровой (патент №6508209), или паровой и парциального окисления (патент №6397790) части газового топлива (природный газ, пропан-бутан) в синтез-газ. Реакция конверсии проводится в каталитическом реакторе, в который вместе с газовым топливом подается часть рециркулирующих отработавших газов двигателя. Рекомендуемое соотношение топливо/выпускные газы = 0,2-0,35. Отработавшие газы двигателя состоят из CO2=5-6%, N2=74-79%, Н2О=6-12%, что достаточно для проведения паровой конверсии, и служит одновременно источником тепла для проведения эндотермической реакции. Газовая смесь после риформинга содержит примерно 12-13% Н2, 0,55% СО, 2-3% СН4 и 13% СО2. Она смешивается с воздухом в соотношении 0,4-0,67 и подается в ДВС. Температура, при которой осуществляется паровой риформинг, 450-800°С, катализатор - кольца Рашига диаметром 8 мм из окиси алюминия с никелем в качестве активного компонента. Концентрация оксидов азота в отходящих газах после ДВС находится на уровне 10 ppm. Снижение концентрации СО в выпускных газах осуществляется посредством каталитического нейтрализатора, выполненного в виде отдельного реактора. Для проведения реакции паровой конверсии рекомендуется реактор с неподвижным слоем катализатора либо реактор с двумя коаксиальными цилиндрами, в которых катализатор находится в кольцевом слое между цилиндрами и обогревается выпускными газами двигателя.In US patent No. 6508209, F02M 27/02, 01/21/03 and No. 6397790, F02B 43/08, 06/04/02, a method for carrying out the process in the internal combustion engine, based on the conversion of steam (patent No. 6508209), or steam and partial oxidation (patent No. 6397790) parts of gas fuel (natural gas, propane-butane) into synthesis gas. The conversion reaction is carried out in a catalytic reactor, in which, along with gas fuel, a part of the recirculated exhaust gas of the engine is supplied. Recommended fuel / exhaust gas ratio = 0.2-0.35. Engine exhaust gases consist of CO 2 = 5-6%, N 2 = 74-79%, H 2 O = 6-12%, which is sufficient for steam conversion, and at the same time serves as a heat source for carrying out the endothermic reaction. The gas mixture after reforming contains approximately 12-13% H 2 , 0.55% CO, 2-3% CH 4 and 13% CO 2 . It is mixed with air in a ratio of 0.4-0.67 and fed to the internal combustion engine. The temperature at which steam reforming is carried out is 450-800 ° C, the catalyst is Rashig rings with a diameter of 8 mm from aluminum oxide with nickel as the active component. The concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases after the internal combustion engine is at 10 ppm. The reduction in the concentration of CO in the exhaust gases is carried out by means of a catalytic converter, made in the form of a separate reactor. To carry out the steam conversion reaction, a reactor with a fixed catalyst bed or a reactor with two coaxial cylinders in which the catalyst is in the annular layer between the cylinders and is heated by the engine exhaust gases is recommended.
Согласно авторскому свидетельству СССР №1329272, F02B 43/08, 1987, в ДВС предлагается использовать основное жидкое углеводородное топливо и дополнительное топливо для получения водородсодержащего газа. При осуществлении рабочего процесса основное топливо (бензин) смешивается с воздухом. Дополнительное топливо, аммиак, подается в каталитический реактор, обогреваемый выпускными газами двигателя, где при температуре 350-600°С происходит разложение аммиака на водород и азот. Полученная смесь газов добавляется к основной смеси и, при работе ДВС с нагрузкой более 40% от максимальной подается в двигатель для ее сжигания. При этом количество подаваемого в реактор аммиака устанавливают в интервале 30-40% от весового расхода основного топлива, что обеспечивает содержание водорода в рабочей смеси в количестве от 5,29 до 7,05 мас.% от расхода основного топлива.According to USSR author's certificate No. 1329272, F02B 43/08, 1987, it is proposed to use the main liquid hydrocarbon fuel and additional fuel to produce hydrogen-containing gas in the internal combustion engine. During the work process, the main fuel (gasoline) is mixed with air. Additional fuel, ammonia, is fed into a catalytic reactor heated by the exhaust gases of the engine, where at a temperature of 350-600 ° C, ammonia decomposes into hydrogen and nitrogen. The resulting gas mixture is added to the main mixture and, when the internal combustion engine is operated with a load of more than 40% of the maximum, is supplied to the engine for combustion. The amount of ammonia supplied to the reactor is set in the range of 30-40% of the weight consumption of the main fuel, which ensures the hydrogen content in the working mixture in an amount of 5.29 to 7.05 wt.% Of the main fuel consumption.
Согласно патенту РФ №2033554, F02M 25/02, 20.04.95 в ДВС для осуществления рабочего процесса используют основное жидкое топливо (бензин) и дополнительное топливо в виде природного или нефтяного газа, а также продукты их конверсии в виде синтез-газа. Синтез-газ получают в отдельном блоке, расположенном между карбюратором и впускным коллектором в двигатель. Данный блок состоит из конверсионной камеры и каталитического реактора содержащего теплообменную и внутреннюю каталитическую камеры, соединенных через смесительную камеру с конверсионной. Каталитическая камера оснащена патрубком подачи газообразного топлива в смеси с воздухом и патрубком подачи паров воды. При запуске холодного двигателя его вначале разогревают за счет пускового устройства карбюратора на жидком и газообразном топливе. При этом общий расход смеси газообразного топлива с воздухом устанавливают в интервале 8-12 мас.% от общего расхода топлива на холостом ходу. По мере прогрева двигателя выключают пусковое устройство карбюратора и двигатель переводят в режим холостого хода.According to the patent of the Russian Federation No. 2033554, F02M 25/02, 04/20/95 in the internal combustion engine, the main liquid fuel (gasoline) and additional fuel in the form of natural or petroleum gas, as well as their conversion products in the form of synthesis gas are used in the internal combustion engine. The synthesis gas is produced in a separate unit located between the carburetor and the intake manifold into the engine. This unit consists of a conversion chamber and a catalytic reactor containing a heat exchange and an internal catalytic chamber connected through a mixing chamber to the conversion. The catalytic chamber is equipped with a nozzle for supplying gaseous fuel mixed with air and a nozzle for supplying water vapor. When starting a cold engine, it is first heated by a carburetor starting device using liquid and gaseous fuels. In this case, the total flow rate of the mixture of gaseous fuel with air is set in the range of 8-12 wt.% Of the total fuel consumption at idle. As the engine warms up, the carburetor starting device is turned off and the engine is put into idle mode.
Для проведения реакции паровой конверсии реактор разогревается выпускными газами ДВС до температуры 350-600°С. Затем в него подают смесь дополнительного топлива с парами воды, и в каталитической камере происходит реакция с образованием синтез-газа. Полученная смесь в камере смешения смешивается с выпускными газами ДВС в соотношении 4-6% и затем поступает в двигатель. При нагрузке ДВС до 30% от максимальной мощности к основному топливу добавляют дополнительное топливо и полученную смесь подают в двигатель. При нагрузках от 30 до 100% дополнительное топливо с парами воды подают в каталитический реактор. При этом количество дополнительного топлива, расходуемого на получение синтез-газа, составляет 15-20 мас.% от расхода основного топлива. Реакцию осуществляют при объемном соотношении газы/воздух 1,18:1 на холостом и 1:4 на всех остальных режимах. Объемное соотношение пар/газы находится в интервале 0,46:1 (холостой ход) и 0,48:1 (остальные режимы). Приготовленную описанным способом рабочую смесь, содержащую синтез-газ, подают на сжигание в двигатель. В составе синтез-газа, подаваемого в ДВС при нагрузках до 70% от максимальной, содержится до 4,2 об.% водорода и до 14,3 об.% остальных горючих компонентов. Благодаря наличию в рабочей смеси водорода и оксида углерода обеспечивается сжигание топлива в обедненной смеси. Это позволяет снизить токсичность выпускных газов по оксидам азота NOx на 35-40%, а по непрореагировавшим углеводородам (СН) на 30-35%. На режиме холостого хода ДВС в каталитический реактор подают пары воды для регенерации катализатора.To carry out the steam conversion reaction, the reactor is heated by the exhaust gases of the internal combustion engine to a temperature of 350-600 ° C. Then a mixture of additional fuel with water vapor is fed into it, and a reaction with the formation of synthesis gas occurs in the catalytic chamber. The resulting mixture in the mixing chamber is mixed with the exhaust gases of the internal combustion engine in a ratio of 4-6% and then enters the engine. When the engine load is up to 30% of the maximum power, additional fuel is added to the main fuel and the resulting mixture is fed to the engine. At loads from 30 to 100%, additional fuel with water vapor is fed into the catalytic reactor. At the same time, the amount of additional fuel spent on the production of synthesis gas is 15-20 wt.% Of the main fuel consumption. The reaction is carried out with a gas / air volume ratio of 1.18: 1 at idle and 1: 4 in all other modes. The volume ratio of steam / gases is in the range of 0.46: 1 (idle) and 0.48: 1 (other modes). Prepared by the described method, the working mixture containing synthesis gas is fed to the combustion engine. The composition of the synthesis gas supplied to the internal combustion engine at loads up to 70% of the maximum contains up to 4.2 vol.% Hydrogen and up to 14.3 vol.% Of the remaining combustible components. Due to the presence in the working mixture of hydrogen and carbon monoxide, fuel is burned in the lean mixture. This reduces the toxicity of exhaust gases by nitrogen oxides NO x by 35-40%, and by unreacted hydrocarbons (CH) by 30-35%. At idle of the internal combustion engine, water vapor is supplied to the catalytic reactor to regenerate the catalyst.
Согласно патенту РФ №2240437 F02M 25/022, F02B 43/08 от 20.10.2004, который выбран в качестве прототипа, предлагается способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в двигатель части газообразного и/или жидкого топлива в смеси с воздухом, подачу второй части топлива и воздуха в генератор для получения водородсодержащего конвертированного топлива, его смешение с исходным не конвертированным топливом, подачу полученной смеси в двигатель, управление составом смеси и соотношением количества топлива и конвертированного топлива, подаваемых в двигатель, при этом в генераторе осуществляют селективное окисление топлива в автотермическом режиме на структурированных катализаторах с получением конвертированного топлива, в котором суммарное содержание водорода и оксида углерода составляет не менее 30 об.%, запуск двигателя и его работу на холостом ходу осуществляют на конвертированном топливе без подачи исходного топлива непосредственно в двигатель, а на рабочих режимах в двигатель подают воздух, основное и конвертированное топливо в соотношениях, обеспечивающих содержание токсичных компонентов в выпускных газах в интервале: оксид углерода не более 3000 ppm (в основном 200-2000 ppm, преимущественно 600-400 ppm), CH не более 400 ppm (в основном 40-100 ppm, преимущественно 60 ppm), оксиды азота не более 20 ppm (в основном 5-15 ppm, преимущественно 10 ppm).According to the patent of the Russian Federation No. 2240437 F02M 25/022, F02B 43/08 dated 10/20/2004, which is selected as a prototype, a method for operating an internal combustion engine is proposed, which comprises supplying to the engine a portion of gaseous and / or liquid fuel mixed with air, supplying a second part of the fuel and air into the generator to produce hydrogen-containing converted fuel, mixing it with the original non-converted fuel, feeding the resulting mixture to the engine, controlling the composition of the mixture and the ratio of the amount of fuel and converted fuel supplied the engine, while the generator performs selective oxidation of the fuel in an autothermal mode on structured catalysts to produce converted fuel, in which the total content of hydrogen and carbon monoxide is at least 30 vol.%, the engine is started and idled, the converted fuel is used without supply of initial fuel directly to the engine, and in operating modes, air, basic and converted fuel are supplied to the engine in ratios that ensure that of components in the exhaust gases in the range: carbon monoxide not more than 3000 ppm (mainly 200-2000 ppm, mainly 600-400 ppm), CH not more than 400 ppm (mainly 40-100 ppm, mainly 60 ppm), nitrogen oxides more than 20 ppm (mainly 5-15 ppm, mainly 10 ppm).
В качестве основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, и топлива, подаваемого на конвертирование, используют одно и то же топливо или природный газ и/или смесь пропан-бутана, и/или бензин, и/или дизельное топливо, или их любую смесь. Конвертированное топливо содержит монооксид углерода в количестве не менее чем 25% от полученного количества водорода. Для обеднения рабочей смеси до коэффициента избытка воздуха α≥1,5 в двигатель подают конвертированное топливо с объемным содержанием водорода в количестве, обеспечивающем объемное содержание водорода по отношению к воздуху более 1,5%. Селективное каталитическое окисление осуществляют в автотермическом режиме при временах контакта в интервале 10-3-10-1 с. Генератор для получения водородсодержащего конвертированного топлива состоит из теплообменника, конвертора и пускового устройства.As the main fuel supplied directly to the engine, and the fuel supplied for conversion, use the same fuel or natural gas and / or a mixture of propane-butane, and / or gasoline, and / or diesel fuel, or any mixture thereof. Converted fuel contains carbon monoxide in an amount of not less than 25% of the obtained amount of hydrogen. To deplete the working mixture to an excess air coefficient α≥1.5, converted fuel with a volumetric hydrogen content in an amount providing a volumetric hydrogen content in relation to air of more than 1.5% is fed into the engine. Selective catalytic oxidation is carried out in autothermal mode at contact times in the range of 10 -3 -10 -1 s. A generator for producing hydrogen-containing converted fuel consists of a heat exchanger, a converter and a starting device.
Для получения конвертированного топлива необходимого состава исходное топливо в смеси с воздухом в соотношении α=0,25-0,45 подают в конвертор.To obtain converted fuel of the required composition, the initial fuel in a mixture with air in the ratio α = 0.25-0.45 is fed to the converter.
В качестве конвертора топлива используют каталитический реактор радиального типа, содержащий перфорированную заглушенную с одной стороны газораспределительную трубу со слоем катализатора, имеющую диаметр отверстий для подачи газа меньше критического, и оснащенный устройством для предварительного подогрева реактора при его запуске.As a fuel converter, a radial type catalytic reactor is used, containing a perforated gas distribution pipe plugged on one side with a catalyst layer having a diameter of gas supply openings less than critical, and equipped with a device for preheating the reactor when it is started.
Катализатор представляет собой армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Rh, Ni, Pd, Co, Ru или их любую комбинацию, и выполнен в виде плоских газопроницаемых и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой, с зазорами между витками с образованием газовоздушных каталитически активных каналов между лентами.The catalyst is a reinforced porous material containing Rh, Ni, Pd, Co, Ru or any combination thereof as active components, and is made in the form of flat gas-permeable and corrugated reinforced tapes, wound and sintered with a gas distribution tube, with gaps between the turns to form gas-air catalytically active channels between the tapes.
В качестве конвертора топлива используют каталитический реактор с блочным катализатором селективного окисления топлива на металлическом, керамическом или металлокерамическом носителе, который представляет собой прямоканальный блок (в том числе, микроканальный), блочный материал со сложной конфигурацией каналов и пеноматериал.As a fuel converter, a catalytic reactor with a block catalyst for selective oxidation of fuel on a metal, ceramic or cermet carrier is used, which is a direct channel block (including microchannel), block material with a complex configuration of channels and foam.
В качестве активного компонента катализатора используют комбинацию оксида алюминия, кремния, переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов (в основном четвертого и пятого периодов, преимущественно Со, Ni, Mn, Ti, Zr, La, Се, Y, Sm, Pr, Gd) с металлами платиновой группы (в основном Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно Pt, Rh, Ru).As the active component of the catalyst, a combination of aluminum oxide, silicon, transition and rare-earth elements of 4-6 periods (mainly the fourth and fifth periods, mainly Co, Ni, Mn, Ti, Zr, La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd ) with platinum group metals (mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru).
В режиме холодного пуска ДВС в разогретый за счет пускового устройства до температуры начала реакции конвертор подают часть топлива и воздух в соотношении 0,24-0,45 от стехиометрического, осуществляют реакцию селективного окисления топлива, подают продукты реакции в теплообменник для подогрева ДВС и охлаждения полученных продуктов, а затем в двигатель для его запуска. В качестве пускового устройства используют встроенный в конвертор электрический либо пламенный нагреватель, работающий на воздухе и исходном топливе. Запуск ДВС осуществляют посредством подачи конвертированного топлива, запасенного ранее в отдельном ресивере. Разогрев конвертора при запуске осуществляют путем пропускания электрического тока непосредственно через электропроводящие элементы катализатора.In the cold start mode of the internal combustion engine, the converter is supplied with fuel and air at a ratio of 0.24-0.45 of the stoichiometric temperature, heated up by the starting device to the temperature of the start of the reaction, the reaction of selective oxidation of the fuel is carried out, the reaction products are fed to a heat exchanger to heat the internal combustion engine and cool the resulting products, and then into the engine to start it. As a starting device, an electric or flame heater built in the converter, working on air and initial fuel, is used. The start of the internal combustion engine is carried out by supplying converted fuel, previously stored in a separate receiver. The converter is heated at startup by passing electric current directly through the electrically conductive elements of the catalyst.
Система охлаждения ДВС объединена с теплообменником генератора для получения водородсодержащего конвертированного топлива, за счет чего осуществляют предварительный подогрев ДВС при его запуске при отрицательных температурах.The ICE cooling system is combined with a heat exchanger of the generator to produce hydrogen-containing converted fuel, due to which the ICE is preheated when it is started at low temperatures.
Проведенный анализ патентов позволяет сделать следующие выводы.The analysis of patents allows us to draw the following conclusions.
1. Применение синтез-газа, получаемого из различных видов жидких и газообразных углеводородных топлив на борту транспортного средства вместо использования баллонного водорода, является перспективным и известен ряд конструктивных решений по реализации данного способа.1. The use of synthesis gas obtained from various types of liquid and gaseous hydrocarbon fuels on board a vehicle instead of using balloon hydrogen is promising and a number of design solutions for implementing this method are known.
2. Наиболее распространенным способом получения синтез-газа является каталитическая паровая конверсия углеводородных топлив. Как правило, для ее реализации используют отработавшие газы ДВС, содержащие водяные пары и необходимый запас теплоты для проведения данной эндотермической реакции.2. The most common method for producing synthesis gas is catalytic steam conversion of hydrocarbon fuels. As a rule, ICE exhaust gases containing water vapor and the necessary heat reserve for carrying out this endothermic reaction are used for its implementation.
3. Добавление синтез-газа к основному топливу для питания ДВС в значительной степени снижает концентрацию оксидов азота и оксида углерода в выпускных газах.3. The addition of synthesis gas to the main fuel for supplying ICE significantly reduces the concentration of nitrogen oxides and carbon monoxide in the exhaust gases.
4. Добавку синтез-газа к основному топливу производят при невысоких давлениях смеси: 1÷2 бар, т.е. на ходе всасывания двигателя.4. The synthesis gas is added to the main fuel at low mixture pressures: 1 ÷ 2 bar, i.e. during engine suction.
5. Некаталитическая конверсия углеводородных топлив не используется.5. Non-catalytic conversion of hydrocarbon fuels is not used.
Рассмотренные варианты получения синтез-газа на борту транспортного средства, в том числе и прототипа, имеют следующие очевидные недостатки:The considered options for producing synthesis gas on board a vehicle, including a prototype, have the following obvious disadvantages:
1. Для проведения реакции паровой конверсии углеводородных газов требуется поддержание с необходимой точностью определенного мольного соотношения между водой, углеводородным газом и конвертируемым газом и температурой смеси. Выполнить эти условия только за счет использования отработавших газов двигателя представляется затруднительным.1. To carry out the steam reforming reaction of hydrocarbon gases, it is necessary to maintain, with the necessary accuracy, a certain molar ratio between water, hydrocarbon gas and convertible gas and the temperature of the mixture. To fulfill these conditions only through the use of engine exhaust gas is difficult.
2. В случае нарушения оптимального соотношения Н2О / конвертируемый газ возможно коксование катализатора, что неизбежно сократит ресурс его работы.2. In case of violation of the optimal ratio of H 2 O / convertible gas, coking of the catalyst is possible, which will inevitably reduce its service life.
3. Режимы работы реактора получения синтез-газа очень сильно зависят от режимов работы двигателя, что приводит к наличию между ними положительной обратной связи, и для достижения устойчивой работы системы требуется разработка сложной системы управления.3. The operating modes of the synthesis gas production reactor very much depend on the operating modes of the engine, which leads to the presence of positive feedback between them, and the development of a complex control system is required to achieve stable operation of the system.
4. Реакторы работают, как правило, в нестационарных режимах при переменных составах реагирующей смеси на входе в реактор и при воздействии значительных механических нагрузок на катализатор, вызванных колебаниями давления в среде выпускных газов, возникающих при движении поршня.4. Reactors operate, as a rule, in unsteady conditions with variable compositions of the reacting mixture at the inlet to the reactor and when significant mechanical loads are applied to the catalyst caused by pressure fluctuations in the environment of the exhaust gases that occur when the piston moves.
5. Осуществление рабочего процесса в ДВС и воспламенения газовоздушной смеси производят от постороннего источника зажигания (например, от электрической искры).5. The implementation of the working process in the internal combustion engine and the ignition of the gas-air mixture is carried out from an external ignition source (for example, from an electric spark).
Отмеченные недостатки приводят к тому, что предлагаемые конструктивные решения оказываются сложными для их практического применения в ДВС при работе на бедных смесях. К тому же известные способы организации рабочего процесса ДВС на гомогенных обедненных смесях, к которым относятся рассмотренные решения, позволяют обеспечить устойчивую работу ДВС на составах смеси при коэффициенте избытка воздуха а на малых и средних нагрузках до α=1,35-1,4, снизить расход топлива на 7-10% и выбросы СО и NOx, примерно, на 40-50%. На больших нагрузках двигатель работает неустойчиво.The noted shortcomings lead to the fact that the proposed design solutions are difficult for their practical application in ICE when working on poor mixtures. In addition, the well-known methods of organizing the working process of internal combustion engines on homogeneous lean mixtures, which include the solutions considered, make it possible to ensure stable operation of internal combustion engines on mixture compositions with an excess air coefficient a at low and medium loads to α = 1.35-1.4, and reduce fuel consumption by 7-10% and emissions of CO and NO x by about 40-50%. At high loads, the engine is unstable.
Введение все более жестких экологических норм на токсичные выбросы транспортных средств предусматривает необходимость снижения выбросов оксидов углерода СО, углеводородов СН, и оксидов азота NOx в 2 раза по отношению к их эмиссии непосредственно из двигателя. Хотя принцип использования синтез-газа для снижения токсичных выбросов ДВС является перспективным, достичь экологических норм, требуемых стандартами ЕВРО-3 и в перспективе ЕВРО-5 с использованием рассмотренных конструктивных схем без использования каталитических нейтрализаторов, не представляется возможным, особенно при работе ДВС на бедных топливных смесях. Однако нейтрализаторы эффективны только при обезвреживании продуктов сгорания стехио-метрических смесей, и их эффективность резко снижается при нейтрализации выпускных газов ДВС, работающих на обедненных топливных смесях. Кроме того, существуют требования по ограничению выбросов углекислого газа транспортными средствами. Эти ограничения предусматривают в течение ближайших 10-15 лет примерно двукратное снижение выбросов СО2 транспортными средствами по отношению к усредненному существующему уровню. Фактически это равноценно аналогичному уровню снижения расхода используемых углеводородных топлив.The introduction of increasingly stringent environmental standards for toxic emissions from vehicles requires a 2-fold reduction in emissions of carbon monoxide CO, hydrocarbons CH, and nitrogen oxides NO x relative to their emissions directly from the engine. Although the principle of using synthesis gas to reduce the toxic emissions of ICEs is promising, it is not possible to achieve the environmental standards required by the EURO-3 standards and in the future EURO-5 using the considered design schemes without the use of catalytic converters, especially when using ICE on poor fuel mixtures. However, the neutralizers are effective only in the neutralization of the combustion products of stoichiometric mixtures, and their efficiency decreases sharply when neutralizing the exhaust gases of internal combustion engines operating on lean fuel mixtures. In addition, there are requirements to limit carbon dioxide emissions from vehicles. Over the next 10–15 years, these restrictions provide for approximately two-fold reduction in CO 2 emissions by vehicles relative to the average existing level. In fact, this is equivalent to a similar level of reduction in the consumption of hydrocarbon fuels.
Таким образом, рассмотренные способы не обеспечивают достижения поставленной цели - одновременного снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов ДВС до необходимого уровня.Thus, the considered methods do not ensure the achievement of the goal - the simultaneous reduction of fuel consumption and exhaust gas toxicity of internal combustion engines to the required level.
Известный выбранный нами в качестве прототипа способ работы двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ №224037 F02M 25/022, F02B 43/08 от 20.10.2004 г.), кроме общих недостатков, присущих рассмотренным выше патентам, имеет при своем использовании и другие специфические недостатки:The well-known method of operation of an internal combustion engine selected by us as a prototype (see RF patent No. 224037 F02M 25/022, F02B 43/08 of 10/20/2004), in addition to the common disadvantages inherent in the patents discussed above, has other specific disadvantages:
- ограничен классом двигателей внутреннего сгорания, имеющих воспламенение рабочей газовоздушной смеси от электрической свечи зажигания;- limited by the class of internal combustion engines having ignition of the working gas-air mixture from an electric spark plug;
- отсутствует возможность воспламенения рабочей газовоздушной смеси от теплоты сжатия;- there is no possibility of ignition of the working gas-air mixture from the heat of compression;
- не позволяет без специальных мероприятий осуществить подачу водородосодержащего конвертированного топлива в конце процесса сжатия;- does not allow without special measures to supply hydrogen-containing converted fuel at the end of the compression process;
- не обеспечивает малое время запуска и выхода на режим генератора для получения водородосодержащего конвертированного топлива, допустимое для нормальной эксплуатации транспортного средства (требуемое время розжига реактора не более 5 минут);- does not provide a short start-up time and entering the generator mode to obtain a hydrogen-containing converted fuel, acceptable for normal operation of the vehicle (the required reactor ignition time is not more than 5 minutes);
- генератор ненадежен в эксплуатации.- the generator is unreliable in operation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Предлагаемое изобретение решает задачу уменьшения токсичности выпускных газов при одновременном снижении расхода топлива за счет работы двигателя на обедненных газовых смесях и по более выгодному термодинамическому циклу.The present invention solves the problem of reducing toxicity of exhaust gases while reducing fuel consumption due to the engine running on lean gas mixtures and a more favorable thermodynamic cycle.
Задачей изобретения является создание способа работы двигателя внутреннего сгорания, позволяющего повысить его топливную экономичность и снизить эмиссию вредных выбросов с выпускными газами.The objective of the invention is to provide a method of operation of an internal combustion engine, which allows to increase its fuel efficiency and reduce the emission of harmful emissions from exhaust gases.
Техническим результатом является возможность надежного обеспечения одновременного снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов ДВС за счет работы двигателя на обедненных газовоздушных смесях с воспламенением от теплоты сжатия, осуществления в генераторе реакции частичного окисления углеводородного топлива для получения водородосодержащего конвертированного топлива без применения катализаторов, получения водородосодержащего конвертированного топлива с заданным суммарным содержанием водорода и монооксида углерода, имеющего высокое давление, обеспечение возможности подачи водородосодержащего конвертированного топлива в конце процесса сжатия через форсунку.The technical result is the ability to reliably reduce fuel consumption and engine exhaust gas toxicity due to engine running on lean gas-air mixtures with ignition from the heat of compression, partial oxidation of the hydrocarbon fuel in the generator to produce hydrogen-containing converted fuel without using catalysts, and producing hydrogen-containing converted fuel with a given total content of hydrogen and carbon monoxide Having a high pressure, providing the possibility of supplying the hydrogen fuel into the converted end of the compression process through the nozzle.
Технический результат достигается тем, что предложен способ работы ДВС, включающий подачу в двигатель части основного газообразного топлива, подачу второй части основного газообразного топлива и воздуха в генератор для получения водородосодержащего конвертированного топлива, смешение части водородосодержащего конвертированного топлива с основным газообразным топливом, ввод образовавшейся топливной смеси вместе с воздухом во впускной патрубок двигателя, управление составом газовоздушной смеси и соотношением количества основного газообразного топлива и водородосодержащего конвертированного топлива, подаваемых в двигатель, при этом получение водородсодержащего конвертированного топлива с суммарным содержанием водорода и монооксида углерода не менее 40 об.% осуществляют в генераторе на основе энергетической машины сжатия путем некаталитического парциального окисления сверхбогатой углеводородной смеси в реакционной камере высокого давления, при этом на рабочих режимах непосредственно в двигатель подают воздух, основное газообразное топливо и водородосодержащее конвертированное топливо, подачу водородосодержащего конвертированного топлива производят двумя частями в течение одного цикла работы двигателя, причем подачу первой части водородосодержащего конвертированного топлива осуществляют на впуске, а вторую часть водородосодержащего конвертированного топлива направляют в форсунку и впрыскивают водородосодержащее конвертированное топливо в камеру сгорания двигателя под высоким давлением в конце процесса сжатия.The technical result is achieved by the fact that a method of ICE operation is proposed, which includes supplying part of the main gaseous fuel to the engine, supplying the second part of the main gaseous fuel and air to the generator to produce hydrogen-containing converted fuel, mixing part of the hydrogen-containing converted fuel with the main gaseous fuel, introducing the resulting fuel mixture together with air in the engine inlet, control the composition of the gas-air mixture and the ratio of the amount of the main gaseous fuel and hydrogen-containing converted fuel supplied to the engine, while the production of hydrogen-containing converted fuel with a total content of hydrogen and carbon monoxide of at least 40 vol.% is carried out in a generator based on an energy compression machine by non-catalytic partial oxidation of an ultra-rich hydrocarbon mixture in a high-pressure reaction chamber while operating conditions directly into the engine serves air, the main gaseous fuel and hydrogen content The converted fuel, the hydrogen-containing converted fuel are supplied in two parts during one engine operation cycle, the first part of the hydrogen-containing converted fuel is supplied to the inlet, and the second part of the hydrogen-containing converted fuel is sent to the nozzle and the hydrogen-containing converted fuel is injected into the engine combustion chamber under high pressure at the end of the compression process.
При этом количество водородосодержащего конвертированного топлива не превышает 25% от подачи основного газообразного топлива на номинальном режиме работы. При этом самовоспламенение обедненной рабочей смеси в цилиндре двигателя, состоящей из воздуха, основного газообразного топлива и водородосодержащего конвертированного топлива при коэффициенте избытка воздуха больше 1,4, осуществляют за счет высокой температуры рабочего тела, достигаемой значений 500…550°С при его политропном сжатии от исходного давления 2…3 бар до 80…90 бар. При этом в качестве основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, и топлива, подаваемого на конвертирование, используют топливо одного состава, а именно: природный газ, или сжиженный нефтяной газ (пропан - бутан), или биогаз, или коксовый газ, или пиролизный газ, или шахтный метан, или попутные нефтяные газы (метано-этано-пропановые фракции) или их любую смесь. При этом получение водородосодержащего конвертированного топлива осуществляют в генераторе, содержащем размещенные в едином корпусе приводной двигатель, реакционную камеру и компрессор, поршни которых жестко соединены между собой. При этом в процессе получения водородосодержащего конвертированного топлива в генераторе на основе энергетической машины сжатия осуществляют термическую (воздушную) конверсию применяемого топлива. При этом водородосодержащее конвертированное топливо содержит монооксид углерода в количестве не менее чем 15% от полученного количества водорода. При этом для получения водородосодержащего конвертированного топлива необходимого состава в генератор на основе энергетической машины сжатия подают основное газообразное топливо в смеси с воздухом в соотношении α=0,25-0,3. Для обеднения рабочей смеси до коэффициента избытка воздуха α>1,4 в двигатель подают водородосодержащее конвертированное топливо с объемным содержанием водорода в количестве, обеспечивающим объемное содержание водорода по отношению к воздуху более 2%. При этом для подачи водородосодержащего конвертированного топлива под высоким давлением в конце процесса сжатия используют форсунку с гидромеханическим или электромагнитным приводом с электронным управлением.At the same time, the amount of hydrogen-containing converted fuel does not exceed 25% of the supply of the main gaseous fuel in the nominal operating mode. In this case, the self-ignition of the lean working mixture in the cylinder of the engine, consisting of air, the main gaseous fuel and hydrogen-containing converted fuel with an excess air coefficient of more than 1.4, is carried out due to the high temperature of the working fluid, reached values of 500 ... 550 ° C with its polytropic compression from
В качестве исходного агрегата для создания генератора водородосодержащего конвертированного топлива используют энергетическую машину, в реакционной камере которой создается высокая температура (свыше 1800°С) и давление (свыше 250 бар) за счет высокой степени сжатия. Охлаждение конвертированного топлива осуществляют в теплообменнике с регулированием скорости охлаждения продуктов окисления.An energy machine is used as the initial unit for creating a hydrogen-containing converted fuel generator, in the reaction chamber of which a high temperature (above 1800 ° C) and pressure (above 250 bar) are created due to the high compression ratio. Converted fuel is cooled in a heat exchanger with regulation of the cooling rate of oxidation products.
Генератор водородосодержащего конвертированного топлива на основе энергетической поршневой машины представляет собой химический реактор сжатия, где происходит парциальное окисление метана с образованием водорода и монооксида углерода. Парциальное окисление («технологическое горение») осуществляется в реакторе за сотые доли секунды при параметрах, достаточных для осуществления высокой скорости химической реакции (температура свыше 1800°С и давление свыше 25 МПа). Преимуществом указанного генератора водородосодержащего конвертированного топлива является тот факт, что при малой продолжительности импульса (высокая частота циклов поршневой машины) можно говорить об адиабатическом процессе при термохимических превращениях топлива с минимальными потерями теплоты, что совершенно невозможно при других устройствах конверсии топлив. Отметим также возможность быстрого охлаждения («замораживания») полученных при конверсии целевых продуктов.A hydrogen-containing converted fuel generator based on an energy piston engine is a chemical compression reactor where the partial oxidation of methane takes place with the formation of hydrogen and carbon monoxide. Partial oxidation (“technological combustion”) is carried out in the reactor in hundredths of a second at parameters sufficient to realize a high chemical reaction rate (temperature above 1800 ° C and pressure above 25 MPa). The advantage of this generator of hydrogen-containing converted fuel is the fact that with a short pulse duration (high cycle frequency of the piston engine) we can talk about an adiabatic process during thermochemical transformations of fuel with minimal heat loss, which is completely impossible with other fuel conversion devices. We also note the possibility of rapid cooling ("freezing") obtained during the conversion of the target products.
Среди существенных признаков характеризующих предложенный способ работы ДВС, отличительными являются:Among the essential features characterizing the proposed method of ICE, the distinguishing ones are:
- получение водородосодержащего конвертированного топлива с суммарным содержанием водорода и оксида углерода не менее 40 об.% в генераторе на основе энергетической машины сжатия путем использования теплоты экзотермической химической реакции парциального окисления;- obtaining a hydrogen-containing converted fuel with a total content of hydrogen and carbon monoxide of at least 40 vol.% in a generator based on an energy compression machine by using the heat of an exothermic chemical reaction of partial oxidation;
- использование в качестве генератора на основе энергетической машины сжатия поршневой импульсной машины сжатия;- use as a generator based on an energy compression machine a piston pulse compression machine;
- подача водородосодержащего конвертированного топлива на впуск и в конце процесса сжатия в течение цикла, причем подачу первой части водородосодержащего конвертированного топлива осуществляют в газовоздушную смесь, подаваемую на впуск двигателя, а вторую часть водородосодержащего конвертированного топлива направляют в форсунку и впрыскивают ее под высоким давлением в конце процесса сжатия за 30…5° угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки;- the supply of hydrogen-containing converted fuel to the inlet and at the end of the compression process during the cycle, the first part of the hydrogen-containing converted fuel being supplied to the gas-air mixture supplied to the engine inlet, and the second part of the hydrogen-containing converted fuel is sent to the nozzle and injected under high pressure at the end the compression process for 30 ... 5 ° of the angle of rotation of the crankshaft to top dead center;
- подача на рабочих режимах в двигатель воздуха, основного газообразного и водородосодержащего конвертированного топлива в соотношениях, обеспечивающих заданное комплексное содержание токсичных компонентов в выпускных газах на уровне европейских стандартов (не ниже пятого экологического класса), а на режимах малых нагрузок и при запуске подача только водородосодержащего конвертированного топлива;- the supply of air, the main gaseous and hydrogen-containing converted fuel to the engine in operating conditions in ratios that provide the specified complex content of toxic components in the exhaust gases at the level of European standards (not lower than the fifth environmental class), and at low loads and when starting, only hydrogen-containing converted fuel;
- обеднение газовоздушной смеси в цилиндре за счет оптимального соотношения воздуха, основного газообразного и водородосодержащего конвертированного топлива при содержании водорода в последнем по отношению к воздуху более 2%;- depletion of the gas-air mixture in the cylinder due to the optimal ratio of air, the main gaseous and hydrogen-containing converted fuel with a hydrogen content of more than 2% in relation to air;
- использование в качестве основного топлива, подаваемого непосредственно в двигатель, и топлива, подаваемого на конвертирование, топливо одного состава, а именно: природный газ, или сжиженный нефтяной газ (пропан - бутан), или биогаз, или коксовый газ, или пиролизный газ, или шахтный метан, или попутные нефтяные газы (метано-этано-пропановые фракции) или их любую смесь;- use, as the main fuel supplied directly to the engine, and the fuel supplied for conversion, the fuel of the same composition, namely: natural gas, or liquefied petroleum gas (propane - butane), or biogas, or coke oven gas, or pyrolysis gas, or mine methane, or associated petroleum gases (methane-ethano-propane fractions) or any mixture thereof;
- получение водородосодержащего конвертируемого топлива в генераторе, содержащем размещенные в едином корпусе приводной двигатель, реакционную камеру и компрессор, поршни которых жестко соединены между собой;- obtaining a hydrogen-containing convertible fuel in a generator containing a drive motor, a reaction chamber and a compressor located in a single housing, the pistons of which are rigidly interconnected;
- осуществление в процессе получения водородосодержащего конвертированного топлива в генераторе на основе энергетической машины сжатия термической (воздушной) конверсии, применяемого топлива;- implementation in the process of producing hydrogen-containing converted fuel in a generator based on an energy compression machine for thermal (air) conversion, the fuel used;
- содержание в водородосодержащем конвертируемом топливе монооксида углерода в количестве не менее чем 15% от полученного количества водорода;- the content in the hydrogen-containing convertible fuel of carbon monoxide in an amount of not less than 15% of the obtained amount of hydrogen;
- подача для получения водородосодержащего конвертированного топлива необходимого состава в генератор основного газообразного топлива вместе с воздухом в соотношении α=0,25-0,3;- supply to obtain a hydrogen-containing converted fuel of the required composition to the generator of the main gaseous fuel together with air in the ratio α = 0.25-0.3;
- использование для подачи водородосодержащего конвертированного топлива под высоким давлением в конце процесса сжатия форсунки с гидромеханическим или электромагнитным приводом с электронным управлением;- use for supplying hydrogen-containing converted fuel under high pressure at the end of the compression process of the nozzle with a hydromechanical or electromagnetic drive with electronic control;
- воспламенение водородосодержащего конвертированного топлива при его подаче в конце процесса сжатия в нагретую до высокой температуры (500-550°С) газовоздушную смесь за счет повышения ее давления до 80-90 бар (от теплоты сжатия).- ignition of hydrogen-containing converted fuel when it is fed at the end of the compression process into a gas-air mixture heated to a high temperature (500-550 ° C) by increasing its pressure to 80-90 bar (from the heat of compression).
Описание чертежейDescription of drawings
На чертеже изображен один из возможных вариантов схемы для подачи воздуха, основного газообразного и водородосодержащего конвертируемого топлива и устройства, позволяющие реализовать предложенный способ работы ДВС. Схематично изображенный двигатель предназначен для большегрузного автомобиля и использует для своей системы питания газообразное топливо, например сжиженный природный газ, который хранится в криогенном баке. Для превращения жидкого метана в газовую фазу предназначен газификатор. Получение водородосодержащего конвертируемого топлива производится в генераторе водородосодержащего газа, изображенного на схеме. Отдельные стандартные узлы на чертеже не показаны.The drawing shows one of the possible variants of the circuit for supplying air, the main gaseous and hydrogen-containing convertible fuel and device, allowing to implement the proposed method of operation of the internal combustion engine. The schematically shown engine is designed for a heavy vehicle and uses gaseous fuels, such as liquefied natural gas, which is stored in a cryogenic tank for its power system. A gasifier is designed to turn liquid methane into a gas phase. Hydrogen-containing convertible fuel is produced in the hydrogen-containing gas generator shown in the diagram. Individual standard units are not shown in the drawing.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
С помощью приведенной схемы, изображенной на чертеже, можно рассмотреть способ работы ДВС. В режиме холодного пуска ДВС газ из криогенного метанового бака 1, пройдя через газификатор 2, редуктор 3, газовоздушный смеситель 4 поступает в реакционную камеру 5 генератора водородосодержащего газа 6. В приводной цилиндр генератора водородосодержащего конвертированного топлива природный газ поступает через дозатор газа 7, а окислитель (воздух) - через воздушный самодействующий клапан 8.Using the above diagram, shown in the drawing, we can consider the way the ICE works. In the cold start mode of the internal combustion engine, the gas from the
Смесь воздуха и топлива подают в цилиндр приводного двигателя в соотношении, превышающем стехиометрическое на 20…25%. Подготовленная смесь воспламеняется от теплоты сжатия. Работой, полученной за счет расширения продуктов сгорания в цилиндре приводного двигателя, производят сжатие газовоздушной смеси в реакционной камере, создавая температурные условия для процессов «технологического» горения и получения водородосодержащего топлива. После запуска генератора 6 с помощью дозатора воздуха и газа (на чертеже не показаны) устанавливают соотношение между основным газообразным топливом, подаваемым в реакционную камеру 5, и воздухом, равное 0,25-0,3 от стехиометрического. При этом газовоздушный смеситель 4 реакционной камеры 5, используемый для получения конечных продуктов конверсии основного газообразного топлива при запуске генератора водородосодержащего газа, отключается. Предпусковые продукты конверсии, получаемые во время процедуры запуска и являющиеся ценным топливом, направляют на впуск приводного двигателя.A mixture of air and fuel is fed into the cylinder of the drive engine in a ratio exceeding the stoichiometric by 20 ... 25%. The prepared mixture is ignited by the heat of compression. The work obtained by expanding the combustion products in the cylinder of the drive engine compresses the gas-air mixture in the reaction chamber, creating temperature conditions for the processes of “technological” combustion and the production of hydrogen-containing fuel. After starting the generator 6 using an air and gas dispenser (not shown in the drawing), the ratio between the main gaseous fuel supplied to the
Водородосодержащее конвертированное топливо высокого давления удаляется из цилиндра реакционной камеры через нагнетательный клапан 9 и, пройдя теплообменник (на чертеже не показан), направляется в камеру сгорания поршневого двигателя 10 через форсунку 11. Таким образом, в конце процесса сжатия в цилиндр подается часть водородосодержащего конвертированного топлива. Одновременно оставшуюся часть водородосодержащего конвертированного топлива через редуктор 12 и клапан 13 подают в смесительную камеру 16 для смешивания с основным газообразным топливом. Для запуска ДВС используется только водородосодержащее конвертированное топливо. Линия подачи основного газообразного топлива перекрыта с помощью электромагнитного клапана (на чертеже не показан).Hydrogen-containing converted high-pressure fuel is removed from the cylinder of the reaction chamber through the
Необходимость в описанной процедуре запуска отпадает, если в режиме холодного пуска в двигатель подают водородосодержащее конвертированное топливо, заранее накопленное в дополнительной емкости (ресивере).The need for the described starting procedure disappears if, in the cold start mode, hydrogen-containing converted fuel, previously stored in an additional tank (receiver), is supplied to the engine.
В двигателе осуществляется процесс сгорания смеси, состоящей из водородосодержащего конвертированного топлива и воздуха, причем инициирование воспламенения рабочей смеси производится водородосодержащим конвертированным топливом поданным через форсунку 11. После запуска поршневой двигатель переводится в режим холостого хода или в режим работы с нагрузкой. Для этого открывают линию подачи основного газообразного топлива, которое смешивается в смесительной камере 16 с водородосодержащим конвертированным топливом. После выхода двигателя на требуемый режим работы устанавливают оптимальное соотношение между воздухом и основным газообразным топливом, подаваемыми в генератор 6 получения водородосодержащего конвертированного топлива и регулируемого дозаторами, относящимися к системе питания генератора. Исходя из скоростного, нагрузочного и температурного режима работы двигателя, а также из заданного уровня эмиссии СО, СН и NOx и удельного расхода топлива задают подачу основного газообразного топлива через редуктор 14 и дозатор 15. Устройство 16 выполняет функцию смесительной камеры, где регулируют оптимальное соотношение основного газообразного топлива, поступающего в него через дозатор 15, и водородосодержащего конвертированного топлива через клапан 13.A combustion process of a mixture consisting of hydrogen-containing converted fuel and air is carried out in the engine, and ignition of the working mixture is initiated by a hydrogen-containing converted fuel fed through the
Подготовленная смесь из основного газообразного топлива и водородсодержащего конвертированного топлива поступает в газовоздушный смеситель 17, пройдя который и обогатившись воздухом в виде рабочей газовоздушной смеси, направляется во впускной патрубок 18 двигателя.The prepared mixture of the main gaseous fuel and hydrogen-containing converted fuel enters the gas-
Оптимальные параметры регулирования для каждого режима работы принимают по результатам соответствующих предварительных стендовых испытаний и эту информацию вводят в электронный блок управления двигателем (не показан), посредством которого управляют датчиками, клапанами и дозаторами. С целью дополнительной оптимизации процесса сгорания в цилиндре двигателя посредством электронного блока управления задают требуемый момент начала воспламенения топлива, управляя его подачей через форсунку с электромагнитным или гидромеханическим приводом.The optimal control parameters for each operating mode are taken according to the results of the corresponding preliminary bench tests and this information is entered into an electronic engine control unit (not shown), by means of which sensors, valves and dispensers are controlled. In order to further optimize the combustion process in the engine cylinder, the required ignition start time of the fuel is set by means of the electronic control unit, controlling its supply through the nozzle with an electromagnetic or hydromechanical drive.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010124282/06A RU2488013C2 (en) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | Method of operating internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010124282/06A RU2488013C2 (en) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | Method of operating internal combustion engine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010124282A RU2010124282A (en) | 2011-12-27 |
| RU2488013C2 true RU2488013C2 (en) | 2013-07-20 |
Family
ID=45782056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010124282/06A RU2488013C2 (en) | 2010-06-17 | 2010-06-17 | Method of operating internal combustion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2488013C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623350C1 (en) * | 2016-01-27 | 2017-06-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Piston machine |
| RU2650245C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-04-11 | Андрей Владиславович Курочкин | Internal combustion engine |
| RU179096U1 (en) * | 2017-01-09 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | POWER SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF HYDROGEN-CONTAINING FUEL |
| RU2670633C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-10-24 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
| RU2803151C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-09-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Control system for the supply of hydrogen-containing synthesis gas to the ice intake manifold |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3963000A (en) * | 1974-03-06 | 1976-06-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for reforming engine fuel into hydrogen gas-containing mixture by catalytic reaction |
| US4108114A (en) * | 1975-05-27 | 1978-08-22 | Nissan Motor Company, Limited | Fuel reformer for generating gaseous fuel containing hydrogen and/or carbon monoxide |
| RU2033554C1 (en) * | 1990-09-17 | 1995-04-20 | Николай Егорович Рыжов | Method and device for supplying fuel to internal combustion engine |
| US5943859A (en) * | 1997-09-18 | 1999-08-31 | Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. | Natural gas reforming apparatus, oxygen eliminating apparatus provided in the same apparatus, and natural gas reforming apparatus-carrying gas engine |
| US6508209B1 (en) * | 2000-04-03 | 2003-01-21 | R. Kirk Collier, Jr. | Reformed natural gas for powering an internal combustion engine |
| RU2240437C1 (en) * | 2003-05-23 | 2004-11-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of operation of internal combustion engine |
| JP2006046163A (en) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Toyota Motor Corp | Hydrogen added internal combustion engine |
| CN101302974A (en) * | 2007-05-08 | 2008-11-12 | 江宏 | Method and apparatus for engine to convert fuel |
| WO2010020221A2 (en) * | 2008-08-18 | 2010-02-25 | Eads Deutschland Gmbh | Method for operating an internal combustion engine and fuel supply device for carrying out said method |
-
2010
- 2010-06-17 RU RU2010124282/06A patent/RU2488013C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3963000A (en) * | 1974-03-06 | 1976-06-15 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for reforming engine fuel into hydrogen gas-containing mixture by catalytic reaction |
| US4108114A (en) * | 1975-05-27 | 1978-08-22 | Nissan Motor Company, Limited | Fuel reformer for generating gaseous fuel containing hydrogen and/or carbon monoxide |
| RU2033554C1 (en) * | 1990-09-17 | 1995-04-20 | Николай Егорович Рыжов | Method and device for supplying fuel to internal combustion engine |
| US5943859A (en) * | 1997-09-18 | 1999-08-31 | Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd. | Natural gas reforming apparatus, oxygen eliminating apparatus provided in the same apparatus, and natural gas reforming apparatus-carrying gas engine |
| US6508209B1 (en) * | 2000-04-03 | 2003-01-21 | R. Kirk Collier, Jr. | Reformed natural gas for powering an internal combustion engine |
| RU2240437C1 (en) * | 2003-05-23 | 2004-11-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of operation of internal combustion engine |
| JP2006046163A (en) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Toyota Motor Corp | Hydrogen added internal combustion engine |
| CN101302974A (en) * | 2007-05-08 | 2008-11-12 | 江宏 | Method and apparatus for engine to convert fuel |
| WO2010020221A2 (en) * | 2008-08-18 | 2010-02-25 | Eads Deutschland Gmbh | Method for operating an internal combustion engine and fuel supply device for carrying out said method |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2670633C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-10-24 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
| RU2670633C9 (en) * | 2013-05-16 | 2018-12-04 | Ман Трак Унд Бас Аг | Method for operating a diesel engine |
| RU2623350C1 (en) * | 2016-01-27 | 2017-06-23 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Piston machine |
| RU179096U1 (en) * | 2017-01-09 | 2018-04-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | POWER SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF HYDROGEN-CONTAINING FUEL |
| RU2650245C1 (en) * | 2017-08-01 | 2018-04-11 | Андрей Владиславович Курочкин | Internal combustion engine |
| RU2803151C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-09-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) | Control system for the supply of hydrogen-containing synthesis gas to the ice intake manifold |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010124282A (en) | 2011-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4567857A (en) | Combustion engine system | |
| US8061120B2 (en) | Catalytic EGR oxidizer for IC engines and gas turbines | |
| US6508209B1 (en) | Reformed natural gas for powering an internal combustion engine | |
| US6405720B1 (en) | Natural gas powered engine | |
| US9440851B2 (en) | Flex-fuel hydrogen generator for IC engines and gas turbines | |
| US3717129A (en) | Method and apparatus for reducing engine exhaust pollutants | |
| US6098396A (en) | Internal combustion engine having a catalytic reactor | |
| US4108114A (en) | Fuel reformer for generating gaseous fuel containing hydrogen and/or carbon monoxide | |
| US3963000A (en) | System for reforming engine fuel into hydrogen gas-containing mixture by catalytic reaction | |
| US20060042565A1 (en) | Integrated fuel injection system for on-board fuel reformer | |
| US20050132650A1 (en) | Fast light-off catalytic reformer | |
| US20020012618A1 (en) | Plasmatron-catalyst system | |
| US7047909B1 (en) | Methods of operating a compression ignition engine and a vehicle system | |
| US10876472B1 (en) | Spark-ignited internal combustion engine modified for multi-fuel operation | |
| WO2009101715A1 (en) | Hydrogen supply unit for internal combustion engine and method of operating internal combustion engine | |
| US10865709B2 (en) | Flex-fuel hydrogen reformer for IC engines and gas turbines | |
| US7188587B1 (en) | Methods for operating a compression ignition engine | |
| Prigent | On board hydrogen generation for fuel cell powered electric cars. A review of various available techniques | |
| RU2488013C2 (en) | Method of operating internal combustion engine | |
| US20050198900A1 (en) | Method and apparatus for fuel/air preparation for a hydrocarbon reformer | |
| RU2240437C1 (en) | Method of operation of internal combustion engine | |
| EP1269006B1 (en) | Gas powered engine having improved emissions | |
| CN101457715A (en) | Mobile hydrogen making engine fuel system and device thereof | |
| RU2443764C1 (en) | Operating method of device for preparation of associated petroleum gases to be used in power plants | |
| Pettersson et al. | Onboard hydrogen generation by methanol decomposition for the cold start of neat methanol engines |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140618 |