Установка безэмульгаторного приготовления водотопливной эмульсии

Изобретение относится к технике приготовления эмульсий, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Для подачи воды в камеру приготовления эмульсии и циркуляции первичной эмульсии используют импульсные насосы с газовым приводом от газоотборочного клапана (ГОК) двигателя. Водосодержание водотопливной эмульсии и всережимность установки на номинальном режиме обеспечивают соотношением производительностей топливоподкачивающего насоса дизеля и импульсного насоса воды, а на частичных режимах - за счет соответствующего уменьшения подачи дизельного топлива и воды в камеру приготовления эмульсии путем пропорционального перепуска первичной эмульсии на входы топливоподкачивающего насоса дизеля и импульсного насоса воды автоматически действующим перепускным клапаном. Технический результат состоит в обеспечении постоянного водосодержания эмульсии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технике приготовления эмульсий, которые могут быть использованы в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство установки для получения водотопливной эмульсии (ВТЭ) с подачей воды при постоянном давлении, состоящее из гидрофора, редукционного клапана, дозирующего клапана, измерителя, электромагнитного клапана, гидродинамического диспергатора, расходной цистерны и подкачивающего насоса. Пресная вода из гидрофора через редукционный клапан подводится к дозирующему клапану, с помощью которого регулируется количество подаваемой воды в зависимости от нагрузки двигателя. При срабатывании электромагнитного клапана вода с постоянной скоростью истечения поступает в гидродинамический диспергатор, в котором используется эффект дробления струи о преграду (Воржев Ю.И., Гимбутис К.К. Об использовании водотопливных эмульсий в судовых дизельных установках. Судостроение, 1985, №7, с.18-22).

Ближайшим аналогом является устройство, представленное в авторском свидетельстве SU 1669516 A1, 4714388/26, В 01 F 3/08, состоящее из баков для воды и топлива, фильтров для воды и топлива, запорной арматуры, насоса низкого давления, насоса высокого давления, диспергатора с установленными на нем форсунками и присоединенной к нему разборной колонкой. Топливо из бака поступает через соответствующие фильтры к насосу низкого давления, где происходит первоначальная грубая диспергация топлива и воды. Из подкачивающего насоса эмульсия поступает в наполнительную полость насоса высокого давления и через форсунки впрыскивается в полость диспергатора, где происходит окончательное диспергирование за счет энергии впрыскивания, избыточная эмульсия поступает в разборную колонку, а затем подается в систему питания двигателя.

Конструктивными недостатками известных устройств, в том числе принятого в качестве ближайшего аналога, являются:

- сложность в обслуживании (особенно в судовых условиях);

- большие размеры установки (в связи с ограниченностью пространства в машинном отделении);

- низкая ремонтопригодность в судовых условиях и на дизель-электрических станциях (ДЭС).

Отдельно следует отметить особо серьезные недостатки:

- наличие нескольких независимых насосов, обслуживающих установку;

- сложности с автоматизацией процесса приготовления эмульсии;

- обязательное наличие эмульгатора;

- сложности с обеспечением требуемого водосодержания при изменении режима потребления топлива.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является безэмульгаторное приготовление водотопливной эмульсии с одновременным обеспечением всережимности установки и постоянного водосодержания эмульсии на частичных режимах потребления.

Указанная задача решается тем, что в отличие от ближайшего аналога:

1. Для подачи воды в камеру приготовления эмульсии и циркуляции первичной эмульсии используются импульсные насосы, оснащенные обратными клапанами с газовым приводом от газоотборочного клапана (ГОК) двигателя. Конструкция и принцип работы импульсных насосов с газовым приводом от ГОК очевидны из чертежа. Аналогичный газовый привод топливной аппаратуры дизелей пытались применить в 50-е годы двадцатого века с целью получить высокие давления впрыскивания. По сравнению с насосами других типов здесь возможно получить высокие максимальные давления до 60...70% от Pz при подаче воды в камеру приготовления эмульсии (в дизелях давление сгорания Pz находится в пределах от 5 до 15 МПа). Газовый привод может быть осуществлен от любого цилиндра двигателя гибким шлангом высокого давления. Так как система закрытая, то отсутствует расход газов и, следовательно, операция отбора не отражается на работе двигателя. Импульсный насос подает воду (первичную эмульсию) в виде импульсов с частотой n/120 Гц, например, для 4-х тактного дизеля, где n - частота вращения коленчатого вала при давлении импульса до 3...7 МПа. Именно такое впрыскивание воды и первичной эмульсии в камеру приготовления позволяет получить высококачественную эмульсию.

2. Водосодержание водотопливной эмульсии и всережимность установки на номинальном режиме обеспечиваются соотношением производительностей топливоподкачивающего насоса дизеля и импульсного насоса воды, а на частичных режимах - за счет соответствующего уменьшения подачи дизельного топлива и воды в камеру приготовления эмульсии путем пропорционального перепуска первичной эмульсии на входы топливоподкачивающего насоса дизеля и импульсного насоса воды автоматически действующим перепускным клапаном.

3. Используется впрыскивание первичной эмульсии в камеру приготовления эмульсии под высоким давлением импульсным насосом первичной эмульсии.

4. Распылитель первичной эмульсии установлен в верхней части камеры приготовления эмульсии в зоне отбора приготовленной эмульсии к двигателю с целью дополнительного повышения качества эмульсии.

5. Импульсный насос воды предназначен в основном для образования прямой эмульсии, а импульсный насос первичной эмульсии, работая параллельно с многократной циркуляцией, обеспечивает перевод ее в обратную. Именно такая схема работы, как это подтверждает эксперимент, обеспечивает высокое качество приготовляемой водотопливной эмульсии и позволяет безэмульгаторное ее получение.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана установка безэмульгаторного приготовления водотопливной эмульсии.

Позиции на чертеже обозначают:

1. вентиль для спуска воздуха

2. импульсный насос воды

3. импульсный насос первичной эмульсии

4. перепускной клапан

5. камера приготовления эмульсии

6. топливоподкачивающий насос дизеля

7, 8, 9. трубопроводы топлива

10,11 трубопроводы воды

12. распылитель воды

13. 14, 15, 18, 20, 21. трубопроводы первичной эмульсии

16. распылитель первичной эмульсии

17. трубопровод отбора готовой эмульсии

19. поршень перепускного клапана 4

22. трубопровод подвода газов от газоотборочного клапана (ГОК)

23. топливный канал перепускного клапана 4

24. жиклеры перепускного клапана 4

25. невозвратные клапаны

Импульсный насос воды 2 связан посредством трубопровода 22 с ГОК, а через невозвратный клапан 25 и трубопровод 10 с магистралью пресной воды и через невозвратный клапан 25 и трубопровод 11с распылителем воды 12 в камере приготовления эмульсии 5. Импульсный насос первичной эмульсии 3 также связан трубопроводом 22 с ГОК через невозвратный клапан 25 и трубопровод 15 с распылителем первичной эмульсии 16 в камере приготовления эмульсии 5, а также через невозвратный клапан 25 с камерой приготовления эмульсии 5 посредством трубопровода 13 и с перепускным клапаном 4 посредством трубопровода 18. Перепускной клапан 4 связан через трубопроводы 20 и 8 с топливоподкачивающим насосом дизеля 6, который соединен через трубопровод 9 с камерой приготовления эмульсии 5. К перепускному клапану 4 присоединен трубопровод 7 магистрали дизельного топлива и трубопровод 21, соединяющий его с магистралью пресной воды. Перепускной клапан 4 включает в себя поршень 19, жиклеры 24 на входах в трубопроводы 21 и 20 и топливный канал 23. Камера приготовления эмульсии 5 соединена трубопроводом 17 с системой питания двигателя и имеет вентиль 1 для спуска воздуха.

Принцип работы установки безэмульгаторного приготовления водотопливной эмульсии.

На номинальном режиме дизельное топливо по трубопроводу 7 поступает в полость перепускного клапана 4, затем через топливный канал 23 перепускного клапана 4 по трубопроводу 8 в топливоподкачивающий насос дизеля 6 и по трубопроводу 9 в камеру приготовления эмульсии 5. Вода из магистрали пресной воды по трубопроводу 10 через невозвратный клапан 25 поступает в нагнетательную полость импульсного насоса воды 2. Его производительность на номинальном режиме соответствует 25% производительности топливоподкачивающего насоса дизеля 6. Такое соотношение обеспечит 20-процентное объемное содержание воды в приготавливаемой эмульсии. Из нагнетательной полости импульсного насоса воды 2 вода под большим давлением (порядка максимального давления сгорания в дизеле) по трубопроводу 11 поступает к распылителю воды 12. В камере приготовления эмульсии 5 вода распыляется в среде топлива. Полученная эмульсия по трубопроводу 17 поступает в топливную систему двигателя. Качество ВТЭ обеспечивается за счет многократной циркуляции прямой первичной эмульсии, для чего посредством трубопроводов 13 и 14 эмульсия из нижней части камеры приготовления эмульсии 5 подается на вход импульсного насоса первичной эмульсии 3, затем под большим давлением через трубопровод 15 поступает к распылителю 16 в камере приготовления эмульсии 5. Это способствует улучшению дисперсности эмульсии, получению обратной эмульсии и дальнейшей ее гомогенизации.

На частичных режимах потребление эмульсии уменьшается, при этом производительность топливоподкачивающего насоса дизеля 6 и импульсного насоса воды 2 зависит только от частоты вращения коленчатого вала двигателя, поэтому в камере приготовления эмульсии 5 будет изменяться давление. Возрастающее давление в камере приготовления эмульсии 5 через трубопроводы 13 и 18 воздействует на поршень 19 перепускного клапана 4. Поршень 19 перемещается вверх, соединяя трубопровод 18 с трубопроводами 21 и 20. Эмульсия из камеры приготовления эмульсии 5 по трубопроводам 13 и 18 под давлением поступает в полость под поршнем 19 и далее следует по трубопроводу 21 на вход импульсного насоса воды 2 и по трубопроводу 20 на вход топливоподкачивающего насоса дизеля 6. Эффективные сечения трубопроводов 20 и 21 ограничены жиклерами 24 перепускного клапана 4. Жиклеры 24 подобраны таким образом, чтобы эмульсия, поступающая по трубопроводу 18, разделялась на две части: 20% эмульсии направляется к импульсному насосу воды 2, а 80% подается на вход топливоподкачивающего насоса дизеля 6. Постоянное водосодержание водотопливной эмульсии при этом обеспечивается следующим образом:

- со стороны воды - поступающая по трубопроводу 21 на вход импульсного насоса воды 2 эмульсия частично замещает поступающую по трубопроводу 10 воду. При этом, чем больше давление эмульсии, тем больше замещение;

- со стороны топлива - перемещающийся вверх поршень 19 перепускного клапана 4 частично перекрывает топливный канал 23 перепускного клапана 4, тем самым регулируя количество топлива, подаваемого на вход топливоподкачивающего насоса дизеля 6. Степень перекрытия топливного канала 23 зависит от давления эмульсии в полости под поршнем 19. Параметры перепускного клапана 4 подбираются таким образом, чтобы на всех режимах работы двигателя соотношение поступающих в камеру приготовления эмульсии 5 воды и топлива оставалось примерно постоянным.

При этом:

- подача воды и первичной эмульсии в камеру приготовления эмульсии осуществляется импульсными насосами с газовым приводом от ГОК при высоких давлениях, близких к максимальному давлению сгорания в цилиндрах двигателя и импульсно, что способствует высокой диспергации приготовленной эмульсии, это не обеспечивают насосы других типов, только предложенное решение позволяет упростить конструкцию, сделать установку компактной;

- при распыливании воды в среде топлива импульсным насосом воды в нижней части камеры приготовления эмульсии из-за высокого содержания воды в топливе образуется прямая первичная эмульсия, которая, в свою очередь, впрыскивается импульсным насосом первичной эмульсии в верхнюю часть камеры приготовления эмульсии в зоне отбора приготовленной эмульсии. При этом прямая первичная эмульсия за счет избыточного топлива, вводимого топливоподкачивающим насосом, переводится в обратную эмульсию высокого качества, поступающую затем в топливную систему двигателя;

- установка позволяет за счет многократной циркуляции от импульсного насоса первичной эмульсии обеспечивать безэмульгаторное приготовление ВТЭ;

- распылитель первичной эмульсии установлен в верхней части камеры приготовления эмульсии в зоне отбора приготовленной эмульсии к двигателю, что обеспечивает отвод высококачественной эмульсии для использования;

- установка обеспечивает поддержание заданного водосодержания ВТЭ во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов за счет работы перепускного клапана.

1. Установка безэмульгаторного приготовления водотопливной эмульсии содержит топливоподкачивающий насос дизеля, насосы воды и первичной эмульсии, невозвратные клапаны, камеру приготовления эмульсии с установленными в ней распылителями воды и первичной эмульсии, вентиль для спуска воздуха, трубопроводы топлива и воды, трубопровод отбора готовой эмульсии, отличающаяся тем, что для подачи воды в камеру приготовления эмульсии и циркуляции первичной эмульсии установлены импульсные насосы с газовым приводом через трубопровод отбора газов от газоотборочного клапана (ГОК) двигателя, а перепускной клапан с подпружиненным поршнем, жиклерами и топливным каналом соединен с одной стороны со входами импульсных насосов воды и первичной эмульсии, с другой - с камерой приготовления эмульсии.

2. Установка безэмульгаторного приготовления водотопливной эмульсии по п.1, отличающаяся тем, что распылитель первичной эмульсии установлен в верхней части камеры приготовления эмульсии в зоне отбора приготовленной эмульсии к двигателю.