Способ питания двигателя внутреннего сгорания криогенным топливом
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, работающим на сжиженных криогенных топливах, таких как пропан-бутан, природный газ, водород и других. Криогенное топливо при заправке подают и хранят в теплоизолированном сосуде в жидком состоянии при криогенной температуре. При работе двигателя криогенное топливо подают в тепловой аккумулятор, нагревают в нем до газообразного состояния, смешивают с воздухом и подают в камеру сгорания двигателя. При первой заправке криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке. При работе двигателя при нагреве криогенного топлива в тепловом аккумуляторе охлаждают и хранят насадку аккумулятора при криогенной температуре, а при последующих заправках криогенное топливо в газообразном состоянии при нормальной температуре подают в тепловой аккумулятор и охлаждают в нем до криогенной температуры, при этом нагревают и хранят насадку аккумулятора при нормальной температуре, а криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке при криогенной температуре. Использование изобретения позволит сократить затраты при заправке, повысить надежность и упростить эксплуатацию двигателя.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, работающим на сжиженных криогенных топливах, таких как пропан-бутан, природный газ, водород и других.
Известны двигатели внутреннего сгорания, работающие на газообразном топливе с переводом жидкого топлива в газообразное путем нагрева.
Известно устройство (см. АС СССР №1281720), в котором газификация топлива осуществляется на рабочем режиме в теплообменнике, нагреваемом отработавшими газами.
Известно устройство (см. АС СССР №1416733), в котором также газификация топлива осуществляется теплом отработавших газов.
Известно устройство (см. АС СССР №1638347), в котором топливо перед вводом во впускной коллектор двигателя испаряется электронагревательными элементами.
Известна Система питания (см. патент РФ № 2001300), в которой сжатый газ перед подачей в двигатель подогревается в испарителе теплом жидкости, охлаждающей двигатель.
Известен также способ питания двигателя внутреннего сгорания Чумакова (см. патент РФ №2074970), по которому газовое топливо отбирают от источника в жидкой фазе, после очистки нагревают в испарителе теплом охлаждающей жидкости двигателя и подают во всасывающий коллектор.
Известно также устройство (см. патент РФ №2118689), в котором газ из газожидкостного баллона нагревается в испарителе теплом охлаждающей жидкости двигателя.
Недостатком всех этих двигателей является необходимость размещать в составе двигателя баллоны с сжиженным криогенным топливом.
Известна также Система питания двигателя сжиженным природным газом, содержащая изотермический криогенный баллон для жидкого газа и герметичную газовую камеру, в которой испарийный газ подогревается выхлопными газами от двигателя (см. патент РФ №2095611). Недостатком этого двигателя является необходимость каждый раз заправлять двигатель только сжиженным криогенным топливом.
Известно также устройство для подогрева двигателя внутреннего сгорания, работающего на сжиженном нефтяном газе по патенту РФ №2190121. В устройстве для подогрева сжиженного газа используется тепловой аккумулятор, подключенный к тракту системы охлаждения двигателя. Способ работы последнего устройства принят за прототип предложенного способа.
Недостатком этого двигателя является необходимость заправки топлив только в сжиженном состоянии, а также включение в состав двигателя кроме теплового аккумулятора системы подогрева сжиженного газа. Указанные недостатки становятся критичными при использовании низкокипящих топлив, таких как природный газ и водород.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно получение возможности после первой заправки нескольких заправок двигателя газообразным топливом нормальной температуры. Кроме того, из состава двигателя исключается зависимая от него система подогрева топлива. Это намного упрощает устройство и эксплуатацию двигателя и открывает возможность применения низкокипящих топлив.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что известные действия, когда криогенное топливо при заправке подают и хранят в теплоизолированном сосуде в жидком состоянии при криогенной температуре, при работе двигателя криогенное топливо подают в тепловой аккумулятор, нагревают в нем до газообразного состояния, смешивают с воздухом и подают в камеру сгорания двигателя, дополняют предложенными, когда при первой заправке криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке, при работе двигателя при нагреве криогенного топлива в тепловом аккумуляторе охлаждают и хранят насадку аккумулятора при криогенной температуре, а при последующих заправках криогенное, топливо в газообразном состоянии при нормальной температуре подают в тепловой аккумулятор и охлаждают в нем до криогенной температуры, при этом нагревают и хранят насадку аккумулятора при нормальной температуре, а криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке при криогенной температуре.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, особенно важен при использовании низкокипящих топлив, например природного газа и водорода: появляется возможность заправок двигателя газообразными топливами при нормальной температуре, сокращаются затраты на сжижение, доставку и хранение криогенных топлив на заправочных станциях, упрощается и локализуется на двигателе система подачи криогенного топлива, вследствие чего повышается надежность и упрощается эксплуатация двигателя.
Сущность изобретения поясняется на примерах.
Пример 1. Двигатель грузового автомобиля, работающего на жидком пропан-бутане, содержит систему питания топливом, включающую теплоизолированный бак вместимостью 80 кг топлива, заправочную, расходную, предохранительную арматуру, тепловой аккумулятор, фильтр, смеситель и редуктор газа. Объем топлива в баке составляет 130 л. Средняя теплоемкость пропан-бутана составляет 0,52 кал/г·град. В качестве материала насадки аккумулятора принят никель со средней теплоемкостью в диапазоне действующих температур от 225К до 298К, составляющей 0,102 кал/г·град. Для передачи хладоресурса от топлива к насадке теплового аккумулятора потребуется масса насадки 408 кг. Объем насадки аккумулятора составит 46 л. При использовании насадки из алюминия с теплоемкостью 0,206 кал/г·град масса насадки составит 202 кг, а объем - 74 л.
Двигательная установка работает следующим образом.
При первой заправке в теплоизолированный бак через его горловину заливают из заправочной емкости 130 л пропан-бутана при температуре 225К.
При работе двигателя в бак подают азот низкого давления, который вытесняет жидкое горючее из бака в аккумулятор, где горючее испаряют и нагревают до температуры насадки на выходе аккумулятора. Далее горючее пропускают через фильтр, смешивают в смесителе с воздухом и, регулируя расход смеси редуктором газа, подают в двигатель. В результате теплообмена насадка аккумулятора охлаждается и к концу подачи жидкого горючего принимает его температуру. После работы двигателя топливную магистраль перекрывают для предотвращения поступления в систему теплого воздуха. При второй и последующих заправках в бак подают горючее от газобаллонной системы заправки. При этом горючее при нормальной температуре пропускают сначала через насадку аккумулятора, конденсируя газ и нагревая насадку до нормальной температуры. Из-за тепловых потерь объем последующих заправок каждый раз несколько уменьшается. После заправки до начала работы двигателя топливный бак отделяют вентилем от аккумулятора тепла.
Пример 2. Двигатель грузового автомобиля, работающего на сжиженном природном газе, содержит систему питания топливом, сходную с описанной в Примере 1. Объем топлива в баке составляет 190 л. Средняя теплоемкость жидкого природного газа составляет 0,82 кал/г·град. В качестве материала насадки аккумулятора принят алюминий со средней теплоемкостью в диапазоне действующих температур от 109К до 298К, составляющей 0,168 кал/г·град. Для передачи хладоресурса от топлива к насадке теплового аккумулятора потребуется масса насадки 390 кг с объемом 145 л. При использовании насадки из фторопласта-4 с теплоемкостью 0,185 кал/г, град масса насадки составит 355 кг, а объем - 150 л.
Двигательная установка работает подобно тому, как описано в Примере 1. При первой заправке в теплоизолированный бак через его горловину заливают из заправочной емкости 190 л сжиженного природного газа при температуре 109К. При второй и последующих заправках в бак подают природный газ от газовой сети заправочной станции. При этом горючее при нормальной температуре пропускают сначала через насадку аккумулятора, конденсируя газ и нагревая насадку до нормальной температуры. После заправки до начала работы двигателя топливный бак отделяют вентилем от аккумулятора тепла.
Пример 3. Двигатель городского автобуса, работающего на жидком водороде, содержит систему питания топливом, сходную с описанной в Примере 1. С учетом высокой калорийности водорода запас топлива в баке принят равным 40 кг. Объем топлива в баке составляет 570 л. Средняя теплоемкость жидкого водорода составляет 2,33 кал/г·град. В качестве материала насадки аккумулятора принят фторопласт-4 со средней теплоемкостью в диапазоне действующих температур от 20К до 298К, составляющей 0,144 кал/г·град. Для передачи хладоресурса от топлива к насадке теплового аккумулятора потребуется масса насадки 650 кг с объемом 270 л.
Двигательная установка работает подобно тому, как описано в Примере 1. При первой заправке в теплоизолированный бак через его горловину заливают из заправочной емкости 570 л жидкого водорода при температуре 20К. При работе двигателя в бак для его наддува подают гелий низкого давления из баллона гелия. При второй и последующих заправках в бак подают водород от газобаллонной системы заправочной станции. При этом горючее при нормальной температуре пропускают сначала через насадку аккумулятора, конденсируя газ и нагревая насадку до нормальной температуры. После заправки до начала работы двигателя топливный бак отделяют вентилем от аккумулятора тепла.
Способ питания двигателя внутреннего сгорания криогенным топливом, по которому криогенное топливо при заправке подают и хранят в теплоизолированном баке в жидком состоянии при криогенной температуре, при работе двигателя криогенное топливо подают в тепловой аккумулятор, нагревают в нем до газообразного состояния, смешивают с воздухом и подают в камеру сгорания двигателя, отличающийся тем, что при первой заправке криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке, при работе двигателя при нагреве криогенного топлива в тепловом аккумуляторе охлаждают и хранят насадку аккумулятора при криогенной температуре, а при последующих заправках криогенное топливо в газообразном состоянии при нормальной температуре подают в тепловой аккумулятор и охлаждают в нем до криогенной температуры, при этом нагревают и хранят насадку аккумулятора при нормальной температуре, а криогенное топливо подают и хранят в теплоизолированном баке при криогенной температуре.
