Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СНИЖЕНИЯ ЕГО ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к способам повышения экономичности двигателей внутреннего сгорания, преимущественно к способам повышения полноты сгорания топлива в камерах сгорания, при одновременном снижении выброса в атмосферу вредных веществ, образующихся при сгорании топлива.

Известен способ повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания и снижения его вредных выбросов в атмосферу, заключающийся в нагреве топлива перед его подачей в камеру сгорания двигателя. Нагрев производят в теплообменнике-рекуператоре, где в качестве теплоносителя используют воздух, отбираемый от компрессора двигателя и подогреваемый в теплообменнике-регенераторе выхлопными газами двигателя. После теплообменника воздух частично охлаждается в жидкостно-газовом струйном аппарате, из которого в камеру сгорания подается диспергированная газо(воздушно)жидкостная смесь (Патент РФ №2051285, F02С 7/224, 1995 г.).

Недостатком известного способа является то, что подогрев топлива осуществляется через стенки теплообменника, на которых в процессе работы двигателя происходит нагаро- и коксообразование с последующим снижением эффективности теплообмена. Кроме того, при подогреве углеводородных топлив до указанных температур происходит их окисление, приводящее к образованию осадков, которые направляются в камеру сгорания и отрицательно влияют на полноту сгорания топлива.

Кроме того, подача диспергированной газо(воздушно)жидкостной смеси в зону горения требует дополнительных затрат тепловой энергии для ее разогрева и испарения, что приводит к увеличению расхода топлива в камеру сгорания для поддержания заданной температуры цикла. Это, в свою очередь, отрицательно влияет на экономичность двигателя.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявленное изобретение, является повышение экономичности двигателя и снижение выброса вредных примесей путем увеличения полноты сгорания топлива в камере сгорания двигателя за счет повышения его температуры и снижения содержания вредных примесей, образующихся при нагреве топлива, поступающего в камеру сгорания.

Для достижения этого результата путем подогрева топлива перед его подачей в камеру сгорания подогрев топлива производят путем тепломассообмена при его смешивании с более нагретым теплоносителем, причем после подогрева топливо отделяют от теплоносителя и вредных примесей в разделителе, например в фильтре-сепараторе.

Кроме того, в способе может иметь следующее:

- после смешения топлива с более нагретым теплоносителем полученную смесь нагревают в теплообменнике;

- дополнительное повышение температуры смеси топлива с теплоносителем производят во внешнем теплообменнике;

- теплоноситель после разделителя нагревают в теплообменнике и направляют для его повторного смешения с топливом, при этом нагрев теплоносителя производят во внешнем теплообменнике;

- нагрев теплоносителя или смеси топлива с теплоносителем во внешнем теплообменнике производят за счет отбора тепла от требующих охлаждения систем двигателя.

Осуществление нагрева топлива в среде более нагретого промежуточного теплоносителя путем тепломассообмена при непосредственном смешивании рабочих тел практически исключает нагаро- и коксообразование на поверхностях теплообменных аппаратов, ввиду отсутствия теплообмена через его металлические стенки.

Кроме того, эффективность теплообмена при непосредственном смешивании рабочих тел значительно выше (коэффициент теплообмена ≈1) по сравнению с теплообменом с помощью известных теплообменных аппаратов.

Возможность отделения после смешивания от топлива взвешенных фрагментов (смоловидные отложения, нерастворимые осадки и т.п.), образующихся в результате терморазложения в процессе подогрева топлива, позволяет снизить их количество при поступлении вместе с топливом в камеру сгорания, даже при применении менее качественного топлива, а также значительно повысить термоокислительную стабильность топлива при дальнейшем повышении его температуры.

Дальнейший нагрев смеси топлива с теплоносителем после их смешения в теплообменнике дополнительно повышает температуру топлива на входе в камеру сгорания, что также способствует увеличению полной энтальпии поступающего в камеру сгорания топлива и полноты его сгорания. Фильтрация смеси топлива с теплоносителем позволяет отделить от смеси вредные примеси, образовавшиеся при тепломассообмене этих составляющих.

Использование внешнего теплообменника позволяет реализовать нагрев топлива за счет отбора тепла от требующих охлаждения систем двигателя, например от сжатого воздуха, направляемого в систему охлаждения горячих частей двигателя. Кроме того, потенциальные возможности топлива поглощать тепло от требующих охлаждения элементов конструкции двигателя позволяют более полно использовать располагаемую тепловую энергию (энергоемкость) топлива в цикле двигателя и значительно повысить запас бортового хладоресурса.

Изобретение предусматривает возможность нагрева теплоносителя после его разделения с топливом в теплообменнике с последующим его направлением для повторного смешения с топливом, что обеспечивает организацию замкнутого цикла по нагреву теплоносителя и передачи его тепла топливу.

Реализация предлагаемого способа поясняется графически, где на фиг.1 представлена схема одноэтапного подвода тепла к топливу, поступающему на вход камеры сгорания; на фиг.2 представлена схема с двухступенчатым подводом тепла к топливу.

Двигатель содержит топливный насос 1, соединенный с камерой смешения 2, в свою очередь соединенной с разделителем 3, который выполнен, например, в виде фильтра-сепаратора. Один выход из разделителя соединен с помощью трубопровода с камерой сгорания, а второй выход - с насосом 4, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру. Двигатель также содержит теплообменник 5, преимущественно внешний, который подключен к охлаждаемой среде, например к системе охлаждения двигателя. Теплообменник 5 может быть размещен между насосом 4 и смесителем 2 (фиг.1) или между смесителем 2 и разделителем 3 (фиг.2). Первоначальное заполнение системы теплоносителем и восполнение естественных утечек замкнутого контура обеспечивается дополнительным насосом 6. В случае двухступенчатого подвода тепла к топливу после смесителя 2 устанавливается фильтр 7 для фильтрации смеси топлива с теплоносителем после их тепломассобмена перед последующим подогревом в теплообменнике 6.

Предлагаемый способ реализуется в работе двигателя.

В начальный момент времени контур теплоносителя с помощью насоса 6 заполняют рабочим телом. Теплоноситель с помощью насоса 4 направляют в теплообменник 5, где осуществляется его подогрев. После теплообменника 5 теплоноситель поступает в смеситель 2.

Из топливной системы двигателя с помощью насоса 1 в смеситель 2 подается топливо, где в результате тепломассообмена с нагретым теплоносителем происходит повышение его температуры. В смесителе 2 происходит осадкообразование продуктов терморазложения топлива. Образовавшиеся фрагменты находятся во взвешенном состоянии в смеси топлива с теплоносителем. Топливо и теплоноситель могут в результате тепломассообмена находиться в разных агрегатных состояниях: парожидкостном, жидкостном или паровом.

После смесителя 2 образовавшаяся смесь и осадкообразования направляются в разделитель 3, например фильтр-сепаратор, где происходит разделение составляющих смеси. Из разделителя 3 топливо направляют в камеру сгорания, теплоноситель - в круг циркуляции для его повторного использования, а осадкообразования - в дренажную систему или отдельную емкость-накопитель (не показано). Принцип разделения составляющих смеси в разделителе 3 может быть основан, например, по различию объемно-массовых характеристик составляющих смеси, их теплофизического состояния и др.

В процессе циркуляции теплоносителя незначительная его часть может после разделителя 3 попадать в камеру сгорания вместе с топливом или вместе с осадкообразованиями в дренажную систему и др. Для восполнения возможных утечек теплоносителя из замкнутого контура осуществляют его подпитку через дополнительный насос 6.

Предлагаемый способ предусматривает осуществление многоступенчатого подогрева топлива, например его двухэтапный подогрев. При двухэтапном подогреве топлива после его первичного подогрева в смесителе 2 дополнительно смесь топлива с теплоносителем направляют в фильтр 7, после чего очищенная смесь направляется в теплообменник 5 и далее в разделитель 3.

В качестве теплоносителя могут быть использованы жидкости с высокими теплофизическими параметрами.

Изобретение позволяет за счет повышения качества сжигания и более полного использования располагаемой тепловой энергии топлива повысить экономичность двигателя и снизить выбросы вредных примесей даже при применении низкосортного топлива, а увеличенные при этом потенциальные возможности топлива поглощать тепло используют для повышения бортового хладоресурса двигателя.