RU179096U1

RU179096U1 - POWER SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF HYDROGEN-CONTAINING FUEL

Info

Publication number: RU179096U1
Application number: RU2017100388U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Кочергин; Василий Викторович Красников; Сергей Павлович Глушков
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом предназначена для обеспечения конвертации части жидкого топлива в водородсодержащий синтез-газ и регулирования величины подачи синтез-газа в цилиндры на различных режимах работы двигателя. Система питания содержит топливный бак (1), топливоподкачивающий насос (2), топливный насос высокого давления (3), топливные форсунки (4) двигателя внутреннего сгорания (5), впускной коллектор (6), теплообменник (7), клапан-дозатор (8), впускной клапан (9), каталитический конвертор (10), испаритель (11), воздушный компрессор (12), блок управления подачей конвертированного топлива (13), датчик положения рейки топливного насоса высокого давления (14), датчик положения органа управления подачей топлива (15), датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя (16) и датчик температуры каталитического элемента (17). Такое выполнение способствует повышению экологичности и экономичности дизельного двигателя внутреннего сгорания. 2 ил.The power supply system of a diesel internal combustion engine with hydrogen-containing fuel is designed to ensure the conversion of part of the liquid fuel into hydrogen-containing synthesis gas and control the amount of synthesis gas supplied to the cylinders at various engine operating modes. The power supply system comprises a fuel tank (1), a fuel priming pump (2), a high pressure fuel pump (3), fuel nozzles (4) of an internal combustion engine (5), an intake manifold (6), a heat exchanger (7), a metering valve ( 8), inlet valve (9), catalytic converter (10), evaporator (11), air compressor (12), converted fuel control unit (13), high pressure fuel pump rail position sensor (14), control position sensor fuel supply (15), the engine speed sensor (16) and temperature sensor of the catalytic element (17). This embodiment improves the environmental friendliness and efficiency of the diesel internal combustion engine. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения и может найти применение в производстве поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).The utility model relates to the field of mechanical engineering and can find application in the production of reciprocating internal combustion engines (ICE).

Перспективным направлением совершенствования конструкций двигателей внутреннего сгорания с целью обеспечения экологичности и экономичности рабочих процессов является применение в качестве топлива водорода. Но применение чистого водорода связано с необходимостью решения проблем обеспечения безопасности при транспортировке, заправке и хранении. Поэтому наиболее целесообразным является получение водородсодержащего топлива непосредственно на борту транспортного средства, а применительно к двигателям, работающим по принципу воспламенения от сжатия (дизельным ДВС), его получение и добавка в определенной пропорции (от 5 до 10% от массы жидкого дизельного топлива) к основному топливу.A promising direction for improving the design of internal combustion engines in order to ensure environmental friendliness and efficiency of work processes is the use of hydrogen as a fuel. But the use of pure hydrogen is associated with the need to solve the problems of ensuring safety during transportation, refueling and storage. Therefore, the most appropriate is the production of hydrogen-containing fuel directly on board the vehicle, and with respect to engines operating on the principle of compression ignition (diesel ICE), its production and addition in a certain proportion (from 5 to 10% by weight of liquid diesel fuel) to the main fuel.

Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ на изобретение №2446294, МПК F02B 43/10, F02M 25/10), содержащая топливный бак; топливный фильтр; топливоподкачивающий насос; топливодозирующее устройство; впускной коллектор; бортовой генератор водорода и кислорода; кислородный насос; ресивер кислорода; кислородные редукторы с предохранительными клапанами водородный насос; пневмоаккумулятор водорода; датчика давления водорода; водородные магистрали; устройство впрыска водорода; электромагнитные клапаны; датчик фаз; регулятор подачи водорода; датчик положения дроссельной заслонки; датчика массового расхода воздуха, устройство подачи водорода и выпускной коллектор.A known power system of an internal combustion engine (see RF patent for the invention No. 2446294, IPC F02B 43/10, F02M 25/10) containing a fuel tank; fuel filter; fuel feed pump; fuel metering device; intake manifold; onboard hydrogen and oxygen generator; oxygen pump; oxygen receiver; oxygen reducers with safety valves hydrogen pump; hydrogen air accumulator; hydrogen pressure sensor; hydrogen lines; hydrogen injection device; solenoid valves; phase sensor; hydrogen supply regulator; throttle position sensor; mass air flow sensor, hydrogen supply device and exhaust manifold.

Недостатками данной системы являются сложность конструкции, потребность в хранении кислорода на борту транспортного средства, а также необходимость сброса части кислорода в выпускной тракт двигателя и невозможность использования применительно к дизельным двигателям внутреннего сгорания.The disadvantages of this system are the design complexity, the need to store oxygen on board the vehicle, as well as the need to dump part of the oxygen into the exhaust tract of the engine and the inability to use with respect to diesel internal combustion engines.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является система питания двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом, содержащая топливный бак, соединенный посредством топливоподкачивающего насоса с системой впуска топлива, клапан-дозатор топлива, каталитический конвертор для получения водородсодержащего топлива, включающий испаритель топлива, теплообменник и воздушный компрессор, впускной клапан, соединяющий каталитический конвертор с системой впуска топлива, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры каталитического элемента, при этом клапан-дозатор топлива, впускной клапан, испаритель топлива и во душный компрессор подсоединены к блоку управления (см. патент US №8561578, кл. F02B 43/08, опубл. 22.10.2013 г.).The closest in technical essence to the claimed utility model is a hydrogen-containing fuel supply system for an internal combustion engine, comprising a fuel tank connected by a fuel priming pump to a fuel intake system, a fuel metering valve, a catalytic converter for producing hydrogen-containing fuel, including a fuel evaporator, a heat exchanger and an air compressor, intake valve connecting the catalytic converter to the fuel intake system, envelope control unit fuel and the connected sensors for the position of the fuel supply control element, engine speed, temperature of the catalytic element, while the fuel metering valve, inlet valve, fuel evaporator and airless compressor are connected to the control unit (see US patent No. 8561578 , CL F02B 43/08, published on 10/22/2013).

Недостатком данной системы питания топливом двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом является невозможность ее использования на дизельных двигателях внутреннего сгорания, так как регулирование количества подаваемого в цилиндры дизельного ДВС топлива производится не на основе стехиометрического соотношения, а посредством соотношения положения органа управления подачей топлива, величины угловой скорости коленчатого вала и величины цикловой подачи топлива, а это возможно только при наличии топливного насоса высокого давления с регулятором частоты вращения, а также дизельный ДВС не может работать только на газообразном топливе.The disadvantage of this system of supplying fuel to an internal combustion engine with a hydrogen-containing fuel is the impossibility of its use on diesel internal combustion engines, since the amount of fuel supplied to the cylinders of a diesel engine is not regulated on the basis of the stoichiometric ratio, but by the ratio of the position of the fuel control, the angular velocity of the cranked shaft and the magnitude of the cyclic fuel supply, and this is possible only if the fuel pump is high of pressure with speed controller and diesel internal combustion engine can only run on gaseous fuel.

Кроме того, она не обеспечивает оптимального управления подачей конвертированного топлива, поскольку не обеспечивает подачи водородсодержащего синтез-газа в цилиндры дизельного ДВС в необходимой для эффективного использования добавок водорода пропорции к жидкому дизельному топливу. Также система питания не обеспечивает в полной мере безопасность эксплуатации при остановке двигателя, так как в воздушном коллекторе и системе пуска двигателя при его остановке возможно наличие остатков взрывоопасной смеси водорода и воздуха. Избыточное количество подаваемого водородсодержащего топлива вызывает вспышки во впускном коллекторе и в процессе работы дизельного двигателя.In addition, it does not provide optimal control of the supply of converted fuel, since it does not provide the supply of hydrogen-containing synthesis gas to the cylinders of a diesel engine in the proportion necessary for the efficient use of hydrogen additives to liquid diesel fuel. Also, the power supply system does not fully ensure operational safety when the engine is stopped, since in the air manifold and the engine start-up system when it is stopped, there may be residues of an explosive mixture of hydrogen and air. Excessive supply of hydrogen-containing fuel causes flashes in the intake manifold and during the operation of the diesel engine.

Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение безопасности эксплуатации системы, за счет обеспечения подачи водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор дизельного ДВС в необходимой пропорции по отношению к дизельному топливу и только в режимах работы, близких к номинальной нагрузке.The technical task of the claimed utility model is to increase the safety of operation of the system, by ensuring the supply of hydrogen-containing synthesis gas to the intake manifold of the diesel engine in the required proportion with respect to diesel fuel and only in operating modes close to the nominal load.

Для решения поставленной задачи система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания водородсодержащим топливом, содержащая топливный бак, соединенный посредством топливоподкачивающего насоса с системой впуска топлива, клапан-дозатор топлива, блок управления подачей конвертированного топлива и подключенные к нему датчики положения органа управления подачей топлива, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры каталитического элемента, каталитический конвертор, соединенный посредством впускного клапана с системой впуска топлива и включающий испаритель топлива, теплообменник и воздушный компрессор. Система снабжена топливным насосом высокого давления, имеющим рейку, и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления, подключенный к блоку управления подачей конвертированного топлива.To solve this problem, the power supply system of a diesel internal combustion engine with hydrogen-containing fuel, containing a fuel tank connected by means of a fuel priming pump to the fuel intake system, a fuel metering valve, a control unit for the supply of converted fuel and sensors connected to it for positioning the fuel supply control unit, crankshaft speed the shaft of the engine, the temperature of the catalytic element, a catalytic converter connected via an intake valve to the systems a fuel inlet and including a fuel evaporator, a heat exchanger and an air compressor. The system is equipped with a high-pressure fuel pump having a rail and a rail position sensor of the high-pressure fuel pump connected to the converter control unit.

Сущность технического решения поясняется чертежом и графиком, где на фиг. 1 представлена блок-схема системы питания дизельного двигателя водородсодержащим топливом, на фиг. 2 - график зависимости содержания вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя при подаче водородсодержащего синтез-газа на различных нагрузочных режимах работы ДВС.The essence of the technical solution is illustrated in the drawing and graph, where in FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen engine fuel supply system of a diesel engine; FIG. 2 is a graph of the dependence of the content of harmful substances in the exhaust gases of a diesel engine when supplying a hydrogen-containing synthesis gas at various load conditions of the internal combustion engine.

Устройство состоит из топливного бака 1, топливоподкачивающего насоса 2, топливного насоса высокого давления (ТНВД) 3, топливных форсунок 4, двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 5, впускного коллектора двигателя 6, теплообменника 7, клапана-дозатора дизельного топлива 8, клапана, соединяющего каталитический конвертор с впускным коллектором 9, каталитического конвертора для получения водородсодержащего топлива 10, испарителя 11, воздушного компрессора 12, блока управления подачей конвертированного топлива 13, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 14, датчика положения органа управления подачей топлива 15, датчиком частоты вращения коленчатого вала ДВС 16 и датчика температуры каталитического элемента 17.The device consists of a fuel tank 1, a fuel priming pump 2, a high pressure fuel pump (TNVD) 3, fuel injectors 4, an internal combustion engine (ICE) 5, an intake manifold of an engine 6, a heat exchanger 7, a diesel metering valve 8, a valve connecting a catalytic converter with an intake manifold 9, a catalytic converter for producing hydrogen-containing fuel 10, an evaporator 11, an air compressor 12, a converted fuel supply control unit 13, a fuel rail position sensor Asosa high pressure 14, position sensor body controlling the supply of fuel 15, a sensor of the engine speed and internal combustion engine 16, a catalytic temperature sensor element 17.

При монтаже системы питания в топливную магистраль, соединяющую топливоподкачивающий насос 2 и топливный насос высокого давления 3, устанавливают клапан-дозатор топлива 8, который, в свою очередь, соединяется трубопроводом с каталитическим конвертором 10 для получения водородсодержащего топлива. Во впускной коллектор 6 двигателя внутреннего сгорания устанавливают впускной клапан 9, соединяющий его с каталитическим конвертором 10. Теплообменник каталитического конвертора 7 соединяют трубопроводами с системой охлаждения ДВС (на черт. не показана). В моторном отсеке или непосредственно на двигателе закрепляют каталитический конвертор 10 с испарителем 11, датчиком температуры каталитического элемента 17 и воздушным компрессором 12. На шкиве двигателя внутреннего сгорания устанавливается датчик частоты вращения коленчатого вала 16, а на топливном насосе высокого давления 3 датчик положения рейки ТНВД 14 и датчик положения органа управления подачей топлива 15. Также в моторном отсеке располагается блок управления подачей конвертированного топлива 13, электрически подсоединенный к датчикам 14, 15, 16, 17, испарителю 11, воздушному компрессору 12, клапану-дозатору дизельного топлива 8 и впускному клапану 9, соединяющему каталитический конвертор 10 с впускным коллектором 6. После монтажа и подключения питания к блоку управления система питания готова к работе.When installing the power system in the fuel line connecting the fuel priming pump 2 and the high pressure fuel pump 3, a fuel metering valve 8 is installed, which, in turn, is connected by a pipeline to a catalytic converter 10 to produce hydrogen-containing fuel. An intake valve 9 is installed in the intake manifold 6 of the internal combustion engine, connecting it to the catalytic converter 10. The heat exchanger of the catalytic converter 7 is connected by pipelines to the internal combustion engine cooling system (not shown). A catalytic converter 10 with an evaporator 11, a temperature sensor for the catalytic element 17 and an air compressor 12 is mounted in the engine compartment or directly on the engine 12. An engine speed sensor 16 is installed on the pulley of the internal combustion engine, and a fuel rail sensor 14 is installed on the high pressure fuel pump 3 and a position sensor for the fuel control 15. Also, in the engine compartment is a control unit for converting fuel 13, electrically connected to the sensor m 14, 15, 16, 17, an evaporator 11, an air compressor 12, the dispenser-valve diesel fuel inlet valve 8 and 9 connecting the catalytic converter 10 to the intake manifold 6. After mounting and connecting the power supply to the control unit is ready for operation.

Система питания водородсодержащим топливом работает следующим образом. После запуска двигателя сигнал от датчика частоты вращения коленчатого вала 16 поступает в блок управления подачей конвертированного топлива 13, который подает питание на электрический нагревательный элемент испарителя 11. Испаритель, работая в ждущем режиме, разогревает каталитический элемент конвертора 10 до рабочей температуры, а ДВС работает полностью на жидком дизельном топливе. При переходе ДВС 5 в нагрузочный режим, увеличивается частота вращения коленчатого вала и соответственно рейка топливного насоса 3 перемещается в сторону увеличения подачи жидкого топлива в ДВС посредством топливных форсунок 4. Блок управления подачей конвертированного топлива 13, получая сигналы от датчика положения органа управления подачей топлива 15, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления 14 и датчика температуры каталитического элемента 17, сигнализирующего о достижении рабочей температуры катализатора, подает питание на клапан-дозатор дизельного топлива 8, клапан 9 и воздушный компрессор 12. При этом топливо из топливного бака 1 посредством топливоподкачивающего насоса 2 через клапан-дозатор дизельного топлива 8 поступает в испаритель 11 и далее, в виде испарений конвертируется каталитическим элементом конвертора 10 в водородсодержащий синтез-газ, состоящий преимущественно из смеси водорода Н₂ с окисью углерода CO (см. фиг. 2). Водородсодержащий газ подается через открытый клапан 9 во впускной коллектор двигателя 6 и далее в цилиндры ДВС, при этом происходит уменьшение расхода жидкого дизельного топлива. Подача водородсодержащего топлива в нужном направлении осуществляется воздушным компрессором 12, обеспечивающим необходимое избыточное давление и подачу воздуха для каталитического окисления топлива в каталитическом конверторе 10. Величина подачи топлива в каталитический конвертор 10 и, соответственно, величина подачи водородсодержащего топлива во впускной коллектор 6, регулируется проходным сечением клапана-дозатора 8, которое, в свою очередь, зависит от величины подачи жидкого дизельного топлива. Степень открытия клапана-дозатора 8 регулируется блоком управления подачей водородсодержащего топлива 13 в соответствии с величиной сигнала от датчика положения рейки ТНВД 14. Теплообменник 7 обеспечивает поддержание рабочей температуры каталитического конвертора 10 в нужном диапазоне, прогревая его до температуры начала каталитического окисления топлива в начальный период и отводя избыточное тепло, выделяющееся при осуществлении каталитической реакции, в систему охлаждения ДВС и далее во внешнюю среду. Перемещение органа управления подачей топлива в сторону увеличения подачи топлива, фиксируемое датчиком 15, при отсутствии внешней нагрузки не вызывает перемещения рейки топливного насоса на значительную величину, поэтому, в этом случае, на основании сигнала от датчика положения рейки 14 об отсутствии режима увеличенной подачи топлива, блок управления 13 отключает подачу топлива через клапан-дозатор 8 в каталитический конвертор 10. При перемещении органа управления подачей топлива в режим минимальной подачи топлива, соответствующее режиму холостого хода ДВС, и получении соответствующего сигнала от датчика положения органа управления подачей топлива 15, блок управления 13 отключает подачу дизельного топлива через клапан-дозатор 8 в каталитический конвертор 10, но при этом клапан 9 остается открытым и продолжает работу воздушный компрессор 12. Таким образом, обеспечивается удаление из каталитического конвертора и сжигание в цилиндрах двигателя остатков водородсодержащего топлива. При остановке двигателя и отсутствии сигнала от датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС 16, блок управления подачей водородсодержащего топлива 13 отключает подачу питания также и на клапан 9, воздушный компрессор 12 и электрический нагревательный элемент испарителя 11.The power supply system of hydrogen-containing fuel works as follows. After starting the engine, the signal from the crankshaft speed sensor 16 is fed to the converted fuel supply control unit 13, which supplies power to the electric heating element of the evaporator 11. The evaporator, while in standby mode, heats the catalytic element of the converter 10 to operating temperature, and the internal combustion engine works completely on liquid diesel fuel. When the internal combustion engine 5 enters the load mode, the crankshaft rotational speed increases and, accordingly, the fuel pump rail 3 moves towards increasing the liquid fuel supply to the internal combustion engine through the fuel nozzles 4. The converted fuel supply control unit 13, receiving signals from the fuel supply control position sensor 15 , the position sensor of the rail of the high-pressure fuel pump 14 and the temperature sensor of the catalytic element 17, indicating the achievement of the operating temperature of the catalyst, supplying diesel fuel metering valve 8, valve 9 and air compressor 12. In this case, the fuel from the fuel tank 1 through the fuel priming pump 2 through the diesel metering valve 8 enters the evaporator 11 and then, in the form of vapors is converted by the catalytic element of the converter 10 into hydrogen-containing synthesis gas, consisting mainly of a mixture of hydrogen H ₂ with carbon monoxide CO (see Fig. 2). Hydrogen-containing gas is supplied through an open valve 9 to the intake manifold of the engine 6 and further to the internal combustion engine cylinders, while the consumption of liquid diesel fuel is reduced. The supply of hydrogen-containing fuel in the desired direction is carried out by an air compressor 12, which provides the necessary excess pressure and air supply for catalytic oxidation of the fuel in the catalytic converter 10. The amount of fuel supply to the catalytic converter 10 and, accordingly, the amount of hydrogen-containing fuel supplied to the intake manifold 6, is regulated by the cross-section metering valve 8, which, in turn, depends on the amount of supply of liquid diesel fuel. The degree of opening of the metering valve 8 is controlled by the control unit for the supply of hydrogen-containing fuel 13 in accordance with the signal value from the position sensor of the injection pump rail 14. The heat exchanger 7 maintains the operating temperature of the catalytic converter 10 in the desired range, warming it to the temperature of the onset of catalytic oxidation of the fuel in the initial period and removing the excess heat released during the catalytic reaction in the internal combustion engine cooling system and further into the external environment. The movement of the fuel control to the side of increasing fuel supply, detected by the sensor 15, in the absence of an external load does not cause the fuel pump rail to move by a significant amount, therefore, in this case, based on the signal from the position sensor of the rail 14 about the absence of the increased fuel supply mode, the control unit 13 turns off the fuel supply through the metering valve 8 to the catalytic converter 10. When moving the fuel control to the minimum fuel supply mode, the corresponding mode the engine is idling, and receiving the corresponding signal from the position sensor of the fuel control 15, the control unit 13 turns off the supply of diesel fuel through the metering valve 8 to the catalytic converter 10, but the valve 9 remains open and the air compressor 12 continues to work. It ensures the removal from the catalytic converter and burning in the engine cylinders of the residual hydrogen-containing fuel. When the engine stops and there is no signal from the engine speed sensor 16, the control unit for supplying hydrogen-containing fuel 13 cuts off the power supply to valve 9, air compressor 12, and the electric heating element of the evaporator 11.

Заявленная система питания водородсодержащим топливом в сравнении с прототипом позволяет использовать добавки водородсодержащего синтез-газа применительно к дизельным двигателям внутреннего сгорания и способствует снижению содержания вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива без изменения конструкции ДВС.The claimed hydrogen fuel supply system in comparison with the prototype allows the use of hydrogen-containing synthesis gas additives in relation to diesel internal combustion engines and helps to reduce the content of harmful substances in exhaust gases and fuel consumption without changing the design of the internal combustion engine.

Использование блока управления подачей конвертированного топлива, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления, датчика положения органа управления подачей топлива, датчика частоты вращения коленчатого вала ДВС и датчика температуры каталитического элемента позволяет обеспечить подачу водородсодержащего синтез-газа в цилиндры дизельного ДВС в необходимой для эффективного использования добавок водорода пропорции к жидкому дизельному топливу и безопасность эксплуатации энергетической установки при остановке двигателя.The use of the converted fuel supply control unit, the position sensor of the high pressure fuel pump rail, the position sensor of the fuel control element, the engine speed sensor and the temperature sensor of the catalytic element allows the supply of hydrogen-containing synthesis gas to the cylinders of the diesel engine in the additives necessary for the effective use of additives hydrogen proportions to liquid diesel fuel and the safety of the operation of the power plant when the engine is stopped body.

Claims

A hydrogen-fuel-fired internal combustion engine power supply system comprising: a fuel tank connected by means of a fuel priming pump to a fuel intake system, a fuel metering valve, a catalytic converter connected by an intake valve to a fuel intake system and including a fuel evaporator, a heat exchanger and an air compressor, a feed control unit converted fuel and connected to it position sensors of the fuel supply control body, engine speed atelier and temperature of the catalytic element, characterized in that it is equipped with a high-pressure fuel pump having a rail, and a rail position sensor of the high-pressure fuel pump connected to the control unit for the supply of converted fuel.