RU2294448C2

RU2294448C2 - Method of preparing and delivery of fuel-water emulsion into fuel injection internal combustion engines

Info

Publication number: RU2294448C2
Application number: RU2005113060/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Валентинович Воробьев (RU); Юрий Валентинович Воробьев; В чеслав Борисович Тетерюков (RU); Вячеслав Борисович Тетерюков
Original assignee: Юрий Валентинович Воробьев; Вячеслав Борисович Тетерюков
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2007-02-27
Also published as: RU2005113060A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: invention relates to methods, systems and devices for preparing and delivering fuel-water emulsion into internal combustion engines equipped with injection systems. Proposed method includes standard fuel system, fuel-feed and rotor-impulse type mixer. Two flows are formed independently and supplied to cylinders: pure flow by standard fuel system and fuel-water emulsion flow by rotor-impulse mixer.

EFFECT: increased power rating improved ecological characteristics, possibility of using low-octane fuel.

6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), но главным образом к способам, системам и устройствам для приготовления и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС, оборудованные системами впрыска.The invention relates to internal combustion engines (ICE), but mainly to methods, systems and devices for preparing and supplying a fuel-water emulsion to ICE equipped with injection systems.

Достоинства топливно-водной смеси, используемой в качестве топлива, хорошо известны: экономия природного горючего, улучшение экологических показателей, повышение термического КПД, использование низкооктановых топлив при высоких степенях сжатия без детонации.The advantages of the fuel-water mixture used as fuel are well known: saving natural fuels, improving environmental performance, increasing thermal efficiency, using low-octane fuels at high compression ratios without detonation.

Известны следующие способы увлажнения топливно-воздушной смеси:The following methods of humidifying a fuel-air mixture are known:

- увлажнение топливно-воздушной смеси распылением воды (например, патент RU 2092709 С1; 10.10.97);- humidification of the air-fuel mixture by spraying water (for example, patent RU 2092709 C1; 10.10.97);

- насыщение топливно-воздушной смеси парами воды, получаемыми за счет тепла выхлопных газов (например, патент RU 2136942 С1; 10.09.99);- saturation of the fuel-air mixture with water vapor obtained due to the heat of exhaust gases (for example, patent RU 2136942 C1; 09/10/99);

- прямое впрыскивание воды в цилиндры ДВС во время рабочего хода поршня (например, патент RU 2069274 С1; 28.11.96);- direct injection of water into the ICE cylinders during the stroke of the piston (for example, patent RU 2069274 C1; 28.11.96);

- насыщение топливной смеси парами воды за счет предварительного образования воздушно-водной смеси и перевода ее в перегретый пар (например, патент RU 2094642 С1; 27.10.97);- saturation of the fuel mixture with water vapor due to the preliminary formation of the air-water mixture and converting it to superheated steam (for example, patent RU 2094642 C1; 10.27.97);

- увлажнение воздуха, подаваемого компрессором, посредством встречных потоков паров воды и воздуха (например, патент RU 2136041 С1; 25.02.94).- humidification of the air supplied by the compressor by means of oncoming flows of water vapor and air (for example, patent RU 2136041 C1; 02.25.94).

Основным и наиболее существенным недостатком является их заниженная по сравнению с чистым топливом энергетическая способность.The main and most significant drawback is their low energy ability compared to clean fuel.

Наиболее эффективным является прямое использование топливно-водной смеси в штатных топливных системах ДВС, так как в этом случае наряду с реализацией всех перечисленных выше положительных показателей топливно-водной смеси не происходит снижения мощностных параметров ДВС.The most effective is the direct use of the fuel-water mixture in standard ICE fuel systems, since in this case, along with the implementation of all the above positive indicators of the fuel-water mixture, the power parameters of the ICE do not decrease.

Однако прямое использование топливно-водной эмульсии в штатных механических системах постоянного впрыска практически исключено по следующим причинам: настройка механической системы очень чувствительна к качеству и составу топлива; добавка к топливу воды снижает смазывающую способность топлива; применяемые мелкосетчатые фильтры задерживают воду, а образовавшийся слой воды не пропускает топливо; наличие воды вызывает коррозию, которая, в свою очередь выводит из строя подвижные механические части.However, the direct use of a fuel-water emulsion in regular mechanical continuous injection systems is practically excluded for the following reasons: tuning the mechanical system is very sensitive to the quality and composition of the fuel; the addition of water to the fuel reduces the lubricity of the fuel; fine mesh filters used retain water, and the resulting water layer does not allow fuel to pass through; the presence of water causes corrosion, which in turn disables the movable mechanical parts.

В качестве прототипа заявленного способа принят способ по патенту РФ 2099575 С1; опубл. 20.12.1997, который позволяет получать топливно-водную смесь для дизельных ДВС посредством частичного эмульгирования воды топливом воздействием электрического разряда на воду и последующего окончательного эмульгирования.As a prototype of the claimed method, the method according to the patent of the Russian Federation 2099575 C1; publ. 12/20/1997, which allows to obtain a fuel-water mixture for diesel ICEs by partially emulsifying water with fuel by the action of an electric discharge on water and subsequent final emulsification.

В соответствии с этим поставленная техническая задача заключается в использовании топливно-водной эмульсии в ДВС, имеющих систему впрыска, и прежде всего механическую систему постоянного впрыска без вредных последствий для функционирования штатных систем впрыска.In accordance with this, the stated technical problem is to use a fuel-water emulsion in ICEs having an injection system, and above all, a mechanical continuous injection system without harmful consequences for the functioning of standard injection systems.

Получаемый технический результат заключается в реализации всех перечисленных выше положительных показателей топливно-водной смеси без внесения существенных изменений в штатные системы впрыска.The technical result obtained is the implementation of all the above positive indicators of the fuel-water mixture without making significant changes to the regular injection system.

Задача заявленного способа достигается за счет того, что в способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС с впрыском топлива, включающий штатную топливную систему, подкачивающий насос и смеситель роторно-импульсного типа, автономно формируются и подаются к цилиндрам два потока: чистого топлива - штатной топливной системой и топливно-водной эмульсии - роторно-импульсным смесителем.The objective of the claimed method is achieved due to the fact that in the method for receiving and feeding a fuel-water emulsion in an internal combustion engine with a fuel injection, including a standard fuel system, a booster pump and a rotary-pulse type mixer, two flows are formed and supplied to the cylinders: pure fuel - a standard fuel system and a fuel-water emulsion - a rotary pulse mixer.

Смеситель роторно-импульсного типа может приводиться в действие потоком топлива и осуществляет подачу чистого топлива в полость ротора.The rotary-pulse type mixer can be driven by a fuel flow and delivers clean fuel to the rotor cavity.

Привод ротора в роторно-импульсном смесителе может осуществляться от лопастного диска, взаимодействующего с потоком чистого топлива.The rotor drive in a rotary pulse mixer can be carried out from a blade disk interacting with the flow of clean fuel.

Подача чистого топлива к ротору может осуществляться вытеснением топлива из полости, в которой размещен лопастной диск.The supply of clean fuel to the rotor can be carried out by displacing the fuel from the cavity in which the blade disk is located.

Топливно-водную эмульсию могут подавать в цилиндры двигателя ДВС через полость охлаждения форсунок впрыска или посредством пусковой форсунки, или дополнительной форсункой впрыска, встроенной во впускной коллектор.The fuel-water emulsion can be fed into the engine cylinders through the cooling cavity of the injection nozzles or by means of a starting nozzle, or by an additional injection nozzle integrated in the intake manifold.

Привод ротора в роторно-импульсном смесителе можно дополнительно осуществлять от внешнего механического или электрического устройства.The rotor drive in a rotary pulse mixer can be additionally carried out from an external mechanical or electrical device.

Принципиальным решением поставленной технической задачи является использование топливно-водных эмульсий в обход штатной системы впрыска. Такое решение достигается, во-первых, встраиванием системы получения и подачи топливно-водной эмульсии в обратный топливопровод; во-вторых, приготовлением сравнительно небольшого количества эмульсии, в которой составляющая воды соизмерима с составляющей чистого топлива; в-третьих, подача топливно-водной эмульсии и чистого топлива производится независимо друг от друга; в-четвертых, применением высокоэффективных эмульгаторов, к которым, например, относятся смесители роторно-импульсного типа.The fundamental solution to the technical problem is the use of fuel-water emulsions bypassing the standard injection system. This solution is achieved, firstly, by embedding a system for receiving and supplying a fuel-water emulsion in a return fuel pipe; secondly, by preparing a relatively small amount of an emulsion in which the water component is commensurate with the pure fuel component; thirdly, the supply of fuel-water emulsion and clean fuel is made independently of each other; fourthly, the use of highly effective emulsifiers, which, for example, include rotary-pulse type mixers.

Предлагаемый способ приготовления и подачи топливно-водной эмульсии заключается в том, что одновременно формируются и подаются два самостоятельных потока: один - поток чистого топлива в штатной топливной системе, другой - поток топливно-водной эмульсии, в которой содержание воды равно или соизмеримо в содержанием чистого топлива. Первый поток поступает в штатные форсунки впрыска, второй - в область впрыска, где топливно-водная эмульсия взаимодействует с топливно-воздушной смесью.The proposed method for the preparation and supply of a fuel-water emulsion consists in the fact that two independent streams are formed and fed simultaneously: one is a stream of clean fuel in a standard fuel system, the other is a stream of fuel-water emulsion in which the water content is equal to or comparable to the content of clean fuel. The first stream enters the regular injection nozzles, the second into the injection area, where the fuel-water emulsion interacts with the fuel-air mixture.

Предлагаемая система приготовления и подачи топливно-водной эмульсии помимо штатной топливной системы, подающей чистое топливо форсункам впрыска и пусковой форсунке, включает систему приготовления топливно-водной эмульсии с большим содержанием воды.The proposed system for preparing and supplying a fuel-water emulsion, in addition to a standard fuel system supplying clean fuel to injection nozzles and a starting nozzle, includes a system for preparing a fuel-water emulsion with a high water content.

Предлагаемое устройство для приготовления топливно-водной эмульсии представляет собой роторно-импульсный смеситель, встроенный в обратный топливопровод и приводимый в действие потоком чистого топлива, проходящего через обратный топливопровод, и осуществляющий самостоятельную подачу чистого топлива в приемный патрубок в соответствии с расходом топлива.The proposed device for the preparation of a fuel-water emulsion is a rotary-pulse mixer built into the fuel return pipe and driven by the flow of clean fuel passing through the fuel return pipe and independently supplying clean fuel to the receiving pipe in accordance with the fuel consumption.

Как показано на фиг.1, в штатную систему топливоподачи, включающей емкость 1 для чистого топлива, бензонасос 2 высокого давления, дозатор-распределитель 3, форсунки впрыска 4, пусковую форсунку 5 и другие штатные элементы существующих механических систем постоянного впрыска топлива (в том числе регулятор управляющего давления или электрогидравлический регулятор), дополнительно встроены емкость 6 для воды, подкачивающий насос 7, смеситель 8, дозатор воды 9, дозатор чистого топлива 10, дозатор эмульсии 11, электрогидравлический клапан подачи воды 12, электрогидравлический клапан подачи эмульсии 13, обратные клапаны 14, датчик давления 15, топливопровод подачи эмульсии 19, обратный топливопровод 21, электрогидравлические клапаны 28 и 29, электромагнитный клапан 30 подачи эмульсии в дополнительную форсунку 31.As shown in figure 1, in a regular fuel supply system, including a tank 1 for clean fuel, a high pressure gas pump 2, a dispenser 3, injection nozzles 4, a starting nozzle 5 and other standard elements of existing mechanical systems for continuous fuel injection (including control pressure regulator or electro-hydraulic regulator), an additional water tank 6, a booster pump 7, a mixer 8, a water meter 9, a clean fuel meter 10, an emulsion meter 11, an electro-hydraulic water supply valve are also integrated 12, an electro-hydraulic valve for supplying the emulsion 13, non-return valves 14, a pressure sensor 15, a fuel pipe for supplying the emulsion 19, a return pipe 21, electro-hydraulic valves 28 and 29, an electromagnetic valve 30 for supplying the emulsion to the additional nozzle 31.

Система работает следующим образом. Подача чистого топлива в форсунку впрыска 4 осуществляется штатной системой из емкости 1 электробензонасосом 2 через топливопровод 16 в дозатор-распределитель 3 и далее в топливопровод 23. Элементы, осуществляющие управляющие функции, являются штатными и не показаны.The system operates as follows. The supply of clean fuel to the injection nozzle 4 is carried out by the standard system from the tank 1 by the electric gasoline pump 2 through the fuel pipe 16 to the dispenser-distributor 3 and then to the fuel pipe 23. Elements performing control functions are standard and are not shown.

Количество подаваемого чистого топлива уменьшается на удвоенное количество подаваемой воды. Например, расходуемое топливо должно состоять из 80% чистого топлива и 20% воды. В топливопровод 23 поступает 60% чистого топлива и 40% эмульсии поступает в топливопровод 19 из расчета 20% чистого топлива и 20% воды, причем это соотношение может изменяться как в большую, так и в меньшую стороны.The amount of clean fuel supplied is reduced by twice the amount of water supplied. For example, fuel consumed should consist of 80% clean fuel and 20% water. The fuel pipe 23 receives 60% of the clean fuel and 40% of the emulsion enters the fuel pipe 19 at the rate of 20% of the clean fuel and 20% of the water, and this ratio can vary both upwards and downwards.

В обратный топливопровод 17 встроен смеситель 8 роторно-импульсного типа, ротор которого приводится во вращение струей топлива, поступающей под давлением в емкость 1 из дозатора-распределителя 3. Часть топлива через дозатор 10 по топливопроводу 18 поступает во входной патрубок смесителя 8. Вода из емкости 6 при открытом электрогидравлическом клапане 12 подается подкачивающим насосом 7 через дозатор 9 во входной патрубок смесителя 8. При закрытом электрогидравлическом клапане 13 эмульсия циркулирует через обратный топливопровод 21 и подкачивающий насос 7. При открытом электрогидравлическом клапане 13 эмульсия через дозатор 11 и отверстие 25 в кожухе 24 форсунки 4, показанные на фиг.2, поступает в полость воздушного охлаждения 20 форсунки 4 и через каналы 27, образованные гофрами насадки 26 и форсункой 4, - в область впрыска чистого топлива, где образуется окончательная топливно-водная эмульсия. Электрогидравлический клапан 12 срабатывает от датчика давления 15, электрогидравлические клапаны 13, 28 и 30 срабатывают на открытие, когда срабатывает на закрытие электрогидравлический клапан 29 пусковой форсунки 5.A mixer 8 of a rotary-pulse type is built into the fuel return pipe 17, the rotor of which is driven by a jet of fuel supplied under pressure to a container 1 from a dispenser-distributor 3. A part of the fuel through a dispenser 10 through a fuel pipe 18 enters the inlet of the mixer 8. Water from the tank 6, when the electro-hydraulic valve 12 is open, it is pumped by the booster pump 7 through the dispenser 9 into the inlet pipe of the mixer 8. When the electro-hydraulic valve 13 is closed, the emulsion circulates through the fuel return line 21 and pumps st pump 7. When the electro-hydraulic valve 13 is open, the emulsion through the dispenser 11 and the hole 25 in the casing 24 of the nozzle 4 shown in FIG. 2 enters the air cooling cavity 20 of the nozzle 4 and through the channels 27 formed by the corrugations of the nozzle 26 and the nozzle 4, - into the injection area of clean fuel, where the final fuel-water emulsion is formed. The electro-hydraulic valve 12 is triggered by a pressure sensor 15, the electro-hydraulic valves 13, 28 and 30 are triggered to open when the electro-hydraulic valve 29 of the starting nozzle 5 is triggered to close.

Для системы подачи топлива, в которой форсунки впрыска 4 не имеют полости воздушного охлаждения, как показано на фиг.3а, эмульсия из смесителя 8 при открытом электрогидравлическом клапане 28 и закрытом электрогидравлическом клапане 29 поступает к пусковой форсунке 5 или к дополнительной форсунке впрыска 31 при открытом электрогидравлическом клапане 30, показанные на фиг.36. Дополнительная форсунка впрыска 31 встраивается в проставку между воздуховодом 22 и впускным коллектором. Во впускном коллекторе топливно-водная эмульсия смешивается с воздухом, и полученная таким образом топливно-водно-воздушная смесь на такте всасывания поступает в цилиндры ДВС.For a fuel supply system in which the injection nozzles 4 do not have an air-cooling cavity, as shown in FIG. 3a, the emulsion from the mixer 8 with the electro-hydraulic valve 28 open and the electro-hydraulic valve 29 closed enters the starting nozzle 5 or to the additional injection nozzle 31 when open the electro-hydraulic valve 30 shown in Fig. 36. An additional injection nozzle 31 is built into the spacer between the duct 22 and the intake manifold. In the intake manifold, the fuel-water emulsion is mixed with air, and the fuel-water-air mixture thus obtained enters the ICE cylinders at the suction stroke.

Получение смеси горючей и негорючей жидкости примерно в равной пропорции требует высокой интенсивности смешивания. В этой связи преимущество имеют смесители вибрационного и импульсного воздействия на обрабатываемую среду. Требования эксплуатационной надежности и простоты преобразования одного вида энергии в другой, связанного со смесеобразованием, заставляют отдать предпочтение смесителям роторно-импульсного типа. Кроме того, в таких смесителях реализуются кавитационные процессы, также интенсифицирующие процесс смешивания.Obtaining a mixture of combustible and non-combustible liquids in approximately equal proportions requires a high mixing intensity. In this regard, the advantage is the mixers of vibration and impulse effects on the medium. The requirements for operational reliability and ease of conversion of one type of energy to another, associated with mixture formation, make us prefer rotary-pulse type mixers. In addition, in such mixers cavitation processes are realized, which also intensify the mixing process.

Смеситель, показанный на фиг.4, состоит из ротора 32, статора 33, корпуса 34. В роторе и статоре выполнены сцентрированные отверстия соответственно 35 и 36 круглой или другой формы. Ротор 35 закреплен неподвижно на валу 37, установленном в подшипниковых опорах. На противоположном относительно ротора 35 конце вала 37 неподвижно закреплен диск 38 с прорезями, в которых размещены лопасти 39. По касательной к диску 38 установлены штуцеры 40 и 41, которые расположены по одной оси и образуют канал 42, в который заходят лопасти 39. В крышке со стороны ротора 32 установлен штуцер 43, через который подаются смешиваемые компоненты. В корпусе 34 установлен штуцер 44, по которому эмульсия выводится в топливную систему, и штуцер 45, через который осуществляется отбор чистого топлива, подаваемого затем вместе с водой к штуцеру 43.The mixer, shown in figure 4, consists of a rotor 32, a stator 33, a housing 34. In the rotor and stator are made centered holes respectively 35 and 36 of a round or other shape. The rotor 35 is fixedly mounted on a shaft 37 mounted in bearing bearings. At the opposite end of the shaft 37 relative to the rotor 35, the disk 38 is fixedly mounted with slots in which the blades 39 are located. On the tangent to the disk 38, fittings 40 and 41 are installed, which are located on the same axis and form a channel 42 into which the blades 39 enter. In the cover from the side of the rotor 32, a fitting 43 is installed through which the mixed components are fed. A fitting 44 is installed in the housing 34, through which the emulsion is discharged into the fuel system, and a fitting 45, through which a selection of clean fuel is carried out, which is then supplied together with water to the fitting 43.

Отличительной особенностью конструкции указанного роторного смесителя является совмещение привода ротора 32 посредством диска 38, получающего вращение от потока топлива, проходящего через канал 42 и воздействующего на лопасти 39, с подачей чистого топлива в роторный смеситель за счет давления в обратном топливопроводе 17 и центробежных сил, воздействующих на жидкостное кольцо между диском 38 и корпусом 34.A distinctive design feature of the indicated rotary mixer is the combination of the rotor drive 32 through the disk 38, which receives rotation from the fuel flow passing through the channel 42 and acts on the blades 39, with the supply of clean fuel to the rotary mixer due to the pressure in the fuel return pipe 17 and centrifugal forces acting on the fluid ring between the disk 38 and the housing 34.

Принцип работы устройства следующий. Поток чистого топлива, транспортируемый по обратному топливопроводу 17 под давлением, несколько меньшим давления в топливопроводе 16, приводит во вращение диск 38 посредством лопастей 39. Скорость потока чистого топлива является окружной скоростью по отношению к диску 38. Величиной радиуса диска 38 можно управлять частотой вращения ротора 32, другим параметром управления является число отверстий 35 и 36. В момент совмещения отверстий 35 и 36 происходит впрыск смешиваемых компонентов в камеру между ротором 32 и статором 33, вызывая таким образом импульсные колебания, вызывающие перемешивание компонентов, а перепад давления создает кавитацию, существенно ускоряющую процесс смешивания.The principle of operation of the device is as follows. The flow of clean fuel transported through the fuel return pipe 17 under a pressure slightly lower than the pressure in the fuel pipe 16 drives the disk 38 through the blades 39. The flow rate of clean fuel is the peripheral speed with respect to the disk 38. The radius of the disk 38 can be controlled by the rotor speed 32, another control parameter is the number of holes 35 and 36. At the moment of matching holes 35 and 36, the mixed components are injected into the chamber between the rotor 32 and the stator 33, thus causing imp snye oscillations causing mixing of the components, and the pressure drop creates cavitation significantly accelerating the mixing process.

Наилучший вариант исполнения системы и устройства предусматривает изготовление всех ее элементов из материалов, не подверженных коррозии.The best embodiment of the system and device involves the manufacture of all its elements from materials that are not susceptible to corrosion.

Claims

1. Способ для получения и подачи топливно-водной эмульсии в ДВС с впрыском топлива, включающий штатную топливную систему, подкачивающий насос и смеситель роторно-импульсного типа, отличающийся тем, что автономно формируются и подаются к цилиндрам два потока: чистого топлива - штатной топливной системой и топливно-водной эмульсии - роторно-импульсным смесителем.1. A method for receiving and supplying a fuel-water emulsion to an internal combustion engine with a fuel injection, including a standard fuel system, a booster pump and a rotary-pulse type mixer, characterized in that two flows are autonomously formed and supplied to the cylinders: clean fuel - a standard fuel system and fuel-water emulsion - rotary-pulse mixer.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смеситель роторно-импульсного типа приводится в действие потоком топлива и осуществляет подачу чистого топлива в полость ротора.2. The method according to claim 1, characterized in that the rotary-pulse type mixer is driven by a fuel flow and delivers clean fuel into the rotor cavity.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что привод ротора в роторно-импульсном смесителе осуществляется от лопастного диска, взаимодействующего с потоком чистого топлива.3. The method according to claim 2, characterized in that the rotor drive in the rotary pulse mixer is carried out from the blade disk, interacting with the flow of clean fuel.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что подача чистого топлива к ротору осуществляется вытеснением топлива из полости, в которой размещен лопастной диск.4. The method according to claim 2, characterized in that the clean fuel is supplied to the rotor by displacing the fuel from the cavity in which the blade disk is located.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливно-водную эмульсию подают в цилиндры двигателя ДВС через полость охлаждения форсунок впрыска, или посредством пусковой форсунки, или дополнительной форсункой впрыска, встроенной во впускной коллектор.5. The method according to claim 1, characterized in that the fuel-water emulsion is fed into the engine cylinders through the cooling cavity of the injection nozzles, or by means of a starting nozzle, or by an additional injection nozzle integrated in the intake manifold.

6. Способ по п.3, отличающиеся тем, что привод ротора в роторно-импульсном смесителе дополнительно осуществляют от внешнего механического или электрического устройства.6. The method according to claim 3, characterized in that the rotor drive in a rotary pulse mixer is additionally carried out from an external mechanical or electrical device.