RU92913U1 - FUEL SYSTEM FOR HYDROGEN FUEL OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF THE COMBINED POWER PLANT - Google Patents

Abstract

1. Система питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергоустановки, содержащая топливный бак со спиртом, первый топливный контур, содержащий форсунки для подачи спирта топливным насосом в патрубки впускного трубопровода двигателя, второй топливный контур, содержащий другой топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода, теплообменник для охлаждения синтез-газа, регулятор подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, топливные трубки, расположенные во впускных каналах в головке цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии впускных клапанов в щели между ними и их седлами. ! 2. Система питания водородным топливом по п.1, отличающаяся тем, что во втором топливном контуре на его участке между теплообменником для нагрева спирта до газообразного состояния и термохимическим реактором расположен обратный клапан. 1. A hydrogen fuel supply system for an internal combustion engine of a combined power plant, containing a fuel tank with alcohol, a first fuel circuit containing nozzles for supplying alcohol by a fuel pump to the inlet pipe of the engine, a second fuel circuit containing another fuel pump, a heat exchanger for heating alcohol to gaseous states, a thermochemical reactor located in the outlet pipeline for obtaining synthesis gas from gaseous alcohol, consisting of hydrogen and carbon monoxide, a heat exchanger for cooling the synthesis gas, a regulator for the supply of cooled synthesis gas, electromagnetic valves, fuel pipes located in the inlet channels in the cylinder head of the engine for supplying synthesis gas when the intake valves are opened in the slots between them and their seats. ! 2. The hydrogen fuel supply system according to claim 1, characterized in that a check valve is located in the second fuel loop at its section between the heat exchanger for heating alcohol to a gaseous state and the thermochemical reactor.

Description

Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания, находящегося в составе комбинированной энергоустановки транспортного средства.The technical solution relates to internal combustion engines. It concerns the supply of hydrogen fuel to an internal combustion engine, which is part of a combined power plant of a vehicle.

Известны различные системы питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом, показанные в патенте РФ №2120041, в патентах №№4413594, 4444158, 5435274, выданных в США. В качестве прототипа принята система питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания, показанная в журнале «Автомобильная промышленность», 2003 год, №11, с.20, статья «Конструкции водородных ДВС. Поиски и решения», авторы В.Ф.Каменев, Н.А.Хрипач. Она содержит топливный бак со спиртом, первый топливный контур для подачи спирта в карбюратор двигателя, второй топливный контур, содержащий топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния теплом от системы охлаждения двигателя, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, теплообменник для охлаждения синтез-газа, газовый редуктор. Однако двигатель с такой системой его питания водородным топливом имеет высокую пожароопасность из-за возможности появления обратных вспышек топлива во впускном трубопроводе на больших нагрузках двигателя.There are various known power systems for an internal combustion engine with hydrogen fuel, shown in the patent of the Russian Federation No. 2120041, in the patents No. 4413594, 4444158, 5435274, issued in the USA. As a prototype, a hydrogen fuel supply system for an internal combustion engine, shown in the journal "Automotive Industry", 2003, No. 11, p.20, article "Designs of hydrogen ICE. Searches and solutions ”, authors V.F.Kamenev, N.A. Khripach. It contains a fuel tank with alcohol, a first fuel circuit for supplying alcohol to the engine carburetor, a second fuel circuit containing a fuel pump, a heat exchanger for heating the alcohol to a gaseous state by heat from the engine cooling system, a thermochemical reactor located in the exhaust pipe for receiving from gaseous alcohol synthesis gas, heat exchanger for cooling synthesis gas, gas reducer. However, an engine with such a system for supplying it with hydrogen fuel has a high fire hazard due to the possibility of the appearance of reverse outbreaks of fuel in the intake pipe at high engine loads.

Задача - создание более безопасной системы питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергоустановки.The task is to create a safer system for supplying hydrogen fuel to an internal combustion engine of a combined power plant.

Решение задачи повышения безопасности системы питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания обеспечено тем, что созданная система питания двигателя водородным топливом содержит топливный бак со спиртом, первый топливный контур, содержащий форсунки для подачи спирта топливным насосом в патрубки впускного трубопровода двигателя, второй топливный контур, содержащий другой топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода, теплообменник для охлаждения синтез-газа, регулятор подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, топливные трубки, расположенные во впускных каналах в головке цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии впускных клапанов в щели между ними и их седлами.The solution to the problem of improving the safety of the hydrogen fuel supply system of an internal combustion engine is ensured by the fact that the created hydrogen fuel supply system of the engine contains an alcohol fuel tank, a first fuel circuit containing nozzles for supplying alcohol with a fuel pump to the engine intake pipe, and a second fuel circuit containing another fuel pump, heat exchanger for heating alcohol to a gaseous state, thermochemical reactor located in the exhaust pipe for floor synthesis gas synthesis gas consisting of hydrogen and carbon monoxide, a heat exchanger for cooling the synthesis gas, a regulator for supplying the cooled synthesis gas, solenoid valves, fuel pipes located in the inlets in the cylinder head of the engine for supplying synthesis gas when opening inlet valves in the slots between them and their seats.

При подаче синтез-газа в цилиндры двигателя через топливные трубки в щели между впускными клапанами и их седлами на фазе открытия клапанов синтез-газ вследствие насосного действия поршня на такте впуска и возникающего перепада давлений поступает непосредственно в цилиндры, где происходит его смешение с воздухом и образование горючей смеси. Это повышает взрывобезопасность, так как даже при обратных вспышках впускные каналы заполнены только воздухом.When syngas is supplied to the engine cylinders through fuel tubes in the slots between the inlet valves and their seats in the valve opening phase, the syngas due to the pump action of the piston at the intake stroke and the resulting pressure drop directly goes to the cylinders, where it mixes with air and combustible mixture. This increases the explosion safety, since even with reverse flashes, the inlet channels are filled only with air.

Во втором топливном контуре на его участке между теплообменником для нагрева спирта до газообразного состояния и термохимическим реактором расположен обратный клапан.In the second fuel circuit, in its section between the heat exchanger for heating alcohol to a gaseous state and a thermochemical reactor, a check valve is located.

На фигуре 1 показана система питания двигателя внутреннего сгорания водородным топливом.The figure 1 shows the power supply system of an internal combustion engine with hydrogen fuel.

На фигуре 2 показана частично головка блока цилиндров с впускным клапаном и с направленной в сторону его гнезда топливной трубкой подачи синтез-газа.The figure 2 shows partially the cylinder head with an inlet valve and with a synthesis gas supply pipe directed towards its socket.

Представленный на фигуре 1 двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для работы на водородном топливе в составе комбинированной энергоустановки транспортного средства, содержит блок цилиндров 1, систему питания двигателя водородом, находящимся в составе синтез-газа, получаемого из спирта, систему впуска в цилиндры двигателя рабочей среды и систему выпуска отработавших газов. Система впуска в цилиндры двигателя рабочей среды состоит из воздушного фильтра 2, расходометра 3 воздуха, устройства 4 для дросселирования потока воздуха, впускного трубопровода 5, содержащего патрубки 6 (фигура 2), число которых равно числу цилиндров двигателя. Система отработавших газов содержит выпускной трубопровод 7 с байбасным каналом 8.Presented in figure 1, the internal combustion engine, designed to operate on hydrogen fuel as part of a combined power plant of the vehicle, contains a cylinder block 1, a power system for the engine with hydrogen contained in the synthesis gas obtained from alcohol, an intake system in the cylinders of the engine of the working medium and exhaust system. The intake system in the engine cylinders of the working medium consists of an air filter 2, an air flowmeter 3, a device 4 for throttling the air flow, an inlet pipe 5 containing nozzles 6 (figure 2), the number of which is equal to the number of engine cylinders. The exhaust system contains an exhaust pipe 7 with a bypass channel 8.

Система питания двигателя водородным топливом содержит топливный бак 9 со спиртом, например, с метанолом или этанолом, и два топливных контура. Первый топливный контур, включаемый в работу при пуске двигателя, содержит топливный насос 10, топливный фильтр 11 и расположенные в топливной рампе 12 форсунки для подачи спирта топливным насосом 10 в патрубки впускного трубопровода. Второй топливный контур содержит другой топливный насос 13, топливный фильтр 14, теплообменник 15 для нагрева спирта до газообразного состояния теплом, забираемым от системы охлаждения двигателя и от горячего синтез-газа, термохимический реактор 16, расположенный в выпускном трубопроводе 7 в потоке горячих отработавших газов для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода. Для подачи синтез-газа в цилиндры двигателя второй топливный контур содержит теплообменник, который может быть частью теплообменника 15, для охлаждения синтез-газа жидким спиртом и жидкостью системы охлаждения двигателя, подаваемой в теплообменник через термостат 17, регулятор 18 подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, расположенные в газовой рампе 19, и топливные трубки 20. Топливные трубки 20 расположены во впускных каналах 21 в головке 22 цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии каждого впускного клапана 23 в кольцевую щель между его тарелкой 24 и его седлом 25.The hydrogen fuel supply system of the engine comprises a fuel tank 9 with alcohol, for example methanol or ethanol, and two fuel circuits. The first fuel circuit, which is included when starting the engine, comprises a fuel pump 10, a fuel filter 11, and nozzles located in the fuel rail 12 for supplying alcohol with the fuel pump 10 to the inlet pipe nozzles. The second fuel circuit contains another fuel pump 13, a fuel filter 14, a heat exchanger 15 for heating alcohol to a gaseous state with heat taken from the engine cooling system and from hot synthesis gas, a thermochemical reactor 16 located in the exhaust pipe 7 in the hot exhaust gas stream obtaining from a gaseous alcohol synthesis gas consisting of hydrogen and carbon monoxide. To supply synthesis gas to the engine cylinders, the second fuel circuit contains a heat exchanger, which can be part of the heat exchanger 15, for cooling the synthesis gas with liquid alcohol and the liquid of the engine cooling system supplied to the heat exchanger through the thermostat 17, the cooled synthesis gas supply regulator 18, electromagnetic valves located in the gas train 19 and fuel pipes 20. Fuel pipes 20 are located in the intake ducts 21 in the cylinder head 22 of the engine for supplying synthesis gas at the opening of each inlet valve 23 an annular gap between its plate 24 and its seat 25.

Для предотвращения попадания горячих паров спирта в топливный насос 13 при остановке двигателя во втором топливном контуре на его участке между теплообменником 15 и термохимическим реактором расположен обратный клапан 26, закрывающийся при прекращении работы упомянутого топливного насоса.To prevent hot alcohol vapor from entering the fuel pump 13 when the engine is stopped, a check valve 26 is located in its area between the heat exchanger 15 and the thermochemical reactor, which closes when the fuel pump stops functioning.

Датчики расходометра воздуха и температуры в термохимическом реакторе, и также исполнительные элементы форсунок топливной рампы, электромагнитных клапанов газовой рампы, устройства дросселирования потока воздуха, механизма поворота заслонок в выпускном трубопроводе и в байпасном канале подключены электрическими цепями к блоку управления двигателем.The sensors of the air and temperature flowmeter in the thermochemical reactor, as well as the actuators of the fuel rail nozzles, gas valve solenoid valves, air flow throttling devices, shutter rotation mechanisms in the exhaust pipe and in the bypass channel, are connected by electric circuits to the engine control unit.

Первый топливный контур обеспечивает питание двигателя спиртом через форсунки топливной рампы 12 с подачей спирта в патрубки впускного трубопровода на режимах холодного пуска двигателя и в первые 3-5 секунд его прогрева. Второй топливный контур обеспечивает питание двигателя синтез-газом на всех рабочих режимах гибридной силовой установки путем его подачи через электромагнитные клапаны газовой рампы 19 в зону щели, открывающейся при отходе впускного клапана от его седла.The first fuel circuit provides the engine with alcohol through the nozzles of the fuel rail 12 with the supply of alcohol to the inlet pipe nozzles in the cold start mode of the engine and in the first 3-5 seconds of its heating. The second fuel circuit provides the engine with synthesis gas at all operating modes of the hybrid power plant by feeding it through the electromagnetic valves of the gas train 19 to the gap zone that opens when the intake valve moves away from its seat.

Холодный пуск и прогрев двигателя производится на жидком спирте. Через несколько секунд после пуска двигателя, когда произошел нагрев жидкости в системе охлаждения цилиндров двигателя, спирт из топливного бака подают топливным насосом через фильтр в теплообменник, подогреваемый проходящей через него нагретой жидкостью системы охлаждения цилиндров двигателя. В теплообменнике происходит испарение спирта, и он в газообразном состоянии поступает через обратный клапан в термохимический реактор, где происходит его нагрев потоком горячих отработанных газов до температуры 400-600С° и подача в каталитическую зону реактора. В реакторе происходят термохимические процессы конверсии горячего газообразного спирта с образованием синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода. Полученный горячий синтез-газ проходит через теплообменник, в котором происходит его охлаждение жидким спиртом и жидкостью системы охлаждения двигателя. Охлажденный синтез-газ через регулятор его подачи поступает в газовую рампу, из которой он при открытии впускных клапанов подается через электромагнитные клапаны, подключенные к электронному блоку управления, в топливные трубки. Из топливной трубки синтез-газ за счет насосного хода поршня двигателя на такте впуска и возникающего вследствие этого перепада давлений проходит через открытую кольцевую щель между тарелкой впускного клапана и его седлом непосредственно в цилиндр двигателя. В цилиндре двигателя синтез-газ смешивается с воздухом, образуя горючую смесь, воспламеняемую при рабочем ходе поршня.Cold start and warm-up of the engine is carried out on liquid alcohol. A few seconds after the engine was started, when the liquid was heated in the engine cylinder cooling system, alcohol from the fuel tank is supplied by the fuel pump through the filter to the heat exchanger, which is heated by the heated liquid of the engine cylinder cooling system passing through it. In the heat exchanger, alcohol evaporates, and in a gaseous state it enters through a non-return valve into a thermochemical reactor, where it is heated by a stream of hot exhaust gases to a temperature of 400-600 ° C and supplied to the catalytic zone of the reactor. In the reactor, thermochemical processes of the conversion of hot gaseous alcohol to the formation of synthesis gas consisting of hydrogen and carbon monoxide occur. The resulting hot synthesis gas passes through a heat exchanger in which it is cooled with liquid alcohol and the liquid of the engine cooling system. Cooled synthesis gas through the regulator of its supply enters the gas train, from which it, when the intake valves are opened, is fed through the electromagnetic valves connected to the electronic control unit to the fuel pipes. From the fuel tube, the synthesis gas due to the pump stroke of the engine piston at the intake stroke and the resulting pressure differential passes through the open annular gap between the intake valve plate and its seat directly into the engine cylinder. In the engine cylinder, synthesis gas mixes with air to form a combustible mixture that ignites during the stroke of the piston.

Так как синтез-газ подается в охлажденном состоянии в цилиндры двигателя порциями от электромагнитных клапанов через топливные трубки, расположенные во впускных клапанах головки блока цилиндров рядом с впускными клапанами и направленные в сторону открывающихся щелей между впускными клапанами и их седлами на такте впуска, то повышается взрывоопасность работы двигателя на водороде, содержащемся в синтез-газе.Since the synthesis gas is supplied in chilled form to the engine cylinders in portions from the solenoid valves through the fuel pipes located in the inlet valves of the cylinder head next to the inlet valves and directed towards the opening slots between the inlet valves and their seats on the intake stroke, the explosion hazard is increased operation of the engine on hydrogen contained in the synthesis gas.

Claims (2)

1. Система питания водородным топливом двигателя внутреннего сгорания комбинированной энергоустановки, содержащая топливный бак со спиртом, первый топливный контур, содержащий форсунки для подачи спирта топливным насосом в патрубки впускного трубопровода двигателя, второй топливный контур, содержащий другой топливный насос, теплообменник для нагрева спирта до газообразного состояния, термохимический реактор, расположенный в выпускном трубопроводе для получения из газообразного спирта синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода, теплообменник для охлаждения синтез-газа, регулятор подачи охлажденного синтез-газа, электромагнитные клапаны, топливные трубки, расположенные во впускных каналах в головке цилиндров двигателя для подачи синтез-газа при открытии впускных клапанов в щели между ними и их седлами.1. The hydrogen fuel supply system of an internal combustion engine of a combined power plant, comprising a fuel tank with alcohol, a first fuel circuit comprising nozzles for supplying alcohol with a fuel pump to engine inlet pipes, a second fuel circuit containing another fuel pump, a heat exchanger for heating alcohol to gaseous state, thermochemical reactor located in the exhaust pipe to obtain synthesis gas from gaseous alcohol consisting of hydrogen and carbon monoxide Erode, a heat exchanger for cooling the synthesis gas, the regulator supplying the cooled synthesis gas, the solenoid valves, the fuel tube disposed in the intake ducts in the cylinder head of the engine for supplying synthesis gas at the inlet opening of the valve in the gap between them and their seats. 2. Система питания водородным топливом по п.1, отличающаяся тем, что во втором топливном контуре на его участке между теплообменником для нагрева спирта до газообразного состояния и термохимическим реактором расположен обратный клапан.

2. The hydrogen fuel supply system according to claim 1, characterized in that a check valve is located in the second fuel circuit in its area between the heat exchanger to heat the alcohol to a gaseous state and the thermochemical reactor.