RU2086796C1

RU2086796C1 - Method for supply of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2086796C1
Application number: RU94013906A
Authority: RU
Inventors: Виктор Олегович Сайданов; Сергей Анатольевич Яковлев
Original assignee: Виктор Олегович Сайданов; Сергей Анатольевич Яковлев
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1997-08-10

Abstract

FIELD: methods for supplying internal combustion engines with thermochemical conversion of liquid hydrocarbon fuel. SUBSTANCE: method involves mixing liquid hydrocarbon fuel with part of waste gases followed by supply of mixture thus formed for conversion in thermochemical reactor for obtaining mixture of gases including carbon oxide and hydrogen; then this mixture is mixed with atmospheric air and charge thus formed is delivered to engine for combustion. Conversion of mixture in thermochemical reactor at idling made of operation of engine and at partial loads of steady-state mode, as well as in wide range of unsteady modes of operation is effected at constant temperature which is maintained due to heat of waste gases accumulated in phase shift thermal accumulator during operation of engine at nominal (and close to it) loads. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с термохимической конверсией жидкого углеводородного топлива. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to methods of supplying internal combustion engines (ICE) with thermochemical conversion of liquid hydrocarbon fuel.

Известны способы питания ДВС путем смешения жидкого топлива с кислородосодержащим газом, с последующей подачей образовавшейся смеси в нагретый каталитический термохимический реактор для получения газовой смеси, состоящей из CO, H₂, CH₄ и других горючих компонентов, смешения последней с атмосферным воздухом и подачи образовавшегося заряда и двигатель для сжигания и совершения полезной работы [1]
Наиболее близким к предлагаемому является способ питания ДВС путем смешения жидкого топлива с отработавшими газами (ОГ) двигателя, с последующей подачей образовавшейся смеси в нагретый каталитический реактор для получения смеси газов, имеющей окись углерода, смешения последней с атмосферным воздухом и подачи образовавшегося заряда в двигатель для сжигания и совершения полезной работы [2]
Недостатком известных способов является их относительно низкая эффективность при работе ДВС на холостом ходу и долевых нагрузках, обусловленная тем обстоятельством, что для устойчивого протекания термохимической конверсии топлива с максимальным выходом газообразных продуктов необходимо поддерживать в реакторе достаточно высокие температуры (300-500^oC), и если при номинальном и близких к номинальному режимах работы ДВС температурный уровень ОГ достаточен для поддержания таких высоких температур в реакторе, то на холостом ходу и долевых нагрузках, где температурный уровень ОГ значительно ниже, для поддержания таких температур необходим подвод дополнительной теплоты извне (например, сжигание дополнительного топлива или электроподогрев). Также низка эффективность известных способов при работе ДВС на неустановившихся режимах, когда температура ОГ претерпевает существенные вариации. В этом случае также нестабильна и температура в реакторе, что незамедлительно сказывается на выходе продуктов конверсии.Known methods of supplying ICE by mixing liquid fuel with an oxygen-containing gas, followed by feeding the resulting mixture into a heated catalytic thermochemical reactor to obtain a gas mixture consisting of CO, H ₂ , CH ₄ and other combustible components, mixing the latter with atmospheric air and supplying the resulting charge and engine for burning and performing useful work [1]
Closest to the proposed one is a method of powering an internal combustion engine by mixing liquid fuel with exhaust gas (exhaust) of an engine, followed by feeding the resulting mixture into a heated catalytic reactor to produce a mixture of gases having carbon monoxide, mixing the latter with atmospheric air and feeding the resulting charge into the engine for burning and doing useful work [2]
A disadvantage of the known methods is their relatively low efficiency when the ICE is idling and share loads, due to the fact that for the stable flow of the thermochemical conversion of fuel with a maximum output of gaseous products, it is necessary to maintain sufficiently high temperatures in the reactor (300-500 ^o C), and if at nominal and close to nominal operating modes of the internal combustion engine the temperature level of the exhaust gas is sufficient to maintain such high temperatures in the reactor, then at idle and fractional loads, where the temperature level of the exhaust gas is much lower, to maintain such temperatures it is necessary to supply additional heat from the outside (for example, burning additional fuel or electric heating). Also, the efficiency of the known methods is low when the internal combustion engine operates in unsteady modes, when the exhaust gas temperature undergoes significant variations. In this case, the temperature in the reactor is also unstable, which immediately affects the yield of conversion products.

Повышение эффективности при работе ДВС на холостом ходу и долевых нагрузках в установившемся режиме, а также при работе в широком спектре неустановившихся режимов в предлагаемом способе, по сравнению с прототипом достигается тем, что конверсию смеси в термохимическом реакторе осуществляют при постоянной температуре, не зависящей от режима ДВС и обеспечивающей максимальный выход продуктов конверсии. Причем эта температура поддерживается за счет накопленной в тепловом аккумуляторе с теплоаккумулирующим веществом высокой энергоемкости, претерпевающим фазовый переход "плавление - кристаллизация", теплоты ОГ ДВС при его работе на номинальном и близких к номинальному режимах. The increase in efficiency when the engine is idling and shared loads in steady state, as well as when working in a wide range of transient modes in the proposed method, in comparison with the prototype is achieved by the fact that the conversion of the mixture in a thermochemical reactor is carried out at a constant temperature, independent of the mode ICE and providing maximum yield of conversion products. Moreover, this temperature is maintained due to the high energy intensity accumulated in a heat accumulator with a heat-accumulating substance, which undergoes a melting-crystallization phase transition, and the heat of the exhaust gas of the internal combustion engine during its operation at nominal and close to nominal conditions.

Предлагаемый способ позволяет во время работы ДВС на номинальном режиме не только поддерживать за счет температурного уровня ОГ постоянную оптимальную температуру в реакторе, но и, утилизируя теплоту ОГ, накапливать ее в тепловом аккумуляторе за счет плавления теплоаккумулирующего вещества с поглощением скрытой теплоты фазового перехода. При работе ДВС на холостом ходу и долевых нагрузках в установившемся режиме, а также на неустановившихся режимах, когда температурный уровень ОГ недостаточен для поддержания оптимальной температуры в реакторе, последняя поддерживается за счет выделения скрытой теплоты фазового перехода при кристаллизации теплоаккумулирующего вещества, имеющей место вследствие снижения температуры ОГ ДВС. Таким образом предлагаемый способ питания ДВС позволяет исключить дополнительные затраты энергии на поддержание оптимальной температуры конверсии на неустановившихся режимах, а также холостом ходу и долевых нагрузках при работе двигателя на установившемся режиме. The proposed method allows, during the operation of the internal combustion engine in the nominal mode, not only to maintain a constant optimum temperature in the reactor due to the temperature level of the exhaust gas, but also, utilizing the heat of the exhaust gas, to accumulate it in the heat accumulator by melting the heat-accumulating substance with absorption of the latent heat of the phase transition. When the internal combustion engine idles and shares in steady state, as well as in transient modes, when the temperature level of the exhaust gas is insufficient to maintain the optimum temperature in the reactor, the latter is maintained by the release of the latent heat of the phase transition during crystallization of the heat-accumulating substance, which occurs due to a decrease in temperature Exhaust gas engine. Thus, the proposed ICE power supply method eliminates additional energy costs for maintaining the optimal conversion temperature in transient modes, as well as idling and shared loads during engine operation in steady state.

Отличительным (новым) признаком предлагаемого изобретения по отношению к прототипу является операция осуществления процесса конверсии топлива на неустановившихся режимах, а также холостом ходу и долевых нагрузках при работе ДВС на установившихся режимах при постоянной температуре, которая поддерживается за счет накопленной в тепловом аккумуляторе фазового перехода теплоты ОГ ДВС при его работе на номинальной и близких к номинальной нагрузках. Из существующего уровня техники неизвестны способы питания ДВС с термохимической конверсией топлива с использованием тепловых аккумуляторов фазового перехода для поддержания оптимальной температуры в реакторе при работе ДВС на холостом ходу и долевых нагрузках при установившемся режиме, а также в широком диапазоне неустановившихся режимов. A distinctive (new) feature of the invention in relation to the prototype is the operation of the process of fuel conversion at unsteady conditions, as well as idling and shared loads when the internal combustion engine operates at steady conditions at a constant temperature, which is supported by the phase transition heat stored in the heat storage battery ICE during its operation at rated and close to rated loads. From the current level of technology, there are no known methods of supplying ICE with thermochemical conversion of fuel using phase-transfer heat accumulators to maintain optimal temperature in the reactor when the ICE is idling and at shared loads at steady state, as well as in a wide range of transient modes.

Указанный признак позволяет повысить эффективность способа питания ДВС по отношению к прототипу. This feature allows you to increase the efficiency of the method of power of the internal combustion engine in relation to the prototype.

На чертеже представлена схема установки, реализующей предлагаемый способ. Установка состоит из ДВС 1 со впускной 2 и выпускной 3 системами. Во впускной системе 2 ДВС 1 установлен смеситель 4 продуктов конверсии и воздуха, поступающего по трубопроводу 5. Смеситель 41 соединен с термохимическим реактором 6, который заключен внутри теплового аккумулятора фазового перехода 7, состоящего из теплоаккумулирующего вещества высокой энергоемкости 8 и газового тракта 9, соединенного с одной стороны трубопроводом 10 с выпускной системой 3 ДВС 1, а с другой трубопроводом 11 с атмосферой. На входе в реактор 6 установлен смеситель 12 топлива и ОГ, поступающих по трубопроводу 13. Смеситель 12 заключен в теплообменник 14, который соединен трубопроводом 15 с выпускной системой 3 ДВС 1, а трубопроводом 16 с атмосферой. Смеситель 12 соединен с топливной магистралью 17 ДВС 1. The drawing shows a diagram of an installation that implements the proposed method. The installation consists of ICE 1 with intake 2 and exhaust 3 systems. In the intake system 2 of the internal combustion engine 1, a mixer 4 of conversion products and air supplied through the pipeline 5 is installed. The mixer 41 is connected to a thermochemical reactor 6, which is enclosed inside a phase-transition heat accumulator 7, consisting of a heat-accumulating substance of high energy intensity 8 and a gas path 9 connected to one side of the pipeline 10 with the exhaust system 3 of the engine 1, and on the other pipe 11 with the atmosphere. At the inlet to the reactor 6, a mixer 12 of fuel and exhaust gas supplied through the pipe 13 is installed. The mixer 12 is enclosed in a heat exchanger 14, which is connected by a pipe 15 to the exhaust system 3 of the internal combustion engine 1 and a pipe 16 to the atmosphere. The mixer 12 is connected to the fuel line 17 of the internal combustion engine 1.

Способ осуществляют следующим образом. При работе ДВС 1 на установившемся режиме в области номинальных и близких к номинальной нагрузок температуры ОГ ДВС в выпускной системе 3 достаточно высока для поддержания оптимального теплового режима в термохимическом реакторе 6. При этом топливо поступает по магистрали 17 в смеситель 12, где испаряется и смешивается с частью ОГ, поступающей по трубопроводу 13. После смесителя 12 смесь топлива и ОГ поступает в реактор 6, где при оптимальном тепловом режиме подвергается конверсии до конечных продуктов. Из реактора 6 продукты конверсии поступают в смеситель 4, где к ним подмешивается поступающий по трубопроводу 5 воздух. Образовавшаяся рабочая смесь поступает во впускную систему 2 ДВС 1, а далее в цилиндры ДВС, где сгорает и совершает полезную работу. Одновременно с конверсией топлива в реакторе 6 на указанных режимах часть ОГ по трубопроводу 10 поступает в газовый тракт 9 теплового аккумулятора 7, где, имея температуру выше температуры фазового перехода теплоаккумулирующего вещества 8, нагревает и плавит последнее с поглощением скрытой теплоты фазового перехода. Следует отметить, что стабильно работающий реактор 6 на режимах больших нагрузок будет предохранять теплоаккумулирующее вещество 8 от перегрева, но для этого необходимо, чтобы температура фазового перехода вещества 8 была примерно равна температуре ОГ при номинальной нагрузке и на 20-30^oC выше оптимальной температуры в реакторе 1.The method is as follows. When the internal combustion engine 1 is operating in steady state in the range of nominal and near-nominal load temperatures, the exhaust gas of the internal combustion engine in the exhaust system 3 is high enough to maintain the optimal thermal regime in the thermochemical reactor 6. In this case, the fuel enters through the pipe 17 to the mixer 12, where it evaporates and mixes with part of the exhaust gas coming through the pipeline 13. After the mixer 12, the mixture of fuel and exhaust gas enters the reactor 6, where, under optimal thermal conditions, it undergoes conversion to final products. From the reactor 6, the conversion products enter the mixer 4, where they are mixed with the air coming in through the pipeline 5. The resulting working mixture enters the intake system 2 of the internal combustion engine 1, and then to the internal combustion engine cylinders, where it burns and does useful work. Simultaneously with the conversion of fuel in the reactor 6 in the indicated modes, part of the exhaust gas through the pipeline 10 enters the gas path 9 of the heat accumulator 7, where, having a temperature higher than the phase transition temperature of the heat-accumulating substance 8, it heats and melts the latter with absorption of the latent heat of the phase transition. It should be noted that a stably operating reactor 6 at high load conditions will protect the heat-accumulating substance 8 from overheating, but for this it is necessary that the phase transition temperature of substance 8 be approximately equal to the exhaust gas temperature at rated load and 20-30 ^o C higher than the optimum temperature reactor 1.

При уменьшении нагрузки на ДВС (особенно при работе на холостом ходу и долевых нагрузках) температурный уровень ОГ ДВС 1 явно недостаточен для поддержания оптимального теплового режима в реакторе 6. Также не будет стабильным и режим реактора 6 на неустановившихся режимах работы ДВС 1, например при сбросе и набросе нагрузки. Однако при этих режимах температура ОГ, поступающих по трубопроводу 10 в тепловой аккумулятор 7, ниже температуры фазового перехода теплоаккумулирующего вещества 8, поэтому произойдет кристаллизация вещества 8 с выделением скрытой теплоты фазового перехода, которая выделяется при постоянной температуре, равной температуре фазового перехода, и тем самым поддерживает постоянную оптимальную температуру в реакторе 6, не зависящую от изменения нагрузки и температуры ОГ ДВС 1. Следовательно, на всех режимах, отличных от номинального, тепловой аккумулятор 7 будет поддерживать постоянную оптимальную температуру в реакторе 6 и процесс конверсии топлива будет стабильным и не будет зависеть от нагрузочного режима ДВС 1. With a decrease in the load on the internal combustion engine (especially when idling and shared loads), the temperature level of the exhaust gas of the internal combustion engine 1 is clearly insufficient to maintain the optimal thermal regime in the reactor 6. Also, the reactor mode 6 will not be stable in the unsteady operating modes of the internal combustion engine 1, for example, when resetting and load surge. However, under these conditions, the temperature of the exhaust gas entering the heat accumulator 7 through the pipeline 10 is lower than the phase transition temperature of the heat-accumulating substance 8; therefore, the substance 8 will crystallize with the release of the latent heat of the phase transition, which is released at a constant temperature equal to the phase transition temperature, and thereby maintains a constant optimum temperature in the reactor 6, independent of changes in the load and temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine 1. Therefore, in all modes other than the nominal heat kkumulyator 7 will maintain a constant optimal temperature in the reactor 6 and the fuel conversion process will be stable and will not depend on internal combustion engine 1 load mode.

Таким образом, организация питания ДВС по предлагаемому способу повысит эффективность работы ДВС в широком диапазоне нагрузочных режимов за счет утилизации теплоты ОГ ДВС и исключения затрат энергии на поддержание оптимальной температуры конверсии топлива. Thus, the organization of power of the internal combustion engine according to the proposed method will increase the efficiency of the internal combustion engine in a wide range of load conditions due to the utilization of the heat of the exhaust gas of the internal combustion engine and the elimination of energy costs to maintain the optimal temperature of fuel conversion.

Claims

A method of powering an internal combustion engine by mixing liquid hydrocarbon fuel with a portion of the exhaust gas, followed by feeding the resulting gas mixture for conversion to a thermochemical reactor to produce a gas mixture having carbon monoxide and hydrogen, mixing the latter with atmospheric air and feeding the resulting charge to the combustion engine and the implementation of useful work, characterized in that the conversion of the mixture in a thermochemical reactor when the engine is idling and shared loads installed I regime and unsteady modes in a wide range is performed at a constant temperature which is maintained by the heat accumulated in the accumulator phase transition engine exhaust heat during its operation and at rated close to the nominal load.