Способ и система работы двигателя с воспламенением от сжатия

Способ и система работы двигателя с воспламенением от сжатия

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу работы двигателей с воспламенением от сжатия и, в частности, к работе таких двигателей с топливом, содержащим простой эфир.

Также в изобретении представлена система для применения данного изобретения.

Наиболее типовым примером двигателя с воспламенением от сжатия является дизельный двигатель, работающий на дизельном топливе с высоким цетановым числом. Для снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания дизельного топлива, в прошлом предпринимались попытки заменить дизельное топливо альтернативными видами топлива, которые являются менее вредными для окружающей среды.

Простые эфиры, в частности, полученные дегидратацией низших спиртов, такие как диметиловый эфир и диэтиловый эфир, оказались превосходным дизельным топливом.

Применение низших простых эфиров в качестве дизельного топлива описано во множестве публикаций, например, в патентах №№4,892,561, 5,906,664 и 7,449,034.

Несмотря на чистые характеристики сгорания и высокую эффективность в дизельном двигателе, основным недостатком топлива на основе простых эфиров являются проблемы хранения и обработки в самом транспортном средстве. В условиях окружающей среды диметиловый эфир находится в газообразной форме. Для превращения топлива на основе диметилового эфира в более удобную жидкую форму топливо необходимо хранить и обрабатывать под давлением.

Хотя диэтиловый эфир имеет жидкую форму в условиях окружающей среды, этот эфир имеет высокое значение давления пара и является высоко взрывоопасным при контакте с воздухом.

Современные дизельные двигатели имеют систему непосредственного впрыска топлива. Система включает насос высокого давления и топливную накопительную камеру, в которой топливо хранится при высоком давлении выше 2000 бар. Накопительная камера снабжает множество топливных форсунок топливом под высоким давлением. Излишек топлива отбирается из камеры, давление сбрасывается и топливо рециркулируется обратно в топливный бак.

Такая система, в сочетании с применением простого эфира в качестве топлива для дизельного двигателя описана в патенте США №6,340,003. В способе данного патента первичное метанольное топливо подвергают давлению и превращают в эфирсодержащее дизельное топливо до введения в накопительную камеру. Недостатки этого способа проявляются, когда излишки эфирсодержащего топлива нужно удалять из камеры и рециркулировать в топливный бак, для чего необходимо иметь два бака, один для спиртового топлива, другой для превращенного эфирсодержащего топлива.

Основным объектом данного изобретения является способ превращения первичного топлива на основе низшего спирта или смеси низших спиртов на месте в транспортном средстве во вторичное топливо, содержащее простой эфир для работы дизельного двигателя с обычной системой непосредственного впрыска топлива, который позволит избежать проблем, связанных с обработкой и хранением вторичного топлива, в частности, в транспортных средствах.

В соответствии с указанным выше объектом, в данном изобретении представлен способ работы двигателя с воспламенением от сжатия на эфирсодержащем топливе, полученном превращением первичного топлива на основе спирта, включающий стадии:

(a) непрерывного отбора первичного топлива на основе спирта из топливного бака и сжатие первичного топлива на основе спирта в жидкой форме до конечного давления впрыска топлива в двигатель;

(b) непрерывного введения сжатого первичного топлива на основе спирта в топливную накопительную камеру;

(c) непрерывного распределения сжатого первичного топлива на основе спирта в трубки, соединяющие накопительную камеру с топливными форсунками двигателя;

(d) перед подачей в топливные форсунки, непрерывного превращения сжатого первичного топлива на основе спирта в эфирсодержащее топливо контактом с катализатором дегидратации спирта, расположенным в каждой трубке перед топливными форсунками;

(e) непрерывного впрыска эфирсодержащего топлива под давлением впрыска в двигатель; и

(f) непрерывного отбора части введенного первичного топлива на основе спирта из накопительной камеры; и

(g) сброс давления и рециркулирование отобранного первичного топлива на основе спирта в топливный бак.

В изобретении также представлена система для применения указанного выше способа, включающая

двигатель с воспламенением от сжатия;

топливный бак, приспособленный для хранения первичного топлива на основе спирта;

насос высокого давления для сжатия первичного топлива на основе спирта;

накопительную камеру, приспособленную для принятия и хранения сжатого первичного топлива на основе спирта;

соединительные трубки для соединения накопительной камеры и топливных форсунок для впрыска топлива в двигатель с воспламенением от сжатия;

катализатор дегидратации спирта, расположенный в каждой соединительной трубке между накопительной камерой и топливными форсунками; и

линию рециркулирования для рециркулирования излишков первичного топлива на основе спирта из накопительной камеры в топливный бак.

Преимуществом способа и системы в соответствии с данным изобретением является то, что все полученное эфирное топливо сразу же используется для запуска двигателя и избыток эфирного топлива отсутствует. Избыток первичного топлива на основе спирта рециркулируется в топливный бак.

Эфирное топливо получают дегидратацией спирта до соответствующего простого эфира согласно реакции:

2C_nH_(2n+2)O↔C_2nH_(4n+2)+H₂O

Дегидратация спиртов до простых эфиров обычно катализируется жидкими или твердыми кислотами, такими как серная кислота, окись алюминия, цеолит, сульфоновая кислота, двуокись циркония-вольфраматы, фосфаты окиси алюминия.

Дегидратация спирта является равновесной реакцией. Таким образом, ограничения равновесия препятствуют 100% превращения спирта в простой эфир и воду.

При температуре реакции для, например, первичного топлива на основе этанола, содержащего 95 масс.% этанола и 5 масс.% воды, равновесные композиции при температуре дегидратации от 150 до 350°C включают 9-21 масс.% этанола, 19-22 масс.% H₂O и 59-71% масс. диэтилового эфира. Для того чтобы обеспечить гомогенность композиции, предпочтительно добавлять эмульгатор, который практически не превращается под воздействием катализатора дегидратации, либо в виде добавки при подаче первичного топлива в накопительную камеру, либо в виде добавки к первичному топливу, либо в топливном баке, либо при подаче первичного топлива в транспортное средство.

Кроме метанола и этанола, смеси этих и других спиртов также являются подходящим спиртами, которые могут быть основой для первичного топлива в соответствии с данным изобретением.

Предпочтительными смесями спиртов являются смеси метанола и этанола.

Другие подходящие виды первичного топлива на основе спирта включают метанол и смеси спиртов и углеводородов, такие как бензин. Последний включает коммерчески доступный Е85, обычно содержащий 85% этанола, 13% бензина и 2% МТБЭ (метил-трет-бутилового эфира), а также другие композиции спирта, бензина и добавок к бензину, которые могут применяться в соответствии с данным изобретением. Хотя их называют смесями спирта и бензина, бензин и добавки к бензину могут содержать незначительные количества неуглеводородов, таких как металлорганические катализаторы сгорания. Виды первичного топлива также могут содержать воду при условии, что первичное топливо смешиваемо с водой или что присутствует эмульгатор, такой, который позволяет гомогенно распределять воду в первичном топливе.

Для целей данного описания вторичное топливо определяют как топливную смесь, полученную из первичного топлива, такого как описано выше. Вторичное топливо содержит простой эфир, подходящий для применения в дизельных двигателях, с полезными характеристиками поджигания и сгорания. Оно включает указанную выше смесь диэтилового эфира/этанола/воды и смесь диметилового эфира/метанола/воды с содержанием метанола вплоть до 20%, а также похожие смеси, которые дополнительно содержат углеводороды, такие как бензин. В патенте США №7,449,034 показано, что дизельное топливо, содержащее диметиловый эфир, метанол и вплоть до 48% воды является эффективным топливом для дизельных двигателей. Если первичное топливо содержит бензин (включая добавки), он также может содержаться во вторичном топливе, и считается, что бензин не претерпевает значительного превращения под воздействием катализатора дегидратации.

В пределах указанного выше интервала композиций вторичного топлива, условия работы для способа в соответствии с данным изобретением обычно корректируются до температуры впрыска от 150°C до 350°C и давления впрыска от 200 до 2400 бар. Таким образом, превращение спирта в смесь простого эфира, воды и спирта проходит адиабатическим образом с подходящей скоростью реакции в присутствии катализатора дегидратации.

Для повышения температуры первичного топлива на основе спирта до температуры реакции дегидратации, топливо необходимо нагреть по сравнению с температурой окружающей среды. Предпочтительно, это осуществляется пропусканием сжатого топлива через теплообменник в косвенном теплообмене с горячим выхлопным газом из двигателя до накопления первичного топлива на основе спирта в накопительной камере.

Из накопительной камеры первичное топливо на основе спирта подают в каждую трубку, соединяющую камеру с топливными форсунками, и оно контактирует с катализатором, который катализирует указанную выше дегидратацию спирта при подходящей температуре.

Катализатор дегидратации может быть в виде изделия с каталитической активностью на боковой стенке трубок, как описано в патенте США №6,319,877, или внутри камеры реактора, установленной на каждой трубке между накопительной камерой и топливными форсунками.

В одном варианте данного изобретения катализатор электрически нагревают до температуры реакции.

Во время запуска двигателя выхлопной газ может иметь температуру, которая недостаточна для нагревания первичного топлива на основе спирта до необходимой температуры реакции. В этих условиях предпочтительно включать в указанный выше способ дополнительную стадию нагревания сжатого топлива, например, электрическим нагревательным элементом, установленным в накопительной камере, или подогревателем двигателя.

Условия работы способа в соответствии с данным изобретением корректируются для получения эфирного топлива с требуемыми свойствами возгорания.

Указанные выше характеристики и аспекты изобретения более подробно объясняются в представленном ниже описании со ссылками на рисунки, в которых на единственном рисунке схематически показана система с обычным узлом непосредственного впрыска топлива с добавлением реакторов дегидратации спирта для применения в способе в соответствии с данным изобретением.

Двигатель с воспламенением от сжатия с обычной системой непосредственного впрыска топлива для применения в конкретном варианте данного изобретения содержит топливный бак для первичного топлива на основе спирта 2, соединенный через линию 3 с насосом высокого давления 4. Первичное топливо на основе спирта сжимают в насосе 4 до конечного давления впрыска и пропускают в накопительную камеру 6 обычной системы непосредственного впрыска. До попадания в камеру 6 сжатое первичное топливо на основе спирта нагревают косвенным теплообменом с горячим выхлопным газом 7 из двигателя (не показан) в теплообменнике 8.

Сжатое первичное топливо на основе спирта косвенно предварительно нагревают в теплообменнике 8 до температуры дегидратации спирта, например от 150°C до 300°C.

Во время обычных циклов нагрузки двигателя предварительно нагретое и сжатое первичное топливо на основе спирта пропускают непрерывно в накопительную камеру 6 и распределяют через линию 9а, 9b, 9с и 9d в топливные форсунки 11а, 11b, 11с и 11d.

До введения в топливные форсунки первичное топливо на основе спирта дегидратируют в присутствии катализатора дегидратации, расположенного в каждой из линий 9а-9d. Катализатор дегидратации может быть в виде изделий с каталитической активностью в линиях 9а - 9d или, как показано на рисунке, может быть в виде неподвижного слоя в реакторах 10а, 10b, 10c и 10d. При контакте с катализатором дегидратации первичное топливо на основе спирта частично превращается в указанные выше топливные смеси, содержащие простой эфир, спирт, и воду, и, возможно, бензин.

Во время запуска при низких циклах нагрузки двигателя, температура выхлопного газа двигателя может быть недостаточно высокой для обеспечивания соответствующего нагревания в теплообменнике 8. При таких циклах двигателя сжатое первичное топливо на основе спирта далее нагревают в накопительной камере 6 с помощью электрического нагревательного элемента 12, расположенного в камере. Альтернативно, или дополнительно, катализатор может быть нагрет электрически (не показано).

Так как указанная выше система работает непрерывно, излишек первичного топлива на основе спирта необходимо непрерывно выбрасывать из камеры 6. Это осуществляется с помощью клапана 14, который является гидравлическим или электрическим.

Излишек первичного топлива на основе спирта подвергается снижению давления в линии 16 к топливному баку 2.

Представленное выше описание дано на примере двигателей с обычно системой непосредственного впрыска топлива, но специалисты в данной области техники поймут, что данное изобретение также подходит для применения в других типах двигателей воспламенения от сжатия.

Представленное выше описание и рисунок являются только схематическими, части и средства, обычные для двигателей воспламенения от сжатия, являются очевидными для специалистов в данной области техники и не показаны на рисунке.

1. Способ работы двигателя с воспламенением от сжатия на эфирсодержащем топливе, полученном превращением первичного топлива на основе спирта, включающий стадии:(a) непрерывного отбора первичного топлива на основе спирта из топливного бака и сжатие первичного топлива на основе спирта в жидкой форме до конечного давления впрыска топлива в двигатель;(b) непрерывного введения сжатого первичного топлива на основе спирта в топливную накопительную камеру;(c) непрерывного распределения сжатого первичного топлива на основе спирта в трубки, соединяющие накопительную камеру с топливными форсунками двигателя;(d) перед подачей в топливные форсунки, непрерывного превращения по меньшей мере части сжатого первичного топлива на основе спирта в эфирсодержащее топливо контактом с катализатором дегидратации спирта, расположенным в каждой трубке перед топливными форсунками;(e) непрерывного впрыска эфирсодержащего топлива под давлением впрыска в двигатель; и(f) непрерывного отбора части введенного первичного топлива на основе спирта из накопительной камеры; и(g) сброс давления и рециркулирование отобранного первичного топлива на основе спирта в топливный бак.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию предварительного нагрева первичного топлива на основе спирта косвенным теплообменом с горячим выхлопным газом из двигателя.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию нагрева сжатого топлива в накопительной камере.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное топливо на основе спирта содержит смесь различных спиртов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первичное топливо на основе спирта содержит метанол и/или этанол.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первичное топливо на основе спирта содержит бензин.

7. Система для применения способа по п.1, включающаядвигатель с воспламенением от сжатия;топливный бак, приспособленный для хранения первичного топлива на основе спирта;насос высокого давления для сжатия первичного топлива на основе спирта;накопительную камеру, приспособленную для принятия и хранения сжатого первичного топлива на основе спирта;соединительные трубки для соединения накопительной камеры и топливных форсунок для впрыска топлива в двигатель с воспламенением от сжатия;катализатор дегидратации спирта, расположенный в каждой соединительной трубке между накопительной камерой и топливными форсунками; илинию рециркулирования для рециркулирования излишков первичного топлива на основе спирта из накопительной камеры в топливный бак.

8. Система по п.7, дополнительно содержащая теплообменник для нагревания первичного топлива на основе спирта косвенным теплообменом с горячим выхлопным газом двигателя с воспламенением от сжатия.

9. Система по п.7, дополнительно содержащая устройства нагревания в накопительной камере.

10. Система по п.7, дополнительно содержащая устройства нагревания для нагревания катализатора дегидратации.

11. Система по любому из пп.7-10, отличающаяся тем, что катализатор дегидратации представлен в виде изделия с каталитической активностью.