СПОСОБ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B43/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам подачи водорода в ДВС, и может быть использовано при работе ДВС на водороде, например двигателя Ч10.5/12 Владимирского тракторного завода.

Известно, что основной причиной обратных вспышек на впуске в водородном ДВС является контакт свежего заряда с горячими продуктами сгорания в начальной фазе наполнения. Ряд способов подачи водорода в ДВС направлен на предотвращение обратных вспышек. Наиболее перспективные из них основаны на подаче водорода так, что в начале впуска первая порция свежего заряда находится за пределами воспламенения по концентрации (4,7-74,2 % ).

Известен способ подачи водорода в ДВМ, при котором в начале впуска во впускном канале перед клапаном создают богатую водородовоздушную смесь, имеющую более 74,2 об. % водорода [1] .

Недостатком этого способа является невозможность его реализации на двигателях с наддувом, так как при продувке значительное количество водорода теряется.

Известно также устройство, реализующее указанный способ, содержащее аккумулятор водорода, редуктор для регулирования давления водорода, водородный канал для соединения аккумулятора водорода с околоклапанной областью впускного канала цилиндра ДВС.

Недостатком устройства является невозможность его использования на двигателях с наддувом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ принудительного впрыска компримированного водорода в зону клапана во впускном канале с запаздыванием начала впрыска относительно начала впуска и опережением отсечки водорода относительно конца впуска посредством принудительного закрытия и открытия запорных устройств на подаче водорода, находящегося под избыточным давлением относительно давления во впускном канале. Известно устройство реализации этого способа на автомобильных двигателях 745i и 21 engine [2] . Авторам удалось полностью избавиться от обратных вспышек при начале впрыска водорода на 40-ом градусе после ВМТ и отсечке водорода на 140-ом градусе после ВМТ. Эти фазы газораспределения по водороду достигнуты посредством установки во впускном канале каждого цилиндра специальных водородных форсунок, клапаны которых приводятся от плеча коромысла штатного газораспределительного механизма посредством дополнительных рычагов.

В статье K. S. Varde and J. M. Frame, A study of combustion and engine performance using electronic hydrogen fuel ingection, International Journal of Hydrogen Energy 9, page 327-332 (1984) описано устройство реализации требуемых моментов начала и конца впрыска водорода посредством установки во впускном канале каждого цилиндра электромагнитных форсунок с электронной системой управления.

Оба устройства включают аккумулятор водорода, водородный канал, регулятор давления водорода, водородный рессивер. В обоих случаях водород во впускной канал подавался под избыточным давлением 0,2-0,3 бар.

К достоинствам этого способа следует отнести возможность его реализации на двигателях с наддувом. К недостаткам - сложность и высокую себестоимость устройства реализации, высокие требования к герметичности водородных клапанов, так как при высокой текучести водорода и очень малом нижнем пределе воспламенения (4,7 об. % ) малейшая утечка водорода приводит к обратным вспышкам. Особенно сложно обеспечивать нужную герметичность при высоких оборотах двигателя.

Цель изобретения - повышение надежности в работе ДВМ, конвертированного на водород для широкого класса двигателей, включающего двигатели с наддувом.

Указанная цель достигается тем, что осуществляют подачу водорода во впускной канал цилиндра ДВС в интервале от 40^о поворота коленчатого вала (п. к. в. ) до 140^о п. к. в. после ВМТ.

Осуществляют запуск и рабочий цикл ДВС на водороде, при котором во впускном канале в месте подвода водорода измеряют следующие величины давления : P_s40 - давление на 40-ом градусе п. к. в. после ВТМ, P_s140 - давление на 140-ом градусе п. к. в. после ВМТ; P_s0 - минимальное давление на участке цикла, кроме интервала 40^о-140^о п. к. в. после ВМТ; P_s1 - минимальное давление на интервале 40-140^о п. к. в. после ВМТ, и давление в водородном ресивере Р_Н2 выдерживают в соответствии с измеренными значениями давлений в интервале
P_s1<P_H2<P_s2, где P_s2 - минимальное давление из трех величин P_s40, P_S140 и P_s0.

Способ реализуется устройством, в котором, как и в известном устройстве, имеется аккумулятор водорода, водородный канал, регулятор давления водорода в ресивере, водородный ресивер, водородный канал, сообщенный с впускным каналом цилиндра ДВС и водородным ресивером, запорное устройство, установленное между впускным и водородным каналом, согласно изобретению выполнено в виде автоматического обратного клапана, затвор которого обращен во впускной канал.

Если давление Р_Н2 удовлетворяет указанным соотношениям, то начало подачи водорода происходит в тот момент, когда статистическое давление во впускном канале в месте подвода водорода при всасывании уменьшается до величины давления, под которым находится водород, отсечка подачи водорода происходит в тот момент, когда статическое давление в канале станет больше давления, под которым находится водород.

В результате использования данного технического решения повышается надежность отсечки водорода, так как отсечка осуществляется газодинамически за счет перехода отношения давлений через единицу. Так как отличительные признака в аналогах отсутствуют, авторы и заявитель считают, что предлагаемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже схематически изображен цилиндр ДВС с газовыми системами, реализующими предлагаемый способ подачи водорода в ДВС.

Схема включает поршень, 1, цилиндр 2, выпускной коллектор 3, выпускной патрубок 4, выпускной клапан 5, впускной клапан 6, впускной канал 7, обратный автоматический клапан 8, водородный ресивер 9, управляемый дроссель 100, аккумулятор 11 водорода, трубопровод 12 и трубопровод 13.

Устройство подачи водорода включает аккумулятор 11 водорода, трубопровод 12, управляемый дроссель 10, водородный ресивер 9, трубопровод 13, сообщенный с впускным каналом цилиндра ДВС и водородным ресивером, обратный автоматический клапан 8, затвор которого обращен во впускной канал.

Направления возможного движения газов указаны стрелками.

Подача водорода в цилиндр ДВМ осуществляется следующим образом.

При перетекании водорода из водородного аккумулятора 11 в водородный ресивер 9 по трубопpоводу 12 за счет, например, гидравлического сопротивления дросселя 10 в водородном ресивере устанавливают определенное давление, соответствующее конкретному режиму работы двигателя. В начальной фазе впуска, в период перекрытия клапанов 5 и 6, продукты сгорания, имеющие более высокое давление, из выпускной системы и камеры сгорания цилиндра 2 двигателя перетекают во впускной канал 7, где давление ниже. В этот период обратный автоматический клапан 8 закрыт и истечения водорода не происходит, так как давление во впускном канале 7 выше абсолютного давления в водородном ресивере 9. Далее выпускной клапан 5 закрывается и под влиянием движения поршня 1 вниз давление в цилиндре 2 двигателя падает, когда это давление станет меньше давления во впускном канале 7, начнется движение газов в цилиндр 2.

По мере увеличения эффективного проходного сечения впускного клапана 6 в месте обратного газодинамического клапана 8 во впускном канале 7 возрастает скорость газа и соответственно падает статическое давление. В этот период впускной канал очищается от продуктов сгорания и воздух, поступающий в цилиндр 2, охлаждает стенки цилиндра и остаточные газы. В момент, когда статическое давление в канале 7 станет меньше абсолютного давления в ресивере 9, открывается обратный газодинамический клапан 8 и начинается подача цикловой дозы водорода. В конце впуска, когда эффективное проходное сечение клапана 6 уменьшается, начинается торможение потока воздуха в канале 7, а статическое давление около клапана 8 увеличивается. В момент, когда статическое давление в канале 7 около клапана 8 превышает абсолютное давление в ресивере 9, прекращается истечение водорода и захлопывается лепесток обратного автоматического клапана 8. Затем до полного закрытия клапана 6 продолжается движение газа в канале 7 и воздух, проходя через канал 7 в цилиндр 2, очищает канал 7 от водорода. Обратный автоматический клапан 8 служит лишь для предотвращения заброса газов из впускного канала 7 в трубопровод 13. Требования к герметичности клапана 8 значительно мягче, так как небольшая утечка газов через клапан 8 безопасна, кроме того, текучесть воздуха и продуктов сгорания на много ниже текучести водорода. Очевидно, что данный способ предполагает применение обратных газодинамических клапанов. Газодинамическая отсечка водорода лишена недостатков, связанных с отскоком приводных клапанов или ухудшением работы электронно-управляемых электромагнитных форсунок на высоких оборотах двигателя. Способ легко можно реализовать и на наддувном двигателе.

П р и м е р. Рассмотрим работу тракторного дизеля 10,5/12 (Д37) Владимирского тракторного завода, конвертированного на водород. На режиме 3000 об/мин по внешней скоростной характеристике цикловой расход водорода составит G_ц= 2,6533 10^-5 кг при условиях окружающей среды Р_о= 1 бар, Т_о= 25^оС.

В книге Драганова Б. Х. , Круглова М. Г. и Обуховой В. С. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания, Киев, 1987 , приведены осциллограммы изменения давления в цилиндре и во впускном канале у клапана для выбранного двигателя на рассматриваемом режиме.

На этой осциллограмме P_s140 приблизительно соответствует 98 кПа, P_s40 - 97,5 кПа, Р_s0 - 97 кПа, P_s1 - 87 кПа. Отсюда находим P_s2 - 97 кПа. Рассмотрим три случая: Р_Н2>Р_S2, Р_Н2<Р_S1, P_s1<P_H2<P_S2.

В первом случае, очевидно, часть водорода будет подаваться вне интервала 40 п. к. в. - 140^о п. к. в. после ВМТ, что неудовлетворительно.

Во втором случае подачи водорода не будет, так как разрежение во впускном канале на всасывании меньше разрежения в водородном ресивере.

В третьем случае обе точки пересечения изобары Р_Н2 с осциллограммой лежат внутри интервала 40-140^о п. к. в. после ВМТ, следовательно, подача водорода осуществляется в заданном интервале.

Так как максимальные амплитуды давлений, действующих на газодинамический клапан, не превышают 0,3 бар, пластинка клапана может быть достаточно тонкой и легкой, что соответствует требованиям малой инерциальности клапана. Явления "прилипания" клапана, имеющего место, если газодинамический клапан устанавливают в местах, смачиваемых жидким топливом или маслом, в данном случае не наблюдается, так как клапан в месте подвода водорода "сухой".

Таким образом, предлагаемый способ при реализации известных фаз подачи водорода, обеспечивающих работу ДВС без обратных вспышек на всех режимах, способствует значительному упрощению устройств реализации, повышению их надежности и удешевлению, а также более надежной газодинамической отсечке водорода, лишенной недостатков отсечки водорода приводными клапанами.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1206458, кл. F 02 B 43/08, 1986.

2. Peschka W. Liguid hydrogen fueled automative vehides in Lermary - status and degen Energy 11, 1986, p. 721-729.

Использование: в машиностроении, в частности в двигателестроении при подаче водорода во впускной канал цилиндра ДВС. Целью является повышение надежности в работе ДВС за счет ликвидации обратных вспышек на впуске. Сущность изобретения: водород под определенным разрежением подают через обратный газодинамический клапан во впускной канал. Подача водорода начинается позже начала всасывания, когда разрежение во впускном канале станет больше разрежения водорода. Отсечка подачи водорода и закрытие газодинамического клапана происходят в тот момент времени, когда при торможении потока воздуха во впускном канале в конце впуска разрежение во впускном канале уменьшится до величины разрежения водорода. После отсечки подачи водорода продолжается последняя фаза наполнения. Газодинамический клапан нужен для предотвращения заброса воздуха в водородный тракт. 1 ил.

СПОСОБ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем цикловой подачи водорода из ресивера во впускной канал в интервале 40 - 140^o поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы двигателя после его запуска, измеряют давление во впускном канале в месте подвода водорода на протяжении рабочего цикла, определяют минимальные величины давления P_S1 и P_S0 соответственно в интервале 40 - 140^o поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки и за его пределами, сравнивают величину давления P_S0 с величинами давления P_S40 и P_S140 в крайних точках интервала, определяют наименьшую из этих величин и поддерживают давление водорода P_H2 в ресивере в интервале
P_S1<<<<P_H2<<<<P_S2 ,
где P_S2 - максимальное значение из трех величин P_S40, P_S140, P_S0.