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

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроению, а именно к способам подачи водорода в ДВС, и может быть использовано при работе ДВС на водороде.

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 борьбу с обратными вспышками. Наиболее перспективные из них основаны на следующей общей идее: подача водорода организуется так, что в начале впуска первая порция свежего заряда находится за пределами воспламенения по концентрации (4,7-74,2 об. % ).

Известен способ эксплуатации ДВС, переоборудованного на питание водородом путем подключения источника водорода к впускному каналу при помощи трубопровода с регулирующим запорным органом, в соответствии с которым двигатель запускают и осуществляют рабочий цикл, при котором в начале впуска создают богатую водородно-воздушную смесь, имеющую более 74,2 об. % водорода.

Недостатком способа является невозможность его реализации для важного класса наддувных ДВС, так как при продувке значительное количество водорода будет теряться.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ эксплуатации ДВС, переоборудованного на водородное топливо путем подключения источника водорода к впускному каналу при помощи водородных форсунок, водородных клапанов с принудительным приводом, трубопровода с регулирующим запорным органом. В процессе осуществления рабочего цикла впрыск водорода во впускной канал под клапан начинают на 40-ом градусе после ВМТ, а отсечку производят на 140-ом градусе после ВМТ. При этом водород во впускной канал подавался под избыточным давлением 0,2-0,3 Бар.

К недостаткам способа следует отнести сложность и высокую себестоимость для его осуществления, высокие требования к герметичности водородных каналов, так как при высокой текучести водорода и очень малом нижнем пределе воспламенения (4,7 об. % ), малейшая кратковременная неплотность приведет к обратным вспышкам. Особенно сложно обеспечивать нужную герметичность на высоких оборотах двигателя.

Цель изобретения - повышение эффективности эксплуатации ДВС на водороде путем устранения обратных вспышек во впускном трубопроводе, для широкого класса ДВС, включающего двигатели с наддувом.

Поставленная цель достигается тем, что при способе эксплуатации ДВС, переоборудованном на водородное топливо путем подключения источника водорода к впускному каналу при помощи трубопровода с ресивером и регулирующим запорным органом, осуществляют запуск рабочий цикл, согласно изобретению, измеряют мгновенные значения давления во впускном канале в месте подвода водорода и давление в ресивере выдерживают в соответствии с измеренными мгновенными значениями в интервале, определенном из соотношения ± ^{dτ>0приτ}1^<x<τ2 ^и ± ^{dτ=0приx=τ}2 где Р₁ - большая из величин Р_S и P_H2;
Р₂ - меньшая из этих величины;
Р_S - мгновенное давление во впускном канале в месте подвода водорода;
P_H2 - давление в водородном ресивере;
v₁ - удельный объем воздуха, соответствующий давлению Р₁ на изоэнтропе;
К - показатель изоэнтропы воздуха;
d τ - дифференциал времени;
τ₁ - момент отсечки водорода;
τ₂ - момент начала подачи водорода на следующем по времени цикле;
х - текущий момент. Знак "+" перед корнем при Р_S > P_H2, знак "-" при Р_S < P_H2.

В результате использования данного технического решения повышается эффективность работы водородного ДВС, так как отсечка водорода осуществляется газодинамически за счет перехода отношения давлений через единицу и способ не предполагает использование дополнительных высокогерметичных газовых клапанов.

На фигуре схематически изображен цилиндр ДВС с газовыми системами для осуществления предлагаемого способа подачи водорода в ДВС.

Оно содержит поршень 1, цилиндр 2, выпускной коллектор 3, выпускной патрубок 4, выпускной клапан 5, впускной клапан 6, впускной канал 7, трубопровод 8, водородный ресивер 9, трубопровод 10, регулируемый дроссель 11, аккумулятор водорода 12.

Система подачи водорода включает аккумулятор водорода 12, который через трубопровод 10 и регулируемый дроссель 11 соединен с водородным ресивером 9. Водородный ресивер через трубопровод 8 соединен с впускным каналом 7. Длина трубопровода 8 обеспечивает отсутствие попадания воздуха из канала 7 в ресивер 9 (направления возможного движения газов указаны стрелками).

В соответствии с предложенным способом подача водорода в цилиндр ДВС осуществляется следующим образом: при перетекании водорода из водородного аккумулятора 12 в водородный ресивер 9 по трубопроводу 10 за счет, например, гидравлического сопротивления дросселя 11 в водородном ресивере устанавливают определенное для данного режима работы ДВС давление, которое определяет фазы газораспределения по водороду. Давление в ресивере 9 таково, что за счет волн давления и разрежения во впускном канале 7 к началу впуска в трубопроводе 8 образуется зона воздуха 1 и зона горючей смеси II (механизм формирования зон I и II рассмотрен в примере осуществления предложенного способа).

В начальной фазе впуска в период перекрытия клапанов 5 и 6 продукты сгорания из выпускной системы 3 и 4 и камеры сгорания 2 перетекают во впускной канал 7. При этом наличии воздушной зоны 1 препятствует контакту продуктов сгорания с горючей смесью зоны II. Далее выпускной клапан 5 закрывается и под влиянием движения поршня 1 вниз давление в цилиндре двигателя 2 падает. В этот период начинается движение воздуха и продуктов сгорания в канале 7 в цилиндр 2. Одновременно под влиянием падения давления на всасывании в канале 7 в месте подвода трубопровода 8 идет истечение воздуха (зона I) из трубопровода 8 в канал 7. Время истечения воздуха из трубопровода 8 в канал 7 определяется требуемой задержкой подачи водорода. Затем из трубопровода 8 в канал 7 вытекает смесь водорода с воздухом (зоны II) и далее - чистый водород. Отсечка водорода происходит в тот момент, когда при торможении потока газа в конце впуска статическое давление в канале 7 в месте подвода водорода достигает величины P_H2 - давления в ресивере 9. Далее по мере роста давления Р_S начинается заброс воздуха из канала 7 в трубопровод 8. При этом до закрытия впускного клапана 6 воздух продолжает по впускному клапану 7 поступать в цилиндр 2, очищая канал 7 от водорода. Интервал времени от отсечки водорода до закрытия впускного клапана определяется требуемым опережением отсечки водорода. Далее до начала следующего впуска под влиянием волн давления и разрежения во впускном канале 7 идет формирование воздушной зоны I в трубопроводе 8 и процесс повторяется.

Так как предложенный способ не предполагает использование дополнительных газовых клапанов, то для его осуществления требуются более простые устройства.

П р и м е р. В качестве примера, иллюстрирующего способ, рассмотрим работу двигателя ВАЗ-2101, конвертированного на водород, на режиме n = 5500 об/мин по внешней скоростной характеристике. Принимаем, что давление в ресивере 9 поддерживается на этом режиме равным P_H2 = 1,02x x10³ Па. Емкость ресивера 9 принимаем достаточной, чтобы пренебречь пульсациями давлений в нем. Атмосферные условия: Р_о = = 10⁵Па, Т_о = 300 К. Наличие дополнительного отверстия в околоклапанной области канала, приводящее к дополнительному перетеканию газов в трубопровод 8 и обратно будет уменьшать амплитуды волн, изображенных на графике (см. фиг. 2). В случае, если сечение трубопровода 8 достаточно мало по отношению к сечению впускного канала 7, то качественно волновая картина не изменится. Итак примем пульсации давления, изображенные на графике, как исходные для расчета.

На интервале от точки 0 до 0'' на графике на каждой полуволне давления и разрежения, опирающейся на изобару P_H2 = 1,02x x10⁵ Па определим среднеинтегральное давление на полуволне, а затем среднеинтегральные отношения давлений для полуволн разрежения и для полуволн давления. Определяя по графику время истечения для каждой полуволны, по формуле для изоэнтропического истечения определим удельные расходы воздуха на каждой полуволне. Расход при перетекании воздуха из канала 7 в трубопровод 8 считаем положительным. В порядке следования полуволн от точки 0 и до 0'' имеем: первая полуволна Щ₁ = 79,83˙ 10^-2 кг/м²; вторая полуволна Щ₂ = -62,39 ˙ 10^-2 кг/м²; третья полуволна Щ₃= 60 ˙10^-2 кг/м²; четвертая полуволна Щ₄ = -63,16 ˙ 10^-2кг/м²; пятая полуволна Щ₅ = 46,04 ˙ 10^-2 кг/м². Легко видеть, что на интервале от 0 до 00'' идет перетекание воздуха из канала 7 в трубопровод 8 и обратно, причем к точке 0'' удельный расход (сумма найденных расходов) составит +60,32 кг/м². Итак к началу очередного впуска между каналом 7 и водородом в трубопроводе 8 за счет заброса сформировалась воздушная зона 1. Часть заброшенного воздуха перемещается с водородом, поэтому между воздухом и водородом в канале 8 выделим зону горючей смеси II. Для определения сечения трубопровода 8 можно положить, что зона II отсутствует, т. е. предположить границу раздела между водородом и воздухом в трубопроводе 8. Найдем какое время понадобится при истечении воздуха из трубопровода 8 в канал 7 на полуволне разрежения, соответствующей наполнению 0'' - 0'. Формулу для изоэнтропического истечения приравняем удельному расходу в точке 0'' +60,32 кг/м². Задаваясь временем истечения и отыскания среднеинтегрального отношения , итерационно добьемся совпадения левой и правой частей. Итак истечение воздуха закончится к точке Х_о - 56^о после ВМТ.

Положения точек Х_о и 0' определяют фазы газораспределения по водороду, Х_о - 56^о после ВМТ. 0' - 160^о после ВМТ. По сравнению с фазами, предложенными в статье W. Peschka (40^о и 140^о после ВМТ) задержка подачи водорода получилась несколько большей, что благоприятно ввиду наличия зоны II (см. фиг. 1). Опережение отсечки водорода получилось несколько меньшим (на 20^о п. к. в. ), что не является принципиальным, так как, уменьшив объем ресивера 9, мы получим уменьшение давления в нем по мере истечения водорода и смещения точки 0' влево по графику. В частности для достижения точкой 0' 140^о после ВМТ требуется падение давления всего на 0,05 бар. Незначительное уменьшение давления P_H2проводит к значительной сдвижке точки Х_о вправо.

Таким образом можно не только регулировать задержку подачи водорода, но и качественно строить нагрузочную характеристику, так как при заданной площади сечения трубопровода 8 уменьшение давления в ресивере 9 приведет к сокращению цикловой подачи водорода. Способ можно легко реализовать на двигателе с наддувом. (56) W. Peschka. Ligued hydrogen fuelis auaatomoteve wehicles in Germany - status and development, International Journal of Hydrogen Energy H. , 721-729 (1986).

Изобретение относится к способам эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, переоборудованных на питание водородом. Целью изобретения является повышение эффективности путем устранения обратных вспышек во впускном трубопроводе. Давление, под которым подают водород (В), устанавливают таким, что под действием волновых газодинамических процессов в впускном канале (ВК) к началу впуска в водородный тракт (ВТ) забрасывается воздух. Этот воздух препятствует контакту горячих продуктов сгорания в начале впуска с водородовоздушной смесью, находящейся в ВТ за воздухом. Истечение воздуха в начале впуска из ВТ в ВК обеспечивает нужную задержку подачи. Отсечка подачи В происходит до закрытия впускного клапана за счет роста давления в ВК при торможении потока воздуха в конце впуска. После отсечки подачи В продолжается последняя фаза впуска и ВК очищается потоком воздуха от В. 2 ил.

СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, переоборудованного на питание водородом путем подключения источника водорода к впускному каналу при помощи трубопровода с ресивером и регулирующим запорным органом, в соответствии с которым осуществляют запуск рабочий цикл на водороде, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем устранения обратных вспышек во впускном трубопроводе, измеряют мгновенные значения давления во впускном канале в месте подвода водорода и давление в ресивере выдерживают в соответствии с измеренными мгновенными значениями давления в интервале, определенном из соотношения
± ^{dτ>0приτ}1^<x<τ2 ,
± ^{dτ=0приx=τ}
где знак "+" перед корнем при P_s > P_н2, знак "-" при P_s < P_н2;
P₁ - большая из величин P_s и P_н2;
P₂ - меньшая из этих величин;
P_s - мгновенное давление во впускном канале в месте подвода водорода;
P_н2 - давление в водородном ресивере,
V₁ - удельный объем воздуха, соответствующий давлению P₁₁ на изоэнтропе;
K - показатель изоэнтропы воздуха;
dτ - дифференциал времени;
τ₁ - момент отсечки водорода;
τ₂ - момент начала подачи водорода на следующем по времени цикле;
x - текущий момент.