СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК F02B75/10 F01N3/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и направлено на снижение токсичности отработавших газов.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, включающий наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом, сжатие заряда в цилиндрах, воспламенение и сгорание горючей смеси, выпуск из цилиндров отработавших газов, энергию расширения которых в цилиндрах преобразовывают в механическую работу, очистку отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе и выпуск их в атмосферу. Известный способ предусматривает также частичную рециркуляцию отработавших газов и отключение подачи топлива в часть цилиндров на режимах малых нагрузок двигателя и холостого хода [1]
Очистка отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе с использованием катализаторов из благородных металлов, в том числе очистка в трехкомпонентном нейтрализаторе, не обеспечивает выполнение перспективных жестких норм по токсичности отработавших газов, но к тому же требует наличия сложной системы регулирования (с датчиком содержания кислорода в отработавших газах), введение дополнительного воздуха в нейтрализатор, принятия дополнительных мер по очистке отработавших газов, например, путем их рециркуляции [2]
Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств, в которых с целью снижения токсичности отработавших газов используют подачу в свежий заряд водорода, вырабатываемого газогенератором на борту транспортного средства [4]
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, предусматривающий транспорт средства, включающий наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом, сжатие заряда в цилиндрах, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск из цилиндров в атмосферу отработавших газов, энергию расширения которых в цилиндрах преобразовывают в механическую работу. Известный способ предусматривает подачу во впускную систему двигателя дозируемого количества водорода вырабатываемого на борту транспортного средства в электролизере, в котором используется принцип электролиза (разложения) воды на водород и кислород. Кислород, получаемый в упомянутом газогенераторе одновременно с водородом, выпускают в атмосферу [3]
Введение присадки водорода в свежий заряд способствует улучшению рабочего процесса двигателя. Но известный способ работы двигателя, не предусматривающий каталитическую очистку продуктов сгорания, не обеспечивает, как и вышеупомянутый аналог, выполнение перспективных норм по токсичности отработавших газов. Недостатком известного способа работы двигателя транспортного средства является и то, что при его реализации от газогенератора используют только водород, а получаемый одновременно кислород выпускают в атмосферу, упуская возможность дополнительного воздействия на уровень токсичности отработавших газов.

Задачей данного изобретения является разработка способа работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, который при минимальных расходах сырьевых ресурсов обеспечил бы снижение содержания основных токсичных компонентов отработавших газах, в первую очередь, окислов азота, углеводородов и тем самым удовлетворение транспортным средством перспективных жестких норм на токсичность отработавших газов.

При использовании на борту транспортного средства для решения этой основной задачи электролизера воды ставится дополнительная задача наиболее полно использовать возможности упомянутого средства генерирования газов с целью получения максимального эффекта в решении упомянутой основной задачи изобретения.

Поставленная задача решается тем, что в соответствии с предложенным способом работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, включающим наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом, сжатие заряда в цилиндрах, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск из цилиндров отработавших газов, энергию расширения которых в цилиндрах преобразовывают в механическую работу, к потоку отработавших газов после выпуска их из цилиндра добавляют водород, а затем подают смесь отработавших газов с водородом в каталитический нейтрализатор и осуществляют выпуск газов из нейтрализатора в атмосферу.

Водород подают в поток отработавших газов при работе двигателя с мощностью, соответствующей 10 90% от номинальной.

В упомянутом диапазоне развиваемой двигателем мощности расход водорода увеличивают по мере ее увеличения.

Водород подают в поток отработавших газов и на режимах разгона транспортного средства, при этом подачу водорода начинают осуществлять с временной задержкой от начального момента увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя, причем с увеличением интенсивности разгона временную задержку увеличивают.

Водород в поток отработавших газов подают в количестве 1 8% от количества свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя. Подачу водорода в поток отработавших газов осуществляют до достижения температуры отработавших газов 840 850^oC.

При использовании в качестве источника водорода бортового электролизера воды, водород из газогенератора сначала отводят в аккумулирующую камеру, после чего из камеры подают его в поток отработавших газов.

В цилиндры двигателя через его впускную систему подают кислород. Кислород подают при работе двигателя с мощностью, соответствующей 0 10% и 90 100% от номинальной. Кислород подают в цилиндры двигателя на режимах разгона транспортного средства. Кислород в цилиндры двигателя подают в количестве 1
5% от количества подаваемого в них свежего заряда.

При реализации заявляемого способа работы в двигателе внутреннего сгорания подмешивание водорода к отработавшим газам обеспечивает интенсивное дожигание углеводородов и последующее при отсутствии или дефиците кислорода эффективное восстановление окислов азота. Одновременное введение водорода в поток отработавших газов и кислорода в поток свежего заряда обуславливает еще более эффективную конверсию окислов азота. Следствием отмеченного является снижение суммарной токсичности отработавших газов.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации заявляемого способа работы транспортного средства; на фиг. 2 функциональная схема используемого электронного блока; на фиг. 3 влияние подвода водорода на вход каталитического нейтрализатора на выброс окислов азота (фиг. 3,а) и углеводородов (фиг. 3, б) и температуру отработавших газов (фиг. 3,в) двигателя легкового автомобиля при частоте вращения коленчатого вала 2000 мин.^-1 и постоянной нагрузке 25% от номинальной.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания транспортного средства с искровым зажиганием содержит блок цилиндров 1 с системами впуска и выпуска. Впускная система содержит воздухоочиститель 2, впускной коллектор 3, впускные каналы в головке блока с клапанами (не показаны). Выпускная система транспортного средства содержит выпускные каналы в головке блока с клапанами (не показаны), выпускной коллектор 4, выпускную трубу 5, клапаны подачи воздуха 6, каталитический нейтрализатор 7 и глушитель (не показан). Двигатель содержит также устройство для подачи топлива 8, газогенератор 9 для генерирования водорода, в частном случае выполнения электролизер, с входом для воды (не показан), водородным 10 и кислородным 11 выходами, с электропитанием от источника тока транспортного средства (не показан), дозатор 12 водорода и дозатор 13 кислорода, первый из которых установлен в магистрали 14, связывающей водородный выход 10 газогенератора 9 с выпускной трубой 5 перед входом в каталитический нейтрализатор 7, а второй дозатор установлен в магистрали 15, связывающей кислородный выход 11 электролизера 9 со смесительной камерой впускного коллектора 3. В магистрали 14 между электролизером 9 и дозатором 12 установлена аккумулирующая камера 16.

Каталитический нейтрализатор 7 конструктивно состоит из входного и выходного патрубков, корпуса и заключенного в него сотового металлического или керамического блока с нанесением на его поверхность первичного носителя из окиси алюминия и катализатора на основе металлов платиновой группы. Катализатор предназначен для окисления окиси углерода CO и углеводородов CH при альфа > 1 и восстановление окислов азота NO_x при альфа < 1. При альфа 1 он обеспечивает одновременные процессы окисления CO и CH и восстановления NO_x. Процессы нейтрализации токсичных веществ осуществляются в диапазоне температур в реакторе 200 800^oC, причем, при температурах выше 850^oС. эффективность катализа снижается, а керамическая основа меняет свои свойства вплоть до разрушения и оплавления. Для предотвращения перегрева нейтрализатор имеет датчик сигнализатор критической температуры 17.

Двигатель снабжен органом управления нагрузкой двигателя дроссельной заслонкой 18 и электронным блоком 19, к входу которого подключены датчик 20 частоты вращения коленчатого вала двигателя, датчик 21 расхода воздуха, датчик 22 положения органа 18 управления нагрузкой двигателя, датчик 23 температуры охлаждающей жидкости и датчик-сигнализатор 17, выходы электронного блока 19 подключены к дозаторам водорода 12, кислорода 13 и клапанам подачи воздуха 6.

Электронный блок 19 (фиг. 2) включает в себя формирователи сигналов 24 - 26, которые подключены к датчикам 17, 20, 21, 22, блок вычисления режима разгона 27, аналого-цифровые преобразователи 28 и 29, 2-х пороговое устройство 30, цифровое запоминающее устройство 31, дешифратор 32, усилители мощности 33 35, блок регулирования и задержки 36, блок управления подачей воздуха 37.

На фиг. 3 по оси абсцисс отложены значения коэффициента избытка воздуха
альфа, характеризующие состав топливовоздушной смеси, подаваемой в цилиндры двигателя, по оси ординат количественные значения содержания окислов азота NO_x (pp m) (фиг. 3,а) и углеводородов CH (pp m) (фиг. 3,б) в отработавших газах и температуры этих газов T_ОГ (град. C) (фиг. 3,в).

На фиг. 3 (а в) кривые содержания NO_x и CH и T_ОГ приведены для различных значений количества подводимого водорода, при этом кривые 38 соответствуют содержанию NO_x и CH и T_ОГ без подвода водорода, кривые 39 41 при расходе соответственно 0,1; 0,2 и 0,3 кг/ч.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

При работе двигателя свежий заряд (расход воздуха + расход топлива) по впускному коллектору 3 подают в цилиндры. Сжатая в них горючая смесь воспламеняется и сгорает. Энергию расширения газов в цилиндрах преобразовывают в механическую работу, а отработавшие газы из цилиндров подают в каталитический нейтрализатор 7, где осуществляют их каталитическую очистку и выпуск в атмосферу.

С помощью электронного блока 19 обрабатывают информацию, поступающую от датчиков 20, 21, 22, 17, различают интервалы нагрузки двигателя, определяют моменты регулирования и управляют работой исполнительных устройств 6, 12, 13.

Для того, чтобы добиться различия интервалов нагрузки двигателя, в процессе эксперимента получают например семейство зависимостей P_н f(n), где P_н текущее значение нагрузки при различных расходах воздуха G_в, на основании которых составляют матрицу режимов, которую реализуют в запоминающем устройстве 31. По текущим значениям n и G_в, поступающим от аналого-цифровых преобразователей 28 и 29 на вход запоминающего устройства 31, на его выходе получают текущее значение нагрузки двигателя P_н, с помощью дешифратора 32 различают интервалы нагрузки и с учетом сигналов от блока вычисления режимов разгона 27 управляют работой усилителя мощности 33, блоком регулирования и задержки 36 и блоком управления подачей воздуха 37.

Блок регулирования и задержки 36, получая сигнал от дешифратора 32 в совокупности с сигналом от 2-х порогового устройства (на T_ог 400^oC и T_ог 850^oC 30, через усилитель мощности 35 производит управление дозатором водорода 12. Блок управления подачей воздуха 37, получая сигнал от дешифратора 32 в совокупности с сигналом от 2-х порогового устройства 30, через усилитель мощности 34 производят управление клапаном подачи воздуха 6. Усилитель мощности 33 управляет работой дозатора кислорода 13.

При работе двигателя на холостом ходу и малых нагрузках (от 0 до 10% номинальной мощности" каталитическая очистка отработавших газов в нейтрализаторе осуществляется следующим образом.

На вход нейтрализатора подается дополнительный воздух с помощью клапанов 6 и при избытке кислорода (до 10%) в сотовых блоках при температурах 200 400^oС в присутствии катализатора на основе металлов платиновой группы (платина, палладий и др.) идет процесс окисления CO и CH до CO₂ и H₂O. Степень конверсии (преобразования) CO и CH достигает 90 95% Концентрации NO_x в отработавших газах на этих режимах не превышает 100 pp m (0,001%), что составляет не более 1 3% выброса NO_x на этих режимах, от общего выброса NO_x за "ездовой цикл" Правил ЕЭК ООН или стандарта США ГТР-75.

При положении органа 18 управления нагрузкой двигателя, соответствующем 10 90% номинальной, при котором в цилиндры двигателя подают обедненную смесь (альфа > 1), по сигналу из электронного блока 19 к отработавшим газам в выпускную трубу 5 перед входным патрубком нейтрализатора 7 через дозатор 12 подмешивают водород в количестве 1 8% от количества свежего заряда и смесь отработавших газов и водорода поступает в нейтрализатор. В этом случае перед нейтрализатором протекают следующие процессы. Водород восстанавливает избыточный кислород, происходит интенсивное дожигание углеводородов. Температура отработавших газов достигает 600^oC и более. Оставшиеся в отработавших газах NO_x восстанавливаются в нейтрализаторе на платино-родиевом катализаторе при отсутствии или дефиците кислорода. Как видно из фиг. 3 (а в) введение водорода в поток отработавших газов перед нейтрализатором обеспечивает снижение выбросов NO_x и CH.

При увеличении подачи водорода до 0,3% кг/ч на режиме постоянной частоты вращения и нагрузки при обедненных смесях выброс NO_x уменьшается в 3 - 30 раз, а CH и еще более по сравнению со способом работы, когда водород на выпуск не подают. При этом при увеличении подачи водорода с 0,2 до 0,3 кг/ч темп снижения выбросов NO_x и CH снижается.

При работе двигателя в диапазоне 10 90% от номинальной нагрузки при увеличении (уменьшении нагрузки подачу водорода увеличивают) уменьшают пропорционально.

При нагрузке более 90% от номинальной мощности, а также нагрузке от 0 до 10% от номинальной, когда в цилиндры двигателя подается обогащенная смесь (альфа < 1), подачу водорода в выпускную трубу отключают и процессы очистки отработавших газов от NO_x в нейтрализаторе аналогичны описанным выше при дефиците кислорода.

При разгоне транспортного средства когда ускорение частоты вращения коленчатого вала превышает заданную пороговую величину 80 120 мин^-2, электронный блок с временной задержкой в пределах 2 4 с устанавливает на выходе сигнал на включение дозатора водорода. Временная задержка связана с тем, что во второй части разгона по мере уменьшения обогащения смеси в отработавших газах появляется кислород. Чем больше интенсивность разгона и длительный переходный процесс к обедненной смеси, тем больше увеличивают временную задержку. На нейтрализаторе в первой части разгона идет восстановление NO_x при дефиците кислорода, а во второй части разгона избыточный кислород восстанавливается перед нейтрализатором за счет подачи водорода. При этом происходит дожигание CO и CH.

Исходя из требования минимизации выделения окислов азота и углеводородов в отработавших газах и расхода водорода подачу водорода в выпускную трубу на упомянутых режимах осуществляют в количестве 1 8% от количества свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя. При повышении температуры отработавших газов на выходе из нейтрализатора (за его выходным патрубком) свыше 840 850^oC, дозатор водорода 12 отключают на всех режимах.

При использовании в качестве источника водорода бортового электролизера воды 9, водород из электролизера сначала отводят в аккумулизирующую камеру 16, а из камеры подают на упомянутых режимах в поток отработавших газов. Это позволяет накопить водород для использования на режимах, где необходимы его большие расходы (режимы разгона и нагрузок более 30% от номинальной мощности).

Кислород, вырабатываемый газогенератором 9 не отводят в атмосферу как в прототипе, а подают во впускную систему двигателя, в зону до ее разветвления на ветви впускного коллектора 3, питающие отдельные цилиндры двигателя. Посредством электронного блока 19 кислород с помощью дозатора 14 в количестве 1 5% от количества свежего заряда подают в двигатель на нагрузочных режимах 0 10% и 90 100% от номинальной мощности, при которых в цилиндрах двигателя находится обогащенная смесь.

Введение кислорода в цилиндры на этих режимах обеспечивает улучшение процесса горения топлива и снижает содержание в отработавших газах CO и CH. Кислород подают в цилиндры и на режимах разгона транспортного средства, при этом подачу его дозатором начинают осуществлять от момента начала открытия дроссельной заслонки 18 системы питания. Одновременное введение на режимах разгона водорода в поток отработавших газов и кислорода в поток свежего заряда обеспечивает подачу на нейтрализатор отработавших газов с минимальными содержаниями CO, CH и O₂, что обеспечивает эффективную конверсию на нем NO_x.

На режимах принудительного холостого хода, на которых отключают подачу топлива в цилиндры двигателя, дозаторы водорода и кислорода также прекращают подачу этих газов.

Таким образом, заявляемый способ работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства обеспечивает при минимальном расходе водорода снижение содержания оксидов азота и углеводородов в отработавших газах.

Кроме того, наиболее полно используются возможности упомянутого генератора путем подачи кислорода во впускную систему двигателя, чем обеспечивается дополнительное уменьшение токсичности при одновременном снижении расхода топлива транспортным средством.

Упрощение системы нейтрализации, используемой при реализации заявляемого способа, по сравнению с аналогом, в котором она используется, связано с отсутствием датчика содержания кислорода в отработавших газах с системой электронного управления.

Реализация предлагаемого способа работы двигателя внутреннего сгорания на автомобиле "Орбита" ИЖ-2126 обеспечила ему выполнение перспективных требований стандарта США с 1996 г.

Использование: изобретение относится к двигателестроению и направлено на снижение токсичности отработавших газов. Сущность изобретения: способ включает наполнение цилиндров двигателя сверим зарядом, сжатие заряда в цилиндре, воспламенение горючей смеси и выпуск из цилиндров отработавших газов (ОГ), энергию расширения которых преобразовывают в механическую работу, к потоку отработавших газов после выпуска их из цилиндра добавляют водород, а затем подают смесь ОГ с водородом в каталитический нейтрализатор и осуществляют выпуск газов из нейтрализатора в атмосферу. Вырабатываемый в электролизере на борту транспортного средства наряду с водородом кислород подают во впускную систему двигателя. Подмешивание водорода к ОГ обеспечивает интенсивное дожигание углеводородов и последующее при отсутствии или дефиците кислорода эффективное восстановление окислов азота, следствием чего является снижение суммарной токсичности ОГ. Одновременное введение водорода в поток ОГ и кислорода в поток свежего заряда обуславливает еще более эффективную конверсию окислов азота, а также снижение расхода топлива транспортным средством. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, включающий наполнение цилиндров двигателя свежим зарядом, сжатие заряда в цилиндрах, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск из цилиндров отработавших газов, энергию расширения которых в цилиндрах преобразовывают в механическую работу, отличающийся тем, что к потоку отработавших газов после выпуска их из цилиндра добавляют водород, а затем подают смесь отработавших газов с водородом в каталитический нейтрализатор и осуществляют выпуск газов из нейтрализатора в атмосферу. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород подают в поток отработавших газов при работе двигателя с мощностью, соответствующей 10 90% от номинальной. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в упомянутом диапазоне развиваемой двигателем мощности расход водорода увеличивают по мере ее увеличения. 4. Способ пп.1 3, отличающийся тем, что водород подают в поток отработавших газов на режимах разгона транспортного средства, при этом подачу водорода начинают осуществлять с временной задержкой от начального момента увеличения частоты вращения вала двигателя, причем с увеличением интенсивности разгона временную задержку увеличивают. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что водород в поток отработавших газов подают в количестве 1 8% от количества свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя. 6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что подачу водорода в поток отработавших газов осуществляют до достижения температуры отработавших газов 840 850^oС. 7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что при использовании в качестве источника водорода бортового электролизера воды водород из электролизера сначала отводят в аккумуляторную камеру, после чего из камеры подают его в поток отработавших газов. 8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что в цилиндры двигателя через его впускную систему подают кислород. 9. Способ по пп.1 8, отличающийся тем, что кислород подают в цилиндры двигателя при работе его с мощностью, соответствующей 0 10% и 90 100% от номинальной. 10. Способ по пп.1 9, отличающийся тем, что кислород подают в цилиндры двигателя на режимах разгона транспортного средства. 11. Способ по пп.1 10, отличающийся тем, что кислород в цилиндры подают в количестве 1 5% от количества подаваемого в них свежего заряда.