Область изобретения
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и особенно, но не исключительно, к двигателям внутреннего сгорания для питания автомобильной техники.
Уровень техники
Возвратно-поступательный поршневой двигатель искрового зажигания является одним из наиболее известных видов двигателей внутреннего сгорания, используемых для питания автомобильной техники. Возвратно-поступательные поршневые двигатели искрового зажигания содержат ряд поршней, расположенных так, чтобы обмениваться с соответствующими цилиндрами, при этом каждый из них соединен с коленчатым валом. Каждый цилиндр оснащен впускной запорной арматурой для контроля притока воздуха и топлива, и выпускной запорной арматурой для защиты выхлопных газов от продуктов сгорания, а также свечой зажигания для воспламенения смесь воздуха и топлива. При том, что поставку топлива в двигатель осуществляет карбюратор, воздух и топливо смешиваются во впускном коллекторе вверх по течению от цилиндров, а впускная запорная арматура содержит впускной клапан, который контролирует потребление топливно-воздушной смеси в цилиндре. Если подача топлива в цилиндры осуществляется посредством впрыскивания топлива, запорная арматура на входе содержит два клапана. Один из клапанов является инжектором топлива, а второй является клапаном, впускающим воздух. Инжектор топлива может быть устроен так, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, или может подавать его во впускной воздуховод просто вверх по течению воздуха по впускному клапану.
Как правило, возвратно-поступательные двигатели искрового зажигания работают по четырехтактному циклу. Каждое движение поршня вверх или вниз по его цилиндру содержит один ход четырехтактного цикла. Четырехтактный цикл состоит из: впускного такта, во время которого открывается впускной клапан, а воздух и топливо поступают в двигатель, в то время, как поршень движется к коленчатому валу; такта сжатия, во время которого закрываются впускной и выпускной клапаны, а смесь воздуха и топлива сжимается, в то время как поршень движется по направлению от коленчатого вала; силового, или рабочего такта, во время которого сжатая смесь воспламеняется, происходит быстрое расширение, вызванное сгоранием смеси, заставляет поршень двигаться обратно к коленчатому валу; а также выпускного такта, во время которого запорный выпускной клапан открывается и выпускает выхлопные газы из цилиндра, в то время как поршень снова движется по направлению от коленчатого вала.
Некоторые возвратно-поступательные поршневые двигатели искрового зажигания работают в режиме двухтактного цикла, который представляет собой вариант четырехтактного цикла. Такие двигатели, как правило, меньше мощностью, чем четырехтактные двигатели, и в сфере пассажирского автотранспорта, как правило, используются в двухколесных транспортных средствах. Двухтактные двигатели используют порты, расположенные вдоль одной стороны цилиндра вместо клапанов. Когда поршень движется вверх и вниз по цилиндру, порты закрываются и открываются в зависимости от того, где в цилиндре находится поршень. По сути, в двухтактном двигателе процессы индукции и сжатия происходят во время первого такта, а процессы сгорания и выхлопа происходят во время второго такта.
Поршневой компрессионный двигатель внутреннего сгорания является еще одной формой двигателя, обычно используемой для электропитания автомобильной техники. Возвратно-поступательные поршневые двигатели, воспламеняющиеся от сжатия, используют топливо более высокой температуры самовоспламенения, чем топливо, используемое при искровом зажигании, и используют модифицированную версию четырехтактного цикла, описанного выше. В частности, во время такта впуска, воздух поступает в цилиндр, при этом сжимается до высокого давления и температуры в течение такта сжатия. Затем топливо вводится непосредственно в цилиндр (или в смесительную камеру, которая ведет в цилиндр), и сгорание происходит тогда, когда топливо смешивается со сжатым воздухом высокой температуры в цилиндре. Исторически поршневые двигатели с воспламенением от сжатия поршня всегда считались шумными и медленными, и в области автомобилестроения они использовались главным образом для грузовых автомобилей и других видов коммерческих транспортных средств, таких, как автобусы. Однако в более поздние времена, были разработаны высокопроизводительные возвратно-поступательные поршневые двигатели с воспламенением от сжатия, и теперь поршневые двигатели с воспламенением от сжатия широко используются в создании маломестных пассажирских транспортных средств, таких как легковые автомобили.
Двигатель Ванкеля является еще одной формой двигателя искрового зажигания, который используется для электропитания автомобильной техники. Двигатель Ванкеля использует «четырехтактный» цикл, похожий на четырехтактный цикл, используемый двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием возвратно-поступательного движения поршня. Однако вместо возвратно-поступательных поршней, двигатель Ванкеля имеет примерно треугольной формы ротор, который монтируется на эксцентриковый вал для вращения в камере приблизительно овальной формы (формы эпитрохоида). «Четыре такта» имеют место в промежутках между ротором и стенкой камеры.
Общей чертой этих общеизвестных двигателей внутреннего сгорания является то, что смесь топлива и воздуха поступает в камеру, в которой смесь сжигается таким образом, что быстрое расширение смеси, вызванное сгоранием, действует непосредственно на объект (поршень или ротор), который подключен к выходному валу таким образом, чтобы вызвать вращение вала; выходная мощность двигателя обусловлена вращением вала.
Также был предложен двигатель, в котором жидкое тело действует как возвратно-поступательный поршень.
Описание изобретения
Изобретение обеспечивает способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающего камеру сгорания переменного объема и катализатор, способ включает следующие этапы: впускают входящий газ, поступающий в указанную камеру сгорания; сокращают объем указанной камеры сгорания, чтобы сжать указанный входящий газ и поднять давление в указанной камере сгорания с первого уровня давления на второй уровень давления; впускают жидкость и паро-преобразующее топливо в указанную камеру сгорания, когда давление в указанной камере сгорания достигает заранее заданного среднего давления, указанного первого и второго уровней давления, так чтобы указанная жидкость и паро-преобразующее топливо абсорбировали тепло, произведенное указанным сжатием указанного входящего газа в присутствии указанного катализатора, чтобы запустить процесс преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости; и когда давление в указанной камере сгорания находится по крайней мере на указанном втором уровне давления, впускают горючее топливо в указанную камеру и сжигают указанное горючее топливо и водород, при этом объем указанной камеры сгорания изменяется посредством передвижения прибора, размещенного в указанном корпусе, и сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания, и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
В одном из вариантов, осуществляется пропуск указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания в качестве смеси.
В одном из вариантов, контроль за допуском указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания осуществляется так, что температура в указанной камере остается по существу постоянной.
В одном из вариантов, контроль за допуском указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания осуществляется так, что температура в указанной камере остается по существу постоянной.
В одном из вариантов, допуск указанной жидкости в указанную камеру осуществляется в качестве водяной дымки, испарений или комбинации водяной дымки и испарений.
Один из вариантов, включает выпуск выхлопных газов, производимых в процессе сгорания указанного горючего топлива и водорода, из указанной камеры сгорания, и получение тепла из указанных выпущенных выхлопных газов для нагрева указанной жидкости до того, как впустить указанную жидкость в указанную камеру сгорания.
Один из вариантов дополнительно включает контроль допуска указанного горючего топлива в указанную камеру сгорания, так, что в течение по крайней мере первого этапа сгорания указанного горючего топлива и водорода поддерживается по существу постоянное давление.
В одном из вариантов указанный прибор включает:
i) возвратно-поступательный поршень; или
ii) вращательный элемент.
В одном из вариантов указанный катализатор переносится указанным возвратно-поступательным поршнем или вращательным элементом.
В одном из вариантов указанный катализатор обеспечивается на стенке указанной камеры сгорания.
В одном из вариантов указанный катализатор обеспечивается, по крайней мере, на одном из:
i) инжектор, посредством которого указанное паро-преобразующее топливо или горючее топливо пропускается в указанную камеру сгорания; и
ii) воспламенитель, который инициирует сгорание указанного горючего топлива и водорода.
В одном из вариантов указанное паро-преобразующее топливо и горючее топливо идентичны.
Изобретение также включает в себя двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус и прибор в указанном корпусе, смещаемый в указанном корпусе для определения переменного объема камеры сгорания; катализатор в указанной камере сгорания; первую запорную арматуру, пропускающую входящий газ в указанную камеру сгорания; систему подачи жидкости; вторую запорную арматуру, подсоединенную к указанной системе подачи жидкости и обеспечивающую пропуск жидкости из указанной системы подачи жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания; и контроллер, выполненный с возможностью вынудить указанную первую запорную арматуру пропускать порцию входящего газа в указанную камеру сгорания, и когда существуют заранее заданные условия в указанной камере сгорания во время движения указанного прибора для сокращения объема указанной камеры сгорания, причем указанный входящий газ должен сжаться и поднять давление указанного входящего газа с первого уровня давления на второй уровень давления, что заставляет указанную вторую запорную арматуру пропускать жидкость из указанной системы подачи жидкости и количество указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру, причем указанная жидкость и паро-преобразующее топливо должны начать абсорбировать тепло, произведенное указанным сжатием указанного входящего газа в присутствии указанного катализатора для стимулирования процесса преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости, при этом сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания, и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
Изобретение также включает в себя двигатель внутреннего сгорания, который включает: корпус и прибор в указанном корпусе, способный перемещаться в указанном корпусе с возможностью определения переменного объема камеры сгорания; по меньшей мере одно крепление для катализатора в указанной камере сгорания; первую запорную арматуру для пропуска входящего газа в указанную камеру сгорания; систему подачи жидкости; вторую запорную арматуру, соединенную с указанной системой подачи жидкости, и предназначенную для запуска жидкости из указанной системы подачи жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания; и контроллер, выполненный с возможностью инициации указанной первой запорной арматурой запуска входящий в указанную камеру сгорания газа порциями, и, когда в указанной камере сгорания создадутся заранее заданные условия во время движения указанного прибора для сокращения объема указанной камеры сгорания, так, что указанный входящий газ должен сжаться и поднять давление указанного входящего газа с первого уровня давления на второй уровень давления, чтобы заставить указанную вторую запорную арматуру пропустить жидкость из указанной системы подачи жидкости, и количество указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру, причем указанная жидкость и паро-преобразующее топливо должны абсорбировать тепло, производимое указанным сжатием указанных входящих газов в присутствии катализатора, установленного на указанной камере сгорания посредством указанного по крайней мере одного крепежного устройства для обеспечения процесса преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости, при этом сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания, и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
В одном из вариантов, двигатель внутреннего сгорания дополнительно включает первый резервуар, содержащий указанное паро-преобразующее топливо и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным первым резервуаром для пропуска указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания.
В одном из вариантов, указанный первый резервуар, первая запорная арматура и система, подающая жидкость, спроектированы так, чтобы указанное паро-преобразующее топливо и указанная жидкость проходили в указанную камеру сгорания в качестве смеси.
В одном из вариантов, указанное паро-преобразующее топливо является горючим топливом и указанный контроллер выполнен с возможностью обеспечения того, чтобы указанная вторая запорная арматура пропускала вторую порцию указанного паро-преобразующего топлива в указанной камере сгорания, когда давление в указанной камере сгорания является по крайней мере указанным вторым давлением, сжигаемым с указанным водородом.
В одном из вариантов, двигатель внутреннего сгорания также включает второй резервуар для горючего топлива, который отличается от указанного паро-преобразующего топлива, и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным вторым резервуаром и указанным контроллером, созданным для того, чтобы заставлять указанную вторую запорную арматуру пропускать указанное горючее топливо в указанную камеру сгорания, когда давление в указанной камере сгорания по крайней мере указанное давление второго уровня сжигается вместе с указанным водородом.
В одном из вариантов, указанная вторая запорная арматура включает первый клапан, пропускающий по крайней мере одну из указанных жидкостей и паро-преобразующее топливо в указанную камеру и второй клапан, пропускающий указанное горючее топливо в указанную камеру.
В одном из вариантов, двигатель внутреннего сгорания дополнительно включает сенсор, для обеспечения сигналов, указывающих на температуру в указанной камере сгорания и причем указанный контроллер выполнен для контроля пропуска указанной жидкости или паро-преобразующего топлива и жидкости в камеру сгорания для поддержания по существу стабильной температуры в указанной камере сгорания.
В одном из вариантов, указанный сенсор является оптическим температурным сенсором.
В одном из вариантов, двигатель внутреннего сгорания дополнительно включает систему, выпускающую выхлопные газы, для получения выхлопных газов из указанной камеры сгорания и соотносящийся с указанной системой подачи жидкости для извлечения тепла из выхлопных газов, проходящих по указанной системе, выпускающей выхлопные газы, для нагревания указанной жидкости в указанной системе подачи жидкости.
В одном из вариантов, указанная подача жидкости и вторая запорная арматура выполнены с возможностью обеспечения указанной жидкости проходить в указанную камеру сгорания в качестве водяной дымки, испарения или сочетания водяной дымки и испарений.
В одном из вариантов, указанный катализатор обеспечивается на указанной второй запорной арматуре.
В одном из вариантов, указанный катализатор обеспечивается на воспламенителе, выполненном с возможностью инициации горения в указанной камере сгорания.
В одном из вариантов, указанный прибор включает:
i) возвратно-поступательный поршень; или
ii) вращательный элемент.
Изобретение также включает в себя компонент хранения данных, хранящий по меньшей мере одну компьютерную программу, предназначенную для осуществления контроля над предложенным способом.
Изобретение также включает в себя процессор, снабженный компонентом хранения данных.
Изобретение также включает в себя аппарат управления, созданный для осуществления контроля над предложенным способом.
Возможные варианты осуществления изобретения раскрыты далее.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем описании могут встречаться ссылки на чертежи, в которых:
На Фиг. 1 представлено схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания;
На Фиг. 2 представлено схематическое изображение образца запорной арматуры двигателя внутреннего сгорания, изображенного на Фиг. 1;
На Фиг. 3 представлено схематическое изображение другого образца запорной арматуры для двигателя внутреннего сгорания, изображенного на Фиг. 1;
На Фиг. 4 представлено схематическое изображение образца контроллера для двигателя внутреннего сгорания;
На Фиг. 5 представлено диаграмма давления и объема, иллюстрирующая цикл работы двигателя внутреннего сгорания с Фиг. 1;
На Фиг. 6 представлено диаграмма температурной энтропии, иллюстрирующая цикл на Фиг. 4;
На Фиг. 7 представлено схематическое изображение модификации части двигателя внутреннего сгорания на Фиг. 1;
На Фиг. 8 представлено схематическое изображение еще одного двигателя внутреннего сгорания;
На Фиг. 9 представлено схематическое изображение клапана форсунки двигателя внутреннего сгорания на Фиг. 8; и
На Фиг. 10 представлено схематическое изображение инициатора горения для двигателей внутреннего сгорания, изображенных на Фиг. 1-4, 7 и 8.
Подробное описание
Согласно п. 1, двигатель 10 внутреннего сгорания содержит переменный объем камеры 12 сгорания, определяемый наличием размещения или цилиндра со стенками 14, 16, а также тела, который движется в этой камере. В этом проиллюстрированном примере тело представляет собой возвратно-поступательный поршень 18, связанный с коленчатым валом 20 с помощью шатуна 22.
Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит запорную арматуру 24, служащую для того, чтобы впустить газ, стремящийся попасть в камеру 12 сгорания. В этом проиллюстрированном примере, потребляемый газ - это воздух, получаемый из системы 26 подачи воздуха, подсоединенной к запорной арматуре 24. Система 26 подачи воздуха может включать коллектор, настроенный на получение окружающего воздуха и проведения воздуха к первой запорной арматуре 24. Первая запорная арматура 24 может содержать один или множество клапанов, связанных с системой 26 подачи воздуха. Система 26 подачи воздуха может включать подходящие фильтры для очистки воздуха.
Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит вторую запорную арматуру 30, которая подсоединена к системе 32 подачи пара и резервуару 34, содержащему топливо для двигателя внутреннего сгорания. Вторая запорная арматура 30 работает так, чтобы пропускать пар из системы 32 подачи пара и топливо из резервуара 34 в камеру 12 сгорания в качестве смеси. Вторая запорная арматура 30 может содержать один или несколько клапанов, которые открываются в камеру 12 сгорания, и один или несколько вторых клапанов, расположенных между системой 32 подачи пара и первым клапаном (клапанами) так, чтобы изолировать первые клапаны от системы подачи пара и позволить им провести исключительно топливо в камеру сгорания. Еще один пример, показанный на Фиг. 3, показывает вторую запорную арматуру 30, содержащую один или несколько первых клапанов, которые открываются в камеру 12 сгорания и подсоединены к системе 32 подачи пара и к резервуару 34 так, чтобы пропустить смесь из топлива и пара в камеру сгорания, а также один или несколько вторых клапанов, которые открываются в камеру 12 сгорания и по отдельности подсоединены к резервуару 34 и изолированы от системы подачи пара, что позволяет им пропускать топливо в камеру сгорания независимо от первых клапанов.
Двигатель 10 внутреннего сгорания оснащен системой 40 выпуска выхлопных газов и выпускной запорной арматурой 42, содержащей по крайне мере один выпускной клапан, который служит для того, чтобы выпускать газы из камеры 12 сгорания в систему выпуска выхлопных газов. На проиллюстрированном примере видно, что система 40, выпускающая выхлопные газы, соединена с системой 32 подачи пара, которая выпускает тепло от выхлопных газов, находящихся в системе, выпускающей выхлопные газы, обеспечивая тем самым то, что по крайней мере часть тепла используется для производства пара. Этого, например, можно достичь при наличии трубопроводов, через которые проходит поток выхлопных газов, обматывающихся вокруг труб, или сосуда, в котором производится пар, или, обеспечив течение выхлопных газов через сосуд, содержащий один или несколько паровых труб.
Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит контроллер 48 для отслеживания работы первой запорной арматуры 24, второй запорной арматуры 30 и выпускающей запорной арматуры 42. На иллюстрации показаны первая запорная арматура 24, вторая запорная арматура 30 и выпускная запорная арматура 42, содержащие клапаны с электрическими приводами, например, электромагнитные клапаны, которые открываются и закрываются в ответ на электрические командные сигналы, поступающие с контроллера 48. На других примерах показано, что по крайней мере одна из первых запорных арматур 24, вторых запорных арматур 30 и выпускных запорных арматур 42 может включать одну или более клапанов с гидравлическим или пневматическим приводом в ответ на электрические командные сигналы, посылаемые контроллером 48 к источнику гидравлической или пневматической запускающей жидкости.
Двигатель 10 внутреннего сгорания также содержит один или более сенсоров 50, соединенных с контроллером 48, посылающие контроллеру сигналы, указывающие на давление/температуру в камере 12 сгорания. Сенсор(ы) 50 могут быть сенсорами давления или сенсорами температуры. Сенсор(ы) 50 могут быть любого подходящего типа сенсора, способного работать при относительно высоких температурах, которые могут возникнуть при использовании двигателя 10 внутреннего сгорания. В целях контроля за работой двигателя 10 внутреннего сгорания, по крайней мере на некоторых этапах его работы, температурные сенсоры должны быть высоко чувствительны к изменениям температуры, которые наблюдаются внутри камеры 12 сгорания. Температурный датчик (датчики) может быть датчиком (датчиками) ИК температуры, которые чувствуют температуру в камере сгорания через полупрозрачные окна (не показаны). Кроме того, например, могут использоваться встроенные фотодиоды высокой температуры, такие, например, какие описаны в US5 659 133 (содержание этого документа можно найти по приведенной здесь ссылке).
Двигатель 10 внутреннего сгорания может быть снабжен воспламенителем 52, который способствует процессам возгорания в камере 12 сгорания. Воспламенитель 52 может быть электрическим, например, свеча накаливания, горячая проволока, свеча зажигания и тому подобное.
Катализатор 54 монтируется в камере 12 сгорания любым удобным способом. Катализатор 54 может, например, быть установлен на монтажной платформе, имеющей подходящие желобки вдоль стенок, 14 при этом не изменяя объема камеры 12 сгорания. Иначе или в дополнение к вышеизложенному, катализатор 54 можно установить на заводной головке поршня 18, желательно на монтажной платформе, имеющей подходящие желобки, как показано на Фиг. 1. Установка катализатора 54 на поршне в наши дни не приветствуется, так как она увеличивает инерцию поршня. Другой пример показывает, как катализатор может быть вместо этого или дополнительно установлен на первом клапане(-нах) 36. Примеры установки катализатора на инжекторном клапане приведены ниже в ссылках на Фиг. 8 и 9. Другой пример показывает, как катализатор может быть вместо этого или дополнительно установлен на воспламенителе 52. Примеры установки катализатора на воспламенителе приведены ниже в ссылках на Фиг. 10.
На Фиг. 1 не показаны соединения между контроллером 48 и запорной арматурой 24, 30, 42 и сенсором (сенсорами) 50. Это сделано ради ясности иллюстрации, и опытный профессионал без труда отследит подходящие пути и средства для осуществления такого соединения.
На Фиг. 1 показан двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий только одну камеру 12 сгорания. Хотя это может быть уместно только для некоторых приложений, обычно двигатель 10 внутреннего сгорания содержит множество камер 12 сгорания, каждая из них имеет поршень, подсоединенный к коленчатому валу 20. В многочисленных камерах, цилиндрах, двигателях камеры могут быть организованы в любой подходящей конфигурации, например, в линию, вдоль плоскости или в форме V.
Согласно Фиг. 4, подходящий контроллер 48 для двигателя 10 внутреннего сгорания может содержать один или более процессоров 1600 и сигнализирующие составляющие 1602, например, для усиления сигналов и конвертирования аналоговых сигналов в цифровые, а цифровые в аналоговые, что позволит контроллеру получить и использовать сигналы с сенсоров 54 выходные полезные сигналы, посылаемые к запорной арматуре 24, 30, 42 и другие составляющие двигателя 10 внутреннего сгорания, которые подконтрольны контроллеру. Контроллер 48 может также дополнительно содержать один или более приборов памяти произвольного доступа памяти произвольного доступа (RAM) 1604 для хранения данных, генерированных в процессе работы двигателя внутреннего сгорания, и схем 1606 для использования входящих сигналов от одного или более сенсоров для обеспечения полезного для процессора введения данных. Блок управления 728 может дополнительно содержать одну или более составляющих по хранению данных в виде постоянной памяти 1606, которая может представлять собой память только для чтения (ROM), в которой могут постоянно храниться один или несколько компонентов программного обеспечения и управления 1608. Конечно, для некоторых приложений не требуется постоянной памяти. Например, контроллер может быть связан с главным компьютером, в котором хранятся алгоритмы управления и который выгружает их на RAM, в контроллер при его запуске. Альтернативой может выступить подчиненное положение контроллера основному контроллеру или компьютеру. Еще одной альтернативой является случай, когда контроллер состоит из одной или более жестких проводных цепей контроля.
Двигатель 10 внутреннего сгорания может работать по модифицированному дизельному циклу. Работа двигателя 10 внутреннего сгорания с использованием модифицированного дизельного цикла сейчас будет описана со ссылкой на Фиг. 5 и 6.
Согласно Фиг. 5 и 6, пункт 1 указывает на начало действующего цикла работы двигателя 10 внутреннего сгорания. В п. 1, поршень 18 находится на одном конце поршневого такта (самое нижнее положение, показанное на Фиг. 1). Это положение обычно называется нижней мертвой точкой (BDC), даже в тех случаях, в которых цилиндры двигателя ориентированы по горизонтали, как в четырех плоскостях. На данном этапе выхлопные газов от предыдущего цикла значительно удалены от камеры 12 сгорания, и новая порция запущенного газа при атмосферном давлении и температуре поступает при выхлопе запорной арматуры 42 и первой запорной арматуры 24 соответственно. На этом этапе, выхлопные газы с предыдущего цикла практически полностью удалены из камеры 12 сгорания. Первая запорная арматура 24 и выхлопная запорная арматура 40 закрыты. Потребляемый газ впускается при первом давлении P1 и первой температуре Т1. Затем поршень 18 движется из нижнего мертвого положения к стенке 14. Пока поршень движется по направлению к стенке 14, он сокращает объем камеры 12 сгорания и, таким образом, сжимает поступающий внутрь газ. Сжимание поступающего газа повышает давление и температуру по сравнению с изначальными показателями P1, Т1. Двигатель 10 внутреннего сгорания спроектирован так, чтобы, когда поршень 18 достигает противоположного конца своего такта, при котором он находится в максимальной близи от стенки 14, в положении, которое обычно называется верхней мертвой точкой (TDC), объем камеры 12 сгорания сокращается достаточно для того, чтобы входящий газ сжимался до заранее определенного давления Р2. Положение верхней мертвой точки (TDC) указано в точке, помеченной 2b.
Как показано на Фиг. 5 и 6, пока давление входящего газа растет по сравнению с исходным давлением P1 в пункте 1, его температура изначально поднимается по сравнению с исходной температурой T1, которая обычно доходит до 293°K. Когда достигаются заранее заданные давление/температура Р2а/Т2а, указанные в пункте 2а, контроллер 48 посылает сигналы на вторую запорную арматуру 30, чтобы та открылась и впустила дозированное количество смеси топлива и пара в камеру 12 сгорания. Пропуск смеси топлива и пара в горячие входящие газы в присутствии катализатора стимулирует запуск процесса повторного образования пара, при котором водород отделяется от топлива или пара. Водород сжигается в камере 12 сгорания на более позднем этапе цикла. Пар и топлива поглощают тепло из сжатых впущенных внутрь газов сжатые потребление в процессе повторного образования пара, тем самым охлаждая поступающие газы. В проиллюстрированном примере смесь топлива и пара пропускается на контролируемой скорости, что охлаждает впускаемые газы достаточно для поддержания достаточно постоянной температуры, так как сжатие впускаемых газов продолжается от точки 2а до точки 2b так, что, как показано на Фиг. 6, температураэ Т2а и T2b становятся по крайней мере значительно равны. Пункт 2b указывает на ту точку, на которой поршень достигает верхней мертвой точки (TDC) и готов к такту расширения, на котором он возвращается к нижней мертвой точке (BDC). Пункт 2b, контроллер 40 посылает сигналы на вторую запорную арматуру 30 с тем, чтобы та остановила пропуск пара в камеру 12 сгорания и допустила дозированный объем топлива в камеру 12 сгорания для начала процесса возгорания.
В пункте 2b, давление P2b и температура T2b в камере сгорания 12 таковы, что топливо и водород возгораются одновременно. Если имеется свеча накаливания, горячий провод или что-то подобное 52 для обеспечения возгорания водорода и топлива, контроллер 48 спроектирован так, чтобы посылать сигнал на источник питания (не показан на чертеже), чтобы свеча накаливания, горячий провод или их аналог оказался под напряжением одновременно или вскоре после того, как он пошлет сигнал на вторую запорную арматуру 30, чтобы та перестала запускать пар и запустила определенную дозу топлива в камеру 12 сгорания. Сгорания топлива и водорода в камере 12 сгорания заставляет поршень 18 двигаться с верхней мертвой точки (TDC) обратно к нижней мертвой точке (BDC). Движение поршня передается на коленчатый вал 20 посредством соединяющего шатуна 22, коленчатый вал проворачивается и стимулирует предоставление результатов работы W двигателя 10 внутреннего сгорания. Как показано на примере, топливо поступает в камеру 12 сгорания с контролируемой скоростью, так чтобы сгорание топлива и водорода происходило в условиях относительно постоянного давления. Дозированные порции топлива поставляются в течение всего периода между пунктами 2b и 3 как показано на Фиг. 5 и 6.
В пункте 3, который можно определить, как заранее заданный промежуток времени с пункта 2b или, когда заранее заданные давление/температура определяются сенсором 54, контроллер 48 производит сигнал, заставляющий вторую запорную арматуру 30 прекратить подачу топлива в камеру 12 сгорания. Дымовые газы продолжают расширяться в то время, как поршень 18 движется по направлению к самой нижней мертвой точке (BDC), а давление и температура в камере сгорания постепенно опускается до пункта 4, который и представляет собой самую нижнюю мертвую точку (BDC). В пункте 4, который может быть обозначен как давление/температура Р4/Т4, определяемые сенсором (сенсорами) 54, контроллер 48 издает сигнал, заставляющий запорную арматуру 42 открыться и выпустить дымовые (выхлопные) газы в систему 40, выпускающую выхлопные газы. Когда выхлопные газы выпускаются из камеры 12 сгорания, давление в камере стремительно падает до показателя давления окружающей среды. На этом этапе первая запорная арматура 24 должна открыться и впустить новую порцию входящих газов, а операционный цикл возвращается в пункт 1 и готовится к новому циклу. Выпускная запорная арматура 42 может остаться открытой, как минимум изначально, вслед за открытием первой запорной арматуры 24, которая позволяет камере очиститься посредством входящих газов.
Описанный выше цикл потребляет тепло во время такта сжатия для получения дополнительного топлива в виде водорода, производимого за счет преобразования пара. Это дополнительное топливо увеличивает производительность цикла. Общее количество топлива, которое сжигается между пунктами 2b и 3, показанных на Фиг. 5 и 6 - это, скорее, топливо, которое вводится в течение такта сжатия между пунктами 2а и 2b, чем топливо, потребляемое в процессе преобразования пара, плюс водородное топливо, генерируемое в процессе преобразования пара и топливо, поступающее в камеру сгорания между пунктами 2b и 3. В общей сложности у этой комбинации должна наблюдаться более высокая теплотворная способность топлива, чем у топлива, проходящего между пунктами 2а и 3, так как реакции производства водорода в общей сложности являются эндотермическими. Если же то же количество поставляемого топлива допускается к стандартному дизельному циклу, топливо поступает в камеру сгорания между пунктами 2 и 3 в Фиг. 5 и 6. Видно, что указанные работы (площадь P-V, изображенная на Фиг. 5) для модифицированного дизельного цикла (точки 1 до 2а до 2b до 3-4-1) больше для такого же количества допущенного топлива, но в сопоставимом стандартном дизельном цикле (точки 1 до 2,3,4 и до 1), этим объясняется превосходная эффективность модифицированного дизельного цикла.
Повышение эффективности, предоставляемой модифицированным дизельным циклом, иллюстрируется Фиг. 5 и 6 и может оцениваться путем рассмотрения работы и тепловой энергии, затраченных на каждом этапе следующим образом:
Изоэнтропийное сжатие (пункт 1 до пункта 2а):
Изотермическое сжатие (пункт 2а до пункта 2b):
Изобарическое сгорание (пункт 2b до пункта 3):
Изоэнтропийное расширение (пункт 3 до пункта 4):
Очистки (4->1):
Затем оценивается эффективность как чистая работа над отработанным теплом:
(помните, что 2aQ2b является отрицательным).
Соотносимый стандартный дизельный цикл (такого же максимального давления и объема) имел бы следующую эффективность:
Для коэффициента сжатия, равного 1:25, STP условия окружающей среды, пункт 2а (катализатор) температура в 700K, метан в качестве топлива и стехиометрическое горение, проводится теоретический цикл улучшения эффективности с 66% до 75%. Необходимо понимать, что метан приводится исключительно в качестве примера подходящего топлива, и что в принципе может использоваться любой подходящий углеводород с бутаном, этанолом, метанолом и пропаном (в неопределенном порядке): все они будет считаться хорошим топливом для парового преобразования. Можно также использовать обычные виды топлива для двигателя внутреннего сгорания, такие как бензин и дизельное топливо.
Температура Т2а в пункте 2а, в котором топливо проходит в камеру сгорания 12 во время компрессионного такта, выбирается как минимальная температура, достаточная для преобразования определенного количества пара. Предпочтительно сделать эту температуру Т2а минимальной, т.к. как это позволит абсорбировать большее количество тепла от такта сжатия, что позволит добиться большего коэффициента сжатия при том же показателе давления P2b. Выбранную температуру T2a можно установить эмпирическим путем, она может представлять собой компромисс между получением разумного количества преобразования пара и абсорбированием дополнительного тепла. Еще один фактор, который необходимо принять во внимание при определении температуры T2a, это скорость катализированной реакции, которая повышается вместе с температурой и может ограничить нижний порог температуры T2a, в случае если ожидается значительный объем преобразования пара. В целом можно ожидать, что более крупные двигатели, работающие на низких скоростях, смогут разместить более широкий выбор катализаторов или более низкие уровни 2а температуры.
Еще одно потенциальное преимущество модифицированного дизельного цикла иллюстрируется Фиг. 5 и 6 и заключается в том, что получение более высокой эффективности без увеличения максимальной рабочей температуры двигателя 10 внутреннего сгорания стимулирует, по сути, уменьшение загрязнения, создаваемого при выходной мощности. Кроме того, из-за того, что осуществляется процесс сгорания водорода, предполагается, что уровни выбросов окиси углерода (СО) и углеводородов (НС) будут очень низким по сравнению с обычным дизельным двигателем.
Еще одно преимущество модифицированного дизельного цикла заключается в том, что поглощение тепла в процессе преобразования пара может привести к понижению температуры T2b в камере сгорания в конце такта сжатия по сравнению с температурой Т2 в сопоставимом обычном дизельном двигателе (Сравните пункты 2b и 2 в Фиг. 6). Поскольку производство оксида азота (NOx) экспоненциально зависит от температуры, уровень выбросов NOx двигателя 10 внутреннего сгорания, работающего в модифицированном дизельном цикле, должен быть очень низкий, по крайней мере по сравнению с работой обычного цикла дизельного двигателя.
Фиг. 7 показывает модифицированную форму двигателя внутреннего сгорания, изображенного на Фиг. 1-4. На Фиг. 7 изображены составляющие идентичные или похожие на составляющие на Фиг. 1, они обозначаются такими же ссылками, умноженными на 100 и не описываются повторно. Разница между двигателем 110 внутреннего сгорания и двигателем 10 внутреннего сгорания в том, что в нем есть второй резервуар 170. Первый резервуар 134 используется для удержания паропреобразующего топлива от процесса паропреобразования, который происходит в камере 112 сгорания между пунктами 2а и 2b (Фиг. 5 и 6) компрессионного такта для потребления в процессе преобразования пара. Второй резервуар 170 содержит горючее топливо, поступающее в камеру 112 сгорания на этапе сжигания между пунктами 2b и 3 (Фиг. 5 и 6). На этом примере, вторая запорная арматура 130 содержит по крайне мере один первый клапан 136, соединенный с системой 132 подачи пара и первым резервуаром 134 для пропуска смеси из топлива и пара в камеру сгорания, а также по крайней мере один второй клапан 138, соединенный со вторым резервуаром 170 для пропуска топлива в камеру сгорания. Первый клапан(-ы) 136 может содержать инжекторный клапан, снабженный катализатором, например, такой, как описан ниже со ссылкой на Фиг. 8 и 9. Двигатель 110 внутреннего сгорания может быть снабжен воспламенителем, в котором есть катализатор для процесса преобразования пара, например, свеча накаливания, пример которой приведен далее в Фиг. 10.
Конфигурация, проиллюстрированная на Фиг. 7 допускает возможность осуществления процесса преобразования пара и участия другого топлива в процессе сгорания, так чтобы там, где этого требуется, можно было бы выбрать топливо, дающее большее количество водорода для процесса преобразования пара, например, по соображениям эффективности и доступности. Так, например, в некоторых примерах топливо с ограниченной доступностью, такое как, например, относительно дешевое топливо из био-отходов можно использовать в процессе преобразования пара, или более доступное топливо, например, дизель или бензин, можно использовать в качестве горючего для процесса сгорания. Точно также, «легкое» топливо, такое, как метанол или метан можно использовать как паро-преобразующее топливо в процессе преобразования пара, т.к. оно может оказаться более продуктивным, в то время, как более доступное более тяжелое топливо, такое, как дизель или бензин можно использовать как горючее в процессе сгорания.
Фиг. 8 и 9 демонстрируют свойства другого двигателя 210 внутреннего сгорания. Детали двигателя 210 внутреннего сгорания подобные или такие же, как и детали двигателя 10 внутреннего сгорания обозначены такими же ссылками, умноженными на 200 и могут снова не описываться.
Согласно Фиг. 8 двигатель 210 внутреннего сгорания содержит камеру сгорания 212, определяемую стенами 214, 216. Камера 212 сгорания имеет возвратно-поступательный поршень 218, подсоединенный к коленчатому валу (не показано на схеме) с помощью соединяющего шатуна (также не показан). Двигатель 210 внутреннего сгорания также содержит первую запорную арматуру 224, которая впускает газ, стремящийся по направлению к камере сгорания. Первая запорная арматура 224 может быть подсоединена к системе 226 подачи воздуха. Двигатель 210 внутреннего сгорания также содержит вторую запорную арматуру 230, содержащую по крайней мере один инжекторный клапан 236. Исключительно для упрощения презентации в последующих описаниях, ссылка на инжекторный клапан 236 будет осуществляться в единственном числе. Это не должно расцениваться как ограничивающий фактор, так как могут быть описаны и множество инжекторных клапанов 236.
Инжекторный клапан 236 соединен с резервуаром через топливный насос 254. Резервуар 252 предназначен для горючего топлива, а топливный насос 254 предназначен для перекачки топлива в инжекторный клапан. Резервуар 252 и топливный насос 254 представляют собой стандартный резервуар и топливный насос, оснащенный двигателем 210 внутреннего сгорания. Инжекторный клапан 236 также подсоединен ко второму резервуару 256 посредством насоса 258. Насос 258 предназначен для перекачки жидкости или смеси, содержащей жидкость и преобразующего пар топлива в инжекторный клапан 236.
Согласно Фиг. 9 инжекторный клапан 236 содержит клапанное устройство 270, которое вставляется в инжекторный порт 272, определенный на стене 214. Клапанное устройство 270 имеет первый или выпускающий конец, снабженный множеством выходных отверстий 274 и второй конец, снабженный фланцем 276. Предохранительная пластина 278 может крепиться к стене 214 винтами, болтами или прочими крепежными устройствами 280. Первый инжекторный клапан 276 предназначен для того, чтобы работать вместе с предохранительной пластиной 278 будучи прикрепленным к ее стенке 214 силой нажатия. Специальный герметик 282 может располагаться между фланцем 276 и стенкой 214 таким образом, чтобы обеспечивать сжатие и уплотнение между ними.
Инжекторный клапан 236 имеет впускающую головку 284, размером от одной стороны фланца 276 до противоположной стороны, от которой начинается клапанное устройство 270. Впускающая головка 284 имеет соединяющие детали 286, 288 для соединения соответствующих труб 290, 292 (Фиг. 8), которые соединяют инжекторный клапан 236 с насосами 254,258.
Инжекторный клапан 236 имеет катализатор 254 для осуществления процесса преобразования пара, который имеет место в камере 212 сгорания, когда осуществляется рабочий цикл, включающий в себя процесс преобразования пара, такой как модифицированный дизельный цикл, похожий на или идентичный модифицированному дизельному циклу, описанному выше и показанному на Фиг. 5 и 6. Катализатор 254 может иметь форму рукава 290, закрепленного на выводном конце клапанного устройства 270. Рукав 290 может иметь цилиндрическую форму, определяющую полностью огороженное место для протекания, начинающееся на выводящем конце клапанного устройства 270. Кроме того, рукав 290 может, например, оказаться частичным рукавом с боковыми отверстиями, которые могут, например, быть продольными прорезями. По крайней мере некоторые выпускные отверстия 274 могут быть спроектированы так, чтобы направлять струю выпускаемой жидкости напрямую на катализатор 254.
Современные двигатели могут быть оснащены инжекторными клапанами, имеющими катализатор, например, такой который показан на Фиг. 9. Это обеспечивает возможность настройки двигателя на работу в цикле, подразумевающем преобразование пара, таком, как модифицированный дизельный цикл, описанный выше со ссылкой на Фиг. 5 и 6, без необходимости реконфигурации или специальной конфигурации, при котором камера сгорания получает крепление для катализатора. Такие инжекторные клапаны могут также использоваться как относительно прямые способы адаптации существующих двигателей внутреннего сгорания к работе в модифицированном дизельном цикле. Один или более инжекторных клапанов, на которых есть катализатор, могут, например, использоваться в качестве комплекта для переоборудования существующего двигателя внутреннего сгорания вместо одного или нескольких стандартных инжекторных клапанов. Набор может включать в себя резервуар или насос, такой как резервуар 256 и насос 258, с соответствующим набором труб, подсоединяющим инжекторный клапан(-ы) к насосу.
В примере, показанном на Фиг. 8 и 9, катализатор оснащен инжекторным клапаном, который предназначен для пропуска жидкости или топлива, преобразующего пар в камеру сгорания на этапе сжатия в цикле сгорания. Это не столь важно. Катализатор может находиться на инжекторном клапане, предназначенном для того, чтобы впускать поступающее или поступившее топливо на этапе сгорания в ходе рабочего цикла. В каждом случае клапан может быть настроен так, чтобы имеющийся на нем катализатор подвергался воздействию жидкости, топлива, преобразовывающего пар, и тепла в камере сгорания таким образом, чтобы он мог функционировать как катализатор в процессе преобразования пара.
Например, как показано выше, инжекторный клапан оснащен соответствующими деталями для отдельных труб, посредством которых инжекторный клапан подсоединен к резервуарам через два насоса. Другой пример демонстрирует, как к коллектору или похожему оборудованию может подсоединяться направленный вверх по течению инжекторный клапан для получения поставок из резервуаров через их насосы с тем, чтобы инжекторный клапан мог иметь одну соединяющую деталь, посредством которой инжекторный клапан подсоединяется к коллектору или схожему оборудованию с помощью единственной трубки.
В других примерах, двигатель внутреннего сгорания, такой как показан на Фиг. 1-4, 7, 8 и 9, может быть оснащен воспламенителем, имеющим катализатор. Воспламенитель может иметь форму электрического воспламенителя, например, свеча накаливания, горячий провод или свеча зажигания. Согласно Фиг. 10, электрический воспламенитель в форме накаливания свечи 452 может содержать резьбовую деталь 490, созданную для того, чтобы позволять воспламенителю вкручиваться в специальный резьбовой порт на стенке камеры сгорания. Свеча 452 накаливания может содержать фланец 492, предназначенный специально для зажимного инструмента, такой как торцевой гаечный ключ, позволяющий плотно прикрутить воспламенитель к такому порту. Свеча 452 накаливания может содержать электрический входной терминал 494, позволяющий свече накаливания электрически подсоединяться к соответствующему источнику электрической энергии (на схеме не показано). Источники электроэнергии и соединяющие элементы между такими источниками и электрическими воспламенителями в двигателях внутреннего сгорания хорошо знакомы профессионалам и здесь не описываются. Свеча 452 накаливания может также содержать центральный электрод 496, электрически подсоединенный к входному терминалу 494, а также нагревательные и регулирующие катушки 498, 500. Нагревающие и регулирующие катушки 498, 500 помещены в изоляционный порошок 502, который содержится в оболочке или трубке 504 на конце свечи 452 накаливания на противоположном конце которого находится входной терминал 494. Оболочка 504 расположена продольно с одного конца части детали 490. Оболочка 504 функционирует как деталь, выводящая энергию, и используется в камере сгорания, подвергаясь взаимодействию со смесью топлива, водорода и воздуха в камере сгорания, и может добавлять энергию в смесь в виде тепла. Свеча 452 накаливания может по крайней мере участвовать в процессе возгорания, по крайней мере, в момент запуска двигателя 210 внутреннего сгорания, когда стенки 214, 216 относительно холодные и могут абсорбировать значительно количество тепла, произведенного во время сжатия входящих газов.
Свеча 452 накаливания также содержит катализатор 454 для осуществления процесса преобразования пара, который имеет место в камере сгорания, когда преобразующее пар топливо и жидкость проникают в камеру во время сжатия входящих газов. На проиллюстрированном примере видно, что катализатор 454 это деталь 506, прикрепленная к корпусу 490 свечи накаливания. Эта деталь 506 может располагаться продольно с основным корпусом прибора 490 и оболочкой 504 и располагаться так, чтобы, когда устанавливалась свеча 452 накаливания, катализатор имел доступ к топливу, преобразующему жидкость, тепло и пар, в камере 212 сгорания. Деталь 506 может оказаться рукавом, окружающим оболочку 504 на протяжении некоторого участка ее длины. Иначе, деталь 506 может, например, представлять собой частичный рукав с боковыми отверстиями, предотвращающими оболочку 504 от чрезмерного экранирования жидкостями в камере 212 сгорания. В другом примере катализатор может иметь форму нескольких деталей, прикрепленных к свече 452 накаливания, или может располагаться на детали свечи накаливания.
Как и в примерах, в которых инжекторный клапан содержит катализатор, обеспечивая воспламенитель катализатором, здесь он представляет собой довольно определенное средство адаптации существующих двигателей внутреннего сгорания к включению процесса преобразования пара в свой операционный цикл.
Воспламенитель(-ли), оборудованные катализатором, можно использовать совместно с инжекторным клапаном(-ами), оборудованным(-и) катализатором, который может быть таким же или другим, а также иметь в наборе резервуар и насос, как это было описано выше. Аналогично, инжекторный клапан(-ы) или воспламенитель(-ли), оборудованные катализатором можно использовать вместе с катализаторами, расположенными на камере сгорания, они также могут быть такими же или другими катализаторами.
Комплект для переоборудования существующего двигателя внутреннего сгорания может дополнительно содержать цепь управления или инструкции по модификации работы контроллера двигателя так, чтобы он начал новый рабочий цикл, включающий процесс преобразования пара. Цепь управления может принимать форму, например, дополнительной платы(плат), которая подключается к контроллеру, сменной цепной плате(платам) или процессору, загруженному инструкциями. Иначе, в других примерах комплект может содержать носитель данных, которые могут временно подсоединяться к контроллеру двигателя и позволяют загружать новые инструкции на контроллер через прошивку микропрограммы или обновление программного обеспечения в памяти.
В некоторых примерах, можно рекомендовать разрывы на поверхности катализатора в качестве средства увеличения поверхностной площади катализатора, подверженной воздействию пара в камере сгорания. Катализатор может, например, иметь на поверхности пазы и гребни или другие виды разрывов, например, скрытые впадины и выступы, которые могут иметь круглые, неправильные или другой формы поперечные сечения.
В этом случае понятно, что катализатор для преобразования процесса пара на воспламенителе или инжекторном клапане может иметь преимущества относительно того, что это дает возможность подобрать для катализатора простые запасные детали и крепления для портов, имеющихся в стенках камеры сгорания. Таким образом, существующий двигатель внутреннего сгорания можно преобразовать в двигатель, осуществляющий процесс преобразования пара во время операционного цикла без изменений для самого двигательного блока или головки цилиндра. Иначе, преимущество может заключаться в максимизации поверхностного пространства катализатора посредством обеспечения катализатора одной или более нишами в стенках камеры сгорания, на инжекторном клапане (клапанах) и на воспламенителе (воспламенителях).
Как проиллюстрировано в примерах, пар и топливо, преобразующее пар, пропускаются в камеру через отдельные клапаны и смешиваются в зоне инъекции самой камеры или впрыскиваются через общий инжекторный клапан, так чтобы определенное количество смеси могло проходить по камере по направлению вверх. В определенных примерах, смешивающая камера может быть оснащена по направлению вверх второй запорной арматурой, так чтобы пар и топливо, преобразующее пар, в качестве смеси поступали ко второй запорной арматуре.
В проиллюстрированных примерах, сочетание жидкости и топлива, преобразующего пар, пропускаются в камеру сгорания на этапе сжатия и вызывают процесс преобразования пара, отделяя водород от топлива, преобразующего пар, или заставляют пар сгорать в камере сгорания. В других примерах, жидкость может принимать форму водяного тумана или смеси водяного тумана и испарений.
В проиллюстрированных примерах, преобразующим пар топливом в процессе преобразования пара может служить безводный водород, содержащий такие соединения, как углеводород или природные виды топлива. Такое же топливо может служить паро-преобразующим и горючим топливом. Иначе, паро-преобразующие и горючие виды топлива могут быть разными. В целом, паро-преобразующим топливом может служить любая жидкость, которую можно впрыскивать в камеру на двигательной фазе или такте сжатия, при котором двигатель экзотермически вступает в реакцию с кислородом; это получение энергии при окислении. При паро-преобразовании паро-преобразующее топливо может окисляться кислородом в воде (паре), таким образом, выпуская водород из воды (пара) или паро-преобразующего топлива, при этом предполагается, что водород может извлекаться и из того, и из другого. В дополнении к перечисленным выше, в качестве паро-преобразующих можно использовать другие виды топлива, включая самовоспламеняющиеся виды топлива, гидро-перекиси и бороводороды, такие как диборан, пентаборан и декаборан.
Предполагается, что паро-преобразующее топливо не обязательно должно быть горючим. Однако, если паро-преобразующее топливо является таковым, любые осадки после процесса преобразования пара можно сжечь по время процесса сгорания.
Нужно понимать, что во время паро-преобразующего процесса, в камере преобладает процесс отделения водорода, путем диссоциации из воды (пара) также можно отделить некоторое количество водорода.
По причине наличия в камере сгорания высокого уровня воды и испарений во время процесса сгорания, выхлопные газы, выходящие из камеры сгорания будут содержать значительное количество водяного пара. В некоторых примерах, может находиться один или более конденсаторов в системе, выпускающей выхлопные газы, для конденсации водяного пара для повторного использования в качестве жидкости в последующих циклах.
Предполагается, что лучший катализатор для определенного двигателя внутреннего сгорания и паро-преобразующего топливо можно определить тестированием. В настоящее время предполагается, что Cu/ZnO, Pd/ZnO, CuZrO2 или их композиционные сплавы могут служить подходящими катализаторами. Выбранный катализатор должен будет обладать достаточной термической стойкостью, чтобы выдержать использование в условиях сгорания.
В проиллюстрированных примерах, прибор, частично определяющий переменный объем камеры, - это возвратно-поступательный поршень. В других примерах, прибор может оказаться вращательным элементом.
Описание проиллюстрированных примеров касается использования сенсора (сенсоров) давления/температуры, для обеспечения показателей давления/температуры, которые заставляют контроллер издавать сигналы, вызывающие впрыскивание жидкости и содержащих безводный водород компонентов во время такта сжатия. В некоторых примерах, особенно тех, которые иллюстрируют работу медленных двигателей, можно использовать сенсор (сенсоры) положения, определяющие положение прибора в камере сгорания, например, поршень 18. Так, например, два сенсора положения, расположенные отдельно по направлению движения поршня, можно использовать один - для определения направления движения поршня, а второй сенсор как указывающий на то, что поршень достиг положения, в котором объем камеры окажется таким, чтобы давление/температура становятся такими, при которых произойдет впрыскивание.
Будучи не ограниченными такими способами применения, предполагается, что двигатели внутреннего сгорания работают в режиме модифицированного дизельного цикла, что показано на Фиг. 5 и 6, и применяются в автомобильной промышленности. В то время как структура и операционные принципы, описанные выше, могут выгодно применяться к новым двигателям внутреннего сгорания, необходимо понимать, что существующие двигатели можно модифицировать для получения выгоды от изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1999 |
|
RU2175743C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2009 |
|
RU2495252C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВПРЫСКОМ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА | 2004 |
|
RU2342543C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА | 2005 |
|
RU2357091C2 |
| ПРЯМАЯ СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ | 2014 |
|
RU2665010C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2231655C2 |
| АДАПТИВНАЯ УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ИНЖЕКТОРОВ И ВОСПЛАМЕНИТЕЛЕЙ | 2010 |
|
RU2544401C2 |
| СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ГОРЮЧЕГО В НЕГО | 1993 |
|
RU2109976C1 |
| ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ | 2007 |
|
RU2353023C1 |
| УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СЖИГАНИЯ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА | 2004 |
|
RU2303154C2 |
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель 10 внутреннего сгорания включает в себя камеру 12 сгорания. Камера включает в себя прибор 18, который движется в камере для изменения объема камеры и содержит катализатор 50. Первая запорная арматура 24 предназначена для того, чтобы пропускать входящий газ в камеру. Вторая запорная арматура 30 подсоединена к системе 32 подачи жидкости и предназначена для того, чтобы пропускать жидкость и паро-преобразующее топливо в камеру. Контроллер 48 предназначен для того, чтобы заставлять вторую запорную арматуру 30 пропускать жидкость и определенное количество паро-преобразующего топлива в камеру и когда заранее заданные условия создаются в камере во время сжатия входящего газа для абсорбирования тепла, производимого сжатием входящего газа в присутствии катализатора для инициации процесса преобразования пара для отделения водорода от паро-преобразующего топлива или указанной жидкости. 6 н. и 35 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающего корпус с размещенной в нем камерой сгорания переменного объема, содержащей катализатор, способ включает следующие этапы:
впускают входящий газ, поступающий в указанную камеру сгорания;
сокращают объем указанной камеры сгорания, чтобы сжать указанный входящий газ и поднять давление в указанной камере сгорания с первого уровня давления на второй уровень давления;
впускают жидкость и паро-преобразующее топливо в указанную камеру сгорания, когда давление в указанной камере сгорания достигает заранее заданного среднего давления, указанного первого и второго уровней давления, так чтобы указанная жидкость и паро-преобразующее топливо абсорбировали тепло, произведенное указанным сжатием указанного входящего газа в присутствии указанного катализатора, чтобы запустить процесс преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости; и
когда давление в указанной камере сгорания находится по крайней мере на указанном втором уровне давления, впускают горючее топливо в указанную камеру и сжигают указанное горючее топливо и водород,
отличающийся тем, что объем указанной камеры сгорания изменяется посредством передвижения прибора, размещенного в указанном корпусе, и сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания, и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
2. Способ по п. 1, включающий пропуск указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания в качестве смеси.
3. Способ по п. 1, включающий контроль за допуском указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания так, что температура в указанной камере остается по существу постоянной.
4. Способ по п. 2, включающий контроль за допуском указанной жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания так, что температура в указанной камере остается по существу постоянной.
5. Способ по любому из пп. 1-4, включающий допуск указанной жидкости в указанную камеру в качестве водяной дымки, испарений или комбинации водяной дымки и испарений.
6. Способ по любому из пп. 1-4, включающий выпуск выхлопных газов, производимых в процессе сгорания указанного горючего топлива и водорода, из указанной камеры сгорания, и получение тепла из указанных выпущенных выхлопных газов для нагрева указанной жидкости до того, как впустить указанную жидкость в указанную камеру сгорания.
7. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что дополнительно включает контроль допуска указанного горючего топлива в указанную камеру сгорания, так что в течение по крайней мере первого этапа сгорания указанного горючего топлива и водорода поддерживается по существу постоянное давление.
8. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанный прибор включает:
i) возвратно-поступательный поршень; или
ii) вращательный элемент.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанный катализатор переносится указанным возвратно-поступательным поршнем или вращательным элементом.
10. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается на стенке указанной камеры сгорания.
11. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается, по крайней мере, на одном из:
i) инжектор, посредством которого указанное паро-преобразующее топливо или горючее топливо пропускается в указанную камеру сгорания; и
ii) воспламенитель, который инициирует сгорание указанного горючего топлива и водорода.
12. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанное паро-преобразующее топливо и горючее топливо идентичны.
13. Двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус и прибор в указанном корпусе, смещаемый в указанном корпусе для определения переменного объема камеры сгорания;
катализатор в указанной камере сгорания;
первую запорную арматуру, пропускающую входящий газ в указанную камеру сгорания;
систему подачи жидкости;
вторую запорную арматуру, подсоединенную к указанной системе подачи жидкости и обеспечивающую пропуск жидкости из указанной системы подачи жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания; и
контроллер, выполненный с возможностью вынудить указанную первую запорную арматуру пропускать порцию входящего газа в указанную камеру сгорания, и когда существуют заранее заданные условия в указанной камере сгорания во время движения указанного прибора для сокращения объема указанной камеры сгорания, причем указанный входящий газ должен сжаться и поднять давление указанного входящего газа с первого уровня давления на второй уровень давления, что заставляет указанную вторую запорную арматуру пропускать жидкость из указанной системы подачи жидкости и количество указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру, причем указанная жидкость и паро-преобразующее топливо должны начать абсорбировать тепло, произведенное указанным сжатием указанного входящего газа в присутствии указанного катализатора для стимулирования процесса преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости,
отличающийся тем, что сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
14. Двигатель внутреннего сгорания по п. 13, дополнительно включающий первый резервуар, содержащий указанное паро-преобразующее топливо и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным первым резервуаром для пропуска указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания.
15. Двигатель внутреннего сгорания по п. 14, отличающийся тем, что указанный первый резервуар, первая запорная арматура и система, подающая жидкость, спроектированы так, чтобы указанное паро-преобразующее топливо и указанная жидкость проходили в указанную камеру сгорания в качестве смеси.
16. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанное паро-преобразующее топливо является горючим топливом и указанный контроллер выполнен с возможностью обеспечения того, чтобы указанная вторая запорная арматура пропускала вторую порцию указанного паро-преобразующего топлива в указанной камере сгорания, когда давление в указанной камере сгорания является по крайней мере указанным вторым давлением, сжигаемым с указанным водородом.
17. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, также включающий второй резервуар для горючего топлива, которое отличается от указанного паро-преобразующего топлива, и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным вторым резервуаром и указанным контроллером, созданным для того, чтобы заставлять указанную вторую запорную арматуру пропускать указанное горючее топливо в указанную камеру сгорания, когда давление в указанной камере сгорания, по крайней мере указанное давление второго уровня, сжигается вместе с указанным водородом.
18. Двигатель внутреннего сгорания по п. 17, отличающийся тем, что указанная вторая запорная арматура включает первый клапан, пропускающий по крайней мере одну из указанных жидкостей и паро-преобразующее топливо в указанную камеру, и второй клапан, пропускающий указанное горючее топливо в указанную камеру.
19. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, дополнительно включающий сенсор, для обеспечения сигналов, указывающих на температуру в указанной камере сгорания, и причем указанный контроллер выполнен для контроля пропуска указанной жидкости или паро-преобразующего топлива и жидкости в камеру сгорания для поддержания по существу стабильной температуры в указанной камере сгорания.
20. Двигатель внутреннего сгорания по п. 19, отличающийся тем, что указанный сенсор является оптическим температурным сенсором.
21. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, дополнительно включающий систему, выпускающую выхлопные газы, для получения выхлопных газов из указанной камеры сгорания и соотносящийся с указанной системой подачи жидкости для извлечения тепла из выхлопных газов, проходящих по указанной системе, выпускающей выхлопные газы, для нагревания указанной жидкости в указанной системе подачи жидкости.
22. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанная подача жидкости и вторая запорная арматура выполнены с возможностью обеспечения указанной жидкости проходить в указанную камеру сгорания в качестве водяной дымки, испарения или сочетания водяной дымки и испарений.
23. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается на указанной второй запорной арматуре.
24. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается на воспламенителе, выполненном с возможностью инициации горения в указанной камере сгорания.
25. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 13-15, отличающийся тем, что указанный прибор включает:
i) возвратно-поступательный поршень;
ii) вращательный элемент.
26. Двигатель внутреннего сгорания, включающий:
корпус и прибор в указанном корпусе, способный перемещаться в указанном корпусе с возможностью определения переменного объема камеры сгорания;
по меньшей мере одно крепление для катализатора в указанной камере сгорания;
первую запорную арматуру для пропуска входящего газа в указанную камеру сгорания;
систему подачи жидкости;
вторую запорную арматуру, соединенную с указанной системой подачи жидкости и предназначенную для запуска жидкости из указанной системы подачи жидкости и паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания; и
контроллер, выполненный с возможностью инициации указанной первой запорной арматурой запуска входящего в указанную камеру сгорания газа порциями, и когда в указанной камере сгорания создадутся заранее заданные условия во время движения указанного прибора для сокращения объема указанной камеры сгорания, так, что указанный входящий газ должен сжаться и поднять давление указанного входящего газа с первого уровня давления на второй уровень давления, чтобы заставить указанную вторую запорную арматуру пропустить жидкость из указанной системы подачи жидкости и количество указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру, причем указанная жидкость и паро-преобразующее топливо должны абсорбировать тепло, производимое указанным сжатием указанных входящих газов в присутствии катализатора, установленного на указанной камере сгорания посредством указанного по крайней мере одного крепежного устройства для обеспечения процесса преобразования пара, при котором водород отделяется от указанного паро-преобразующего топлива или указанной жидкости,
отличающийся тем, что сгорание указанного топлива и водорода вызывает движение указанного прибора для повышения объема указанной камеры сгорания и указанное движение указанного прибора обеспечивает вывод энергии из указанной камеры сгорания.
27. Двигатель внутреннего сгорания по п. 26, дополнительно включающий первый резервуар, содержащий указанное паро-преобразующее топливо и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным первым резервуаром для пропуска указанного паро-преобразующего топлива в указанную камеру сгорания.
28. Двигатель внутреннего сгорания по п. 27, отличающийся тем, что указанный первый резервуар, первая запорная арматура и система, подающая жидкость, спроектированы так, чтобы указанное паро-преобразующее топливо и указанная жидкость проходили в указанную камеру сгорания в качестве смеси.
29. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, отличающийся тем, что указанное паро-преобразующее топливо является горючим топливом и указанный контроллер выполнен с возможностью обеспечения того, чтобы указанная вторая запорная арматура пропускала вторую порцию указанного паро-преобразующего топлива в указанной камере сгорания, когда давление в указанной камере сгорания является по крайней мере указанным вторым давлением, сжигаемым с указанным водородом.
30. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, также включающий второй резервуар для горючего топлива, который отличается от указанного паро-преобразующего топлива, и в котором указанная вторая запорная арматура соединена с указанным вторым резервуаром и указанным контроллером, созданным для того, чтобы заставлять указанную вторую запорную арматуру пропускать указанное горючее топливо в указанную камеру сгорания, когда давление в указанной камере сгорания, по крайней мере указанное давление второго уровня, сжигается вместе с указанным водородом.
31. Двигатель внутреннего сгорания по п. 30, отличающийся тем, что указанная вторая запорная арматура включает первый клапан, пропускающий по крайней мере одну из указанных жидкостей и паро-преобразующее топливо в указанную камеру, и второй клапан, пропускающий указанное горючее топливо в указанную камеру.
32. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, дополнительно включающий сенсор, для обеспечения сигналов, указывающих на температуру в указанной камере сгорания, и причем указанный контроллер выполнен для контроля пропуска указанной жидкости или паро-преобразующего топлива и жидкости в камеру сгорания для поддержания по существу стабильной температуры в указанной камере сгорания.
33. Двигатель внутреннего сгорания по п. 32, отличающийся тем, что указанный сенсор является оптическим температурным сенсором.
34. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, дополнительно включающий систему, выпускающую выхлопные газы, для получения выхлопных газов из указанной камеры сгорания и соотносящийся с указанной системой подачи жидкости для извлечения тепла из выхлопных газов, проходящих по указанной системе, выпускающей выхлопные газы, для нагревания указанной жидкости в указанной системе подачи жидкости.
35. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, отличающийся тем, что указанная подача жидкости и вторая запорная арматура выполнены с возможностью обеспечения указанной жидкости проходить в указанную камеру сгорания в качестве водяной дымки, испарения или сочетания водяной дымки и испарений.
36. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается на указанной второй запорной арматуре.
37. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, отличающийся тем, что указанный катализатор обеспечивается на воспламенителе, выполненном с возможностью инициации горения в указанной камере сгорания.
38. Двигатель внутреннего сгорания по любому из пп. 26-28, отличающийся тем, что указанный прибор включает:
i) возвратно-поступательный поршень; или
ii) вращательный элемент.
39. Компонент хранения данных, хранящий по меньшей мере одну компьютерную программу, предназначенную для осуществления контроля над способом, описанным в любом из пп. 1-4.
40. Процессор, снабженный компонентом хранения данных, описанным в п. 39.
41. Аппарат управления, созданный для осуществления контроля над способом, описанным в любом из пп. 1-4.
| WO 2009101420 A1, 20.08.2009 | |||
| US 2979043 A1, 11.04.1961 | |||
| СПОСОБ СЖИГАНИЯ ВОДЯНОГО ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1990 |
|
RU2085756C1 |
| ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ И ДВИГАТЕЛЬ ЦАГОЛОВЫХ Р.С. И А.Р. | 1997 |
|
RU2168030C2 |
