СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F02B47/02 F02M25/03 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания.

Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в цилиндр свежего заряда, его сжатие, воспламенение топлива с одновременной подачей многоатомного газа в камеру сгорания в конце сжатия заряда, сгорание, впрыск воды с одновременной подачей одноатомного газа в камеру сгорания по достижении в последней максимальных давления и температуры, расширение продуктов сгорания и выпуск отработавших газов из цилиндра [Пат. РФ 2002083, МПК F02B, 47/00, 1993].

Недостатками прототипа являются:

- сложность конструкции, реализующей способ;

- относительно большие потери энергии, во-первых, из-за того, что внутренняя энергия горячих продуктов горения расходуется на нагрев воды и превращение ее в пар, во-вторых, впрыск воды происходит при максимальном давлении в камере сгорания, что требует значительных энергетических затрат.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение КПД двигателя и улучшение его эксплуатационных характеристик.

Задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем впуск свежего заряда топливной смеси, ее воспламенение в камере сгорания, впрыск в последнюю воды и выпуск отработавших газов из цилиндра, впрыск воды осуществляют перед воспламенением топливной смеси, при этом в процессе впрыска воду подают на стенки камеры сгорания.

Впуск свежего заряда топливной смеси осуществляют в конце такта сжатия. В процессе выпуска отработавших газов из цилиндра их используют для нагрева воды и превращения ее в пар. Впрыскиваемую в камеру сгорания воду получают из пара путем охлаждения последнего. Нагрев воды и превращение ее в пар производят посредством выпускного коллектора цилиндра. При отрицательных температурах окружающей среды выключение двигателя сопровождают его работой на холостом ходу, в процессе которого прекращают подачу воды в камеру сгорания. Впрыск осуществляют водой, температурой 80-90°С. Вокруг наружной поверхности коллектора цилиндра формируют кольцеобразный элемент из жаростойкого упругого материала.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Осуществление впрыска воды перед воспламенением топливной смеси и подача этой воды на стенки камеры сгорания позволяют преобразовать часть внутренней энергии, которая в процессе излучения горящей топливной смеси уходит через стенки камеры сгорания в систему охлаждения, преобразовать во внутреннюю энергию пара, начинающегося образовываться еще до воспламенения. Это увеличивает КПД двигателя и его мощность за счет преобразования внутренней энергии продуктов горения во внутреннюю энергию водяного пара, а также вследствие разгрузки системы охлаждения, уменьшающей температуру охлаждающей жидкости, в результате чего последняя реже циркулирует через радиатор (по большому контуру охлаждения).

Осуществление впуска свежего заряда топливной смеси в конце такта сжатия не позволяет ей смешиваться с парами воды, т.е. с инертной добавкой. Наличие последней помимо сужения границ зажигания уменьшает и скорость распространения пламени за счет изменения физических свойств смеси (теплопроводности и т.п.). Это повышает КПД и улучшает эксплуатационные характеристики.

Использование теплоты отработавших газов в процессе выпуска их из цилиндра для нагрева воды и превращения ее в пар позволяет использовать часть энергии отработавших газов (которая безвозвратно теряется обычно при выхлопе) для последующего получения дистиллированной воды. Это практически полностью исключает дополнительные энергетические затраты на получение дистиллированной воды, которую впрыскивают в камеру сгорания. Это улучшает эксплуатационные характеристики.

Получение впрыскиваемой в камеру сгорания воды из пара путем охлаждения последнего позволяет не только получать дистиллированную воду непосредственно на борту транспортного средства, но и использовать пар для других нужд. Например температура теплоносителя в печке автомобиля не превосходит 80°С (температуры охлаждающей жидкости), что приводит в результате его недостаточного нагрева к росту расхода теплого воздуха и увеличению массы и габаритов печки. Использование в печке в качестве теплоносителя пара или локальный нагрев им теплообменника печки способствует повышению температуры теплого воздуха и снижает его расход, что улучшает эксплуатационные характеристики.

Нагревание воды и превращение ее в пар посредством выпускного коллектора цилиндра снижает температуру во всем выпускном тракте, что уменьшает прогорание и коррозию последнего.

Сопровождение при отрицательных температурах окружающей среды выключения двигателя его работой на холостом ходу, в процессе которого прекращают подачу воды в камеру сгорания, способствует испарению оставшейся на форсунках влаги и предотвращает выход ее из строя при сильном охлаждении.

Осуществление впрыска водой, температурой 80-90°С не позволяет ей вскипать и превращаться в пар (вторичное вскипание) при падании в камеру сгорания, в которой давление меньше, чем в подающем трубопроводе (форсунке). Это улучшает эксплуатационные характеристики.

Формирование вокруг наружной поверхности коллектора цилиндра кольцеобразного элемента из жаростойкого упругого материала (например кольца из жаростойкой резины из фторированных каучуков) не позволяет разрушить коллектор при замерзании воды. Это улучшает эксплуатационные характеристики.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания содержит камеру 1 сгорания, образованную стенками 2 и поршнем 3, размещенным в цилиндре 4, и соединенную с выпускным коллектором 5, проходящим через корпус 6 парогенератора и имеющим омываемые водой 7 ребра 8, между которыми размещены кольца 9 из упругого материала. Корпус парогенератора трубой 10 соединен с резервуаром 11 воды, а паропроводом 12 - с входом конденсатора (радиатора) 13, выход которого через накопительную емкость и насос подключен к установленной в камере сгорания форсунке 14, формирующей водяными струями 15 пленку, продуцирующую пар 16 у стенок камеры сгорания, которые омываются охлаждающей жидкостью 17.

Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом.

В процессе работы двигателя отработавшие газы, проходя через выпускной коллектор 5, нагревают его, в результате чего повышается температура воды 7 в парогенераторе 6, вода закипает, и образующиеся на ребрах 8 и на других нагретых частях коллектора пузырьки пара поднимаются наверх, лопаются, продуцируя, тем самым, пар, который по паропроводу 12 поступает в конденсатор 13. Убыль воды в парогенераторе восполняется до заданного определенного уровня из резервуара 11. Кольца 9, которые сравнительно свободно размещены относительно выпускного коллектора и ребер, не имеют хорошего теплового контакта с ними, а поэтому не нагреваются при работе парогенератора до высокой температуры, способной разрушить их, а также не препятствуют формированию и выходу паровых пузырьков на поверхность воды.

В конденсаторе (может быть выполнен в виде радиатора с воздушным охлаждением) пар остывает и превращается в дистиллированную воду, которая через накопительную емкость и насос (не показаны) при температуре 80-90°С поступает к форсунке 14.

В конце такта сжатия, при движении поршня 3 вверх, происходит сжатие в цилиндре 4 и камере 1 сгорания окислителя. При приближении поршня к отметке, соответствующей углу опережения зажигания, форсункой 14 производят впрыск в камеру 1 сгорания в виде струй 15 воды, которая пленкой оседает на стенках 2 камеры, и нагреваясь, продуцирует пар 16, обволакивающий стенки камеры.

Затем осуществляют впрыск топлива другой форсункой (не показана), и при подходе поршня к метке, соответствующей углу опережения зажигания, воспламеняют смесь в камере сгорания. Заметим, что если топливный заряд (или первая часть его) впрыскивается как обычно на такте всасывания, то после срабатывания форсунки 14 топливная форсунка или не включается вовсе, или подает вторую часть топлива (при дробной подаче последнего). Кроме того, при работе дизеля топливная форсунка срабатывает в момент, когда ход поршня соответствует углу опережения зажигания.

Воспламененная смесь начинает гореть, температура и давление в камере сгорания повышаются, излучение раскаленных газов воздействует на стенки камеры, в результате чего остатки пленки воды испаряются, а имеющийся пар перегревается, увеличивает свою внутреннюю энергию и создает дополнительное давление, которое воздействует на поршень, как правило, идущий уже в это время вниз. При этом пар препятствует непосредственному взаимодействию продуктов сгорания со стенками камеры, т.е. уменьшает потерю тепла в систему охлаждения конвекцией. Заметим, водяной пар является многоатомным газом, который поглощает лучистую энергию в определенных полосах спектра. В энергетическом отношении для водяного пара наиболее важное значение имеют следующие полосы [Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1949]: 1-я полоса от λ=2,24 мкм до λ=3,27 мкм, 2-я полоса от λ=4,8 мкм до λ=8,5 мкм. Согласно закону Планка максимум мощности излучения для указанных диапазонов волн будет соответственно находиться в диапазонах температур от 1224 до 886 К и от 603 до 341 К. Поэтому даже уже при завершении горения пар будет перегреваться и создавать дополнительное давление на поршень. Формирование паровой теплоизолирующей пленки способствует не только снижению тепловых потерь через стенки камеры сгорания, но и уменьшает синтез оксида азота, время образования основного количества которого занимает 2,2⋅10^-3-6,2⋅10^-3 с.

На такте выпуска отработанные газы проходят через выпускной коллектор, и описанный процесс повторяется.

При выключении зажигания в холодный период времени двигатель еще некоторое время работает на холостом ходу, при этом вода в форсунку и камеру сгорания не поступает. Форсунка нагревается от продуктов горения, и оставшаяся в ней влага испаряется, что исключает порчу форсунки при отрицательных температурах. Выход из строя выпускного коллектора при замерзании воды в парогенераторе предотвращают кольца 9, деформирующиеся при расширении воды, а также не позволяющие образоваться большому сплошному монолиту льда, который мог с большим разрушающим усилием давить на коллектор 5 и ребра 8.

Внедрение изобретения позволит создать простое устройство, использующее для своей работы энергетические потери двигателя и повышающее его КПД.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает впуск свежего заряда топливной смеси, воспламенение топливной смеси в камере (1) сгорания, впрыск в камеру (1) сгорания воды и выпуск отработавших газов из цилиндра (4). При приближении поршня (3) к отметке угла опережения зажигания форсункой (14) производят впрыск в камеру (1) сгорания в виде струй (15) воды. Вода пленкой оседает на стенках (2) камеры сгорания, и, нагреваясь, продуцирует пар (16), обволакивающий стенки (2) камеры сгорания. Впрыск воды осуществляют перед воспламенением топливной смеси. Технический результат заключается в повышении мощности за счет преобразования внутренней энергии продуктов горения во внутреннюю энергию водяного пара, а также вследствие уменьшения потерь тепла в систему охлаждения. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск свежего заряда топливной смеси, ее воспламенение в камере сгорания, впрыск в последнюю воды и выпуск отработавших газов из цилиндра, отличающийся тем, что впрыск воды осуществляют перед воспламенением топливной смеси, при этом в процессе впрыска воду подают на стенки камеры сгорания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что впуск свежего заряда топливной смеси осуществляют в конце такта сжатия.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе выпуска отработавших газов из цилиндра их используют для нагрева воды и превращения ее в пар.

4. Способ по любому из пп. 1, 3, отличающийся тем, что впрыскиваемую в камеру сгорания воду получают из пара путем охлаждения последнего.

5. Способ по любому из пп. 1, 3, отличающийся тем, что нагрев воды и превращение ее в пар производят посредством выпускного коллектора цилиндра.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при отрицательных температурах окружающей среды выключение двигателя сопровождают его работой на холостом ходу, в процессе которого прекращают подачу воды в камеру сгорания.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что впрыск осуществляют водой температурой 80-90°С.

8. Способ по любому из пп. 1, 5, отличающийся тем, что вокруг наружной поверхности коллектора цилиндра формируют кольцеобразный элемент из жаростойкого упругого материала.