Способ увеличения коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания и снижения вредных выбросов в атмосферу и устройство для его осуществления

 

Использование: в поршневых двигателях (карбюраторных и дизельных) с регенерацией тепла выхлопных газов для увеличения мощности и снижения удельного расхода топлива на 20% и уменьшения вредных выбросов в атмосферу на порядок. Сущность изобретения: за счет тепла выхлопных газов в теплообменнике-котле вырабатывается водяной пар высокого давления, к нему подмешивается топливо, и перед началом процесса сгорания в каждый цилиндр подается смесь паров воды и паров топлива пропорционально расходу воздуха (α =1,1=const) (как на постоянных, так и переменных режимах), что обеспечивает минимальное образование окислов азота и CO. Подача осуществляется через специальные клапаны (⊘ =4-6 мм) в головке блока, управляемые своим кулачковым валиком таким образом, чтобы количество паротопливной смеси было пропорционально расходу воздуха (за счет синхронизации работы кулачкового валика и воздушной заслонки). После выхода из теплообменника - котла парогазовая смесь поступает в теплообменник-конденсатор, откуда вода подается в теплообменник-котел и далее в цилиндры. Для поддержания α =1,1=const и получения необходимой мощности на переменных режимах в системе подачи паротопливной смеси имеется бак с резервом смеси для работы в течение 3-5 сек в связи с возможным отставанием выработки пара от резкого увеличения подачи воздуха в цилиндры. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия, снижения вредных выбросов и увеличения мощности двигателей. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области рабочих процессов двигателей, включающих предварительную обработку воздуха, топлива или горючей смеси, путем добавления воды или водяного пара. Известно, что впрыск воды в цилиндры внутреннего сгорания (ДВС) многократно снижает количество образующихся окислов азота [2,1] а поддержание на всех режимах работы двигателя коэффициента избытка в пределах α1,1±0,05 сводит концентрацию CO и CH почти до нуля [1, рис.71] Однако при a1,1 отсутствии пара наблюдается максимум образования NO. Отметим, что впрыск воды дает хороший эффект, если подача воды соизмерима с расходом топлива, и при этом, как следствие, происходит понижение температуры конца процесса сгорания примерно на 200-300^o. Поддержать постоянной величину a не удается даже на стационарных режимах, т.к. в карбюраторных двигателях a получается разная по цилиндрам, а в двигателях с непосредственным впрыском топлива из-за плохого испарения топлива вблизи стенок цилиндра и подтекании капель топлива в момент закрытия форсунки. Но наибольший выброс вредных веществ в атмосферу происходит на переменных режимах.

Один из основных путей улучшения экономичности тепловых двигателей связан с частичным использованием тепла продуктов сгорания (рабочего тела). Под регенерацией тепла (по отношению к тепловым двигателям) понимают подогрев воздуха, поступающего в топку (камеру сгорания), отработавшими продуктами сгорания. Почти во всех предложениях, относящихся к ДВС, кл. F 02 B 47/02, топливо, воздух и подмешиваемая к ним вода или пар подогреваются выхлопными газами и подаются в цилиндры ДВС через патрубки всасывания воздуха и бензина (заявки: NN 1395 418, 1975, Великобритания, 2425545, 1890, Франция, N 2298 690, 1976, Франция, 7560 60, 1980, СССР и др.). Таким образом, за счет подогрева воздуха и топлива как бы увеличивают теплотворность и массу горючей смеси: заставляет работать полученный пар, подавая его в цилиндры под высоким давлением, автор изобретения N 39485, 1934, СССР. Это предложение возьмем за прототип. В предложенной авторами заявки схеме предлагается использовать для получения пара воду из системы охлаждения. Но оттуда можно брать только 10-15% циркулирующей воды. Необходимость поддерживать умеренной температуру деталей двигателя заставляет циркулировать столь значительное количество воды (ее температура ≈100^oC), что выхлопные газы не располагают достаточным запасом внутренней энергии для превращения ее в пар. Кроме того выброс использованного пара вместе с выхлопными газами в атмосферу требует помимо запаса топлива еще запаса воды, который в 6-8 раз превосходит запас топлива. Этот запас воды определяется количеством пара, которое могут вырабатывать выхлопные газы, и которые уносят 30-55% тепла, выделяющегося при сгорании. Неполное использование тепла уходящих продуктов сгорания, предусмотренное в прототипе, понижает эффективность парогазового цикла. Подача водяного пара в цилиндры приведет к снижению выброса окислов азота (независимо от величины a), но необходимо еще предотвращать образование CO и производить очищение продуктов сгорания от твердых частиц и многоатомных молекул. Предлагаемая в заявке 39485 система состоит из теплообменника для получения перегретой воды, находящейся под давлением, трубопроводов для подвода и отвода выхлопных газов, паропровода, подающего перегретую воду в аккумулятор (накопитель воды), и дроссельного клапана, открывающего доступ в цилиндры воды, превращающейся в пар в момент открытия клапана. Превращение воды в пар при падении давления требует предварительного нагрева воды до более высокой температуры (необходимо запасти тепло для процесса парообразования) и тем самым снижает в 2-3 раза количество тепла, отбираемого от выхлопных газов, т.к. они уходят в атмосферу более горячими, в этом заключается указанное выше неполное использование тепла уходящих продуктов сгорания. Предлагаемое авторами настоящего изобретения устройство состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, топливного бака 13, теплообменника 2 для подогрева топлива жидкостью из системы охлаждения, насосов 5 для подачи топлива и воды, теплообменника 3 для получения пара из водяного конденсата, теплообменника-конденсатора 4 для конденсации водяного пара из продуктов сгорания, фильтра 6 для очистки водяного конденсата от твердых частиц, водяного бака 7, регулятора 8 подмешивания топлива к пару, резервного бака для паротопливной смеси 9, регулятора подачи паротопливной смеси пропорционально засасывающему воздуху 10, предохранительного клапана 11 и карбюратора 12 с воздушной заслонкой, а также из (фиг. 2) кулачкового валика 14 для открытия клапанов на головке цилиндра для пропуска паротопливной смеси в цилиндры с цепной передачей 16 от коленчатого вала к валику, позволяющей регулировать опережение открытия клапанов, и втулкой 15 для регулирования величины открытия клапанов за счет перемещения кулачкового валика в вертикальном направлении. Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшения КПД ДВС (карбюраторных и дизельных), снижение вредных выбросов в атмосферу и увеличение мощности двигателей при том же объеме цилиндров, что достигается следующим образом. Вырабатываемый за счет тепла уходящих газов пар (20-40% по отношению к количеству засасываемого воздуха (при давлении 80-180 атм) с температурой 1200-1300 K через специальные клапаны в головке цилиндра диаметром 4-6 мм подается внутрь цилиндров в момент процесса сгорания (фиг.1). Хотя температура пара, почти равная температуре выхлопных газов, будет вдвое ниже, чем у продуктов сгорания в момент вспышки, с учетом по величине газовой постоянной у водяного пара увеличение работы расширения (мощности двигателя) при том же объеме цилиндров 15-30% (Давление подачи и паротопливной смеси на 20-40% выше давления газов в цилиндре). Топливо также целесообразно подогревать жидкостью из системы охлаждения, т.к. это дает увеличение КПД ДВС на 0,1-0,2% но главное это ускоряет испарение топлива и увеличивает полноту сгорания (до нескольких). Ограничением использования тепла охлаждающей жидкости является ее низкая температура, хотя количество тепла, попадающее в систему охлаждения, почти такое же, как у выхлопных газов.

После совершения работы расширения горячие продукты сгорания и отработанный водяной пар направляются в теплообменник 3, теплообменник-конденсатор 4 и далее продукты сгорания выходят в атмосферу, а конденсат пара (вода) через подкачивающий насос 5, фильтр 6 и водяной бак 7 в теплообменник 3, оттуда в регулятор 8 подачи топлива, которое подмешивается к пару в количестве 20% от массы пара, и далее через резервный бак 9 и регулятор 10 подачи паротопливной смеси пропорционально расходу воздуха в цилиндры двигателя 1. Таким образом, вода и пар циркулируют в замкнутой системе. Количество образующего пара в теплообменнике 3 определяется массовым расходом выхлопных газов, включая отработанный пар, и их температурой. К получаемому пару топлива подмешивается постоянное количество такое, чтобы паротопливная смесь, подаваемая в цилиндры регулятором 10, образовала там состав с a1,1const. При этом регулятор 10, ориентируясь на расход воздуха, подает паро-топливную смесь, исходя из того, что доля топлива в ней есть величина неизменная. Количество вырабатываемого пара в теплообменнике 3 все время может меняться от режима к режиму, но эти колебания гасятся резервным баком 9, наполненным паротопливной смесью. Если бак 9 переполняется, то избыточное количество пара под возросшим давлением стравливается клапаном 11 в атмосферу. Если же среднее количество пара, получаемое в котле, оказывается периодически недостаточным из-за слишком малой выбранной для регулятора 8 доли топлива в паротопливной смеси для поддержания a1,1= const, то при падении давления в резервном баке включается в работу карбюратор 12 до восстановления давления в резервном баке.

При исходной мощности карбюраторного ДВС в 100 л.с. расхода воздуха через двигатель ≈0,104 кг/сек, топлива ≈ 0,0065 кг/сек, поток тепла в систему охлаждения будет ≈ 19 ккал/сек, в систему выхлопа ≈31 ккал/сек, возможные выработки пара ≈ 0,035 кг/сек и увеличение КПД с 25-27% до 31-35% увеличение КПД в 1,25 раза: (для карбюраторных двигателей: с (21%-34%) до (27%-43%), для дизелей: с (36%-50%) до (45%-63%). а теплообменник 3 должен иметь габариты порядка 10 см х 20 см х 140 см [4] теплообменник-конденсатор, в котором набегающему потоку воздуха необходимо отдавать почти столько же тепла, сколько отдается воздуху радиатором системы охлаждения, будет иметь такой же лоб и конструкцию, как и упомянутый радиатор системы охлаждения. Если воспользоваться улучшенными теплообменниками, разработанными в ЦИАМе 5, то габариты теплообменника 3 могут быть уменьшены в 1,5 2 раза, а теплообменника-конденсатора на 20 30% С точки зрения термодинамики рассматриваемое предложение сводится к реализации парогазового цикла, предложенного С.А.Христиановичем, в котором за счет тепла отработанных газов вырабатывается пар, работающий в отдельно стоящем агрегате, например, паровой турбине. Такие комбинированные установки из газовых паровых турбин применяются на электростанциях. Отличие предлагаемой схемы использования получаемого пара от указанной выше состоит в том, что получаемый пар высокого давления работает в той же тепловой машине, из которой выходят горячие продукты сгорания, и работает в смеси с горячими газами, которые являются основным рабочим теплом этой тепловой машины, второй паровой машины не требуется. Другое отличие заключается в том, что реализация парогазового цикла в одной машине позволяет резко снизить вредные выбросы за счет присутствия пара в процессе сгорания и за счет того, что процесс конденсации пара идет из смеси продуктов сгорания и водяного пара при их малой скорости относительно друг друга. На этих же особенностях построен патент газотурбинной электростанции на базе авиадвигателей [3] Присутствие водяного пара в цилиндре при сгорании топлива и снижение температуры газовой смеси на 200 300 K сократит образование окислов азота почти до нуля. Для поддержания постоянным уровня a 1,1 необходимо: синхронизировать подачу топлива и воздуха в цилиндры, исключить влияние изменения времени испарения топлива на переменных режимах и расхождения в соотношении количества и воздуха для разных цилиндров. Для этого необходимо топливо подавать в поток горячего пара после выхода последнего из теплообменника 3, а подачу паротопливной смеси в цилиндры синхронизировать с положением дроссельной заслонки в воздушном тракте и потерями напора в нем. Для этого открытие клапанов (⊘ 4 6 мм) для пропуска паротопливной смеси, осуществляемое специальным кулачковым валиком 1 (фиг. 2), должно происходить на разную величину в соответствии с открытием или закрытием воздушной заслонки 12 и давлением в паротопливной магистрали, что возможно, если например, опоры 15 валика перемещать в вертикальной плоскости (фиг. 2) при изменениях положения воздушной заслонки и давления в магистрали пара. Проходные сечения клапанов для паротопливной смеси должны соответствовать свойствам воздуховодов, т.е. быть выполнены с учетом различий в количестве воздуха, поступающего в разные цилиндры. При строгой пропорциональности воздуха и топлива в цилиндрах учет этих различий имеет смысл (в настоящее время эти различия тонут в колебания других параметров всасывающей системы). Описанная система подачи паротопливной смеси может обеспечить α 1,1 const на всех режимах работы и увеличение полноты сгорания, что также снизит загрязнение атмосферы. Улучшение процесса сгорания произойдет за счет подачи топлива в парообразном состоянии.

Очистка выхлопных газов от многоатомных молекул и твердых частиц осуществляется в теплообменнике-конденсаторе 4 водяной пленкой конденсата, стекающей по трубкам, при условии, что скорость газов относительно пленки не превышает 4 м/сек.

Поскольку образование пара в теплообменнике не может мгновенно следовать за изменением подачи воздуха в цилиндры, необходим в системе подачи паротопливной смеси какой-то демпфер, роль которого может выполнять резервный запас пара в бачке 9, объемом 12 16 литров на 3 7 сек работы двигателя. Давление в баке, через который проходит весь поток паротопливной массы, должно быть на 30 50 ат выше давления подачи в цилиндры. Такой резервный бак позволяет поддерживать a 1,1const в течение нескольких секунд при необходимости резко увеличить мощность двигателя (при резкой подаче газа).

Привод кулачкового валика, обеспечивающего подачу паротопливной смеси в цилиндры, в случае применения цепной передачи 16 к нему позволит регулировать опережение открытия клапанов в зависимости от числа оборотов (фиг. 2), поскольку синхронное перемещение пары свободно вращающихся шестерен А,А изменяет длины левой и правой частей цепи. Вертикальное перемещение кулачкового валика, определяющее проходное сечение клапанов и тем самым количество подаваемой в цилиндры паротопливной смеси, задается регулятором 10, который может дозировать поступление не только через перемещение кулачкового валика, то также дросселируя в различной степени давление паротопливной смеси. Однако в связи с многократным изменением расхода горючей смеси на разных режимах работы ДВС регулировка подачи смеси только дросселированием давления, под которым она поступает в цилиндры, может оказаться невозможной по конструктивным соображениям, и тогда появится необходимость регулировать количество подаваемой паротопливной смеси за счет изменения проходных сечений клапанов, через которые эта смесь поступает в цилиндры. Заметим, что количество автоматики, необходимой для предлагаемой системы, составляет небольшую долю от объема автоматики, устанавливаемой на современных зарубежных автомобилях.

Некоторый выброс пара из теплообменника-конденсатора с продуктами сгорания в атмосферу компенсируется образованием водяного пара и в процессе сгорания, а возникающий избыток конденсата выпуском его через предохранительный клапан 1 и в атмосферу. Количество конденсата, поступающего в теплообменник 3, дозируется автоматом 10 по уровню мощности, на которой работает двигатель, т.е. задается пропорционально расходу воздуха. Сигнал этого же автомата 10 дозирует поступление смеси в цилиндры пропорциональности расходу воздуха. В теплообменнике-конденсаторе образуется воды больше, чем подается в цилиндры из-за процесса сгорания, поэтому необходимо ограничивать поступление конденсатора в теплообменник 3.

Карбюраторы и насосы непосредственного выпрыска несмотря на их конструктивную сложность дозируют топливо по отношению к расходу воздуха с погрешностью десятки процентов (уровень прошлого века), а система, замеряющая расход воздуха и подающая паротопливную смесь, может это делать с погрешностью в несколько процентов, в этом случае глушитель выхлопа отсутствует. Запуск двигателя осуществляется на карбюраторе 12, куда топливо перестает поступать под воздействием паротопливной смеси, когда это давление достигает расчетной величины, регистрируемой клапаном 11.

Для соблюдения техники безопасности резервный бак на высокое давление должен располагаться в задней части кузова внизу и иметь слабый участок в сценке бака, расположенный таким образом, чтобы в случае аварии автомобиля выброс пара происходил вниз в сторону мостовой.

Для проверки эффективности предлагаемой топливной системы в части снижения вредных выхлопов можно ограничиться сравнительно простым испытанием системы, когда снижения топлива не происходит, но при этом существующие двигатели не потребуют никакой переделки или доработки. Необходимо только изготовить саму описанную выше систему подачи паротопливной смеси, состоящую из теплообменника 3 (фиг. 1) для получения пара, теплообменника-конденсатора 4, насосов 5, фильтра 6, водяного бака 7, регулятора пропорциональности подачи топлива в поток пара 8, резервного бака 9, регулятора 10 подачи паротопливной смеси пропорционально количеству засасываемому через карбюратор воздуха в двигатель 1, предохранительного клапана 11 и карбюратора 12 с воздушной заслонкой. Дополнительные клапаны на цилиндре с кулачковым валиком 14 (фиг. 2) отсутствуют. В этом случае регулятор 10, регистрирующий секундный расход воздуха в патрубке, ведущем воздух к карбюратору, подает паротопливную смесь и поток воздуха пропорционально его расходу через двигатель, поддерживая тем самым a const во всех цилиндрах и на всех режимах, в том числе переменных. При работе по полной схеме регулятор 10 должен обеспечить подачу паротопливной смеси пропорционально расходу воздуха за счет подачи сигнала на соответствующее открытие дополнительных клапанов на головке цилиндров с помощью дополнительного кулачкового валика с цепной передачей 16 (фиг. 2). При работе по неполной схеме после запуска, двигателя на карбюраторе (или дизеля на системе непосредственного впрыска) и появления в паротопливной системе необходимого давления клапан 11 перекрывает доступ топлива в поток воздуха из карбюратора и открывает выход для паротопливной смеси в поток воздуха. В таком режиме работы нет необходимости с помощью насоса 5 поддерживать высокое давление в паротопливной системе, достаточно небольшого избыточного давления для подачи смеси в поток.

Вторую функцию регулятор 10 подачи конденсата из теплообменника- конденсатора 4 в теплообменник 3 пропорционально расходу воздуха через двигатель (пропорционально мощности) должен выполнять в любом варианте.

Постоянная времени у системы подачи паротопливной смеси (время срабатывания) должна быть того же порядка, что и у карбюратора.

Формула изобретения

1. Способ увеличения КПД двигателя внутреннего сгорания и снижения вредных выбросов в атмосферу, заключающийся в получении пара высокого давления в момент открытия дроссельного клапана для выпуска перегретой воды из аккумулятора, поступившей из теплообменника, где она подогревается выхлопными газами, подаче полученного пара в цилиндры двигателя, отличающийся тем, что перед началом процесса сгорания в каждый цилиндр двигателя в каждом цикле подается смесь водяного пара и топлива при давлении, близком или несколько превышающем давление в конце процесса сгорания, пропорционально расходу воздуха, проходящему через каждый цилиндр, при этом пар получен в теплообменнике, в котором подогревают воду и пар.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогретое в системе охлаждения двигателя топливо подмешивают к пару после выхода его из теплообменника пропорционально количеству пара регулятором подачи топлива в паротопливную систему.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в резервном баке создают резервный запас паротопливной смеси на 3 7 с работы двигателя, давление в котором на несколько десятков атмосфер выше давления подачи паротопливной смеси в цилиндре.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагреваемую воду берут из теплообменника конденсатора, охлаждаемого набегающим потоком воздуха, причем процесс конденсатора пара из продуктов сгорания в режиме вертикального противотока за счет малой скорости пленки конденсата относительно продуктов сгорания сопровождается очисткой газов от вредных примесей многоатомных молекул и вредных частиц.

5. Устройство увеличения КПД двигателя внутреннего сгорания, содержащее систему, состоящую из аккумулятора перегретой воды с дроссельным клапаном, теплообменника, отличающееся тем, что замкнутая циркуляционная система содержит теплообменник-конденсатор, охлаждаемый набегающим потоком воздуха подкачивающий водяной насос, фильтр, насос высокого давления, регулятор подачи топлива, резервный бак, регулятор подачи паротопливной смеси, предохранительный клапан, а также специальный кулачковый валик и клапан, степень открытия которого регулируется автоматом для поддержания α = 1,1 = const за счет вертикального перемещения кулачкового валика и дросселирования давления паротопливной смеси за счет изменения длин обоих половин цепной передачи к кулачковому валику паротопливной смеси при синхронном передвижении двух свободновращающихся шестерен, на которые опирается цепная передача.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2