Способ для подачи пара во всасываемый воздух в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области машиностроения и позволяет повысить топливную экономичность и снизить токсичность двигателя внутреннего сгорания. Способ включает этапы сжатия всасываемого воздуха до подачи пара и соприкосновения в увлажняющем средстве всасываемого воздуха и жидкости путем одновременного подвода сжатого всасываемого воздуха и жидкости в увлажняющее средство и принуждения всасываемого воздуха и жидкости к протеканию в противоположных направлениях через увлажняющее средство. Устройство содержит увлажняющее средство, которое введено между компрессором и двигателем и которое имеет в своем составе первый присоединительный патрубок для подвода воды в увлажняющее средство и второй присоединительный патрубок для подвода всасываемого воздуха в увлажняющее средство. 2 c. и 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу для подачи пара во всасываемый двигателем внутреннего сгорания воздух и к устройству для осуществления способа.

Известен принцип подачи водяного пара во всасываемый двигателем воздух. Он реализован, в частности, в так называемых двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Такое увлажнение воздуха дает прежде всего снижение выбросов оксида азота. Это представляет особый интерес в двигателях, которые работают с избыточным воздухом и поэтому не могут быть снабжены тройным катализатором. Также известна подача аналогичным образом паров топлива в спиртовый двигатель.

Устройство для подачи водяного пара во всасываемый двигателем воздух раскрыто в описании патента США N 4 632 067. В этом устройстве, как и в других известных устройствах, применяемых тем же способом, водяной пар образуется путем непосредственного нагрева воды нагревательным элементом, после чего водяной пар смешивается с воздухом, который подается в двигатель. Этот способ испарения воды требует высокопотенциальной энергии в относительно больших количествах. Кроме того, регулирование количества подаваемого водяного пара (или некоторого другого пара) затруднительно, поскольку пар должен подаваться в хорошо сбалансированном количестве на один литр воздуха для достижения оптимальных результатов, а часто поток всасываемого воздуха существенно изменяется в течение коротких промежутков времени.

Основная цель настоящего изобретения заключается в создании способа для подачи пара во всасываемый воздух и устройства для осуществления способа, которые устраняют вышеупомянутые недостатки способа-прототипа и резко снижают уровни выбросов оксида азота двигателем внутреннего сгорания, а также одновременно повышают степень использования топлива.

Основная цель достигается способом и устройством согласно пунктам 1 и 4 формулы изобретения соответственно. Путем непосредственного испарения жидкости во всасываемом воздухе, которое достигается, можно добиться, в качестве особого преимущества, саморегулирования количества пара во всасываемом воздухе и, следовательно, нет необходимости в отдельном регулировании количества воздуха во всасываемом воздухе.

Еще одна цель изобретения заключается в отборе энергии для испарения из низкопотенциальной вторичной энергии, образующейся в процессе горения в двигателе.

Эта цель достигается способом согласно пункту 2 или 3 формулы изобретения и устройством согласно пункту 5 или 6 формулы изобретения.

Ниже следует более подробно описание предпочтительных реализаций способа и устройства согласно изобретению. Делается ссылка на чертеж, на котором только одна фигура показывает двигатель внутреннего сгорания, с которым соединена реализация обладающего признаками изобретения устройства.

Фигура иллюстрирует двигатель 1 внутреннего сгорания с шестью цилиндрами 2. Двигатель является дизельным двигателем с турбонаддувом. Турбонагнетатель содержит турбину 3, которая связана со стороной выхлопных газов двигателя 1 посредством трубопровода 4 выхлопных газов. Турбина посредством вала 5 соединена с компрессором 6 для сжатия воздуха, подаваемого в двигатель 1 на стороне всасывания через первый воздухопровод 7. Между компрессором 6 и двигателем 1 располагается увлажняющее средство 8, которое в этой реализации является увлажняющий колонной 8, подключенной для подачи водяного пара во всасываемый воздух до его подачи в двигатель 1 через второй воздухопровод 9. Водяной пар образуется из воды, подаваемой из бака 10 через теплообменник 11 в увлажняющую колонну 8. В теплообменнике 11 вода нагревается охлаждающей двигатель водой, которая проходит в теплообменник 11 через трубопровод 12. Вода подводится в верхнюю часть увлажняющей колонны 8, тогда как воздух подводится в нижнюю часть увлажняющей колонны 8. Вода распыляется в увлажняющей колонне 8 с помощью сопла (не показанного) в туман, который опускается вниз, после чего вода собирается на дне увлажняющей колонны 8, из которой она отводится в бак 10 через трубопровод 13. В это же время воздух подводится под давлением в увлажняющую колонну 8, протекает вверх и выходит во второй воздухопровод 9. В увлажняющей колонне 8 воздух и вода соприкасаются, протекая в противоположных направлениях. Топливо подается в двигатель 1 по топливопроводу 14, а двигатель соединен с генератором 15.

Подача пара происходит следующим образом. Всасываемый воздух сжимается в компрессоре 6, который приводится в действие через вал 5 турбиной 3, которая, в свою очередь, приводится в движение выхлопными газами двигателя 1. Сжатый и поэтому нагретый всасываемый воздух пропускает в нижнюю часть увлажняющей колонны 8, где выделяется вода, которая собирается на дне увлажняющей колонны 8. Вода забирается из бака 10 и подводится в верхнюю часть увлажняющей колонны 8, а на своем пути она проходит через теплообменник и нагревается. В увлажняющей колонне 8 вода распыляется в туман и проходит по мере опускания в увлажняющей колонне 8 через всасываемый воздух, протекающий через увлажняющую колонну 8. Часть воды испаряется и вместе с всасываемым воздухом выходит из увлажняющей колонны 8 и входит в камеру сгорания двигателя 1. Значительно больший поток воды подается по сравнению с потоком воды, который испаряется. Следовательно, энергия для испарения отбирается из имеющейся воды. Это называется изменением энтальпии. Когда испарение воды осуществляется подобным образом в газовой смеси, то оно происходит при существенно более низких температурах, чем в случае, когда имеется только вода, как например, в способе-прототипе, из-за испарения при парциальном давлении, которое водяной пар создает в газовой смеси. Это означает, что испарение вблизи точки, в которой воздух подается в увлажняющую колонну 8, будет происходить при очень низкой температуре, возрастающей к верху увлажняющей колонны 8 по мере увеличения влажности, вследствие чего парциальное давление возрастает. Как упоминалось выше, когда происходит испарение при относительно низкой температуре, становится возможным использовать для процесса испарения низкопотенциальную энергию. Низкопотенциальная энергия получается в больших количествах в виде избыточной теплоты двигателя 1 в охлаждающей воде или в выхлопных газах. Поэтому, как упоминалось выше, охлаждающая вода, выхлопные газы или их сочетание могут использоваться для предварительного нагрева воды до ее подачи в увлажняющую колонну 8.

Описаны предпочтительные реализации способа и устройства согласно изобретению. Они должны рассматриваться только как примеры и многие модификации возможны в пределах объема изобретения, как это определено в пунктах формулы изобретения. Например, вместо воды можно испарять любую подходящую и удобную жидкость. Сопло, которое распыляет жидкость, может быть заменено, например, приспособлением, по которому или через которое, в зависимости от конструкции, жидкость протекает ко дну увлажняющего средства.

Формула изобретения

1. Способ для подачи пара во всасываемый воздух, который поступает в двигатель (1) внутреннего сгорания, включающий этап соприкосновения в увлажняющем средстве (8) всасываемого воздуха с жидкостью, при этом подачу пара осуществляют посредством этапов одновременного подвода всасываемого воздуха и жидкости в увлажняющее средство (8) и принуждения всасываемого воздуха и жидкости к протеканию в противоположных направлениях через увлажняющее средство (8), отличающийся этапами сжатия всасываемого воздуха до подачи пара и использованием энергии, присущей охлаждающей воде или выхлопным газам указанного двигателя (1), для предварительного нагревания жидкости до подвода ее в увлажняющее средство (8).

2. Способ по п. 1, отличающийся этапами подвода жидкости в верхнюю часть увлажняющего средства (8), распыления жидкости в туман, обеспечения возможности туману свободно опускаться вниз через увлажняющее средство (8), подвода всасываемого воздуха в нижнюю часть увлажняющего средства (8) и обеспечения возможности всасываемому воздуху протекать через туман.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся этапами подвода жидкости в верхнюю часть увлажняющего средства (8), распространения жидкости по всему телу, размещенному в упомянутом увлажняющем средстве (8), обеспечения возможности жидкости протекать вниз вдоль указанного тела, подвода всасываемого воздуха в нижнюю часть упомянутого увлажняющего средства (8) и обеспечения возможности всасываемому воздуху протекать вниз вдоль указанного тела.

4. Устройство для подачи пара во всасываемый воздух, который поступает в двигатель внутреннего сгорания, содержащее увлажняющее средство (8), которое имеет первый присоединительный патрубок для подвода жидкости в увлажняющее средство (8) и второй присоединительный патрубок для подвода всасываемого воздуха в увлажняющее средство (8), причем увлажняющее средство (8) приспособлено для осуществления подачи пара во всасываемый воздух посредством соприкосновения всасываемого воздуха и жидкости во время протекания их в противоположных направлениях через увлажняющее средство (8), отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит предварительный нагреватель (11), который соединен с первым присоединительным патрубком увлажняющего средства (8), для предварительного нагревания жидкости до подвода ее в увлажняющее средство (8), при этом предварительный нагреватель (11) подключен либо к охлаждающей воде, либо к выхлопным газам указанного двигателя (1) для передачи энергии, присущей охлаждающей воде, упомянутой жидкости, а также тем, что второй присоединительный патрубок увлажняющего средства (8) соединен с компрессором (6), приспособленным для сжатия всасываемого воздуха и связанным с двигателем.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него введено сопло, которое размещено в верхней части увлажняющего средства (8) и которое соединено с упомянутым первым присоединительным патрубком, для рассеивания и распыления жидкости в туман.

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что содержит приспособление, которое установлено в увлажняющем средстве (8) и вдоль которого жидкость протекает вниз.

РИСУНКИ

Рисунок 1