Способ совершенствования процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов при повышении безопасности автотранспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что водород получают в электролизере на борту транспортного средства. Подача водорода осуществляется при отношении массы водорода к массовому расходу основного топлива на режиме холостого хода в диапазоне 0,01 - 0,04, а топливно-воздушная смесь обедняется до коэффициента избытка воздуха α=1,2...1,4. В электролизере водород и кислород получают раздельно и из водородной и кислородной камер направляют в трубопроводы. Водород поступает во впускной трубопровод, смешиваясь с топливно-воздушной смесью, которая при открытии клапана, размещенного в стенке впускного трубопровода, обедняется воздухом, поступающим из атмосферы. Другой трубопровод соединяет кислородную камеру с выпускной системой. При работе двигателя обедненная топливно-воздушная смесь с примесью газообразного водорода сгорает устойчиво и с высокой полнотой при минимальной концентрации токсичных веществ в отработавших газах. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам и устройствам совершенствования процесса сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), как в поршневых, так и в роторно-поршневых.

Известен способ совершенствования процесса сгорания топлива в ДВС за счет введения газообразного водорода в топливно-воздушную смесь (ТВС), благодаря чему расширяются пределы устойчивого воспламенения и горения в ДВС [1, с. 51.69].

Недостатком указанного способа является значительный расход водорода, что требует наличия на борту автотранспортного средства специального резервуара с необходимым запасом водорода, который является источником взрывоопасности. Кроме того, резервуар с водородом имеет большие габариты, а по массе сравним с двигателем. Не определены минимальные расходы водорода, обеспечивающие высокую полноту сгорания и низкую токсичность отработавших газов.

Известны способ работы ДВС с введением в ТВС добавок водорода и система для осуществления этого способа по авторскому свидетельству (АС) N 1302359 [2] , по которому водород подводится в межэлектродное пространство свечи зажигания.

Основные недостатки указанного способа работы ДВС и системы питания водородом заключаются в невозможности их эффективного использования при малых расходах водорода из-за неопределенности соотношения расхода водорода к расходу основного топлива. Отсутствует система обеднения ТВС.

Часть этих недостатков устранена в способе работы ДВС по источнику информации [3], согласно которому подача водорода в количестве 0,1 - 1,5% от расхода бензина осуществляется в зону электродов свечи при обеднении смеси на режиме холостого хода и на частичных нагрузках двигателя. Система подачи водорода включает источник водорода, электромагнитный клапан-дозатор и свечу зажигания с каналами подачи водорода. Работой системы управляет электронный блок.

Недостатки данного способа и устройства заключаются в отсутствие системы обеднения смеси, а также в сложности системы подачи водорода и устройства свечи зажигания.

В энергетической установке транспортного средства по АС N 1088959 [4] источником водорода является электролизер, разлагающий воду на водород и кислород. Способ работы установки включает следующие операции. При торможении двигателя в электролизере, связанном через индуктор с тормозом, выделяются водород и кислород, которые аккумулируются в специальной емкости. 3атем в соответствии с программой регулирования полученные водород и кислород вместе поступают через редуктор во впускной тракт двигателя вместе с основной ТВС. Распределение даже небольшого количества водорода и кислорода в объеме камеры сгорания создает благоприятные условия для более полного сгорания топлива и расширения пределов воспламенения и устойчивого горения.

Основные недостатки этой энергетической установки транспортного средства [4] заключаются в отсутствии операции обеднения смеси и устройства для его осуществления на режимах добавки водорода, что не позволяет эффективно снижать концентрацию оксидов азота и в отсутствии заданных отношений количества добавляемого водорода к расходу основного топлива. Кроме того, совместная подача водорода и кислорода увеличивает взрывоопасность системы.

3адачей, решаемой изобретением, является технический результат - снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов при повышении безопасности автотранспортного средства.

Технический результат достигается тем, что водород получают в электролизере отдельно от кислорода и вводят его в топливно-воздушную смесь при отношении массы водорода к массе основного топлива на режиме холостого хода в диапазоне 0,01...0,04 и обедняют топливно-воздушную смесь до коэффициента избытка воздуха 1,2...1,4.

Обеднение топливно-воздушной смеси осуществляют путем подачи дополнительного воздуха.

Обеднение топливно-воздушной смеси осуществляют путем уменьшения подачи топлива.

Технический результат достигается также тем, что имеется регулятор обеднения смеси, электролизер выполнен с раздельными камерами для водорода и кислорода и подключен к электрической цепи транспортного средства, причем камера водорода электролизера соединена трубопроводом с впускным трубопроводом двигателя, а камера кислорода электролизера соединена трубопроводом с выпускным трубопроводом двигателя.

Регулятор обеднения топливно-воздушной смеси содержит размещенный в стенке впускного трубопровода клапан, сообщающий впускной трубопровод с атмосферой.

Электронный блок управления системой впрыска топлива имеет калибровочные таблицы для обеднения топливно-воздушной смеси.

Известно, что концентрация оксидов азота (NO) в отработавших газах ДВС, при прочих равных условиях, определяется величиной коэффициента избытка воздуха (α) ТВС. При использовании бедных ТВС с величиной α ≥ 1,2 происходит резкое уменьшение концентрации NO в отработавших газах. Однако бензиновые ДВС, как карбюраторные, так и с впрыском топлива, на таких бедных смесях работают или с "пропусками" зажигания, или с низкой полнотой сгорания, что приводит к увеличенному расходу топлива и к повышению концентрации оксида углерода (CO) и несгоревших углеводородов (CH) в отработавших газах. При добавке необходимого количества водорода в ТВС бензиновые ДВС устойчиво работают при коэффициенте α = 1,4 и выше с высокой полнотой сгорания и низкой эмиссией оксидов азота.

При работе ДВС водород подается в количестве, составляющем 0,01...0,04 от массового расхода основного топлива на режиме холостого хода от камеры водорода электролизера, подключенного к электрической цепи транспортного средства, а смесь обедняется путем подачи дополнительного воздуха через специальный клапан, сообщающий пространство впускного трубопровода с атмосферой, или уменьшением подачи топлива в двигателях с впрыском до коэффициента α = 1,2...1,4. При увеличении нагрузки, когда устойчивость работы двигателя по составу смеси улучшается, отношение количества добавляемого водорода к расходу основного топлива уменьшается.

Снижение расхода топлива достигается за счет более полного сгорания компонентов топлива при избытке воздуха и добавке водорода - одного из основных источников активных центров для развития цепных реакций горения углеводородного топлива. Этим снижается содержание CO и CH в отработавших газах. Обеднение смеси приводит к снижению температуры горения и, следовательно, к резкому уменьшению содержания NO в отработавших газах. Безопасность транспортного средства повышается, так как генерируемые в электролизере водород и кислород получаются раздельно, подводятся в разные узлы и системы ДВС раздельно и расходуются без создания значительных запасов.

На фиг. 1 показана схема системы для осуществления предлагаемого способа совершенствования процесса сгорания топлива в ДВС; на фиг. 2 - зависимости концентрации CO и CH в отработавших газах от коэффициента избытка воздуха при различных количествах добавок водорода; на фиг. 3 - результаты испытания предлагаемого способа и системы для его осуществления на двигателе ВА3 - 1111 в составе автомобиля "Ока" на стенде с беговым барабаном по ездовому циклу.

Система для осуществления предлагаемого способа содержит электролизер 1, подсоединенный к электрической сети транспортного средства, трубопроводы водорода 2 и кислорода 3, канал подвода водорода 4, клапан 5, размещенный в стенке воздушного трубопровода 6, и выпускной трубопровод 7. Трубопровод 2 сообщает водородную камеру электролизера 1 с каналом 4. Трубопровод 3 сообщает кислородную камеру электролизера с выпускным трубопроводом 7. Клапан 5 сообщает впускной трубопровод 6 с атмосферой.

При работе ДВС в электролизере 1 генерируемые водород и кислород получаются раздельно и из водородной и кислородной камер поступают соответственно в трубопроводы 2 и 3. Водород через канал 4 поступает во впускной трубопровод и в ТВС, которая при открытии клапана 5 обедняется до значений коэффициента избытка воздуха 1,2...1,4. Водород подается в ТВС в количестве 0,01...0,04 от массового расхода топлива двигателем в режиме холостого хода, так как на этом режиме образуется максимальная концентрация токсичных веществ в отработавших газах.

В случае топливной системы с электронным впрыском увеличение коэффициента избытка воздуха обеспечивается уменьшением подачи топлива. В электронный блок управления вводятся калибровочные таблицы для обеднения топливно-воздушной смеси.

При работе двигателя на холостом ходу введение водорода расширяет пределы устойчивого воспламенения и горения, способствует интенсивному развитию начального очага, быстрому переходу к турбулентному горению и высокой полноте сгорания. Обеднение смеси создает условия для более полного окисления горючих компонентов топлива и снижения тем самым токсичности отработавших газов за счет более полного выгорания CO и CH. Снижение концентрации оксидов азота достигается из-за более низкой температуры горения обедненной смеси.

При увеличении нагрузки доля водорода по отношению к расходу основного топлива снижается и водород оказывает меньшее влияние на показатели работы двигателя.

Кислород, поступающий в выпускной канал, способствует окислению продуктов неполного сгорания и дополнительно снижает токсичность отработавших газов.

Пример конкретного выполнения 1. Предлагаемый способ с использованием системы для его осуществления испытывался на поршневых двигателях ВА3 - 1111 и ВА3 - 2108 на лабораторных стендах и при ездовых испытаниях автомобиля "Ока" (двигатель ВА3 - 1111) на стенде с беговыми барабанами.

Система для осуществления предлагаемого способа была собрана по схеме фиг. 1, в которой водородная камера электролизера трубопроводом 2 была соединена с впускным трубопроводом двигателя через канал 4. В процессе испытаний проводились замеры частоты вращения вала, расходов бензина и водорода, содержание CO, CH и NO в отработавших газах. Добавка водорода в ТВС варьировалась от 0 до 0,08 по массе от расхода бензина на холостом ходу. Обеднение смеси проводили до значений α = 1,8.

Результаты испытаний на моторном стенде двигателя с различными добавками водорода и увеличением коэффициента α представлены на фиг. 2. Обозначения кривых: 1 - без добавки водорода, 2 - добавка водорода 0,01, 3 - 0,025, 4 - 0,04, 5 - 0,05, 6 - 0,08 от расхода бензина на холостом ходу.

Оптимальная величина добавки водорода составляет 0,01...0,04 от массы расхода топлива на холостом ходу при обеднении топливно-воздушной смеси до α = 1,2...1,4.

На всех испытанных двигателях при использовании предлагаемого способа получено уменьшение расхода топлива до 10...12% и значительное снижение токсичности от работавших газов. Так, при испытании предлагаемого способа и системы для его осуществления на двигателе ВА3 - 1111 в составе автомобиле "Ока" на стенде с беговыми барабанами по ездовому циклу получено снижение CO до 75%, CH до 55% и NO до 40% на режимах холостого хода и низких скоростях движения, а в среднем по циклу на 20...30%, как это показано на фиг. 3.

2. При испытании предлагаемого способа и системы для его осуществления на роторно-поршневом двигателе ВА3-311 получено снижение концентрации CO на 70...85%, CH на 40...50%. Уменьшение расхода бензина составило 23...37%.

Применение предлагаемого способа и системы для его осуществления позволяет повысить экономичность работы ДВС и значительно снизить токсичность отработавших газов.

Источники информации 1. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. Киев: Наукова думка, 1984, с. 51.69.

2. Авторское свид. N 1302359, СССР. 3апальная свеча для двигателя внутреннего сгорания/Попов Ю.М. БИ, 1987, N 13, с. 226-227; ИР N 2, 1990 г., с. 13.

3. 3лотин Г. Н. , Гибадуллин В.3. Если водород подавать в конце такта сжатия / Автомобильная промышленность, 1995, N 11, с.21-23.

4. Авторское свид. N 1088959, СССР. Энергетическая установка транспортного средства / Егин Н.Л. БИ, 1984, N 16, с.55; ИР N 1, 1987, с.17.

Формула изобретения

1. Способ совершенствования процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, включающий получение водорода в электролизере на борту транспортного средства и подачу в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и водорода, отличающийся тем, что водород получают в электролизере отдельно от кислорода и вводят его в топливно-воздушную смесь при отношении массы водорода к массе основного топлива в режиме холостого хода в диапазоне 0,01 - 0,04 и обедняют топливно-воздушную смесь до коэффициента избытка воздуха 1,2 - 1,4.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеднение топливно-воздушной смеси осуществляют путем подачи дополнительного воздуха.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеднение топливно-воздушной смеси осуществляют путем уменьшения подачи топлива.

4. Система для осуществления способа, содержащая электролизер и устройство подачи водорода и кислорода, электронный блок управления системой подачи топлива, отличающаяся тем, что имеется регулятор обеднения смеси, электролизер выполнен с раздельными камерами для водорода и кислорода и подключен к электрической цепи транспортного средства, причем камера водорода электролизера соединена трубопроводом с впускным трубопроводом двигателя, а камера кислорода электролизера соединена трубопроводом с выпускным трубопроводом двигателя.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что регулятор обеднения топливо-воздушной смеси содержит размещенный в стенке впускного трубопровода клапан, сообщающий впускной трубопровод с атмосферой.

6. Система по п. 4, отличающаяся тем, что электронный блок управления системой впрыска топлива имеет калибровочные таблицы для обедненной топливно-воздушной смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3