Способ повышения эффективности двс и устройство для его реализации

Изобретение относится к двигателестроению. Изобретение позволяет повысить эффективность работы двигателя. Способ повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания заключается в накоплении и сжатии выхлопных газов, впрыске воды. Часть выхлопных газов отсекают от выхлопной системы, перепуская в накопительную полость. В эту часть выхлопных газов впрыскивают под давлением предварительно подогретую от теплонапряженных элементов двигателя воду. Выхлопные газы совместно с образовавшимся водяным паром расширяют с последующим повторением рабочих циклов, включая сжатие выхлопных газов совместно с водяным паром, впрыск воды и расширение выхлопных газов и водяного пара на такте рабочего хода. После чего осуществляют такт выпуска, при этом расход впрыскиваемой воды компенсируют. Двигатель теплоизолируют по всей внешней поверхности. Способ осуществляется в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, камеру сгорания, впускные и выпускные клапаны, коленчатый вал, кулачковый вал, рабочий поршень. В выпускном коллекторе выполнена накопительная полость, ограниченная от камеры сгорания выпускным клапаном камеры сгорания, а от внешней среды выпускным клапаном накопительной полости. В корпусе накопительной полости установлена форсунка впрыска воды от плунжерного насоса, для хранения расходуемой воды введен расходный резервуар. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для повышения эффективности их работы.

Существует и является актуальной проблема повышения эффективности ДВС с реализацией такого повышения, например, за счет уменьшения сбросового тепла, что также является важным, в первую очередь, применительно к решению проблемы реально проявляющегося парникового эффекта.

Известен способ (а.с. СССР №910129, опубл. 28.02.1982), направленный на повышение эффективности работы и устранение вредных воздействий при работе ДВС и заключающийся во введении топливно-воздушной смеси в двигатель вблизи области работы свечи зажигания.

Недостатком такого способа является невозможность достижения существенного повышения эффективности работы двигателя, уменьшения тепловых выбросов в атмосферу и снижения уровня содержания угарного газа (СО) и парникового газа (СО₂) в выбрасываемых продуктах сгорания.

Известно устройство впрыска воды в ДВС (патент РФ №2078240, опубл. 27.04.1997). Устройство предназначено для повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания за счет введения дополнительного, экологически чистого компонента.

Недостатком такого технического решения является ограниченная эффективность введенных конструктивных элементов и невозможность существенного повышения эффективности работы двигателя.

Известен способ использования сбросового тепла ДВС (патент ЕР №0756076, опубл. 29.01.97, прототип), в котором выхлопные газы по завершении первого (условно) рабочего цикла двухтактного ДВС удерживают в корпусе и за счет испарения и использования жидкости, впрыснутой перед началом второго рабочего цикла в рабочее пространство камеры сгорания, обеспечивают повышение давления смеси продуктов сгорания и испарившейся жидкости в течение дополнительного рабочего хода - второго цикла с превращением указанного тепла в механическую работу.

Недостатком такого известного способа является невозможность значительного повышения эффективности рабочего процесса, так как сохраняется отвод в атмосферу определенной составляющей тепла продуктов сгорания.

На практике при организации дополнительного цикла традиционно не используется тепло, отводимое охладителем от газообразных продуктов сгорания через стенки рабочего цилиндра, головку двигателя и от других высокотемпературных деталей. При этом общеизвестно, что величина отводимого таким образом и неиспользованного в двигателе тепла сопоставима с величиной тепла, преобразуемого в полезную работу. С другой стороны, присущее самому циклу ДВС сохранение остаточного тепла в массе продуктов сгорания после производства работы на рабочем ходе поршня даже при использовании части такой тепловой энергии на турбине на привод воздушного нагнетателя исключает возможность повышения эффективности работы двигателя напрямую за счет существенного уменьшения тепловых выбросов в атмосферу.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих известному способу. То есть изобретение направлено, прежде всего, на значительное повышение эффективности работы двигателя.

Теоретическим обоснованием реализуемости решения поставленной задачи изобретения является разработанная автором модель взаимодействия рабочего тела тепловых двигателей с перемещаемой силовой оболочкой рабочего элемента таких двигателей, основанная на регистрируемом действии «энергии взаимодействия систем». Модель описана в ряде публикаций и при необходимости и по запросу будут представлены последние данные по теории, достигнутым и потенциально возможным результатам.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания, включающем накопление и сжатие выхлопных газов, впрыск воды, часть выхлопных газов отсекают от выхлопной системы, перепуская в накопительную полость, в эту часть выхлопных газов впрыскивают под давлением предварительно подогретую от теплонапряженных элементов двигателя воду, выхлопные газы совместно с образовавшимся водяным паром расширяют с последующим повторением рабочих циклов, включая сжатие выхлопных газов совместно с водяным паром, впрыск воды и расширение выхлопных газов и водяного пара на такте рабочего хода, после чего осуществляют такт выпуска, при этом двигатель теплоизолируют по всей внешней поверхности, а расход впрыскиваемой воды компенсируют. Способ осуществляется в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, камеру сгорания, впускные и выпускные клапаны, коленчатый вал, кулачковый вал, рабочий поршень. Согласно изобретению, в выпускном коллекторе двигателя выполнена накопительная полость, ограниченная от камеры сгорания выпускным клапаном камеры сгорания, а от внешней среды выпускным клапаном накопительной полости, в корпусе накопительной полости установлена форсунка впрыска воды от плунжерного насоса высокого давления, для хранения расходуемой воды введен расходный резервуар.

Таким образом формируются циклы двигателя, функционирующего на смеси выхлопных газов и водяного пара, образовавшегося во время впрыска воды, что позволяет в конечном итоге более эффективно использовать тепловую энергию, обычно сбрасываемую при работе ДВС с выхлопными газами. Эту смесь удерживают для последующего неоднократного использования в качестве части рабочего тела с циклическим добавлением воды. Впрыскиваемую воду подогревают, непрерывно используя тепло, отведенное на предыдущих циклах от различных теплонапряженных конструктивных элементов двигателя. Для обеспечения функционирования системы охлаждения давление воды в образованном замкнутом до впрыска контуре охлаждения поднимают насосом до значения, исключающего парообразование до момента впрыска. Воду обрабатывают до заливки в двигатель или в процессе охлаждения известными способами для снижения жесткости охладителя и минимизации образования накипи. За счет впрыска под высоким давлением воды повышается давление смеси выхлопных газов и водяного пара перед каждым тактом рабочего хода относительно исходного давления после такта сжатия.

Такую смесь на каждом последующем дополнительном рабочем такте расширяют и сжимают в камере сгорания при уменьшенной степени расширения.

По завершении определенного числа дополнительных тактов, определяемых в зависимости от индивидуальных характеристик и совершенства системы отбора и преобразования тепловой энергии воды из системы охлаждения и общих потерь энергии в двигателе, на последнем такте - такте выхлопа - открывают выпускной клапан накопительной полости и выбрасывают в атмосферу смесь выхлопных газов и водяного пара при меньшем удельном содержании СО₂ и при пониженной относительно исходного значения температуре.

Возникающий при таком способе работы расход воды компенсируют добавлением нового охладителя из расходного резервуара непосредственно в систему охлаждения двигателя

Чертежи, поясняющие изобретение.

Фиг.1 - поперечное сечение двигателя внутреннего сгорания (два вида) с указанием основных конструктивных элементов, включая образованную накопительную полость.

Фиг.2 - условный разрез части корпуса двигателя, иллюстрирующий взаимное положение выпускных клапанов.

Фиг.3 - циклограмма работы двигателя и срабатывания клапанов.

На фигурах указаны следующие основные конструктивные элементы:

1 - цилиндр камеры сгорания;

2 - камера сгорания;

3 - головка камеры сгорания;

4 - впускной клапан камеры сгорания;

5 - выпускной клапан камеры сгорания;

6 - выпускной клапан накопительной полости;

7 - накопительная полость;

8 - рабочий поршень;

9 - кулачковый вал;

10 - кулачок выпускного клапана камеры сгорания;

11 - кулачок выпускного клапана накопительной полости;

12 - выпускной коллектор;

13 - плунжерный насос высокого давления подачи воды в накопительную полость;

14 - форсунка впрыска воды в накопительную полость;

15 - корпус накопительной полости;

16 - водяной насос низкого давления;

17 - коленчатый вал;

18 - расходный бак.

Предложенное для реализации описанного способа устройство включает цилиндр 1, камеру сгорания 2 с головкой 3. В указанном цилиндре 1 при последовательных открытии и закрытии впускного клапана 4 и выпускного клапана 5 камеры сгорания 2 и выпускного клапана 6 накопительной полости 7 и при возвратно-поступательном движении рабочего поршня 8 организуют комбинированный циклический рабочий процесс. Накопительная полость 7 выполнена в выпускном коллекторе 12. Для открытия и закрытия указанных выпускных клапанов 5 и 6 в конструкцию введен традиционный кулачковый вал 9. При вращении кулачкового вала 9 на выпускной капан 5 камеры сгорания 2 и выпускной клапан 6 накопительной полости 7 воздействуют известным образом кулачки 10 и 11 соответственно. При этом указанные клапаны открывают и закрывают в соответствии с циклограммой. Кроме того, для введения воды из системы охлаждения в корпус 15 накопительной полости 7 в конструкцию введены плунжерный насос высокого давления 13 воды и форсунка 14, закрепленная на корпусе 15 накопительной полости 7. Для привода кулачкового вала 9, плунжерного насоса высокого давления 13 и водяного насоса низкого давления 16 используют требуемые элементы известной силовой передачи от коленчатого вала 17.

Для исключения вскипания воды в системе охлаждения при повышенном давлении воды в полостях системы за счет повышения выходного давления водяного насоса низкого давления и обеспечения при этом максимального теплосъема в систему вводится известная система регулирования расхода (не показана), обеспечивающая увеличение проходного сечения жиклера (не показан). Кроме того, для повышения эффективности теплоотвода известным образом уменьшают зазор канала тракта протекания воды (высоту канала охлаждения). Выпускной клапан 5 камеры сгорания 2 выполняют из жаропрочного материала с покрытием. Для уменьшения тепловых потерь на внешние конструктивные элементы двигателя наносят теплоизоляцию, а расход охлаждающей воды компенсируют забором из расходного бака 18.

В качестве примера обеспечена реализация трех дополнительных двухтактных циклов с впрыском охлаждающей воды, работа иллюстрируется диаграммой подъема кулачков кулачкового вала для выпускных клапанов 5 и 6 (средний график) на фиг.3.

Работа по углу поворота кривошипного вала включает такты всасывания (0-180°), сжатия (180°-360°) и рабочего хода (360°-540°) для четырехтактного двигателя (0-360° - для эквивалентного двухтактного двигателя). На замещающем традиционный такт выхлопа - такте сжатия - выброс продуктов сгорания - исходной рабочей смеси не осуществляют. Из двух выпускных клапанов 5 и 6 камеры сгорания 2 и накопительной полости 7, образованной в выпускном коллекторе 12, открывают выпускной клапан 5 камеры сгорания 2. Таким образом увеличивают эквивалентный минимальный объем камеры сгорания 2 в верхней мертвой точке и перепускают продукты сгорания под воздействием рабочего поршня 8 при движении его к верхней мертвой точке в накопительную полость 7 с ростом давления в ней. При закрытии выпускного клапана 5 камеры сгорания 2 при нахождении поршня около верхней мертвой точки при закрытом выпускном клапане 6 в накопительную полость 7 под высоким давлением впрыскивают воду с использованием плунжерного насоса высокого давления 13 и форсунки 14. Т.е. данный впрыск происходит в начале такта рабочего хода, следующего за тактом сжатия. Закрытием выпускного клапана 5 камеры сгорания 2 изолируют шатунно-поршневую группу рабочего поршня 8 со всеми приводами навешенных агрегатов (не показаны) от динамических, ударных нагрузок при динамическом повышении давления в накопительной полости 7 в момент впрыска.

После впрыска охлаждающей воды при закрытом выпускном клапане 6 накопительной полости 7 открывают выпускной клапан 5 камеры сгорания 2 и под воздействием перепада давления между камерой сгорания, где давление меньше, и накопительной полостью, давление в полости камеры сгорания значительно повышают и перемещают рабочий поршень 8 с созданием работы на валу 17.

Для организации всей последовательности операций создания дополнительной полезной работы при вращении коленчатого вала такого двигателя организуют следующую последовательность дополнительных циклов. Вводят последовательно два такта (сжатие с завершающим его впрыском воды в замкнутую полость и рабочий ход - преобразование тепла в работу при расширении). В качестве примера можно указать, что при достаточной энергетической эффективности дополнительные парные такты повторяют трехкратно. Эти такты по углам поворота коленчатого вала 17 соответственно составляют 540-900° и 900-1260° (пятый такт), 1260-1800° (шестой такт с окончательным выпуском).

На протяжении всех перечисленных дополнительно введенных парных тактов, как описано, закрывают и оставляют закрытыми впускной клапан 4 камеры сгорания 2 и выпускной клапан 6 накопительной полости 7. На каждом из дополнительных тактов (сжатия и рабочего хода) открывают выпускной клапан 5 камеры сгорания 2 для обеспечения равномерного сжатия продуктов сгорания в камере сгорания 2 и накопительной полости 7. При нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки выпускной клапан 5 камеры сгорания 2 закрывают на короткий промежуток времени и изолируют рабочую смесь в накопительной полости 7 и, как указано выше, таким образом развязывают поршневую группу от динамических нагрузок. При этом подбором усилий пружин закрытия выпускного клапана 5 камеры сгорания 2 и динамических характеристик его привода обеспечивают сброс избыточного давления в накопительной полости 7 при впрыске воды за счет перепуска части газовой смеси в камеру сгорания в аварийном случае.

По завершении определенного числа дополнительных тактов (сжатия и рабочего хода) открывают выпускной клапан 6 накопительной полости 7 и выбрасывают в атмосферу смесь выхлопных газов и водяного пара.

Для обеспечения эффектности рабочего процесса дополнительно вводимых тактов и снижения теплонапряженности двигателя при использовании дополнительных циклов со сжатием продуктов сгорания интенсифицируют теплоотвод от всех теплонагруженных элементов конструкции двигателя: камеры сгорания 2, рабочего поршня 8 и головки цилиндра 3.

Кроме того, работа ДВС в соответствии с целью изобретения осуществляется преимущественно в режиме бедной смеси, что при прочих воздействиях приводит к более полному сгоранию смеси и с исключением в выхлопе продуктов неполного сгорания, к снижению теплового воздействия на выпускной клапан 5 и камеру сгорания 2.

Таким образом, достигается повышение эффективности работы двигателя благодаря последовательному и многократному отбору тепла от продуктов сгорания в воду, использованию тепла, аккумулированного в воде и снижению благодаря этому расхода топлива.

1. Способ повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания, включающий накопление и сжатие выхлопных газов, впрыск воды, отличающийся тем, что часть выхлопных газов отсекают от выхлопной системы, перепуская в накопительную полость, в эту часть выхлопных газов впрыскивают под давлением предварительно подогретую от теплонапряженных элементов двигателя воду, выхлопные газы совместно с образовавшимся водяным паром расширяют с последующим повторением рабочих циклов, включая сжатие выхлопных газов совместно с водяным паром, впрыск воды и расширение выхлопных газов и водяного пара на такте рабочего хода, после чего осуществляют такт выпуска, при этом расход впрыскиваемой воды компенсируют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двигатель теплоизолируют по всей внешней поверхности.

3. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, камеру сгорания, впускные и выпускные клапаны, коленчатый вал, кулачковый вал, рабочий поршень, отличающийся тем, что в выпускном коллекторе выполнена накопительная полость, ограниченная от камеры сгорания выпускным клапаном камеры сгорания, а от внешней среды выпускным клапаном накопительной полости, в корпусе накопительной полости установлена форсунка впрыска воды от плунжерного насоса, для хранения расходуемой воды введен расходный резервуар.