Способ холодного пуска и прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления
Владельцы патента RU 2440509:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к двигателестроению. Способ включает получение водорода в электролизере на борту транспортного средства и систему, которая подает водород в двигатель. При этом водород подают в необходимом количестве и по заданному алгоритму, в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Система холодного пуска и прогрева содержит электролизер, трубопроводы, датчики, электроклапаны и блок управления. В электролизере водород и кислород получают раздельно. Водород через ресивер, электроклапан и жиклер подают во впускной трубопровод ДВС. Кислород удаляют в окружающую среду. Подача газообразного водорода во впускную трубу ДВС при холодном пуске и прогреве двигателя способствует устойчивому сгоранию топливно-воздушной смеси с более высокой полнотой при низкой концентрации токсичных веществ в отработавших газах. Изобретение обеспечивает снижение токсичности отработавших газов при холодном пуске и прогреве двигателя внутреннего сгорания с электронной системой управления и каталитическим нейтрализатором. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам и устройствам холодного пуска и прогрева поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием, оснащенных электронной системой управления двигателем (ЭСУД) и каталитическим нейтрализатором.
Известны способы и устройства пуска ДВС путем подогрева воздуха на впуске, подогрева охлаждающей жидкости и/или двигателя в целом и другие, благодаря чему облегчается пуск холодного двигателя [1, с.321, 332…334].
Недостатком указанных способов является то, что для их осуществления требуется энергоемкий нагревательным элемент и длительное время для подогрева сред и/или прогрева двигателя. Кроме того, во время пуска и прогрева имеет место значительный выброс токсичных веществ с отработавшими газами в окружающую среду.
Известен способ холодного пуска ДВС поршневого типа, по которому прокручивают коленчатый вал и за счет только регулировки прогрев двигателя происходит быстро, не используя дополнительных устройств и без затраты дополнительной энергии [2].
Однако данный способ не обеспечивает уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами в период пуска и прогрева двигателя
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ совершенствования процесса сгорания топлива в двигателе внутреннею сгорания и система для его осуществления [3]. Сущность изобретения заключается в том, что на борту транспортного средства в электролизере получают водород. На режиме холостого хода водород поступает во впускной трубопровод при отношении массы водорода к массовому расходу основного топлива в диапазоне 0,01-0,04, а топливно-воздушная смесь обедняется до коэффициента избытка воздуха α=1,2…1,4. Кислород из электролизера по трубопроводу подается в выпускную систему. 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.
Недостатком указанного изобретения является значительный выброс вредных веществ с отработавшими газами в период пуска и прогрева двигателя, так как каталитический нейтрализатор вследствие низкой его температуры работает неэффективно. Как показывают испытания двигателя автомобиля на соответствие современным нормам токсичности, основное количество выбрасываемых вредных веществ (до 50%) приходятся на режимы пуска и прогрева двигателя.
Задачей, решаемой изобретением, является технический результат - снижение токсичности отработавших газов при холодном пуске и прогреве поршневого двигателя внутреннего сгорания, оснащенного электронной системой управления двигателем и каталитическим нейтрализатором.
Технический результат достигается способом холодного пуска и прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим получение водорода в электролизере на борту транспортного средства и подачу в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и водорода, причем в момент пуска двигателя при начальной температуре охлаждающей жидкости от -30°С до +50°С водород из ресивера подают в топливно-воздушную смесь, при этом в момент пуска двигателя блок электронной системы управления задает величину коэффициента избытка воздуха на 0,05÷0,10 больше штатного значения, а по мере прогрева двигателя до температуры охлаждающей жидкости +50°С величина коэффициента избытка воздуха приводится к штатным значениям, соответствующим работе двигателя на основном топливе, а электролизер подключается к бортовой электросети автомобиля, и накапливают водород в ресивере только после достижения температуры охлаждающей жидкости +50°С и частоте вращения вала двигателя более 1500 мин-1, образующийся при этом в электролизере кислород удаляется в окружающую среду, электролизер отключается от бортовой электросети автомобиля при достижении заданного давления водорода в ресивере и/или частоте вращения вала двигателя менее 1500 мин-1.
Технический результат достигается системой холодною пуска и прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащей преобразователь напряжения, реле, электролизер, кислородопровод с электроклапаном, ресивер, оснащенный датчиком давления, водородопровод с электроклапаном и жиклером, датчик положения коленчатого вала, датчик температуры охлаждающей жидкости и блок электронной системы управления, причем водородный бак электролизера сообщается посредством водородопровода с впускной трубой двигателя через ресивер, электроклапан и жиклер, а кислородный бак электролизера сообщается посредством кислородопровода с окружающей средой через электроклапан.
На фиг.1 показана схема системы для осуществления предлагаемого способа холодного пуска и прогрева поршневого ДВС.
Система содержит электролизер - 1; ресивер - 2; ДВС - 3; блок электронной системы управления (БУ) - 4; электроклапан кислородопровода - 5; преобразователь напряжения - 6; реле - 7; датчик давления - 8; электроклапан водородопровода - 9; жиклер - 10; датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) - 11 и датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) - 12.
Электролизер 1 через реле 7 и преобразователь напряжения 6 подключен к бортовой электросети автомобиля. Кислородный бак электролизера 1 посредством кислородопровода сообщается с атмосферой через электроклапан 5. Водородный бак электролизера 1 посредством водородопровода сообщается с ресивером 2, а через электроклапан 9 и жиклер 10 - с впускной трубой ДВС. Ресивер 2 предназначен для накопления и хранения водорода. Ресивер 2 оснащен датчиком давления 8. Электроклапаны 5, 9, реле 7, датчик давления 8, датчики 11 и 12 посредством проводов соединены с блоком электронной системы управления 4. Сигналы от датчиков 8, 11 и 12 поступают в блок электронной системы управления 4, который подает управляющие команды на электроклапаны 5, 9 и реле 7.
Работа системы осуществляется следующим образом.
В момент пуска двигателя, при достижении частоты вращения коленчатого вала 50…150 мин-1, регистрируемой ДИКВ 11, и температуре охлаждающей жидкости ниже +50°С, регистрируемой ДТОЖ 12, БУ 4 подаст команду на открытие клапана 9, и водород, находящийся в ресивере 2, вводится в топливно-воздушную смесь через жиклер 10. Электронная система управления двигателем снижает подачу основного топлива и задаст величину коэффициента избытка воздуха на 0,05÷0,10 больше штатного значения. По мере прогрева двигателя и, следовательно, повышения температуры охлаждающей жидкости подача водорода во впускную трубу уменьшается и прекращается при достижении температуры охлаждающей жидкости +50°С путем подачи команды с БУ 4 на электроклапан 9, а величина коэффициента избытка воздуха приводится к штатным значениям, соответствующим работе двигателя на основном топливе.
Дальнейшая работа ДВС происходит в соответствии со штатными значениями коэффициента избытка воздуха.
При достижении частоты вращения вала двигателя более 1500 мин-1 блоком электронной системы управления 4 на реле 7 подастся команда включения электролизера 1. В процессе работы электролизера 1 в ресивере 2 накапливается водород, который используется в следующем пуске двигателя, если температура охлаждающей жидкости будет менее +50°С. По достижению в ресивере 2 заданного давления водорода, которое регистрируется датчиком давления 8, БУ 4 подаст команду на реле 7 на выключение электролизера 1.
В процессе работы электролизера 1 в кислородном баке накапливается кислород. Избыток кислорода удаляется в окружающую среду по командам блока управления системой холодного пуска и прогрева двигателя 4 на электроклапан 5.
В период эксплутационной работы двигателя в случае снижения частоты вращения вала ДВС менее 1500 мин-1 блок электронной системы управления 4 посредством реле 7 отключает питание электролизера 1, за счет чего повышается эффективность совместной работы двигателя и электролизера.
Подача газообразного водорода во впускную трубу ДВС при холодном пуске и прогреве двигателя способствует устойчивому сгоранию топливно-воздушной смеси с более высокой полнотой при низкой концентрации токсичных веществ в отработавших газах и снижению расхода топлива.
Пример конкретного осуществления.
Предлагаемая система для осуществления способа холодного пуска и прогрева поршневого ДВС была смонтирована на автомобиле ВАЗ-21102. На фиг.2 - схема компоновки системы на автомобиле, а на фиг.3 - результаты испытания предлагаемого способа и системы на автомобиле.
Испытания автомобиля в стационарных условиях выполнялись путем проведения газового анализа отработавших газов в период пуска и прогрева двигателя, т.е. определялась концентрация продуктов неполного сгорания, а именно углеводородов (СН) и оксида углерода (СО) в зависимости от времени прогрева двигателя без подачи водорода и с подачей водорода. Экспериментально получено (фиг.3), что за первые 50-60 секунд прогрева двигателя концентрация СН снижается в 4-2,5 раза, концентрация СО - в 8-5 раз. По окончании прогрева двигателя (100-120 с) и прекращении подачи водорода концентрации СН и СО приближаются к значениям, характерным для работы двигателя без подачи водорода.
Испытания автомобиля ВАЗ-21102 в комплектации 4С (Е-2) по ездовому циклу ЕВРО-3 согласно методике правил 83-05 ЕЭК ООН показали, что применение предлагаемого способа и системы позволяет снизить массовые выбросы за ездовой цикл CH на 30%, СО на 40%. Суммарные выбросы за ездовой цикл составили СН - 0,20-0,26 г/км, СО - 1,4-1,6 г/км. Массовые выбросы NOx за ездовой цикл не изменились.
Источники информации
1. Двигатели внутреннего сгорания: системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник / Под общ. ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.
2. Патент №2290530 RU. Способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа / Борисов А.О., Байбурин Р.В. Опубликовано 2006.12.27.
3. Патент №2167317 RU. Способ совершенствования процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и система для его осуществления / Русаков М.М. и другие. Опубликовано 20.05.2001.
1. Способ холодного пуска и прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий получение водорода в электролизере на борту транспортного средства и подачу в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и водорода, отличающийся тем, что в момент пуска двигателя при начальной температуре охлаждающей жидкости от -30 до +50°С водород из ресивера подают в топливно-воздушную смесь, при этом в момент пуска двигателя блок электронной системы управления двигателя задает величину коэффициента избытка воздуха на 0,05÷0,10 больше штатного значения, а по мере прогрева двигателя до температуры охлаждающей жидкости +50°С величина коэффициента избытка воздуха приводится к штатным значениям, соответствующим работе двигателя на основном топливе, а электролизер подключается к бортовой электросети автомобиля, и накапливают водород в ресивере только после достижения температуры охлаждающей жидкости +50°С и частоте вращения вала двигателя более 1500 мин-1, образующийся при этом в электролизере кислород удаляется в окружающую среду, электролизер отключается от бортовой электросети автомобиля при достижении заданного давления водорода в ресивере и/или частоте вращения вала двигателя менее 1500 мин-1.
2. Система холодного пуска и прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащая преобразователь напряжения, реле, электролизер, кислородопровод с электроклапаном, ресивер, оснащенный датчиком давления, водородопровод с электроклапаном и жиклером, датчик положения коленчатого вала, датчик температуры охлаждающей жидкости и блок электронной системы управления двигателя, отличающаяся тем, что водородный бак электролизера сообщается посредством водородопровода с впускной трубой двигателя через ресивер, электроклапан и жиклер, а кислородный бак электролизера сообщается посредством кислородопровода с окружающей средой через электроклапан.
