Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с водородом в качестве горючего и использованием энергии выхлопа в пульсационной трубе

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению. Техническим результатом является повышение КПД двухтактного двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что топливная смесь состоит из водорода и кислорода, включает в себя жидкую фазу воды, жидкий и газообразный азот, а перед подачей топливной смеси в цилиндр двигателя она предварительно охлаждается жидким азотом. После сжигания топливной смеси продукты сгорания сбрасываются через пульсационную трубу в атмосферу. Использование водорода в топливной смеси позволяет осуществить предварительное охлаждение топливной смеси жидким азотом, существенно повысить степень сжатия топливной смеси при бездетонационной работе двигателя и уменьшить работу ее сжатия. Кроме того, подводится дополнительное количество теплоты, образованной при сгорании водорода в процессе расширения продуктов сгорания, а также дополнительно охлаждается топливная смесь, поступающая в цилиндр двигателя, за счет выхлопа продуктов сгорания в пульсационную трубу. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению, в частности организации процессов цикла двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и разработки систем подачи топливной смеси в двигатель.

Целью изобретения является повышение КПД цикла двухтактного ДВС с принудительным поджогом топливной смеси в камере сгорания за счет совершенствования процессов; сжатия рабочего тела, подвода теплоты и расширения рабочего тела с применением пульсационных труб при сбросе продуктов сгорания.

Общеизвестно, что максимальная эффективность теплоиспользующего устройства для получения механической энергии может быть получена при реализации цикла Карно и определяется только диапазоном температур между источниками нагрева и охлаждения [1], и чем больше эта разность, тем выше КПД цикла.

Особенно большое влияние на эффективность цикла оказывает процесс сжатия рабочего тела на нижнем температурном уровне, а минимальная работа сжатия будет соответствовать изотермическому процессу при температуре окружающей среды.

В результате термодинамического анализа циклов поршневых ДВС, рассмотренных в [2] с различными способами подвода теплоты (при постоянном объеме, постоянном давлении и смешанном) показано, что главным фактором, влияющим на рост КПД цикла, является степень сжатия вдвигателе. Однако применение углеводородного горючего в ДВС не позволяет повысить этот показатель для ДВС с искровым зажиганием выше (6-11) и для ДВС, работающего по циклу Дизеля (15-22).

В первом случае степень сжатия ограничивается в основном детонационной стойкостью легких бензинов, а во втором, более протяженным во времени сжиганием тяжелого дизельного горючего из-за повышенного содержания в нем углерода и частичного (не сгоревшего) его выброса в атмосферу.

Следствием применения углеводородного горючего при реализации рассмотренных циклов ДВС являются значительные потери теплоты, сбрасываемой в атмосферу потоком выхлопных газов. Так значения температур выхлопных газов для ДВС с искровым зажиганием находятся в районе 600 К и для ДВС, работающего по циклу Дизеля 850 К.

Кроме того, в реальных ДВС, работающих на углеводородных топливах, имеет место неполное использование теплоты, связанное с тепловыми потерями в стенки камеры сгорания и значительным во времени догоранием в процессе расширения продуктов сгорания. Это в свою очередь приводит к дополнительным затратам механической энергии на сжатие свежей порции смеси при более высокой температуре за счет ее нагрева от горячих стенок камеры сгорания.

В результате эффективный КПД в известных массово применяемых ДВС и работающих по циклам Отто и Дизеля не превышает (33 и 40)%, соответственно.

Попытки улучшить термодинамическую эффективность цикла ДВС, предпринятые в целом ряде патентов с применением волновых процессов к впускным системам и системам выпуска выхлопных газов [3; 4; 5; 6; 7; 8], а также применения разделительных устройств для выделения кислорода из воздуха [9; 10] малоэффективны и главной причиной в этом является следствие применения углеводородных топлив на базе бензинов и дизельного топлива.

Так впускные системы согласно [3; 4] обеспечивают в основном повышение плотности топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя и как прямое следствие повышение мощности двигателя, но не значительно влияют на увеличение КПД цикла в целом.

Аналогичным образом использование волновых процессов при преобразовании энергии выхлопа в выпускном трубопроводе [11; 12; 13; 14; 15], также малоэффективно, так как использование энергии выхлопа связано с многочисленными потерями в многочисленной цепочке преобразований - потери в ресивере (резонаторе) и турбокомпрессоре.

В предлагаемом способе имеется возможность значительного улучшения факторов влияющих на эффективный КПД ДВС за счет применения топлива, состоящего из водорода и кислорода выделенного из газообразного воздуха и предварительного охлаждения топлива жидким азотом включая впрыск его в камеру сгорания перед процессом сжатия топливной смеси.

Применение водорода в качестве горючего позволяет стабильно, в нужный момент цикла и за короткий промежуток времени сжечь весь водород в топливной смеси и четко регулировать его горение в процессе расширения продуктов сгорания.

Кроме того, уникальные свойства водорода как горючего [16] позволяют осуществлять процесс его горения в сверхбедных смесях топлива. Так при использовании воздуха в качестве окислителя минимальная концентрация водорода при стабильной воспламеняемости и горении водорода находится в пределах (4,1-5)%, что резко улучшает экономичность ДВС. Для сравнения значения максимально сверхбедных смесей в виде коэффициента избытка воздуха для бензинового двигателя равна 1,25, а для водородного ДВС равна 10.

В предлагаемом способе главными факторами повышения эффективного КПД ДВС являются: предварительное охлаждение жидким азотом подаваемого в цилиндр двигателя газообразного кислорода и водорода, впрыск жидкого азота в цилиндр двигателя, осуществление управляемого процесса сгорания водорода и включение в процесс расширения продуктов сгорания процессов, протекающих в пульсационной трубе [17], чем достигается полное расширение продуктов сгорания.

Жидкий азот, подведенный непосредственно в цилиндр двигателя перед процессом сжатия топливной смеси, позволяет приблизить процесс сжатия к изотермическому процессу и уменьшить работу ее сжатия.

Кроме того, применение пульсационной трубы при выхлопе продуктов сгорания позволяет использовать энергию выхлопа и охладить за счет этого выхлопные газы с получением водяного конденсата и газообразного азота для их повторного использования в цикле в качестве рабочего тела.

Это достигается тем, что пульсационная труба за счет процесса выхлопа позволяет использовать более глубокое расширение продуктов сгорания и реализовать цикл теплового насоса. Так выхлоп двигателя в пульсационную трубу позволяет образовать градиент температур по длине пульсирующей трубы, холодный конец которой соединен с выхлопным окнам двигателя, а на горячем конце пульсационной трубы имеется устройство сброса теплоты.

В идеализированной постановке, при потреблении двигателем водорода и кислорода, охлажденных жидким азотом, а также с впрыском жидкого азота в цилиндр двигателя в качестве рабочего тела, выхлоп в атмосферу со стороны горячего конца пульсационной трубы будет состоять из неконденсированных паров воды и газообразного азота.

При установившемся режиме работы пульсационной трубы с ее горячего конца через дроссельное отверстие сбрасываться в атмосферу водяной пар и газообразный азот, количество которых определяется, соответственно, расходом водорода и расходом жидкого азота, подведенного непосредственно в цилиндр двигателя.

При таком способе подготовки и подачи топлива (смеси охлажденного кислорода и водорода), а также азота наблюдается двойной эффект:

1. Уменьшается работа сжатия рабочей смеси - кислорода, водорода и азота в цикле ДВС за счет пониженной температуры смеси перед началом сжатия. Экономия механической энергии на сжатие рабочей смеси представляет собой чистый выигрыш и повышает эффективность двигателя.

2. Появляется возможность резкого повышения одного из главных факторов, влияющих на КПД ДВС - степени сжатия при бездетонационной работе двигателя. Это достигается тем, что понижая температуру рабочей смеси перед сжатием в камере сгорания и сдвигая процесс в сторону изотермического, температура самовоспламенения смеси (детонации) будет соответствовать более высокой степени сжатия (или степени повышения давления).

Применение этих мероприятий, в зависимости от степени охлаждения рабочей смеси жидким азотом и частичного его впрыска непосредственно в цилиндр, степень сжатия можно повысить в 10 и более раз.

На Фиг.1 - представлено одно из устройств энергетической установки на базе двухтактного ДВС с водородом в качестве горючего и с пульсационной выхлопной трубой.

Энергетическая установка состоит из двухтактного ДВС 42, в цилиндре 32 которого имеются входное окно 27 для подвода кислорода и выходное окно 41 для сброса выхлопных газов.

В головке камеры сгорания 30 цилиндра 32 установлен регулируемый управляемый клапан 12 подачи водорода и устройство 13 управления процессом расширения продуктов сгорания, представляющее собой, например, капиллярные каналы, на концах которых имеется общий коллектор.

На фиг.2 представлен один из вариантов устройства 13. Устройство включает в себя набор параллельных капиллярных каналов 44 (или пористую теплоаккумулирующую набивку, например из меди или никеля), входные отверстия которых начинаются на внутренней поверхности головки камеры сгорания 30, а концы выходят в общую водородную полость 45 (коллектор) с регулируемым объемом.

Для инициирования воспламенения топливной смеси в головке камеры сгорания 30 вмонтировано устройство поджога 29, например, электрическая свеча зажигания.

В системе хранения и подачи водорода для двухтактного ДВС реализован один из вариантов металлогидридной системы хранения и подачи водорода согласно патента [18].

Устройство состоит из металлогидридных элементов 3, компактно расположенных в кожухе металлогидридного модуля 2 подсоединенных к водородному коллектору 4 из которого водород извлекается по трубопроводу 10 через запорный вентиль 11 с помощью поршневого компрессора или механического вакуумного насоса 7, по трубопроводу 8, через запорный вентиль 9 и далее, охлаждаясь в теплообменнике 43, поступает через регулируемый управляемый клапан 12 и устройство 13 управления процессом подвода теплоты в цилиндр двигателя.

В качестве гидридрообразующего материала могут применяться сплавы на основе магния или титана, например, сплав магния и никеля в различных пропорциях, а также с добавлением различных легирующих добавок.

Для подвода теплоты из окружающей среды к металлогидридным элементам 3 с целью извлечения из них водорода установлен вентилятор 1. Заправка водородом металлогидридных модулей осуществляется по трубопроводу 6 через запорный вентиль 5, при этом выделившаяся теплота в металлогидридных элементах сбрасывается в окружающую среду также с помощью вентилятора 1.

Система получения и подачи кислорода состоит из компрессора 21 для сжатия атмосферного воздуха (стрелка В), поступающего по воздухозаборнику 20, системы разделения воздуха 22 на кислород и азот. Кислород из системы разделения воздуха 22 по трубопроводу 46 поступает через дроссельный управляемый вентиль 24 в кислородную пульсационную трубу 25 и далее через теплообменник 47 во входное окно 27 цилиндра двигателя.

Тепловой режим кислородной пульсационной трубы 25 контролируется термопарой 26.

Азот из системы разделения воздуха сбрасывается в атмосферу через патрубок 23 (стрелка А_В).

Системы хранения и подачи жидкого азота представляет собой сосуд Дьюара 16, для заправки которого жидким азотом имеется горловина 14.

Для подачи жидкого азота применена, например, насосная система, с помощью которой посредством механического насоса 15 жидкий азот, поступая по трубопроводу 17, разделяется на два потока, один из которых через управляемый клапан 19 и входное окно 27 поступает в цилиндр двигателя, а другой поток через регулируемый вентиль 18 поступает в теплообменник 28 для охлаждения холодного конца кислородной пульсационной трубы 25, далее через разъем а поступает в теплообменник 33 для охлаждения холодного конца пульсационной трубы 36 для выхлопных газов и далее через разъем б поступает в теплообменник 43 для охлаждения водорода, поступающего в цилиндр двигателя.

Вышедший из теплообменника 43 азот сбрасывается в атмосферу (стрелка А).

Горячий конец пульсационной трубы 36 снабжен охладителем 37 и дроссельным отверстием 38.

Тепловой режим пульсационной трубы 36 контролируется термопарами 39 и 40.

На фиг.3 представлена картина теплового состояния пульсационной трубы, например, для выхлопных газов, в виде зависимости температуры от длины трубы.

Для работы устройства энергетической установки, представленной на Фиг.1, необходимо заправить водородом металлогидридные элементы 3 и заполнить жидким азотом сосуд Дьюара 16.

Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется на заправочной станции.

При заправке водородом заправочный трубопровод 6 подсоединяется к источнику водорода, например к баллонной системе, закрывается запорный вентиль 11, открывается запорный вентиль 5, через который водород поступает в металлогидридные элементы 3.

Теплота, выделившаяся в металлогидридных элементах в процессе насыщения их водородом, сбрасывается в окружающую среду с помощью включенного вентилятора 1.

По окончанию процесса заправки металлогидридных элементов водородом заправочный вентиль 5 закрывают, заправочный трубопровод отсоединяют от заправочной станции и выключают вентилятор 1.

Заполнение жидким азотом сосуда Дьюара осуществляется по стандартной методике заполнения сосудов Дьюара жидким азотом.

Заправочная трубка из резервуара с жидким азотом вводится в заправочную горловину 14 и осуществляется процесс заливки. При этом запорный вентиль 18 и управляемый клапан 19 подачи жидкого азота закрыты, а насос подачи криогенной жидкости 15 выключен. По окончании заливки заправочная трубка извлекается из горловины 14 сосуда Дьюара, и горловина 14 закрывается.

Рассмотрим процессы цикла двухтактного ДВС в устройстве энергетической установки, представленной на Фиг.1.

1. Процессы протекают при движении поршня вверх от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).

В начале этого движения за счет отраженной волны в кислородной пульсационной трубе 25 заканчивается наполнение цилиндра двигателя охлажденными продуктами сгорания отраженной волны, порцией кислорода, дозированной управляемым клапаном 24, и дозированной порцией жидкого азота с помощью управляемого клапана 19.

Аналогичным образом, за счет отраженной волны и пульсационной трубе 36 заканчивается наполнение цилиндра двигателя продуктами сгорания от предыдущего процесса: газообразным азотом и парами воды в основном в капельном состоянии. Часть газообразного азота и несконденсированный водяной пар сбрасывается в атмосферу через дроссельное отверстие 38 (стрелка ВГ).

Одновременно с этими процессами в цилиндр двигателя подается водород, который поступает через регулируемый управляемый клапан 12 и устройство управления 13 процессом подвода теплоты в камеру сгорания двигателя. Часть водорода при этом остается в полости 45 (фиг.2) с регулируемым объемом.

При дальнейшем движении поршня вверх за счет подведения основной механической энергии от вала двигателя происходит сжатие топливной смеси (водорода и кислорода), азота (жидкого и газообразного) и воды в капельном состоянии.

Вблизи положения ВМТ осуществляется поджог топливной смеси.

2. Процессы, протекающие при движении поршня от ВМТ к НМТ, можно представить в виде последовательно осуществляемых пяти этапов:

- После поджога топливной смеси в камере сгорания образуются продукты сгорания с высокими значениями давления и температуры.

На этом этапе имеет место процесс, близкий к изобарному, в котором газы толкают поршень вниз, и энергия расширения газов передается на вал двигателя.

- В процессе расширения продуктов сгорания водород, временно находившийся в накопительной полости 45 с регулируемым объемом, поступает по капиллярным каналам в камеру сгорания, но из-за значительного гидравлического сопротивления капиллярных каналов сгорает по мере его поступления с некоторым запаздыванием. Выделившаяся на этом этапе теплота увеличивает энергию расширения газов, передаваемую на вал двигателя, что характерно для процесса, близкого к изотермическому.

- После сгорания дополнительно подведенного водорода наступает этап, близкий к адиабатному процессу расширения и охлаждения продуктов сгорания. В конце этого этапа заканчивается отвод энергии на вал двигателя.

- Следующий этап адиабатного процесса связан с преобразованием энергии расширения продуктов сгорания в пульсационных трубах и получением градиента температур на их концах. На этом этапе энергия на вал двигателя не отводится.

При достижении поршнем окна 41 происходит дальнейшее расширение газов в пульсационной трубе 36 и частичного выхлопа продуктов сгорания в атмосферу в виде подогретых газообразного азота и паров воды через дроссельное отверстие 38.

При достижении поршнем окна 27 также происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания и смешение с кислородом газов в кислородной пульсационной трубе 25.

Расширение продуктов сгорания без совершения работы в обеих пульсационных трубах 36 и 25 приводит к разогреву газов на концах труб и охлаждению газов в начале труб, подсоединенных к окнам цилиндра.

- На последнем этапе, при нахождении поршня вблизи НМТ, начинается возврат волн сжатия в обеих пульсационных трубах и наполнение цилиндра двигателя смесями.

- Из кислородной пульсационной трубы 25 охлажденными продуктами сгорания, а также кислорода, подаваемого через управляемый клапан 24, и жидким азотом из управляемого клапана 19.

- Из выхлопной пульсационной трубы 36 охлажденными продуктами сгорания, включая сконденсированные пары воды.

- Из устройства управления 13 процессом подвода теплоты в камеру сгорания двигателя поступает водород через регулируемый управляемый клапан 12.

Далее, при прохождении поршнем нижней мертвой точки и движении его вверх цикл повторяется.

Использованные источники

1. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. - 4-е издание - М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. Под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977.

3. Патент РФ №2034164 C1.

4. Патент РФ №2312235 C1.

5. Патент РФ №1209905 А1.

6. Патент РФ №1193278 А1.

7. Патент РФ №1359449 А1.

8. Патент РФ №1716184 А1.

9. Патент РФ №2126896 C1.

10. Патент РФ №2209322 С2.

11. Патент РФ №1372078 А1.

12. Патент РФ №1359450 А1.

13. Патент РФ №1502863 А1.

14. Патент РФ №1583647 А1.

15. Патент РФ №1617168 А1.

16. Водород - топливо будущего. А.Н. Подгорный, И.Л. Варшавский. К.: «Наук. думка», 1977.

17. Теория и расчет криогенных систем: Учебник для вузов по специальности "Криогенная техника" A.M. Архаров, И.М. Марфенина, Е.И. Микулин. - М.: Машиностроение, 1978.

18. Патент РФ №2381413 С2.

1. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, цикл которого состоит из процессов: сжатия топливной смеси на базе углеводородного горючего и воздуха; подвода теплоты за счет сжигания горючего в смеси и образования продуктов сгорания с высокими значениями температуры и давления; расширения продуктов сгорания и отведения энергии расширения на вал двигателя, отличающийся тем, что топливная смесь состоит из водорода и кислорода, включает в себя жидкую фазу воды, жидкий и газообразный азот, а перед подачей топливной смеси в цилиндр двигателя она предварительно охлаждается жидким азотом и после сжигания топливной смеси продукты сгорания сбрасываются через пульсационную трубу в атмосферу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед сжатием топливной смеси жидким азотом охлаждаются все ее компоненты - водород, кислород и часть продуктов сгорания, возвращенных из пульсационных труб в цилиндр двигателя.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе извлечения водорода из металлогидридных элементов используется теплота окружающей среды с помощью вентиляторной системы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача водорода из металлогидридных элементов в двигатель осуществляется с помощью устройства повышения давления водорода или механического вакуумного насоса.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача жидкого азота может быть осуществлена насосной системой.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе сжатия топливной смеси часть ее поступает по капиллярным каналам в полость коллектора и сгорает с некоторым запаздыванием в процессе расширения продуктов сгорания.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс расширения продуктов сгорания с отводом энергии на вал двигателя состоит из пяти этапов, которые последовательно осуществляются при движении поршня к нижней мертвой точке: этапа, близкого к изобарному процессу, при котором сгорает основная часть водорода с понижением давления и температуры газа в конце этого этапа; этапа, близкого к изотермическому процессу расширения газов, с подводом теплоты за счет сгорания водорода, накопленного в полости коллектора; этапа, близкого к адиабатному процессу, с дальнейшим понижением давления и температуры; этапа выхлопа продуктов сгорания в пульсационные трубы и этапа наполнения цилиндра двигателя кислородом, водородом, жидким азотом и продуктами сгорания, возвращенными из пульсационных труб - газообразного азота и конденсированных паров воды.

8. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, цикл которого состоит из процессов: сжатия топливной смеси, состоящей из водорода и кислорода, жидкой фазы воды, жидкого и газообразного азота; подвода теплоты за счет сжигания водорода в смеси и образования продуктов сгорания с высокими значениями температуры и давления; расширения продуктов сгорания и отведения энергии расширения на вал двигателя, отличающийся тем, что энергия выхлопа продуктов сгорания используется для получения холода с помощью пульсационных труб для охлаждения продуктов сгорания и их повторного использования в качестве рабочего тела.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что пульсационные трубы на горячих концах снабжены охладителями.