Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания включает блок (1) цилиндров с головкой (2), поршнями (5) и камерами сгорания, систему питания двигателя топливом и систему питания двигателя электроэнергией. Верхняя часть камеры сгорания в головке (2) блока выполнена конусообразной или вогнутой, на которой смонтирована по меньшей мере одна форсунка (21) мелкодисперсного распыления топлива - очищенной от твердых примесей воды или ее растворов и по меньшей мере одна пара высоковольтных электродов-разрядников (9,11,14), каждая из которых смонтирована на одном поперечном сечении конусообразной или вогнутой частях камеры сгорания и связана с преобразователем (18) электрической энергии в высоковольтную и средством (19) подачи разряда между электродами-разрядниками (9,11,14). Технический результат заключается в повышении мощности двигателя. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы в различных транспортных средствах - автомобилях различной грузоподъемности, тракторах, танках, в судостроении, в авиастроении, на железнодорожном транспорте, используя в качестве топлива очищенную от твердых примесей воду.
Известно, что наивысший удельный импульс, получаемый от сгорания в двигателе ракеты ракетного топлива у пары кислород+водород составляет - 4,4 км/с. См. «Военное обозрение. Вооружение. Энергетика ракетных топлив. 4 октября 2019 г.» Однако использование этого топлива ограничено большими габаритными размерами и низким удельным весом газообразных составляющих топлива - кислорода и водорода. На четверть ниже удельный импульс у пары кислород+керосин - 3,4 км/с. Еще меньший удельный импульс у пары нитроцеллюлоза+нитроглицерин - 2,5 км/с.
Из приведенных выше данных видно, что наиболее предпочтительными продуктами сгорания для получения максимального импульса являются молекулы воды, в частности ее составляющие кислород и водород.
Известен и так называемый «Эффект Юткина», (см. кн. Л.А. Юткин «Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности» Ленинград, «Машиностроение» Ленинградское отделение 1986 г.) при использовании которого, при подаче высоковольтного электрического разряда в воду возникает электрогидравлический удар. Эффект Юткина используется во многих отраслях промышленности, при очистке литья см. стр. 109-113 рис 41, 43, 44, 45, при очистке проката см. стр. 114 рис 46, при штамповке в машиностроении см. стр. 122 рис. 49, электрогидравлические молоты см. стр. 134 рис. 417, 418, электрогидравлические движители для плавающих транспортных средств, см. стр. 157 рис. 440, при взрывных работах см. стр. 161 рис. 5 1., имеются попытки использования в двигателях внутреннего сгорания и др.
Известен опыт, проводимый любителями физических явлений, с использованием электрогидравлического удара «См. видео youtude.com от 19 июня 2009 года «Опыты с Электрогидроударом» часть 4. Эффект Юткина». В указанном опыте высоковольтные электроды многократно опускали в воду, налитую в жестяную банку и подавали высоковольтный разряд. В результате разряда в воде происходил электрогидравлический удар, при котором часть воды из банки выплескивалась. Продолжая, без какой либо системы, подавать на электроды высоковольтное питание, экспериментаторы каждый раз получали разряд в воде. Но в конце опыта подача высоковольтного разряда была подана после многократных разрядов в момент, когда электроды не были опущены в воду и находились еще в воздухе. Произошел микровзрыв в воздухе, напугавший исследователей. Этот микровзрыв есть ни что иное, как взрыв гремучего газа (возгорание смеси кислорода с водородом) образовавшегося при подаче разряда между электродами при мгновенном разложении воды на кислород и водород с последующим возгоранием от этой же искры.
Произошедший взрыв говорит о том, что при подаче высоковольтного электрического разряда в водную или в воздушную среду, насыщенную парами (дисперсными частицами) воды происходит мгновенное разложение воды на смесь кислорода и водорода (гремучая смесь), которая моментально от этого же разряда взрывается.
Доказательством того, что в пара́х (мелкодисперсных частицах воды) могут произойти взрывы, говорит и факт происхождения грома во время разряда молнии в насыщенном влагой облаке во время грозы (воздействие искрового разряда при его прохождении через мелкодисперную водную среду с разложением воды на кислород и водород). Частицы воды в таких облаках находятся преимущественно в жидком состоянии. При снежной грозе (в зимних условиях), что случается гораздо реже, при возникновении электрического разряда - молнии, закристаллизовавшиеся частицы воды мгновенно растапливаются, разлагаются на водород и кислород, воспламеняются и тоже происходит взрыв. При этом, в облаке (грозовой туче) как зимних, так и летних условиях создается обширный электрический разряд, который создает такое количество гремучей смеси, что звук от взрыва распространяется на расстояния в несколько десятков километров.
Следует сказать и о величине мелкодисперсной водной среды. В 1880 году, Динес (Dines), наблюдая водяные шарики, из которых состоят туманы в Англии, пришел к заключению, что наблюдаемые им частицы тумана суть настоящие капельки воды, размеры которых колеблются от 0,016 до 0,127 мм. Позднее подобные же наблюдения были сделаны Ассмано на вершине Брокена, которая - особенно в холодное время года - находится в области наиболее энергичного образования облаков различных форм, образующихся то несколько выше, то немного ниже, то как раз на ее высоте. Ассман убедился, что все наблюдаемые им формы облаков, содержащих жидкую воду, состоят из настоящих капелек, размеры которых меняются между 0,006 мм (в верхних частях облаков) и 0,035 мм (в нижних его частях). См. Википедия. «Размеры капелек воды в грозовой туче».
Известен ряд попыток исследователей по использованию воды в качестве топлива для получения более высоких характеристик двигателей.
В целях снижения расхода топлива, улучшения качества выхлопных газов, улучшения характеристик высокофорсированных двигателей снижения детонации и др. конструктора двигателей внутреннего сгорания, исследователи и разработчики двигателей в топливо добавляли мелкодисперсную воду, например, водные растворы спирта, которые отличаются устойчивостью к низким температурам, лучшим рассеиванием.
Идея впрыска воды внутрь работающего двигателя появилась более ста лет назад. В начале 20 века английский профессор Хопкинсон успешно использовал экспериментальную систему впрыска воды для улучшения характеристик промышленных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) включающих блок цилиндров с головкой, поршнями и камерами сгорания, систему питания двигателя топливом и систему питания двигателя электроэнергией. См.drive2.ru›l/4899916394579309692/ «Впрыск воды в двигатель. Шарлатанство или… «Десятилетие спустя, в Англии профессор Хопкинсон произвел несколько испытаний на больших промышленных двигателях…» - прототип.
Работы впрыска смеси воды и метанола в систему питания двигателей для повышения детонационной стойкости мотора с турбиной Oldsmobile F-85 Jetfire использовала компания General Motors. Немного раньше автомобильный производитель из Швеции выпустил автомобиль Saab 99 Turbo S, который оснащался впрыском воды. С 1983 года команды Формулы-1 Renault, Ferrari стали использовать данную технологию для повышения мощности своих машин. Однако двигателей, использующих только воду в качестве топлива так и не было создано.
К недостаткам прототипа, использующего впрыскивание в камеру сгорания мелкодисперсно распыленной воды и смешивание ее с топливом, можно отнести сложность конструкции, ограниченные возможности в увеличении мощности двигателя, возникающие детонационные процессы.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности, упрощение конструкции двигателя, повышение мощности двигателя путем использование воды или ее растворов в качестве топлива.
Поставленный технический результат достигается сочетанием использования общих с прототипом известных признаков, включающих блок цилиндров с головкой, поршнями и камерами сгорания, систему питания двигателя топливом и систему питания двигателя электроэнергией и новых признаков, заключающихся в том, что верхняя часть камеры сгорания в головке блока выполнена конусообразной или вогнутой, на которой смонтирована, по меньшей мере, одна форсунка мелкодисперсного распыления топлива - очищенной от твердых примесей воды или ее растворов и, по меньшей мере, одна пара высоковольтных электродов-разрядников, каждая из которых смонтирована на одном поперечном сечении конусообразной или вогнутой частей камеры сгорания и связана с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и средством подачи разряда между электродами-разрядниками.
В качестве топлива - воды или водных ее растворов для распыления в камере сгорания можно использовать антифриз, спиртовые, сахарные, гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные, а также растворы содержащие калий, магний, натрий, в которых вода является растворителем.
Высоковольтный минусовой электрод по длине поверхности инициирующей разряд выполнен увеличенным в 1,5-20 раз по сравнению с длиной положительного электрода.
Поперечные сечения конусообразной или вогнутой частей камеры сгорания, на каждом из которых смонтировано по паре электродов-разрядников, выполнены на одинаковом расстоянии друг от друга и от большего и меньшего диаметров конусообразной части камеры сгорания.
Форсунка мелкодисперсного распыления топлива выполнена с опорной головкой превышающей ее основной диаметр на 15-25% и заподлицо смонтирована на внутренней поверхности камеры.
Конусообразная часть камеры сгорания выполнена под углом «ƛ» равным 50-120 градусов.
Средство подачи разряда между электродами-разрядниками выполнено в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер.
Преобразователь электрической энергии выполнен в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт.
Новизной предложенного двигателя является выполнение верхней части камеры сгорания в головке блока конусообразной или вогнутой, на которой смонтирована, по меньшей мере, одна форсунка мелкодисперсного распыления топлива - очищенной от твердых примесей воды или ее растворов и, по меньшей мере, одна пара высоковольтных электродов-разрядников, каждая из которых смонтирована на одном поперечном сечении конусообразной или вогнутой частях камеры сгорания и связана с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и средством подачи разряда между электродами-разрядниками.
Так, выполнение верхней части камеры сгорания в головке блока конусообразной или вогнутой, на которой смонтирована, по меньшей мере, одна форсунка мелкодисперсного распыления топлива - очищенной от твердых примесей воды или ее растворов и, по меньшей мере, одна пара высоковольтных электродов-разрядников - позволяет при помощи форсунок осуществить, более полное заполнение полости конусообразной части камеры сгорания дисперсными частицами воды, при помощи пар электродов-разрядников, осуществить разложение и возгорание частиц воды и при помощи конусообразной внутренней поверхности камеры сгорания направить воздействие импульса сгоревших частиц воды в сторону поршней. Использование в качестве топлива очищенной от твердых примесей воды или водных растворов позволяет использовать практически самое распространенное в природе и недорогое топливо и одновременно получить мощный, рассчитываемый по величине, импульс-взрыв гремучего газа (смесь кислорода с водородом) для его преобразования в полезную работу двигателя.
Монтаж на поперечных сечениях конусообразной или вогнутой частях камеры сгорания электродов-разрядников, связанных с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и средством подачи разряда между электродами-разрядниками - позволяет наиболее эффективно заполнить искровым разрядом полость камеры сгорания и осуществить более полное разложение на кислород и водород поступивших и находящихся в объеме камеры сгорания мелкодисперсных капелек воды и произвести их возгорание, а за счет включения в работу одной или нескольких пар электродов-разрядников, расположенных на разных поперечных сечениях конусообразной части камеры сгорания, регулировать количество разлагающейся на кислород и водород мелкодисперсной воды и соответственно увеличить и регулировать мощность импульса возгораемой смеси и двигателя в целом. Так, при включении в работу пары электродов-разрядников, расположенной ближе к вершине конусной или вогнутой частям камеры сгорания с меньшим расстоянием между электродами-разрядниками можно получить меньшую мощность двигателя и наоборот, при включении в работу пары электродов-разрядников, расположенной ближе к основанию конусной или вогнутой частей с большим расстоянием между электродами-разрядниками можно получить бо́льшую мощность двигателя.
Признаки использования в качестве топлива - воды и/или водных ее растворов для распыления в камере сгорания антифриза и других растворов, например, спиртовых, сахарных, гидрокарбонатных, сульфатных, хлоридных, а также содержащие калий, магний, натрий и др., в которых вода является растворителем, выполнения высоковольтного минусового электрода по длине поверхности инициирующей разряд увеличенным в 1,5-20 раз по сравнению с длиной положительного электрода, выполнение нескольких поперечных сечений конусообразной части камеры сгорания на каждом из которых смонтировано по паре электродов-разрядников на одинаковом расстоянии друг от друга и от большего и меньшего диаметров конусообразной части камеры сгорания, выполнение форсунки мелкодисперсного распыления топлива с опорной головкой, превышающей ее основной диаметр на 15-25% и заподлицо смонтированной на внутренней поверхности камеры, выполнение конусообразной части камеры сгорания под углом «ƛ» равным 50-120 градусов, выполнение средства подачи разряда между электродами-разрядниками в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер, а также выполнение преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт - являются признаками дополнительными, раскрывающими более подробное выполнение основных признаков и способствуют достижению поставленного предполагаемым изобретением технического результата.
Так, выполнение высоковольтного минусового электрода по длине увеличенным в 1,5-20 раз по сравнению с большим габаритом (например, длиной) положительного электрода способствует регулированию мощности и величины искры электрического разряда.
Выполнение преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт способствует управляемости мощностью двигателя путем изменения величины напряжения.
Патентно-информационный поиск, проведенный в процессе подготовки материалов заявки, сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявил, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий и даже неожиданный технический результат, то предлагаемые существенные признаки можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.
Описание процесса осуществления предлагаемого устройства и приведенные аналогичные информационные материалы позволяют отнести предложенное устройство к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично представлен вертикальный разрез камеры сгорания и цилиндра предлагаемого двигателя.
На фиг. 2 схематично представлен вид на камеру сгорания по стрелке «А» на фиг. 1 с показом расположения положительных и отрицательных электродов-разрядников на разных поперечных сечениях камеры сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из блока 1 цилиндров, головки 2 блока, камеры сгорания, полость 3 которой выполнена конусообразной или вогнутой 4. В каждом цилиндре блока 1 смонтирован поршень 5 с кольцами 6. В полости камеры сгорания смонтированы, входящие в систему питания двигателя электроэнергией, по меньшей мере, одна пара электродов-разрядников. Так, на меньшем сечении 7 смонтирована пара отрицательный 8 и положительный 9 электродов-разрядников. На среднем сечении 10 смонтированы отрицательный 11 и положительный 12 электроды-разрядники. На большем сечении 13 камеры сгорания, смонтированы электроды-разрядники соответственно 14 и 15. Электроды разрядники 8,9,11,12,14,15 размещены на различных по диаметру поперечных сечениях 7, 10 и 13 камеры сгорания 3. Электроды-разрядники связаны с генератором 16, аккумулятором 17, преобразователем 18 электрической энергии в высоковольтную и со средством 19 подачи разряда на электроды-разрядники. На боковой конусообразной или вогнутой (стороны могут быть выполнены конусообразными или вогнутыми) стороне камеры сгорания, по меньшей мере, на одном поперечном сечении (уровне) 20 заподлицо с конусообразной или вогнутой поверхностью камеры сгорания головки 2 установлены форсунки 21 с опорными, заподлицо с конусообразной поверхностью камеры смонтированными, головками 22 для подачи распыленной мелкодисперсной воды или ее растворов. Подача воды к форсункам 21 осуществляется по каналам 23 при помощи насоса высокого давления 24. Для получения обширного разряда с заданной длиной и мощностью высоковольтной (например, в 5000-1500000 вольт) искры отрицательные электроды 8,11,14 по бо́льшим габаритам искрообразующей поверхности (например, по длине) выполнены больше положительных электродов 9,12,15 в 1,5-20 раз. На боковой поверхности каждого цилиндра двигателя предусмотрен, по меньшей мере, один канал 25, связанный с регулируемым клапаном давления (на чертеже не показан) для создания заданного давления и предотвращения избыточного давления в камере сгорания при начальном цикле сжатия дисперсно распыленной воды поршнем 5. Между блоком цилиндров и головкой расположена уплотнительная прокладка 26.
Предлагаемый двигатель работает следующим образом:
При помощи форсунок 21 в камеру сгорания 3 в виде мелкодисперсной составляющей впрыскивается очищенная от твердых примесей вода или ее растворы. При движении поршня 5 вверх происходит сжатие и дополнительное уплотнение мелкодисперно распыленной воды. При переходе поршнем верхней мертвой точки на электрод-разрядник 9 расположенный в начальный период работы двигателя на меньшем поперечном сечении 7 подается высоковольтное напряжение. Между электродами 8 и 9 происходит разряд и находящаяся между электродами мелкодисперсная вода мгновенно разлагаясь на водород и кислород, образует так называемую «гремучую смесь», которая от этого же разряда взрывоподобно возгорается, создавая давление в камере сгорания воздействующее на поршень 5. Поршень 5, двигаясь вниз, передает движение шатуну, который преобразует его во вращение коленчатого вала. При повторном ходе поршня 5 вверх и вниз операции сжатия распыленной воды, разряд на электродах-разрядниках и создание воздействие давления в камере сгорания на поршень 5 повторяются. В дальнейшем, для увеличения мощности двигателя, подачу электрического питания осуществляют на расположенные на бо́льших поперечных сечениях 10 и 13 электроды-разрядники 11,12 и 14,15. Работа двигателя осуществляется преимущественно по двухтактному циклу, с удалением из камеры сгорания и цилиндров излишков продуктов сгорания через канал 25 с регулируемым клапаном давления. Поскольку при сгорании смеси кислорода с водородом образуется вода, то она, частично оставаясь в камере в мелкодисперсном распыленном состоянии после возгорания и совершения работы при дальнейшем сжатии поршнем 5 вновь возгорается от искры, поданной на электроды-разрядники и совершает работу. В связи с этим, процесс подачи количества мелкодисперсной воды или ее растворов в камеру сгорания двигателя, а также наличие вторичной, образовавшейся после высоковольтного разряда мелкодисперсно распыленной воды (продуктов сгорания) может быть достигнуто устойчивое равновесное или близкое к равновесному режиму состояние работы двигателя. При этом количество вторичной мелкодисперсной воды, остающейся в камере сгорания после высоковольтного разряда, будет регулироваться при помощи канала 25 отвода излишков продуктов сгорания и регулируемого клапана давления при их избытке. За счет снижения подачи форсунками распыленной воды и использования вторичной, образовавшейся после высоковольтного разряда мелкодисперсно распыленной воды (продуктов сгорания) будет снижен расход топлива при работе двигателя с сохранением высоких характеристик мощности.
Изменением частоты впрыскивания воды в камеру сгорания (от периодического до постоянного) и частоты разряда электродов-разрядников расположенных на разных уровнях камеры при помощи выполненного в виде бесконтактного электронного зажигания средства, а также изменением величины высоковольтного разряда и длины искрового разряда можно повышать или понижать мощность двигателя.
Выполнение преобразователя электрической энергии в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного тока, например, в 5000-1500000 вольт способствует подбору необходимого разрядного тока для создания между электродами разряда требуемой мощности удельного импульса (ударной волны), получаемого от сгорания полученного газообразного топлива.
Наличие средства подачи разряда между парами электродов-разрядников в виде бесконтактного электронного зажигания позволяет регулировать при необходимости частоту и длительность разряда (ов), распределять образование разрядов по сечениям камеры сгорания и способствовать повышению или понижению мощности двигателя.
Использованием в качестве водного раствора для распыления в камере сгорания, например, антифриза и других растворов, спиртовых, сахарных, гидрокарбонатных, сульфатных, хлоридных, содержащих калий, магний, натрий, в которых вода является растворителем можно влиять на качество искрообразования, получая жесткое или более мягкое воздействие импульса на поршни двигателя.
Использование двигателя предлагаемой конструкции позволит устранить недостатки известных двигателей, связанных со сложностью конструкции, повысить технологические возможности в увеличении мощности двигателя, к тому же позволит перейти на другой широкодоступный вид топлива - воду, снизить связанные с этим материальные затраты.
Использование предлагаемого двигателя позволит изготавливать экологически чистые двигатели, существенно поднять технический уровень двигателестроения, создать многочисленные варианты двигателей для использования в быту и в оборонной промышленности с использованием доступного для каждого человека вида топлива - воды.
1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий блок цилиндров с головкой, поршнями и камерами сгорания, систему питания двигателя топливом и систему питания двигателя электроэнергией, отличающийся тем, что верхняя часть камеры сгорания в головке блока выполнена конусообразной или вогнутой, на которой смонтирована, по меньшей мере, одна форсунка мелкодисперсного распыления топлива - очищенной от твердых примесей воды или ее растворов и, по меньшей мере, одна пара высоковольтных электродов-разрядников, каждая из которых смонтирована на одном поперечном сечении конусообразной или вогнутой частях камеры сгорания и связана с преобразователем электрической энергии в высоковольтную и средством подачи разряда между электродами-разрядниками.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве топлива - воды или водных ее растворов для распыления в камере сгорания можно использовать антифриз, спиртовые, сахарные, гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные, а также растворы, содержащие калий, магний, натрий, в которых вода является растворителем.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что высоковольтный минусовой электрод по длине поверхности, инициирующей разряд, выполнен увеличенным в 1,5-20 раз по сравнению с длиной положительного электрода.
4. Двигатель по п. .1 отличающийся тем, что поперечные сечения конусообразной или вогнутой частей камеры сгорания, на каждом из которых смонтировано по паре электродов-разрядников, выполнены на одинаковом расстоянии друг от друга и от большего и меньшего диаметров конусообразной части камеры сгорания.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что форсунка мелкодисперсного распыления топлива выполнена с опорной головкой, превышающей ее основной диаметр на 15-25%, и заподлицо смонтирована на внутренней поверхности камеры.
6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что конусообразная часть камеры сгорания выполнена под углом «λ», равным 50-120 градусов.
7. Двигатель по п. 1. отличающийся тем, что средство подачи разряда между электродами-разрядниками выполнено в виде бесконтактного электронного зажигания, включающего аккумулятор, катушку зажигания, коммутатор и трамблер.
8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь электрической энергии выполнен в виде электрически связанных трансформатора, умножителя, конденсаторов, транзисторов с созданием разрядного напряжения в 5000-1500000 вольт.
