СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОДОРОДОМ В КАЧЕСТВЕ ГОРЮЧЕГО И ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ВЫХЛОПА В ПУЛЬСАЦИОННОЙ ТРУБЕ
OPERATION OF TWO-STROKE ICE RUNNING ON HYDROGEN AND WITH APPLICATION OF EXHAUST POWER IN PULSATING PIPE

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