СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АНДРЕЕВА
ANDREEV INTERNAL COMBUSTION ENGINE FEED SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, в которых в качестве горючего используется топливно-воздушная смесь с добавлением воды.
Известно множество патентов и разработок систем питания двигателя внутреннего сгорания как в Российской Федерации, так и за рубежом, в которых к топливу или к топливно-воздушной смеси добавляется вода. Однако несмотря на большой положительный эффект, получаемый от добавления воды к топливу (значительное снижение токсичности по СО, СН и NOx, экономия топлива, повышение мощности двигателя и др.), данные разработки не нашли широкого практического применения из-за значительного различия по физическим параметрам топлива и воды (по поверхностному натяжению, по удельному весу и др.). Эти различия приводят к большому числу трудно и сложно разрешаемых недостатков данных систем.
Хорошее совмещение имеется между частицами воды (водяным паром) на молекулярном уровне с воздухом до точки его насыщения, что и стали в последнее время использовать в новых разработках систем питания двигателей внутреннего сгорания.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (патент США №3557763, опубл. 26.01.1971).
Система содержит устройство питания топливом, воздушный фильтр, карбюратор, устройство подготовки всасываемого из атмосферы воздуха, путем насыщения его частицами воды и кислородом при барботаже через водяной слой и подачи его во впускной коллектор двигателя.
При работе такой системы происходит более полное использование теплоты в цикле двигателя, а следовательно, и более полное сгорание топлива, в результате чего значительно снижается токсичность отработавших газов по СО, СН, NOx и их дымность. Кроме того, повышается экономичность и мощность двигателя. Экономия топлива происходит за счет подачи в камеру сгорания вместо части топлива дополнительного рабочего тела - частиц воды, а повышение мощности двигателя - за счет увеличения коэффициента наполнения при охлаждении воздуха испаряющейся водой и за счет увеличения октанового числа топлива.
Кроме того, при температуре в камере сгорания выше 800°С происходит взаимодействие сажистых остатков топлива с парами воды, выделяется водород
При температуре выше 1000°С протекает термохимический процесс взаимодействия водяного пара и углеводородного топлива с выделением водорода
.
При температуре выше 2500°С протекает термохимический процесс разложения воды на водород и кислород
Весь выделяемый водород сжигается как топливо, способствуя повышению мощности двигателя.
Однако данная система эффективна только при работе двигателя на холостом ходу, т.к. на других режимах его работы основная масса воздуха не проходит через устройство его подготовки, а следовательно, не насыщается частицами воды и кислородом.
Система также не эффективна из-за непостоянства уровня воды в устройстве подготовки воздуха и температуры подготовленного воздуха, т.к. от их изменения изменяется и насыщенность воздуха частицами воды и кислородом. Эта неэффективность системы обусловлена отсутствием в ней регуляторов уровня воды и температуры подготовляемого воздуха.
Кроме того, вода в зимний период в устройстве подготовки воздуха и в бачке при неработающем двигателе замерзает, что приводит к эксплуатационным неудобствам.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (авторское свидетельство СССР №1060803, опубл. 30.06.1990).
Система содержит устройство питания топливом, воздушный фильтр, бачок с водой, устройство подготовки всасываемого из атмосферы воздуха, путем насыщения его водой и кислородом при барботаже через водяной слой и подачи его во входной воздушный патрубок карбюратора, устройство снабжения и дозирования водой, испаритель воды, устройство вспенивания и нагревания воды и три крана, управляемые электронным устройством.
Система частично обеспечивает повышение эффективности своей работы на всех режимах двигателя за счет насыщения водой и кислородом всего необходимого для сгорания топлива воздуха. Однако эта эффективность системы достигается значительным ее усложнением, увеличением габаритов, повышением стоимости и снижением надежности ее работы за счет использования большого количества сложных электромеханических и электронных устройств.
Вместе с тем система не обеспечивает эффективность своей работы при переменных уровне воды в устройстве подготовки воздуха и температуре подготовленного воздуха, т.к. при их изменении изменяется насыщенность воздуха частицами воды и кислородом. Эта неэффективность системы обусловлена отсутствием в ней регуляторов уровня воды и температуры подготовленного воздуха.
Кроме того, при насыщении воздуха водой и кислородом путем барботажа через слой воды при его больших скоростях и объемах, капли воды уносятся им, попадая в камеры сгорания, нарушая нормальную работу двигателя. Устранение данного недостатка достигается только значительным увеличением габаритов устройства подготовки воздуха, а следовательно, и всей системы питания двигателя, что приводит к невозможности практического использования данной системы.
К недостаткам системы относится и то, что вода в зимний период в устройстве подготовки воздуха и в бачке замерзает при неработающем двигателе, что приводит к эксплуатационным неудобствам.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (патент на изобретение Российской Федерации №2192558, опубл. 10.11.2002), которая по совокупности признаков наиболее схожа с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения. Эта система принята за прототип.
Система содержит устройство питания топливом, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в камеры сгорания двигателя, воздушный фильтр, устройство подготовки всасываемого из атмосферы воздуха путем насыщения его водой и кислородом при барботаже через водяной слой, выполненное в виде основной емкости с водой и дополнительной, входной и выходной патрубки, регулятор температуры воды, устройство поддержания уровня воды и бачок с водой.
Система частично обеспечивает повышение эффективности своей работы за счет поддержания постоянными уровня воды и ее температуры и за счет частичного упрощения конструкции - отсутствует большое количество сложных электромеханических устройств и электронное устройство.
Вместе с тем система имеет большие габариты из-за процесса насыщения воздуха водой путем его барботажа через воду, что в большинстве случаев не позволяет ее практическое использование. При малых же габаритах и больших скоростях воздуха вода уносится в воздушный фильтр и далее в камеры сгорания двигателя, что недопустимо.
Кроме того, система сложна по конструкции, дорога и малонадежна из-за наличия электромагнитного реле, электромагнитного клапана, поплавкового устройства поддержания уровня воды и автономного регулятора температуры воды.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы системы, уменьшение габаритов, упрощение конструкции, уменьшение стоимости, увеличение надежности ее работы.
Поставленная задача решается тем, что система питания двигателя внутреннего сгорания, содержащая устройство питания топливом, устройство приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в камеры сгорания двигателя, воздушный фильтр, устройство подготовки воздуха, выполненное в виде основной емкости с водой и дополнительной, входной и выходной патрубки, регулятор температуры воды, устройство поддержания уровня воды в емкости и бачок с водой, согласно изобретению она снабжена водяным насосом, соединенным входом с бачком, а выходом с дополнительной емкостью, и устройством направления воздуха через пазы в дополнительной емкости, выполненным в виде плоского кольца с выступом, расположенным на выходе входного патрубка над поверхностью воды, а устройство поддержания уровня воды выполнено в виде полого цилиндра, пропускная способность которого больше пропускной способности водяного насоса, расположено на дне основной емкости по ее оси, входом винтом соединено с дополнительной емкостью, при этом регулятор температуры воды выполнен в виде трубчатого спирального нагревателя с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру дополнительной емкости, шагом спирали, равным 1,2 диаметра трубки, расположен в воде вблизи ее поверхности и соединен параллельно через регулируемый дроссель с жидкостным регулятором температуры двигателя.
Устройство подготовки воздуха снабжено вторым водяным насосом, который соединен входом с выходом устройства поддержания уровня воды в основной емкости, а выходом с бачком.
Такое решение позволит размещать бачок с водой выше уровня воды в основной емкости устройства.
Бачок снабжен трубчатым нагревателем воды, соединенным параллельно с жидкостным регулятором температуры двигателя, и поплавковым с магнитом и герконом указателем уровня воды.
Устройство подготовки воздуха снабжено датчиком влажности, который расположен в дополнительной емкости и подключен к микропроцессору, который управляет регулируемым дросселем.
В этом случае влажность воздуха по режимам работы двигателя поддерживается постоянной, что способствует увеличению эффективности работы двигателя как по токсичности, так и по экономии топлива.
Устройство подготовки воздуха снабжено фильтрующим элементом, расположенным на входе входного патрубка (на чертеже не указан).
В этом случае отпадает необходимость использования штатного воздушного фильтра двигателя.
В устройстве подготовки воздуха дно основной емкости выполнено съемным.
В этом случае облегчается очистка воды от грязи и солей при использовании морской воды.
Предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа. Существенное отличие заключается в том, что в устройстве подготовки воздуха насыщение воздуха водой происходит путем протекания его над поверхностью подогретой воды, а не барботажом, как в прототипе, при котором при больших скоростях воздуха и малых габаритах устройства подготовки воздуха уносятся капли воды в камеры сгорания, что недопустимо. В результате такого решения значительно уменьшаются габариты системы и повышается эффективность ее работы.
Другим существенным отличием является то, что в системе устройство подготовки воздуха снабжено водяным насосом и устройством направления воздуха, а устройство поддержания уровня воды выполнено в виде полого цилиндра, пропускная способность которого больше пропускной способности водяного насоса, расположено на дне основной емкости по ее оси. Такое решение значительно упрощает конструкцию системы, снижает ее стоимость и повышает надежность работы за счет исключения из конструкции электромагнитного реле, клапана, поплавкового устройства поддержания уровня воды и автономного регулятора температуры воды.
Дополнительно предлагаемое техническое решение существенно отличается от прототипа тем, что нагревательный элемент воды выполнен трубчатым в виде спирали с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру дополнительной емкости, шагом спирали, равным 1,2 диаметра трубки, и расположением в воде вблизи ее поверхности. В результате такого выполнения и расположения нагревательного элемента обеспечивается сохранение горизонтального уровня воды при резком торможении или ускорении транспортного средства, и, как следствие этого, устраняется недопустимый унос воды в камеры сгорания.
Существо изобретения поясняется фиг.1-3, где на фиг.1 приведена блок-схема выполнения системы, на фиг.2 приведен пример конструктивного выполнения устройства подготовки воздуха, на фиг.3 приведена принципиальная электрическая схема устройства подготовки воздуха.
Предлагаемая система питания двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) включает в себя двигатель 20, устройство 21 питания топливом, устройство 22 приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в камеры сгорания двигателя 20, воздушный фильтр 23, устройство 24 подготовки воздуха, жидкостный регулятор 25 температуры двигателя 20 и бачок 9 с водой.
Устройство 24 подготовки воздуха (фиг.2) включает в себя основную емкость 1 с водой, дополнительную емкость 2, опертую краями в дно основной емкости 1, которые соединены между собой винтом 3, входной патрубок 4, выходной патрубок 5, устройство направления воздуха 6, пазы 7 в дополнительной емкости 2, устройство 8 поддержания уровня воды, выполненное в виде полого цилиндра, соединенного с бачком 9, водяной насос 10, соединенный входом с бачком 9, а выходом с дополнительной емкостью 2, трубчатый спиральный нагреватель 11, соединенный параллельно со штатным жидкостным регулятором 25 температуры двигателя 20, с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру дополнительной емкости 2, шагом спирали, равным 1,2 диаметра трубки нагревателя 11, и расположен в воде в близи ее поверхности, регулируемый дроссель 12, кран слива воды 13, поплавковое устройство 14 показания уровня воды в бачке 9, трубчатый нагреватель воды 15, соединенный со штатным жидкостным регулятором 25 температуры (не показан) двигателя 20 и дренажная трубка 16 для выравнивания давления в дополнительной емкости 2 и бачке 9.
Водяной насос 10, регулируемый дроссель 12, кран 13 слива воды, бачок 9 с устройством 14 показания уровня воды и датчик влажности используются стандартные. Например, бачок 9 с водяным насосом 10 и поплавковым устройством 14 показания уровня воды используются от устройства смывания ветрового стекла автомобилей завода ВАЗ, датчик влажности типа SHT71 WWW.Sensorica.ru.
Электрическая схема устройства 24 подготовки воздуха (фиг.3) включает в себя обмотку 17 водяного насоса 10, геркон 18 поплавкового устройства 14 показания уровня воды в бачке 9 и сигнальную лампу 19.
Система работает следующим образом.
В исходном положении двигатель 20 не запущен. Все штатные устройства, обеспечивающие его работу, находятся в своем обычном состоянии кроме настройки системы его питания на бедную смесь. Для бензиновых двигателей оптимальный коэффициент избытка воздуха α должен составлять 1,15-1,2, для дизельных двигателей ~1,8-1,9, для газовых двигателей ~1,45-1,5. В устройство 24 подготовки воздуха и в бачок 9 налита чистая вода, и оно в соответствии с электрической схемой (фиг.3) включено в электросеть двигателя 20.
Запускается двигатель 20, включаются водяной насос 10 и устройство 14 показания уровня воды в бачке 9. Начинают работать все устройства, обеспечивающие работу двигателя. Водяной насос 10 качает воду из бачка 9 в устройство 24 подготовки воздуха. Вода из основной емкости 1 по трубке через устройство 8 поддержания уровня воды самотеком сливается в бачок 9. При наличии в устройстве второго водяного насоса, который на чертеже не указан, вода сливается в бачок 9 принудительно. В этом случае бачок 9 может быть размещен выше уровня воды в основной емкости 1.
Весь забираемый из атмосферы воздух, необходимый для сжигания топлива, через входной патрубок 4, выходной патрубок 5 и воздушный фильтр 23 за счет разряжения в дополнительной емкости 2, создаваемого двигателем 20, проходит над поверхностью воды основной емкости 1, насыщаясь частицами (молекулами) воды и кислородом на молекулярном уровне.
3
Насыщение воздуха частицами воды для бензиновых двигателей осуществляется до 15-20 г/м. Эта величина поддерживается постоянной на всех режимах работы двигателя по сигналу с датчика влажности (не показан), расположенного в дополнительной емкости 2. Датчик подключен к микропроцессору, который управляет регулируемым дросселем 12, поддерживая заданную величину влажности воздуха. При этом система работает эффективно на всех режимах, сохраняя малую токсичность отработавших газов по СО, СН, NOx и дымность.
В процессе работы системы уровень воды в основной емкости 1 остается постоянным, а в бачке 9 - уменьшается. При достижении минимального уровня по сигналу с устройства 14 показания уровня воды загорается сигнальная лампа 19. Необходимо долить в бачок 9 воду.
При остановке двигателя все системы, обеспечивающие его работу, возвращаются в исходное состояние.
В процессе эксплуатации системы в зимний период, когда система в неработающем режиме находится на холоде, вода в емкости 1 и бачке 9 замерзает. В этом случае запуск и прогрев двигателя 20 производится на богатой смеси топлива до оттаивания воды.
Создан опытный образец предлагаемой системы на автомобиле ГАЗ-24 с двигателем 24Д (Приложение 1), и проведены его лабораторные и дорожные испытания.
-1
-1
-1
-1
Испытания системы показали, что значительно снизилась токсичность отработавших газов по СО, СН, NOx и дымность. По СО токсичность снизилась с 2% со старой системой до 0,08%, по СН с 550 млн до 450 млн, по NOx с 1500 млн до 800 млн. Уменьшился также расход топлива на ~10%, и повысилась мощность двигателя ~ на 6%. При этом запуск двигателя облегчился, а его работа стала мягче, четче, без перебоев.
В настоящее время проводятся работы по серийному освоению предложенной системы через Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.