БИТОПЛИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания, использующим в работе водород, и может быть использована в двигателестроении.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с рубашкой охлаждения, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, впускной трубопровод, впускной и выпускной клапаны, свечу зажигания и систему подачи топлива (см. Вишняков Н.Н. и др. Автомобиль. Основы конструкции. Учебник для специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство», М: Машиностроение, 1986 г., стр.12-21).
Недостатком известного двигателя является низкий коэффициент полезного действия, большой расход топлива и плохой экологический фактор при всех режимах работы двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания, в котором топливная система включает дополнительную байпасную линию с устройством, выполненным в виде герметичной оболочки, разделенной перегородкой на две секции, в одной из которых размещен гидрид металла, а в другой - насос для подачи водорода в зону впрыска, при этом перегородка снабжена окном, закрытым пластиной из палладиевого сплава (патент РФ на изобретение №2291979, МПК: F02M 25/12, F02N 17/00).
Однако данное техническое решение характеризуется сложной конструкцией из-за наличия двух систем раздельной подачи двух видов топлива, а также сложностью обеспечения дозирования и согласованной с моментом воспламенения подачи водорода при всех режимах работы двигателя. Кроме того, данное изобретение позволяет использовать водород только при запуске двигателя. Применение гидрида металла в качестве источника водорода как топлива двигателя внутреннего сгорания для транспортных средств не целесообразно из-за большой балластной массы (содержание водорода около 5-7%).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с рубашкой охлаждения, образующие блок цилиндра, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, впускной, выпускной клапаны, свечу зажигания, систему приготовления и подачи топливовоздушной смеси и источник водорода. При этом источник водорода выполнен в виде электролизера, электроды которого установлены в камере сгорания с возможностью подачи на них электрического тока и свободного прохода в прямом и обратном направлении топливовоздушной смеси и продуктов рабочего процесса. В топливовоздушной смеси естественным путем присутствует вода или специально введенный электролит (раствор электролита) (патент РФ на изобретение №2299340, МПК: F02B 47/04, F02B 51/04).
Недостатками известного двигателя являются сложная конструкция из-за установки дополнительных элементов в камеру сгорания, что приводит к усложнению головки цилиндра и блока цилиндра. Кроме того, элементы электролизера подвергаются температурным нагрузкам и воздействию продуктов сгорания, что ведет к снижению производительности и ресурса работы электролизера. Дополнительный ввод электролита оказывает негативное воздействие на элементы цилиндропоршневой группы.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение экономической и экологической эффективности работы двигателя при минимальных конструктивных изменениях его элементов за счет использования электролизера с повышенной производительностью и ресурсом работы, установленного во впускном трубопроводе двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в битопливном двигателе внутреннего сгорания содержащем, по меньшей мере, один цилиндр с рубашкой охлаждения, образующие блок цилиндра, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, впускной и выпускной трубопроводы, связанные с камерой сгорания посредством впускного и выпускного клапанов, свечу зажигания, установленную в головке цилиндра, систему подачи топлива в камеру сгорания и источник водорода, выполненный в виде электролизера с электродами, согласно предлагаемому техническому решению, электроды выполнены в виде, по крайней мере, двух соосно расположенных цилиндров, разделенных между собой полимерной протонпроводящей мембраной и установлены во впускном трубопроводе с возможностью свободного прохода воздуха через электролизер.
Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен схематичный чертеж двигателя, продольный разрез, на Фиг.2 - схема поперечного разреза электролизера, на Фиг.3 - электролизер, вид сбоку.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - цилиндр, 2 - поршень, 3 - головка цилиндра, 4 - камера сгорания, 5 - впускной клапан, 6 - выпускной клапан, 7 - свеча зажигания, 8 - впускной трубопровод, 9 - свеча зажигания, 10 - форсунка, 11 - электролизер, 12 - мембрана, 13, 14 - электроды электролизера, 15 - внутренний армирующий элемент, 16 - внешний армирующий элемент, 17 - бортовой аккумулятор.
Битопливный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1 с рубашкой охлаждения, например с принудительной циркуляцией жидкости, образующие блок цилиндра (не показан), поршень 2, соединенный с кривошипно-шатунным механизмом, и головку цилиндра 3, образующие камеру сгорания 4. С камерой сгорания 4 посредством впускного 5 и выпускного 6 клапанов с принудительным приводом, например, распределительным валом (не показан) связаны впускной 7 и выпускной 8 трубопроводы, соответственно. В головке цилиндра 3 установлена свеча зажигания 9. Двигатель внутреннего сгорания также содержит систему подачи топлива, включающую форсунку 10 и источник водорода, расположенный во впускном трубопроводе 8. Источник водорода выполнен в виде электролизера 11, полость которого разделена полимерной протонпроводящей мембраной 12 на катодное и анодное пространство, где размещены электроды 13 и 14 электролизера (катод и анод), соответственно, с возможностью подачи на них электрического тока подведенного, например, от бортового аккумулятора 17. При этом электроды представляют собой два концентрических соосных цилиндра, ось которых расположена по направлению движения воздуха в трубопроводе, и выполнены, например, из пористого никеля. Электролизер снабжен двумя цилиндрическими армирующими элементами: внутренним 15 и внешним 16, выполненными из изолирующего материала и контактирующими с поверхностью электродов 13, 14, соответственно, при этом армирующие элементы придают механическую прочность и жесткость конструкции и закреплены во впускном трубопроводе 8 посредством, например, болтового соединения. В армирующих элементах электролизера выполнены отверстия, расположенные с возможностью подвода к электролизеру воды (в виде пара) и отвода кислорода и водорода. Полимерная протонпроводящая мембрана 12 электролизера, выполняющая функции электролита и сепаратора, может быть выполнена на основе полиакрилонитрила и сульфосалициловой кислоты. Толщину мембраны выбирают в зависимости от плотности тока от 0,05 до 1,0 мм, интервал рабочих температур мембраны - от 270 до 375 К. Размер электролизера выбирают в зависимости от размера впускного трубопровода и требуемой производительности водорода.
Битопливный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Воздух, поступающий во впускной трубопровод 8, проходит через электролизер 11. На электроды 13, 14 электролизера 11 включением зажигания, например, от бортового аккумулятора 17, подают напряжение 1-2 В. При этом на аноде электролизера 11 происходит электроокисление воды, естественным путем присутствующей в воздухе, с выделением кислорода и образованием ионов водорода (в воздух можно специально вводить пары воды, например, путем установки испарителя). Положительные ионы водорода, пройдя через твердую протонпроводящую мембрану, попадают на катод, где они восстанавливаются с выделением газообразного водорода. Водород смешивается с поданной при помощи форсунки 10 либо во впускной трубопровод 8, либо в зону впускного клапана 5 цилиндра топливовоздушной смесью, состоящей из воздуха и бензина. На первом такте работы двигателя при закрытом выпускном клапане 6 поршень 2, перемещаясь к нижней мертвой точке, через впускной клапан засасывает цикловую порцию обедненной топливовоздушной смеси, состоящую из бензина и смеси воздуха с водородом. На втором такте обогащенная водородом рабочая смесь сжимается перемещением поршня 2 к верхней мертвой точке. В конце такта свеча зажигания 9 электрической искрой воспламеняет обогащенную водородом рабочую смесь в камере сгорания 4. На третьем такте за счет расширения продуктов сгорания происходит рабочий ход поршня 2 (впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты). На четвертом такте выпускной клапан 6 открывается и поршень 2, перемещаясь к верхней мертвой точке, выталкивает отработавшие продукты в окружающую среду, затем циклы повторяются. При этом цилиндр 1 и головка цилиндра 3 охлаждаются циркулирующей жидкостью в рубашке охлаждения цилиндра.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить расход топлива и увеличить экологическую безопасность эксплуатации двигателя при минимальных конструктивных изменениях его элементов.