ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, но не исключительно, к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для приведения в движение механических транспортных средств.
Уровень техники
Двигатель с движущимся возвратно-поступательно поршнем и искровым зажиганием представляет собой один из известных видов двигателя внутреннего сгорания, используемого для приведения в движение механических транспортных средств. Поршневые двигатели с искровым зажиганием содержат несколько поршней, установленных так, чтобы двигаться возвратно-поступательно в соответствующих цилиндрах, и соединенных с коленчатым валом. Каждый из цилиндров снабжен входным клапанным узлом, предназначенным для регулирования подачи воздуха и топлива, выхлопным узлом, предназначенным для регулирования выпуска продуктов сгорания, и свечой зажигания, служащей для воспламенения топливовоздушной смеси. В тех случаях, когда подача топлива к двигателю регулируется карбюратором, воздух и топливо смешиваются во впускном патрубке, находящемся выше цилиндров по потоку, и входной клапанный узел содержит входной клапан, регулирующий поступление топливовоздушной смеси в цилиндр. Если топливо подается в цилиндры инжекционным образом, то входной клапанный узел содержит два клапана. Один из клапанов служит инжектором топлива, а другой - клапаном подачи воздуха. Топливный инжектор может быть расположен так, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в цилиндр или может впрыскивать его в воздухозаборный канал непосредственно выше по потоку воздухозаборного клапана.
Обычно поршневые двигатели с искровым зажиганием действуют в четырехтактном режиме. Каждому перемещению поршня вверх или вниз в своем цилиндре соответствует один такт четырехтактного режима. Четырехтактный режим включает: такт впуска, в течение которого входной клапанный узел открывается, и топливо и воздух забираются в двигатель при движении поршня в направлении к коленчатому валу; такт сжатия, в течение которого входной и выхлопной клапанные узлы закрыты, и топливовоздушная смесь сжимается при движении поршня от коленчатого вала; силовой или рабочий ход, при котором сжатая смесь воспламеняется, и быстрое расширение ее при горении вынуждает двигаться поршень обратно к коленчатому валу; и такт выхлопа, в течение которого выхлопная клапанная система открывается и отработанные газы вытесняются из цилиндра по мере движения поршня снова от коленчатого вала. Некоторые поршневые двигатели с искровым зажиганием работают в двухтактном режиме, представляющем собой разновидность четырехтактного режима. Такие двигатели обычно имеют меньшую мощность, чем четырехтактные двигатели, и с точки зрения пассажирских транспортных средств преимущественно используются в двухколесных средствах. В двухтактных двигателях используются отверстия, расположенные по сторонам цилиндра, а не клапаны. При движении поршня вверх и вниз по цилиндру отверстия закрываются и открываются в зависимости оттого, где в цилиндре находится поршень. По существу в двухтактном двигателе процессы подачи и сжатия происходят во время первого такта, и процессы сжатия и выхлопа происходят во время второго такта.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания с компрессионным воспламенением представляет собой другой вид двигателя, обычно используемый в мощных механических транспортных средствах. В поршневых двигателях внутреннего сгорания с компрессионным воспламенением используется топливо, имеющее более высокую температуру воспламеняемости, чем виды топлива, используемые в двигателях с искровым зажиганием, и они работают по измененной версии четырехтактного режима, описанного выше. В частности, в такте впуска воздух втягивается в цилиндр, и этот воздух в такте сжатия сжимается до высокого давления и температуры. Затем непосредственно в цилиндр впрыскивается топливо (или в смесительную камеру, ведущую к цилиндру), и происходит воспламенение при смешивании топлива с имеющим высокую температуру воздухом, сжатым в цилиндре. Исторически поршневые двигатели с компрессионным воспламенением считались шумными и тихоходными, и в области автомобилестроения использовались главным образом в грузовиках и других автомобилях для коммерческих перевозок, таких как автобусы. Однако в последнее время были разработаны поршневые двигатели с компрессионным воспламенением, обладающие высокими характеристиками, и теперь они широко используются в небольших пассажирских транспортных средствах, таких как лимузины (седаны).
Двигатель Ванкеля представляет собой другой вид двигателя с искровым воспламенением, используемый в мощных механических транспортных средствах. В двигателе Ванкеля используется четырехтактный режим, аналогичный четырехтактному режиму, используемому в поршневом двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Однако вместо движущихся возвратно-поступательно поршней двигатель Ванкеля имеет приблизительно треугольный ротор, установленный на эксцентричном валу для вращения в приблизительно овальной камере (в форме эпитрохоиды). "Четыре такта" протекают в пространстве между ротором и стенкой камеры.
Общим отличием этих известных двигателей внутреннего сгорания является то, что топливовоздушная смесь подается в камеру, в которой она воспламеняется, так что быстрое расширение смеси, вызванное горением, воздействует непосредственно на основную часть (поршень или ротор), связанную с выходным валом, так чтобы вызывать вращение вала, и выходом двигателя служит вращение вала.
Раскрытие изобретения
В изобретении предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней с целью создания увеличения давления в указанной камере, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанного увеличения давления выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, входной клапанный узел для выборочной подачи нагретой текучей среды на водной основе в указанную камеру и систему подачи для доставки нагретой текучей среды на водной основе к указанном входному клапанному узлу, установленному так, чтобы подавать указанную нагретую текучую среду на водной основе в область указанной камеры, в которой происходит горение указанной горючей смеси, так чтобы по меньшей мере часть указанной нагретой текучей среды диссоциировала с получением водорода, сжигаемого в указанной камере.
Изобретение также включает двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней с целью создания давления в указанной камере, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанного увеличения давления выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, входной клапанный узел для подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру и блок управления для регулирования работы указанного входного клапанного узла, причем блок управления выполнен так, чтобы регулировать работу указанного входного клапанного узла таким образом, чтобы подача указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру допускалась после сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси в указанной камере, так чтобы компоненты по меньшей мере части распыленной струи указанной текучей среды на водной основе могли диссоциировать с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Изобретение также включает двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней с целью увеличения давления в указанной камере, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанного увеличения давления выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел для подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру и блок управления для регулирования работы указанной камеры таким образом, чтобы в указанной камере присутствовало достаточное количество водородосодержащего соединения и молекул воды во время горения указанной горючей смеси для возникновения процесса реформинга в присутствии водяного пара указанного водородосодержащего соединения с целью выделения из указанного водородосодержащего соединения водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Кроме того, в изобретение также входит способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере с целью увеличения давления для вытеснения из указанной камеры жидкости, в качестве выходной энергии указанной камеры, и введение текучей среды на водной основе в указанную камеру после сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси в указанной камере, так чтобы указанная текучая среда на водной основе присутствовала в указанной горючей смеси при ее горении, чтобы по меньшей мере часть указанной текучей среды на водной основе диссоциировала в указанной камере сгорания с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
В изобретение также входит способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере с целью увеличения давления для вытеснения из указанной камеры жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и подачу подогретой текучей среды на водной основе в область указанной камеры, в которой происходит горение указанной горючей смеси, так чтобы во время горения указанной горючей смеси по меньшей мере часть указанной текучей среды на водной основе диссоциировала с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
В изобретение также входит способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере с целью увеличения давления для вытеснения из указанной камеры жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и введение некоторого количества водородосодержащего соединения и молекул воды в указанную горючую смесь для процесса реформинга в присутствии водяного пара по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения при горении указанной горючей смеси с выделением из указанного водородосодержащего соединения водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Кроме того, изобретение включает двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения указанной горючей смеси в указанной камере с целью создания в указанной камере расширяющейся газообразной массы, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанной расширяющейся газообразной массы выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и средство удержания текучей среды, расположенное в указанной камере в области указанной камеры, в которой происходит горение указанной горючей смеси, так что текучая среда на водной основе, задержанная указанным средством удержания текучей среды, размещается в указанной расширяющейся газообразной массе так, чтобы указанные брызги текучей среды на водной основе нагревались с получением водорода, сжигаемого в указанной камере, причем для указанной расширяющейся газообразной массы существует по меньшей мере один канал прохождения потока у указанного средства удержания текучей среды, что дает возможность указанной расширяющейся газообразной массе воздействовать на указанную жидкость.
В изобретение также входит способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере с целью получения расширяющейся газообразной массы для вытеснения жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии указанной камеры, и введение текучей среды на водной основе на по меньшей мере одно средство удержания текучей среды, расположенное в указанной камере в положении, в котором оно находится в горящей горючей смеси во время горения указанной горючей смеси, так что указанная текучая среда на водной основе нагревается в процессе с получением водорода, сжигаемого в указанной камере.
Изобретение также включает двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и блок управления, предназначенный для регулирования работы указанной камеры так, что горение указанной горючей смеси вызывает первое увеличение давления в указанной камере, что инициирует перемещение указанного выходного потока жидкости, и горение водорода, выделенного из водородосодержащего соединения в указанной камере при горении указанной горючей смеси, вызывает второе увеличение давления, воздействующее на указанный выходной поток жидкости, причем указанное второе увеличение давления воздействует на жидкость, приведенную в движение указанным первым увеличением давления.
В изобретение также входит способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере с целью первого увеличения давления для вытеснения из указанной камеры жидкости в качестве выходной энергии камеры, выделение водорода из водородосодержащего соединения в указанной камере путем введения указанного водородосодержащего соединения в указанную горящую горючую смесь и сжигание указанного водорода в указанной горящей горючей смеси для создания второго увеличения давления, воздействующего на указанную жидкость, вытесняемую из указанной камеры.
Изобретение также включает двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней с целью увеличения давления в указанной камере, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанного увеличения давления выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел для выборочной подачи нагретой текучей среды на водной основе в указанную камеру и систему подачи для доставки нагретой текучей среды на водной основе к указанном вводному клапанному узлу, установленному так, чтобы подавать указанную нагретую текучую среду на водной основе в область указанной камеры, в которой происходит горение указанной горючей смеси, для активизации процесса выделения водорода с целью получения водорода, сжигаемого в указанной камере.
Изобретение включает двигатель внутреннего сгорания, который может включать камеру, имеющую область горения, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения и увеличения давления в ней, выходной клапанный узел, который может быть выполнен с возможностью выпуска из указанной камеры под давлением выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел, установленный с возможностью выборочной подачи нагретой текучей среды на водной основе в область горения камеры с возможностью горения горючей смеси и диссоциации по меньшей мере части указанной нагретой текучей среды, с получением водорода, сжигаемого в указанной камере, и систему подачи нагретой текучей среды на водной основе к указанному вводному клапанному узлу, установленному с возможностью подачи указанной нагретой текучей среды.
Указанная система подачи нагретой текучей среды на водной основе может представлять собой систему подачи нагретой текучей среды в виде пара или систему подачи нагретой текучей среды в виде водяного пара.
Система подачи может содержать устройство добавления регулируемого количества водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе при подаче указанной текучей среды на водной основе в указанную область горения камеры, выполненное с возможностью процесса реформинга в присутствии водяного пара с выделением водорода из указанного водородосодержащего соединения и его сжиганием в указанной камере.
В систему подачи может быть введен катализатор выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Двигатель может включать второй вводной клапанный узел, установленный с возможностью подачи указанной жидкости в указанную камеру, и первый блок управления указанным вторым вводным клапанным узлом, выполненный с возможностью подачи жидкости в указанную камеру и сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси.
Первый блок управления вводным клапанным узлом может быть выполнен с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру после сжатия указанного по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси.
Указанный первый блок управления может быть выполнен с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе в камеру после инициализации горения указанной горючей смеси в указанной камере.
Двигатель может включать второй блок управления, выполненный с возможностью управления входным клапанным узлом, обогащения указанной горючей смеси топливом для процесса реформинга в присутствии водяного пара в указанной камере с выделением водорода из указанного топлива для сжигания водорода в указанной камере.
Также двигатель может включать выхлопную систему приема продуктов горения из указанной камеры, выполненную с возможностью по меньшей мере частичного подогрева указанной текучей среды на водной основе теплотой, полученной от продуктов горения, поступающих в указанную выхлопную систему.
Система подачи может содержать трубопровод, через который протекает указанная текучая среда на водной основе и который проходит через указанную выхлопную систему, при этом указанные продукты горения проходят над указанным трубопроводом.
Заявленный двигатель может включать по меньшей мере один оптический датчик, выполненный с возможностью подачи сигналов, отражающих условия в указанной камере, и посредством которых по меньшей мере частично осуществляется управление по меньшей мере одним компонентом указанного входного клапанного узла или указанного вводного клапанного узла.
По меньшей мере один оптический датчик может представлять собой по меньшей мере один оптический датчик температуры.
Двигатель может включать выходной накопитель, установленный с возможностью приема указанного выходного потока жидкости из указанной камеры, и связанный с указанным вводным клапанным узлом для подачи указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопителя.
Выходной накопитель может имеет область, свободную от жидкости и может быть выполнен с возможностью поступления в него указанной жидкости через указанную область.
Камера двигателя может содержать канал прохождения потока, расположенный внутри камеры, выполненный с возможностью течения по нему выходного потока жидкости и закручивания вокруг оси указанной камеры, и имеющий площадь поперечного сечения, в основном одинаковую или уменьшающуюся в направлении вниз по потоку.
Согласно варианту осуществления изобретения заявляется двигатель внутреннего сгорания, который может включать камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения и увеличения давления в ней, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под давлением выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел, установленный с возможностью подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру и первый блок управления, выполненный с возможностью управления указанным вводным клапанным узлом, подачи указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру после сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси в указанной камере и диссоциации компонентов по меньшей мере части распыленной струи указанной текучей среды на водной основе, с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Первый блок управления двигателя может быть выполнен с возможностью подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру при горении указанной горючей смеси.
Двигатель может включать нагревательный блок, соединенный с указанным вводным клапанным узлом, и установленный с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе в виде нагретой текучей среды на водной основе.
Нагревательный блок может содержать узел получения водяного пара, установленный с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе в виде водяного пара.
Двигатель может включать выхлопную систему, выполненную с возможностью приема продуктов горения из указанной камеры, при этом указанный нагревательный блок может быть выполнен с возможностью приема теплоты от проходящих в указанной выхлопной системе продуктов горения и по меньшей мере частичного нагрева указанной текучей среды на водной основе теплотой от указанных продуктов горения.
Также двигатель может включать выходной накопитель, установленный с возможностью приема выходного потока жидкости из указанной камеры и связанный с указанным вводным клапанным узлом для подачи указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопителя.
Выходной накопитель может иметь область, свободную от жидкости и выполнен с возможностью поступления в него указанной жидкости через указанную область.
Двигатель может включать второй вводной клапанный узел, установленный с возможностью подачи указанной жидкости в указанную камеру, и дополнительный блок управления вторым вводным клапанным узлом, выполненный с возможностью подачи указанной жидкости в указанную камеру и сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси.
Кроме того, двигатель может включать устройство добавления регулируемого количества водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе, расположенное выше по потоку указанной камеры и выполненное с возможностью процесса реформинга в присутствии водяного пара с получением водорода из указанного водородосодержащего соединения и его сжиганием в указанной камере, при подаче указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру.
Заявленное устройство может соде ржать катализатор, расположенный выше по потоку текучей среды указанной камеры, над которым пропускается указанная текучая среда на водной основе для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Двигатель может включать второй блок управления указанным входным клапанным узлом, выполненный с возможностью обогащения топливом указанной горючей смеси для процесса реформинга в присутствии водяного пара в указанной камере и получения водорода, сжигаемого в указанной камере.
Двигатель может включать по меньшей мере один оптический датчик, выполненный с возможностью подачи сигналов, отражающих условия в указанной камере, и посредством которых по меньшей мере частично осуществляется управление по меньшей мере одним компонентом указанного входного клапанного узла или указанного вводного клапанного узла.
По меньшей мере один оптический датчик может представлять собой по меньшей мере один оптический датчик температуры.
Камера двигателя может содержать канал прохождения потока, расположенный внутри камеры, выполненный с возможностью течения по нему выходного потока жидкости и закручивания вокруг оси указанной камеры и имеющий площадь поперечного сечения, в основном одинаковую или уменьшающуюся в направлении вниз по потоку.
Согласно другому варианту осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания может включать камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения и увеличения давления в ней, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под давлением выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру и единый блок управления, выполненный с возможностью управления указанной камерой, контроля количества водородосодержащего соединения и молекул воды, достаточного для процесса реформинга в присутствии водяного пара указанного водородосодержащего соединения с выделением водорода из указанного водородосодержащего соединения, сжигаемого в указанной горючей смеси, при горении указанной горючей смеси.
Единый блок управления может быть выполнен с возможностью управления указанным входным клапанным узлом, обогащения указанной горючей смеси топливом и получения по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения для процесса реформинга.
Двигатель может включать систему подачи текучей среды на водной основе, снабженную узлом формирования указанной текучей среды на водной основе, содержащим воду и указанное водородосодержащее соединение.
Двигатель может содержать катализатор, расположенный выше по потоку указан ной камеры, над которым пропускается указанная текучая среда на водной основе для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Также двигатель может включать устройство нагревания указанной текучей среды на водной основе, расположенное выше по потоку указанной камеры и с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру в виде нагретой текучей среды на водной основе.
Устройство нагревания указанной текучей среды на водной основе может содержать блок получения водяного пара.
Кроме того, двигатель может включать выхлопную систему приема продуктов горения, а указанное устройство нагревания текучей среды на водной основе может быть выполнено с возможностью приема теплоты от продуктов горения, проходящих в указанной выхлопной системе, для нагрева указанной текучей среды на водной основе.
Двигатель может включать выходной накопитель, установленный с возможностью приема указанного выходного потока жидкости из указанной камеры и связанный с указанным вводным клапанным узлом для подачи указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопителя.
Выходной накопитель может иметь область, свободную от жидкости и может быть выполнен с возможностью поступления в него указанной жидкости через указанную область.
Двигатель может включать по меньшей мере один оптический датчик, выполненный с возможностью подачи сигналов, отражающих условия в указанной камере, и посредством которых частично осуществляется управление по меньшей мере одним компонентом указанного вводного клапанного узла или указанного входного клапанного узла.
По меньшей мере один оптический датчик может представлять собой по меньшей мере один оптический датчик температуры.
Двигатель может содержать второй вводной клапанный узел, который может быть установлен с возможностью подачи указанной жидкости в указанную камеру, а указанный единый блок управления может быть выполнен с возможностью управления указанным вторым вводным клапанным узлом, подачи указанной жидкости в указанную камеру и сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси.
Также настоящее изобретение описывает способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере, увеличение давления в ней для вытеснения жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии указанной камеры, введение текучей среды на водной основе в указанную камеру и последующее сжатие по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси при ее горении в указанной камере в присутствии указанной текучей среды на водной основе в указанной горючей смеси, при этом по меньшей мере часть указанной текучей среды на водной основе диссоциирует в указанной камере с получением водорода, который сжигают в указанной горючей смеси.
Также указанную текучую среду на водной основе могут вводить в указанную камеру после инициализации горения указанной горючей смеси.
Указанная текучая среда на водной основе по меньшей мере частично может содержать водяной пар.
Кроме того, указанная текучая среда на водной основе по меньшей мере частично может содержать распыленную воду.
Также способ может включать перед введением в указанную камеру нагревание указанной текучей среды на водной основе посредством теплообмена с потоком выхлопных газов, вырабатываемых указанным двигателем.
Способ может дополнительно включать прием указанного выходного потока жидкости в выходное накопительное устройство через его область, свободную от жидкости.
Способ может также включать подачу по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопительного устройства.
Кроме того, способ может включать введение водородосодержащего соединения в указанную камеру, проведение процесса реформинга в присутствии водяного пара по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения при горении указанной горючей смеси, при котором может быть получен водород, сжигаемый в указанной горючей смеси, посредством чего может быть получена теплота для диссоциации указанной текучей среды на водной основе.
Дополнительно способ может включать по меньшей мере частичное введение указанного водородосодержащего соединения в указанный поток текучей среды на водной основе, поступающий в указанную камеру и содержащий по меньшей мере воду и указанное водородосодержащее соединение.
Способ может включать пропускание указанной текучей среды на водной основе над катализатором для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Указанное водородосодержащее соединение может также содержать водород и углерод.
Указанное водородосодержащее соединение также может представлять собой горючее соединение.
Дополнительно способ может включать использование указанного водородосодержащего соединения по меньшей мере частично для формирования горючей смеси с кислородным коэффициентом топлива, большим стехиометрического коэффициента состава топлива, и создание избытка топлива в указанной горючей смеси.
Дополнительно способ может включать течение указанной выходящей жидкости по спиральному внутреннему каналу прохождения потока в указанной камере, имеющему поперечное сечение, в основном постоянное или уменьшающееся в направлении вниз по потоку.
Также способ может включать получение оптической индикации температурных условий в указанной камере и регулирование указанной подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру по меньшей мере частично посредством указанной индикации.
Еще один вариант изобретения раскрывает способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере, увеличение давления, вытеснение жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии указанной камеры и подачу нагретой текучей среды на водной основе в область горения указанной горючей смеси указанной камеры, при котором по меньшей мере часть указанной текучей среды на водной основе диссоциирует с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Способ может включать подачу указанной нагретой текучей среды на водной основе после сжатия по меньшей мере одного компонента указанной горючей смеси в указанной камере.
Также способ может включать подачу указанной нагретой текучей среды на водной основе после начала горения указанной горючей смеси.
Нагретая текучая среда на водной основе может содержать пар.
Пар может представлять собой перегретый водяной пар.
Способ также может включать нагревание указанной нагретой текучей среды на водной основе посредством передачи теплоты от выхлопных газов, вырабатываемых указанным двигателем.
Способ также может включать прием указанного выходного потока жидкости в выходное накопительное устройство через его область, свободную от жидкости.
Способ может также включать подачу по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопительного устройства.
Способ может включать оптическую индикацию температурных условий в указанной камере и регулирование указанной подачи нагретой текучей среды на водной основе по меньшей мере частично посредством указанной индикации.
Также способ может включать введение водородосодержащего соединения в указанную камеру, проведение процесса реформинга в присутствии водяного пара по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения при горении указанной горючей смеси, при котором могут выделять из указанного водородосодержащего соединения водород, сжигаемый в указанной горючей смеси и получать теплоту для диссоциации указанной текучей среды на водной основе.
Дополнительно способ может включать использование указанного водородосодержащего соединения по меньшей мере частично для формирования указанной горючей смеси с кислородным коэффициентом топлива, большим стехиометрического коэффициента, и создание избытка топлива в указанной горючей смеси.
Способ может также включать введение по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения в указанную нагретую текучую среду на водной основе, содержащей по меньшей мере воду и указанное водородосодержащее соединение.
Также способ может включать пропускание указанной текучей среды на водной основе над катализатором, который может быть расположен выше по потоку указанной камеры для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Водородосодержащее соединение может содержать водород и углерод.
Также водородосодержащее соединение может представлять собой горючее соединение.
Дополнительно способ может включать подачу указанной нагретой текучей среды на водной основе в указанную камеру при горении указанной горючей смеси.
Также способ может включать течение указанной выходящей жидкости по спиральному внутреннему каналу прохождения потока в указанной камере, имеющему поперечное сечение, в основном постоянное или уменьшающееся в направлении вниз по потоку.
Еще один вариант настоящего изобретения описывает способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере, увеличение давления, вытеснение жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии указанной камеры и введение водородосодержащего соединения и молекул воды в указанную горючую смесь для процесса реформинга в присутствии водяного пара по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения при горении указанной горючей смеси, при котором выделяют из указанного водородосодержащего соединения водород, сжигаемый в указанной горючей смеси.
Дополнительно способ может включать использование по меньшей мере частично указанного водородосодержащего соединения для формирования указанной горючей смеси с кислородным коэффициентом топлива, большим стехиометрического коэффициента, и создания избытка топлива в указанной горючей смеси.
Кроме того, способ может включать введение по меньшей мере части указанного водородосодержащего соединения в поступающий в указанную камеру поток текучей среды на водной основе, содержащий по меньшей мере воду и указанное водородосодержащее соединение.
Способ может включать пропускание указанной текучей среды на водной основе над катализатором, который может быть расположен выше по потоку указанной камеры, для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Водородосодержащее соединение может содержать водород и углерод.
Также водородосодержащее соединение может представлять собой горючее соединение.
Способ также может включать поступление указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру при горении указанной горючей смеси.
Также способ может включать подачу распыленной воды в указанную камеру, при которой по меньшей мере часть указанной распыленной воды могут подвергать воздействию теплоты, выделяемой при горении указанной горючей смеси и водорода, и инициировать диссоциацию по меньшей мере части указанной распыленной воды с получением водорода и кислорода, сжигаемых в указанной камере, для усиления указанного выходного потока указанной жидкости.
Способ может также включать нагревание указанной распыленной воды выше по потоку указанной камеры.
Также способ может включать нагревание указанной распыленной воды теплотой, которую могут получать от продуктов горения, вырабатываемых указанным двигателем.
Распыленная вода может содержать перегретый пар.
Способ может также включать оптическую индикацию температурных условий в указанной камере и регулирование указанной подачи распыленной воды по меньшей мере частично посредством указанной оптической индикации.
Дополнительно способ может включать прием указанного выходного потока жидкости в выходное накопительное устройство через его область, свободную от жидкости.
Способ может включать поступление по меньшей мере части указанной распыленной воды от жидкости, подаваемой из указанного выходного накопительного устройства.
Также способ может включать течение указанной выходящей жидкости по спиральному внутреннему каналу прохождения потока в указанной камере, имеющему поперечное сечение, в основном постоянное или уменьшающееся в направлении вниз по потоку.
Кроме того, способ может включать оптическую индикацию температурных условий в указанной камере и регулирование по меньшей мере одного компонента из указанных водородосодержащего соединения и молекул воды по меньшей мере частично посредством указанной индикации.
Дополнительно настоящее изобретение описывает двигатель внутреннего сгорания, включающий камеру, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для ее горения в указанной камере и создания в указанной камере расширяющейся газообразной массы, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанной расширяющейся газообразной массы выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и средство удержания текучей среды, расположенное в области горения указанной горючей смеси указанной камеры, снабженное по меньшей мере одним каналом прохождения потока указанной расширяющейся газообразной массы, посредством которого газообразная масса воздействует на указанную жидкость, при этом текучая среда на водной основе, задержанная указанным средством удержания текучей среды, располагается в указанной расширяющейся газообразной массе с нагревом указанных брызг текучей среды на водной основе и получением водорода, сжигаемого в указанной камере.
Средство удержания текучей среды может содержать группу разнесенных элементов, установленных посредством крепежных элементов с образованием между ними указанного по меньшей мере одного канала прохождения потока.
Каждый разнесенный элемент может содержать по меньшей мере одно углубление задержки указанной текучей среды на водной основе.
Двигатель может также содержать вводной клапанный узел подачи указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру до инициализации горения указанной горючей смеси, и первый блок управления указанным вводным клапанным узлом.
Первый блок управления может быть выполнен с возможностью управления указанным вводным клапанным узлом и подачи текучей среды на водной основе в указанную камеру до завершения в ней сжатия, которому подвергается по меньшей мере один компонент указанной горючей смеси до горения указанной горючей смеси.
Также двигатель может содержать по меньшей мере один оптический датчик подачи сигналов, отражающий условия в указанной камере, при этом указанный блок управления может быть выполнен с возможностью управления указанным вводным клапанным узлом по меньшей мере частично посредством указанных сигналов, от по меньшей мере одного датчика.
По меньшей мере один оптический датчик может представлять собой по меньшей мере один оптический датчик температуры.
Кроме того двигатель может содержать устройство добавления регулируемых количеств водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе, расположенное выше по потоку указанной камеры и выполненное с возможностью процесса реформинга в присутствии водяного пара с выделением водорода из указанного водородосодержащего соединения и получением по меньшей мере части указанного водорода, сжигаемого в указанной камере.
Дополнительно двигатель может содержать катализатор, расположенный выше по потоку указанной камеры, над которым пропускается указанная текучая среда на водной основе для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Двигатель также может содержать второй блок управления, выполненный с возможностью управления указанным входным клапанным узлом, обогащения указанной горючей смеси топливом для процесса реформинга в присутствии водяного пара и получения по меньшей мере части указанного водорода, сжигаемого в указанной камере.
Камера, кроме того, может содержать канал прохождения потока, расположенный внутри камеры, выполненный с возможностью течения по нему выходного потока жидкости и закручивания вокруг оси указанной камеры и имеющий площадь поперечного сечения, в основном одинаковую или уменьшающуюся в направлении вниз по потоку.
Настоящие изобретение раскрывает еще и способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере, при котором получают расширяющуюся газообразную массу для вытеснения жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии указанной камеры, и введение текучей среды на водной основе в по меньшей мере одно средство удержания текучей среды, расположенное в указанной камере в горючей смеси при ее горении с нагревом указанной текучей среды на водной основе и получением водорода, который сжигают в указанной камере.
Средство удержания текучей среды может содержать группу разнесенных элементов, и указанную текучую среду на водной основе могут подавать на указанные элементы удержания текучей среды.
Способ также может включать добавление водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе выше по потоку указанной камеры для образования по меньшей мере части объема водородосодержащего соединения в указанной горючей смеси, достаточного для процесса реформинга в присутствии водяного пара с выделением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Способ, который для выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения дополнительно может включать пропускание указанной текучей среды на водной основе над катализатором, который может быть расположен выше по потоку указанной камеры.
Водородосодержащее соединение может содержать водород и углерод.
Водородосодержащее соединение может представлять собой горючее соединение.
Способ может также включать получение указанной горючей смеси с кислородным коэффициентом топлива, большим стехиометрического коэффициента, для получения по меньшей мере части объема водородосодержащего соединения в указанной горючей смеси, достаточного для процесса реформинга в присутствии водяного пара, при котором водород может быть выделен из указанного водородосодержащего соединения с получением водорода, сжигаемого в указанной горючей смеси.
Способ может также включать нагревание указанной текучей среды на водной основе выше по потоку указанной камеры.
Нагревание указанной текучей среды на водной основе могут осуществлять теплотой, которую могут получать от продуктов горения, вырабатываемых указанным двигателем.
Способ дополнительно может включать прием указанной жидкости, выводимой из указанной камеры, в выходное накопительное устройство через его область, свободную от жидкости.
Способ может также включать подачу по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе из указанного выходного накопительного устройства.
Способ дополнительно может включать течение указанной жидкости по спиральному внутреннему каналу прохождения потока в указанной камере, имеющему поперечное сечение, в основном постоянное или уменьшающееся в направлении вниз по потоку.
Кроме того, способ может включать оптическую индикацию условий в указанной камере и управление указанной камерой по меньшей мере частично посредством указанной индикации.
Также изобретение раскрывает вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания, включающего камеру, снабженную областью горения, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения в ней, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, и единый блок управления, выполненный с возможностью управления указанной камерой, первого увеличения давления в указанной камере, вызванного горением указанной горючей смеси, перемещения указанного выходного потока жидкости и горения водорода, выделенного из водородосодержащего соединения в указанной камере при горении указанной горючей смеси, второго увеличения давления, воздействующего на указанный выходной поток жидкости, при этом указанное второе увеличение давления может воздействовать на жидкость, приведенную в движение указанным первым увеличением давления.
Также двигатель может содержать вводной клапанный узел, выполненный с возможностью введения распыленной струи текучей среды на водной основе в область горения указанной горючей смеси камеры.
Двигатель дополнительно может содержать узел получения водяного пара, установленный с возможностью подачи указанной текучей среды на водной основе к указанному вводному клапанному узлу в виде водяного пара.
Двигатель также может содержать выхлопную систему приема продуктов горения из указанной камеры, при этом в узле получения водяного пара вырабатывается пар посредством теплоты, полученной по меньшей мере частично от продуктов горения.
Единый блок управления может быть выполнен с возможностью управления указанным вводным клапанным узлом и подачи указанной распыленной струи текучей среды на водной основе в указанную камеру для процесса реформинга в присутствии пара, с выделением водорода из указанного водородосодержащего соединения, подачей текучей среды на водной основе в указанную камеру, диссоциации по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе с получением дополнительного водорода и кислорода, сжигаемых в указанной камере для создания третьего увеличения давления, воздействующего на указанную находящуюся в движении жидкость, при горении указанного водорода.
Кроме того, двигатель может содержать устройство добавления указанного водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе, расположенное выше по потоку указанного вводного клапанного узла.
Также двигатель может содержать устройство катализа, установленное выше по потоку указанного вводного клапанного узла и выполненное с возможностью воздействия на указанную текучую среду на водной основе катализатором для активизации выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Кроме того, заявляется способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжигание горючей смеси в камере для первого увеличения давления и вытеснения жидкости из указанной камеры в качестве выходной энергии камеры, выделение водорода из водородосодержащего соединения в указанной камере посредством введения указанного водородосодержащего соединения в указанную горящую горючую смесь и сжигание указанного водорода в указанной горящей горючей смеси для создания второго увеличения давления, посредством которого воздействуют на указанную жидкость, вытесняемую из указанной камеры.
Способ может включать выделение указанного водорода из указанного водородосодержащего соединения посредством процесса реформинга в присутствии водяного пара.
Способ может также включать подачу текучей среды на водной основе в область горения указанного водорода указанной камеры, диссоциации по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе с получением кислорода и дополнительного водорода, сжигаемого в указанной камере для получения третьего увеличения давления, посредством которого могут воздействовать на указанную жидкость, вытесняемую из указанной камеры.
Второе увеличение давления может происходить до второго значения давления, и указанное третье увеличение давления может происходить до третьего значения давления, которое может быть больше указанного второго значения давления.
Также способ может включать введение распыленной струи указанной текучей среды на водной основе в указанную камеру для активизации указанного выделения водорода из указанного водородосодержащего соединения.
Текучая среда на водной основе может представлять собой перегретый пар.
Также способ может включать добавление водородосодержащего соединения в указанную текучую среду на водной основе выше по потоку указанной камеры, при этом указанный водород, сжигаемый для создания указанного второго увеличения давления, выделяется из указанного водородосодержащего соединения посредством процесса реформинга в присутствии водяного пара.
Водородосодержащее соединение может содержать водород и углерод.
Кроме того, водородосодержащее соединение может представлять собой горючее соединение.
Способ также может включать введение текучей среды на водной основе в область горения указанного водорода указанной камеры, диссоциацию по меньшей мере части указанной текучей среды на водной основе с получением кислорода и дополнительного водорода, сжигаемого в указанной камере для получения третьего увеличения давления, посредством которого могут воздействовать на указанную жидкость, вытесняемую из указанной камеры.
Кроме того, настоящее изобретение описывает вариант осуществления двигателя внутреннего сгорания, включающего камеру, снабженную областью горения горючей смеси, входной клапанный узел, выполненный с возможностью подачи компонентов горючей смеси в указанную камеру для горения и увеличения давления в ней, выходной клапанный узел, выполненный с возможностью выпуска из указанной камеры под действием указанного увеличения давления выходного потока жидкости в качестве выходной энергии указанной камеры, вводной клапанный узел, выполненный с возможностью выборочной подачи нагретой текучей среды на водной основе в указанную камеру, и систему подачи нагретой текучей среды на водной основе к указанному вводному клапанному узлу, установленному с возможностью подачи указанной нагретой текучей среды на водной основе в указанную область камеры, для активизации выделения водорода и получения водорода, сжигаемого в указанной камере.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения некоторые варианты его выполнения, приведенные только в качестве примера, описаны без ссылки на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематическое изображение одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, связанного с приводным механизмом автомобиля;
на фиг.2 - схематически поперечное сечение выходного клапана двигателя внутреннего сгорания с фиг.1;
на фиг.3 - схематическое представление насосного агрегата приводного механизма автомобиля с фиг.1;
на фиг.4 - схематически поперечное сечение цилиндра двигателя внутреннего сгорания с фиг.1;
на фиг.5 - частичный вырез цилиндра с фиг.4 при рассмотрении справа;
на фиг.6 - схематическое представление элементов цилиндра с фигур 1-5;
на фиг.7 - схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания с фиг.1 в процессе забора воздуха и топлива, входящем в рабочий цикл;
на фиг.8 - соответствующий фиг.7 вид, отображающий двигатель внутреннего сгорания в процессе сжатия, входящем в рабочий цикл;
на фиг.9 - соответствующий фиг.7 вид, отображающий инициализацию акта горения в двигателе внутреннего сгорания;
на фиг.10 - соответствующий фиг.7 вид, отображающий жидкость вытесняемую из цилиндра двигателя внутреннего сгорания увеличением давления, вызванным горением;
на фиг.11 - соответствующий фиг.7 вид, отображающий процесс впрыскивания водяного пара;
на фиг.12 - соответствующий фиг.7 вид, отображающий выхлоп продуктов горения из двигателя внутреннего сгорания;
на фиг.13 - кривая изменения давления, отражающая условия в цилиндре во время акта горения;
на фиг.14 - аналогичный фиг.4 вид с изображением некоторых модификаций, которые могут быть внесены в двигатель внутреннего сгорания;
на фиг.15 - аналогичный фиг.1 вид с изображением большего числа модификаций, которые могут быть внесены в двигатель внутреннего сгорания;
на фиг.16 - схематическое представление многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, связанного с приводным механизмом автомобиля;
на фиг.17 - схематическое представление другого, связанного с двумя приводными узлами двигателя внутреннего сгорания при его запуске;
на фиг.18 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий подачу топлива и выход текучей среды из камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания в резервуар;
на фиг.19 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий выход текучей среды из камеры сгорания в другой резервуар и ввод текучей среды из этого резервуара в камеру сгорания;
на фиг.20 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий первый этап процесса выхлопа;
на фиг.21 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий забор воздуха в камеру сгорания;
на фиг.22 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий работу двигателя внутреннего сгорания в процессе сжатия, входящем в рабочий цикл;
на фиг.23 - соответствующий фиг.17 вид, отображающий подачу текучей среды с накопленной в нем энергией в приводной узел;
на фиг.24 - модификация двигателя внутреннего сгорания с фигур 17-23;
на фиг.25 - другая модификация двигателя внутреннего сгорания, показанная во время процесса горения;
на фиг.26 - двигатель внутреннего сгорания с фиг.25 на первом этапе процесса выхлопа;
на фиг.27 - двигатель внутреннего сгорания с фиг.25 на втором этапе процесса выхлопа;
на фиг.28 - поверхностная шероховатость, которая может быть нанесена на стенку камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания с фигур 1-27;
на фиг.29 - средство удержания текучей среды, которое может быть использовано в двигателе внутреннего сгорания с фигур 1-24; и
на фиг.30 - схематическое изображение представленного для примера блока управления, предназначенного для двигателя внутреннего сгорания с фигур 1-27.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, двигатель 10 внутреннего сгорания содержит одну камеру сгорания, имеющую вид замкнутого цилиндра 12, связанного с первым резервуаром 14 через выходной клапанный узел 16. Цилиндр 12 имеет входную граничную область, у которой выборочно вводятся составляющие горючей смеси, и выходную граничную область, находящуюся у выходного клапанного узла 16. Горючая смесь сжигается в цилиндре 12, что приводит к увеличению давления в цилиндре, и выходной клапанный узел 16 срабатывает так, чтобы под влиянием этого увеличения давления выпустить из цилиндра выходной поток жидкости, несущий выходную энергию цилиндра.
Первый резервуар 14 расположен в общем ниже цилиндра 12 у выходной граничной области цилиндра и предназначен для приема выходного потока несущей энергию жидкости и сохранения выходной энергии до тех пор, пока не потребуется. Жидкость, накопленная в первом резервуаре 14, подается по требованию в приводной узел 20 привода механического транспортного средства. Приводной узел 20 преобразует энергию, накопленную в первом резервуаре 14, в движущую силу, используемую для вращения четырех колес 22 механического транспортного средства (не показано).
Двигатель 10 внутреннего сгорания включает входной клапанный узел 24, 26, соединенный с цилиндром 12 и выполненный с возможностью впуска компонентов горючей смеси в цилиндр. В данном варианте выполнения входной клапанный узел 24, 26 служит для выборочного регулирования подачи топлива и воздуха в цилиндр 12 и содержит нормально закрытый воздухозаборный клапан 24, приводимый в действие соленоидом и регулирующий поток поступающего воздуха в цилиндр, и электрически приводимый в действие топливный инжектор 26, через который топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр. Работа воздухозаборного клапана 24 и топливного инжектора 26 регулируется системой управления, включающей блок 28 управления на основе микропроцессора. Топливный инжектор 26 связан с топливным резервуаром 30 через топливный насос 32.
Для большей простоты понимания чертежей связи между блоком 28 управления и элементами, которые он регулирует и/или от которых он воспринимает сигналы, не показаны.
Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит также выхлопной клапанный узел 34, связанный с цилиндром 12. Выхлопной клапанный узел представляет собой нормально закрытый выхлопной клапан 34, приводимый в действие соленоидом. Работа выхлопного клапана 34 регулируется блоком 28 управления. Блок 28 управления выдает сигналы на выхлопной клапан 34, вызывая выборочное открывание клапана для пропускания продуктов сгорания (выхлопных газов), вытесняемых из цилиндра 12, в выхлопную систему 36. Далее выхлопная система 36 описана более подробно.
Воздухозаборный клапан 24 сообщается с воздухозаборной системой 38, которая может содержать один или более воздушные фильтры и соответствующие трубопроводы и/или один или более воздухозаборные коллекторы, по которым поступающий воздух подается в цилиндр 12 через воздухозаборный клапан 24. Хотя это и не существенно, поступающий воздух может быть предварительно сжат за счет подачи через турбокомпрессор или турбонаддува. Турбонаддув или подача через турбокомпрессор представляет собой технологию, знакомую специалистам в данной области, и в данном документе подробно рассмотрены не будут.
Двигатель 10 внутреннего сгорания также содержит вводной клапанный узел регулирования подачи текучей среды, представляющий собой нормально закрытый регулирующий клапан 40 подачи текучей среды, приводимый в действие соленоидом, и нормально закрытый регулирующий клапан 42 подачи текучей среды, приводимый в действие соленоидом. Оба регулирующих клапана 40, 42 подачи текучей среды приспособлены для управления подачей в цилиндр 12 жидкости, которой нужно сообщить энергию за счет процесса горения перед ее выходом в первый резервуар 14. Работа регулирующих клапанов 40, 42 подачи текучей среды управляется блоком 28 управления. Кроме блока управления 28 система управления двигателем 10 внутреннего сгорания включает датчик 44, способный выдавать выходной сигнал, отражающий значение давления в цилиндре 12. Может быть использован датчик любого подходящего типа. Так как температура в цилиндре 12 тесно связана со значением давления, датчиком может служить температурный датчик 44, такой как термопара, помещенная своей чувствительной частью внутрь цилиндра 12.
Система управления двигателем 10 внутреннего сгорания включает также датчик 46, выдающий в блок 28 управления сигналы, соответствующие давлению в первом резервуаре 14. Датчик 46 может быть любого подходящего типа, включая температурный датчик. При изменении требований к двигателю 10 внутреннего сгорания давление в первом резервуаре 14 будет изменяться в зависимости оттого, больше или меньше накопленной жидкости требуется приводному узлу 20. Для регулирования работы двигателя так, чтобы она соответствовала потребностям приводного узла 20, и поддержания соответствующей подачи жидкости в резервуар 14 в блоке управления 28 используются сигналы с датчика 46.
Двигатель 10 внутреннего сгорания также содержит возбудитель горения, представляющий собой в данном варианте выполнения свечу 48 зажигания. Свеча 48 зажигания действует под управлением блока 28 управления и связана с соответствующей системой подачи напряжения (не показана), которая может включать катушку, с которой может сниматься напряжение для формирования искры. Принцип работы свечи зажигания известен специалистам в данной области и не будет подробно рассмотрен в данном описании.
В этом варианте выполнения выходной клапанный узел 16 содержит автоматически открывающийся и закрывающийся клапан сброса давления, встроенный в стенку 50 двигателя, которая образует нижний торец цилиндра 12. Как видно на фиг.2, выходной клапанный узел 16 содержит канал 52, открытый в цилиндр 12. Канал 52 имеет часть 54 малого диаметра, ближнюю к цилиндру 12 и открытую в него, и часть 56 большего диаметра, отстоящую от цилиндра и связанную с частью 54 малого диаметра стенкой, образующей коническое седло 58 клапана. Седло 58 клапана сужается вдоль оси вовнутрь по направлению части 54 малого диаметра канала 52. Золотниковый элемент, имеющий вид свободно подвижного шарика 60, введен в часть 56 большего диаметра канала 52. Шарик 60 приводится в движение перепадом давления между жидкостями в цилиндре 12 и в первом резервуаре 14. В часть 56 большего диаметра канала 52 введен, снабженный отверстием, ограничитель 62 шарика 60, так что шарик оказывается захваченным между ограничителем и седлом 58 клапана. В представленном варианте выполнения ограничитель 62 содержит кольцевую рамку 64, закрепленную в части 56 большего диаметра канала 52, и пару перпендикулярных ей поперечных элементов 66, проходящих по диаметру вовнутрь и имеющих соответствующие противоположные края, связанные с рамкой 64. Альтернативно ограничитель может представлять собой шайбу, имеющую внутренний диаметр меньший, чем диаметр шарика, или любое другое приспособление, которое предотвратит выпадение шарика из части 56 большего диаметра канала 52, давая возможность в то же время относительно свободному протеканию жидкости через канал, когда шарик отходит от седла 58 клапана.
Как вариант, выходной клапанный узел 16 снабжен системой изменения потока, имеющей вид канавок 68, выполненных в части 56 большего диаметра канала 52. Канавки 68 расположены так, чтобы влиять на поток жидкости через часть 56 большего диаметра канала 52 таким образом, чтобы, когда шарик 60 отходит от седла 58 клапана, и жидкость протекает через канал 52, это не приводило к вращению шарика (или по меньшей мере ослаблялось не поступательное движение шарика). Это делает шарик 60 более чувствительным к изменениям давления, так что клапан будет быстрее открываться и закрываться при изменениях перепада давления между жидкостями в цилиндре и первом резервуаре. В рассматриваемом варианте выполнения имеется четыре расположенных на одинаковых расстояниях канавки 68, проходящих в основном параллельно оси части 56 большего диаметра канала 52. Должно быть понятно, что число, форма и расположение канавок 68 и/или других изменяющих поток структур может быть изменена, так чтобы достичь наилучшего результата с точки зрения параметров потока для данного конкретного двигателя. Хотя это не показано, для смещения шарика 60 в его закрытое положение может быть использовано смещающее приспособление, например пружина.
Снова обращаясь к фиг.1, можно видеть, что резервуар 14 соединен с приводным узлом 20 выходным трубопроводом 70. Приводной узел 20 содержит соответствующие насосные блоки 72, принимающие жидкость под относительно высоким давлением из первого резервуара 14 и преобразующие энергию, накопленную в жидкости во вращающее усилие, приложенное к колесам 22.
В соответствии с фиг.3 каждый насосный блок 72 содержит насос 74, входной канал 76, через который поступает жидкость под относительно высоким давлением из резервуара 14, выходной канал 78, через который из насосного блока выходит отработанная жидкость, и выходной вал 80, передающий движущую силу, вырабатываемую насосным блоком, на колесо 22, с которым он соединен. Насосный блок 72 включает редуктор 82 и/или другой соответствующий механизм, приспособленный для обеспечения возможности переключения направления вращения выходного вала 80, так чтобы на колеса 22 могло передаваться движение как в прямом, так и в обратном направлении. Соответствующие датчики 84, 86 давления введены для регистрации давления жидкости на входной и выходной сторонах насосного блока 72. Датчики 84, 86 давления выдают сигналы, соответствующие значениям давления на входе и выходе насосного блока 72, в блок 28 управления. Блок 28 управления использует сигналы с датчиков 84, 86 для принятия решения, пробуксовывает ли колесо 22. Если определено, что колесо пробуксовывает, приводимый в действие электрически клапан 88, управляемый блоком 28 управления, может сработать так, чтобы уменьшить поток жидкости через насосный блок 72 до тех пор, пока уровень подачи не достигнет значения, при котором пробуксовывание отсутствует. На клапан 88 может быть также подан сигнал на регулирования потока через насосный блок 72 таким образом, чтобы затормозить колесо 22.
В соответствии с фиг.1 отработанная жидкость под относительно низким давлением из насосного блока 72 выводится в следующий резервуар 90 через трубопровод 92. На чертеже трубопровод 92 показан одним трубопроводом. Однако на практике могут быть отдельные трубопроводы для каждого насосного блока 72. Первая трубопроводная система 94 проходит вниз по потоку от второго резервуара 90 к регулирующему клапану 40 подачи текучей среды так, что, когда клапан открыт, жидкость под относительно низким давлением из второго резервуара может поступать в цилиндр 12. Вторая трубопроводная система 96 проходит от первой трубопроводной системы 94 к пусковому регулирующему клапану 42 подачи текучей среды. Альтернативно, вторая трубопроводная система 96 может проходить непосредственно от второго резервуара. Пусковой насос 97 введен во вторую трубопроводную систему 96 между вторым резервуаром 90 и пусковым регулирующим клапаном 42 подачи текучей среды для увеличения давления жидкости, поступающей из второго резервуара в цилиндр 12. Пусковой насос 97 действует по сигналам, поступающим с блока 28 управления.
Первый резервуар 14 снабжен системой стравливания давления, содержащей оборудованный клапаном 99 стравливания давления трубопровод 98, проходящий ко второму резервуару 90. Клапан 99 стравливания давления настроен так, чтобы открываться при заданном давлении, давая возможность отвести избыточное давление от первого резервуара 14 во второй резервуар 90 через трубопровод 98. Клапан стравливания давления может быть любым пригодным клапаном, включая электрически приводимый в действие клапан, действующий по сигналам с датчика 46, или известный проходной клапан стравливания давления со смещающей пружиной. Как альтернатива сбрасыванию давления во второй резервуар 90 трубопровод 98 может быть исключен, что даст возможность стравливать избыточное давление в атмосферу.
Выхлопная система 36 содержит теплообменник 100, соединенный с выхлопным клапаном 34 трубопроводом 102, и конденсатор 104, соединенный с теплообменником трубопроводом 106. В трубопровод 106 введен нормально закрытый клапан 108, приводимый в действие соленоидом, так что поток выхлопных газов из теплообменника 100 в конденсатор 104 можно регулировать. Конденсатор 104 снабжен выхлопной трубой 110, которая может быть открыта в атмосферу нормально закрытым выхлопным клапаном 112, приводимым в действие соленоидом. Объем конденсатора 104 больше, чем объем цилиндра 12 и теплообменника 100, так что в него может поместиться по меньшей мере в основном все содержимое цилиндра 12 и теплообменника при закрытом выхлопном клапане 112.
Конденсатор 104 соединен с резервуаром 114 трубопроводом 116, так что конденсат из конденсатора может перетекать в резервуар. Конденсат из резервуара 114 может быть возвращен в конденсатор 104 в виде брызг холодной воды через трубопровод 118. В трубопровод 118 введен насос 120, предназначенный для перекачки конденсата в конденсатор 104 через холодильную установку 122. На выходном конце трубопровода 118 установлен клапан 124. Клапан 124 содержит форсунку для подачи холодной воды в виде распыленных мелких водяных капель. Теплообменник 100 снабжен датчиком 128, например температурным датчиком, для подачи в блок 28 управления сигналов, соответствующих значению давления в теплообменнике. Клапаны 108, 112, 124, насос 120 и холодильная установка 122 действуют под управлением блока 28 управления.
Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит трубопровод 130, идущий от первого резервуара 14 к теплообменнику 100, через который жидкость из резервуара может поступать в теплообменник для подогрева выхлопными газами из цилиндра 12. Жидкость проходит через находящийся в теплообменнике 100 змеевик 132, в котором она нагревается до состояния водяного пара. Хотя это не показано, змеевик 112 может быть снабжен ребрами и другими теплосборными элементами, служащими для передачи теплоты от выхлопных газов жидкости. Трубопровод 134, ищущий от теплообменника 100 к входному отверстию, предусмотренному у входной граничной области цилиндра 12, служит для подачи водяного пара от теплообменника к цилиндру. Паровой вводной клапанный узел 136, который в данном варианте выполнения представляет собой нормально закрытый клапан, приводимый в действие соленоидом, введен у нижнего по потоку конца трубопровода 134 для регулирования потока водяного пара в цилиндр 12. Паровой вводной клапанный узел 136 действует под управлением блока 28 управления. В трубопровод 130 введен клапан 138 одностороннего действия.
Далее со ссылкой на фигуры 4 и 5 более подробно рассмотрен цилиндр 12 двигателя. Цилиндр 12 содержит корпусную часть 150, включающую основную боковую стенку 152 цилиндра. Корпусная часть 150 суживается и имеет более узкий край, закрытый полусферической головкой 154, и более широкий край, закрытый стенкой 50. В данном варианте выполнения стенка включает в основном круглое плоское основание. Корпусная часть 150 скреплена со стенкой 50 и головкой 154 цилиндра с помощью соответствующих крепежных приспособлений, таких как болты 158. Между частями введены соответствующие прокладки и/или уплотнения для обеспечения герметичности цилиндра 12 с точки зрения удержания давления и жидкости, что создает замкнутую камеру.
Корпусная часть 150 образует внутреннее пространство в виде усеченного конуса, в котором помещено коническое основание 160. Коническое основание 160 закреплено на стенке 50 или выполнено воедино с ней и проходит в общем по всей протяженности корпусной части 150. Канал прохождения потока, выводимого из цилиндра 12, сформирован между основной боковой стенкой 152 и коническим основанием 160. Канал прохождения потока имеет верхний по потоку край, ближний к входной граничной области цилиндра 112, и нижний по потоку край, находящийся у выходной граничной области цилиндра. Дополнительно в канал прохождения потока могут быть введены одна или более изменяющие поток структуры, предназначенные для образования завихрений в потоке жидкости. В данном варианте выполнения изменяющие поток структуры введены в виде идущей по спирали стенки 162. Стенка 162 может крепиться боковой стенкой 152 или коническим основанием 160, и в данном варианте выполнения она выполнена за одно целое с коническим основанием. Стенка 162 спускается непрерывным серпантином вокруг конического основания 160 от местоположения, близкого к вершине конического основания, до местоположения, близкого к опоре основания. Радиальная протяженность стенки 160 такова, что периферия стенки находится вблизи основной боковой стенки 152, так что образуется канал 164, идущий непрерывно по спирали вдоль всего канала прохождения потока.
Спиральный канал 164 имеет свой нижний по потоку край, находящийся вблизи верхнего по потоку торца выходного клапанного узла 16. Канал 52 проходит сквозь стенку 50 и снабжен трубкой 166, отходящей от его нижнего по потоку края. Канал 52 и трубка 166 образуют трубопровод, изогнутый таким образом, чтобы по меньшей мере в основном образовывать продолжение спирального канала прохождения потока. Основная цель должна состоять в том, чтобы создать спиральный канал прохождения потока вниз, на котором поток не подвергался бы каким-нибудь неожиданным или нежелательным изменениям направления, которые могли бы замедлить и/или помешать потоку выходящей жидкости, и по этой причине предпочтительно сделать трубку 166 в основном прямой.
На фиг.5 показаны соответствующие входные отверстия 168, 170, выполненные в стенке 50 для подачи жидкости, поступающей из второго резервуара 90 через первую и вторую трубопроводные системы 94, 96 и регулирующие клапаны 40, 42 подачи текучей среды. Соответствующие каналы (не показаны) проходят от входных отверстий 168, 170 сквозь стенку 50 к местоположениям, в которых они переходят в пространство между основной боковой стенкой 152 и коническим основанием 160.
Дополнительно каналы, проходящие от входных отверстий 168, 170 могут быть расположены так, чтобы сходиться внутри стенки 50 и выходить в цилиндр через общий выходной торец.
1
2
На фиг.6 можно видеть, что цилиндр 12 имеет продольно проходящую осевую линию или ось 174. В направлении потока к выходной граничной области цилиндра 12 основная боковая стенка 152 и коническое основание 160 имеют конусность, расходящуюся наружу относительно осевой линии 174. Основная боковая стенка 152 имеет конусность, обозначенную углом α, и коническое основание 160 имеет конусность, обозначенную углом θ. Углы θ и α выбирают таким образом, чтобы они были или равны, или такими, чтобы конусность, определяемая углом α, была больше конусности, определяемой углом θ. Иными словами радиус R основной боковой стенки 152 возрастает в направлении вниз по цилиндру 12 в степени, которая равна или меньше степени увеличения радиуса R конического основания 160. Это соотношение таково, что общая площадь поперечного сечения канала прохождения потока, сформированного между боковой стенкой 152 и коническим основанием 160, не увеличивается по его протяженности. В данном варианте выполнения конусность конического основания 160 больше конусности боковой стенки 152. В результате площадь поперечного сечения канала прохождения потока, измеренная перпендикулярно осевой линии 174 (что обозначено позициями 176, 178 и 180), уменьшается в направлении потока. Следовательно канал прохождения потока сужается в направлении к своему нижнему по потоку краю.
Целью выполнения корпусной части 150 цилиндра конусной с расширением наружу по движению потока является образование завихренного потока жидкости в направлении к выходному клапанному узлу 16. Понятно, что, при отсутствии конического основания 160 в цилиндре 12 существенно увеличилась бы площадь кругового поперечного сечения канала прохождения потока к выходному клапанному узлу 16. Это могло бы привести к образованию в выходящей жидкости кавитационных пор и пустот, заполненных газообразными продуктами горения, передаваемыми в первый резервуар 14 вместе выходящим потоком жидкости. Это могло бы создать нежелательное падение давления в первом резервуаре 14 при охлаждении и конденсации газов. При обеспечении отсутствия возрастания площади поперечного сечения канала прохождения потока или в реальности уменьшении его в направлении потока объем газа, передаваемого из цилиндра 12 в первый резервуар 14 должен быть по меньшей мере сведен к минимуму.
Рабочий цикл двигателя 10 внутреннего сгорания далее будет рассмотрен со ссылкой на фигуры 7-12. На фигурах 7-12, если клапаны находятся в открытом состоянии, они представлены как проходной клапан. Такое представление принято исключительно для простоты изображения и понимания читателем и не должно восприниматься как какое-нибудь ограничение объема изобретения, определенного в формуле изобретения. Кроме того, для простоты изображения и облегчения восприятия читателем идущая по спирали стенка 162 на фигурах 7-12 опущена.
В нижеследующем описании работы двигателя 10 внутреннего сгорания жидкость с накопленной в ней энергией, выходящая через выходной клапанный узел 16, представляет собой дистиллированную воду, и топливо, подаваемое через топливный инжектор 26 представляет собой бензин (газолин). Однако нужно понимать, что в качестве рабочей жидкости могут быть использованы другие жидкости кроме дистиллированной воды, и могут быть использованы другие виды топлива кроме бензина.
На фиг.7 показан двигатель 10 внутреннего сгорания на начальной стадии нового рабочего цикла. В начале цикла выходной клапанный узел 16, воздухозаборный клапан 24, топливный инжектор 26, выхлопной клапан 34 и клапаны 40, 42 подачи текучей среды закрыты. Для инициализации нового цикла блок управления посылает сигнал, вызывающий открывание воздухозаборного клапана 24, что дает возможность поступления свежего наружного воздуха 200 в цилиндр 12. Момент открывания воздухозаборного клапана 24 определяется значением давления в цилиндре 12. Давление в цилиндре определяется по сигналам измерения температуры, выдаваемым температурным датчиком 44. Ко времени поступления свежего наружного воздуха 200 в цилиндр 12 через воздухозаборный клапан 24 давление в цилиндре 12 ниже атмосферного, и за счет этого воздух всасывается в цилиндр. Относительно холодный воздух, поступивший в цилиндр 12, охлаждает цилиндр и его содержимое. В результате падения давления и охлаждения в цилиндре 12 воздух продолжает втягиваться в цилиндр, и по меньшей мере некоторая часть воды 202, оставшейся в цилиндре, испаряется, образуя пар 204.
В заданное время в течение этой фазы забора воздуха блок 28 управления выдает сигнал, приводящий к открыванию топливного инжектора 26, что дает возможность дозированному количеству бензина поступить в цилиндр 12, где оно смешивается с воздухом 200, образуя горючую смесь бензина и воздуха. Как рассмотрено более подробно ниже, количество поступившего бензина таково, что получается смесь, обогащенная относительно стехиометрического соотношения, что создает избыток углеводородов в камере сгорания.
На фиг.8 показан двигатель 10 внутреннего сгорания после забора воздуха и топлива с закрытыми воздухозаборным клапаном 24 и топливным инжектором 26. Сразу после закрывания воздухозаборного клапана 24 и топливного инжектора 26 блок 28 управления выдает сигнал на открывание регулирующего клапана 40 подачи текучей среды. Вода 208, возвращенная из приводного узла 20 во второй резервуар 90, поступает в цилиндр 12 через регулирующий клапан 40 подачи текучей среды. После этого в цилиндре 12 находится первая масса 210 текучей среды, включающей воздух 200, пар 204 и топливо 206, и вторая масса 212 текучей среды, включающей остаточную воду 202 и поступившую воду 208. По мере заполнения цилиндра 12 второй массой 212 текучей среды, первая масса 210 текучей среды сжимается, повышая свое давление и температуру. При достижении заданной точки заполнения, устанавливаемой по сигналам с температурного датчика 44, блок 28 управления выдает команду на закрывание регулирующего клапана 40 подачи текучей среды.
В соответствии с фиг.9 как только регулирующий клапан подачи текучей среды закрывается, цилиндр 12 готов к воспламенению смеси воздуха 200/топлива 206, содержащейся в первой массе 210 текучей среды. Горение возбуждается блоком 28 управления, выдающим сигнал, приводящий к тому, что свеча зажигания 48 создает в цилиндре 12 искру 215. Горение, происходящее в первой массе 210 текучей среды, вызывает быстрое увеличение давления и расширение первой массы текучей среды. Расширившаяся первая масса 210 текучей среды воздействует непосредственно на вторую массу 212 текучей среды. Давление в цилиндре 12 достаточно высоко, чтобы вторая масса 212 текучей среды оставалась в жидком состоянии, хотя быстрое увеличение температуры в первой массе 210 текучей среды достаточно для того, чтобы вызвать испарение воды, содержащейся во второй массе 212 текучей среды, на границе между двумя массами текучей среды, так чтобы эта граница представляла собой преимущественно водяные капли/водяной пар. Этот процесс испарения создает в цилиндре 12 полезное дополнительное увеличение давления, используя энергию, которая в обычном двигателе внутреннего сгорания, как правило, терялась.
Как видно на фиг.10, быстрое увеличение давления в цилиндре 12, вызванное процессом горения, происходящим в первой массе 210 текучей среды, изменяет баланс давления между содержимым цилиндра 12 и содержимым первого резервуара 14. Более высокое давление действует на шарик 60 со стороны цилиндра, приводя к тому, что шарик снимается с седла клапана 58 и дает возможность перегнать при высоком давлении и скорости воду, представляющую вторую массу 212 текучей среды, из цилиндра в первый резервуар 14 за счет развивающейся волны давления, создаваемой быстро расширяющейся первой массой 210 текучей среды. Как обозначено стрелками 214, вода движется по спирали вокруг осевой линии цилиндра при своем протекании вдоль спирального канала 164.
В соответствии с фиг.11 вскоре после инициализации горения за счет работы свечи 48 зажигания блок 28 управления выдает сигнал на открывание парового вводного клапанного узла 136, что дает возможность регулируемому количеству водяного пара 218 под высоким давлением поступить из трубопроводной системы 134 в цилиндр 12. Процесс реформинга углеводородов в присутствии водяного пара протекает при температурах приблизительно от 700 до 1000°С. Хотя вводимый водяной пар охлаждает газообразные продукты горения, за счет регулирования поступления водяного пара могут поддерживаться температуры в диапазоне от 1000 до 2000°С или более, так что при введении водяного пара в обогащенные топливом (углеводородным) газообразные продукты горения происходит процесс реформинга углеводородов в присутствии водяного пара, приводящий к выделению водорода из углеводородов. Так как воспламенение водорода происходит при температурах около 585°С, водород, выделенный из топлива, самопроизвольно загорается. Это приводит к повышению давления и температуры в цилиндре, увеличивая таким образом усилие, вытесняющее воду 216 из цилиндра в первый резервуар 14.
Диссоциация водорода и кислорода из перегретой воды/водяного пара происходит при температурах около 2730°С и выше. Ввиду повышенных температуры и давления в цилиндре 12, созданных горением водорода, получающегося в процессе реформинга углеводородов в присутствии водяного пара (температура может быть порядка 3500°С из-за того, что водород горит при более высокой температуре, быстрее и более интенсивно, чем обычное углеводородное топливо), продолжающаяся регулируемая инжекция водяного пара 218 в цилиндр приводит к получению дополнительных водорода и кислорода за счет диссоциации. В цилиндре 12 водород и кислород смешиваются с газообразными продуктами горения и спонтанно сгорают, вызывая дополнительное увеличение давления в цилиндре 12, обеспечивающее практически полное вытеснение содержащейся в цилиндре воды под высоким давлением в первый резервуар 14, что поддерживает в нем высокое давление.
0
1
2
3
Поведение давления в цилиндре 12 иллюстрируется на фиг.13, на которой представлена типовая кривая зависимости давления от времени, построенная по результатам, полученным на экспериментальной установке, и пунктиром - кривая, представляющая выходные значения для обычного двигателя внутреннего сгорания. Горение инициируется в точке P, представляющей давление в цилиндре 12 в конце процесса сжатия. Сжигание обогащенной топливом смеси приводит к быстрому увеличению давления до точки P. Последующее увеличение давления до точки P происходит благодаря горению водорода, выделенного в процессе реформинга углеводородов в присутствии водяного пара, происходящего в цилиндре 12. Следующее повышение давления до точки Р происходит благодаря горению водорода и кислорода, полученных диссоциацией введенного водяного пара (и возможно из воды 212). Сравнивая площади под двумя кривыми, можно видеть, что с двигателя 10 внутреннего сгорания получается значительный дополнительный выход энергии по сравнению с кривой, полученной для обычного двигателя внутреннего сгорания.
Обращаясь снова к фигурам 11 и 12, на которых выходной клапанный узел 16 открыт, и вода 216 с накопленной в ней энергией поступает из цилиндра 12 в первый резервуар 14, нужно заметить, что давление в цилиндре 12 значительно снижается до величины, при которой оно больше не превосходит давление в первом резервуаре (или при использовании возвратной пружины совместного усилия пружины и силы давления из резервуара). Тогда шарик 60 возвращается к седлу 58 клапана, оставляя остаток 202 воды (фигуры 7 и 12) в цилиндре. Сниженное давление в цилиндре 12 отображается соответствующими температуре сигналами, выдаваемыми датчиком 14. При восприятии блоком 28 управления сигнала температуры, соответствующего заданному давлению, он выдает сигнал на открывание выхлопного клапана 34 (фиг.12). После этого продукты 220 горения выбрасываются через выхлопной клапан 34, приводя к снижению давления в цилиндре 12. В соответствии с фиг.1 продукты горения (выхлопные газы) выходят из цилиндра 12 через выхлопной клапан 34 и проходят через трубопроводную систему 102 далее в теплообменник 100. Выхлопные газы всасываются в теплообменник 100 за счет частичного вакуума, поддерживаемого в теплообменнике, и воздействия относительно высокого давления в цилиндре 12. Тепло от выхлопных газов отбирается для испарения воды в змеевике 132 с получением водяного пара, подаваемого в цилиндр 12 через паровой вводный клапанный узел 136 во время горения.
При достижении давлением/температурой в теплообменнике 100 заданного уровня, отражаемого сигналами с датчика 128, блок 28 управления выдает сигнал на открывание клапану 108, установленного между теплообменником и конденсатором 104, так что выхлопные газы могут поступать из теплообменника в конденсатор. К моменту открывания клапана 108 в конденсаторе 104 существует частичный вакуум, так что выхлопные газы втягиваются в конденсатор из цилиндра 12 и теплообменника 100. В заданный момент времени, следующий за открыванием клапана 108, выхлопной клапан 112 открывается, давая возможность сообщения конденсатора с атмосферой. На этой стадии давление в цилиндре 12, теплообменнике 100 и конденсаторе 104 быстро падает до значения, в основном соответствующего атмосферному давлению. По соответствующим сигналам давления с датчика 128 или в заданный момент времени после открывания блок 28 управления закрывает клапан 112. Затем блок 28 управления выдает сигналы, вызывающие работу насоса 120, перекачивающего воду из резервуара 114 через холодильную установку 122, и открывание клапана 124. Охлажденная вода поступает от клапана 124 в конденсатор 104 в виде мелкодисперсных брызг и вызывает быстрое охлаждение выхлопных газов. Быстрое охлаждение выхлопных газов приводит к падению давления, которое поддерживает поток выхлопных газов из цилиндра 12 в конденсатор 104, создавая частичный вакуум в цилиндре 12 и теплообменнике 100. Быстрое охлаждение выхлопных газов приводит также к конденсации водяного пара, захваченного выхлопными газами. Конденсат стекает обратно в резервуар 114 через трубопроводную систему 116.
При достижении требуемого давления, о чем свидетельствуют сигналы с датчика 128, блок 28 управления выдает сигнал на закрывание выхлопного клапана 34 и клапана 108. При закрытых выхлопном клапане 34 и клапане 108 теплообменник 100 изолирован от цилиндра 12 и конденсатора 104. Частичный вакуум, существующий в теплообменнике 100 при закрытых клапанах 34, 108, служит для изоляции нагревательного змеевика 132 и способен вытягивать выхлопные газы из цилиндра 12 на начальных стадиях следующего процесса выхлопа.
Описанный выше рабочий цикл двигателя 10 внутреннего сгорания представляет собой процесс, протекающий при запущенном двигателе. Практически при запуске двигателя в нем отсутствует давление, достаточное для перекачки жидкости из второго резервуара 90, чтобы достичь нужной степени сжатия в цилиндре 12. Соответственно, при запуске блок 28 управления выдает сигналы на открывание пускового регулирующего клапана 42 подачи текучей среды и включение насоса 97 на перекачку текучей среды из второго резервуара 90 в цилиндр 12. Как только двигатель переходит в нормальный режим работы блок 28 управления выключает из рабочего цикла пусковой регулирующий клапан 42 подачи текучей среды и насос 97, и жидкость подается в цилиндр 12 из второго резервуара 90 через регулирующий клапан 40 подачи текучей среды, как это было описано ранее.
Нужно понимать, что двигатель выполнен таким образом и/или регулируется так, что, когда выходной клапанный узел 16 закрыт, в цилиндре 12 всегда сохраняется остаток жидкости. Целью этого является предотвращение перетока продуктов горения в первый резервуар 14. Если бы некоторое количество продуктов горения прошло в первый резервуар 14, то они бы за счет охлаждения сжались, вызывая этим нежелательное снижение давления в резервуаре.
На фиг.14 показаны различные модификации цилиндра 12. Эти модификации могут быть введены по отдельности или в сочетании. Первая модификация состоит в том, что боковая стенка корпусной части 150 состоит из двух стенок, включая неподвижную наружную стенку 250 и поворотную внутреннюю стенку 252. Наружная стенка 250 скреплена со стенкой 50 и головкой 154 цилиндра так же, как боковая стенка 152. Поворотная стенка 252 установлена на конусных подшипниках 254 качения, расположенных между внутренней стенкой и наружной стенкой, так что внутренняя стенка может вращаться относительно наружной стенки 250. Это делает возможным вращение внутренней стенки 252 вместе с водоворотом жидкости, уменьшая тем самым сопротивление водовороту и снижая сопротивление потоку жидкости, идущему к выходному клапанному узлу 16. Внутренняя стенка 252 должна иметь небольшую массу, и там, где введены одна или более изменяющие поток структуры, они должны быть связаны с коническим основанием 160 или по меньшей мере не с внутренней стенкой 252. Другая модификация, представленная на фиг.14, состоит в том, что коническое основание 160 выполнено полым, и торцевая стенка 50 в общем кольцеобразной. Тогда конической основание 160 служит частью стенки, разделяющей цилиндр 12 и первый резервуар 14, и внутреннее пространство 258 конического основания образует часть первого резервуара 14. Такая конструкция дает возможность снижения общего размера двигателя внутреннего сгорания без снижения рабочего объема.
Кроме того, на фиг.14 показан внутренний канал 260 для передачи жидкости от входного отверстия 168 (смотри фиг.5) в пространство, сформированное между боковой стенкой 252 и коническим основанием 160.
К тому же выходной клапанный узел 16 расположен в трубе 166, а не в торцевой стенке 50.
Очень важным является регулирование впрыскивания водяного пара 218 в цилиндр 12. При неправильном регулировании впрыскивания водяного пара и попадании слишком большого его количества в цилиндр 12 можно ожидать возникновения одной или более из следующих проблем:
топливовоздушная смесь может стать слишком увлаженной для того, чтобы воспламениться, газообразные продукты горения могут слишком быстро охладиться, могут иметь место слишком большие потери из-за охлаждения газообразных продуктов горения и снижения давления в камере и/или температура и давление в камере упадут до уровня, при котором не происходит реформинга в присутствии водяного пара и/или диссоциации. В представленном на фиг.1 варианте выполнения блок 28 управления регулирует инжекцию водяного пара с использованием сигналов температуры, получаемых с температурного датчика 44, и перекрывает клапан, если температура в цилиндре падает ниже заданного уровня. Далее со ссылкой на фиг.15 описаны альтернативные средства регулирования впрыскивания водяного пара в цилиндр.
В последующем описании модифицированного двигателя 10 внутреннего сгорания, изображенного на фиг.15, элементам и системам, аналогичным элементам и системам, показанным на фигурах 1-12, присвоены одинаковые ссылочные номера, и повторно они могут быть не описаны.
Понятно, что для целей регулирования работы двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере на некоторых фазах его действия, датчик температуры, используемый для регистрации температуры в цилиндре 12, должен быть высокочувствительным к изменениям температуры в цилиндре. На фиг.15 датчик температуры представляет собой инфракрасный температурный датчик 44, регистрирующий температуру в цилиндре через прозрачное для этого излучения окно. Альтернативно может быть использован, например, высокотемпературный врезанный фотодиод, такой как описан в патенте US 5659133, содержание которого включено в данную заявку в качестве ссылки.
Кроме изменения в системе регистрации температуры модифицированный двигатель 10 внутреннего сгорания, показанный на фиг.15, содержит протектор 49 для свечи 48 зажигания и модифицированную выхлопную систему 136. Вместо двух конденсаторов, как на фиг.1, модифицированная выхлопная система 136 снабжена теплообменным устройством 101, как служащим для извлечения тепла из выхлопных газов с целью получения водяного пара, инжектируемого в цилиндр в процессе горения, так и выступающим в роли конденсатора для охлаждения выхлопных газов и конденсации водяного пара, захваченного выхлопными газами.
Протектор 49 представляет собой экран, выполненный из любого пригодного материала (то есть материала, выдерживающего температуры и давления, развиваемые в цилиндре 12 при работе двигателя) и установленный для защиты свечи 48 зажигания от забрызгивания, которое может привести к ее смачиванию и коррозии, что может вызвать пропуски зажигания. Протектор 49 должен иметь такую форму и быть расположенным так, чтобы он не мешал потоку и смешиванию воздуха и топлива, поступающих в цилиндр 12, и сводил к минимуму препятствие распространению пламени зажигания через топливовоздушную смесь. Наилучшие форма и расположение для конкретного цилиндра могут быть определены эмпирически.
Теплообменное устройство 101 соединено с цилиндром 12 трубопроводом 102, и движение потока между цилиндром и теплообменным устройством регулируется выхлопным клапаном 34 таким же образом, как в двигателе внутреннего сгорания, представленном на фигурах 1-12. Нагревательный змеевик 132, в котором за счет извлечения тепла из выхлопных газов образуется водяной пар, проходит чрез верхний по потоку край теплообменного устройства и соединен с цилиндром трубопроводом 134, снабженным паровым вводным клапанным узлом 136. У нижнего по потоку края теплообменного устройства 101 находится выхлопная труба 110, которая постоянно открыта в атмосферу. Теплообменное устройство 101 соединено с резервуаром 114 трубопроводом 116, так что конденсат может течь из теплообменного устройства в резервуар. Трубопроводная система 118 проходит от резервуара 114 к входному концу змеевика 103 конденсатора, составляющего часть теплообменного устройства 101, и расположенного ниже по потоку нагревательного змеевика 132. Возвратная трубопроводная система 119 проходит от выходного конца змеевика 103 конденсатора к резервуару 114. Возвратная трубопроводная система 119 и трубопроводная система 118 вместе с змеевиком 103 конденсатора образуют охлаждающий водяной контур, служащий для извлечения тепла из выхлопных газов при их прохождении через теплообменное устройство 101. В трубопроводную систему 118 встроены насос 120 и радиатор и/или холодильная установка 122, служащие для охлаждения воды, отведенной от резервуара 114, прежде чем она поступит в змеевик 103 конденсатора.
Практически при открытом выхлопном клапане 34 выхлопные газы выходят через трубопровод 102 в верхнюю по потоку концевую часть теплообменного устройства 101. Здесь они проходят через нагревательный змеевик 132. При прохождении выхлопных газов через нагревательный змеевик 132 от них отводится теплота, служащая для преобразования воды, протекающей по нагревательному змеевику, в водяной пар. Ниже по потоку нагревательного змеевика 132 выхлопные газы дополнительно теряют тепло, передавая его охлажденной воде, протекающей по змеевику 103 конденсатора. Змеевик 103 конденсатора выполнен достаточно длинным, чтобы обеспечить контакт, достаточный для охлаждения выхлопных газов до степени, при которой происходит конденсация захваченного водяного пара и образование на дне теплообменного устройства 101 ванны конденсата, перетекающего обратно в резервуар 114 по трубопроводу 116. Хотя это не показано, в теплообменное устройство 101 могут быть введены перегородки для увеличения длины канала, проходимого потоком по змеевику 103 конденсатора и/или нагревательному змеевику 132, для обеспечения отбора от выхлопных газов требуемого количества теплоты.
В данном варианте выполнения выхлопная труба 110 постоянно открыта в атмосферу. Для прочистки цилиндра 12 от выхлопных газов закрывание выхлопного клапана 34 и открывание воздухозаборного клапана 24 перекрывают друг друга, так что поступивший воздух может продуть цилиндр. Длительность промежутка времени перекрытия открывания воздухозаборного клапана 24 и закрывания выхлопного клапана 34 может быть определена эмпирически с учетом достижения желательных характеристик двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.15 показана также система 280 введения горючего водородосодержащего соединения в водяной пар, инжектируемый в цилиндр 12 через паровой вводной клапанный узел 136. Это горючее водородосодержащее соединение вводится для активизации процесса реформинга углеводородов в присутствии водяного пара в цилиндре 12. В варианте выполнения, описанном со ссылкой на фигуры 1-12, горючая смесь, вводимая в цилиндр 12, сделана обогащенной топливом, чтобы обеспечить избыток углеводородов с целью активизации их реформинга в цилиндре 12 при впрыскивании в него водяного пара через паровой вводный клапанный узел 136. В некоторых вариантах выполнения не желательно для первоначального горения иметь топливовоздушную смесь обогащенной, или может быть желательным добавлять топливо для процесса реформинга в присутствии водяного пара после начала горения. Система 280 может быть использована для подачи некоторой части или всего топлива, необходимого для процесса реформинга в присутствии водяного пара.
Система 280 содержит клапан 282, предназначенный для впрыскивания топлива в трубопровод 134 выше по потоку парового вводного клапанного узла 136. Клапан 282 соединен с резервуаром 284, содержащим горючее водородосодержащее соединение, которое должно вводиться в трубопровод 134. В качестве резервуара 284 может выступать топливный резервуар 30 или отдельный резервуар. Если введен отдельный резервуар, он может соде ржать такое же водородосодержащее топливо, как топливный резервуар 30, или другое соединение. Таким образом, для подачи углеводородного топлива с целью получения горючей смеси в цилиндре может использоваться, например, топливный резервуар 30, в то время как резервуар 284 используется для подачи другого углеводорода или спиртового соединения, такого как метанол, которое удовлетворяет требованиям проведения процесса реформинга в присутствии водяного пара. Работа клапана 282 может регулироваться блоком 28 управления по сигналам с датчика 44 или отдельным блоком управления, получающим сигналы с другого датчика.
В некоторых вариантах выполнения может быть желательным вводить водородосодержащее соединение в водяной пар прерывисто, так что, если паровой вводный клапанный узел 136 открыт, инжектируемый водяной пар может содержать первую порцию, включающую водяной пар, смешанный с водородосодержащим соединением, и вторую порцию, не содержащую добавки водородосодержащего соединения.
Дополнительно система 280 может соде ржать катализаторный блок 286, расположенный ниже по потоку клапана 282. Катализаторный блок 286 содержит материал катализатора, ускоряющей выделение водорода из водородосодержащего соединения, смешанного с водяным паром. Например, если водородосодержащее соединение представляет собой метанол, в качестве катализатора могут быть использованы трубы из хромистой меди при температуре 360°C. При использовании катализатора текучая среда, вводимая через паровой вводный клапанный узел 136 представляет собой жидкость на водной основе, содержащую водяной пар. Эта смесь при впрыскивании в цилиндр ускорит процесс реформинга в присутствии водяного пара, что вызовет появление большего количества водорода, который сгорит в цилиндре 12.
Понятно, что модифицированный двигатель 10 внутреннего сгорания должен быть снабжен датчиком давления, включая температурный датчик, такой как термопара, в добавок к инфракрасному датчику температуры (или другому оптическому устройству регистрации температуры). Понятно также, что двигатель внутреннего сгорания, представленный на фигурах 1-12, вместо или в дополнение к уже показанному датчику давления может быть снабжен инфракрасным датчиком температуры (или другим оптическим датчиком), и может быть снабжен системой 280 добавления водородосодержащего соединения к водяному пару выше по потоку парового вводного клапанного узла 136.
На фиг.16 представлен многоцилиндровый двигатель 310 внутреннего сгорания. Чтобы избежать повторения описания, элементы многоцилиндрового двигателя 310 внутреннего сгорания, которые такие же или похожие на элементы двигателя 10 внутреннего сгорания, обозначены одинаковыми ссылочными номерами, увеличенными на 300, и не будут подробно рассмотрены повторно.
Многоцилиндровый двигатель 310 внутреннего сгорания содержит пять цилиндров 312(1)-312(5), укомплектованных и действующих таким же образом, как цилиндр 12 двигателя 10. В данном варианте выполнения изобретения каждый из цилиндров 312(1)-312(5) соединен с общей входной системой 338 и выхлопной системой 336, и каждый из них снабжен топливным инжектором (не показан), питаемым от общего резервуара 330 через общий топливный насос 332. Имеется второй резервуар 390 и пусковой насос 398, подающий текучую среду из второго резервуара к регулирующим клапанам подачи текучей среды (не показаны), соответствующим клапанам 40, 42 на фиг.1. Хотя для многих конфигураций двигателей может быть удобным использование общих элементов, должно быть понятно, что в многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания может быть использовано несколько входных систем, выхлопных систем, систем возврата жидкости и/или топливных насосов, а также резервуаров.
Первый резервуар 314 соединен с выходным клапанным узлом 316 каждого цилиндра. В данном варианте выполнения первый резервуар 314 представляет собой круглую пустотелую конструкцию. Подразумевается, что использование такой "трубчатой" конфигурации снизит падение давления из-за сопротивления потоку. Хотя характер связи не показан, цилиндры 312(1)-312(5) могут быть соединены непосредственно с первым резервуаром 314, так что вытекающая жидкости может поступать непосредственно в резервуар, как это изображено на фигурах 1, 4 и 13.
Первый резервуар 314 соединен непосредственно с соответствующими трубопроводными системами 602, 604, ведущими к приводному узлу 320F передних колес и приводному узлу 320R задних колес. Приводные узлы 320F, 320R преобразуют энергию, накопленную в жидкости, поступившей из первого резервуара 314, в движущую силу, вращающую соответствующую пару колес 322F, 322R. Каждый из приводных узлов 320F, 320R возвращает отработанную жидкость во второй резервуар 390 в основном таким же образом, как приводной узел 20 с фиг.1.
В данном варианте выполнения блок 328 управления регулирует работу отдельных цилиндров 312(1)-312(5) под управлением главного блока 606 управления двигателя. Ведущий блок 606 управления воспринимает входные команды нажимаемых водителем педали и/или кнопки (кнопок) (не показаны) и также управляет работой приводных узлов 320F, 320R. Хотя это не показано, должно быть понятно, что может быть введен отдельный блок управления для управления торможением приводных узлов 320F, 320R. Такой блок управления может быть связан с ведущим блоком 606 управления, на который возложена функция общего управления двигателем 310 внутреннего сгорания.
Практически отдельные цилиндры 312(1)-312(5) многоцилиндрового двигателя 310 внутреннего сгорания действуют также, как двигатель 10. Уровень активности отдельных цилиндров 312(1)-312(5) регулируется на основе значения давления в первом резервуаре 314. Если давление в первом резервуаре 314 выше заданного уровня, и потребность двигателя низка, число работающих цилиндров 312(1)-312(5) может быть пропорционально снижено.
Далее со ссылкой на фиг.17 описан другой двигатель 710 внутреннего сгорания, связанный с приводным узлом. Хотя это не ограничено таким использованием, в нижеследующем описании приводной узел 720 представлен как применяемый для перемещения автомобиля. Двигатель 710 внутреннего сгорания и приводной узел 720 имеют много характеристик и компонентов, соответствующих или подобных характеристиками и компонентам двигателя 10 внутреннего сгорания и приводного узла 20, представленных на фигурах 1-12. Для избежания повторения в нижеследующем описании компоненты одинаковые или подобные компонентам, показанным на фигурах 1-12, обозначены одинаковыми ссылочными номерами, увеличенными на 700, и могут повторно подробно не описываться. Для простоты изложения двигатель 710 внутреннего сгорания описан как одноцилиндровый двигатель. Однако нужно понимать, что двигатель 710 внутреннего сгорания может быть многоцилиндровым двигателем, например, таким как описанный со ссылкой на фиг.16.
В данном варианте выполнения двигатель 710 внутреннего сгорания содержит одну камеру сгорания в виде закрытого цилиндра 712, сформированного блоком цилиндров (не показан). Цилиндр 712 имеет конусность в продольном направлении и соединен у своего нижнего, более широкого края с первым резервуаром 714. В соединение между цилиндром 712 и первым резервуаром 714 введен выходной клапанный узел 716. В данном варианте выполнения выходной клапанный узел 716 представляет собой работающий от давления клапан одностороннего действия, аналогичный клапану 16, представленному на фиг.2, хотя может быть использован любой клапан подходящего типа, включая электрически управляемый клапан. Первый резервуар 714 используется для накопления воды под относительно высоким давлением, поступающей из цилиндра 712. Первый резервуар 714 снабжен клапаном 718 сброса давления, защищающим от избыточного давления в резервуаре. Хотя это не показано, вместо клапана 718 сброса давления двигатель 710 внутреннего сгорания может быть снабжен системой сброса давления, аналогичной представленной на фиг.1.
Вода, накопленная в первом резервуаре 714 подается под относительно высоким давлением в приводной узел 720, который в данном варианте выполнения является основным приводным узлом, вспомогательный приводной узел далее описан более подробно. Основной приводной узел 720 может содержать соответствующие насосы (не показаны) для приведения в движение колес транспортного средства (также не показаны), как это описано в связи с фигурами 1 и 3, или приведения в действие переднего и заднего приводных узлов, как описано в связи с фиг.16. В представленном варианте выполнения основной приводной узел 720 представляет собой насос, преобразующий энергию, накопленную в находящейся под относительно высоким давлением воде, поступившей из первого резервуара 714, в движущую силу, используемую для вращения колес транспортного средства. Между первым резервуаром 714 и основным приводным узлом 720 введен электрически приводимый в действие регулирующий клапан 721, выполненный с возможностью управления потоком воды из резервуара к приводному узлу. Цилиндр 712 снабжен входным клапанным узлом, представляющим собой воздухозаборный клапан 724 и топливный инжектор 726, выхлопным клапанным узлом в виде выхлопного клапана 734. Выхлопной клапан 734 выведен в выхлопную систему 736. Воздухозаборный клапан 724 связан с воздухозаборной системой (не показана), такой как воздухозаборная система 38, представленная на фиг.1, и топливный инжектор 726 соединен с топливным резервуаром через топливный насос так же, как, например, топливный инжектор 26 с фиг.1.
Работа регулирующего клапана 721, воздухозаборного клапана 724, топливного инжектора 726 и выхлопного клапана 734 регулируется системой управления, включающей блок 728 управления на базе микропроцессора. Блок 728 управления может быть блоком управления двигателем более высокого уровня, который также регулирует все аспекты работы двигателя, или блоком, предназначенным для управления конкретными функциями двигателя (например, вторым блоком управления входным клапанным узлом в данном примере осуществления изобретения) и оперативно связанным с контроллером более высокого уровня, управляющим двигателем. Чтобы сделать чертежи более ясными, связи между блоком управления 728 и элементами, которыми он управляет, и/или с которых получает сигналы не показаны.
Так же, как цилиндр 12 с фиг.1, цилиндр 712 снабжен двумя электрически приводимыми в действие регулирующими клапанами 740, 742 подачи текучей среды, предназначенными для поступления в цилиндр рабочей текучей среды (жидкости), подаваемой из второго резервуара 790. Пусковой регулирующий клапан 740 подачи текучей среды регулирует поступление воды, находящейся под относительно низким давлением, из второго резервуара 790 при запуске двигателя. Вода, поступившая в цилиндр 712 через пусковой регулирующий клапан 740 подачи текучей среды, нагнетается пусковым насосом 797. Регулирующий клапан 742 подачи текучей среды управляет поступлением воды под относительно низким давлением из второго резервуара 790 при нормальной работе двигателя 710 внутреннего сгорания.
Цилиндр 712 дополнительно снабжен двумя регулирующими клапанами 1000, 1002 подачи горячей воды, приводимыми в действие электрически и предназначенными для подачи в цилиндр горячей воды из третьего резервуара 1004. Первый регулирующий клапан 1000 подачи горячей воды управляет подачей горячей воды в нижнюю, более широкую часть цилиндра 712 в процессе сжатия поступающего в него воздуха. Второй регулирующий клапан 1002 подачи горячей воды управляет подачей воды в верхнюю, более узкая часть цилиндра 712. Каждый из четырех подающих регулирующих клапанов 740, 742, 1000, 1002, приводимых в действие электрически, управляется сигналами с блока 728 управления.
Цилиндр 712 снабжен коническим основанием 860 и спиральной стенкой, образующей спиральный канал 864 аналогичным образом, как для цилиндра 12, представленного на фигурах 4 и 5.
Третий резервуар 1004 соединен с цилиндром 712 и служит для приема воды под давлением во вторую очередь по отношению первого резервуара 714. Подача воды в третий резервуар 1004 регулируется электрически приводимым в действие клапаном 1006, управляемым сигналами с блока 728 управления. Третий резервуар 1004 имеет выходное отверстие, связанное с выходным трубопроводом 1008, по которому горячая вода из третьего резервуара поступает в цилиндр 712 через первый регулирующий клапан 1000 подачи горячей воды. Третий резервуар 1004 имеет второе выходное отверстие, связанное с выходной трубопроводной системой 1010, идущей ко второму регулирующему клапану 1002 подачи горячей воды. В выходную трубопроводную систему 1010 встроен насос 1012, предназначенный для поднятия давления горячей воды, выходящей из третьего резервуара 1004. Устанавливаемый по желанию выходной клапан 1014, приводимый в действие электрически, введен в выходную трубопроводную систему 1010 между третьим резервуаром 1004 и насосом 1012. Функцию выходного клапана 1014 может выполнять насос 1012.
Третий резервуар 1004 снабжен третьим выходным отверстием, связанным со вспомогательным приводным узлом 1016 через электрически приводимый в действие регулирующий клапан 1018. Электрически приводимый в действие регулирующий клапан 1018 срабатывает по сигналам с блока 728 управления и регулирует поступление воды под относительно высоким давлением из третьего резервуара 1004 во вспомогательный приводной узел 1016. В данном варианте выполнения вспомогательный приводной узел 1016 представляет собой насосное устройство, преобразующее энергию, накопленную в воде, в усилие, которое может быть использовано для приведения в движение колес автомобиля. Должно быть понятно, что в качестве альтернативы наличию отдельных приводных узлов 720, 1016, как это показано на чертеже, третий резервуар может питать приводной узел 720, и в этом случае двигатель должен быть снабжен средством переключения между подачей из первого резервуара 714 и из третьего резервуара 1004. Еще одной альтернативой может быть подключение выходов двух резервуаров 714, 1004 к насосу, снабженному соответствующим набором лопастей, подобранных так, чтобы выравнивать выходные давления двух резервуаров, давая возможность использовать их выходы в тандеме для вращения общего выходного вала. Выхлопная система 736 содержит первый конденсатор 800, соединенный с выхлопным клапаном 734 трубопроводом 802, и второй конденсатор 804, соединенный с первым конденсатором 800 трубопроводом 806. В трубопровод 806 введен нормально закрытый клапан 808, приводимый в действие соленоидом, так что поток выхлопных газов из конденсатора 800 во второй конденсатор 804 можно регулировать. Второй конденсатор 804 снабжен выхлопной трубой 810, открытой в атмосферу. И первый, и второй конденсаторы 800, 804 соединены с трубопроводной системой 816. Конденсат из конденсаторов через трубопроводную систему 816 поступает в резервуар 814. Поток конденсата из конденсатора 800 регулируется нормально закрытым, приводимым в действие соленоидом клапаном 817, управляемым блоком 728 управления. Трубопроводная система 818 ведет от водяного резервуара 814 к соответствующим нормально закрытым клапанам 824, управляемым соленоидом. В трубопроводную систему 818 введен водяной насос 820, предназначенный для нагнетания воды, выводимой из водяного резервуара 814. В канал прохождения потока между насосом 820 и клапанами 824 введен радиатор 821 и, при желании, холодильная установка 822. Клапаны 824 и водяной насос 820 управляются блоком 728 управления и приспособлены для подачи мелко разбрызганной охлажденной воды в первый и второй конденсаторы 800, 804.
В добавление к блоку 728 управления система управления двигателя 710 внутреннего сгорания включает соответствующие датчики давления 744, 746, 791, 828, 1020, служащие для регистрации давления в цилиндре 712, первом резервуаре 714, втором резервуаре 790, первом конденсаторе 800 выхлопной системы 736 и третьем резервуаре 1004. Каждый датчик давления выдает соответствующие давлению сигналы, используемые в блоке управления 728. В каждом случае датчик давления 744, 746, 791, 828, 1020 может быть любого вида датчиком, способным выдавать отражающие значение давления сигналы, включая температурные датчики, такие как термопары.
Работа двигателя 710 внутреннего сгорания далее будет рассмотрена со ссылкой на фигуры 17-23.
На фиг.17 двигатель 710 внутреннего сгорания показан в момент запуска. В начале запуска блок управления вызывает открывание пускового регулирующего клапана 740 подачи текучей среды и включение пускового насоса 797. Пусковой насос 797 повышает давление находящейся под относительно низким давлением воды из второго резервуара 790 и перекачивает ее в цилиндр 712 через пусковой регулирующий клапан 740 подачи текучей среды. Цилиндр 712 содержит первую массу 1022 текучей среды, включающую поступающий воздух, и вторую массу 1024 текучей среды, включающую поступающую воду под давлением и некоторый остаток воды в цилиндре 712, имеющийся в момент запуска. По мере заполнения цилиндра 712 второй массой 1024 текучей среды первая масса 1022 текучей среды сжимается, повышая свое давление и температуру. При поступлении с датчика 744 сигналов, свидетельствующих о том, что давление в первой массе 1022 текучей среды достигло заданного уровня, блок 728 управления выдает сигналы на закрывание пускового регулирующего клапана 740 подачи текучей среды и выключение пускового насоса 797. В данном варианте выполнения первая масса 1022 текучей среды сжимается до давления, при котором, используемое в двигателе топливо, самопроизвольно воспламеняется при впрыскивании в цилиндр 712.
В соответствии с фиг.18 как только пусковой клапан 740 подачи текучей среды закрывается, блок 728 управления запускает процесс горения, выдавая сигнал на открывание топливного инжектора 726 и впрыскивание топлива 1026 в первую массу 1022 текучей среды. При смешивании топлива 1026 с горячим сжатым воздухом оно воспламеняется, и происходит горение, вызывающее быстрое увеличение давления в цилиндре 712. Давление в цилиндре 712 таково, что помимо локального парообразования у границы раздела между двумя массами 1022, 1024 текучей среды не происходит никакого изменения в состоянии воды, остающейся в жидком состоянии.
Быстрое увеличение давления в цилиндре 712, следующее за началом акта горения, изменяет баланс давления, воздействующий на выходной клапанный узел 716. Выходной клапанный узел 716 реагирует на это открыванием и дает возможность волне давления, созданной быстро расширяющимися газообразными продуктами горения, вытеснить часть второй массы 1024 текучей среды в первый резервуар 714, создавая поток текучей среды, содержащий энергию, в виде относительно высокоскоростного потока 1028 воды.
Обращаясь к фиг.19, можно отметить, что как только выходной клапанный узел 716 открывается, и создается поток воды 1028 в первый резервуар 714, давление в цилиндре 712 быстро падает. Это отражается сигналами регистрации давления, полученными блоком 728 управления с датчика 744, и, как только давление падает ниже заданного уровня, блок 728 управления выдает сигнал на открывание клапана 1006, введенного между цилиндром 712 и третьим резервуаром 1004. Открывание клапана 1006 дает возможность воде 1030 поступать из цилиндра 712 в третий резервуар 1004. Это вызывает дальнейшее уменьшение давления в цилиндре 712, что быстро приводит к тому, что шарик 760 выходного клапанного узла 716 возвращается обратно в герметичный контакт с седлом клапана под воздействием относительно высокого давления в первом резервуаре 714 (и возвратного смещающего элемента, если такой присутствует). Падение давления в цилиндре 712 в конечном счете достигает точки, в которой начинает образовываться водяной пар. Давление пара поддерживает поток нагретой воды в третий резервуар 1004, повышая тем самым давление в нем.
Близко ко времени получения клапаном 1006 команды на открывание блок 728 управления выдает сигналы на открывание второго клапана 1002 подачи горячей воды и выходного клапана 1014, а также на включение насоса 1012. Это приводит к перекачке нагретой воды из третьего резервуара 1004 по выходной трубопроводной системе 1010 и поступлению ее через второй клапан 1002 подачи горячей воды в цилиндр 712. Второй клапан 1002 подачи горячей воды выполнен так, что выдает горячую воду в виде распыленных капель, чтобы создать мелкодисперсный туман капель горячей воды в цилиндре 12. Теплота горения, все еще присутствующая в цилиндре 712, испаряет капли 1032 горячей воды при их разбрызгивании в цилиндре, создавая еще больше водяного пара. Пар создает воздействие, заставляющее еще больше горячей воды перетекать в третий резервуар 1004. Блок 728 отслеживает соответствующие значения давления в цилиндре 712 и третьем резервуаре 1004 по сигналам измерения давления, посылаемым датчиками 744, 1020. Как только давление в цилиндре 712 падает до уровня, близкого к давлению в третьем резервуаре 1004, блок 728 управления выдает сигналы на закрывание клапанов 1002, 1006, 1014.
На стадии, отображенной на фиг.20, давление в цилиндре 712 все еще относительно высоко, и начинается процесс выхлопа. При закрытых теперь клапанах 1002, 1006 блок 728 выдает сигналы на открывание выхлопного клапана 734, дающее возможность выхлопным газам поступать из цилиндра 712 в первый конденсатор 800. За исключением момента запуска, при котором давление может быть близко к атмосферному, в первом конденсаторе 800 будет существовать частичный вакуум. Для избежания неопределенности на этой стадии клапаны 808, 817, 824 закрыты, так что первый конденсатор 800 изолирован от внешнего давления за исключением давления в цилиндре 712. Выхлопные газы цилиндра 712 быстро выбрасываются в первый конденсатор 800, снижая давление в цилиндре и повышая его в конденсаторе. Первый конденсатор 800 охлаждается, например, по контуру охлаждающей воды, что приводит к конденсации водяного пара, содержащегося в выхлопных газах, и образованию ванны 1034 на дне конденсатора. Кроме того блок 728 управления выдает сигналы на открывание клапанов 824 и запуск водяного насоса, перекачивающего воду из резервуара 814 через охлаждающий радиатор 821 и холодильную установку 822 (при ее наличии). Охлажденная вода проходит по трубопроводной системе 818 в первый и второй конденсаторы 800, 804 в виде брызг охлажденной воды. Водяные брызги 1036 в первом конденсаторе 800 вызывают конденсацию водяного пара, присутствующего в выхлопных газах. Брызги охлажденной воды во втором конденсаторе 804 предварительно охлаждают его.
Когда давление в цилиндре 712 и первом конденсаторе 800 приблизительно сравниваются, что регистрируется сигналами измерения давления с датчиков 744, 828, блок 728 управления выдает сигнал на открывание клапана 808, введенного между первым и вторым конденсаторами 800, 804. Тогда цилиндр 712 оказывается открытым для атмосферного давления, существующего у выхлопной трубы 810. В результате выхлопные газы выбрасываются через первый и второй конденсаторы 800, 804 в атмосферу. Дополнительное охлаждение выхлопных газов в первом и втором конденсаторах 800, 804 приводит к конденсации из них водяного пара. Если давление в первом конденсаторе 800 падает до существенно низкого уровня, отображаемого сигналами с датчиков 744, 828, блок 728 выдает сигнал на открывание клапана 817. Конденсат из ванн 1034, образованных у дна конденсаторов 800, 804, перетекает из конденсаторов в резервуар 814 через трубопроводную систему 816.
Если давление в цилиндре 712 и первом конденсаторе 800 достигло уровня атмосферного давления или другого заданного уровня, что отражается сигналами измерения давления с датчиков 744, 828, блок 728 управления выдает сигналы на закрывание клапанов 808, 817. Поступление брызг 1036 охлажденной воды в конденсаторы 800, 804 продолжается. Брызги охлажденной воды в первом конденсаторе 800 вызывают дальнейшее охлаждение и быстрое падение давления, что создает частичный вакуум в первом конденсаторе и цилиндре 712. При достижении давлением в первом конденсаторе заданного уровня, регистрируемого сигналами с датчика 828, блок 728 управления выдает сигналы на закрывание выхлопного клапана 734 и клапанов 824, изолируя частичный вакуум для следующего цикла.
Как показано на фиг.21, блок 728 инициирует новый цикл горения путем подачи сигнала на открывание воздухозаборного клапана 724. При открывании воздухозаборного клапана 724 поступающий воздух (обозначенный стрелками 1042) всасывается в цилиндр 712, замещая вакуум и образуя первую массу 1022 текучей среды. В соответствии с фиг.22, если сигналя измерения давления с датчика 744 показывают, что давление в цилиндре 712 близко к атмосферному давлению (или к другому заданному давлению) воздухозаборный клапан 724 закрывается, и регулирующий клапан 740 подачи текучей среды получает сигнал на открывание, что дает возможность поступления воды из второго резервуара 790 в цилиндр 712, формирования второй массы 1024 текучей среды и сжатия первой массы 1022 текучей среды. Как только давление во втором резервуаре 790 и цилиндре 712 сравняется, что регистрируется по сигналам с датчиков 744, 791, блок 728 управления выдает сигнал на закрывание регулирующего клапана 740 подачи текучей среды. Если сигналы измерения давления с датчика 744 свидетельствуют о том, что давление в цилиндре 712 не поднялось до заданного уровня, который принят за уровень возникновения самопроизвольного поджига, блок 728 выдает сигнал на открывание первого регулирующего клапана 1000 подачи горячей воды, что дает возможность воде под давлением из третьего резервуара, находящейся под гораздо более высоким давлением, чем вода во втором резервуаре 790, поступить по выходному трубопроводу 1008 в нижнюю часть цилиндра 712. Как только сигналы измерения давления с датчика 744 покажут, что давление в цилиндре 712 достигло уровня, необходимого для самопроизвольного поджига, блок 728 управления выдает сигнал на закрывание первого регулирующего клапана 1000 подачи горячей воды. На этой стадии первая масса 1022 текучей среды находится в сжатом состоянии и готова к впрыскиванию топлива через топливный инжектор 726, как это показано на фиг.18. Далее цилиндр 71 циклически повторяет последовательность процессов горения и выхлопа, описанные выше, для поддержания требуемого давления в первом резервуаре 714 с целью удовлетворения требований, поступающих от водителя автомобиля.
На фиг.23 регулирующие клапаны 721, 1018 первого резервуара 714 и третьего резервуара 1004 показаны открытыми, что дает возможность текучей среде с накопленной в нем энергией поступать в основной и вспомогательный приводные узлы 720, 1016, соответственно. Два приводных узла 720, 1016 преобразуют энергию, накопленную в воде, выходящей из первого и третьего резервуаров 714, 1004 в силу, используемую для приведения в движение колес автомобиля (не показаны). Регулирующие клапаны 721, 1018 открываются и закрываются по сигналам с блока 728 управления или другого блока управления двигателем, которые вырабатываются по требованиям, поступающим от водителя.
Большая часть тепла, вырабатываемого при работе обычных двигателей внутреннего сгорания, должна отводиться в процессе охлаждения, и некоторая часть теряется с потоком выхлопных газов. Эти процессы охлаждения часто предусматривают использование вентилятора, соединенного с валом двигателя, который сам по себе требует расхода некоторой части выходной энергии двигателя. Потери энергии по некоторым оценкам достигают 36% энергии, заключенной в топливе, поступающем в двигатель или около 75% выработанного тепла. Должно быть понятно, что в процессах, включенных в представленные варианты выполнения, полезно используется по меньшей мере часть потерянной энергии, и было установлено, что в результате такие двигатели будут существенно более энергоэффективными, чем обычные двигателя внутреннего сгорания. Кроме обеспечения возможности улучшенного потребления топлива и использования физически меньших двигателей для данной потребляемой мощности такая эффективность должна сделать возможным создание автомобиля со встроенной аппаратурой получения водорода для создания двигателя на водородном топливе.
Как показано на фиг.23, вспомогательный приводной узел 1016 может быть при желании соединен с устройством 1050 получения водорода, изображенным пунктирными линиями. Устройство 1050 получения водорода может быть любым известным пригодным устройством такого типа. Устройство 1050 получения водорода может работать на механической силе, поступающей от вспомогательного приводного узла 1016. Альтернативно устройство 1050 получения водорода может работать на электричестве, вырабатываемом электрогенератором, движимым выходным крутящим моментом вспомогательного приводного узла. Еще одной альтернативой может быть подача текучей среды из третьего резервуара 1004 в приводной узел, составляющий часть устройства получения водорода.
Одно из пригодных устройств 1050 получения водорода включает набор топливных элементов, содержащих таблетки из сплава алюминия и галлия. При прокачке воды через топливный элемент и контакте его с таблетками за счет расщепления молекул воды самопроизвольно вырабатывается водород, который может быть подан непосредственно в двигатель без необходимости в накопительных емкостях. Таблетки реагируют с поступающей водой, так как алюминий активно взаимодействуете кислородом, и постепенно расходуются, что требует их замены. Однако в этом процессе не вырабатываются ядовитые газы, а таблетки галлия могут быть многократно использованы повторно.
Понятно, что, если в двигателе внутреннего сгорания должно использоваться водородное топливо, при встроенном получении водорода по требованию сохраняется необходимость в накопительных баках для водорода, который должен быть переведен в жидкое состояние. Такое хранение требует много пространства, и существует также другой недостаток, заключающийся в том, что водород огнеопасен. Понятно, что, если не вводить емкость для хранения водорода, может быть использован гибридный вариант с топливной системой для подачи этанола, моторного топлива (бензина) или другого подобного топлива, подаваемого при запуске двигателя. Должно быть также понятно, что при получении водорода из воды вырабатывается кислород, который может быть использован для подачи в двигатель, так что в камеру сгорания поступает или только кислород, или кислород, смешанный с воздухом.
Должно быть понятно, что в вариантах выполнения, в которых используется водород в качестве топлива, не будет топлива для процесса реформинга в присутствии водяного пара. С учетом скорости и интенсивности горения водорода можно получить достаточное количество тепла для осуществления термического расщепления без реформинга в присутствии водяного пара. Однако в таких случаях может быть желательным добавлять небольшое количество топлива для осуществления процесса реформинга в присутствии водяного пара в водородовоздушной смеси. Топливо может добавляться до горения или в процессе горения с использованием системы, аналогичной или одинаковой с системой 280, показанной на фиг.15.
Далее со ссылкой на фиг 24 рассмотрена модификация двигателя 710 внутреннего сгорания. Для избежания повторов в описании аналогичным элементам присвоены ссылочные номера, одинаковые с фигурами 17-23. Модифицированный двигатель 1110 внутреннего сгорания, изображенный на фиг.24, отличается от двигателя 710 внутреннего сгорания с фигур 17-23 тем, что воздухозаборная система включает компрессор 1060 наддува, установленный выше по потоку воздухозаборного клапана 724, и цилиндр снабжен устройством 1062 регистрации того, когда уровень второй массы 1022 текучей среды в цилиндре достиг заданного уровня. Устройство 1062 регистрации уровня может представлять собой датчик любого типа, пригодный для измерения уровня в условиях высоких температуры и давления, и может быть оптическим датчиком.
Работа модифицированного двигателя 1110 внутреннего сгорания отличается от двигателя 710 внутреннего сгорания процессами выхлопа и воздухозабора. Так как работа самого двигателя внутреннего сгорания остается неизменной, далее рассмотрены только процессы выхлопа и воздухозабора.
В начале процесса выхлопа клапаны 734, 808, 817, 824 закрыты. Процесс выхлопа начинается с открывания выхлопного клапана 734. Блок 728 управления выдает сигнал на открывание клапана 824, и насос 820 начинает работать, создавая брызги 1036 холодной воды в конденсаторах 800, 804. Снова, как было описано ранее, на дне первого конденсатора 800 образуется ванна 1034 конденсата, и затем клапаны 808, 817 открываются. При достижении давлением в цилиндре 712 заданного значения, что регистрируется сигналами с датчика 744, блок 728 управления выдает сигнал на открывание регулирующего клапана 742 подачи текучей среды, что дает возможность воде под относительно низким давлением из второго резервуара 790 поступать в цилиндр, образуя вторую массу 1024 текучей среды. Поступление воды вытесняет выхлопные газы из цилиндра 712 в выхлопную систему 736. Когда сигналы с устройства 1062 регистрации уровня покажут, что вторая масса 1024 текучей среды достигла заданного уровня, блок 728 управления выдает сигнал на закрывание регулирующего клапана 742 подачи текучей среды.
При получении регулирующим клапаном 742 сигнала на закрывание блок 728 управления выдает сигналы на открывание воздухозаборного клапана 724 и начало работы компрессора 1060 наддува. Компрессор 1060 наддува загоняет воздух под высоким давлением в цилиндр 712.
Вскоре после подачи сигнала на открывание воздухозаборного клапана 724 блок 728 управления выдает сигнал на закрывание выхлопного клапана 734. Перекрытие во времени между открыванием воздухозаборного клапана 724 и закрыванием выхлопного клапана 734 устанавливается таким, чтобы воздух, закачанный в цилиндра 712, вытеснил остаточные выхлопные газы в выхлопную систему 736.
Воздухозаборный клапан 724 остается открытым после закрывания выхлопного клапана 734, давая возможность компрессору 1060 наддува подать массу воздуха под высоким давлением, формируя первую массу 1022 текучей среды, находящуюся под давлением, достаточно высоким для самопроизвольного воспламенения, возникающего при впрыскивании топлива в цилиндр.
В модифицированном двигателе 1110 внутреннего сгорания использование подачи воды из второго резервуара 790 и воздуха под высоким давлением от компрессора 1060 наддува для вытеснения выхлопных газов из цилиндра 712 приводит к меньшей потребности в охлаждении.
Возможное преимущество использования компрессора 1060 наддува состоит в том, что при использовании различных видов топлива становится относительно простой регулировка установки давления первой массы 1022 текучей среды на уровень, при котором происходит самопроизвольное воспламенение. Соответственно, стандартные рабочие установки двигателя могут быть изменены так, чтобы он работал на разных топливах.
Далее со ссылкой на фигуры 25-27 рассмотрен двигатель 1210 внутреннего сгорания, являющийся модификацией двигателя 1110 внутреннего сгорания с фиг.24. Для избежания повторов в описании аналогичным элементам присвоены ссылочные номера, одинаковые с фиг.24.
Двигатель 1210 внутреннего сгорания отличается от двигателя 1110 внутреннего сгорания с фиг.24 тем, что цилиндр выполнен с сужением вблизи его верхней части, у которого расположен клапан 1212, и тем, что имеются два выходных клапана 1214, 1216 и возбудитель горения в виде свечи 1218 зажигания.
Как видно на фиг.25, клапан 1212 содержит седло 1220 клапана и смещаемый клапанный элемент в форме шара 1222. Седло 1220 клапана может быть сформировано стенкой цилиндра 712, образующей сужение, или одним или более элементами, пригнанными к стенке цилиндра. Шар 1222 может быть предпочтительно выполнен из материала относительно низкой плотности и/или быть полым, чтобы иметь высокую чувствительность к изменениям воздействующих на него сил. Клапан 1212 снабжен ограничителем 1224, предназначенным для ограничения перемещения шара 1222 от седла 1220 клапана. Ограничитель 1224 может иметь любой вид, подходящий для ограничения перемещения шара 1222 от седла 1220 клапана, дающий возможность относительно свободного прохождения текучих сред мимо шара в направлении нижней части цилиндра и способный противостоять давлению и температурам, возникающим при работе двигателя 1210 внутреннего сгорания. Ограничитель 1224 может быть, например, аналогичен ограничителю, описанному со ссылкой на фиг.2. Клапан 1212 может включать смещающее приспособление (не показано), прижимающее шар в положение контакта с седлом 1220 клапана. Смещающее приспособление может, например, содержать пружину сжатия, расположенную между шаром 1222 и ограничителем 1224. В качестве альтернативы изображенному на фиг.25 клапану одностороннего действия, работающему от давления, клапан 1212 может содержать приводимый в действие электрически клапан, открывающийся и закрывающийся по сигналам, например, с блока 728 управления. В закрытом состоянии клапан 1220 разделяет цилиндр на первую часть, или дополнительную камеру 1226, и вторую часть, или дополнительную камеру 1228. В раздвоенном канале, связывающем цилиндр 712 с первым конденсатором 800 выхлопной системы 736, установлены два выходных клапана 1214, 1216. Стоящий выше по потоку выхлопной клапан 1214 введен в ответвление 1230 трубопровода, сообщающееся с первой дополнительной камерой 1226, и стоящий ниже по потоку выходной клапан 1216 введен в ответвление 1232 трубопровода, сообщающееся со второй дополнительной камерой 1228.
Свеча 1218 зажигания расположена в верхней части цилиндра 712 вблизи топливного инжектора 726, так что она может выдавать искру в первую дополнительную камеру.
При работе перед инициализацией горения шар 1222 помещается в ограничителе, который может быть седлом 1224 клапана, так что первая дополнительная камера 1226 изолирована от второй дополнительной камеры 1228. На этой стадии первая дополнительная камера 1226 заполнена сжатым воздухом, то есть первой массой 1022 текучей среды, и вторая дополнительная камера 1228 заполнена водой до уровня, определяемого датчиком 1062 уровня. Топливный инжектор 726 действует под управлением блока 728 управления, впрыскивая топливо в первую дополнительную камеру 1226, в которой топливо смешивается с воздухом, то есть первая масса 1022 текучей среды превращается с горючую смесь. Через заданный интервал времени после открывания топливного инжектора 726 блок 728 выдает на свечу 1218 зажигания сигнал разрядки в горючую смесь, инициализируя процесс горения. При поджиге смеси происходит быстрое увеличение давления в первой дополнительной камере 1226, приводящее к тому, что шар 1222 перемещается от седла 1220 клапана, давая возможность горячим, быстро расширяющимся газообразным продуктам 1236 горения проходить во вторую дополнительную камеру 1228, создавая волну давления, вытесняющую воду, составляющую вторую массу 1024 текучей среды, и тем самым создавая выходную энергию двигателя в виде потока воды с накопленной в нем энергией, как это было описано ранее.
Обращаясь к фиг.26, можно видеть, что процесс выхлопа начинается с подачи блоком 728 управления сигналов на открывание выходных клапанов 1214, 1216, что дает возможность вытеснить газообразные продукты горения из первой и второй дополнительных камер 1226, 1228 потоком воды, поступающей из второго резервуара и образующей вторую массу 1024 текучей среды. Газообразные продукты горения поступают из второй дополнительной камеры 1228 через ответвление 1232 трубопровода в первый конденсатор 800 выхлопной системы 736. Повышение уровня воды в цилиндре 712, вызванное притоком воды, а также смещающее усилие от смещающего приспособления, если оно установлено, вызывает, приводят к перемещению шара в контакт с седлом 1224 клапана, так что первая дополнительная камера оказывается снова изолированной от второй дополнительной камеры 1228.
В соответствии с фиг.27, когда поступающая вода, образующая вторую массу 1024 текучей среды, достигает заданного уровня, что отмечается сигналами с датчика 1062 уровня, блок 728 управления выдает сигнал на закрывание нижнего выходного клапана 1216. При по-прежнему открытом верхнем выхлопном клапане 1214 газообразные продукты горения из первой дополнительной камеры 1226 все еще могут поступать по ответвлению 1230 трубопровода в первый конденсатор 800 выхлопной системы 736. В тот же момент времени или слегка позже закрывания нижнего выхлопного клапана 1214 блок 728 управления выдает сигнал на открывание воздухозаборного клапана 724, открывая поступление сжатого воздуха от компрессора 1060 наддува в первую дополнительную камеру 1226. Поступающий воздух вытесняет оставшиеся газообразные продукты горения из первой дополнительной камеры 1226 через верхний выхлопной клапан 1214 в выхлопную систему. Вскоре после открывания воздухозаборного клапана 724 блок 728 управления выдает сигнал на закрывание верхнего выхлопного клапана 1214, и заполнение первой дополнительной камеры 1226 воздухом, образующим первую массу 1022 текучей среды, заканчивается при достижении давлением заданного уровня, регистрируемого по сигналам датчика 744. На этой стадии цилиндр 712 готов к принятию топлива через топливный инжектор 726.
Должно быть понятно, что наличие клапана 1212, разделяющего первую дополнительную камеру 1226 от второй дополнительной камеры 1228, дает возможность работы свечи 1218 зажигания в относительно сухом окружении, что снижает вероятность возникновения пропусков зажигания. Понятно также, что, так как введено средство инициализации горения, для двигателя 1210 внутреннего сгорания не требуется наличия компрессора наддува, хотя подразумевается, что компрессор 1060 наддува все же будет использоваться для улучшения параметров двигателя. Понятно также, что, хотя показана только одна свеча 1218 зажигания, могут быть введены дополнительные свечи зажигания для улучшения процесса горения.
Так как двигатели внутреннего сгорания, представленные в описанных вариантах выполнения, не имеют поршней или роторов, нуждающихся в уплотнениях относительно стенок камеры сгорания, нет необходимости в том, чтобы эти стенки имели гладкую поверхность. Соответственно, поверхности могут быть выполнены шероховатыми, чтобы уменьшить взаимодействие между быстро движущимися текучими средами и этими поверхностями. Придание шероховатости поверхности может быть выполнено любым известным образом. Одна из возможностей состоит в том, чтобы выполнить стенки камеры сгорания с ребристыми поверхностями типа "акульей кожи". Как видно на фиг.28, поверхность 1300, которой придан вид под "акулью кожу", может включать группу зубовидных пластин 1302, выполненных с ребрами 1304. В представленном варианте выполнения ребра 1304 в основном ориентированы, и поверхность выполнена так, что ребра проходят в общем направлении, совпадающем с направлением потока текучих сред. Для вариантов выполнения, показанных на фигурах 1-27, ребра 1304 должны быть ориентированы так, чтобы следовать спиральному каналу прохождения потока, сформированному спиральными каналами 164, 864. Альтернативно ребра 1304 должны быть расположены так, чтобы ребра на соседних пластинах 1302 шли в разных направлениях. Это может иметь преимущество сточки зрения разрушения граничного слоя и улучшения прохождения потока текучей среды в цилиндре.
На фиг.29 представлено средство 1400 удержания текучей среды, которое может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, имеющих такую конструкцию, как изображенная на фигурах 1-24. В соответствии с фиг.4 средство 1400 удержания текучей среды предназначено для того, чтобы быть введенным между корпусной частью 150 и полусферической головкой 154 цилиндра. Средство 1400 удержания текучей среды включает кольцевой крепежный элемент 1402, снабженный равномерно расположенными по окружности сквозными отверстиями 1404, предназначенными для введения в них крепежных элементов, таких как болты 158, которые используются для соединения полусферической головки 154 цилиндра с корпусной частью 150. В кольцевом крепежном элементе 1402 помещена удерживающая текучую среду часть 1406. Удерживающая текучую среду часть 1406 включает группу удерживающих текучую среду элементов 1408, взаимосвязанных опорными элементами 1410. В представленном варианте выполнения опорные элементы 1410 имеют сетчатую структуру, хотя может быть использована любая другая подходящая конструкция опорных элементов. Элементы 1408 удержания текучей среды имеют конструкцию типа мелкой тарелки или чаши для удержания текучей среды.
Практически, текучая среда на водной основе, вводимая в цилиндр 12, 712 остается в элементах 1408 удержания текучей среды, закрепленных крепежными элементами 1402 так, что он находится у входной граничной области цилиндра, где перед возгоранием находится горючая смесь. При воспламенении горючей смеси небольшие скопления текучей среды на водной основе, задержанные элементами 1408 удержания текучей среды, оказываются в окружении газообразных продуктов горения и подвергаются полному воздействию теплоты горения. Конструкция удерживающей текучую среду части 1406 такова, что она поглощает очень мало теплоты горения, и вместилища текучей среды имеют такой размер, что объем текучей среды на водной основе не оказывает сколь-нибудь значительного охлаждающего эффекта. Наоборот, на скопления текучей среды на водной основе воздействует вся теплота горения, и текучая среда легко может вступить в процесс реформинга в присутствии водяного пара и/или диссоциировать.
Понятно, что средство удержания текучей среды может иметь разный вид, который не ограничен конструкцией, изображенной на фиг.29. Например, средство удержания текучей среды может быть в общем плоским и/или образовывать группу относительно небольших карманов для удержания текучей среды. На в общем плоскую поверхность могут быть нанесены элементы удержания текучей среды, например микрораковины.
В представленном варианте выполнения элементы 1408 удержания текучей среды расположены в одной плоскости. Альтернативно, крепежные элементы могут быть расположены так, чтобы располагать элементы удержания текучей среды в разных плоскостях. Это дает возможность иметь большую плотность расположения элементов удержания текучей среды в зоне горения, хотя при этом не препятствует свободному течению горючей смеси и газообразных продуктов горения в цилиндре. Альтернативно, в некоторых вариантах выполнения может быть использовано несколько средств 1400 удержания текучей среды, образующих поверхности удержания текучей среды, расположенные в разных плоскостях.
Должно быть понятно, что расположение средства (средств) удержания текучей среды должно максимально увеличивать площадь удержания текучей среды при одновременной минимизации количества теплоты, поглощаемой этими средствами, и сопротивления потоку и/или перемешиванию горючей смеси, при ее поступлении, и/или выводу газообразных продуктов горения в процессе выхлопа, и/или расширению газообразных продуктов горения горючей смеси.
Должно быть понятно, что дополнительные преимущества могут быть получены благодаря приданию шероховатости внутренним стенкам цилиндра вблизи зоны горения, так чтобы задерживать скопления текучей среды на водной основе, который будет подвергаться воздействию теплоты горения и образовывать водяной пар, необходимый для процесса реформинга в присутствии водяного пара и/или диссоциации.
Должно быть понятно, что наличие средства (средств) удержания текучей среды в цилиндре дает возможность сохранения небольших объемов текучей среды на водной основе, распределенных в мелких емкостях или в виде пленок вблизи зоны горения и подвергающихся воздействию всей теплоты горения. Глубина объемов текучей среды на водной основе должна быть относительно мала, и они должны быть распределены по всей зоне горения, чтобы максимально увеличить вероятность того, что возникнет процесс реформинга в присутствии водяного пара или диссоциация. Текучая среда на водной основе может быть введена в цилиндр до начала процессов сжатия и/или горения. Текучая среда на водной основе предварительно подогревается, например, любым из способов, проиллюстрированных в приведенных вариантах выполнения. Однако, если подача текучей среды на водной основе происходит до процесса горения, текучая среда может быть нагрета теплотой сжатия в процессе компрессии топливовоздушной смеси в цилиндре.
В некоторых вариантах выполнения текучая среда, которую нужно сохранить средством 1400 удержания текучей среды, вводится через вводный клапанный узел, представляющий собой паровой регулирующий клапан 136, показанный на фиг.1. Альтернативно средство 1400 удержания текучей среды может быть расположено так, и/или двигатель внутреннего сгорания может работать таким образом, что до начала горения средство удержания текучей среды по меньшей мере частично погружается в рабочую текучую среду. Когда возникнет горение, жидкость будет сохранена средством удержания текучей среды для поддержания процессов реформинга в присутствии водяного пара или диссоциации. В этом случае водородосодержащее соединение, из которого должен быт получен водород, может входить в состав жидкости и может быть, например, антифризной добавкой, такой как этанол. Должно быть понятно, что содержание антифриза в жидкости может быть легко проконтролировано известными измерительными приборами, и введен резервуар, из которого содержание антифриза может быть увеличено для поддержания необходимой концентрации.
В предшествующем описании блоки управления не были сколько нибудь подробно описанными, так как подходящие блоки управления и необходимое соответствующее вспомогательное оборудование представляют собой компоненты, хорошо известные специалистам в данной области техники. Обращаясь к фиг.30, можно видеть, что соответствующий блок 728 управления может включать один или более процессор 1600 и компоненты 1602 предварительной обработки сигнала, например усиления сигналов и преобразования аналоговых сигналов в цифровые и цифровых сигналов в аналоговые, что позволяет блоку управления воспринимать и использовать сигналы датчиков и выдавать пригодные для принятия сигналы на клапаны и другие компоненты, регулируемые блоком управления. Блок 728 управления может дополнительно содержать одно или более запоминающее устройство 1604 с произвольной выборкой (RAM) для хранения данных, полученных при работе двигателя внутреннего сгорания, и схему 1606, используемую для дискретизации сигналов, поступающих с одного или более датчиков, чтобы получить входные сигналы, пригодные для восприятия процессором. Блок 728 может дополнительно включать один или более компоненты хранения данных в виде постоянной памяти 1606, которая может быть постоянным запоминающим устройством (ROM), в котором постоянно хранятся один или более фрагменты 1608 управляющего программного обеспечения. Конечно в некоторых приложениях требуется наличие постоянной памяти. Например, блок управления может быть связан с ведущим компьютером, в котором хранятся алгоритмы управления, и который загружает их в RAM блока управления в начале его работы. Другой альтернативой может быть работа блока управления по командам ведущего блока управления или компьютера. Еще одной альтернативой управления может быть введение одной или более схем аппаратного регулирования.
Двигатель внутреннего сгорания, выполненный по описанным вариантам, снабжен коническим основанием, коаксиально расположенным в цилиндре двигателя. Коаксиальное основание установлено так, что площадь поперечного сечения пространства, сформированного между коническим основанием и стенкой цилиндра не возрастает и не уменьшается в направлении вниз по потоку в цилиндре. Изменяющая поток структура в виде спиральной стенки, закрепленной на коническом основании, действует совместно с коническим основанием и стенкой цилиндра, образуя спиральный канал, так что выходящая из двигателя жидкость вытесняется по спирали в направлении к выходному клапанному узлу. Созданное спиральное движение улучшает параметры потока воды в направлении к выходному клапанному узлу, снижая потери на торможение, а регулирование площади поперечного сечения канала прохождения потока по меньшей мере уменьшает проблему кавитации жидкости, влекущую за собой нежелательное включение газов в выходящий поток жидкости. Введение шероховатости поверхностей элементов, как это описано со ссылкой на фиг.28, может дополнительно снизить потери на торможение. Должно быть понятно, что по меньшей мере некоторые из этих преимуществ можно достичь при других конструкциях, обеспечивающих канал прохождения потока, чья площадь поперечного сечения не увеличивается или не уменьшается в направлении вниз по потоку. Кроме того, могут быть предложены другие формы изменяющих поток структур, служащих для придания вращения потоку относительно оси цилиндра. Например, в представленных вариантах выполнения могут быть введены лопасти, ориентированные так, чтобы можно было придать вращение потоку, проходящему между стенкой цилиндра и коническим основанием. Лопасти могут быть закреплены или на стенке цилиндра, или на коническом основании. Еще одной альтернативой может быть введение спиральных ребер на стенке цилиндра, коническом основании или на том и другом.
Должно быть понятно, что в вариантах выполнения показаны практические средства получения водорода в двигателе для увеличения выходной энергии по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания. Наличие рабочего тела в виде водяной массы, а не металлического поршня, создает источник воды, которая может диссоциировать в процессе термического расщепления под воздействием относительно высоких температуры и давления, возникающих в цилиндре при горении. Однако сейчас считается, что диссоциация воды простым сжиганием горючего водородосодержащего соединения в цилиндре не может быть достигнута, или по меньшей мере диссоциация будет возникать только в очень малой степени, приводящей к образованию очень малого количества водорода. Это вызвано, в частности, тем, что только ограниченные количества воды будут нагреваться в степени, достаточной для диссоциации, и, хотя могут быть получены температуры до 3500°С, относительно медленное горение, происходящее при сжигании углеводородных топлив, приведет к рассеиванию тепла.
Считается, что, хотя можно ожидать, что инжекция водяного пара в цилиндр приведет к снижению температуры в цилиндре, могут быть получены преимущества за счет существенно большей площади поверхности воды, подвергающейся воздействию теплоты горения. Кроме того, за счет использования для горения обогащенной топливовоздушной смеси в цилиндре можно достичь избытка топлива водородосодержащего соединения, что делает возможным возникновение реформинга в присутствии водяного пара, который может протекать при температурах, которые существенно ниже, чем температуры, требуемые для диссоциации воды. Это приводит к добавлению водорода в газообразные продукты горения, который сгорает в цилиндре. Относительно быстрое и интенсивное теплообразование, происходящее при горении водорода и дающее меньше времени на рассеивание тепла, и регулирование введения в газообразные продукты горения объема впрыснутого водяного пара предотвращают избыточное охлаждение газообразных продуктов горения и делают возможной диссоциацию воды. Это дает значительный объем добавляемых к газообразным продуктам горения водорода и кислорода, которые сами сгорают, создавая дополнительную выходную энергию двигателя. Сравнение кривых с фиг.13 свидетельствует о трехкратном увеличении получаемой полезной энергии.
Должно быть понятно, что дополнительный импульс, сообщаемый выходящему потоку жидкости энергией, выделенной при горении водорода, полученного в результате процесса реформинга в присутствии водяного пара или диссоциации воды, может дать преимущество, заключающееся в том, что он воздействует на жидкость, уже обладающую некоторым запасом кинетической энергии. То есть энергия, полученная при горении водорода, не тратится на преодоление инерции неподвижного объема воды, а наоборот придает дополнительный импульс жидкости, которая уже находится в движении, так что поток жидкости, выходящей из двигателя, подвергается воздействию следующих друг за другом энергетических толчков, а не единичного подвода энергии.
Должно быть понятно, что выходную энергию в представленных вариантах выполнения несет текучую среду с накопленной в ней энергией, и что двигатели не имею поршня или ротора, связанного с выходным валом для вывода энергии, выработанной при горении. Текучая среда с накопленной в ней энергией переносит энергию, сообщенную ей в виде давления и скорости (и некоторого количества тепла), при вытеснении из камеры, в которой она подвергается воздействию давления, создающегося в процессе горения. При использовании для накопления работающего под давлением резервуара (резервуаров) текучая среда с накопленной в ней энергией сохраняет эту энергию за счет сжатия газа, содержащегося в резервуаре. При высвобождении из накопительной емкости некоторое количество энергии, сохраненной в виде избыточного давления, преобразуется в кинетическую энергию, приведением в движение, например, лопастного рабочего колеса, поршня или насоса.
Должно быть понятно, что, так как в представленных вариантах выполнения выходная энергия, поступающая из цилиндра (цилиндров), передается в виде выходного потока жидкости, движимого расширяющимися газообразными продуктами горения, перемещающиеся возвратно-поступательно или вращающиеся механические компоненты, несущие выходную энергию (например, поршни, связанные с коленчатым валом), которые применяются в обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания, не нужны. Это дает конструктору двигателя большую свободу при выборе конфигурации двигателя под требуемую выходную энергию. Например, так как проблемы балансировки двигателя, возникающие при наличии движущихся с высокой скоростью возвратно-поступательно и вращательно элементов передачи энергии, не существуют для двигателя внутреннего сгорания, представленного в приведенных вариантах выполнения, было установлено, что компоновка двигателя внутреннего сгорания с нечетным числом цилиндров (например, с тремя, пятью или семью) перестает быть более проблематичной, чем для четного числа цилиндров.
Так как выходную энергию легко сохранить в выходном накопительном устройстве в виде находящейся под давлением текучей среды, могут быть достигнуты описанные далее преимущества, хотя они не очень значительны. Исключительно для простоты изложения выходное накопительное устройство (устройства) далее названо (названы) резервуаром (резервуарами). Нужно понимать, что выходное накопительное устройство может быть любого пригодного вида и не ограничено представленным резервуаром (резервуарами), приведенными только в качестве примера.
В представленных резервуарах выходящая из цилиндра жидкость проходит через область резервуара, содержащую газ, чтобы достичь области накопления жидкости, в которой сохраняется выходная жидкость, поступающая из камеры сгорания. Накопленная жидкость сжимает газ. То есть давление газа меняется в зависимости от объема накопленной жидкости. Введение жидкости в камеру через область, остающуюся свободной от накопленной жидкости, снижает внутренний импеданс (сопротивление поступлению потока жидкости), снижая тем самым энергетические потери и улучшая коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. При открывании резервуара для выпуска накопленной жидкости она движется из резервуара за счет давления газа.
В представленных вариантах выполнения резервуары, воспринимающие выходной поток, расположены ниже цилиндров, из которых этот поток поступает, и вход жидкости находится вверху резервуара. Соответственно, в силу гравитации газ всегда будет находиться вверху резервуара, и жидкость, поступающая в резервуар, проходить через газ. Должно быть понятно, что нахождение входа вверху резервуара не является существенным. Вход может быть расположен в любом месте ниже верха резервуара, но выше намеченной максимальной высоты накопленной жидкости, или может принимать вид канала, входящего в резервуар в области, по меньшей мере потенциально занимаемой накопленной жидкостью, и имеющего выходной край, расположенный выше намеченной максимальной высоты жидкости.
Для обеспечения того, чтобы при нормальных рабочих условиях жидкость поступала в резервуар через газ, а не через накопленную жидкость, работа камеры или камер, выходящих в резервуар, регулируется таким образом, чтобы гарантировать то, что объем жидкости, накопленной в резервуаре, не превысит заданный уровень или высоту. В представленном варианте выполнения в блоке управления могут использоваться сигналы с датчика, регистрирующего давление в резервуаре. Альтернативно или дополнительно может быть использован датчик, измеряющий объем накопленной жидкости. Например, может быть использован соответствующий переключатель, составляющий часть электрической цепи, который замыкается при достижении жидкостью заданного уровня. Альтернативно могут быть использованы оптический датчик или поплавковый переключатель. Еще одной альтернативой может быть наличие двух датчиков, используемых во взаимодействии. Первый из датчиков должен быть расположен в месте, которое по расчетам должно быть постоянно занято накопленной жидкостью, и должен выдавать опорный сигнал. Второй из двух датчиков должен быть расположен на уровне, выбранном как максимальный уровень, выше которого резервуар не должен заполняться. При работе, если уровень накопленной жидкости остается ниже максимального уровня, сигнал со второго датчика должен отличаться от опорного сигнала. Как только уровень накопленной жидкости достигает максимального уровня, сигнал должен измениться и стать равным опорному сигналу.
Может быть желательным ввести в резервуар (резервуары) двигателя перегородки или что-то аналогичное, что должно при работе перемещаться, так как положение двигателя соответствует положению автомобиля, для обеспечения того, чтобы область поступления жидкости оставалась в основном свободной от жидкости в случае, если двигатель работает в положении под углом к горизонтали. В некоторых приложениях может быть желательным, чтобы перегородки или что-то аналогичное были подвижными так, чтобы обладать способностью приспосабливаться к разным положениям двигателя.
Резервуар (резервуары), воспринимающий выходной поток жидкости из цилиндра или цилиндров, может представлять собой двухсекционный резервуар (резервуары), включающий резервуар, содержащий жидкость, и резервуар, содержащий газ и соединенный с резервуаром, содержащим жидкость, каналом, расположенным так, чтобы газ, находящийся в резервуаре, содержащем газ, расширялся и сжимался при изменении уровня в резервуаре, содержащем жидкость. Для предотвращения заполнения резервуара, содержащего газ, резервуары могут быть установлены на разных высотах, так чтобы жидкость должна была протекать вверх от резервуара, содержащего жидкость, к резервуару, содержащему газ. При таком расположении жидкость должна предпочтительно поступать в выходное устройство накопления через резервуар, содержащий газ, хотя может быть сделано так, чтобы она поступала через соответствующим образом сохраняемую, содержащую газ область резервуара, содержащего жидкость.
Как упомянуто выше, резервуары, воспринимающие рабочую текучую среду, содержат газовые полости. Установлено, что газ должен иметь низкое содержание кислорода для снижения риска возникновения детонации в резервуаре. Таким газом может быть, например, доступный для приобретения свободный от кислорода азот или даже обедненный кислородом выхлопной газ.
Понятно, что, так как выходная энергия двигателя может сохраняться в резервуаре (резервуарах), так чтобы предоставляться по требованию, нет необходимости в использовании двигателя внутреннего сгорания с маховиком, что дает существенную экономию веса.
Так как выходная энергия двигателя может быть накоплена в виде текучей среды под давлением в одном или более накопительном резервуаре, должна быть возможной такая работа двигателя, при которой камеры сгорания повторяют циклы работы с относительно низкой частотой, например, 20 циклов в минуту. По сравнению с обычным поршневым двигателем внутреннего сгорания это должно сделать возможным улучшенное регулирование различных процессов, проходящих в течение каждого цикла работы цилиндра. Кроме того, так как клапаны, используемые для регулирования потока текучей среды в камеру сгорания и из нее, могут работать независимо друг от друга под управлением блока управления, может отсутствовать необходимость в приведении времен длительности отдельных операций к одинаковому значению, как это требуется в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Для многоцилиндрового двигателя работа соответствующих камер сгорания не нуждается в синхронизации в такой степени, как для обычного двигателя, что должно сделать двигатель более гибким и легким в управлении.
Понятно, что, так как выходная энергия двигателя внутреннего сгорания накоплена в одном или более резервуарах, она доступна по запросу практически мгновенно. Соответственно возможно быстрое трогание с места за счет простого открывания клапанного узла, связывающего резервуар (резервуары), в которых накоплена энергия, с приводным узлом (узлами). Энергия, использованная для этого ускорения, затем возобновляется при движении автомобиля.
Другое преимущество накопления выходной энергии в резервуаре состоит в том, что, если давление в резервуаре находится на заданном уровне, и отсутствует значительная нагрузка на двигатель (например, если автомобиль остановился в транспортном потоке), нет необходимости в работе двигателя, и его можно фактически выключить до времени, когда давление упадет ниже определенного уровня или уровня, на заданную величину ниже его. Должно быть понятно, что в аналогичной ситуации в многоцилиндровом двигателе некоторые или все цилиндры могут быть выведены из работы до тех пор, пока не возникнет необходимости восстановить давление текучей среды в первом резервуаре.
Аналогично рассмотрение для случая, если автомобиль движется, и его кинетическая энергия такова, что уменьшаются входные запросы по управлению. Для двигателя, который может быть по желанию выключен в этом случае, хотя при этом сохраняется энергия, доступная по требованию, имеется возможность обеспечить значительную экономию топлива в особенности для автомобилей, используемых главным образом в старт/стопном режиме, что происходит в городских условиях.
Должно быть также понятно, что, так как каждый рабочий цикл цилиндра (цилиндров) двигателя включает подачу в цилиндр некоторого объема относительно более холодной жидкости под давлением, и происходит более полное использование теплоты горения для получения полезной выходной работы, необходимость в охлаждении двигателя может быть существенно уменьшена по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания. Установлено, что это дает большую свободу разработчиками в выборе материалов для изготовления блока двигателя. Установлено, что, кроме того, это дает большие конструкторские возможности для использования более тонких стенок, из-за чего потери на тепловую инерцию перестают быть проблемой. Это дает возможность сделать двигатель легче, чем обычный двигатель. Это также делает возможным изготовление конструкции, формирующей камеру сгорания, из технической пластмассы и применение при изготовлении технологий литья пластика, дающих потенциальное снижение стоимости. Однако нужно отметить, что может оказаться необходимой внутренняя облицовка камеры сгорания относительно твердым материалом, чтобы избежать проблем с образованием кавитационных пор, созданных движением из двигателя высокоскоростного выходного потока жидкости под высоким давлением. Стенки камеры сгорания, подвергающиеся воздействию движущейся жидкости, могут быть, например, защищены керамической облицовкой или выполнены из нержавеющей стали или другого аналогичного материала. Было установлено, что при использовании технических пластмасс поверхностям, подвергающимся воздействию газообразных продуктов горения, лучше быть шероховатыми и/или покрытыми небольшими углублениями, зазубринами, кавернами или подобными дефектами, чтобы создать условия для задержки воды, защищающей пластические материалы от теплоты горения. Шероховатости на поверхности могут иметь, например, такой же или аналогичный вид, как показанный на фиг.28.
Как упомянуто выше, в процессах, действующих в представленных вариантах выполнения, теплота, которая теряется в обычном двигателе внутреннего сгорания, становится полезной для получения дополнительной выходной энергии и/или выработки дополнительного топлива в виде водорода. Установлено, что цилиндр и резервуары, воспринимающие выходной поток жидкости, нужно выполнять из материалов, имеющих низкую теплопроводность, и/или изолировать для сведения к минимуму термических потерь в окружающую атмосферу. В частности, должны быть изолированы резервуары для поддержания температуры сжатого газа, который в них содержится. Один из рассмотренных вариантов заключатся в снабжении цилиндра (цилиндров) и резервуаров вакуумной рубашкой. В вариантах выполнения, в которых имеется выхлопная система, вырабатывающая вакуум, вакуумная рубашка может быть связана с частью выхлопной системы, в которой должен сохраняться вакуум, трубопроводом, снабженным клапаном одностороннего действия, так что, если давление в изолирующей рубашке возрастает выше вакуума, существующего в выхлопной системе, клапан одностороннего действия открывается, чтобы его восстановить. В некоторых вариантах выполнения может быть желательным соединить изолирующую рубашку (рубашки) с вакуумным резервуаром, а не непосредственно с выхлопной системой.
Сочетание снижения веса, ставшего возможным благодаря отсутствию компонентов из тяжелого металла, таких как коленчатый вал и маховик, и/или более легкой конструкции двигателя, получившейся в результате охлаждающего эффекта, возникающего при введении относительно более холодной рабочей текучей среды в начале каждого цикла горения, дает возможность сконструировать двигатель внутреннего сгорания, который существенно легче обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания, имеющего такую же выходную энергию. Хотя такая экономия веса может быть не существенной в случаях, когда двигатель используется стационарно, она может дать значительные преимущества в отношении выходной энергии, если двигатель используется в автомобилях и других применениях, в которых он при использовании перемещается. Должно быть понятно, что в таких случаях любое снижение веса должно считаться преимуществом, так как часть выходной энергии двигателя неизбежно должна быть использована на придание ускорения и перемещение самого двигателя.
Нужно понимать, что отсутствие сложных механизмов, содержащих движущиеся детали, требующие прецизионного изготовления, должно снижать стоимость производства. В приложении к автомобилям дополнительная экономия может быть достигнута в отношении стоимости и веса, так как отпадает необходимость в механизме сцепления, маховике, коробке передач или дифференциале.
В представленных вариантах выполнения вторая масса текучей среды включает воду или по меньшей мере преимущественно воду. Должно быть понятно, что, если вторая масса текучей среды представляет собой преимущественно воду, для некоторых окружающих условий необходимо вводить добавки, предотвращающие замерзание воды в неработающем двигателе. В вариантах выполнения, в которых первая масса текучей среды вступает в непосредственный контакт со второй массой текучей среды, некоторая часть топлива будет поглощаться второй массой текучей среды, и, если так, то, когда используется топливо на основе спирта, такого как этанол, будет происходить постоянная "антифризная добавка". Кроме того, понятно, что может быть желательным вводить соответствующие добавки в воду для увеличения эффективности тепловых процессов и/или подавления коррозии. Установлено, что, если вторая масса текучей среды содержит воду, то лучше использовать дистиллированную воду.
Кроме того, установлено, что в некоторых вариантах выполнения может быть желательным для образования второй массы текучей среды, или рабочей текучей среды, использовать жидкость, отличную от воды.
Были описаны варианты выполнения, в которых в качестве возбудителя горения используются одна или более свечи зажигания. Должно быть понятно, что могут быть использованы другие возбудители горения. Например, вместо свечи зажигания может быть использована свеча зажигания или нагреваемый провод. Другой альтернативой может быть установка в камере сгорания металлического объекта, например металлической сетки, возле которой должно инициироваться горение, и введение микроволнового источника, ориентированного на металлический объект.
В частности, для вариантов выполнения, представляющих собой двигатели с компрессионным воспламенением, может быть желательным введение цилиндра (цилиндров) с соответствующей камерой сгорания (не показана), открывающейся в основное пространство цилиндра, в которую впрыскивается топливо. Такая камера может быть выполнена так, чтобы создавать завихрение в сжатой первой массе те куче и среды, что способствует смешиванию первой массы текучей среды с поступающим топливом, так чтобы увеличить эффективность процесса горения.
Должно быть понятно, что, хотя во многих применениях может быть удобным использовать датчик температуры, такой как термопара или оптический температурный датчик, для регистрации изменения давления в местоположениях, где это давление нужно отслеживать, вместо них может использоваться датчик давления или другой датчик, способный выдавать сигналы регистрации давления в цилиндре. Такие датчики включают волоконнооптические датчики.
Должно быть понятно, что в приложении к автомобилям и другим видам транспортировки выходная энергия двигателя может быть использована для приведения в действие электрогенератора, подающего электроэнергию к одному или более электродвигателям, приводящим в действие колеса или другие компоненты транспортного средства. В приложениях к тем видам транспорта, который перемещается на колесах, вместо использования выходной энергии для вращения выходного вала, соединенного с приводными колесами, приводные колеса могут быть снабжены турбиной или другим подобным устройством, воспринимающим выходную энергию от двигателя в виде рабочей текучей среды.
Должно быть понятно, что приведенные варианты выполнения изображены схематично и поэтому не отражают действительную конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В общем имеется ввиду, что трубопроводные системы, по которым потоки вторичной текучей среды с заключенной в нем энергией движутся от цилиндра (цилиндров) и в обратном направлении, насколько это возможно, выполнены из прямых или слегка изогнутых труб, чтобы минимизировать энергетические потери, вызванные сопротивлением потоку.
Для простоты изложения в представленных вариантах выполнения цилиндр (цилиндры) двигателя описаны как имеющие по одному клапану и одному датчику для выработки сигналов, отражающих значение давления в каждом местоположении, в котором требуется измерение давления. Должно быть понятно, что для обеспечения заданного значения параметров и защиты от отказа одного датчика или одного клапана, могут быть использованы несколько клапанов и/или датчиков. Поэтому могут присутствовать сдвоенные воздухозаборные клапаны и/или сдвоенные выхлопные клапаны, или несколько датчиков.
Должно быть понятно, что в представленных вариантах выполнения раскладка по времени тактов горения не так критична, как для обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Например, если из-за изменения октанового числа топлива происходит преждевременное воспламенение, быстрое увеличение давления в цилиндре (цилиндрах) двигателя вследствие горения все же приведет к открыванию выходного клапанного узла, давая возможность вытеснить выходной поток жидкости из цилиндра (цилиндров) в первый резервуар таким же образом, как происходит при нормальных тактах горения. Поэтому устраняются, или по меньшей мере становятся более редкими, повреждения компонентов двигателя и потери энергии, которые обычно происходят при преждевременном воспламенении в обычных поршневых двигателях. Это делает представленные двигатели особенно пригодными для использования топлив, которые не обладают таким же постоянством качества, как обычно используемые топлива на основе бензина, и делает эти двигатели особенно пригодными для использования топлив на основе спирта, такого как этанол, которые могут получаться из возобновляемых источников.
Должно быть понятно, что в представленных вариантах выполнения поступающая из цилиндра жидкость используется повторно в практически замкнутом контуре. Однако существуют потери на испарение, утечку и неполную конденсацию водяных паров из выхлопных газов. Поэтому предусматривается, что может быть введен небольшой резервуар, из которого может быть произведена добавка. Для выполнения добавки могут быть введены различные механизмы. Например, может быть измерен уровень в первом резервуаре при запуске, и, если обнаружено, что уровень не достаточен, из резервуара может быть произведена добавка. Альтернативно добавка может производиться путем периодического впрыскивания в цилиндр (цилиндры) из резервуара 114.
В представленных вариантах выполнения топливо впрыскивается непосредственно в первую массу текучей среды, которая в этих вариантах представляет собой, в основном, сжатый воздух. Это не существенно. Вместо этого топливо может дозировано вводиться в воздушный поток выше по его направлению цилиндра и поступать в цилиндр уже смешанным с воздухом.
В описанных вариантах выполнения различные клапаны, связанные с двигателем внутреннего сгорания, представлены как нормально закрытые клапаны, приводимые в действие соленоидом. Должно быть понятно, что вместо одного или более описанных клапанов, приводимых в действие соленоидом, могут быть использованы другие типы электрически приводимых в действие клапанов. Понятно также, что клапаны могут быть приводимыми в действие гидравлически или пневматически.
В представленных вариантах выполнения выходной клапанный узел, стоящий на выходе цилиндра (цилиндров), содержит клапан одностороннего действия, реагирующий на воздействующий на него баланс давления. Это не существенно. Вместо этого может быть использован, например, электрически возбуждаемый клапан, такой как соленоидный клапан. Увеличение давления, следующее за тактом горения, может быть настолько значительным, что может быть легко зарегистрирован, например, температурным датчиком, таким как датчик 44 с фиг.1, что дает возможность подать на соленоидный клапан сигнал на открывание и выпустить текучую среду с накопленной в ней энергией в резервуар. В двигателе внутреннего сгорания, в котором такт горения вызывается действием пускового устройства, такого как свеча зажигания, открывание электрически приводимого в действие выходного клапана может быть задержано во времени относительно срабатывания пускового устройства.
Многие из процессов, действующих в представленных вариантах выполнения, описаны как возбуждаемые в ответ на зарегистрированную температуру/давление в соответствующих компонентах двигателях. Это может быть желательным, когда от двигателя требуется эффективная работа несмотря на изменение окружающих условий и нагрузки. Однако многие из управляющих воздействий могут быть инициированы в заданные временные интервалы. Управляющие воздействия, основанные на сдвинутых во времени интервалах, потенциально проще и могут быть использованы в стационарных двигателях (которые могут находиться в помещении) и/или двигателях, на которые не воздействуют значительные изменения нагрузки или по меньшей мере воздействует не быстро изменяющаяся нагрузка.
В описанных вариантах выполнения процессы регулирования в двигателе описаны как построенные на текущих величинах сигналов или показаниях. Должно быть понятно, что могут быть использованы многочисленные другие стратегии регулирования. Например, регулирование одного или более процессов может быть построено на одном или более принятых ранее сигналах и показаниях, а также данных, полученных обработкой таких сигналов и показаний.
Должно быть понятно, что введение спирального канала прохождения выходного потока из цилиндра, как это показано в вариантах выполнения, не существенно. Цилиндр (цилиндры) двигателя внутреннего сгорания может представлять собой пустой объем, так что выходящая текучая среда может просто перемещаться по прямой в направлении к выходу под воздействием расширяющихся газообразных продуктов горения.
Должно быть понятно, что в некоторых вариантах выполнения может быть желательным наличие свободно плавающего разделительного элемента между газообразными продуктами горения и рабочей текучей средой (жидкостью). Предусматривается, что такой разделительный элемент, выполненный из любого подходящего материала и свободно возвратно-поступательно перемещающийся в цилиндре при изменениях соответствующего давления, воздействующего на него, будет способствовать равномерной передаче энергии от газообразных продуктов горения жидкости по существу по всему диаметру цилиндра. Наличие такого разделительного элемента может быть также желательным для ограничения загрязнения жидкости топливом и/или продуктами горения первой массы текучей среды. Должно быть понятно, что разделительный элемент может быть совершенно свободен в движении, и нет необходимости вводить уплотнение между разделительным элементом и стенкой цилиндра, так как, фактически, уплотнение обеспечивается самой жидкостью.
Должно быть понятно, что производители двигателя могут поставлять его уже заполненной рабочей текучей средой (жидкостью), или рабочую текучую среду может добавлять позже производитель автомобиля, или в неавтомобильных приложениях производитель оборудования, с которым поставляется двигатель внутреннего сгорания, или компанией, продающей двигатель или оборудование, в которое он входит, или конечный потребитель.
Модификации двигателя 10 внутреннего сгорания показаны на фигурах 14 и 15, и модификации двигателя 710 внутреннего сгорания описаны со ссылкой на фигуры 23-27. Должно быть понятно, что некоторые или все модификации двигателя 10 внутреннего сгорания подходят к двигателю 710 внутреннего сгорания, и аналогично некоторые или все модификации двигателя 710 внутреннего сгорания подходят к двигателю 10 внутреннего сгорания. Должно быть понятно, что состояние и соотношение текучей среды, показанные на чертежах, приведены только в иллюстративных целях и не обязательно отражают то, что имеет место в работающем двигателе. Должно быть понятно, что ориентация двигателей внутреннего сгорания, показанная на чертежах, и введение в описании понятий "выше" и "ниже" использованы только в качестве примера и для простоты понимания, а не являются ограничительными признаками. Например, показанная на фигурах 1 и 17 камера сгорания может быть расположена в не вертикальном положении и даже горизонтально. Этого можно достичь путем компоновки камеры сгорания с двумя раздельными областями, сообщающимися по потку друг с другом, но расположенными так, что топливовоздушная смесь может быть сожжена без загрязнения текучей средой, которой должна быть передана энергия, и волна давления, созданная горением, воздействует на текучую среду, передавая ей энергию.
Должно быть понятно, что, хотя двигатель внутреннего сгорания, выполненный в соответствии с представленными вариантами, описан в приложении к автомобилям, использование двигателя этим не ограничено. Двигатель внутреннего сгорания может быть использован, например, в скоростных моторных лодках, установках электрических генераторов, переносных устройствах (например компрессорах), газонокосилках и других орудиях труда.