СПОСОБ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОДОРОДОМ В КАЧЕСТВЕ ГОРЮЧЕГО И С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ КРИОГЕННОЙ КОМПОНЕНТОЙ ВОЗДУХА
OPERATION OF FOUR-STROKE ICE RUNNING OF HYDROGEN WITH PRE-COOLING OF FUEL MIX BY AIR CRYOGENIC COMPONENT

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению, в частности организации процессов цикла и разработки систем подачи топлива (смеси горючего и окислителя) в камеру сгорания.
Целью изобретения является повышение КПД цикла, например, четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с принудительным поджогом топливной смеси в камере сгорания, за счет повышения эффективности составляющих процессов цикла и совершенствования системы подачи водородсодержащего топлива.
Общеизвестно, что максимальная эффективность теплоиспользующего цикла для получения механической энергии может быть получена при реализации цикла Карно и определяется только диапазоном температур между источниками нагрева и охлаждения [1] и чем больше эта разность, тем выше КПД цикла.
Однако техническая реализация теплоиспользующих циклов в устройствах ДВС не позволяет в полной мере использовать потенциал применяемого углеводородного топлива, в котором роль окислителя играет атмосферный воздух.
Так повышение верхней температуры цикла в адиабатных неохлаждаемых ДВС с высокотемпературной камерой сгорания незначительно повышает КПД двигателя, так как возрастает работа сжатия свежей смеси из-за ее более высокой температуры.
Известно техническое решение криогенного двигателя [2] в котором сделана попытка разнести температурные уровни цикла за счет нижнего температурного уровня в сторону криогенных температур. Недостатком этого теплоиспользующего цикла является неполное использование потенциала аккумулированного холода в криогенной жидкости.
В результате термодинамического анализа циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), рассмотренных в [3], с различными способами подвода теплоты (при постоянном объеме, постоянном давлении и смешанном) показано, что главным фактором, влияющим на рост КПД цикла, является степень сжатия в двигателе. Однако применение углеводородного горючего в ДВС не позволяет повысить этот показатель для двигателя с искровым зажиганием выше (6-11) и для двигателя, работающего по циклу Дизеля (15-22).
В первом случае степень сжатия ограничивается в основном детонационной стойкостью легких бензинов, а во втором, более протяженным во времени сжиганием тяжелого дизельного горючего из-за повышенного содержания в нем углерода и частичного (не сгоревшего) его выброса в атмосферу.
Следствием применения углеводородного горючего при реализации рассмотренных циклов ДВС являются значительные потери теплоты сбрасываемой в атмосферу потоком выхлопных газов. Так значения температур выхлопных газов для ДВС с искровым зажиганием находятся в районе 600 К и для ДВС работающего по циклу Дизеля 850 К.
Кроме того, в реальных ДВС работающих на углеводородных топливах имеет место неполное использование теплоты связанное с тепловыми потерями в стенки камеры сгорания и значительным во времени догоранием в процессе расширения продуктов сгорания. Это в свою очередь приводит к дополнительным затратам механической энергии на сжатие свежей порции топливной смеси при более высокой температуре за счет ее нагрева от горячих стенок камеры сгорания.
В результате, эффективный КПД известных, массово применяемых ДВС и работающих по циклу Отто и Дизеля не превышает (33 и 40)%, соответственно.
В предлагаемом способе имеется возможность значительного улучшения факторов, влияющих на эффективный КПД ДВС за счет применения водорода в качестве горючего и применения предварительного охлаждения топливной смеси криогенной компонентой воздуха, включая ее впрыск в камеру сгорания перед процессом сжатия топливной смеси.
Криогенная компонента воздуха представляет собой жидкий воздух, обогащенный азотом или кислородом.
Так применение водорода в качестве горючего позволяет стабильно, в нужный момент цикла и за короткий промежуток времени сжечь весь водород в топливной смеси и четко регулировать его горение в процессе расширении продуктов сгорания.
Кроме того, уникальные свойства водорода как горючего [4] позволяют осуществлять процесс его горения в сверхбедных смесях топлива. Так при использовании воздуха в качестве окислителя минимальная концентрация водорода при стабильной воспламеняемости и горении водорода находится в пределах (4,1-5)%, что резко улучшает экономичность ДВС. Для сравнения, максимальные значения коэффициентов избытка воздуха сверхбедных смесей равны: для бензинового двигателя - 1,25, а для водородного двигателя - 10.
В предлагаемом способе одним из главных факторов повышения эффективного КПД ДВС является предварительное охлаждение подаваемого водорода и газообразного воздуха в двигатель криогенной компонентой воздуха за счет их смешения и подачи полученной холодной смеси в цилиндр двигателя. При этом смешение холодной смеси с газообразным водородом может быть как внешнее, так и внутреннее. Кроме того, криогенная компонента воздуха, подведенная непосредственно в цилиндр двигателя перед процессом сжатия топливной смеси, позволяет приблизить процесс сжатия к изотермическому процессу, что позволяет уменьшить работу ее сжатия.
При таком способе подготовки и подачи топлива (смеси охлажденного воздуха и водорода) наблюдается двойной эффект:
1. Уменьшается работа сжатия топливной смеси в цикле ДВС за счет пониженной температуры рабочей смеси перед началом сжатия и пониженной температуры процесса сжатия. Экономия механической энергии на сжатие рабочего тела представляет собой чистый выигрыш и увеличивает механическую энергию, вырабатываемую двигателем.
2. Появляется возможность резкого повышения одного из главных факторов, влияющих на КПД ДВС, - степени сжатия при бездетонационной работе двигателя. Это достигается тем, что, понижая температуру рабочей смеси перед сжатием в камере сгорания и сдвигая процесс в сторону изотермического, температура самовоспламенения смеси (детонации) будет соответствовать более высокой степени сжатия (или степени повышения давления). Применение этих мероприятий, в зависимости от степени охлаждения топливной смеси криогенной компонентой воздуха и частичного его впрыска непосредственно в цилиндр, позволяет повысить степень сжатия в 10 и более раз.
На Фиг.1. представлена блок схема одного из устройств энергетической установки использующей водород в качестве горючего для транспортного или наземного базирования и состоящей из следующих составляющих:
I - ДВС.
II - Металлогидридная системы хранения и подачи водорода.
III - Системы хранения и подачи криогенной компоненты воздуха.
IY - Устройство смешения и охлаждения топливной смеси.
Y - Устройство управления циклом на верхнем температурном уровне.
Согласно блок-схеме компоненты топливной смеси: водород по трубопроводу 1 из металлогидридной системы II хранения и подачи водорода, криогенная компонента воздуха по трубопроводу 2 из блока III и атмосферный воздух из воздухозаборника 3 поступают в устройство смесителя-охладителя IY, откуда охлажденная газокапельная топливная смесь по трубопроводу 4 поступает в цилиндр двигателя I.
Устройство Y управления циклом на верхнем температурном уровне предназначено для проведения процесса расширения продуктов сгорания приближенного к изотермическому и оптимизации цикла в целом.
Сброс выхлопных газов по окончании цикла осуществляется по трубопроводу 5.
На Фиг.2. представлено устройство энергетической установки использующей водород в качестве горючего с использованием одного из вариантов металлогидридной системы хранения и подачи водорода согласно патенту [5]. В качестве гидридообразующего материала могут применяться сплавы на основе магния или титана, например сплав магния и никеля в различных пропорциях, а также с добавлением различных легирующих добавок.
Устройство состоит из металлогидридных элементов 7, компактно расположенных в кожухе металлогидридного модуля 8 и подсоединенных к водородному коллектору 9, из которого водород подается по трубопроводу 10 через запорный вентиль 11 в устройство для повышения давления, например поршневой компрессор или механический вакуумный насос 14 и далее по трубопроводу 16 поступает в смеситель-охладитель 17 через регулируемый вентиль 15. Для подвода теплоты из окружающей среды к металлогидридным элементам 7 установлен вентилятор 18. Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется по трубопроводу 12 через запорный вентиль 13. Выделившаяся теплота в металлогидридных элементах сбрасывается в окружающую среду также с помощью вентилятора 18.
Системы хранения и подачи криогенной компоненты воздуха выполнена в виде сосуда Дьюара 19, для заправки которого криогенной жидкостью имеется горловина 20. Для подачи криогенной компоненты воздуха применена, например, насосная система, с помощью которой, посредством механического насоса 21, криогенная жидкость по трубопроводу 22, через регулируемый вентиль 23 поступает в смеситель-охладитель 17.
В смесителе-охладителе 17 смешиваются три потока составляющих топлива: это водород, поступающий через регулируемый вентиль 15, криогенная компонента воздуха, поступающая через регулируемый вентиль 23 и воздух из окружающей среды (стрелка В), поступающий через воздухоприемник 24, расход которого регулируется заслонкой 25. Таким образом в смесителе-охладителе формируется топливная смесь из трех составляющих - водорода, атмосферного воздуха и криогенной компоненты воздуха, с помощью которой охлаждаются водород и атмосферный воздух.
Из смесителя-охладителя 17 топливная смесь поступает в цилиндр 41 ДВС 26.
Двигатель внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу, в котором имеются клапаны 27 впуска топливной смеси и клапаны 28 выпуска выхлопных газов (стрелка ВГ).
В головке 34 цилиндра 41 ДВС 26 установлено устройство 29 управления процессом расширения продуктов сгорания, представляющее собой, например, капиллярные каналы.
Поршень 40 имеет механическую связь посредством кривошипно-шатунного механизма 45 с валом 46 и маховиком 47 ДВС 26.
На фиг.3 представлен один из вариантов устройства 29. Устройство включает в себя набор параллельных капиллярных каналов 35, входные отверстия которых начинаются на внутренней поверхности головки 34 цилиндра 41, а концы объединены в коллектор 36 с регулируемым объемом. Также здесь показан вариант дополнительной подпитки водородом коллектора 36 из трубопровода 16 (подсоединение в точке С) по трубопроводу 39 (трубопровод 39 на фиг.2 не показан) через регулируемый вентиль 38 и далее через обратный клапан 37.
Дополнительная подпитка водородом коллектора 36 позволяет осуществлять тонкую настройку подвода теплоты в цикле.
Для воспламенения топливной смеси в головке цилиндра 34 вмонтировано устройство поджога 30, например электрическая свеча зажигания.
Тепловой режим головки 34 цилиндра 41 и температура топливной смеси измеряются термопарами и 32 и 31, соответственно, а давление (разрежение) топливной смеси в смесителе-охладителе датчиком давления 33.
Для работы устройства энергетической установки, представленной на Фиг.2, необходимо заправить водородом металлогидридные элементы 7 и заполнить криогенной компонентой воздуха сосуд Дьюара 19.
Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется на заправочной станции.
Для заправки водородом заправочный трубопровод 12 подсоединяется к источнику водорода, например к баллонной системе, закрывается запорный вентиль 11, открывается запорный вентиль 13, через который водород поступает в металлогидридные элементы 7.
Теплота, выделившаяся в металлогидридных элементах в процессе насыщения их водородом, сбрасывается в окружающую среду с помощью включенного вентилятора 18.
По окончании процесса заправки металлогидридных элементов водородом заправочный вентиль 13 закрывают, заправочный трубопровод 12 отсоединяют от заправочной станции и выключают вентилятор 18.
Заполнение криогенной компонентой воздуха сосуда Дьюара осуществляется по стандартной методике заполнения сосудов Дьюара жидким воздухом или азотом. Заправочная трубка из резервуара с криогенной жидкостью вводится в заправочную горловину 20 и осуществляется процесс заливки. При этом запорный вентиль 23 подачи криогенной жидкости закрыт, а насос подачи криогенной жидкости 21 выключен. По окончании заливки заправочная трубка извлекается из сосуда Дьюара 19, а горловина 20 закрывается.
Соотношение азота и кислорода в криогенной компоненте воздуха может находиться в широких пределах и в сравнении со стандартным составом жидкого воздуха (21% кислорода и 79% азота) количество азота в криогенной компоненте воздуха может быть как 100%, так и иметь состав, например, 50% кислорода и 50% азота.
Осуществление процессов цикла ДВС с водородом в качестве горючего и с предварительным охлаждением топливной смеси криогенной компонентой жидкого воздуха рассмотрена на примере четырехтактного двигателя.
Рассмотрим процессы цикла ДВС в устройстве энергетической установки, представленной на Фиг.2.
1. Процесс подготовки и подачи топливной смеси в цилиндр ДВС.
Процесс подготовки и подачи топливной смеси в цилиндр ДВС включает в себя смешение и охлаждении водорода и атмосферного воздуха криогенной компонентой воздуха в устройстве 17 смешения и охлаждения топливной смеси, откуда охлажденная газокапельная топливная смесь по трубопроводу 4 и клапан 27 поступает в цилиндр двигателя. Движение поршня при этом осуществляется от высшей мертвой точки (ВМТ) вниз к низшей мертвой точке (НМТ).
Подача газообразного водорода из металлогидридных элементов 7 в камеру смешения и охлаждения 17 осуществляется по трубопроводу 10, при открытом запорном вентиле 11, с помощью включенного поршневого компрессора или механического вакуумного насоса 14, далее по трубопроводу 16 и через регулируемый запорный вентиль 15. Температурная стабилизация металлогидридных элементов 7 на уровне температуры окружающей среды обеспечивается включенным вентилятором 18.
Одновременно осуществляется заправка водородом емкости 36 по трубопроводу 39 через регулируемый вентиль 38 и обратный клапан 37.
Подача криогенной компоненты воздуха из сосуда Дьюара 19 в камеру смешения и охлаждения 17 осуществляется с помощью включенного погружного насоса 21, по трубопроводу 22, на линии которого установлен регулируемый запорный вентиль 23.
Количество атмосферного воздуха, поступающего в смеситель-охладитель 17, регулируется заслонкой 25.
С помощью регулируемых запорных вентилей 15 и 23, а также заслонки 25 формируется как качественное, так и количественное смесеобразование газокапельной топливной смеси.
Качественное смесеобразование преобладает при выходе на установившийся температурный режим двигателя при его запуске. Датчиками температуры в этом случае могут служить, например, термопара 31 для определения температуры топливной смеси при подаче ее в цилиндр двигателя и термопара 32 для определения теплового состояния головки 34 и верхней части цилиндра двигателя 41. Датчик давления 33 отслеживает бездетонационный режим работы двигателя при выходе его на установившийся тепловой режим и подает один из сигналов на прикрытие или открытие заслонки 25.
Для заполнения полости цилиндра дозированной порцией газокапельной топливной смеси при движении поршня 40 вниз клапан 27 открывается.
2. Процесс сжатия топливной смеси.
При переходе НМТ начинается процесс сжатия топливной смеси и движение поршня 40 происходит в направлении ВМТ.
Механическая энергия, расходуемая на сжатие топливной смеси посредством перемещения поршня 40 в сторону ВМТ, потребляется из энергии раскрученного маховика на валу двигателя.
Температура топливной смеси в начале сжатия задается степенью ее предварительного охлаждения в смесителе-охладителе 17 и в зависимости от количества в ней криогенной компоненты воздуха может быть существенно ниже температуры окружающей среды, например ниже на 100 град.
Предварительное охлаждение топливной смеси позволяет резко повысить степень ее сжатия, не достигая при этом температуры самовоспламенения и процесса детонации, а наличие капельной криогенной составляющей компоненты жидкого воздуха позволяет сдвинуть процесс сжатия топливной смеси в сторону изотермического процесса и уменьшить работу ее сжатия.
В процессе сжатия топливной смеси часть ее поступает по капиллярным каналам 35 в емкость коллектора 36, где уже находится водород, и там обогащенная смесь водородом сохраняется некоторое время.
3. Процесс подвода теплоты и расширения продуктов сгорания.
После поджога топливной смеси в камере сгорания при прохождении положения поршня 40 вблизи ВМТ образуются продукты сгорания с высокими значениями давления и температуры.
Процесс расширения продуктов сгорания с передачей энергии на вал двигателя состоит из трех этапов, которые последовательно осуществляются при движении поршня 40 вниз к НМТ:
- Этапа, близкого к изобарному процессу, при котором сгорает основная часть водорода и не наблюдается значительное понижение значений давления и температуры продуктов сгорания в конце этого этапа,
- Этапа, близкого к изотермическому процессу расширения продуктов сгорания, с подводом теплоты за счет сгорания водорода, накопленного в устройстве 29 (в емкости коллектора 36).
Устройство 29 управления процессом расширения продуктов сгорания в цикле на верхнем температурном уровне позволяет дополнительно подвести и сжечь с некоторым запаздыванием, из за гидравлического сопротивления капиллярных каналов, накопленный водород из емкости коллектора 36 устройства 29 в процессе расширения продуктов сгорания, что позволяет регулировать температуру и давление в конце их расширения.
Так, например, избыток криогенной компоненты воздуха при охлаждении топливной смеси в начале процесса сжатия может привести к появлению отрицательных температур выхлопных газов по отношению к температуре окружающей среды, поэтому появляется возможность сжечь дополнительное количество водорода и повысить эффективность цикла в целом.
- Этапа, близкого к адиабатному процессу с дальнейшим понижением давления и температуры, значения которых в конце процесса приближаются к значениям давления и температуры окружающей среды.
4. Процесс вытеснения из цилиндра двигателя газов продуктов сгорания.
Это замыкающий процесс цикла, при котором осуществляется сброс выхлопных газов в атмосферу. Для этого при движении поршня 40 от НМТ вверх к ВМТ клапан 28 открывается.
При достижении поршнем ВМТ цикл повторяется.
Источники информации
1. Техническая термодинамика. Кириллин ВУ.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. - М.: Энергия, 1968.
2. Патент UA №22721 А, 1977, Бондаренко С.И., Фенченко В.Н.
3. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. Под ред. М.С. Ховаха. М., А 22 «Машиностроение», 1977.
4. Водород - топливо будущего. Подгорный А.Н., Варшавский И.Л. К., «Наук. думка», 1977.
5. Патент РФ №2381413 С2