СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
ICE FUEL SYSTEM AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) преимущественно с искровым зажиганием.
При работе двигателя с искровым зажиганием на средних и малых нагрузках снижается эффективный КПД двигателя, возрастает удельный расход топлива, кроме того, быстротечность процесса сгорания требует введения в топливо-воздушный заряд веществ, активизирующих горение. Эффективным средством решения этих проблем являются добавка в топливовоздушную смесь водорода. Наличие у электродов свечи зажигания повышенной концентрации водорода, обладающего высокой химической активностью и теплотой сгорания, позволяет повысить надежность воспламенения смеси, добиться стабильной работы двигателя на бедных и сверх бедных смесях. С целью решения этой важной технической задачи в двигателестроении ведутся активно работы по совершенствованию конструкции систем питания бензиновых ДВС.
Известна комбинированная система питания [патент RU 02117178 от 08.10.1998 г.], состоящая из емкости со сплавом-накопителем водорода, который в процессе работы ДВС, подмешивается к топливовоздушному заряду в проставке под карбюратором. При таком способе подачи водорода ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом вследствие малой плотности водорода, также возникает опасность обратных вспышек во впускной коллектор. Кроме того, применение сплавов-накопителей водорода сдерживается их высокой стоимостью, а также отсутствием инфраструктуры по их обслуживанию, заправке и ремонту.
Этот недостаток устранен в системе питания ДВС [патент RU 02168649 от 06.10.2001 г.], включающей в себя источник получения водорода, который смешивается с топливом в смесительной камере при низком давлении, полученная топливо-водородная смесь через подающий топливопровод, топливо-подкачивающий насос, насос высокого давления и форсунку подается в цилиндр двигателя. При работе такой системы питания появляется опасность возникновения паровых пробок в подающем топливопроводе, а следовательно, и перебоев в работе двигателя.
Известна система питания ДВС, в которой этот недостаток устранен [патент RU 02206781 от 20.06.2003 г.], путем использования ряда устройств, обеспечивающих получение и передачу водорода в двигатель. В этой системе получение водорода происходит в резервуаре с жидкостной и газовой полостями, в которых установлены электроды. Система содержит емкость для сбоpa конденсата и калорифер. Вырабатываемый водород, кислород и водяной пар поступают во всасывающий коллектор двигателя. Недостатком работы такой системы питания является подача и образование подогретой топливной смеси во впускном коллекторе, что влечет за собой уменьшение наполнения цилиндров свежим зарядом и неудовлетворительную работу двигателя на режимах повышенной мощности.
Известен способ использования водорода в качестве добавок к основному топливу на автомобиле [патент RU 02092700 от 10.10.1997 г.], который предлагает использовать водород из криогенной емкости. Для осуществления данного способа необходима компактная легкая криогенная система на борту серийного автомобиля, что является недостатком такого решения.
Наиболее близким (прототипом) к заявленному изобретению является [патент RU 2123121 от 10.12.1998 г.] способ работы системы питания двигателя внутреннего сгорания, в котором предусматривается использование водорода, как добавки к основному топливу. В такой системе подача водорода происходит через канал в свече зажигания при нагрузке до 2/3 от максимальной мощности. Недостатками описанного способа является, во-первых, необходимость использования нестандартных свечей зажигания, во-вторых, отсутствие возможности использования в полной мере физико-химические свойства водорода, в-третьих, исключение работы двигателя на топливно-водородной смеси во всем диапазоне нагрузочно-скоростных режимов.
Задачей изобретения является устранение выявленных недостатков прототипа и разработке простого и эффективного способа конвертации двигателя внутреннего сгорания на работу с применением в рабочем цикле водорода, как присадки к основному топливу.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в сохранении мощностных показателей двигателя при сокращении часового расхода топлива, оптимизации процесса сгорания топливно-водородной композиции в цилиндре двигателя, улучшении надежности зажигания топливно-водородного заряда и снижении токсичности выхлопа.
Для достижения указанного технического результата способ работы системы питания двигателя внутреннего сгорания предусматривает подачу в камеру сгорания топливо-воздушной смеси обогащенной кислородом, сжатие, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания, согласованный по времени с искровым разрядом, и воспламенение, водород и кислород производятся в бортовом генераторе, при этом подача водорода осуществляется на всех режимах работы двигателя. Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что во впускной коллектор подается кислород, который позволяет повысить полноту сгорания основного топлива, в полученную топливо-воздушную смесь с повышенным содержанием кислорода в конце такта сжатия впрыскивается водород, который благодаря своим физико-химическим свойствам активизирует процесс горения, при этом впрыск происходит в зоне электродов свечи зажигания, что обеспечивает надежное зажигание рабочей смеси, позволяет увеличить коэффициент избытка воздуха без потери мощности двигателя, при этом дозирование и подача кислорода и водорода происходят независимо друг от друга, что позволяет приготовить топливную смесь оптимального состава для всех режимов работы ДВС.
Сокращение часового расхода топлива достигается за счет более полного сгорания компонентов основного топлива при увеличенной концентрации кислорода и добавке водорода. Благодаря этому снижается также содержание СО и СН в отработавших газах. Раздельное дозирование водорода и кислорода позволяет готовить смесь с пониженной температурой горения на режимах, когда не требуется полная мощность двигателя, что приводит к уменьшению содержания NO в отработавших газах. Способ работы обеспечивает безопасность транспортного средства, так как производимые в генераторе водород и кислород получаются раздельно, подводятся в разные узлы ДВС и расходуются без создания значительных запасов.
Технический результат от данного способа работы системы питания двигателя внутреннего сгорания достигается за счет впрыска водорода вокруг электродов свечи зажигания, что способствует надежному поджигу топливно-воздушно-кислородной смеси на всех режимах работы двигателя, а повышенное содержание кислорода в камере сгорания и высокоэнергетические свойства водорода позволяют активизировать процесс горения, более полно использовать теплоту сгорания углеводородного топлива. Предложенный способ подачи топлива, водорода и кислорода в ДВС позволяет избежать преждевременного воспламенения водорода во впускном коллекторе, так как в нем не образуется гремучий газ, и водород не контактирует с горячими элементами камеры сгорания в начальный момент открытия впускного клапана. Подача основного углеводородного топлива минимальна на режимах холостого хода и малой нагрузки и увеличивается по мере возрастания нагрузки на двигатель.
Для осуществления данного способа предлагается система питания, отличающаяся от описанной в указанном прототипе тем, что в систему включен источник кислорода и водорода таким образом, что топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр имеет повышенное содержание кислорода, подача водорода осуществляется через устройство впрыска, представляющее собой вставку в свечное отверстие. Применение вставки удешевляет ремонт и обслуживание двигателя и системы питания, так как применяются стандартные свечи зажигания и полностью сохраняется работоспособность штатных систем питания и зажигания. Надежность системы повышается за счет применения электромагнитного клапана, перекрывающего подачу водорода, который может находиться только в двух положениях - полностью открыт и полностью закрыт. Расход водорода регулируется при помощи вакуумного регулятора подачи водорода. По мере увеличения нагрузки доля водорода и кислорода по отношению к расходу основного топлива снижается. Использование перепускного клапана позволяет направить часть кислорода в выпускной тракт, что способствует окислению продуктов неполного сгорания и дополнительно снижает токсичность отработавших газов.
Система питания состоит (фиг.1) из: топливного бака 1; топливного фильтра 2; топливоподкачивающего насоса 3; топливодозирующего устройства 4; впускного коллектора 5; цилиндра двигателя 6; бортового генератора водорода и кислорода 7; кислородного насоса 8; ресивера кислорода 9; кислородного редуктора 10; предохранительного клапана кислородного редуктора 11; выпускного тракта 12; водородного насоса 13; пневмоаккумулятора водорода 14; датчика давления водорода 15; водородных магистралей 16; свечные отверстия 17; устройства впрыска водорода 18; свечей зажигания 19; электромагнитных клапанов 20; датчика фаз 21; вакуумного регулятора подачи водорода 22; датчика положения дроссельной заслонки 23; датчика массового расхода воздуха 24; поршня 25. Кроме того, в систему питания входит (фиг.2) устройство подачи водорода, которое состоит из корпуса 26, 27 - каналы подачи водорода, 28 - входное отверстие, 29 - канал запитки водорода.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Углеводородное топливо из топливного бака 1 через топливный фильтр 2 подается топливоподкачивающим насосом 3 в дозирующее устройство 4, полученная в нем топливовоздушная смесь через впускной коллектор 5 подается в цилиндр двигателя 6.
Одновременно с подачей углеводородного топлива бортовой генератор водорода и кислорода 7 вырабатывает водород и кислород и разделяет их между собой. При этом кислород из бортового генератора водорода и кислорода 7 откачивается кислородным насосом 8 в ресивер кислорода 9. Из ресивера кислорода 9 кислород поступает в кислородный редуктор 10. Предохранительный клапан 11 кислородного редуктора 10 при превышении установленного давления в полости высокого давления сбрасывает часть кислорода в выпускной тракт 12. Кислород из полости низкого давления кислородного редуктора 10 поступает во впускной коллектор 5, где перемешивается с топливовоздушной смесью, поступает в цилиндр двигателя 6.
Одновременно с кислородом водород из бортового генератора водорода и кислорода 7 откачивается водородным насосом 13 и подается в пневмоаккумулятор водорода 14. Пневмоаккумулятор водорода снабжен датчиком давления 15. Из пневмоаккумулятора водорода 14 водород направляется под давлением через водородные магистрали 16 к свечным отверстиям 17, в которых установлены устройства впрыска водорода 18 и свечи зажигания 19. Устройства впрыска водорода 18 снабжены электромагнитными клапанами 20, управление которыми осуществляется сигналом с датчика фаз 21, таким образом, впрыск водорода происходит только в тот цилиндр двигателя 6, в котором осуществляется такт впуска. Количество водорода, поступающего в цилиндры двигателя 6 из пневмоаккумулятора 14 регулируется вакуумным-регулятором расхода водорода 22, который автоматически изменяет подачу водорода в зависимости от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя 6. Управление производительностью бортового генератора водорода и кислорода 7 также осуществляется в зависимости от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя 6 с помощью датчика положения дроссельной заслонки 23 и датчика массового расхода воздуха 24, а также сигналом с датчика давления водорода 15.
В результате параллельной работы систем подачи топливовоздушной смеси и кислорода на такте впуска в цилиндр двигателя 6 поступает обедненная смесь, с повышенным содержанием кислорода. В конце такта сжатия по сигналу с датчика 21 пневмоаккумулятор водорода 14 подает через устройство впрыска водорода 18 к свечам зажигания 19 и в цилиндр двигателя 6, где находится поступившая в такте впуска топливо-воздушно-кислородная смесь, водород. Впрыск водорода в цилиндр двигателя 6 заканчивается непосредственно перед искровым разрядом. Поступивший в цилиндр 6 водород поджигается от искры свечи зажигания 22, в результате чего происходит воспламенение водорода, а затем и топливо-воздушно-кислородной смеси, в результате чего происходит процесс сгорания топлива и поршень 25 совершает рабочий ход.