Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания
METHOD OF INCREASING OUTPUT FOR LITRE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам питания поршневых четырехтактных двигателей транспортных средств, работающих на водороде, который является одним из самых перспективных топлив для поршневых двигателей.
Показано, что наиболее эффективным в этом случае является применение сжатого водорода, хранимого в баллонах высокого давления на борту автомобиля (Воробьев-Обухов А. Аттестат зрелости // За рулем. - 2004. - №11. - С. 108-112). Особенностями рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием при использовании водорода в качестве топлива, затрудняющими его эффективное использование на транспорте, являются, во-первых, высокая склонность водородовоздушных смесей к преждевременному («калильному») воспламенению, приводящему к «обратным вспышкам» («хлопкам») смеси во впускном коллекторе, достаточно опасным с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации. Во-вторых, существенное уменьшение литровой мощности, так как хотя теплотворная способность водорода в расчете на единицу массы почти втрое выше, чем у бензина, но его стехиометрическое соотношение по отношению к воздуху также примерно втрое выше. В сочетании с низкой плотностью газообразного водорода это приводит к тому, что теплота сгорания единицы объема водородовоздушной смеси ниже, чем у бензовоздушной. Это означает пропорциональное снижение «литровой мощности» на номинальном режиме сравнительно с бензиновым аналогом при равных условиях организации процесса (Журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 02, 2005 г., Ю.В. Галышев. Анализ перспективы создания водородных двигателей, с. 19-23). Практически при переводе автомобильного двигателя на водород его номинальная мощность снизится еще больше из-за невозможности работы на стехиометрических (соответствующих значению коэффициента избытка воздуха, равном 1) топливных смесях из-за опасности калильного зажигания. Реально достижимое значение коэффициента избытка воздуха при работе на водороде равно примерно двум, а это значит, что при конвертации бензинового двигателя на водород его номинальная мощность снизится почти в 3 раза.
Известны различные способы увеличения литровой мощности водородных двигателей. Применяют наддув подаваемого воздуха, обедняют топливную смесь (по сути «разбавляют стехиометрическую смесь воздухом») (Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 02. - С. 19-23).
Известен способ улучшения процессов сгорания топливных смесей путем «разбавления» их нейтральными выпускными газами за счет рециркуляции части выпускных газов, при котором их добавляют к свежему заряду на впуске, и эта смесь поступает через впускной клапан (Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1 Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 479 с.).
Известен также способ подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя уже после закрытия основного впускного клапана (через который всасывание воздуха осуществлялось из атмосферы). В этом способе сжатый в нагнетателе воздух подается в цилиндры уже после закрытия основного впускного клапана через второй дополнительный впускной клапан (патент 2023181, кл. F02B 37/00, F02D 23/00).
Недостатками указанных способов увеличения литровой мощности двигателя на водороде являются необходимость создания высоких давлений наддува, усложняющих конструкцию двигателя, сохраняющих опасность калильного зажигания водородовоздушных смесей при полной нагрузке, уменьшение величины свежего заряда и повышение его температуры при рециркуляции выпускных газов, а также сложность конструкции устройств раздельной подачи основной и дополнительных порций воздушного заряда.
Технической задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является увеличение литровой мощности двигателя на водороде при исключении калильного зажигания.
Отличительным признаком предлагаемого способа является подача в цилиндр двигателя через впускные клапаны только воздуха, а уже после закрытия впускных и выпускных клапанов дополнительная подача нейтрального газа (не поддерживающего горения, например, азота или углекислого газа) и водорода. Причем нейтральный газ подают через ту же форсунку, которая подает и водород. Нейтральный газ хранится на борту автомобиля в емкостях (баллонах), аналогично способу хранения водорода.
Технический результат увеличения литровой мощности достигается за счет того, что в первом случае на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно в диапазоне от 60 до 90 градусов после положения поршня в НМТ через форсунку осуществляется подача сжатого нейтрального газа из баллонов, установленных на транспортном средстве, при этом оптимальное количество и продолжительность цикловой подачи нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода в течение примерно от 30 до 60 градусов поворота коленчатого вала при режиме полной нагрузки, затем в конце такта сжатия, примерно за 30 градусов до ВМТ, через форсунку подается водород, находящийся в баллонах, при этом количество подаваемого водорода на полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице.
Во втором случае технический результат достигается за счет того, что на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно за 30 градусов до ВМТ через форсунку в цилиндры двигателя предварительно смешиваясь в смесительном устройстве осуществляется подача смеси водорода и нейтрального газа, при этом количество подаваемого водорода при полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха близким к единице, а оптимальное количество нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода.
Предлагаемый способ увеличения литровой мощности поршневого двигателя поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 показан впускной клапан (поз. 1), через который поступает воздух в цилиндр, форсунка (поз. 2) для подачи нейтрального газа и водорода, находящихся под давлением в баллонах хранения нейтрального газа (поз. 3) и водорода (поз. 4). Свеча зажигания (поз. 5) осуществляет зажигание рабочей смеси.
Изобретение работает следующим образом. На такте впуска в цилиндр двигателя поступает воздух через один или несколько впускных клапанов (поз. 1). На такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно 60..90 градусов после положения поршня в нижней мертвой точки (НМТ) через форсунку (поз. 2) осуществляется подача сжатого нейтрального газа из баллонов (поз. 3), установленных на транспортном средстве (автомобиле). Оптимальное количество и продолжительность цикловой подачи нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая (примерно 20…40% от циклового количества водорода в течение 30…60 градусов поворота коленчатого вала на режиме полной нагрузки). В конце такта сжатия (примерно за 20…50 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ)) через форсунку подается водород, находящийся в баллонах (поз. 4). Количество подаваемого водорода на полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице (стехиометрический состав). В предлагаемом способе водород и нейтральный газ могут подаваться в цилиндры двигателя как поочередно, так и одновременно, предварительно смешиваясь в смесительном устройстве, с учетом вышеприведенных примерных количественных данных. Воспламенение осуществляется свечой зажигания (поз. 5).
Отметим, что указанная организация рабочего процесса осуществляется только на режимах больших нагрузок. На малых и средних режимах (при относительно малых подачах водорода и больших коэффициентах избытка воздуха) двигатель может нормально работать без калильного зажигания и без подачи нейтрального газа. С учетом относительно небольшого времени работы на полных режимах автомобильного двигателя емкости хранения нейтрального газа (поз. 3) на борту автомобиля будут существенно меньше водородных (поз. 4), что упрощает вопросы компоновки таких автомобилей.
Предлагаемый способ организации рабочего процесса имеет следующие преимущества. Во-первых, подача нейтрального газа уменьшает склонность водородовоздушной смеси к калильному воспламенению, так что можно реализовать нормальный (без калильного воспламенения) рабочий процесс при стехиометрической топливной смеси (при коэффициенте избытка воздуха 1) и за счет этого увеличить литровую мощность на номинальном режиме. Во-вторых, подача дополнительной порции нейтрального газа осуществляется уже после наполнения цилиндра воздушным зарядом - после закрытия впускного клапана, так что при такой подаче коэффициент наполнения цилиндра воздухом не уменьшается, а следовательно, литровая мощность двигателя из-за подачи нейтрального газа тоже не уменьшается. В-третьих, подача нейтрального газа через форсунку под некоторым избыточным давлением в цилиндр двигателя (примерно на половине такта хода сжатия) приведет к дополнительному увеличению полезной работы цикла и, как следствие, к увеличению литровой мощности двигателя на номинальном режиме. В этом случае происходит частичная рекуперация энергии сжатого в баллонах нейтрального газа в полезную работу цикла двигателя. Величина этой добавочной энергии будет зависеть от момента ввода нейтрального газа (относительно угла поворота коленчатого вала после положения НМТ) и его количества. И, наконец, четвертым, положительным свойством предлагаемого способа является его конструктивная простота сравнительно с известными способами увеличения литровой мощности водородного двигателя: достаточная мощность может быть получена и без установки агрегатов наддува, нет устройств подачи дополнительного воздуха через специальные клапаны, устройств рециркуляции.
Таким образом, технический результат увеличения литровой мощности достигается за счет большего наполнения воздушным зарядом цилиндра двигателя (на такте впуска через впускные клапаны подается только воздух - без рециркулируемых выпускных газов и водорода), увеличения подачи водорода до значений, соответствующих стехиометрическим при исключении калильного зажигания за счет добавок нейтрального газа и получения дополнительной энергии рабочего цикла за счет подачи сжатого газа.