Способ подачи в цилиндры двигателей внутреннего сгорания негорючей жидкости и топлива с последующим превращением их в пар в соответствующих парогенераторах

 

Изобретение относится к двигателестроению. Порция топлива подается в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра, где оно испаряется и по отверстиям, выполненным под углом к оси цилиндра, поступает в цилиндр, образуя вихрь. Негорючая жидкость впрыскивается в щелевой парогенератор негорючей жидкости, образованный зеркалом цилиндра и поршнем с герметизацией объема кольцами. Парогенератор негорючей жидкости разделен на две секции кольцом-клапаном. Пар из нижней и верхней секций попадает в пространство над поршнем, образуя вихрь. Технический результат заключается в оптимизации процессов смесеобразования и сгорания топлива. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к способам подачи топлива или горючей смеси, либо присадок негорючих веществ для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и составным частям этих систем.

Известны способы подачи негорючей жидкости в цилиндры двигателей внутреннего сгорания (см. патент СССР N 707532, кл. F 02 B 47/02, F 02 M 25/02, опубликованный в 1979 г).

Известна также система, предназначенная для подачи негорючей жидкости в камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания, в которой используется тепло уходящих газов. В выхлопном коллекторе этой системы установлено теплообменное устройство, через которое подается негорючая жидкость к устройствам для впрыска. У известной системы имеются также теплоизолированные втулки цилиндров, уменьшающие тепловые потери в процессе теплообмена с окружающей средой. Работой насоса для негорючей жидкости управляет датчик температуры, установленный в выхлопном коллекторе (см. авторское свидетельство СССР N 1421889, кл. F 02 M 25/03, опубл. 1988 г.) Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ подачи топлива и негорючей жидкости в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче топлива в цилиндр двигателя, впрыскивании негорючей жидкости в парогенератор негорючей жидкости, превращении ее в пар и создании дополнительной работы (см. заявку EP 142580, кл. F 02 M 25/03, 1985 г.) Известное техническое решение имеет следующие недостатки. Не решена проблема охлаждения втулок цилиндров, что обязательно приведет к иx задирам. Тепло уходящих газов используется только для подогрева вспрыскиваемой негорючей жидкости, в результате чего утилизируется небольшое количество тепла уходящих газов.

Впрыск топлива в вихревую камеру ведет к повышенному удельному расходу топлива вследствие больших гидравлических и тепловых потерь при протекании газов из одной камеры в другую.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в замене водяного охлаждения испарительным с возвращением части тепла, выделяемого в системах охлаждения и уходящего с отработанными газами, в работу, оптимизации процесса смесеобразования, а значит, оптимизации процессов сгорания топлива, повышении коэффициента полезного действия (КПД) двигателей внутреннего сгорания, доведении КПД двухтактных двигателей до уровня четырехтактных ДВС. Обеспечение работы ДВС по адиабатному циклу.

Технический результат достигается тем, что способ подачи топлива и негорючей жидкости в цилиндры двигателя внутреннего сгорания заключается в подаче топлива в цилиндр двигателя, впрыскивании негорючей жидкости в парогенератор негорючей жидкости, превращении ее в пар с использованием тепла, теряемого с уходящими газами, подаче пара в цилиндр двигателя и создании дополнительной работы, при этом требуемая для данного режима работы двигателя порция топлива подается в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра, где оно испаряется, и по отверстиям, выполненным под углом к оси цилиндра, пары топлива поступают в цилиндр, образуя вихрь, а негорючая жидкость впрыскивается в щелевой парогенератор негорючей жидкости, образованный зеркалом цилиндра и поршнем с герметизацией объема кольцами и разделением парогенератора негорючей жидкости на две секции кольцом-клапаном, причем пар из верхней части парогенератора поступает по отверстиям, выполненным в поршне под углом к оси цилиндра и по касательной к окружности с возможностью образования вихря, а пар из нижней секции парогенератора, через окна в канавке кольца-клапана, попадает в верхнюю секцию парогенератора и соответственно в пространство над поршнем.

В момент закрытия всасывающих клапанов для четырехтактных или выхлопных окон двухтактных бензиновых двигателей и для дизелей в районе верхней мертвой точки (ВМТ) в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра и имеющий необходимые температуру и поверхность теплообмена, впрыскивается требуемая для данного режима работы двигателя порция топлива, где оно за необходимый промежуток времени испаряется и по радиальным каналам, выполненным под некоторым углом к оси цилиндра, пары топлива струями с большой скоростью поступают в цилиндр, образуя вихрь. В бензиновом двигателе по мере передвижения поршня вверх происходит интенсивное перемешивание паров топлива и воздуха, в дизеле при соприкосновении паров топлива с воздухом оно воспламеняется и горит до окончания процесса испарения. В районе ВМТ у бензиновых двигателей происходит воспламенение горючей смеси искрой от свечи зажигания.

После воспламенения паров топлива давление в цилиндре быстро нарастает в районе, близком к давлению P_z в парогенератор, образованный стенкой цилиндра и поршнем и имеющий необходимую температуру стенок, впрыскивается негорючая жидкость. При перегреве топливного парогенератора в него также одновременно происходит впрыскивание негорючей жидкости. Температура цилиндра и поршня поддерживается таковой, чтобы выход пара был минимальным. По мере движения поршня к нижней мертвой точке (НМТ) давление над поршнем падает, топливо к этому времени сгорает, а негорючая жидкость начинает интенсивно выкипать, охлаждая тем самым цилиндр, поршень и головку, поддерживая оптимальное давление над поршнем. Выхлоп отработанных газов осуществляется в теплообменное устройство, позволяющее подогревать стенку цилиндра этими газами.

Для реализации способа необходимо знать, какое количество тепла выделяется на донышке поршня, головке и стенке цилиндра. Сделаем одно допущение: средняя за рабочий ход удельная интенсивность теплового потока g(Bm/м²) внутри цилиндра во все стороны одинакова. Тогда на донышке поршня и головке цилиндра выделится следующее количество тепла: где Q_д.п. - количество тепла, выделившееся на донышке поршня, Q_г. - количество тепла, выделившееся на головке цилиндра, t - время, D - диаметр цилиндра.

Количество тепла, выделившееся на зеркале цилиндра Q_ц, определится следующим образом.

При перемещении поршня на величину X за время t количество тепла будет равно берем среднее время действия потока g, т.к. верхняя кромка находилась под воздействием потока t с, а нижняя 0 с.

При перемещении поршня на величину (x+Δx) за время (t+Δt) количество тепла будет равно

Приращение количества тепла на стенке цилиндра при перемещении поршня на величину Δx за время Δt равно:

Разделим обе части равенства на Δt

Переходим к пределу при Δt _→ 0

тогда


Решение для шатунно-кривошипного механизма дает при ходе поршня S=D следующие соотношения:
Q_д.п.=Q_г. = 25%, Q_ц. = 50% от общих потерь тепла в системе охлаждения.

На фиг.1 показан общий вид двигателя,
фиг.2 - вид I фиг.1,
фиг.3 - вид А фиг.1.

Пример реализации способа в виде устройства для двухтактного бензинового двигателя приведен на фиг.1.

Устройство содержит стакан 1 и плиту 2, установленную на резьбе в стакане 1 с некоторым зазором, имеющую отверстия 3, выполненные под углом к оси цилиндра. В дно стакана 1 установлены свеча 4, обратный клапан 5 топливной системы, обратный клапан 6 негорючей жидкости. Стакан 1 и плита 2 образуют топливный парогенератор. Цилиндр 7 и поршень 8 с кольцами 9 и 10 образуют парогенератор негорючей жидкости, который разделен кольцом-клапаном 11 на две секции. В поршне 8 выполнены отверстия 12 под углом к оси цилиндра и по касательной к окружности с таким расчетом, чтобы струи пара из отверстий 3 и отверстий 12 образовывали вихрь одного направления. Кроме того, в канавке кольца-клапана 11 профрезерованы окна 13. Внешний теплообменник снабжен спиральными ребрами 14, причем направление спирали совпадает с направлением вихря в цилиндре. Кроме того, в стакане 1 установлен электронагреватель 15, в стенке цилиндра 7 установлен обратный клапан негорючей жидкости 16 и в линии, подающей негорючую жидкость в топливный парогенератор, установлен двухпозиционный клапан 17. Цилиндр, поршень и топливный парогенератор полностью теплоизолированы от окружающей среды. Устройство работает следующим образом.

Работу устройства рассматриваем в предположении, что температуры парогенераторов топливного T₁ и негорючей жидкости T₂ оптимальны для используемого топлива и негорючей жидкости.

При нахождении поршня 8 в НМТ происходит продувка цилиндра воздухом. При перекрытии кромкой поршня 8 выхлопного окна через обратный клапан 5 в топливный парогенератор, состоящий из стакана 1 и плиты 2, впрыскивается топливо, которое превращается в пар и по отверстиям 3 струями попадает в цилиндр, образуя вихревое движение смеси. При нахождении поршня 8 в районе ВМТ свеча 4 поджигает смесь. В районе, близком к давлению P_z, в парогенератор негорючей жидкости, состоящий из цилиндра 7, поршня 8 с кольцами 9 и 10, через обратный клапан 16 впрыскивается необходимое количество жидкости. Температура T₂ и давление в парогенераторе таковы, что выход пара минимален. По мере движения поршня к НМТ давление над поршнем падает и становится меньше, чем в парогенераторе. К этому времени основная часть топлива сгорела. Под действием разности давления кольцо 9 поднимается вверх на величину зазора в канавке. Пар по отверстиям 12 из верхней секции парогенератора начинает поступать в пространство над поршнем, поддерживая повышенное давление, одновременно с выходом пара из верхней секции парогенератора давления в ней падает, что приводит к подъему кольца-клапана 11 вверх на величину зазора в канавке. Пар из нижней секции парогенератора через окна 13 попадает в верхнюю секцию парогенератора и соответственно в пространство над поршнем. В результате испарения негорючей жидкости цилиндр и поршень охлаждаются и производится дополнительная механическая работа. При прохождении колец 10 нижней кромки выхлопного окна давление в нижней секции парогенератора падает практически до "0". Нижняя секция парогенератора освобождается от остатков пара. Кольцо-клапан 11 прижимается к нижней кромке канавки, препятствуя падению давления в верхней секции парогенератора. При прохождении кольца-клапана 11 верхней кромки выхлопного окна давление в верхней секции парогенератора падает до "0", секция парогенератора освобождается от остатков пара, а кольцо 9 прижимается к нижней кромке канавки, препятствуя падению давления над поршнем. Фаски на кольцах 9 и 11 позволяют неиспарившейся части негорючей жидкости оставаться на стенке цилиндра, испаряясь уже после прохождения поршня. При приходе поршня в НМТ цикл повторяется.

Теплота парообразования и количество подаваемого топлива по сравнению с теплотой парообразования и количеством подаваемой негорючей жидкости невелики, поэтому топливный парогенератор будет перегреваться. Для предотвращения перегрева топливного парогенератора при определенной температуре T₁ через двухпозиционный клапан 17 и обратный клапан 6 в него также впрыскивается негорючая жидкость до достижения оптимальной температуры стенок парогенератора, причем впрыск негорючей жидкости в оба парогенератора происходит одновременно. Запуск такого двигателя можно осуществить при использовании обычного карбюратора и при нагреве топливного парогенератора до оптимальной температуры T₁ осуществить переход на впрыск топлива в топливный парогенератор и продувку цилиндра обычным воздухом. Другой способ пуска двигателя осуществляется путем нагрева электронагревателем 15 топливного парогенератора до оптимальной температуры T₁ с продувкой обычным воздухом.

Впрыск негорючей жидкости начинается при достижении температуры парогенератора негорючей жидкости T₂.

Формула изобретения

Способ подачи топлива и негорючей жидкости в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче топлива в цилиндр двигателя, впрыскивании негорючей жидкости в парогенератор негорючей жидкости, превращении ее в пар с использованием тепла, теряемого с уходящими газами, подаче пара в цилиндр двигателя и создании дополнительной работы, отличающийся тем, что требуемая для данного режима работы двигателя порция топлива подается в топливный щелевой парогенератор, расположенный в головке цилиндра, где она испаряется, и по отверстиям, выполненным под углом к оси цилиндра, пары топлива поступают в цилиндр, образуя вихрь, а негорючая жидкость впрыскивается в щелевой парогенератор негорючей жидкости, образованный зеркалом цилиндра и поршнем с герметизацией объема кольцами и разделением парогенератора негорючей жидкости на две секции кольцом-клапаном, причем пар из верхней части парогенератора поступает по отверстиям, выполненным в поршне под углом к оси цилиндра и по касательной к окружности с возможностью образования вихря, а пар из нижней секции парогенератора через окна в канавке кольца-клапана попадает в верхнюю секцию парогенератора и соответственно в пространство над поршнем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3