Способ работы двигателя внутреннего сгорания и энергетическая установка для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Способ работы двигателя внутреннего сгорания заключается в сжатии атмосферного воздуха компрессором до давления, обеспечивающего прохождение воздуха через газоразделительную мембрану, впуске сжатого воздуха, обогащенного кислородом, впрыске и сгорании топлива, расширении продуктов сгорания и выпуске отработавших газов. Кислород выделяют из атмосферного воздуха и регулируют концентрацию кислорода в воздухе, поступающем в двигатель, посредством устройства для разделения газовых смесей. На режимах от холостого хода и до полного открытия дроссельной заслонки в цилиндры двигателя поступает атмосферный воздух. Производительность компрессора и соответственно степень обогащения воздуха, поступающего в двигатель кислородом, управляется блоком управления. При необходимости максимальной мощности, с блока управления подается управляющий сигнал на компрессор, обеспечивая максимальную прокачку воздуха, а в цилиндры поступает чистый кислород при закрытой дроссельной заслонке. Энергетическая установка содержит камеру с газораспределительной мембраной для выделения кислорода из атмосферного воздуха, выпускной канал, соединенный с впускным патрубком двигателя внутреннего сгорания, выпускной канал для выброса продуктов разделения в атмосферу и впускной канал. В составе установки имеется компрессор, установленный перед впускным каналом, блок управления и дроссельная заслонка, расположенную на входе во впускной патрубок. На оси педали газа установлен потенциометр, сигналы с которого передаются в блок управления, а блок управления дополнен каналом управления компрессором. Технический результат заключается в повышении мощности двигателя и в снижении расхода топлива и токсичности отработавших газов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для повышения мощности, снижения расхода топлива и токсичности выбросов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ работы ДВС с жидкостной системой охлаждения путем впуска в цилиндр свежего заряда, состоящего из топлива и искусственной газовой смеси, содержащей кислород, сжатия, сгорания, выпуска из цилиндра отработавших газов, причем искусственную газовую смесь получают очисткой от углекислого газа и водяных паров отработавших газов и их обогащения кислородом, с целью повышения эффективности, кислород получают в реакционном объеме путем смешивания твердого кислородоносителя и нагретой воды из жидкостной системы охлаждения с образованием газообразного кислорода и твердой фазы, последние вводят в контакт с отработавшими газами, отделяя и удаляя твердую фазу, газовую смесь охлаждают оставшейся частью нагретой воды из системы охлаждения, причем подача кислородоносителя и нагретой воды из системы охлаждения осуществляют дозировано в зависимости от концентрации кислорода в отработавших газах и нагрузки на двигатель двумя противоположными движущимися потоками [авт. св. СССР 1778333, МКИ⁵ F 02 В 47/10. Опубликовано 30.11.92. Бюл. 44].

Недостаток этого способа заключается в том, что используется твердый источник кислорода с ограниченным содержанием кислорода, который время от времени необходимо менять, что мешает бесперебойной работе двигателя. Кроме того, способ не позволяет осуществить работу двигателя с высокой концентрацией кислорода в воздухе, поступающем в его цилиндры.

Известен способ работы энергетической установки путем получения кислорода из кислородсодержащего вещества, подачи полученного кислорода, топлива и инертной присадки в камеру сгорания и преобразования выделившейся энергии в механическую работу на валу, вытесняемые продукты реакции разделяют на два потока, один из которых используют в качестве инертной присадки, а получение кислорода из кислородсодержащего вещества осуществляют путем подвода теплоты другого потока вытесняемых продуктов реакции [патент РФ 2029112, МКИ⁶ F 02 В 47/06, С 01 В 13/02. Опубликован 20.02.95. Бюл. 5].

Недостатки этого способа заключаются в том, что для получения кислорода используются твердые и жидкие кислородсодержащие вещества с ограниченным содержанием кислорода, которые необходимо менять и удалять продукты разложения. Так же установка по производству кислорода имеет большие геометрические размеры.

Также известно устройство для получения кислорода, преимущественно для энергетической установки автомобиля, снабженного аккумуляторной батареей, содержащее, по меньшей мере, один корпус с отводящим штуцером, твердый источник кислорода, размещенный в корпусе и выполненный с осевым каналом, и нагреватель, установленный в корпусе с возможностью контакта с твердым источником кислорода, корпус снабжен съемным колпачком и помещен в кожух с крышкой, твердый источник кислорода выполнен в виде сменной таблетки, а нагреватель снабжен радиатором и расположен в осевом канале таблетки [патент РФ 2029110, МКИ⁶ F 02 В 47/06, С 01 В 13/02. Опубликован 20.02.95. Бюл. 5].

Недостаток этого устройства заключается в том, что используется твердый источник кислорода с ограниченным содержанием кислорода, который необходимо нагревать для получения газообразного кислорода и затем удалять продукты разложения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ работы двигателя внутреннего сгорания, по которому осуществляется впуск сжатого воздуха, обогащенного кислородом, впрыск и сгорание топлива, расширение и продуктов сгорания и выпуск отработавших газов, причем кислород выделяют из атмосферного воздуха и концентрацию кислорода в воздухе, поступающем в двигатель, регулируют посредством устройства для разделения для разделения газовых смесей, установленное на входе в двигатель и содержащее регулятор концентрации кислорода, причем устройство для разделения газовых смесей выполнено в виде газоразделительной мембраны [патент США 5908023, МПК F 02 М 9/00. Опубликован 01.06.99].

Недостатком прототипа является, то, что не предусмотрена возможность поступления в цилиндры двигателя чистого кислорода (при закрытой дроссельной заслонке).

Задачей изобретения является повышение мощности и снижение расхода топлива вследствие увеличения наполнения цилиндров окислителем и снижения насосных потерь, снижение содержания СО и СН в отработавших газах вследствие улучшения процесса сгорания топлива в газовой смеси, обогащенной кислородом, снижение содержания NOx в отработавших газах вследствие снижения концентрации азота в газовой смеси, поступающей в двигатель.

Указанная задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, по которому осуществляют сжатие атмосферного воздуха компрессором до давления, обеспечивающего прохождение воздуха через газоразделительную мембрану, впуске сжатого воздуха, обогащенного кислородом впрыске и сгорании топлива, расширении продуктов сгорания и выпуске отработавших газов, причем кислород выделяют из атмосферного воздуха и регулируют концентрацию кислорода в воздухе, поступающем в двигатель, посредством устройства для разделения газовых смесей, в отличие от прототипа на режимах от холостого хода и до полного открытия дроссельной заслонки в цилиндры двигателя поступает атмосферный воздух, производительность компрессора и соответственно степень обогащения воздуха, поступающего в двигатель кислородом, управляется блоком управления, причем при необходимости максимальной мощности, с блока управления подается управляющий сигнал, на компрессор, обеспечивая максимальную прокачку воздуха, а в цилиндры поступает чистый кислород при закрытой дроссельной заслонке.

Операции заявленного способа могут быть реализованы энергетической установкой, содержащей камеру с газоразделительной мембраной для выделения кислорода из атмосферного воздуха, выпускной канал, соединенный с впускным патрубком двигателя внутреннего сгорания, выпускной канал для выброса продуктов разделения в атмосферу, впускной канал, компрессор, установленный перед впускным каналом, блок управления и дроссельную заслонку, расположенную на входе во впускной патрубок, в отличии от прототипа на ось педали газа установлен потенциометр, сигналы с которого передаются в блок управления, а блок управления дополнен каналом управления компрессором.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства для осуществления заявляемого способа.

Операции заявляемого способа могут быть реализованы энергетической установкой, включающей камеру 1, содержащую газоразделительную мембрану 2 для выделения кислорода из атмосферного воздуха, впускной канал 3 и два выпускных канала 4 и 5. Перед впускным каналом установлен компрессор 6, связанный с блоком управления 7 (БУ). Выпускной канал 4 соединен с впускным патрубком 8 двигателя 9. На входе во впускной патрубок 8 расположена дроссельная заслонка 10, которая регулирует количество поступающего в двигатель воздуха.

Энергетическая установка, реализующая способ, работает следующим образом. На режимах от холостого хода до полного открытия дроссельной заслонки 10 в цилиндр поступает атмосферный воздух. Рабочий объем цилиндров двигателя выбирается таким, чтобы номинальная мощность двигателя получалась при заполнении цилиндров чистым кислородом или воздухом, обогащенным кислородом до концентрации, достижимой для газоразделительного механизма. При полном открытии дроссельной заслонки 10, двигатель 9 обеспечивает мощность, соответствующую максимальному наполнению цилиндров воздухом. При необходимости дальнейшего увеличения мощности двигателя, что определяется, например, по движению педали газа автомобиля, с блока управления 7 подается управляющий сигнал на компрессор 6, где происходит сжатие атмосферного воздуха до давления, обеспечивающего прохождение воздуха через газоразделительную мембрану, сжатый воздух проходит через газоразделительную мембрану 2. Кислород, выделившийся в результате разделения атмосферного воздуха, поступает через выпускной канал 4 во впускной патрубок 8, где смешивается с воздухом, который поступает через дроссельную заслонку 10. Производительность компрессора 6 и, соответственно, степень обогащения воздуха, поступающего в двигатель, кислородом, управляется блоком управления 7. Оставшиеся продукты разделения (преимущественно азот) выбрасываются в атмосферу из выпускного канала 5. При необходимости максимальной мощности двигателя, что определяется, например, по предельному положению педали газа автомобиля, с блока управления 7 подается управляющий сигнал на компрессор 6, который обеспечивает максимальную прокачку воздуха через камеру 1 и, соответственно, максимальную производительность газоразделительного устройства (мембраны 2). Кислород, выделившийся в результате разделения атмосферного воздуха, поступает во впускной патрубок 8 через выпускной канал 4, и в цилиндры поступает чистый кислород при закрытой дроссельной заслонке 10.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Сущность предлагаемого способа работы ДВС состоит в совокупности следующих процессов: впрыск топлива, его сжатия в цилиндрах, преобразование энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала двигателя; сгорание топлива в способе осуществляется так, как у прототипа.

Для реализации способа в двигателе, например, УЗАМ 33137 с впрыском топлива, компрессор 6 соединяют с газоразделительной мембраной 2, а последнюю через выпускной канал 4 - с впускным патрубком 8 двигателя 9. На ось педали газа устанавливают потенциометр, сигналы с которого передаются в блок управления 7. Блок управления 7 представляет собой управляющее устройство, используемое в настоящее время для управления топливоподачей и углом опережения зажигания, например, блок управления МИКАС 5.4, используемый на автомобилях "Волга" с впрыском топлива. Блок управления МИКАС 5.4 подробно описан в литературе, например, в книге "Автомобиль ГАЗ-3110 "Волга". Устройство, особенности эксплуатации и руководство по ремонту двигателей ЗМЗ 4062.10, 402.10, 4021.10. М.: ООО "Атласы автомобилей", 2000 - 256 с.: ил./Под редакцией гл. конструктора ЗМЗ Пичугина В.Б.". Для целей регулирования содержания кислорода в газовой смеси, поступающей в двигатель, блок управления МИКАС 5.4 дополняется каналом управления компрессором, что не представляет трудностей, т.к. эта возможность заложена в конструкции блока. Систему управления топливоподачей оставляют без изменений, увеличив диапазон цикловых подач до значений, соответствующим максимальному наполнению цилиндров кислородом (приблизительно в 5 раз). На ось дроссельной заслонки 10 устанавливают шаговый двигатель, управление которым осуществляется по командам с блока управления.

В результате повышается мощность и снижается расход топлива вследствие увеличения наполнения цилиндров окислителем и снижения насосных потерь, снижается содержание СО и СН в отработавших газах вследствие улучшения процесса сгорания топлива в газовой смеси, обогащенной кислородом, снижается содержание NOx в отработавших газах вследствие снижения концентрации азота в газовой смеси, поступающей в двигатель.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в сжатии атмосферного воздуха компрессором до давления, обеспечивающего прохождение воздуха через газоразделительную мембрану, впуске сжатого воздуха, обогащенного кислородом, впрыске и сгорании топлива, расширении продуктов сгорания и выпуске отработавших газов, причем кислород выделяют из атмосферного воздуха и регулируют концентрацию кислорода в воздухе, поступающем в двигатель, посредством устройства для разделения газовых смесей, отличающийся тем, что на режимах от холостого хода и до полного открытия дроссельной заслонки в цилиндры двигателя поступает атмосферный воздух, производительность компрессора и соответственно степень обогащения воздуха, поступающего в двигатель, кислородом, управляется блоком управления, причем при необходимости максимальной мощности с блока управления подается управляющий сигнал на компрессор, обеспечивая максимальную прокачку воздуха, а в цилиндры поступает чистый кислород при закрытой дроссельной заслонке.

2. Энергетическая установка, содержащая камеру с газораспределительной мембраной для выделения кислорода из атмосферного воздуха, выпускным каналом соединенную с впускным патрубком двигателя внутреннего сгорания, выпускной канал для выброса продуктов разделения в атмосферу, впускной канал, компрессор, установленный перед впускным каналом, блок управления и дроссельную заслонку, расположенную на входе во впускной патрубок, отличающаяся тем, что на ось педали газа установлен потенциометр, сигналы с которого передаются в блок управления, а блок управления дополнен каналом управления компрессором.

РИСУНКИ

Рисунок 1