Высокотемпературное полифункциональное электрохимическое устройство

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к электрохимическим устройствам для получения водорода из воды и окисления органических продуктов. Изобретение позволяет увеличить полноту сгорания топлива и улучшить экологические показатели двигателя. Высокотемпературное полифункциональное электрохимическое устройство (ВПЭУ) для получения водорода из воды и окисления органических продуктов содержит корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, электрохимические модули, входной и выходной коллекторы электрохимических модулей, теплообменник-нагреватель водяного пара, выходной теплообменник. ВПЭУ дополнительно содержит клапан подачи воды, испаритель воды, теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха. Входной патрубок ВПЭУ соединен с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а выходной патрубок ВПЭУ соединен с входным патрубком глушителя. Входной коллектор электрохимических модулей соединен с одной стороны через теплообменник-нагреватель водяного пара, испаритель воды и клапан подачи воды с резервуаром для воды, а с другой стороны через теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха с источником воздуха, например воздухозаборником. Выходной коллектор электрохимических модулей соединен через выходной теплообменник с воздухозаборником ДВС. За входным патрубком ВПЭУ последовательно по потоку выхлопных газов установлены теплообменник-нагреватель воздуха, выходной теплообменник, электрохимические модули, теплообменник-нагреватель водяного пара и испаритель воды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрохимическим устройствам для получения водорода из воды и окисления органических продуктов и может быть использовано для улучшения работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на органическом топливе.

Известно высокотемпературное электрохимическое устройство, содержащее корпус с теплоизоляцией, электрохимические модули, входные и выходные патрубки и коллекторы, теплообменник-нагреватель (Пат. США №4728584 от 01.03.1988 г.).

Известно также высокотемпературное электрохимическое устройство, содержащее корпус с теплоизоляцией, электрохимические модули, входной и выходной коллекторы, патрубки подачи воды и воздуха (Пат. Франции №2125729 от 18.02.1971 г.).

Известные высокотемпературные электрохимические устройства не могут быть эффективно использованы для улучшения работы ДВС, так как не имеют необходимого набора и нужного взаимного расположения конструктивных элементов.

Предлагаемое высокотемпературное полифункциональное электрохимическое устройство (ВПЭУ) для получения водорода из воды и окисления органических продуктов, включающее корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, электрохимические модули, входной и выходной коллекторы электрохимических модулей, теплообменник-нагреватель водяного пара, выходной теплообменник, согласно изобретению дополнительно содержит клапан подачи воды, испаритель воды, теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха, причем входной патрубок ВПЭУ соединен с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а выходной патрубок ВПЭУ соединен с входным патрубком глушителя, входной коллектор электрохимических модулей соединен с одной стороны через теплообменник-нагреватель водяного пара, испаритель воды и клапан подачи воды с резервуаром для воды, а с другой стороны через теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха с источником воздуха, например воздухозаборником, а выходной коллектор электрохимических модулей соединен через выходной теплообменник с воздухозаборником ДВС. За входным патрубком устройства последовательно по потоку выхлопных газов могут быть установлены теплообменник-нагреватель воздуха, выходной теплообменник, электрохимические модули, теплообменник-нагреватель водяного пара и испаритель воды.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что за счет добавки водорода в воздух, поступающий в камеры сгорания ДВС, увеличивается полнота сгорания топлива и таким образом повышается его эффективность, а выхлопные газы, содержащие недоокисленные продукты в виде монооксида углерода и углеводородов, окисляются на электрохимических модулях, что улучшает экологические показатели ДВС.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого высокотемпературного полифункционального электрохимического устройства (ВПЭУ), где

1 - выходной коллектор электрохимических модулей,

2 - электрохимические модули,

3 - входной коллектор электрохимических модулей,

4 - клапан подачи воды,

5 - резервуар для воды,

6 - входной патрубок глушителя,

7 - выходной патрубок ВПЭУ,

8 - испаритель воды,

9 - теплообменник-нагреватель водяного пара,

10 - корпус с теплоизоляцией,

11 - выходной теплообменник,

12 - теплообменник-нагреватель воздуха,

13 - входной патрубок ВПЭУ,

14 - выхлопной патрубок ДВС,

15 - воздухозаборник ДВС,

16 - клапан подачи воздуха.

На фиг.2 представлен график изменения температуры выхлопных газов внутри ВПЭУ, иллюстрирующего эффективность предлагаемой последовательности расположения элементов конструкции внутри устройства по потоку выхлопных газов.

Предлагаемое устройство расположено между выхлопным патрубком ДВС 14 и входным патрубком глушителя 6 и состоит из корпуса с теплоизоляцией 10, имеющего входной 13 и выходной 7 патрубки, внутри корпуса расположены электрохимические модули 2 с входным 3 и выходным 1 коллекторами, теплообменником-нагревателем воздуха 12, выходным теплообменником 11, теплообменником-нагревателем водяного пара 9 и испарителем воды 8. Входной коллектор 3 электрохимических модулей соединен с одной стороны через теплообменник-нагреватель водяного пара 9, испаритель воды 8 и клапан подачи воды 4 с резервуаром для воды 5, а с другой стороны через теплообменник-нагреватель воздуха 12 и клапан подачи воздуха 16 с источником воздуха, например воздухозаборником, а выходной коллектор 1 электрохимических модулей соединен через выходной теплообменник 11 с воздухозаборником ДВС 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При открытом клапане подачи воздуха 16 и закрытом клапане подачи воды 4 воздух подается через теплообменник-нагреватель 12 и входной коллектор 3 внутрь электрохимических модулей 2, где под действием электрического тока из воздуха выделяется кислород и переносится через твердый электролит к наружной поверхности модулей 2, на которой происходит окисление всех недоокисленных продуктов, содержащихся в выхлопных газах ДВС. Воздух, прошедший через модули 2, собирается выходным коллектором 1 и отводится через выходной теплообменник 11 в воздухозаборник ДВС 15. В этом режиме работы при открытом клапане 16 и закрытом клапане 4 предлагаемое устройство очищает выхлопные газы ДВС от монооксида углерода и углеводородов.

При закрытом клапане подачи воздуха 16 и открытом клапане подачи воды 4 предлагаемое устройство работает следующим образом. Вода из резервуара 5 через клапан 4 подается в испаритель воды 8, водяной пар из испарителя 8 через теплообменник-нагреватель 9 и входной коллектор 3 поступает внутрь электрохимических модулей 2, где за счет электрического тока происходит электролиз воды с выделением водорода. Кислород переносится через твердый электролит и на внешней поверхности модулей 2 окисляет все недоокисленные продукты, содержащиеся в выхлопных газах ДВС, а образовавшийся внутри модулей 2 водород вместе с оставшимся водяным паром через выходной теплообменник 11 подается в воздухозаборник ДВС 15. Смешиваясь в воздухозаборнике 15 с наружным воздухом, водород поступает в ДВС, в котором увеличивает степень сгорания основного топлива, повышая таким образом эффективность ДВС. Второй режим работы предлагаемого устройства с подачей водорода в ДВС особенно эффективно применять при переходных режимах работы ДВС, например, в моменты пуска или резкого увеличения оборотов.

Как видно из фиг.2, с учетом того, что рабочая температура ВПЭУ должна быть выше, чем температура выхлопных газов, именно предлагаемая последовательность расположения теплообменников и электрохимических модулей обеспечивает наиболее полную и эффективную рекуперацию тепла для поддержания рабочей температуры модулей выше, чем температура выхлопных газов.

1. Высокотемпературное полифункциональное электрохимическое устройство (ВПЭУ) для получения водорода из воды и окисления органических продуктов, включающее корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, электрохимические модули, входной и выходной коллекторы электрохимических модулей, теплообменник-нагреватель водяного пара, выходной теплообменник, отличающееся тем, что дополнительно содержит клапан подачи воды, испаритель воды, теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха, причем входной патрубок ВПЭУ соединен с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а выходной патрубок ВПЭУ соединен с входным патрубком глушителя, входной коллектор электрохимических модулей соединен с одной стороны через теплообменник-нагреватель водяного пара, испаритель воды и клапан подачи воды с резервуаром для воды, а с другой стороны через теплообменник-нагреватель воздуха и клапан подачи воздуха с источником воздуха, например воздухозаборником, а выходной коллектор электрохимических модулей соединен через выходной теплообменник с воздухозаборником ДВС.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что за входным патрубком ВПЭУ последовательно по потоку выхлопных газов установлены теплообменник-нагреватель воздуха, выходной теплообменник, электрохимические модули, теплообменник-нагреватель водяного пара и испаритель воды.