Двигатель внутреннего сгорания с устройством для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой

Изобретение относится к конструкциям двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и к их топливной аппаратуре. ДВС содержит устройство для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой, блок-картер (1), цилиндровую втулку (2), крышку цилиндра (3) с клапанами. Устройство для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой содержит насосы подачи воды (6) и топлива (5), смеситель (7), подогреватель (8) смеси, газогенератор (4) и аккумулятор газа (12) с датчиком давления. Подогреватель (8) смеси установлен в выхлопном коллекторе (9). Газогенератор (4) выполнен в виде кольца, внутри которого смонтирован ряд жаропрочных труб (16). Газогенератор (4) установлен между цилиндровой втулкой (1) и крышкой цилиндра (1), в верней части камеры сгорания, таким образом, что внутреннее пространство газогенератора (4) не связано с камерой сгорания. Аккумулятор газа (12) соединен трубопроводами с одной стороны с газогенератором (4), а с другой, через вакуум-редукторный клапан (13) и коллектор топливовоздушной смеси (11), с коллектором всасывающего воздуха (10). Технический результат заключается в получении регулируемого процесса газогенерирования с возможностью изменять количество и качественный состав горючего газа. 2 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям двигателей внутреннего сгорания и к их топливной аппаратуре. Такие двигатели могут найти применение во всех областях применения современных ДВС, в том числе на автомобилях, тракторах и танках, на морских и речных судах, в легкомоторной авиации.

Уровень техники.

Известны способы преобразования смеси углеводородного топлива с водой в горючий газ в газогенераторах, с целью использования его в двигателях внутреннего сгорания (например, американский патент №3682142). Предварительно нагретая выхлопными газами смесь направляется в газогенератор, где для повышения температуры реакции дополнительно сжигают часть топлива. В газогенераторе идет реакция и осуществляется пиролиз, т.е. топливоводяная смесь преобразуется в горючий газ, содержащий водород.

Известны способы преобразования смеси углеводородного топлива с водой в горючий газ, осуществляемые в одном из цилиндров двигателя при неполном сгорании топлива, для использования его в других цилиндрах этого же двигателя в качестве топлива. По патенту Германии De №10214987, F02B 75/40 известен двигатель внутреннего сгорания, который содержит: по крайней мере, один цилиндр-генератор и, по крайней мере, один рабочий цилиндр, которые оснащены поршнями, головками цилиндров, также с обычным способом управляемыми впускными и выпускными клапанами и поршни; систему подачи топлива в камеру испарения, с соплом для подачи топлива и воды; соединительный трубопровод между камерой испарения и впускным клапаном генераторного цилиндра и распределительный трубопровод, который соединяет выпускной клапан цилиндра генератора с впускными клапанами рабочих цилиндров; подводящий трубопровод воздуха, или для цилиндра-генератора и рабочих цилиндров, причем в камере испарения образовывается паровая смесь воды и топлива, которая в период такта всасывания подается в генератор цилиндра, на такте сжатия, сжимается, а затем поджигается. Продукты реакции горения при выпускном цикле цилиндра генератора отводятся и направляются в распределительный трубопровод, причем продукты реакции из распределительного трубопровода подводятся в рабочие цилиндры, сжимаются в такте сжатия, затем сжигаются и выбрасываются в ходе выпуска выхлопных газов. Наиболее близким из аналогов к предлагаемому изобретению является патент Германии De №10214987, который и выбран как прототип.

Недостатки.

Во всех аналогах значительная часть энергии, необходимой для генерирования, получают путем сжигания дополнительного количества топлива. В прототипе один из цилиндров используется как генератор газа, что требует существенного изменения конструкции и усложняет ее. От частичного сгорания топлива в цилиндре, для обеспечения условий реакции в составе горючей смеси, направляемой в рабочие цилиндры, содержится большее количество СO₂, чем образуется от реакции генерирования, кроме того, в ней содержится азот воздуха, участвующего в горении, и его оксиды. Процесс генерирования смеси топлива в цилиндре как и сгорания неуправляемый. Все вышеуказанное снижает общий кпд двигателя.

Цель изобретения.

Целью изобретения является исключение необходимости существенного изменения конструкции двигателя и получение возможности модернизации эксплуатируемых двигателей; получение регулируемого процесса генерирования с возможностью изменять количество и качественный состав горючего газа; повышение общего кпд двигателя, достигаемое благодаря тому, что между втулками цилиндров и их крышками монтируется генератор газа, не связанный непосредственно с камерой сгорания и в который нагнетается смесь углеводородного топлива с водой в регулируемой пропорции, предварительно нагретая теплом выхлопных газов в подогревателе, размещенном в выхлопном коллекторе.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

На фигуре 1 изображен поперечный разрез двигателя внутреннего сгорания с устройством для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой, схема подачи смеси углеводородного топлива с водой в газогенератор и схема подачи горючего газа во всасывающий коллектор двигателя внутреннего сгорания;

На фигуре 2 изображен горизонтальный разрез газогенератора,

Как показано на фигурах, заявляемый двигатель внутреннего сгорания с устройством для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой содержит блок-картер 1; цилиндровую втулку 2; крышку 3 цилиндра с клапанами; газогенератор 4, выполненный в виде кольца, внутри которого смонтирован ряд жаропрочных труб 16, и установленный между цилиндровой втулкой 2 и крышкой 3 цилиндра, в верней части камеры сгорания, таким образом, что внутреннее пространство газогенератора 4 не связано с камерой сгорания; насос 5 подачи топлива и насос 6 подачи воды, выполненные таким образом, что на каждом из них, независимо друг от друга, можно изменять и дозировать количество нагнетаемой жидкости; смеситель 7, соединенный трубопроводом с насосом 5 подачи топлива и насосом 6 подачи воды; подогреватель 8 смеси углеводородного топлива с водой, соединенный трубопроводами, с одной стороны, со смесителем 7, а с другой - с газогенератором 4; выхлопной коллектор 9, в котором монтируется подогреватель 8; коллектор 10 всасывающего воздуха с коллектором 11 топливовоздушной смеси; аккумулятор 12 горючего газа с датчиком давления (не показан), соединенный трубопроводами с одной стороны с газогенератором 4, а с другой через вакуум-редукторный клапан 13 и коллектор 11 топливовоздушной смеси - с коллектором 10 всасывающего воздуха; карбюратор 14 для карбюраторного (инжектор для дизельного) двигателя; электромагнитный клапан 15, отключающий подачу топлива в карбюратор 14.

Устройство для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой содержит следующие элементы, связанные между собой трубопроводами: насос 5 подачи топлива и насос 6 подачи воды; смеситель 7, связанный трубопроводом с насосом 5 подачи топлива и насосом 6 подачи воды; подогреватель 8 смеси углеводородного топлива с водой, который монтируется в выхлопном коллекторе 9 и связан трубопроводом со смесителем 7; газогенератор 4, связанный трубопроводом с подогревателем 8 смеси углеводородного топлива с водой; аккумулятор 12 горючего газа, связанный трубопроводом с газогенератором 4 и через вакуум-редукторный клапан 13 и коллектор 11 топливовоздушной смеси - с всасывающим коллектором 10.

Двигатель работает следующим образом: двигатель запускается и работает в обычном своем режиме. Насос 5 подачи топлива, который на первом этапе создает давление, не превышающее 0,05 МПа, через открытый электромагнитный клапан 15 подает топливо в карбюратор 14, смешивается с воздухом и через коллектор 11 топливовоздушной смеси поступает во всасывающий коллектор 10. После прогрева двигателя и при достижении в выхлопном коллекторе 9 температуры 200-300°С, включается насос подачи воды 6, причем насосы регулируют на первом этапе так, что в смеситель 7 топливо и вода нагнетаются с давлением не выше 0,2-0,3 МПа и в пропорции 1:1. Из смесителя 7 образовавшаяся смесь углеводородного топлива с водой поступает в подогреватель 8, в котором она нагревается до температуры 250-350°С и преобразуется в пар, который далее поступает в газогенератор 4 и, проходя по жаропрочным трубам, нагретым до температуры 800-900°С, преобразуется в горючий газ. В газогенераторе осуществляется реакция пиролиза паровой фазы смеси углеводородного топлива и воды. Т.к. углеводородное топливо содержит 90% предельных углеводородов, реакцию пиролиза можно представить в виде: C_nH_2n+2+nH₂O=nCO+(2n+1)H₂. При этом теплотворная способность образовавшегося горючего газа превышает теплотворную способность поданного углеводородного топлива на величину количества тепла, затраченного на реакцию пиролиза.

Образовавшийся в газогенераторе 4 горючий газ поступает в аккумулятор горючего газа 12. При повышении давления в аккумуляторе от датчика давления срабатывает электромагнитный клапан 15 и перекрывает доступ жидкого топлива в карбюратор, а вакуум-редукторный клапан 13 открывает доступ горючего газа через коллектор топливовоздушной смеси 12 во всасывающий коллектор 10. Двигатель продолжает работать на горючем газе. При увеличении нагрузки и росте температуры выхлопных газов на двигатель, увеличением количества воды, подаваемой насосом 6, меняется пропорция в смеси углеводородного топлива и воды и при достижении ее значения 1:2 в генераторе газа пиролиз осуществляется в соответствии с формулой реакции: C_nH_2n+2+2nH₂O=nCO₂+(3n+1)H₂, при этом теплотворная способность образовавшегося горючего газа превышает теплотворную способность горючего газа, получаемого из смеси углеводородного топлива с водой при пропорции 1:1. Таким образом, с изменением пропорции углеводородного топлива и воды в смеси изменяется количество и качество горючего газа.

Преимущества примененного способа генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой обусловлены тем, что процесс генерирования происходит от тепла, выделенного в камере сгорания цилиндров, а процесс парообразования смеси осуществляется полностью за счет теплоты выхлопных газов, при этом теплота, затраченная на генерирование газа, увеличивает теплотворную способность смеси горючих газов. Вследствие этого тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы уменьшается, а термический кпд цикла увеличивается. Экологическая безопасность двигателя возрастает до требований ЕВРО 6. Устройство может быть применено как на четырехтактных, так и на двухтактных двигателях. Также, оно может быть применено как на карбюраторных, так и на дизельных двигателях.

Двигатель внутреннего сгорания с устройством для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой, содержащий: блок-картер; цилиндровую втулку; крышку цилиндра с клапанами; газогенератор; насос подачи топлива и насос подачи воды, подогреватель смеси углеводородного топлива с водой, аккумулятор горючего газа, отличающийся тем, что устройство для генерирования горючих газов из смеси углеводородного топлива с водой содержит следующие элементы, связанные между собой трубопроводами: насос подачи воды и насос подачи топлива; смеситель и подогреватель смеси, который установлен в выхлопном коллекторе; газогенератор, который выполнен в виде кольца, внутри которого смонтирован ряд жаропрочных труб, и установлен между цилиндровой втулкой и крышкой цилиндра, в верхней части камеры сгорания, таким образом, что внутреннее пространство газогенератора не связано с камерой сгорания; аккумулятор газа с датчиком давления, соединенный трубопроводами с одной стороны с газогенератором, а с другой через вакуум редукторный клапан и коллектор топливовоздушной смеси с коллектором всасывающего воздуха.