Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания
Владельцы патента RU 2546933:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к двигателестроению. Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с эпитрохоидной рабочей камерой и трехгранным ротором осуществляется путем подачи в рабочую камеру свежей топливовоздушной смеси и водорода с заданным коэффициентом избытка воздуха. Подачу водорода осуществляют в зону, прилегающую к задней вершине ротора, в момент времени, совпадающий с подачей искры на дожигающую свечу зажигания. Изобретение направлено на повышение полноты сгорания топливовоздушной смеси в роторно-поршневом двигателе при меньшем расходе используемого водорода. 7 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и представляет собой способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Основными преимуществами РПД перед традиционными поршневыми двигателями являются меньшие массогабаритные показатели и лучшие показатели по уравновешенности и металлоемкости. Однако РПД по-прежнему не могут конкурировать с последними, так как имеют несколько больший удельный расход топлива и повышенное содержание несгоревших углеводородов в отработавших газах.
Причиной указанных недостатков оказывается, главным образом, неполное сгорание топливовоздушной смеси вблизи задней по ходу вращения вершины ротора. Распространению фронта пламени в сторону этой части камеры сгорания препятствует однонаправленное движение топливовоздушной смеси, обусловленное вращением ротора. Эффективным средством решения этой проблемы является добавка водорода к основной топливовоздушной смеси. Повышенная концентрация водорода, обладающего высокой химической активностью и теплотой сгорания, позволяет увеличить скорость распространения пламени в топливовоздушной смеси в сторону задней вершины ротора.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче водорода (авторское свидетельство SU №1206458, МПК F02B 43/08, опубликовано 23.01.1986) путем подключения источника водорода к впускному каналу при помощи трубопровода с регулирующим запорным органом, в соответствии с которым в начале пуска первая порция водорода находится за пределами воспламенения по концентрации, создавая при этом богатую водородовоздушную смесь (более 74,2% водорода по объему). Данный способ направлен на борьбу с обратными вспышками, однако при продувке двигателя значительное количество водорода будет теряться, а также отсутствует возможность дозирования малых цикловых подач водорода, в результате чего увеличивается расход используемого водорода.
Известен способ питания двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче водорода под определенным разряжением через обратный газодинамический клапан во впускной канал (патент RU №2006608, МПК F02B 43/08, опубликовано 30.01.1994). Недостатком данного способа является сложность управления газодинамическим клапаном в зависимости от режима работы двигателя, что исключает возможность подачи нужного количества водорода, в результате чего значительно увеличивается его расход.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент RU №2123121, МПК F02B 5/02, F02B 43/12, опубликовано 10.12.1998), включающий подачу в камеру сгорания топливовоздушной смеси, ее сжатие, подвод водорода в зону электродов свечи зажигания импульсом, согласованным по времени с искровым разрядом, и воспламенение. При этом для эффективного воспламенения топливовоздушного заряда отношение массы водорода к массе топлива не превышает величины 0,001 на режиме не более 2/3 максимальной нагрузки. Однако в силу специфики движения заряда в роторно-поршневом двигателе добавка водорода в зону электродов свечи не решает проблему догорания топливовоздушной смеси у задней вершины ротора. Недостатком описанного способа является также необходимость использования нестандартных свечей зажигания.
Наиболее близким (прототипом) к заявленному изобретению является способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (авторское свидетельство SU №1097815, МПК F02B 55/10, опубликовано 15.06.1984) с эпитрохоидной рабочей камерой и трехгранным ротором путем подачи в рабочую камеру свежей топливовоздушной смеси с заданным коэффициентом избытка воздуха двумя потоками : первый поток подает водородовоздушную смесь и направлен параллельно торцевой поверхности ротора, а второй подает углеводородно-воздушную смесь и направлен перпендикулярно этой поверхности. В результате этого снижается токсичность отработавших газов, однако полученная топливовоздушная смесь с добавками водорода располагается преимущественно у передней вершины ротора, что приводит к повышенному расходу используемого водорода.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении полноты сгорания топливно-воздушной смеси в РПД при меньшем расходе используемого водорода и, соответственно, в снижении удельного расхода основного углеводородного топлива и выбросов токсичных веществ с отработавшими газами.
Технический результат достигается тем, что в способе работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с эпитрохоидной рабочей камерой и трехгранным ротором путем подачи в рабочую камеру свежей топливовоздушной смеси и водорода с заданным коэффициентом избытка воздуха, подачу водорода осуществляют в зону, прилегающую к задней вершине ротора, в момент времени, совпадающий с подачей искры на дожигающую свечу зажигания.
При подводе водорода данным способом топливовоздушная смесь, обогащенная водородом, поступает именно в ту зону, в которой фронт пламени распространяется против направленного движения топливовоздушной смеси, обусловленного вращением ротора. Вследствие более высокой скорости распространения пламени в топливовоздушной смеси, обогащенной водородом, фронт пламени успевает достичь задней вершины ротора до момента открытия выпускного окна. В результате повышается полнота сгорания топливо-воздушной смеси, что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода используемого водорода и одновременно к снижению удельного расхода основного углеводородного топлива.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - схема роторно-поршневого двигателя в начале такта впуска;
на фиг.2 - схема роторно-поршневого двигателя в момент начала подачи водорода на такте впуска;
на фиг.3 - схема роторно-поршневого двигателя в конце такта впуска;
на фиг.4 - схема роторно-поршневого двигателя в момент начала процесса сгорания;
на фиг.5 - картина распространения фронтов пламени в зависимости от величины добавки водорода;
на фиг.6 - сравнение расхода водорода в процентах от основной массы топлива при различных условиях подачи водорода;
на фиг.7 - зависимость доли несгоревшего топлива от нагрузочного режима работы двигателя без добавки водорода.
Роторно-поршневой двигатель, работающий по предлагаемому способу (фиг.1-4), содержит статор 1 с эпитрохоидной рабочей камерой 2 с размещенным в ней трехгранным ротором 3. Ротор соединен с эпитрохоидной рабочей камерой статора каждой из трех своих вершин 4, 5, 6, создавая при этом три отдельные рабочие камеры 7, 8, 9. В боковой крышке расположены впускные окна 10. В статоре выполнено выпускное окно 11 и размещены две свечи зажигания: лидирующая свеча ″L″ 12 и дожигающая свеча ″T″ 13.
Способ работы роторно-поршневого двигателя осуществляется следующим образом.
При движении ротора 3 от верхней мертвой точки на такте впуска в рабочей камере 7 открываются впускные окна 10 и через них начинается подача смеси воздуха и основного углеводородного топлива (фиг.1). При дальнейшем движении ротора 3 в рабочей камере 7 на такте впуска к смеси воздуха и основного углеводородного топлива начинают добавлять водород в момент времени, совпадающий с подачей искры на дожигающую свечу зажигания ″T″ 13 в следующей по ходу вращения ротора рабочей камере 8 (фиг.2). Далее по ходу движения ротора 3 задняя вершина ротора 5 рабочей камеры 7 перекрывает впускные окна 10 (фиг.3), подача основного углеводородного топлива, воздуха и водорода прекращается и происходит сжатие рабочей смеси. В конце такта сжатия вблизи мертвой точки на лидирующую свечу ″L″ 12 и дожигающую свечу ″Г″ 13 подают импульсы высокого напряжении для воспламенения смеси. При этом топливовоздушная смесь с добавками водорода находится в зоне между задней вершиной ротора 5 и дожигающей свечой ″Т″ 13, т.е. в зоне, прилегающей к задней вершине ротора (фиг.4), что приводит к полному сгоранию основного углеводородного топлива. Далее происходит расширение продуктов сгорания на такте рабочего хода и при дальнейшем движении ротора открывается выпускное окно 11 и происходит выпуск отработавших газов. Затем цикл повторяется.
Из фиг.2 видно, что, для того чтобы водород попал в зону, прилегающую к задней вершине ротора (φT), его подачу надо начинать в момент времени, совпадающий с подачей искры на дожигающую свечу зажигания. Если начинать подачу водорода к основной топливовоздушной смеси раньше момента времени подачи искры на дожигающую свечу «T», то это приведет к повышенному расходу водорода, а если позже, - к неполному сгоранию основной топливовоздушной смеси у задней вершины ротора из-за недостатка добавки водорода.
Путем моделирования процесса сгорания роторно-поршневого двигателя установлено, что подача водорода в зону, прилегающую к задней вершине ротора, является эффективным способом повышения полноты сгорания топливовоздушной смеси в РПД. На фиг.5 показана картина распространения фронтов пламени при различной величине добавки водорода в сторону задней вершины ротора. При этом результирующая топливо-воздушная смесь с добавками водорода представляет собой смесь стехио-метрического состава (α=1), а величина добавки водорода указана в процентах от общей массы подаваемого топлива. Так, при добавке 9% водорода наблюдается заметное уменьшение недогорания вблизи задней вершины, а при добавке водорода 13% и более фронт пламени достигает задней вершины до завершения процесса сгорания.
Полное выгорание топливовоздушной смеси удается обеспечить не только на смесях стехиометрического состава, но и на обедненных смесях. На фиг.6 показана зависимость величины добавки водорода от коэффициента избытка воздуха на полной нагрузке двигателя при различных условиях подачи водорода. В случае подачи водорода в зону, прилегающую к задней вершине ротора, на каждом режиме работы двигателя удается уменьшить расход водорода на 10% по сравнению с подачей водорода во всю область рабочей камеры РПД. Подача водорода в конце такта впуска позволяет при сохранении положительного эффекта уменьшить расход водорода, что важно в связи со сложностью генерации и хранения большого количества водорода на борту мобильных машин.
За счет полного сгорания топливовоздушной смеси в РПД резко уменьшается содержание несгоревших углеводородов в отработавших газах. В подтверждение вышесказанного на фиг.7 показан график зависимости доли недогоревшего топлива от нагрузки двигателя без добавки водорода (α=1). Из фиг.7 видно, что добавка водорода в несколько раз снижает выбросы несгоревших углеводородов во всем диапазоне нагрузочного режима работы двигателя. Так, на режиме максимальной нагрузки на 14% уменьшается доля недогоревшего топлива в камере сгорания РПД, что приводит к соответствующему увеличению мощности двигателя и снижению удельного расхода основного топлива.
Предложенный способ подачи водорода позволяет избежать преждевременного воспламенения водорода во впускном коллекторе, так как водород не контактирует с горячими элементами камеры сгорания и находящимися в ней остаточными продуктами сгорания в начальный момент процесса впуска.
Достигаемый результат заключается в повышении полноты сгорания топливно-воздушной смеси в РПД при меньшем расходе используемого водорода и, соответственно, в снижении удельного расхода основного углеводородного топлива и выбросов токсичных веществ с отработавшими газами.
Способ работы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с эпитрохоидной рабочей камерой и трехгранным ротором путем подачи в рабочую камеру свежей топливовоздушной смеси и водорода с заданным коэффициентом избытка воздуха, отличающийся тем, что подачу водорода осуществляют в зону, прилегающую к задней вершине ротора, в момент времени, совпадающий с подачей искры на дожигающую свечу зажигания.
