способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий в начальном этапе подачу основного углеводородного топлива в камеру сгорания двигателя с последующим его сгоранием и перепуск отработавших газов по выпускному тракту двигателя с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя воды и последующим их отводом в атмосферу, подачу воды из емкости с водой в испаритель, перепуск полученного пара из испарителя в реактор, осуществление в последнем реакции взаимодействия водяного пара с углеродосодержащим компонентом с получением конвертированного газа, направляемого в камеру сгорания двигателя, отличающийся тем, что в качестве углеродосодержащего компонента используют основное углеводородное топливо, реакцию взаимодействия последнего с водяным паром осуществляют в присутствии катализатора, отработавшие газы перед их отводом в атмосферу направляют в воду емкости с водой, а после направления конвертированного газа в камеру сгорания двигателя подачу в нее основного углеводородного топлива прекращают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного углеводородного топлива используют газовое топливо.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве газового топлива используют природный газ.

4. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий систему питания, включающую линию подвода основного углеводородного топлива и контур питания конвертированным газом, подключенные через смеситель и впускной тракт двигателя к его камере сгорания, выпускной тракт с оконечным патрубком и систему управления, имеющую три электромагнитных клапана и два датчика температуры, причем контур питания конвертированным газом выполнен в виде связанных между собой последовательно емкости с водой, сообщенной с атмосферой, испарителя воды и реактора, а выпускной тракт выполнен с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя, отличающийся тем, что в контур питания конвертированным газом включены смеситель-дозатор основного углеводородного топлива и водяного пара, расположенный между испарителем, в полости которого установлен первый датчик температуры, а на выходе размещен первый электромагнитный клапан, и реактором, выполненным каталитическим, в полости которого установлен второй датчик температуры, и питатель, расположенный между емкостью с водой, в которую погружен оконечный патрубок выпускного тракта, и испарителем, система управления снабжена блоком управления, связанным со смесителем-дозатором, питателем, электромагнитными клапанами и датчиками температуры, клапаном-ограничителем падения давления, установленным в контуре питания конвертированным газом на выходе из реактора, и двумя редукторами, первый из которых расположен в контуре питания конвертированным газом между клапаном-ограничителем и смесителем, а второй установлен в линии подвода основного углеводородного топлива и выполнен двухступенчатым, причем выход его первой ступени сообщен через второй электромагнитный клапан со смесителем-дозатором, а выход его второй ступени подключен к смесителю и через дополнительно установленную дроссельную шайбу и третий электромагнитный клапан к контуру питания конвертированным газом между клапаном-ограничителем и первым редуктором.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что часть выпускного тракта размещена внутри полости реактора.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что реактор размещен внутри выпускного тракта.

7. Двигатель по пп.4 6, отличающийся тем, что смеситель-дозатор выполнен в виде пары лопастных насосов.

8. Двигатель по пп.4 7, отличающийся тем, что редукторы снабжены экономайзерами, управляющие полости которых соединены со смесителем.

9. Двигатель по пп.4 8, отличающийся тем, что второй редуктор снабжен третьей ступенью.

10. Двигатель по пп.4 9, отличающийся тем, что испаритель снабжен предохранительным клапаном, подсоединенным к емкости с водой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания и двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано при создании транспортных (карбюраторных и дизельных) двигателей в комплексе с каталитическими реакторами для производства на борту транспортного средства конвертированного газа, используемого в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, в котором в котором реализуется способ работы, включающий подачу основного углеводородного топлива в камеру сгорания двигателя в смеси с водородной присадкой, получаемой в результате термохимической реакции воды и энергоаккумулирующего вещества (окиси алюминия), при этом химическую активность воды повышают с помощью отработавших газов. В состав двигателя входят система питания основным углеводородным топливом, контур подачи водородной присадки, связанный с реактором, расходные баки для воды и электроаккумулирующего вещества, снабженные питателями, и выпускной тракт, подключенный к баку с водой (авт. св. СССР N 937745, кл. F 02 B 43/10, 1982).

Недостатком известных способа и двигателя является недостаточная экономия основного углеводородного топлива, поскольку основное углеводородное топливо поступает в камеру сгорания двигателя, не обладая высоким уровнем энергии, а высокоэнергетическая составляющая водород, используется в виде присадки и по отношению к основному углеводородному топливу в некоторой пропорции. Кроме этого, в процессе работы двигателя недостаточно рационально используется тепло выпускных газов.

Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания, реализуемый в двигателе, которые приняты в качестве прототипа предлагаемых способа и двигателя. Известный способ включает в начальном этапе подачу основного углеводородного топлива в камеру сгорания двигателя с последующим его сгоранием и перепуск отработавших газов по выпускному тракту двигателя с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя воды и последующим их отводом в атмосферу, подачу воды из емкости с водой в испаритель, перепуск полученного пара из испарителя в реактор, осуществление в последнем термохимической реакции взаимодействия водяного пара с углеродсодержащим компонентом с получением конвертированного газа, направляемого в камеру сгорания двигателя. Двигатель внутреннего сгорания, в котором реализуется известный способ, содержит систему питания, включающую линию подвода основного углеводородного топлива и контур питания конвертированным газом, подключенные через смеситель и впускной тракт двигателя к его камере сгорания, выпускной тракт с оконечным патрубком и систему управления, имеющую три электромагнитных клапана и два датчика температуры, причем контур питания конвертированным газом выполнен в виде связанных между собой последовательно емкости с водой, сообщенной с атмосферой, испарителя воды и реактора, а выпускной тракт выполнен с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя, что позволяет использовать тепло отработавших газов на нагрев реактора и получение водяного пара (авт. св. СССР N 1578373, кл. F 02 B 43/00, 1990).

Недостатком известных способа и двигателя является недостаточная степень экономии основного углеводородного топлива, это связано с тем, что, во-первых, само основное углеводородное топливо не проходит за рабочий цикл через каталитический реактор и не подвергается преобразованию, повышающему степень его энергетизации, во-вторых, рабочий цикл не предусматривает возможность перехода на работу с преимущественным использованием конвертированного газа, как наиболее высокоэнергетизированного топлива, в-третьих, рабочий цикл не предусматривает экономию основного углеводородного топлива в топливной смеси за счет использования содержащихся в отработавших газах углеродосодержащих компонентов, а именно, диоксида углерода СО₂, в-четвертых, не предусмотрена рациональная топливоподача конвертированного газа, которая позволила бы обеспечить автоматически экономичный режим топливоподачи, как основного углеводородного топлива, так и конвертированного газа. Кроме этого, известные способ и двигатель не решают экологических проблем, поскольку предусматривают открытый выброс отработавших газов в атмосферу без улавливания вредных компонентов, в том числе диоксида углерода СО₂, характеризуемого как тепличный газ.

Техническим результатом изобретения является повышение топливной экономичности и снижение выбросов в атмосферу тепличного газа СО₂ и других вредных примесей отработавших газов.

Это достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем в начальном этапе подачу основного углеводородного топлива в камеру сгорания двигателя с последующим его сгоранием и перепуск отработавших газов по выпускному тракту двигателя с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя воды и последующим их отводом в атмосферу, подачу воды из емкости с водой в испаритель, перепуск полученного пара из испарителя в реактор, осуществление в последнем реакции взаимодействия водяного пара с углеродосодержащим компонентом с получением конвертированного газа, направляемого в камеру сгорания двигателя, согласно изобретению в качестве углеродосодержащего компонента используют основное углеводородное топливо, реакцию взаимодействия последнего с водяным паром осуществляют в присутствии катализатора, отработавшие газы перед их отводом в атмосферу направляют в воду емкости с водой, а после направления конвертированного газа в камеру сгорания двигателя подачу в нее основного углеводородного топлива прекращают.

При этом в качестве основного углеводородного топлива может быть использовано газовое топливо, например, природный газ.

Это достигается также тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем систему питания, включающую линию подвода основного углеводородного топлива и контур питания конвертированным газом, подключенные через смеситель и впускной тракт двигателя к его камере сгорания, выпускной тракт с оконечным патрубком и систему управления, имеющую три электромагнитных клапана и два датчика температуры, причем контур питания конвертированным газом выполнен в виде связанных между собой последовательно емкости с водой, сообщенной с атмосферой, испарителя воды и реактора, а выпускной тракт выполнен с возможностью теплообмена с полостями реактора и испарителя, согласно изобретению в контур питания конвертированным газом включены смеситель-дозатор основного углеводородного топлива и водяного пара, расположенный между испарителем, в полости которого установлен первый датчик температуры, а на выходе размещен первый электромагнитный клапан, и реактором, выполненным каталитическим, в полости которого установлен второй датчик температуры, и питатель, расположенный между емкостью с водой, в которую погружен оконечный патрубок выпускного тракта, и испарителем, система управления снабжена блоком управления, связанным со смесителем-дозатором, питателем, электромагнитными клапанами и датчиками температуры, клапаном-ограничителем падения давления, установленным в контуре питания конвертированным газом на выходе из реактора, и двумя редукторами, первый из которых расположен в контуре питания конвертированным газом между клапаном-ограничителем и смесителем, а второй установлен в линии подвода основного углеводородного топлива и выполнен двухступенчатым, причем выход его первой ступени сообщен через второй электромагнитный клапан со смесителем-дозатором, а выход его второй ступени подключен к смесителю и через дополнительно установленную дроссельную шайбу и третий электромагнитный клапан к контуру питания конвертированным газом между клапаном-ограничителем и первым редуктором.

Часть выпускного тракта может быть размещена внутри полости реактора.

В варианте реактор может быть размещен внутри выпускного тракта. При этом смеситель-дозатор может быть выполнен в виде пары лопастных насосов.

Редукторы могут быть снабжены экономайзерами, управляющие полости которых соединены со смесителем.

Второй редуктор может быть снабжен третьей ступенью.

Испаритель может быть снабжен предохранительным клапаном, подсоединенным к емкости с водой.

Достижение большей степени экономии основного углеводородного топлива по сравнению с прототипом становится возможным, поскольку после окончания режима выхода двигателя на рабочие параметры по температуре и давлению, осуществляемого путем использования в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания основного углеводородного топлива, предусмотрен переход на режим работы с преимущественным использованием конвертированного газа, представляющего собой более энергетизированное газовое топливо за счет содержащегося в нем газообразного водорода. Причем к газообразному водороду, образующемуся из водяного пара, добавляется газообразный водород из основного углеводородного топлива, например, метана, для чего вся его топливоподача направляется в каталитический реактор для преобразования в конвертированный газ. При этом основное углеводородное топливо выполняет роль углеродосодержащего компонента, необходимого для прохождения реакций с водяным паром вы реакторе по способу-прототипу. Таким образом, сам реактор освобождается от фактора, который в известном двигателе при уменьшенных расходах пара может повышать вероятность появления сажи, загрязняющей реактор, магистрали и собственно конвертированный газ, что недопустимо в присутствии водорода. Такой режим позволяет получить ощутимый выигрыш тепловой энергии при сгорании в камере двигателя при меньших затратах основного углеводородного топлива. Причем выигрыш энергии и, следовательно, в экономии топлива пропорционален времени работы двигателя на таком режиме. Кроме всего вышеперечисленного предусмотренная в работе двигателя рециркуляция диоксида углерода, улавливаемого из отработавших газов в емкости с водой, позволяет также снизить долю основного углеводородного топлива в общей массе топливной смеси. Достижение более высоких экологических качеств в работе двигателя становится возможно благодаря максимальной степени улавливания всех вредных компонентов, в том числе и диоксида углерода СО₂, растворяемых в емкости с водой. При этом повышается химическая активность воды в самой емкости, влияющая на скорость прохождения реакции в реакторе.

На фиг.1 представлена схема двигателя внутреннего сгорания, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 вариант размещения реактора.

Описываемый двигатель содержит корпус 1 (фиг.1) с камерой сгорания (не показана), систему питания, включающую линию 2 подвода основного углеводородного топлива и контур 3 питания конвертированным газом, подключенные через смеситель 4 и впускной тракт 5 двигателя к его камере сгорания, выпускной тракт 6 с оконечным патрубком 7, систему 8 охлаждения, например, воздушного типа, систему управления, имеющую заслонку 9, связанную с задатчиком 10 режима работы, блок 11 управления, три электромагнитных клапана 12, 13, 14, два датчика 15, 16 температуры, клапан-ограничитель 17 падения давления и два редуктора 18, 19, а также воздушный фильтр 20 и карбюратор 21.

В контур 3 питания конвертированным газом включены связанные между собой последовательно емкость 22 с водой, сообщенная с атмосферой, соединенной с емкостью 22 при помощи линии 23 связи с расположенным в ней питателем 24 испаритель 25 воды, в полости которого установлен датчик 15 температуры, смеситель-дозатор 26 основного углеводородного топлива и водяного пара, соединенного с выходом испарителя 25 при помощи линии 27 связи с расположенным в ней электромагнитным клапаном 12, и соединенный со смесителем-дозатором 26 при помощи линии 28 связи каталитический реактор 29, в полости которого установлен датчик 16 температуры. При этом испаритель 25 может быть снабжен предохранительным клапаном 30, подсоединенным к емкости 22 при помощи линии 31, выходной конец которой размещен под водой. Смеситель-дозатор 26 может быть выполнен в виде пары лопастных насосов (не показаны), каждый из которых рассчитан на заданный расход рабочих сред в соответствии с необходимым соотношением между ними. Реактор 29 может быть выполнен в виде трубчатых металлических элементов (не показаны) с нанесенным на их поверхность никелевым катализатором.

Оконечный патрубок 7 погружен в воду емкости 22, а часть выпускного тракта 6 может быть размещена внутри полостей реактора 29 и испарителя 25. В варианте реактор 29 (фиг.2) может быть размещен внутри выпускного тракта 6.

Клапан-ограничитель 17 падения давления и редуктор 18 расположены в контуре 3 питания конвертированным газом, причем клапан-ограничитель 17 установлен на выходе из реактора 29, а редуктор 18 между клапаном-ограничителем 17 и смесителем 4.

Редуктор 19 установлен в линии 2 подвода основного углеводородного топлива и выполнен двухступенчатым, причем выход его первой ступени 32 сообщен при помощи линии 33 связи через расположенный в ней электромагнитный клапан 13 со смесителем-дозатором 26, а выход его второй ступени 34 подключен к смесителю 4 и при помощи линии 35 связи через установленные в ней дроссельную шайбу 36 и электромагнитный клапан 14 к контуру 3 питания конвертированным газом между клапаном-ограничителем 17 и редуктором 18.

Редукторы 18, 19 могут быть снабжены экономайзерами 37, 38, управляющие полости 39, 40 которых соединены со смесителем 4. Кроме того, редуктор 19 может быть снабжен третьей ступенью 41, что позволяет осуществлять более тонко регулирование давления в связи с меньшей разницей перепада давления между его ступенями 32, 34, 41.

Блок 11 управления связан со смесителем-дозатором 6, питателем 24, электромагнитными клапанами 12, 13, 14 и датчиками 15, 16 температуры.

Линия 2 подвода основного углеводородного топлива подключена к баллону 42 с основным углеводородным топливом, например, со сжатым осушенным природным газом метаном СН₄ или любым другим газом из его гомологического ряда. Кроме того, в линии 2 установлены вентиль 43, датчики 44, 45 давления, редуктор 46 высокого давления, запорный электромагнитный клапан 47, снабженный фильтром 48. В составе редуктора 19 также имеется фильтр 49.

Описываемый способ осуществляют следующим образом.

Перед запуском двигателя внутреннего сгорания баллон 42 с находящимися в нем под большим давлением основным углеводородным топливом, например, метаном СН₄, сообщают с помощью вентиля 43 с линией 2 подвода основного углеводородного топлива. При этом газовое топливо редуцируется с помощью редуктора 46 высокого давления, а после открытия запорного электромагнитного клапана 47 и включения зажигания, осуществляемых с приборного щитка, фильтруется фильтрами 48 и 49 и проходит через редуктор 19 в смеситель 4, где его смешивают с атмосферным воздухом, очищаемым фильтром 20. Затем приготовленную газовоздушную смесь подают через заслонку 9, карбюратор 21 и впускной тракт 5 в камеру сгорания корпуса 1 двигателя. После сгорания смеси отработавшие газы перепускают по выпускному тракту 6 с возможностью теплообмена с полостями реактора 29 и испарителя 25, а из оконечного патрубка 7 их направляют в воду емкости 22. При прохождении в выпускном тракте 6 отработавшие газы отдают тепловую энергию теплоизолированному реактору 29, испарителю 25 и емкости 22. Кроме того, проходя сквозь толщу воды, заполняющую емкость 22, отработавшие газы частично насыщают собой воду. Нерастворенные газы отводят в атмосферу. В воде емкости 22, по существу, происходит улавливание вредных компонентов, содержащихся в отработавших газах, таких как СО, СО₂, NO₂ и др. При этом вода становится химически более активной. При достижении в полости испарителя 25 температуры парообразования, фиксируемой датчиком 15 температуры, от блока 11 управления поступает сигнал на включение питателя 24. После этого в испаритель 25 начинает поступать вода из емкости 22, постепенно переходя в паровую фазу. Допустимое давление пара в испарителе 25 регулируется с помощью предохранительного клапана 30, который при превышении расчетного уровня давления открывается и сообщает полость испарителя 25 по линии 31 с водяной полостью емкости 22. Избыточный пар, конденсируясь, вновь пополняет емкость 22. При достижении в полости реактора 29 расчетной температуры, при которой активируется катализатор, контролируемой датчиком 16 температуры, блок управления 11 подает сигналы на открытие электромагнитных клапанов 12, 13, 14 и включение смесителя-дозатора 26. При этом в смеситель-дозатор 26 начинает поступать по линии 27 связи пар, а по линии 33 связи с выхода первой ступени 32 редуктора 19 основное углеводородное топливо, т.е. газообразный метан CH₄. Смеситель-дозатор 26 обеспечивает смешение метана и водяного пара в соотношении 1:2. Это соотношение обеспечивает в дальнейшем полное окисление углерода до диоксида углерода СО₂, благодаря чему рабочий процесс в реакторе 29 полностью безопасен от выпадения углерода в виде сажи в самом реакторе 29 и далее по тракту. Затем полученную смесь метана и водяного пара с диоксидом углерода перепускают по линии 28 связи в реактор 29, в котором под действием катализатора осуществляют следующие реакции взаимодействия с поглощением тепла:

CH₄ + H₂O 3H₂ + CO (-206 кДж/моль) (1)

CH₄ + CO₂ 2CO + 2H₂ (-247 кДж/моль) (2)

В результате преобразования метана и водяного пара, содержащего растворенные составляющие отработавших газов, на выходе из реактора 29 получают конвертированное газовое топливо, которое в своем составе имеет определенное количество водорода, являющегося высокоэнергоспособным компонентом конвертированного газа. При достижении на выходе из реактора 29 необходимого для функционирования давления клапан-ограничитель 17 падения давления открывается, а часть конвертированного газа поступает по линии 35 через открытый электромагнитный клапан 14 и дроссельную шайбу 36 на выход второй ступени 34 редуктора 19, закрывая прямое поступление основного углеводородного топлива в смеситель 4. При этом основную часть конвертированного газа через редуктор 18 направляют по контуру 3 питания в смесит ель 4 взамен подачи основного углеводородного топлива по линии 2 подвода. С этого момента питание двигателя осуществляется преимущественно конвертированным высокоэнергетизированным газом, на получение которого направляют основное углеводородное топливо. Таким образом, в начальном этапе двигатель работает на основном углеводородном топливе. Во время этого этапа происходит подготовка двигателя к переходу на работу на конвертированном газе. Далее конвертированный газ, смешиваясь с воздухом, поступает по впускному тракту 5 в камеру сгорания корпуса 1 двигателя и сгорает. Горение газов, составляющих конвертированный газ, можно описать следующими уравнениями:

2CO + O₂ 2CO₂ (+566 кДж/моль) (3)

2H₂ + O₂ 2H₂O (+484 кДж/моль) (4)

Таким образом расчетная суммарная теплота сгорания составит 1050 кДж/моль. Тогда как реакция горения основного углеводородного топлива, например, метана идет согласно уравнению:

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O (+802 кДж/моль) (5)

Таким образом, использование конвертированного газа, являющегося по сути смесью газов, в том числе водорода, позволяет экономить основное углеводородное топливо как за счет использования паров воды, содержащих водород, так и за счет водорода, входящего в состав основного углеводородного топлива. Кроме того, используя в данном двигателе конвертированный газ по предлагаемой схеме с рециркуляцией диоксида углерода, теоретически можно иметь приращение тепла порядка 31 Учитывая необходимость режима прогрева реактора 29, занимающего определенный период времени, можно рассчитывать в среднем на приращение теплоты сгорания порядка 26 28 В качестве основного углеводородного топлива, кроме метана и его гомологов, могут быть использованы отходы энергетики и различных производственных процессов (доменный газ, продукты химических производств, биогаз и тому подобное), т. е. по существу бросовые, дешевые компоненты. Что касается экологических особенностей предлагаемого способа и двигателя, то они позволяют снизить выброс тепличного газа СО₂ и других вредных примесей в составе отработавших газов. При этом насыщенная вредными составляющими из отработавших газов вода в емкости 22 позволяет полностью задействовать эти вредные примеси в рабочем процессе двигателя.

На переходных и мощностных режимах работы двигателя количество подаваемых основного углеводородного топлива по линии 2 подвода и конвертированного газа по контуру 3 питания определяется и регулируется степенью вакуумирования, создающегося на такте всасывания в камеру сгорания корпуса 1 двигателя, при помощи экономайзеров 37, 38 редукторов 18, 19. Организация регулирования подачи топлива в экономайзерном режиме является наиболее экономичной.