способ работы двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, использующий термохимический процесс преобразования рабочего тела - смеси и включающий образование смеси пылевидного топлива с окислителем, ее воспламенение в камере сгорания в конце такта сжатия, сгорание, сопровождающееся повышением температуры и давления, и последующий отвод тепла, причем в смесь вводят компонент жидкого топлива, отличающийся тем, что введение жидкого компонента осуществляют путем его перемешивания с пылевидным топливом до образования суспензии, причем пылевидным топливом предварительно производят адсорбцию жидкого или газообразного окислителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пылевидное топливо формируют из угольных частиц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для создания топливной смеси как в карбюраторных двигателях, так и в двигателях с впрыском.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания на жидком углеводородном топливе [1].

Недостатком данного способа является то, что углеводороды, выбрасываемые такими двигателями, под действием солнечного света вступают в реакцию с оксидами азота, в результате чего образуются перекиси, альдегиды, кислоты и др., наносящие вред здоровью человека. Вдыхание паров углеводородов, содержащихся в несгоревшем топливе или продуктах его крекинга, также весьма вредно. Как правило, значительный выброс двигателем канцерогенных веществ связан с общим ухудшением качества горения.

Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания на пылевидном топливе [2].

Недостатками данного способа являются:

- большая энергия, требуемая для воспламенения смеси, поскольку между горючими пылинками находится негорючая среда, и в результате этого возрастают потери тепла, вырабатываемого источником зажигания. Поэтому для компенсации этих потерь и развития реакции горения требуется значительно большая энергия, чем, например, для воспламенения жидкого топлива;

- ненадежное воспламенение смеси, особенно при низких температурах, обусловленное возрастающими теплопотерями в окружающую среду. При этом возможна также неустойчивая (с пропусками) работа двигателя;

- большие затраты энергии для формирования горючей пыли, требуемые для ее измельчения до одинаковых требуемых размеров. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию применяемого топлива;

- сравнительно большое время сгорания топлива, определяемое в основном продолжительностью нагрева частиц до температуры воспламенения. Это ограничивает применение пылевидного топлива в быстроходных двигателях;

- ограниченный диапазон регулирования режимов работы двигателя, обусловленный, во-первых, большим временем сгорания (верхний предел частоты вращении коленчатого вала) и достаточно высокой минимальной концентрацией пылинок в смеси (нижний предел частоты вращения вала). Во-вторых, при определенной концентрации, например, угольной пыли сгорание происходит взрывом, что вредит нормальной работе двигателя. Отсюда возникают ограничения по мощности работы двигателя;

- увеличение нагара в камере сгорания при впуске смеси, поскольку пылинки успевают нагреться до пластичного состояния и прилипнуть к разогретым поверхностям камеры.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно проведение более качественного процесса термохимического преобразования энергии.

Задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, использующем термохимический процесс преобразования рабочего тела - смеси и включающем образование смеси пылевидного топлива с воздухом, ее воспламенение в камере сгорания в конце такта сжатия, сгорание, сопровождающееся повышением температуры и давления, и последующий отвод тепла, в смесь вводят компонент жидкого топлива.

Введение жидкого компонента осуществляют путем его перемешивания с пылевидным топливом до образования суспензии. Пылевидным топливом предварительно производят адсорбцию жидкого окислителя. Пылевидным топливом предварительно производят адсорбцию газообразного окислителя.

Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат, состоящий в улучшении процесса термохимического преобразования энергии.

Сущность изобретения отражают операции:

- введение в горючую смесь компонента жидкого топлива;

- введение жидкого компонента в смесь путем его перемешивания с пылевидным топливом до образования суспензии;

- предварительное проведение пылевидным топливом адсорбции жидкого окислителя;

- предварительное проведение пылевидным топливом адсорбции газообразного окислителя.

Указанные операции позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Введение в горючую смесь компонента жидкого топлива позволяет топливной смеси быстрее воспламеняться, при этом сокращается время сгорания, что дает возможность увеличить при необходимости частоту вращения коленчатого вала.

Введение жидкого компонента в смесь путем его перемешивания с пылевидным топливом до образования суспензии способствует образованию на поверхности твердых частиц топливной пленки при распылении смеси в камере сгорания. Сжигание такой топливной смеси в камере сгорания двигателя имеет ряд особенностей, в частности по мере развития процесса горения и расходования кислорода отдельные объемы смеси могут оказаться в зоне продуктов реакции. При применении традиционного жидкого топлива указанные забалластированные углекислотой объемы не сгорают, если не смешаются с остатками неизрасходованного кислорода. В случае использования смеси жидкого и твердого топлива, например угля, картина изменяется. В этих условиях, когда кислород не в состоянии достигать в этих условиях углеродной поверхности, носителем кислорода становится углекислота. Углекислота диффундирует в угольную частицу и в области высоких температур может с высокой скоростью восстанавливаться углеродной поверхностью, образуя при этом горючий газ - окись углерода. Завершают процесс имеющиеся в продуктах сгорания пары воды, обеспечивая реакцию конверсии окиси углерода в двуокись.

Если на первом этапе скорость горения будет лимитироваться испарением жидкости и диффузионным смешением образующихся паров с окружающим воздухом, то на втором этапе (реагирование угольной частицы) процесс горения практически не будет тормозиться физической стадией и станет определяться только скоростью самой химической реакции, поскольку окружающая частицу среда уже будет разогрета. Следует также заметить, что уголь имеет большую энергоемкость единицы объема по сравнению с жидкими топливами и газами.

Покрывающая угольную частицу топливная пленка не позволяет ей перейти в пластичное состояние до начала воспламенения, что способствует снижению нагарообразования.

Таким образом, сгорание угольной частицы происходит преимущественно в кинетической области, что обуславливает высокую реакционную способность топлива и способствует сгоранию топливного заряда при мало изменяющемся объеме камеры сгорания. В результате этого КПД становится более высоким и появляется возможность использования этого топлива в быстроходных двигателях. Кроме того, повышается интенсивность процесса горения, позволяющая сгорать тяжелым фракциям в жидкой части топлива, которые, как правило, не успевают полностью сгореть в обычном случае.

Предварительное проведение пылевидным топливом адсорбции жидкого или газообразного окислителя позволяет еще больше сократить время сгорания и ввести при необходимости в камеру сгорания больше топлива, что повысит мощность двигателя. Угольные частички обладают пористой губчатой структурой и являются хорошими адсорбентами. Благодаря химической адсорбции количество тепла, выделяющегося в результате реакция углерода с кислородом при высоких температурах и давлениях, может превышать тепловой эффект этой реакции в обычных условиях, что также повышает КПД двигателя.

В качестве жидкого окислителя может быть использован фэтерол, представляющий собой смесь метилтретбутилового эфира и третбутилового спирта (см. ИР №2,1995, с.12).

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема испарения жидкого топлива с угольной частицы.

Угольная частица 1 покрыта пленкой жидкого топлива 2, которое до момента начала испарения имеет исходную поверхность 3. По мере испарения в высокотемпературной среде 4 жидкого топлива образовавшиеся пары 5 имеют с последним поверхность 6 раздела.

Способ реализуют следующим образом.

Во время всасывания в цилиндр твердого топлива с воздухом вводят в эту смесь компонент жидкого топлива, в результате чего улучшается воспламенение получившегося топливного заряда.

Возможно приготовление указанного топливного заряда до момента такта всасывания. Для этого осуществляют перемешивание жидкого компонента и твердого пылевидного топлива до образования суспензии. Полученную суспензию помещают затем в камеру сгорания двигателя, например, путем распыления. При этом образуются мельчайшие частицы, внутри которых находится угольная частица 1, покрытая пленкой жидкого топлива 2 с исходной поверхностью 3. При испарении топлива в высокотемпературной среде 4 камеры сгорания образуются его пары 5, которые воспламеняются. В процессе продвижения поверхности 6 раздела к угольной частице количество продуцируемого пара увеличивается, в результате чего, в конечном счете, возрастает температура среды вокруг частицы 1 и ее прогрев. Затем угольная частица воспламеняется и сгорает практически полностью преимущественно в кинетической области.

При необходимости предварительно производят пылевидным топливом адсорбцию жидкого или газообразного окислителя. В результате этого улучшается сгорание смеси, обогащенной топливом.

Внедрение изобретения позволит улучшить процесс сгорания в двигателе, уменьшить нагарообразование и снизить токсичность отработавших газов за счет частичной замены углеводородного топлива другим твердым, например углем, не имеющим в своем составе углеводородных компонентов.

Кроме того, более высокий (по сравнению с жидким топливом) коэффициент теплопроводности такого смесевого топлива способствует уменьшению склонности двигателя к детонации, что дает возможность применять жидкое топливо с меньшим октановым числом.

Источники информации

1. Воинов А.Н. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1965. - Аналог.

2. Авт. св. СССР №1137226, кл. F02В, 45/02, 1985. - Прототип.