Способ работы (варианты) и устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Способ работы (варианты) и устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для повышения их КПД, улучшения их топливной экономичности, снижения вредных выбросов в атмосферу, а также повышения их надежности.

Известен способ работы и устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с газопаровым рабочим телом (патент РФ 2232913, кл. F02G 5/04, F01K 23/14, F02В 47/02, 75/10).

Устройство включает поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, устройства охлаждения продуктов сгорания, распылители воды, установленные во впускной системе и подключенные к емкости с водой водопроводами через регулятор расхода и водяной насос. Вдоль выпускной системы последовательно по ходу движения газов расположены парогенератор, совмещенный с выпускным коллектором, контактный конденсатор, турбодетандер (турбина) или винтовая расширительная машина, соединенные механической связью с электрогенератором, и влагоотделитель. Вдоль впускной системы последовательно по ходу движения воздуха расположены воздушный фильтр, компрессор, контактный воздухоохладитель и впускной коллектор. При этом поддон влагоотделителя подключен водопроводом к холодной части аккумулятора воды, поддоны контактных конденсатора и воздухоохладителя соединены водопроводами с горячей частью аккумулятора воды, парогенератор подключен подводящим водопроводом к горячей части аккумулятора воды и отводящим паропроводом с аккумулятором пара, от которого отведены паропроводы к турбине или винтовой расширительной машине, соединенные механической связью с компрессором.

Способ работы этого поршневого двигателя реализуется подачей воздуха компрессором в цилиндры двигателя, который приводится паровой турбиной. Продукты сгорания охлаждаются в парогенераторе, контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине), а надувочный воздух в контактном воздухоохладителе. Пар подается в турбину из аккумулятора, который генерируется теплотой продуктов сгорания. Вода впрыскивается в камеры сгорания из горячей части аккумулятора, куда она подается из конденсатора. Холодная часть этого аккумулятора снабжается водой, выделяющейся во влагоотделителе за турбодетандером (турбиной), при этом регулируют показатель рН горячей воды больше 7, поступающей из конденсатора в аккумулятор воды, добавлением аммиака в эту воду и количества подаваемого воздуха компрессором в соответствии с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха.

Недостатками этого известного способа работы и устройства поршневого двигателя являются сложность, большие размеры и масса, а также недостаточно высокий КПД, который должен ограничиваться действиями первого и второго законов термодинамики.

Наиболее близким к заявленному способу работы и устройству комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания является по технической сущности и достигаемому результату способ работы и устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания, опубликованные на сайте Интернета www.wipo.int/pctdb № WO 2008/094071 от 16.10.2008.

Базовым оборудованием этого двигателя служит поршневой двигатель внутреннего сгорания, паровая расширительная машина или паровой(ые) цилиндр(ы). Эта расширительная машина или этот(и) цилиндр(ы) подключен(ы) к парогенератору и конденсатору. Для повышения температуры пара при низких температурах продуктов сгорания организован замкнутый циркуляционный контур через парогенератор. Базовый поршневой двигатель используется с традиционной системой охлаждения и без нее. В последнем случае охлаждение рабочего тела осуществляется распыливанием в нем холодной воды с определенными средними размерами капель и в необходимом количестве. Объем камеры сгорания в газовых цилиндрах с принудительным воспламенением топлива устанавливают таким, чтобы эффективный КПД комбинированного двигателя был наибольшим и отсутствовала детонация в цилиндрах благодаря распыливанию воды с необходимыми средними размерами капель в требуемом количестве во впускном воздухопроводе и нагреву ее до температуры кипения к концу сжатия воздухом, а также охлаждению продуктов сгорания при горении топлива испарением капель воды, нагретой до температуры кипения.

Пар для работы паровой расширительной машины или подачи его в паровой(ые) цилиндр(ы) получается в парогенераторе благодаря нагреву питательной воды теплотой масла системы смазки, воды системы охлаждения, а также продуктов сгорания. При отсутствии традиционной системы охлаждения продукты сгорания охлаждаются в цилиндрах испарением нагретых капель воды. Эти капли образуются в системе впуска распыливанием охлажденной воды в радиаторе наружным воздухом, а нагреваются до температуры кипения от сжимаемого и нагреваемого воздуха при сжатии как в компрессоре, так и в цилиндрах. Испаряющиеся капли в цилиндрах при горении топлива подавляют детонацию и позволяют повысить степень сжатия двигателя с принудительным воспламенением, а также увеличить количество рабочего тела. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе, а водяной пар и углеводороды из продуктов сгорания тоже благодаря их охлаждению распыливанием холодной воды, которая получается из конденсата путем ее охлаждения в радиаторе наружным воздухом. Снижение вредных выбросов происходит, в основном, в результате уменьшения диссоциации продуктов сгорания, конденсации углеводородов из продуктов сгорания на поверхностях капель воды в конденсаторе и сжиганию их вместе с распыленной водой в камерах сгорания, а также благодаря содержанию в каплях воды растворенного аммиака.

Основными недостатками этого прототипа являются недостаточная надежность работы при низких температурах наружного воздуха, сложность конструкции, а проблема повышения эффективного КПД решается, в основном, у бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателей.

Целью изобретения является повышение КПД не только бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя, но также газового и дизельного двигателей до уровня, ограничиваемого первым и вторым законами термодинамики, повышение надежности работы этих двигателей при их эксплуатации в области низких температур наружного воздуха, а также уменьшение трудоемкости их изготовления и снижения стоимости.

Поставленная цель решается тем, что в способе работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом, включающим подачу воздуха компрессором во впускной коллектор, его охлаждение распыливанием холодной воды, охлаждение продуктов сгорания последовательно в котле и в контактном конденсаторе до температуры, при которой выделившийся конденсат охлаждается до температуры холодной воды наружным воздухом в водовоздушном радиаторе, затем их расширение в турбодетандере (турбине), отделение капель воды в контактном конденсаторе и турбодетандере (турбине) при расширении продуктов сгорания, подачу холодной воды в контактный конденсатор для охлаждения продуктов сгорания и в систему впуска для охлаждения воздуха, снижение максимальной температуры сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания, отдачу теплоты из масла системы смазки нагреваемой воде в водораспределительном устройстве через разделяющие стенки водомасляного теплообменника, подачу нагретой воды в котел из водораспределительного устройства и подачу пара из котла в расширительное устройство для получения полезной работы, регулирование давления газов в конденсаторе их дросселированием перед рабочим колесом турбодетандера (турбины) в зависимости от температуры наружного воздуха, осуществляют их в результате снижения максимальной температуры сгорания благодаря испарению капель воды при сжигании топлива в камерах сгорания при коэффициентах избытка воздуха α=1,0÷1,2 в газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) и наиболее низком, но большем 1,1 в дизельных (с самовоспламенением) двигателях, при которых организуют полное сгорание топлива при отсутствии химической неполноты сгорания. Причем воду подают в воздух, поступающий в компрессор бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя для уменьшения температуры этого воздуха при его сжатии в компрессоре, при этом распыливают ее с такими размерами капель и в таком количестве, при котором степень сжатия двигателя повышается без возникновения детонации, а эффективный КПД становится наибольшим. Кроме того, в дизельном (с самовоспламенением) двигателе подают нагретую воду в котле до температуры кипения при давлении, большем максимального давления сгорания в газовые теплоизолированные цилиндры в начале расширения при сжигании топлива с наиболее низким коэффициентом избытка воздуха, но ≥1,1 обеспечивающее качественное смесеобразование и полное сгорание топлива, при этом переходят на частичные нагрузки количественным регулированием мощности (изменением количества поступающего воздуха в цилиндры при постоянном коэффициенте избытка воздуха). Причем воду распыливают в нагреваемом воздухе при его сжатии в компрессоре и цилиндрах, при которых возникает надежное воспламенение капель топлива в дизельном (с самовоспламенением) двигателе на всех режимах при допустимой жесткости его работы. Кроме того, увеличивают эффективную мощность и давление надувочного воздуха благодаря увеличению срабатываемого теплоперепада на рабочем колесе турбодетандера(турбины) в результате уменьшения проходного сечения направляющего соплового аппарата при сохранении коэффициента избытка воздуха в цилиндрах α=1,0÷1,2 в газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) и α≥1,1 в дизельных (с самовоспламенением) двигателях. Кроме того, в газовом и бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателях устанавливают постоянный или наивыгоднейший угол опережения зажигания на всех режимах работы, а возникающую детонацию подавляют увеличением количества распыливаемой холодной воды в воздухе, поступающем в цилиндры. Причем количество подаваемой питательной воды в котел или температуру и давления воды (пара) изменяют в зависимости от режима работы двигателя, при этом охлаждают продукты сгорания в этом котле до 150°С. Кроме того, образовавшийся пар в котле подают в газовые цилиндры в начале расширения через впускные паровые клапаны и завихрители при более высокой степени сжатия, чем у базового двигателя с давлением, превышающим давление газов в этих цилиндрах в таком количестве и с такой температурой, при которых не происходит детонация в камерах сгорания газового и бензинового (с принудительным воспламенением) двигателях, а в цилиндрах дизельного (с самовоспламенением) двигателя совершается эффективная работа с наиболее высоким КПД. Причем количество подаваемой питательной воды в котел регулируется по температуре выпускных газов на выходе из этого котла, или давлению, или температуре пара на выходе из котла. Кроме того, распыливают смесь бензина и воды в воздухе, поступающем в цилиндры, при котором требования к октановому числу топлива получаются наименьшими, степень сжатия и эффективный КПД наибольшими. Причем распыливают смесь воды и дизельного топлива в соотношении 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива в воздухе, поступающем в цилиндры, при котором эффективный КПД дизеля (с самовоспламенением) становится наибольшим при допустимой жесткости его работы, не превышающей у существующих двигателей. Кроме того, пар подают в паровой(ые) цилиндр(ы) через впускной(ые) клапан(ы) при его(их) открытии в верхней(внутренней) мертвой точке, а закрывают его(их) по допустимому снижению давления пара в парогенераторе, при котором эффективный КПД двигателя начинает снижаться. Причем при уменьшении уровня воды в водораспределительных устройствах холодной и горячей воды повышают давление газов в конденсаторе или доливают воду в эти емкости, а в выключенном двигателе и снижении температуры холодной воды до температуры замерзания двигатель запускается автоматически или вручную. В случае снижения температуры холодной воды в двигателе до температуры замерзания, воду из системы подачи воды и пара сливают автоматически или вручную по трубопроводу в теплоизолированную емкость электронасосом, а при его пуске подогревают ее электронагревателем и заливают вновь в эту систему из этой емкости. Кроме того, поставленная цель решается тем, что в способе работы комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом создают давление газов в конденсаторе в результате их дросселирования и расширения в дроссельной заслонке, а воздух подают в цилиндры всасыванием через впускной коллектор, при этом распыливают холодную воду в этом воздухе на всех режимах с такими средними размерами капель и в таком количестве, при котором эффективный КПД цикла бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя становится наибольшим при повышенной степени сжатия и работе без детонации.

Поставленная цель в устройстве комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом достигается тем, что содержит газовые цилиндры базового поршневого двигателя для расширения продуктов сгорания, котел, совмещенный с выпускным коллектором, конденсатор с турбодетандером (турбиной), расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, компрессор, подключенный к цилиндрам для подачи воздуха и соединенный с турбодетандером (турбиной), а также водораспределительные устройства горячей и холодной воды, соединенные между собой, с конденсатором и водовоздушным радиаторам трубопроводами, топливные форсунки во впускных патрубках, соединенные топливопроводами с топливным насосом, фильтром и регулятором расхода для подачи топлива в цилиндры, а также теплоизолированные детали камеры сгорания [головку (крышки) цилиндров, поршни и газовые цилиндры], котел, совмещенный с теплоизолированным выпускным коллектором, форсунки и насос высокого давления с регулятором расхода для подачи воды в цилиндры из котла в начале расширения, причем сопловые отверстия форсунок располагаются к стенкам камеры сгорания тангенциально или под острым углом для того, чтобы вытекающая из сопел пароводяная смесь организовывала вихревое движение горячей смеси в камере сгорания для улучшения процесса смесеобразования и сгорания. Кроме того, устройство комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом содержит газовые цилиндры базового поршневого двигателя для расширения продуктов сгорания, котел, совмещенный с выпускным коллектором, конденсатор с турбодетандером (турбиной), расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, компрессор, подключенный к цилиндрам для подачи воздуха и соединенный с турбодетандером (турбиной), а также водораспределительные устройства горячей и холодной воды, соединенные между собой, с конденсатором и водовоздушным радиатором трубопроводами, топливные форсунки во впускных патрубках, соединенные топливопроводами с топливным насосом, фильтром и регулятором расхода для подачи топлива в цилиндры, теплоизолированные детали камеры сгорания [головку (крышки) цилиндров, поршни и газовые цилиндры], котел, совмещенный с теплоизолированным выпускным коллектором, а также паровые впускные клапаны с завихрителями в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров, соединенные трубопроводами с котлом, к которому вода подается питательным насосом через регулятор расхода воды. Кроме того, он содержит теплоизолированный(ые) паровой(ые) цилиндр(ы), к впускному(ым) клапану(ам) этого(их) цилиндра(ов) подключен(ы) теплоизолированным(и) паропроводом(ами) котел, а к выпускному(ым) клапану(ам) подсоединен(ы) конденсатор теплоизолированным(и) теплопроводом(ами) через обратный(ые) клапан(ы), предотвращающий(е) обратную подачу пара или газов в цилиндр(ы), при этом впускной(ые) клапан(ы) начинает(ют) открываться в верхней мертвой точке, а закрывается(ются) при таком давлении пара в цилиндре(ах), при котором эффективный КПД двигателя становится наибольшим. Кроме того, устройство этого двигателя содержит теплоизолированную емкость с высоким сопротивлением теплопередаче стенок, воздушным и паровым клапанами, заливной горловиной, которая подключена через электронасос и запорный клапан к системе подачи воды и пара, этот электронасос связан с пультом управления, а эта емкость может отсоединяться от этой системы и переноситься в теплое помещение для хранения, а также нагрева в нем воды для подогрева двигателя перед пуском. Кроме того, устройство комбинированного двигателя содержит теплоизолированные водораспределительные устройства горячей и холодной воды, конденсатор, котел, водовоздушный радиатор, соединительные водопроводы и запорно-регулирующую арматуру, конструкции которых позволяют осуществить надежный спуск воды из двухфазной системы подачи воды и пара вручную или автоматически при снижении температуры холодной воды до температуры замерзания, а также осуществить заполнение этой системы водой перед пуском двигателя. Еще содержит водораспределительное устройство горячей воды, поделенное перфорированными перегородками на три части, в средней части которого расположены водомасляный теплообменник, патрубки подвода конденсата из конденсатора и отвода подогретой питательной воды в котел, в нижней его части находятся патрубки подвода конденсата из конденсатора и отвода смешанной воды в водораспределительное устройство холодной воды, при этом сечение водораспределительного устройства горячей воды выбирают таким, чтобы скорость движения воды в перфорированных отверстиях нижней перегородки была выше скорости всплывания углеводородов (0,2÷0,3 м/с) для того, чтобы их можно было переносить в водораспределительное устройство холодной воды с целью их подачи в воздух, поступающий в цилиндры. Далее этот двигатель содержит форсунки во впускных патрубках, соединенные с водопроводами для подачи холодной воды из водораспределительного устройства, на которых установлены насос и регулятор расхода, а также имеет карбюратор, подключенный к впускному коллектору и топливному насосу трубопроводом, на котором расположен топливный фильтр, при этом распылители форсунки имеют такие размеры, которые образовывают капли, превращающиеся в рабочее тело при сжигании топлива, а насос имеет такую конструкцию, которая обеспечивает подачу воды вместе с регулятором расхода 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации. В конструкции этого двигателя содержится карбюратор, подключенный к впускному коллектору, топливопроводу для подачи топлива топливным насосом через топливный фильтр и регулятор расхода топлива, а также водопроводу холодной воды для подачи ее водяным насосом через регулятор расхода воды, при этом перемешивание топлива с водой предусмотрено в поплавковой камере, а размеры распылителя карбюратора и его диффузора имеют определенные размеры для получения в воздухе необходимого размера капель, при котором эффективный КПД двигателя становится наибольшим при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации.

Кроме того, двигатель содержит смеситель топлива и воды, который подключен к водораспределительному устройству холодной воды двумя водопроводами. На первом из них установлен водяной насос, а на втором регулятор расхода. Он также еще соединен с топливным насосом топливопроводом, на котором расположен топливный фильтр и регулятор расхода топлива, причем этот смеситель еще подключен трубопроводами через насос и регулятор расхода к форсункам бензинового (с принудительным воспламенением) двигателя, расположенными на патрубках впускного коллектора, или он соединен трубопроводом через насос высокого давления, регулятор расхода и редукционный клапан с форсунками дизельного (с самовоспламенением) двигателя, установленными в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндра, при этом размеры распылителей форсунок подбираются такими, чтобы образующиеся капли из смеси воды и топлива при сгорании топлива превращались в рабочее тело, а конструкция насоса с регулятором расхода могли обеспечить подачу воды 0,5÷1,25 от цикловой подачи топлива при наиболее высокой степени сжатия и работе без детонации. В устройстве этого двигателя образован замкнутый циркуляционный контур под действием питательного насоса через котел и первое запорное устройство, связанное с логическим устройством электросвязью. Для работы в нормальном режиме на паропроводе, соединяющем котел с впускным(ыми) паровым(ыми) клапаном(ами) парового(ых) цилиндра(ов), установлено второе запорное устройство и клапан для сообщения этого(их) парового(ых) цилиндра(ов) с атмосферой для уменьшения работы насосных ходов отключенного(ых) парового(ых) цилиндра(ов), которые связаны электросвязями с логическим устройством. В применяемых цилиндрических устройствах двигателя патрубки подвода и отвода жидкостей цилиндрической формы расположены тангенциально к внутренним цилиндрическим поверхностям емкостей для перемешивания теплоносителей с различной температурой, а также повышения коэффициента теплопередачи через разделяющие стенки водомасляного теплообменника, при этом патрубки отвода воды располагаются вертикально в центре этих устройств и имеют перфорированные отверстия для забора перемешанной воды, и выходят они через боковые, верхние или нижние стенки наружу. Кроме того, этот двигатель может содержать водяной насос и форсунки для добавления воды в воздух во впускных патрубках газовых и бензиновых (с принудительным воспламенением) двигателей и водяной насос и форсунки для подачи воды в теплоизолированные цилиндры дизельного (с самовоспламенением) двигателя и распыливания ее там в воздухе, при этом размеры насосов и распылителей форсунок имеют такие размеры, что вода распыливается в количестве и с такими средними размерами капель, которая при сжатии становится теплоносителем, а при сгорании превращается в рабочее тело. Для управления работой двигателя в ручном и автоматическом режимах имеется пульт управления, который связан с датчиками температуры, давления, детонации и расхода теплоносителей, а также логическими и исполнительными устройствами. Кроме того, устройство комбинированного поршневого газового или бензинового (с принудительным воспламенением) и дизельного (с самовоспламенением) двигателя, содержащее поршневой двигатель внутреннего сгорания, конденсатор, расположенные последовательно вдоль выпускного газопровода и соединенные газовой связью с цилиндрами этого двигателя, а также впускной коллектор, отличающийся тем, что выпускной газопровод снабжен дроссельной заслонкой для регулирования давления газов в конденсаторе, в котором установлены распылители воды для снижения температуры продуктов сгорания, при этом для подачи топлива в бензиновом (с принудительным воспламенением) двигателе устанавливают форсунки во впускных патрубках, а в дизельном (с самовоспламенением) их размещают в теплоизолированной(ых) головке (крышках) цилиндров, воздух подают всасыванием через впускной коллектор и регулируют количество подаваемого воздуха в цилиндры дроссельной заслонкой, установленной во впускном воздухопроводе при различных режимах работы, а подача пара производится через паровые клапаны по паропроводам из котла, при этом давление пара в паропроводах обеспечивается питательным насосом, а его количество определяется регулятором расхода.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 показаны варианты реализации рабочего процесса комбинированного двигателя с двухфазным рабочим телом. На фиг.1 изображена схема подачи во всасываемый воздух топлива форсунками, расположенными во впускных патрубках; подачи воды во всасываемый воздух компрессора форсункой для квазиизотермического сжатия этого воздуха; а также подача нагретой воды в котле в форсунки, расположенные в головке (крышках) цилиндра. На этой схеме изображены еще конденсатор, турбодетандер (турбина), а также водораспределительные устройства холодной и горячей воды, их расположение и взаимодействие. На схеме фиг.2 изображены схема работы этого комбинированного двигателя без турбодетандера (турбины) и компрессора, количественное регулирование его мощности и количества образующегося конденсата. Кроме этого показана подача пара из котла в газовые цилиндры через впускные паровые клапаны в период расширения газов в этих цилиндрах. На фиг.3 показано конвертирование одного из газовых цилиндров в паровой (для работы на паре). На этом рисунке расположены водораспределительные устройства холодной и горячей воды, а также теплоизолированная емкость для слива воды из системы подачи воды и пара при снижении ее температуры до температуры замерзания. На этой схеме изображены утилизация теплоты отработанного масла в водораспределительном устройстве горячей воды, а также охлаждение конденсата наружным воздухом в водораспределительном устройстве холодной воды. На фиг.4 показаны распыливание топлива карбюратором во впускном коллекторе, а также подача холодной воды из водораспределительного устройства в форсунки, установленные во впускных патрубках. На фиг.5 изображено смешивание топлива и воды в карбюраторе и распыливание топливоводяной смеси этим карбюратором во впускном коллекторе. На фиг.6 показано смешивание топлива и воды в специальном смесителе и подача этой смеси в форсунки бензинового (с принудительным воспламенением) и дизельного (с самовоспламенением) двигателей. На фиг.7 осуществляется циркуляция теплоносителя через котел при пониженной температуре выпускных газов для повышения температуры пара или воды. На фиг.8 показаны подвод теплоносителя к емкости и отвод его из нее, где происходит смешивание жидкостей с разной температурой. На фиг.9 приведены кривые изменения температуры капель воды в конце сжатия t_вод.к, доли теплоты, переданной к каплям воды при сжатии, от теплоты сгорания топлива, а также среднего давления теоретического цикла Р_i в зависимости от доли количества выпрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковых температуре начала сжатия Т_a=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения η_ν=1:1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. На фиг.10 показано изменение давления Р_с и температуры Т_c в конце сжатия в зависимости от доли количества впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковой температуре начала сжатия Т_a=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения η_ν=1:1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. На фиг.11 изображено изменение максимальных температуры T_z и давления Р_z, а также КПД теоретического цикла η_i в зависимости от количества впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различной степени сжатия ε, одинаковой температуре начала сжатия T_a=293 К и одинаковых коэффициентах избытка воздуха α=1 и наполнения η_v=1: 1-ε=8; 2-ε=10; 3-ε=12; 4-ε=14. I - изменение η_i при T_z=const и увеличениях ε и II - изменение Р_z при T_z=const и возрастаниях ε и На фиг.12 приведены кривые изменения среднего эффективного давления Р_е, температуры горючей смеси в конце впуска Т_а, коэффициентов наполнения η_v и остаточных газов γ, а также температуры остаточных газов Т_r, в зависимости от доли впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различных коэффициентах избытка воздуха α: 1-α=0,93; 2-α=1,0; 3-α=1,08; - точки по экспериментальным данным, - расчетные кривые. На фиг.13 показано изменение среднего эффективного расхода топлива, эффективного η_е и индикаторного η_i КПД, доли теплоты, превращенной в эффективную работу, q_e, давления конца сжатия Р_с в зависимости от доли впрыснутой воды, от количества поданного топлива, при различных коэффициентах избытка воздуха α: 1-α=0,93; 2-α=1,0; 3-α=1,08; - точки по экспериментальным данным, - расчетные кривые. На фиг.14 изображено понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔТ_z/ΔР_z в зависимости от максимальной температуры газов Т_z. На фиг.15 показано понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔТ_z/ΔР_z в зависимости от доли количества теплоты, теряемой в систему охлаждения q_ox. На фиг.16 изображено понижение максимальной температуры газов на единицу повышения максимального давления газов для устранения детонации ΔT_z/ΔР_z в зависимости от доли количества теплоты, теряемой с выпускными газами q_вып.

Для того чтобы доказать промышленную применимость этого изобретения, авторами перед составлением заявки на это изобретение были проведены научно-исследовательские работы по влиянию качества и количества распыленной воды во впускном воздухе на параметры и показатели бензиновых двигателей. Была установлена причина повышения КПД бензиновых двигателей при распыливании воды во впускном воздухе, несмотря на снижение максимальной температуры сгорания. Сущность этой причины заключается в том, что при распыливании во впускном воздухе воды с определенными размерами и их количеством, они при сжатии превращаются в теплоноситель, нагреваясь до температуры кипения почти без испарения, и снижают при этом температуру и давление рабочего тела. В результате происходит уменьшение работы сжатия в цилиндре. Далее при изохорном подводе теплоты к рабочему телу эти капли начинают быстро испаряться и превращаться в пар. В результате увеличивается количество рабочего тела, а следовательно, и количество совершаемой работы при расширении. Увеличение работы расширения происходит не только из-за увеличения количества рабочего тела, но и изменения его состава, несмотря на снижение максимальной температуры цикла. Состав рабочего тела влияет на количество совершаемой работы через степень его расширения.

Для установления этой причины была разработана математическая модель теплового расчета цикла бензиновых двигателей с учетом добавления воды в горючую смесь, которая излагается ниже.

В основу математической модели теплового расчета положен метод, разработанный профессорами МГТУ им. Н.Э.Баумана В.И.Гриневецким и Е.К.Мазингом.

Этот расчет по математической модели начинается с определений количества горючей смеси, поступающей в цилиндр, а также количества и состава продуктов сгорания, образующихся при сжимании 1 кг топлива.

Масса горючей смеси с учетом подачи водяного пара во впускной трубопровод при известных коэффициенте избытка воздуха α и теоретически необходимом количестве воздуха L_o для сжигания 1 кг топлива определится

где: - количество водяного пара, поданного на 1 кг топлива, кг/кг;

L_o - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, кг/кг;

α - коэффициент избытка воздуха.

Масса горючей смеси при подаче воды во впускной коллектор и ее распыливании в воздухе определится при сжигании 1 кг топлива

В методе расчета Гриневицкого-Мазинга давлениями в конце процесса наполнения Р_а и в конце процесса выпуска Р_r задаются по данным уже существующих двигателей. Здесь производится их расчет потому, что они изменяются при подаче водяных паров во впускной коллектор. Среднее давление в процессе впуска

где: р_о(к)) - давление горючей смеси во впускном трубопроводе, Па;

ρ_к.ср - средняя плотность горючей смеси во впускных органах, кг/м³;

ζ_вп=2,5÷4 - средний за процесс наполнения суммарный коэффициент гидравлических потерь во впускных органах, вычисленный по средней скорости движения горючей смеси;

ω_ср.вп - средняя скорость горючей смеси во впускных органах, м/с.

Величина ω_ср.вп определится по уравнению

где: F_вп.cp - среднее проходное сечение впускных органов в м²;

G_m - секундный расход топлива в кг/с;

i_пат.вп - количество впускных патрубков.

Значение секундного расхода топлива определяется

где: - удельный эффективный расход топлива для первого приближения в кг/(кВт·ч);

- эффективная мощность двигателя для первого приближения в кВт.

Среднее давление в процессе выпуска определяется аналогично, как и Р_а

где: р_р - давление газов в выпускном трубопроводе, Па;

ρ_Р.СР - средняя плотность газов в выпускных органах, кг/м³;

ζ_вып - средний за процесс выпуска суммарный коэффициент гидравлических потерь в выпускных органах, подсчитанный по средней скорости движения газов;

ω_СР.ВЫП - средняя скорость движения выпускных газов в выпускных органах, м/с.

Величина ω_СР.ВЫП определится по уравнению

где: G_ПР.СГ - масса продуктов сгорания, кг/кг;

i_{ПАТ.ВЫП} - количество выпускных патрубков;

F_ВЫП.СР - среднее проходное сечение выпускных органов в м².

Знание Р_а и P позволяет определить среднее давление насосных ходов Р_н.х. Величина Р_н.х необходима для определения среднего действительного индикаторного давления Р_i∂.

Напишем уравнение теплового баланса для определения температуры горючей смеси в конце наполнения Т_а с учетом подачи воды во впускной трубопровод и ее нагрева. При этом принято, что бензин нагревается до Т_а и весь испаряется. Это уравнение для 1 кг топлива запишется:

где: T_O(K) - температура наружного воздуха после компрессора при отсутствии воздухоохладителя или после воздухоохладителя при его наличии. При отсутствии компрессора и воздухоохладителя температура наружного воздуха, К;

T_БЕН - температура бензина, поступающего на смесеобразование, К;

Т_r' - температура остаточных газов, которые расширяются от р_r до p_а, К;

, , - теплоемкости воздуха, бензина и продуктов сгорания при ;

, , - теплоемкость воздуха, бензина и продуктов сгорания при V=const и T_о(к), Т_БЕН, Т_r', соответственно, ;

G_воз=α L_О - действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива при α, кг/кг;

G_r - количество остаточных газов в цилиндрах при положении поршня в в. м.т, образующихся при снижении 1 кг топлива, кг/кг;

- теплота парообразования 1 кг бензина;

Н_u - теплота сгорания топлива, Дж/кг;

ΔН_u - потери теплоты от теоретической неполноты сгорания, Дж/кг;

υ_a