EA001985B1 - Способ управления камерой расширения двигателя, уменьшающего загрязнение окружающей среды, и камера расширения для его реализации - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу управления камерой расширения экологически чистого двигателя путем инжекции дополнительного сжатого воздуха, причем двигатель содержит камеру (1) впуска и сжатия и камеру (4) расширения и выпуска, являющиеся независимыми друг от друга, который предусматривает разделение процесса увеличения давления в указанной камере расширения путем разделения ее на две камеры: ведущую камеру (2А), которая принимает воздух высокого давления, и рабочую камеру (2В), которая принимает дополнительный сжатый воздух меньшего давления, разделенные быстродействующим затвором (2С), который быстро устанавливает сообщение между ними, увеличивая в соответствии с этим уровни давления вследствие перепада давлений, причем волна расширяет ведущий газ, который проходит в рабочую камеру, генерируя ударную волну сжатия, существенно увеличивающую уровень давления в камере незадолго перед тем, как она будет сообщаться с камерой (4) расширения и выпуска для совершения работы.

Description

Настоящее изобретение относится к управлению камерой расширения экологически чистого (нетоксичного) двигателя или двигателя, уменьшающего загрязнение окружающей среды, работающего с инжекцией дополнительного сжатого воздуха.

В своей опубликованной международной патентной заявке, номер международной публикации \νϋ 96/27737, автор описал способ уменьшения загрязнения окружающей среды двигателя с независимой внешней камерой сгорания, имеющего два режима работы и использующего два вида энергии, а именно, либо обычного топлива, например, бензина или дизельного топлива на автомагистрали (работа в одном режиме на воздушно-топливной смеси), либо с добавлением сжатого воздуха (или любого другого не загрязняющего окружающую среду газа) в камеру сгорания для исключения любого другого вида топлива (работа в одном режиме на одном воздухе, то есть работа с добавлением сжатого воздуха) при движении автомобиля с низкой скоростью, в частности, в городах и пригородах. В своей международной патентной заявке νθ 97/48884 автор описал установку двигателя такого типа, имеющего один режим работы, на служебных автомобилях, например, на городских автобусах, такси и автомобильных фургонах для доставки товаров на дом.

При работе в режиме воздух-топливо воздушно-топливная смесь всасывается и сжимается в независимой камере впуска и сжатия. Затем эту смесь, еще имеющую избыточное давление, передают в независимую камеру сгорания постоянного объема, где ее поджигают для увеличения температуры и давления указанной смеси. Как только открывается перепускное окно, соединяющее указанную камеру сгорания или расширения с камерой расширения и выпуска, эта смесь будет расширяться в последнюю камеру для совершения в ней работы. После этого расширенные газы выпускают в атмосферу через выхлопную трубу.

При работе в режиме воздух-воздух при низкой мощности топливный инжектор более не задействуется; при этом в этом случае небольшое количество дополнительного сжатого воздуха из внешнего баллона, в котором воздух (или любой другой газ) содержится при высоком давлении, например, при давлении в 200 бар, и при температуре окружающей среды, подается в камеру сгорания немного после того, как сжатому воздуху (не содержащему топлива) из камеры впуска и сжатия был разрешен вход в эту камеру сгорания. При инжекции дополнительного сжатого воздуха это небольшое количество сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды, нагреется при контактном взаимодействии с массой высокотемпературного воздуха, находящегося в камере сгорания или расширения, расширится и увеличит давление, получаемое в камере, чтобы при расширении обеспечить возможность совершения работы.

Этот тип двигателя с двумя режимами работы или двигателя с двумя возможными источниками энергии (воздух и топливо или воздух и дополнительный сжатый воздух) также может быть модифицирован для предпочтительного применения в городе, например, на всех автомобилях, в частности, на городских автобусах или других служебных автомобилях (такси, мусоровозах и так далее) при работе в одном режиме воздух-сжатый воздух, исключая все элементы, которые работают в связи с обычным топливом.

Затем двигатель работает только в одном режиме с инжекцией дополнительного сжатого воздуха в камеру сгорания, которая таким образом становится камерой расширения. Кроме того, воздух, всасываемый двигателем, может быть профильтрован и очищен с помощью одного или более угольных фильтров или с помощью некоторых других механических или химических способов или молекулярного сита или других фильтров для получения двигателя, уменьшающего загрязнение окружающей среды. В этом контексте термин воздух, используемый в настоящей заявке, необходимо понимать как любой, не загрязняющий окружающую среду газ.

В этом типе двигателя дополнительный сжатый воздух инжектируют в камеру сгорания или расширения при рабочем давлении, определяемом в соответствии с давлением, получаемым в камере и значительно более высоким, чем это давление. Это влечет за собой приложение относительно высоких давлений инжекции, например, 30 бар.

Проблемы динамики газов в потоках текучих сред до настоящего времени подвергались широкому теоретическому и экспериментальному исследованию. В сверхзвуковых потоках волны сжатия, формируемые движущимися телами, образуют оболочки, при прохождении которых воздух испытывает известные очень быстродействующие изменения и физические свойства которых в результате приводят, в частности, к возникновению ударных волн. Испытания и эксперименты, проведенные в ударной трубе и в сверхзвуковых аэродинамических трубах (ударных аэродинамических трубах), были предназначены для исследования динамики газов и для определения их свойств. Ударная труба состоит из двух трубчатых частей, между двух концов которых зажата диафрагма, а свободные концы закрыты. Одна из частей известна как ведущая труба, а другая часть известна как испытательная труба, а обе части вместе известны как ударная труба. После наполнения испытательной трубы газом, на котором должны быть проведены испытания, и газ в ведущей трубе сжимают до тех пор, пока не прорвется диафрагма, после чего следует процесс вырав нивания давления. Ведущий газ высокого давления расширяется в виде волны расширения и проходит в испытательную трубу. Таким образом, он создает ударную волну в газе низкого давления.

Способ управления камерой расширения, соответствующей настоящему изобретению, предусматривает применение удара и ударной волны в дозвуковых, и особенно в сверхзвуковых газовых потоках для получения наилучшей возможной развиваемой мощности двигателя путем получения высоких давлений и температур газов в камере расширения прежде, чем указанный газ будет передан в камеру расширения и выпуска. Он предусматривает разделение процесса увеличения давления в камере на два этапа, путем введения ведущего газа высокого давления из камеры впуска и сжатия в часть указанной камеры и, с другой стороны, путем введения дополнительного сжатого воздуха в другую часть при значительно меньшем давлении, затем быстрое установление сообщения между этими двумя частями для получения вследствие перепада давлений резкого расширения ведущего газа, который расширяется в виде волны разрежения и поступает в рабочую камеру при меньшем давлении, создавая в соответствии с этим ударную волну сжатия, которая делает возможным значительное увеличение совокупного давления в камере незадолго перед тем, как он расширится в камеру расширения и выпуска для совершения работы.

Было бы предпочтительно, чтобы способ управления камерой расширения, соответствующей настоящему изобретению, предусматривал бы ионизацию ведущего газа перед его введением в рабочую камеру, что имеет эффект создания волн, обладающих электромагнитными свойствами, и увеличения интенсивности ударной волны в рабочей камере и задержки начала явления релаксации.

Камера расширения, предназначенная для реализации этого способа, разделена на две части очень быстродействующим затвором, который может быстро установить сообщение между ними в выбранный момент в цикле; одна из этих камер, известная как ведущая камера, соединена с камерой впуска и сжатия и принимает из нее ведущий газ; вторая камера соединена с камерой расширения и выпуска и принимает дополнительный сжатый воздух; таким образом, она становится рабочей камерой. Таким образом, может быть понята работа камеры расширения, соответствующей настоящему изобретению; прежде всего, ведущая камера заполняется горячим сжатым воздухом, находящимся при высоком давлении, например, 50 бар, из камеры впуска и сжатия, тогда как некоторое количество дополнительного сжатого воздуха из баллона для хранения сжатого воздуха высокого давления инжектируется таким образом, чтобы затем получить низкое давление, например, 10 бар, в рабочей камере, незадолго перед установлением сообщения с камерой расширения двигателя, когда затвор между камерами быстро открывается; в результате и вследствие перепада давлений ведущий газ будет расширяться в виде волны разрежения и поступать в рабочую камеру, где он создает ударную волну сжатия и значительно увеличивает давление в указанной рабочей камере незадолго перед тем, как она станет сообщаться с камерой расширения и выпуска. Это увеличение давления используют для совершения работы путем расширения газов в камере расширения и выпуска.

В соответствии с другим элементом настоящего изобретения этим двум камерам приданы формы сопел, причем ведущая камера открывается через суживающуюся секцию в горловину, закрываемую быстродействующим затвором, который позволяет ей внезапно открываться в выбранный момент цикла, и на рабочую камеру через расширяющуюся секцию так, чтобы сверхзвуковая струя, создаваемая при открывании горловины, побуждала образование вихревых потоков, которые помимо эффектов ударной волны делают возможным создание требуемых эффектов увеличения давления.

Можно вычислить и выбрать объемы ведущей камеры и рабочей камеры для оптимизации форм и размеров, для создания одной или более ударных инициирующих волн и/или вихревых потоков, не отклоняясь от сущности способа, соответствующего настоящему изобретению.

Также представляется возможным выбрать, в рамках цикла, момент открытия межкамерного затвора, вызывающий перенос в камеру расширения, и таким образом получить требуемые результаты, а именно наибольшее возможное давление в камере расширения в процессе расширения.

Другие задачи, преимущества и особенности настоящего изобретения станут очевидными из следующего неограничивающего описания нескольких вариантов осуществления, сделанного со ссылкой на прилагаемые сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 изображает разрез всего двигателя, оборудованного камерой расширения, соответствующей настоящему изобретению;

фиг. 2 - иллюстрация того же самого двигателя незадолго перед расширением;

фиг. 3 - разрез камеры расширения, выполненной в виде сопла;

фиг. 4 - разрез той же самой камеры расширения с открытым затвором;

фиг. 5 - иллюстрация камеры расширения, соответствующей настоящему изобретению, ведущая камера которой снабжена катодом.

Фиг. 1, на которой различные элементы изображены в разрезе и не в масштабе для того, чтобы обеспечить лучшее понимание схематически представленного чертежа, иллюстрирует один из вариантов осуществления двигателя, оборудованного камерой расширения, соответствующей настоящему изобретению. Камера впуска и сжатия и камера расширения и выпуска управляются с помощью кривошипношатунного механизма и поршней, совершающих возвратно-поступательное движение с возможностью скольжения в цилиндрах, и можно видеть камеру 1 впуска и сжатия и камеру 2 расширения, разделенную затвором 2С и его управляющим устройством 2Ό на две части: на ведущую камеру 2 А и рабочую камеру 2В. Инжектор 22 дополнительного воздуха, снабжаемый сжатым воздухом, содержащимся в баллоне 23 для хранения воздуха очень высокого давления, смонтирован в рабочей камере 2В. Камера 1 впуска и сжатия соединена с ведущей камерой 2А камеры 2 расширения посредством канала 5, открывание и закрывание которого регулируется герметизированной заслонкой 6.

Рабочая камера 2В камеры 2 расширения соединена с камерой 4 расширения и выпуска посредством канала или перепускного окна 7, открывание и закрытие которого регулируется герметизированной заслонкой 8. Камера 1 впуска и сжатия работает как узел поршневого компрессора, в котором поршень 9, скользящий в цилиндре 10, управляется посредством шатуна 11 и коленчатого вала 12. Камера 4 расширения и выпуска управляет поршневым узлом обычного двигателя, причем поршень 15 совершает возвратно-поступательное движение с возможностью скольжения в цилиндре 16 и посредством шатуна 17 приводит во вращение коленчатый вал 18; расширенный воздух выпускают через выхлопную трубу 19, открывание которой регулируется клапаном 20. Вращение коленчатого вала 12 камеры 1 впуска и сжатия регулируется через механизм 21 посредством коленчатого вала 18 камеры 4 расширения и выпуска. Следует указать, что два шатуна могут быть также соединены с одним коленчатым валом, но показанное решение является более показательным, обеспечивающим независимость камер. Двигатель изображен в верхней мертвой точке компрессора, герметизированная заслонка 6 закрыта, а ведущая камера 2А камеры 2 расширения наполнена воздухом, сжатым до высокого давления поршнем 9, инжектор 22 дополнительного воздуха приводится в действие или только что был приведен в действие для подачи в рабочую камеру 2В сжатого воздуха при давлении, которое меньше, чем давление в ведущей камере 2А, после этого приводится в действие быстродействующий затвор 2С для установления внезапного сообщения между ведущей камерой 2А и рабочей камерой 2В (см. фиг. 2). Вследствие перепада давлений ведущий газ будет расширяться в виде волны разрежения и распространяться в рабочую камеру, где он создает ударную волну сжатия, вызывающую значительное увеличение давления в рабочей каме ре 2В, прежде, чем явление релаксации заставит это давление уменьшиться до давления, которое обеспечит смешивание газов, содержащихся в этих двух камерах, и при достижении поршнем 15 камеры расширения своей верхней мертвой точки, заслонка 8 открывает канал 7, чтобы дать возможность газам, содержащимся в рабочей камере, расширяться до тех пор, пока поршень 15 камеры расширения не достигнет нижней мертвой точки, приводя в движение коленчатый вал 18 двигателя и совершая работу.

На фиг. 3 приведен разрез другого варианта осуществления камеры расширения, соответствующей настоящему изобретению, в котором общий контур камеры имеет форму сопла, обеспечивающего в процессе работы возможность формирования тороидальных вихревых потоков. Ведущая камера 2А соединена с рабочей камерой 2В посредством горловины 2Е, в которой скользящий поршень 20 обеспечивает взаимное разделение. Во входе в горловину, расположенном непосредственно перед расширяющимся участком, начинается плавное увеличение сечения 2Р, сопровождающееся изгибом, которое при открывании поршнем обеспечивает формирование ударной волны и поддержание образования вихревых потоков, символически показанных на фиг. 4. Ведущая камера 2А, содержащая ведущий газ, находящийся под высоким давлением, сужается к входу горловины 2Е, диаметр которой выбирают в соответствии с требуемым числом Маха, открывающейся на расходящиеся стенки рабочей камеры 2В. Шток 20 поршня-затвора разделяет две камеры и образует центральный стержень, который будет порождать кольцевой поток. В процессе работы и в выбранный момент времени в цикле двигателя поршень-затвор 20 отходит и резко, но при плавном увеличении сечения 2Р, устанавливает сообщение между двумя камерами. Вследствие перепада давлений газ, содержащийся в ведущей камере 2А, расширяется в рабочую камеру 2В, создавая в ней ударную волну сжатия. Наличие поршня-затвора 20 побуждает поток разделяться и поддерживать создание вихревых потоков.

На фиг. 5 иллюстрируется камера расширения, соответствующая настоящему изобретению, аналогичная камере расширения, показанной на фиг. 3 и 4, в которой катод 2Н, предназначенный для ионизации газа, введен в ведущую камеру 2А для создания волн, обладающих электромагнитными свойствами, для увеличения интенсивности ударной волны и для задержки начала явления релаксации.

Настоящее изобретение безусловно ни в коем случае не ограничивается вариантами осуществления, описанными и проиллюстрированными в этой заявке; несколько вариантов осуществления, например, таких, как были описаны, могут быть сгруппированы вместе и получены в виде многоцилиндровых двигателей, без отклонения от сущности настоящего изобретения, при этом конфигурации и размеры могут меняться и модифицироваться разными способами, приемлемыми для квалифицированных в этой области техники специалистов, в соответствии с предполагаемыми случаями применения.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ управления двигателем, содержащим камеру расширения, камеру (1) впуска и сжатия, и камеру (4) расширения и выпуска, которые являются независимыми, с инжекцией дополнительного сжатого, не загрязняющего окружающую среду газа в камеру расширения (2), в которой возникает процесс увеличения давления, отличающийся тем, что предусматривает разделение процесса увеличения давления в камере расширения на два этапа путем введения, с одной стороны, ведущего газа высокого давления из камеры впуска и сжатия в часть камеры расширения, и путем введения, с другой стороны, не загрязняющего дополнительного сжатого газа, известного как рабочий газ, в другую часть камеры расширения при давлении, которое заметно ниже, чем давление, получаемое в первой части, затем быстрое установление сообщения между двумя частями для получения внезапного расширения ведущего газа вследствие перепада давлений, который расширяется в виде волны разрежения и проходит в рабочую камеру, создавая в соответствии с этим ударную волну сжатия, которая делает возможным значительное увеличение совокупного давления в камере расширения незадолго перед тем, как он расширится в камеру расширения и выпуска для совершения работы.
2. 2. Способ управления камерой расширения по п. 1, отличающийся тем, что конфигурация камеры расширения выполнена с возможностью образования вихревых потоков, которые усиливают эффекты ударной волны сжатия.
3. 3. Способ управления камерой расширения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что предусматривает ионизацию ведущего газа, которая обеспечивает образование электромагнитных волн для увеличения интенсивности ударной волны и задержки начала явления релаксации.
4. 4. Двигатель с инжекцией дополнительного сжатого, не загрязняющего окружающую среду газа для реализации способа по п.1, содержащий камеру (1) впуска и сжатия, камеру (4) расширения и выпуска, и камеру (2) расширения, которые являются независимыми, в котором небольшое количество дополнительного сжатого, не загрязняющего окружающую среду газа из внешнего баллона (23), в котором газ хранится под очень высоком давлением, вводят в камеру расширения (2), отличающийся тем, что камера (2) расширения разделена на две части (2А, 2В) быстродействующим затвором (2С), который в выбранный момент в цикле быстро устанавливает сообщение между ними, одна из этих частей, известная как ведущая камера (2 А), соединена с камерой (1) впуска и сжатия и принимает из нее ведущий газ высокого давления, вторая часть, известная как рабочая камера (2В), соединена с камерой (4) расширения и выпуска и принимает дополнительный сжатый, не загрязняющий окружающую среду газ, при этом ударная волна сжатия образуется при быстром открывании межкамерного затвора (2С) в результате перепада давлений, вызывая значительное увеличение давления незадолго перед установлением сообщения с камерой (4) расширения и выпуска для совершения работы.
5. 5. Двигатель с инжекцией дополнительного сжатого, не загрязняющего окружающую среду газа по п.4, отличающийся тем, что две части (2А, 2В) камеры (2) расширения имеют форму сопел, при этом ведущая камера (2А) открывается через сужающуюся секцию в горловину (2Е), закрытую быстродействующим затвором (2С), который позволяет ей быстро открываться в выбранный момент в цикле, и на рабочую камеру (2В) через расширяющую секцию таким образом, чтобы сверхзвуковая струя, создаваемая при открывании горловины, вызывала образование вихревых потоков, которые помимо эффектов ударной волны делают возможным получение требуемых эффектов увеличения давления.
6. 6. Двигатель с инжекцией дополнительного сжатого, не загрязняющего окружающую среду газа по пп.4 и 5, отличающийся тем, что ведущая камера (2А) содержит катод (2Н), который обеспечивает ионизацию ведущего газа перед его введением в рабочую камеру (2В), причем это имеет эффект образования волн, обладающих электромагнитными свойствами, увеличивающий интенсивность ударной волны в рабочей камере (2В) и задержку начала явления релаксации.