EA039210B1

EA039210B1 - Internal combustion steam engine

Info

Publication number: EA039210B1
Application number: EA201990863A
Authority: EA
Inventors: Жак Буви
Original assignee: Ди-Эм-Эй Тек С.А. Р.Л.
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2021-12-17
Also published as: EA201990863A1; LU100022B1

Abstract

A sparked reciprocating internal combustion two-stroke steam engine comprising an engine casing, a crankshaft (16) rotatable about a crankshaft axis, a cylinder (2) arranged inside said engine casing, a piston (1) arranged inside said cylinder to movably reciprocate along a reciprocating axis between a top dead center position distal from said crankshaft and a bottom dead center position proximal to said crankshaft and operatively connected to the crankshaft such that the reciprocating piston imparts a rotational movement to the crankshaft, a combustion chamber (17) defined within said cylinder between the engine casing and a head of the piston opposite said crankshaft, an intake valve (3A), an exhaust valve (3B), a fuel injector (4) to directly inject fuel into said combustion chamber, a water injector (6) to directly inject water into said combustion chamber at a location below said top dead center position of the piston, and a spark plug (5), wherein the intake valve is in fluid connection with a compressed gaseous oxidizer supply (9) configured to feed compressed gaseous oxidizer through the intake valve to the combustion chamber.

Description

Настоящее изобретение относится к паровым двигателям внутреннего сгорания и, прежде всего, к паровым двигателям внутреннего сгорания с увеличенным КПД, низкой токсичностью выхлопа и большим крутящим моментом при малой частоте вращения, а также к способу для эксплуатации такового.The present invention relates to internal combustion steam engines and, above all, to internal combustion steam engines with increased efficiency, low exhaust toxicity and high torque at low speed, as well as to a method for operating it.

Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention

Паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания используют для выработки механического вращающего момента на протяжении более 150 лет. Современный паровой двигатель, основанный на использовании возвратно-поступательного поршня, стал возможным благодаря Джеймсу Уатту, совместившему маломощный двигатель возвратно-поступательного действия с конденсатором, что позволило выполнять расширение пара до давления ниже атмосферного, увеличивая тем самым его КПД. Внедрение паровой турбины позволило увеличить КПД и (коэффициент объемного) расширения с выходом на давления в несколько дюймов рт. ст. в нашей гравиметрической системе. Так или иначе, паровые двигатели возвратно-поступательного типа использовались в железнодорожной промышленности на протяжении 20 столетия во всех случаях, когда требовались большие крутящие моменты при низкой частоте вращения для транспортировки крупногабаритных грузов на крутых уклонах. Паровые двигатели могут сжигать любой тип топлива в процессе выработки энергии, хотя обычно они используют уголь или природный газ. Они являются ограниченными в том плане, что для них требуется внешний котел для генерации пара, доведенного до перегретого состояния. Температура перегретого пара часто ниже температуры топлива, которое сжигают в котле, поскольку передача тепла на воду требует либо значительной разности температур, либо больших поверхностей теплопередачи. Таким образом, за исключением производства электроэнергии и некоторых систем, в которых требуются как технологический пар, так и механическая энергия в сочетании между собой, паровые двигатели не используют в больших масштабах. Паровые двигатели вырабатывают более высокий крутящий момент, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.Steam engines and internal combustion engines have been used to generate mechanical torque for over 150 years. The modern steam engine, based on the use of a reciprocating piston, was made possible by James Watt, who combined a low-power reciprocating engine with a condenser, which allowed steam to be expanded to subatmospheric pressure, thereby increasing its efficiency. The introduction of the steam turbine made it possible to increase the efficiency and (volume) expansion with an output of pressures of several inches of mercury. Art. in our gravimetric system. In any case, reciprocating steam engines were used in the railroad industry throughout the 20th century in all cases where high torques at low speeds were required to transport large loads on steep grades. Steam engines can burn any type of fuel in the process of generating power, although they usually use coal or natural gas. They are limited in that they require an external boiler to generate superheated steam. The temperature of the superheated steam is often lower than the temperature of the fuel that is burned in the boiler, because the transfer of heat to water requires either a large temperature difference or large heat transfer surfaces. Thus, with the exception of power generation and some systems that require both process steam and mechanical power combined, steam engines are not used on a large scale. Steam engines produce higher torque than traditional internal combustion engines.

Потребности сегодняшнего транспорта в энергии покрывают, прежде всего, с помощью двигателей внутреннего сгорания. Хотя разработка литиевых аккумуляторных батарей сделала электромобили подходящим решением для использования в городах или для движения на расстояния менее 200 миль, современные транспортные двигатели включают в себя таковые, основанные на цикле Отто, цикле Дизеля, цикле Брайтона и стандартном воздушном цикле для выработки реактивной движущей силы.The needs of today's transport in energy are covered primarily with the help of internal combustion engines. While the development of lithium batteries has made electric vehicles a viable solution for use in cities or for travel under 200 miles, modern vehicle engines include those based on the Otto cycle, the Diesel cycle, the Brayton cycle, and the standard air cycle to generate jet propulsion.

Для наземных систем транспортировки, небольших кораблей и небольших винтовых самолетов используют различные варианты цикла Отто.For ground transportation systems, small ships, and small propeller-driven aircraft, various variations of the Otto cycle are used.

В системах генерации электроэнергии, где ветровые и солнечные установки являются непрактичными, возможно использование установок внутреннего сгорания, работающих на циклах Дизеля или Отто.In power generation systems where wind and solar installations are impractical, it is possible to use internal combustion plants operating on Diesel or Otto cycles.

На фермах и в молочных хозяйствах, где имеется газ метан из органических удобрений или есть доступ к пропану, можно было бы использовать двигатель на основе цикла Отто.On farms and dairies that have methane gas from organic fertilizers or have access to propane, an Otto cycle engine could be used.

Таким образом, несмотря на природоохранные потребности в уменьшении использования видов углеводородного топлива, двигатели, основанные на цикле Отто, по всей видимости, будут оставаться на первом плане на протяжении, по меньшей мере, следующих 20 лет в общемировых масштабах. Поэтому важно, чтобы мы изыскали конструкции двигателей, которые сводят к минимуму загрязнение атмосферы при доведении КПД до максимума.Thus, despite the environmental need to reduce the use of hydrocarbon fuels, Otto cycle engines are likely to remain at the forefront for at least the next 20 years on a global scale. Therefore, it is important that we find engine designs that minimize air pollution while maximizing efficiency.

Как двигатели Дизеля, так и двигатели Отто обычно обозначают двигателями на стандартных воздушных циклах. Это потому, что основным окислителем для топлива является воздух, забираемый из атмосферы (воздух считается бесплатным, а стоит только топливо). При этом содержащийся в воздухе азот приводит к образованию оксидов азота NOx, которые, в свою очередь, необходимо обрабатывать.Both Diesel and Otto engines are usually designated engines on standard air cycles. This is because the main oxidizing agent for fuel is air taken from the atmosphere (air is considered free, but only fuel costs). At the same time, the nitrogen contained in the air leads to the formation of nitrogen oxides NOx, which, in turn, must be treated.

Большинство двигателей на цикле Отто являются четырехтактными двигателями. Они используют бензин, пропан или природный газ (метан) в качестве топлива, а окислителем является воздух. Во избежание детонационного стука (неконтролируемого сжигания) они работают на обедненной горючей смеси (в этом случае требуется больше воздуха для сжигания топлива). Это приводит к образованию NOX, а также может приводить к неполному сгоранию (образование СО). Оба являются газами, вызывающими парниковый эффект. Большинство современных автомобилей работает на непосредственном впрыске топлива для предупреждения возможности выброса не сгоревших углеводородов.Most engines on the Otto cycle are four-stroke engines. They use gasoline, propane, or natural gas (methane) as fuel, and the oxidizer is air. To avoid knocking (uncontrolled combustion), they run on a lean fuel mixture (in this case, more air is needed to burn the fuel). This leads to the formation of NOX and can also lead to incomplete combustion (CO formation). Both are greenhouse gases. Most modern cars run on direct fuel injection to prevent the possibility of unburned hydrocarbons being emitted.

Значительное количество малолитражных двигателей является т.н. двухтактными двигателями. Их используют в составе навесных моторов, на скутерах, моделях самолетов, складских транспортных средствах и т.п. Их литраж обычно меньше чем 1000 см³. Как правило, в них используют картер в качестве отдельной камеры для забора и сжатия воздуха, который подают в цилиндр. Когда поршень движется в цилиндре вниз, он сжимает воздушно-топливно-масляную смесь в картере. Когда он приближается к концу хода, он открывает клапан впуска в цилиндр, и сжатая воздушно-топливно-масляная смесь поступает в цилиндр (камеру сгорания), при этом выпускной клапан продолжает оставаться открытым. Это приводит к выпуску определенного количества углеводородов в атмосферу. Похоже, что для двухтактных двигателей никакой способ каталитической обработки NOX на сегодняшний день не предложен. Некоторые изготовители двухтактных двигателей начинают использовать системы непосредственного впрыска топлива. Это приведет к исключению выброса углеводородного сырья в атмосферу, но они доA significant number of small engines is the so-called. two stroke engines. They are used in outboard motors, scooters, model airplanes, warehouse vehicles, etc. Their displacement is usually less than 1000 cm ³ . As a rule, they use the crankcase as a separate chamber for the intake and compression of air, which is fed into the cylinder. As the piston moves down in the cylinder, it compresses the air-fuel-oil mixture in the crankcase. As it approaches the end of its stroke, it opens the inlet valve to the cylinder and the compressed air-fuel-oil mixture enters the cylinder (combustion chamber) while the exhaust valve remains open. This results in the release of a certain amount of hydrocarbons into the atmosphere. It appears that no catalytic treatment of NOX has been proposed to date for two-stroke engines. Some two-stroke engine manufacturers are starting to use direct fuel injection systems. This will lead to the exclusion of the release of hydrocarbons into the atmosphere, but they will

- 1 039210 сих пор не смогли решить проблему с NOX практически осуществимым способом с достаточно низкими затратами.- 1 039210 have not yet been able to solve the NOX problem in a practicable way at a sufficiently low cost.

На протяжении ряда лет были выполнены работы по использованию Н₂ в качестве топлива, и испытания, проведенные Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Министерством энергетики США (USDOE) в Калифорнии, показали меньший уровень образования NOX при непосредственном впрыске в четырехтактный двигатель благодаря изменению количества отверстий в форсунках инжекторов.Over the years, work has been done on the use of H ₂ as a fuel, and tests conducted by the US National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the US Department of Energy (USDOE) in California have shown a lower level of NOX formation with direct injection into four-stroke engine due to a change in the number of holes in the injector nozzles.

Техническая задача.Technical task.

Ввиду вышеизложенного задача настоящего изобретения заключается в предоставлении усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания, который более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду, чем известные двигатели, а также способа для эксплуатации такого двигателя.In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide an improved internal combustion engine that is more efficient and less polluting than known engines, as well as a method for operating such an engine.

Описание изобретенияDescription of the invention

Для решения этой задачи согласно изобретению в его первом аспекте предложен двухтактный паровой двигатель внутреннего сгорания возвратно-поступательного типа с искровым зажиганием, включающий в себя: кожух двигателя, коленчатый вал, вращаемый вокруг оси коленчатого вала, цилиндр, расположенный внутри кожуха двигателя, поршень, расположенный внутри цилиндра с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси возвратно-поступательного движения между положением верхней мертвой точки, удаленной от коленчатого вала, и положением нижней мертвой точки, приближенной к коленчатому валу, и эксплуатационно связанный с коленчатым валом так, что возвратно-поступательный поршень придает коленчатому валу вращательное движение, камеру сгорания, заданную внутри цилиндра между кожухом двигателя и головкой (или днищем) поршня, противоположной коленчатому валу, впускной клапан, выпускной клапан, топливный инжектор, расположенный для непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания, водяной инжектор (отдельный от топливного инжектора), расположенный для непосредственного впрыска воды в камеру сгорания в точке ниже положения верхней мертвой точки головки/днища поршня, и свечу зажигания, причем впускной клапан гидравлически соединен с системой подвода сжатого газообразного окислителя, выполненной для подачи сжатого газообразного окислителя через впускной клапан в камеру сгорания.To solve this problem, according to the invention in its first aspect, a two-stroke reciprocating-type internal combustion steam engine with spark ignition, including: an engine casing, a crankshaft rotatable about the axis of the crankshaft, a cylinder located inside the engine casing, a piston located inside the cylinder with the possibility of reciprocating movement along the reciprocating motion axis between the position of the top dead center, remote from the crankshaft, and the position of the bottom dead center, close to the crankshaft, and operationally connected with the crankshaft so that the reciprocating piston gives crankshaft rotational movement, a combustion chamber defined inside the cylinder between the engine casing and the head (or bottom) of the piston opposite the crankshaft, an intake valve, an exhaust valve, a fuel injector located for direct injection of fuel into the combustion chamber, water and an injector (separate from the fuel injector) positioned for directly injecting water into the combustion chamber at a point below the top dead center position of the head/bottom of the piston, and a spark plug, the intake valve being hydraulically connected to a compressed gaseous oxidizer supply system configured to supply the compressed gaseous oxidizer through the intake valve into the combustion chamber.

Согласно изобретению в его другом аспекте также предложен способ для эксплуатации раскрытого в нем двухтактного двигателя внутреннего сгорания возвратно-поступательного типа с искровым зажиганием.According to the invention, in its other aspect, a method is also provided for operating a two-stroke reciprocating-type internal combustion engine with spark ignition disclosed therein.

Двигатель согласно изобретению является, прежде всего, двухтактным паровым двигателем, что означает, что энергию вырабатывают посредством зажигания смеси топлива и окислителя в одном и том же цилиндре во время каждого цикла поворота коленчатого вала. Это оказывается возможным благодаря переносу процесса сжатия окислителя (воздуха или кислорода) во вспомогательное устройство сжатия (которое не является частью двигателя), что означает, что окислитель подают в цилиндр в уже сжатом состоянии вместо сжатия его внутри цилиндра или ниже цилиндра, как в традиционных двухтактных двигателях. Таким образом, сжатие перед зажиганием топлива не осуществляют ни внутри, ни с помощью цилиндра, а наоборот, окислитель подают в достаточно сжатом состоянии. Основное преимущество двигателя, являющегося двухтактным двигателем, заключается, как известно, в том, что по сравнению с четырехтактным циклом на эквивалентном силовом приводе двигатель может быть намного меньше или, альтернативно, при одинаковом размере двигатель может теоретически вырабатывать энергию в двойном размере.The engine according to the invention is primarily a two-stroke steam engine, which means that power is generated by igniting a mixture of fuel and oxidizer in the same cylinder during each rotation of the crankshaft. This is made possible by moving the compression process of the oxidizer (air or oxygen) to an auxiliary compression device (which is not part of the engine), which means that the oxidizer is supplied to the cylinder in an already compressed state, instead of compressing it inside the cylinder or below the cylinder, as in traditional two-stroke engines. Thus, compression before ignition of the fuel is not carried out either inside or by the cylinder, but rather the oxidant is supplied in a sufficiently compressed state. The main advantage of an engine being a two-stroke engine is known to be that compared to a four-stroke cycle on an equivalent power drive, the engine can be much smaller, or alternatively, with the same size, the engine can theoretically generate twice the amount of power.

Во-вторых, двигатель согласно изобретению, хотя и является двигателем внутреннего сгорания, является, что более важно, также и паровым двигателем, отсюда и название - паровой двигатель внутреннего сгорания или ПДВС. Фактически, в двигателе согласно изобретению тепло, полученное в результате сгорания топлива, непосредственно используют после того, как оно завершит испарение воды, своевременно впрыснутой специально продуманными водяными инжекторами после завершения сгорания по существу, создавая тем самым более высокое давление газа и, следовательно, вырабатывая больше энергии для вращения коленчатого вала. С уменьшением температуры перегретого пара возрастает давление внутри цилиндра. Впрыск соответствующих количеств воды показал, что это обеспечивает примерно на 5% больше энергии, чем сгорание одного лишь топлива. При этом имеется еще одно важное преимущество впрыска воды непосредственно после осуществления сгорания: вода, испаренная за счет тепла внутри цилиндра, уменьшает температуру внутри камеры сгорания, тем самым значительно уменьшая тепловую нагрузку на блок цилиндров и головку цилиндров, прежде всего, по сравнению с традиционными двухтактными двигателями, в которых зажигание происходит во время каждого цикла. Более того, вследствие непосредственного охлаждения, вызванного испарением впрыснутой воды, может быть упрощено общее охлаждение двигателя, что, в свою очередь, уменьшает вес двигателя. Кроме того, впрыск воды, а не пара является более простым процессом, использует более надежные (и более дешевые) компоненты и требует меньше рабочих затрат.Secondly, the engine according to the invention, although an internal combustion engine, is, more importantly, also a steam engine, hence the name internal combustion steam engine or PDVS. In fact, in the engine according to the invention, the heat obtained from the combustion of the fuel is directly used after it completes the evaporation of water injected in a timely manner by specially designed water injectors after the combustion is completed, thereby essentially creating a higher gas pressure and therefore producing more energy to rotate the crankshaft. As the temperature of the superheated steam decreases, the pressure inside the cylinder increases. The injection of appropriate amounts of water has shown that this provides about 5% more energy than the combustion of fuel alone. In this case, there is another important advantage of injecting water directly after combustion: the water evaporated due to the heat inside the cylinder reduces the temperature inside the combustion chamber, thereby significantly reducing the thermal load on the cylinder block and cylinder head, above all, compared to traditional two-stroke engines in which ignition occurs during each cycle. Moreover, due to the direct cooling caused by the evaporation of the injected water, the overall cooling of the engine can be facilitated, which in turn reduces the weight of the engine. In addition, water injection, rather than steam injection, is simpler, uses more reliable (and cheaper) components, and requires less operating costs.

Третье важное преимущество изобретения, если окислителем является воздух (а значит, главным образом, азот), заключается в том, что впрыск воды непосредственно после сгорания топлива приводит к быстрому уменьшению температуры внутри камеры сгорания, что значительно уменьшает опасностьThe third important advantage of the invention, if the oxidant is air (and thus mainly nitrogen), is that the injection of water immediately after the combustion of the fuel leads to a rapid decrease in the temperature inside the combustion chamber, which significantly reduces the danger

- 2 039210 образования опасных для окружающей среды оксидов азота NOX. Это, в свою очередь, уменьшает необходимость в сложных системах и присадках для восстановления NOX обратно в N2 (чтобы соблюсти соответствующие национальные и международные нормативные требования).- 2 039210 formation of environmentally hazardous nitrogen oxides NOX. This in turn reduces the need for complex systems and additives to reduce NOX back to N2 (in order to comply with relevant national and international regulations).

Четвертое преимущество изобретения заключается в том, что в отличие от традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором пиковый крутящий момент возникает непосредственно после того, как сгорание завершено, под небольшим углом после зажигания, максимальный крутящий момент в паровом двигателе возникает после того, как вся впрыснутая вода превратилась в перегретый пар и, таким образом, тогда, когда плечо рычага значительно больше.A fourth advantage of the invention is that, unlike a conventional internal combustion engine (ICE), in which peak torque occurs immediately after combustion is completed, at a slight angle after ignition, the maximum torque in a steam engine occurs after all the injected water has turned into superheated steam and thus when the lever arm is much larger.

Выражения верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка являются общеизвестными выражениями в области двигателей возвратно-поступательного типа и относятся к обоим конечным положениям поршня или, более конкретно, днища поршня внутри цилиндра вдоль оси возвратно-поступательного движения. Верхняя мертвая точка является положением поршня, когда он удален от коленчатого вала, в то время как нижняя мертвая точка является положением, ближним к коленчатому валу. Положения вдоль оси возвратно-поступательного движения указывают, как правило, в градусах (°) от каждой мертвой точки по отношению к коленчатому валу и в направлении его вращения. Зачастую вышеупомянутым выражениям предшествует предлог после или до. Например: 5° до верхней мертвой точки (сокращенно 5° до в.м.т.) означает, что днище поршня находится в положении вдоль оси возвратнопоступательного движения, которое соответствует углу поворота коленчатого вала под углом в -5° относительно верхней мертвой точки. Запись диапазона -5°++5° от верхней мертвой точки равнозначна от 5° до верхней мертвой точки до 5° после верхней мертвой точки или 5° до в.м.т.+5° после в.м.т..The expressions top dead center and bottom dead center are common expressions in the field of reciprocating engines and refer to both end positions of the piston or, more specifically, the crown of the piston inside the cylinder along the reciprocating axis. Top dead center is the position of the piston when it is away from the crankshaft, while bottom dead center is the position closest to the crankshaft. Positions along the reciprocating axis are generally indicated in degrees (°) from each dead center with respect to the crankshaft and in the direction of rotation. Often the above expressions are preceded by the preposition after or before. For example: 5° BTDC (abbreviated as 5° BTDC) means that the piston crown is in a position along the reciprocating axis that corresponds to a crankshaft angle of -5° relative to TDC. A range entry of -5°++5° TBDC is equivalent to 5° BTDC to 5° AFDC or 5° BTDC+5° AFDC.

Другие предпочтительные отличительные особенности и преимущества изобретения будут описаны ниже в увязке с ПДВС и способом для его эксплуатации.Other preferred features and advantages of the invention will be described below in connection with the PDVS and the method for operating it.

Как уже излагалось выше, подводимый сжатый газообразный окислитель является, как правило, сжатым кислородом или сжатым воздухом. Обычно двигатель использует сжатый воздух по связи с объемными соотношениями воздуха в нижней точке хода и верхней точке хода, сжатого при постоянной энтропии с коэффициентами сжатия, предпочтительно по меньшей мере 8:1, более предпочтительно по меньшей мере 10:1, наиболее предпочтительно по меньшей мере 12:1.As already discussed above, the compressed gaseous oxidizer supplied is generally compressed oxygen or compressed air. Typically, an engine uses compressed air in relation to the volumetric ratios of air at the bottom of the stroke and the top of the stroke, compressed at constant entropy with compression ratios of at least 8:1, more preferably at least 10:1, most preferably at least 12:1.

Впускной клапан(-ы) и выпускной клапан(-ы) могут представлять собой любой соответствующий тип клапана, предпочтительно это автономные тарельчатые клапаны, используемые почти во всех четырехтактных двигателях, золотниковые клапаны или поворотные дисковые клапаны, либо приводимые собственно от двигателя (двигатель, следовательно, является исполнительным механизмом), например с помощью кулачкового вала, либо приводимые от отдельных исполнительных механизмов, таких как пневматические, гидравлические или электрические исполнительные механизмы. Например, клапанная система, рассчитанная как золотник или быстро вращающийся диск, может в предпочтительном решении обеспечивать заданную синхронизацию открытия и закрытия выпускного клапана в нижней мертвой точке и открытие впускного клапана до закрытия выпускного клапана.The intake valve(s) and exhaust valve(s) may be any appropriate type of valve, preferably self-contained poppet valves used in almost all four-stroke engines, spool valves or rotary disc valves, or powered by the engine itself (the engine is therefore , is an actuator), for example by means of a camshaft, or driven by separate actuators such as pneumatic, hydraulic or electric actuators. For example, a valving system designed as a spool or a fast rotating disk may preferably provide a predetermined timing of the opening and closing of the exhaust valve at bottom dead center and opening the intake valve before closing the exhaust valve.

ПДВС согласно изобретению может включать в себя, кроме того, исполнительный механизм, выполненный для открытия впускного клапана для подачи сжатого окислителя, когда головка поршня находится в положении возвратно-поступательного движения от 90 до 20°, предпочтительно от 35 до 25°, более предпочтительно примерно 30° до верхней мертвой точки, и выполненный для закрытия впускного клапана в положении от 10 до 2°, предпочтительно примерно 5° до верхней мертвой точки. Предпочтительно ПДВС также включает в себя исполнительный механизм, выполненный для открытия выпускного клапана для удаления отработанного газа, когда головка поршня находится в положении возвратнопоступательного движения от -21 до +15°, предпочтительно от -10 до +5°, более предпочтительно 0° от верхней мертвой точки, и выполненный для закрытия выпускного клапана в положении от 25 до 5°, предпочтительно от 20 до 10°, более предпочтительно примерно 15° до верхней мертвой точки.The PDVS according to the invention may further include an actuator configured to open the compressed oxidant inlet valve when the piston head is in a reciprocating position of 90 to 20°, preferably 35 to 25°, more preferably about 30° to top dead center, and configured to close the intake valve at a position of 10 to 2°, preferably about 5° to top dead center. Preferably, the PDVS also includes an actuator configured to open an exhaust valve to remove exhaust gas when the piston crown is in a reciprocating position of -21 to +15°, preferably -10 to +5°, more preferably 0° from top. dead center, and configured to close the exhaust valve at a position of 25 to 5°, preferably 20 to 10°, more preferably about 15° to top dead center.

Топливо, которое может использоваться для подачи в двигатель согласно изобретению, может представлять собой любое традиционное топливо, которое является жидким или газообразным в нормальных условиях, например водород, углеводороды или связанные кислородсодержащие молекулы. В особо предпочтительных вариантах конструктивного выполнения двигатель согласно изобретению эксплуатируют на топливе, которое является газообразным в нормальных условиях. Прежде всего, предпочтительные виды топлива выбирают из водорода, метана, этана, пропана, бутана или природного газа.The fuel that can be used to supply the engine according to the invention can be any conventional fuel that is liquid or gaseous under normal conditions, such as hydrogen, hydrocarbons or bound oxygen-containing molecules. In particularly preferred embodiments, the engine according to the invention is operated on a fuel which is gaseous under normal conditions. First of all, preferred fuels are selected from hydrogen, methane, ethane, propane, butane or natural gas.

В особо предпочтительных вариантах осуществления изобретения топливный инжектор(-ы) выполнен(-ы) для впрыска топлива в положении от -5 до +5°, предпочтительно 0° от верхней мертвой точки, а свеча зажигания выполнена для зажигания непосредственно после закрытия топливного инжектора.In particularly preferred embodiments of the invention, the fuel injector(s) is(are) configured to inject fuel at a position of -5 to +5°, preferably 0° from top dead center, and the spark plug is configured to ignite immediately after closing the fuel injector.

Специально продуманный водяной инжектор(-ы) в предпочтительном решении выполнен(-ы) для впрыска воды в камеру сгорания в положении от 5 до 40°, предпочтительно от 7,5 до 30° после верхней мертвой точки.The specially designed water injector(s) are preferably designed to inject water into the combustion chamber at a position of 5 to 40°, preferably 7.5 to 30° after top dead center.

В наиболее предпочтительных вариантах конструктивного выполнения с воздухом в качестве окислителя и Н₂ в качестве топлива масса воды, впрыснутой в камеру сгорания, составляет от 0,8 до 1,5, предпочтительно от 0,9 до 1,2 массы горючих газов внутри камеры сгорания (то есть после шага (в), какIn the most preferred embodiments with air as oxidant and H ₂ as fuel, the mass of water injected into the combustion chamber is from 0.8 to 1.5, preferably from 0.9 to 1.2, of the mass of combustible gases inside the combustion chamber (that is, after step (c) as

- 3 039210 указано выше). Эти значения были рассчитаны в увязке с воздухом в качестве окислителя. При О₂ в качестве окислителя предпочтительными являются более значительные объемы воды, прежде всего, до 4или 5-кратной массы продуктов сгорания (или даже больше). ПДВС согласно изобретению включает в себя, как правило, также водяной бак в качестве источника воды для запитки водяного инжектора, а также конденсаторный агрегат ниже по потоку от выпускного клапана. Этот конденсаторный агрегат, например теплообменник, может быть предусмотрен для конденсации пара из отработанного газа в воду, которая затем может подаваться через трубопроводы в водяной бак. Подобный возврат на повторный цикл воды, использованной для получения пара, представляет собой особый интерес в случае с мобильным применением ПДВС, когда количества перевозимой воды обычно должны быть ограничены. Кроме того, возврат воды на повторный цикл также уменьшает количество операций дозаправки воды. Также могут быть предусмотрены фильтровальные устройства для фильтрации выпускного пара. Предпочтительно водяной бак рассчитан как на заправку водой с помощью обычной заливной крышки, так и на заправку конденсированной выпускаемой водой.- 3 039210 above). These values have been calculated in conjunction with air as the oxidizing agent. With O ₂ as oxidizing agent, larger volumes of water are preferred, especially up to 4 or 5 times the mass of the combustion products (or even more). The DHW according to the invention generally also includes a water tank as a source of water for feeding the water injector, as well as a condenser unit downstream of the outlet valve. This condensing unit, for example a heat exchanger, can be provided to condense the steam from the flue gas into water, which can then be fed through pipelines to the water tank. Such recycling of water used to generate steam is of particular interest in the case of mobile applications of PDWS, where the quantities of water transported usually have to be limited. In addition, the return of water to the recycle also reduces the number of refilling operations. Filter devices may also be provided to filter the exhaust steam. Preferably, the water tank is designed both for filling with water using a conventional filler cap and for filling with condensed discharge water.

Предпочтительно ПДВС согласно изобретению включает в себя также блок управления, выполненный для управления одной или несколькими функциями двигателя или способом эксплуатации, например открытием и закрытием впускного клапана, открытием и закрытием выпускного клапана, синхронизацией и количеством впрыска топлива, синхронизацией и количеством впрыска воды, давлением окислителя, синхронизацией зажигания, внешним компрессором и т.п. В общем, блок управления будет обеспечивать способы для надлежащего управления функционированием и эксплуатационными характеристиками двигателя, заложенными в продуманное программное обеспечение, предназначенное для одновременного управления синхронизацией клапанов, закачкой воздушной массы и впрыском под давлением, количеством и синхронизацией впрыска топлива, зажиганием, количеством и синхронизацией впрыска воды, спецификациями впрыска воды в начале и конце рабочего цикла двигателя и т.д.Preferably, the PDWS according to the invention also includes a control unit configured to control one or more engine functions or mode of operation, such as intake valve opening and closing, exhaust valve opening and closing, fuel injection timing and amount, water injection timing and amount, oxidizer pressure. , ignition timing, external compressor, etc. In general, the control unit will provide ways to properly control the operation and performance of the engine, embedded in sophisticated software designed to simultaneously control valve timing, air mass injection and pressurized injection, fuel injection quantity and timing, ignition, injection quantity and timing. water, water injection specifications at the beginning and end of the engine cycle, etc.

ПДВС согласно изобретению, конечно же, может включать в себя несколько цилиндров точно таким же образом, как и традиционные ДВС. Кроме того, каждый из этих цилиндров может включать в себя несколько водяных инжекторов, предпочтительно распределенных вдоль периметра камеры сгорания. Водяные инжекторы могут располагаться в любом месте цилиндра, который расположен внутри камеры сгорания. С движением поршня вниз вследствие воспламенения смеси топлива с окислителем вода может впрыскиваться, как правило, тогда, когда головка поршня расположена в положении примерно от 5 до 35° после верхней мертвой точки. Поскольку водяные инжекторы имеют доступ в камеру сгорания, они предпочтительно расположены в зоне между верхней мертвой точкой и положением днища поршня, когда коленчатый вал расположен под углом поворота от 0 до 35°, предпочтительно от 5 до 25° относительно положения верхней мертвой точки.PDVS according to the invention, of course, can include several cylinders in exactly the same way as traditional ICE. In addition, each of these cylinders may include several water injectors, preferably distributed along the perimeter of the combustion chamber. Water injectors can be located anywhere in the cylinder, which is located inside the combustion chamber. With the downward movement of the piston due to the ignition of the mixture of fuel and oxidizer, water can be injected, as a rule, when the piston head is located at a position of about 5 to 35° after top dead center. Since the water injectors have access to the combustion chamber, they are preferably located in the area between the top dead center and the position of the piston crown, when the crankshaft is located at an angle of rotation from 0 to 35°, preferably from 5 to 25° relative to the position of the top dead center.

Альтернативно или дополнительно ПДВС согласно изобретению может включать в себя несколько водяных инжекторов, расположенных в различных местах относительно оси возвратно-поступательного движения, то есть на различных уровнях от верхней мертвой точки либо с расположением друг над другом вдоль оси возвратно-поступательного движения, либо наклонно по отношению к указанной оси. В особо предпочтительных вариантах конструктивного выполнения каждый водяной инжектор из нескольких водяных инжекторов может управляться по отдельности, например в зависимости от частоты вращения двигателя.Alternatively or additionally, the PDWS according to the invention may include several water injectors located at different locations relative to the axis of reciprocating motion, that is, at different levels from top dead center, either located one above the other along the axis of reciprocating motion, or obliquely along relative to the specified axis. In particularly preferred embodiments, each water injector of the plurality of water injectors can be controlled individually, for example depending on the engine speed.

Предпочтительно один или более водяных инжекторов расположен(-ы) для впрыска воды в форме мелкодисперсной пелены на высоких давлениях, как правило, с использованием насоса высокого давления, работающего на давлениях 350-400 бар. Предпочтительно водяные инжекторы расположены так, что их распыляющие характеристики и расположение вокруг головки цилиндров будут обеспечивать полное распыление воды, впрыснутой после сгорания топлива, дающее мелкодисперсную пелену, увязанную с наклонной формой распыла топлива, согласующуюся с характеристиками движения пламени после сгорания, например, под углом больше 90° относительно оси возвратно-поступательного движения в направлении верхней мертвой точки, предпочтительно под углом между 92,5 и 150°, более предпочтительно между 95 и 130°. В особо предпочтительных вариантах изобретения этот угол может контролироваться и регулироваться посредством блока управления.Preferably one or more water injectors are positioned to inject water in the form of a fine mist at high pressures, typically using a high pressure pump operating at pressures of 350-400 bar. Preferably, the water injectors are positioned so that their atomization characteristics and arrangement around the cylinder head will provide a complete atomization of the water injected after the combustion of the fuel, producing a fine mist associated with an oblique fuel spray pattern consistent with the flame movement characteristics after combustion, for example, at an angle greater than 90° about the axis of reciprocation in the direction of top dead center, preferably at an angle between 92.5 and 150°, more preferably between 95 and 130°. In particularly preferred embodiments of the invention, this angle can be controlled and adjusted by means of a control unit.

При том, что некоторые из компонентов ПДВС согласно изобретению, по существу, аналогичны соответствующим компонентам, известным по традиционным ДВС, некоторые из этих компонентов могут иметь очень специфичные отличительные особенности, прежде всего в некоторых наиболее предпочтительных вариантах конструктивного выполнения.While some of the components of the PDVS according to the invention are essentially the same as the corresponding components known from traditional ICEs, some of these components may have very specific features, especially in some of the most preferred embodiments of the design.

Например, обращенная к камере сгорания головка поршня предпочтительно имеет изогнутую вовнутрь поверхность, что будет усиливать эффекты формованного перегретого пара, позволяя оптимально использовать характеристики перегретого пара с целью получения максимального давления на поршень при расширении пара.For example, the piston head facing the combustion chamber preferably has an inwardly curved surface that will enhance the effects of shaped superheated steam, allowing optimal use of the characteristics of the superheated steam to obtain maximum pressure on the piston as the steam expands.

Кожух ПДВС включает в себя, как правило, головку (блока) цилиндров и блок цилиндров. Предпочтительно головка ПДВС выполнена таким образом, чтобы обеспечивать предварительный нагрев определенного количества воды, последовательно впрыскиваемого непосредственно в цилиндр после сго- 4 039210 рания смеси топлива и окислителя. Кроме того, в предпочтительном решении головка цилиндров может быть выполнена для перекрытия удаления головки поршня примерно в 25° от верхней мертвой точки. В подобном случае один или несколько водяных инжекторов могут быть удобно расположены между головкой цилиндров и блоком цилиндров.The casing of the PDVS includes, as a rule, the head (block) of cylinders and the block of cylinders. Preferably, the PDVS head is designed in such a way as to provide preheating of a certain amount of water, sequentially injected directly into the cylinder after combustion of the mixture of fuel and oxidizer. In addition, in a preferred solution, the cylinder head may be configured to bridge the piston head about 25° from top dead center. In such a case, one or more water injectors may be conveniently located between the cylinder head and the cylinder block.

ПДВС согласно изобретению может включать в себя более чем одну свечу зажигания на цилиндр или приспособления для мультиискрового зажигания для увеличения скорости распространения пламени.The PDVS according to the invention may include more than one spark plug per cylinder or multi-spark ignition devices to increase flame propagation speed.

Описанный здесь способ для эксплуатации двухтактного парового двигателя внутреннего сгорания (ПДВС) возвратно-поступательного типа с искровым зажиганием, в общем, включает в себя работу ПДВС с подачей топлива, сжатого окислителя, а затем воды после того как сгорание топлива, по существу, будет завершено. Прежде всего, во время каждого цикла поворота коленчатого вала и соответствующего возвратно-поступательного движения поршня такой способ включает в себя шаг:The method described herein for operating a two-stroke, reciprocating-type, spark-ignition-type internal combustion steam engine (PDVS) generally includes operating the PDVS with fuel, pressurized oxidizer, and then water after the combustion of the fuel is substantially complete. . First of all, during each cycle of rotation of the crankshaft and the corresponding reciprocating movement of the piston, such a method includes the step:

(а) открытие впускного клапана для подачи сжатого окислителя, когда головка поршня находится в положении возвратно-поступательного движения от 90 до 20°, предпочтительно от 35 до 25°, более предпочтительно примерно 30° до верхней мертвой точки, и закрытие впускного клапана в положении предпочтительно от 10 до 2°, более предпочтительно примерно 5° до верхней мертвой точки.(a) opening the compressed oxidant inlet valve when the piston crown is in a reciprocating position of 90 to 20°, preferably 35 to 25°, more preferably about 30° to top dead center, and closing the inlet valve to preferably 10 to 2°, more preferably about 5° to top dead center.

В предпочтительном решении открытие и закрытие впускного клапана могут регулироваться блоком управления по величине в пределах указанных диапазонов предпочтительно во время каждого цикла.In a preferred solution, the opening and closing of the intake valve can be controlled by the control unit in magnitude within the specified ranges, preferably during each cycle.

Также во время каждого цикла поворота коленчатого вала и соответствующего возвратнопоступательного движения поршня способ, в общем, включает в себя следующий шаг:Also during each cycle of crankshaft rotation and corresponding piston reciprocation, the method generally includes the following step:

(б) открытие выпускного клапана для удаления отработанного газа, когда головка поршня находится в положении возвратно-поступательного движения от -21 до +15°, предпочтительно от -10 до +5°, более предпочтительно 0° от верхней мертвой точки, и закрытие выпускного клапана в положении от 25 до 5°, предпочтительно примерно от 20 до 10°, более предпочтительно 15° до верхней мертвой точки.(b) opening the exhaust valve to remove the exhaust gas when the piston head is in the reciprocating position -21 to +15°, preferably -10 to +5°, more preferably 0° from top dead center, and closing the exhaust valve at a position of 25 to 5°, preferably about 20 to 10°, more preferably 15° to top dead center.

В предпочтительном решении открытие и закрытие выпускного клапана могут регулироваться блоком управления по величине в пределах указанных диапазонов предпочтительно во время каждого цикла.In a preferred solution, the opening and closing of the exhaust valve can be adjusted by the control unit in magnitude within the specified ranges, preferably during each cycle.

В процессе эксплуатации ПДВС во время каждого цикла поворота коленчатого вала и соответствующего возвратно-поступательного движения поршня способ предпочтительно, включает в себя шаг:During the operation of the PDVS during each cycle of crankshaft rotation and the corresponding reciprocating movement of the piston, the method preferably includes the step:

(в) впрыскивание топлива в положении от-5 до +5°, предпочтительно 0° от верхней мертвой точки и зажигание свечи зажигания непосредственно после закрытия топливного инжектора.(c) injecting fuel at -5 to +5°, preferably 0° from top dead center, and lighting the spark plug immediately after closing the fuel injector.

Впрыск воды в рамках указанного способа во время каждого цикла поворота коленчатого вала и соответствующего возвратно-поступательного движения поршня может выполняться на шаге:The injection of water within the framework of the specified method during each cycle of rotation of the crankshaft and the corresponding reciprocating movement of the piston can be performed in the step:

(г) впрыск воды в камеру сгорания в положении от 5 до 40°, предпочтительно от 7,5 до 30° после верхней мертвой точки.(d) injecting water into the combustion chamber at a position of 5 to 40°, preferably 7.5 to 30° after top dead center.

Впрыск топлива или воды либо того и другого в предпочтительном решении может регулироваться блоком управления в пределах указанных диапазонов, предпочтительно во время каждого цикла.The injection of fuel or water or both in the preferred solution can be controlled by the control unit within the specified ranges, preferably during each cycle.

В заключение можно сказать, что ПДВС является паровым двигателем, поскольку он использует воду в качестве рабочей жидкости, которая выполняет значительную часть работы в процессе движения поршня. Кроме того, он является двухтактным двигателем внутреннего сгорания в том смысле, что окислителем является либо сжатый воздух, либо сжатый кислород, подведенный от внешнего источника. Окислитель подают в цилиндр, когда поршень находится близко к верхней мертвой точке, а когда впускной клапан закрывают, непосредственно впрыскивают топливо, после чего следует искровое зажигание.In conclusion, we can say that PDVS is a steam engine, since it uses water as a working fluid, which does a significant part of the work in the process of piston movement. In addition, it is a two-stroke internal combustion engine in the sense that the oxidizer is either compressed air or compressed oxygen supplied from an external source. The oxidizer is fed into the cylinder when the piston is close to top dead center, and when the intake valve is closed, fuel is directly injected, followed by spark ignition.

Зажигание обеспечивают посредством использования свечей зажигания - одной или нескольких в зависимости от диаметра цилиндра и соответствующей высоковольтной автомобильной катушки зажигания. Как правило, одной свечи достаточно, при этом, если топливо, впрыснутое в цилиндр, сгорает со скоростью распространения пламени, не достаточной для полного сгорания до того, как поршень переместится примерно на 25° от верхней мертвой точки, желательно или необходимо иметь две или более свечей. Это обусловлено тем, чтобы обеспечить, чтобы сгорание было, по существу, завершено, когда добавляют воду. Предпочтительно блок управления должен будет контролировать как зажигание, так и добавление воды. Количество впрыснутого топлива является близким к таковому, как в случае со стехиометрической смесью. В точке, когда сгорание (почти) завершено, жидкую воду предпочтительно впрыскивают в цилиндр через распорную деталь, которая посажена между головкой блока и верхом блока цилиндра.Ignition is provided through the use of spark plugs - one or more depending on the cylinder diameter and a corresponding high voltage automotive ignition coil. As a rule, one spark plug is enough, however, if the fuel injected into the cylinder burns at a flame speed insufficient for complete combustion before the piston has moved about 25 ° from top dead center, it is desirable or necessary to have two or more candles. This is to ensure that combustion is substantially complete when water is added. Preferably, the control unit will have to control both the ignition and the addition of water. The amount of fuel injected is close to that of a stoichiometric mixture. At the point where combustion is (nearly) complete, liquid water is preferably injected into the cylinder through a spacer that is seated between the block head and the top of the cylinder block.

Если топливом является водород, а окислителем является газообразный кислород, то рабочей средой в двигателе будет только перегретая вода, и налицо полноценный паровой двигатель внутреннего сгорания в том смысле, что выпуск будет содержать только воду.If the fuel is hydrogen and the oxidizer is gaseous oxygen, then the working medium in the engine will be only superheated water, and there is a full-fledged internal combustion steam engine in the sense that the exhaust will contain only water.

Если окислителем является воздух, работу будет выполнять смесь из перегретого водяного пара и газообразного азота. Термодинамические анализы показали, что добавление воды в количестве, равном весу воздуха, будет обеспечивать производство работы более чем на 5% больше по сравнению с равно- 5 039210 значной массой воздуха и без образования NOX высокой концентрации.If air is the oxidizing agent, a mixture of superheated water vapor and nitrogen gas will do the work. Thermodynamic analyzes have shown that the addition of water in an amount equal to the weight of air will provide more than 5% more work compared to an equal weight of air and without the formation of high concentrations of NOX.

Двигатель может быть рассчитан так, что смесь может расширяться, пока вода не начнет конденсироваться или пока давление не приблизится к атмосферному.The engine can be sized so that the mixture can expand until the water begins to condense or until the pressure approaches atmospheric pressure.

Движение поршня вверх будет принудительно направлять газы и пар вверх через выпускной клапан.The upward movement of the piston will force the gases and steam upward through the exhaust valve.

При использовании воздуха в качестве окислителя, прежде чем поршень дойдет до верхней мертвой точки, открывают впускной клапан, и окислитель будет помогать выталкивать остающиеся газы и водяной пар (при использовании кислорода, а не воздуха небольшое количество воды, которое может оставаться, не должно удаляться до остановки двигателя, после чего его необходимо продуть, чтобы исключить возможное образование ржавчины, если он длительное время не эксплуатируется).When using air as the oxidizer, before the piston reaches top dead center, the intake valve is opened and the oxidizer will help expel remaining gases and water vapor (when using oxygen rather than air, the small amount of water that may remain must not be removed until stop the engine, after which it must be purged to eliminate the possible formation of rust if it is not used for a long time).

Предпочтительно топливо впрыскивают непосредственно и, когда инжектор и впускной клапан закрываются, в двигателе выполняют искровое зажигание, чтобы повторить цикл.Preferably, the fuel is directly injected and when the injector and intake valve are closed, the engine is spark ignited to repeat the cycle.

Вышеприведенный процесс описан в отношении одного цилиндра. В случае с 4-цилиндровым двигателем сжигание (топлива) выполняют совместно в 1 и 4 цилиндрах и соответственно совместно во 2 и 3 цилиндрах, чтобы обеспечить уравновешенность двигателя.The above process is described for one cylinder. In the case of a 4-cylinder engine, combustion (of fuel) is performed jointly in cylinders 1 and 4, and respectively in cylinders 2 and 3, to ensure engine balance.

Как уже было описано выше, представляется возможным собирать воду из газообразных продуктов сгорания и повторно использовать ее, используя конденсатор с воздушным или водяным охлаждением. Подобная система может быть, например, добавлена, если эта система сепарации осуществима по причине меньшего веса в отличие от (системы) транспортировки воды для автономной работы двигателя, рассчитанного на типовой топливный бак. Наиболее вероятно это возможно при использовании О₂ в качестве окислителя. В случае с воздухом в качестве окислителя не конденсируемый N2 обуславливает относительно большие размеры конденсатора. Устройство, пригодное для сепарации N2 и водяного пара, возможно на основе использования молекулярного сита, если таковое может быть выполнено с возможностью функционирования с малой потребляемой мощностью и при достаточно малом объеме.As already described above, it is possible to collect water from the combustion gases and reuse it using an air-cooled or water-cooled condenser. Such a system may, for example, be added if this separation system is feasible due to the lower weight, as opposed to the (system) transport of water for independent operation of the engine, designed for a typical fuel tank. This is most likely possible when O ₂ is used as an oxidizing agent. In the case of air as the oxidizer, the non-condensable N2 results in a relatively large condenser. An apparatus suitable for separating N2 and water vapor is possibly based on the use of a molecular sieve, if such can be made capable of operating with low power consumption and with a sufficiently small volume.

В случае с воздухом в качестве окислителя использование двигателя на транспортном средстве, в принципе, потребует наличия компрессора, способного сжимать воздух со степенью сжатия, необходимой для работы двигателя (на частоте вращения) до по меньшей мере 3000 об/мин. Воздух должен подаваться со степенью сжатия, равной или превышающей давление нагнетания на уровне или почти на уровне массового расхода воздуха в четырехтактном двигателе с мощностью в л.с. вдвое больше. Как правило, от 350 до 400 кПа при окружающей температуре будут достаточными. Другими словами, четырехцилиндровый двухтактный ПДВС мог бы быть эквивалентным восьмицилиндровому четырехтактному двигателю с рабочим объемом вдвое больше.In the case of air as an oxidizer, the use of an engine in a vehicle would, in principle, require a compressor capable of compressing the air at the compression ratio required to run the engine (at RPM) up to at least 3000 rpm. Air must be supplied at a compression ratio equal to or greater than the discharge pressure at or near the mass air flow rate of a four-stroke horsepower engine. twice as much. Typically, 350 to 400 kPa at ambient temperature will suffice. In other words, a four-cylinder two-stroke PDVS could be equivalent to an eight-cylinder four-stroke engine with twice the displacement.

Такой компрессор мог бы приводиться в действие с помощью ременной или цепной системы с соответствующими шкивами. Он также мог бы приводиться в действие электрическим двигателем.Such a compressor could be driven by a belt or chain system with appropriate pulleys. It could also be powered by an electric motor.

Система подачи воздуха, как правило, потребует наличия бака-аккумулятора, который будет подавать сжатый воздух при окружающей температуре по месту внутри отсека двигателя так, что его расход будет равен величине от одно- до двукратного массового расхода в четырехтактном двигателе.The air supply system will typically require a storage tank that will supply compressed air at ambient temperature to a location within the engine compartment such that its flow rate is one to two times the mass flow rate of a four-stroke engine.

Что касается системы клапанов двигателя, то могут использоваться традиционные тарельчатые клапаны, однако их открытие может сильно ограничиваться. Вместо этого в ПДВС могут использоваться золотниковые клапаны или поворотные дисковые клапаны, которые имеют отверстия для потоков как выпуска, так и впуска. Тарелка клапана может обеспечивать вышеупомянутый нахлест применительно к открытию и закрытию клапана и тем самым упрощать управление.As regards the engine valve system, conventional poppet valves may be used, however their opening may be severely restricted. Instead, PDVS may use spool valves or rotary disc valves that have ports for both exhaust and intake flows. The valve disc can provide the aforementioned overlap in relation to opening and closing of the valve, and thereby simplify control.

Это также может более просто обеспечить электронное или компьютерное управление двигателем и исключить необходимость в кулачковом механизме для управления клапанами.It can also more easily provide electronic or computer control of the engine and eliminate the need for a cam mechanism to control the valves.

Испытания с различными видами топлива могут потребовать использования различных фаз клапанного распределения, например, путем простой замены тарелки или изменения контрольных параметров в блоке управления. Так или иначе, есть основания полагать, что простая конструкция, рассчитанная на Н2, будет подходить для любого из упомянутых видов топлива.Testing with different fuels may require using different valve timing, for example by simply changing the poppet or changing the control parameters in the control unit. Either way, there is reason to believe that a simple H2 design would be suitable for any of the fuels mentioned.

Все конкретно приведенные здесь значения должны трактоваться как приблизительные значения, если явно не оговорено иное. Следовательно, каждое из указанных конкретных значений должно трактоваться как включающее в себя диапазон значений от на 10% меньше до на 10% больше указанного значения. Конкретные значения, которым предшествует слово примерно, приблизительно и т.п., должны трактоваться как включающие в себя диапазон значений от на 20% меньше до на 20% больше указанных значений.All values specifically given here are to be construed as approximate values unless expressly stated otherwise. Therefore, each of the specified specific values should be interpreted as including a range of values from 10% less to 10% more than the specified value. Specific meanings preceded by the word about, approximately, etc., should be construed as including a range of values from 20% less to 20% more than the specified values.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Ниже приведено описание предпочтительных вариантов конструктивного выполнения согласно изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 - вид конструктивного выполнения ПДВС согласно изобретению в поперечном разрезе, фиг. 2 - вид сверху на предпочтительную схему впрыска воды, фиг. 3 - вид сбоку на предпочтительную схему впрыска воды, показывающую угол, превосходящий 90°, фиг. 4 - представление наиболее предпочтительного конструктивного выполнения схемы впрыскаThe following is a description of preferred embodiments according to the invention with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a cross-sectional view of the design of the PDVS according to the invention, FIG. 2 is a plan view of a preferred water injection pattern, FIG. 3 is a side view of a preferred water injection pattern showing an angle greater than 90°, FIG. 4 - representation of the most preferred design of the injection scheme

- 6 039210 воды внутрь цилиндра в ПДВС согласно фиг. 1, фиг. 5 - фрагменты А-В, иллюстрирующие конструктивное выполнение ПДВС согласно изобретению, в частности, со вспомогательным воздушным баком/буферным баком.- 6 039210 water inside the cylinder in PDVS according to FIG. 1, fig. 5 - fragments A-B illustrating the design of the PDVS according to the invention, in particular with an auxiliary air tank/buffer tank.

Описание предпочтительных вариантов конструктивного выполненияDescription of Preferred Design Options

В описании ниже описаны некоторые варианты конструктивного выполнения и модификации ПДВС и способ эксплуатации ПДВС согласно изобретению. Приведенное ниже описание не преследует цель ограничить объем прилагаемых пунктов формулы изобретения, а скорее призвано проиллюстрировать некоторые, на данный момент предпочтительные варианты осуществления изобретения.The description below describes some options for the design and modification of PDVS and the method of operating PDVS according to the invention. The following description is not intended to limit the scope of the appended claims, but rather is intended to illustrate some currently preferred embodiments of the invention.

Как при этом представлено на фиг. 1-4, собственно паровой двигатель внутреннего сгорания (ПДВС) включает в себя целый ряд компонентов, аналогичных таковым, известным по двигателям внутреннего сгорания. Он имеет кожух двигателя, предпочтительно выполненный из головки цилиндров авторской конструкции, в определенной степени стандартного блока цилиндров и одного или нескольких поршней 1, которые прикреплены к коленчатому валу 16 с целью преобразования возвратнопоступательного движения поршня 1 во вращательное движение коленчатого вала 16.As shown in FIG. 1-4, the internal combustion steam engine (ICE) proper includes a number of components similar to those known from internal combustion engines. It has an engine casing, preferably made from a custom designed cylinder head, a somewhat standard cylinder block, and one or more pistons 1 which are attached to a crankshaft 16 to convert the reciprocating motion of the piston 1 into a rotational motion of the crankshaft 16.

В то время как стандартный бензиновый двигатель работает по четырехтактному циклу, а именно: 1) такт впуска, который при движении поршня вниз всасывает воздух в двигатель через впускной клапан за счет создания вакуума и 2) такт сжатия после закрытия клапана в нижней точке хода, который адиабатически сжимает воздух во время движения поршня вверх, паровой двигатель внутреннего сгорания использует впуск сжатого во внешнем контуре окислителя (воздуха или кислорода) через один или несколько впускных клапанов 3А, открывающихся перед верхней мертвой точкой (перед в.м.т.) и закрывающихся, самое позднее, в верхней мертвой точке (в.м.т.). Выражения сжатый окислитель, сжатый воздух или сжатый кислород в контексте настоящего изобретения означают, что окислитель, воздух или кислород сжат на абсолютном давлении впускного коллектора по меньшей мере от 4 до 7 бар или более предпочтительно по меньшей мере 5 бар, более предпочтительно по меньшей мере 6 бар. Более высокие давления обеспечивают подачу большего количества окислителя. Подача воздуха, сжатого отдельно от двигателя, приводит к сравнительно более низкой температуре впуска чем, если бы сжатие воздуха получали за счет компрессии, осуществляемой внутри двигателя путем изоэнтропического сжатия. Это будет приводить к увеличению массы всасываемого воздуха на единицу объема, при этом более низкая температура всасываемого воздуха будет уменьшать возможность самовоспламенения топлива. Это, в свою очередь, позволит использовать более высокие коэффициенты сжатия. Они будут непосредственно влиять на температуру сгорания и на количество испаренной воды и, в общем, на КПД и мощность двигателя. Система 9 подачи сжатого окислителя является уникальной, поскольку температура газа в ней эксплуатационно зависит не от собственной рабочей температуры двигателя, а, наоборот, от собственно системы подачи сжатого окислителя, включающей в себя, например, компрессор и систему охлаждения как таковую. Компрессор, в дополнительных деталях описанный далее по тексту, предпочтительно соединен электронными средствами с двигателем через датчики, которые будут предоставлять информацию, например, о температуре сгорания, а также об испаренной воде. Предпочтительно эти параметры должны рассчитываться специально разработанной программой, отрабатываемой в блоке управления (блок управления ПДВС, не показан), который, в свою очередь, будет подавать на компрессор команды не только на приготовление необходимой воздушной массы, но и на создание потребного давления воздуха. Давление окислителя (воздуха или О₂), заданное по абсолютному давлению впускного коллектора, предпочтительно должно вписываться в диапазон от 4 до 7 бар. Как уже было указано, предпочтительный способ управления компрессором и (его) компоненты будут описаны далее в отдельном описании.Whereas a standard gasoline engine operates on a four-stroke cycle, namely 1) the intake stroke, which, as the piston moves down, draws air into the engine through the intake valve by creating a vacuum, and 2) the compression stroke after the valve closes at the bottom of the stroke, which adiabatically compresses the air during the upward movement of the piston, the internal combustion steam engine uses the inlet of the oxidizer (air or oxygen) compressed in the external circuit through one or more inlet valves 3A, which open before the top dead center (before the top dead center) and close, at the latest, at top dead center (TDC). The terms compressed oxidizer, compressed air or compressed oxygen in the context of the present invention mean that the oxidizer, air or oxygen is compressed at an intake manifold absolute pressure of at least 4 to 7 bar, or more preferably at least 5 bar, more preferably at least 6 bar. Higher pressures deliver more oxidant. Supplying air compressed separately from the engine results in a comparatively lower intake temperature than if the air was compressed by compression carried out within the engine by isentropic compression. This will lead to an increase in the mass of intake air per unit volume, while the lower intake air temperature will reduce the possibility of self-ignition of the fuel. This, in turn, will allow higher compression ratios to be used. They will directly affect the combustion temperature and the amount of water evaporated and, in general, the efficiency and power of the engine. The compressed oxidizer supply system 9 is unique, since the gas temperature in it does not operationally depend on the engine's own operating temperature, but, on the contrary, on the compressed oxidizer supply system itself, including, for example, the compressor and the cooling system as such. The compressor, described in further detail below, is preferably electronically connected to the engine via sensors which will provide information on, for example, the combustion temperature as well as the evaporated water. Preferably, these parameters should be calculated by a specially developed program that is worked out in the control unit (PDVS control unit, not shown), which, in turn, will send commands to the compressor not only to prepare the required air mass, but also to create the required air pressure. The pressure of the oxidant (air or O ₂ ), given by the absolute pressure of the intake manifold, should preferably be within the range of 4 to 7 bar. As already indicated, the preferred compressor control method and (its) components will be described later in a separate description.

Предпочтительно конструкция клапанов 3А и 3В позволяет полностью выдувать отработанный газ из цилиндра поступающим воздухом. Отверстия в головке предпочтительно должны быть выполнены как вогнутости каплевидной формы по кольцу клапанной коробки, чтобы направлять поступающий воздух на движение из выпускного отверстия, обтекание вокруг камеры сгорания 17 и выталкивание отработанного газа предпочтительно с использованием аналогичной вогнутости каплевидной формы, направляющей воздух и отработанный газ из выходного отверстия.Preferably, the design of the valves 3A and 3B allows the exhaust gas to be completely blown out of the cylinder by the incoming air. The holes in the head should preferably be made as teardrop shaped concavities around the valve box ring to direct incoming air to move from the outlet, flow around the combustion chamber 17 and expel the exhaust gas, preferably using a similar teardrop shaped concavity directing air and exhaust gas out of the outlet. holes.

При том, что в ПДВС можно использовать тарельчатые клапаны 3А, 3В, этот тип клапанов, в общем, ограничивает минимальное расстояние, которое должно быть предусмотрено под крышкой цилиндра. Для устранения этой возможной проблемы могут использоваться другие типы клапанов. В предпочтительном решении можно использовать тип клапана с поворотным диском или с плоским золотником. Эти типы клапанов позволяют поршню 1 подходить очень близко к крышке цилиндра. Потенциально, они могут срабатывать от блока управления ПДВС посредством использования исполнительных механизмов, например соленоидов. Альтернативно, они также могут срабатывать от кулачкового вала верхнего расположения с рычажным механизмом, рассчитанным на поворачивание диска, который может быть нагружен сопротивлением пружины или - в случае с плоским золотником - приводиться в действие непосредственно кулачком и, опять же, возвратной пружиной для возврата клапана в его исходное закрытое положение. Золотник или диск может быть выполнен для расположения заподлицо с верхней поверхностью цилиндра. Такая конструкция может быть изготовлена с ее более узким поперечным размером на поверхности, обращенной к поршню и с более широким - вверху, сводя к минимуму возмож- 7 039210 ность протечек по периметру сторон золотника или по окружности диска.While poppet valves 3A, 3B can be used in PDVS, this type of valve generally limits the minimum distance that must be provided under the cylinder head. Other types of valves may be used to eliminate this possible problem. In the preferred solution, a rotary disc or flat spool valve type can be used. These types of valves allow piston 1 to come very close to the cylinder head. Potentially, they can be triggered by the PDVS control unit through the use of actuators, such as solenoids. Alternatively, they can also be actuated by an overhead camshaft with a lever mechanism designed to turn the disc, which can be loaded with spring resistance or - in the case of a flat spool - actuated directly by the cam and again by a return spring to return the valve to its original closed position. The spool or disc may be configured to be flush with the top surface of the cylinder. Such a design can be made with its narrower transverse dimension on the face facing the piston and wider on the top, minimizing the possibility of leakage along the perimeter of the sides of the spool or around the circumference of the disk.

И наоборот, золотник может быть расположен на небольшом расстоянии над крышкой цилиндра. В последнем случае крышка цилиндра может иметь совсем неглубокие вогнутости каплевидной формы для направления потока отработанного газа и поступающего воздуха. Когда отверстия клапанов перекрываются одновременно, поступающий воздух может помогать выдувать все выпускаемые продукты сгорания из камеры. В этой ситуации ПДВС может работать на давлении, когда газы у нижней мертвой точки (в которой выпускные клапаны открываются) находятся под давлением, приходящимся либо на давление внешней среды, либо на точку, в которой водяной пар вышел на начало конденсации.Conversely, the spool may be located a short distance above the cylinder head. In the latter case, the cylinder head may have very shallow teardrop-shaped concavities to guide the flow of exhaust gas and incoming air. When the valve openings are closed at the same time, the incoming air can help to blow all the expelled combustion products out of the chamber. In this situation, the PDVS can operate at a pressure where the gases at the bottom dead center (where the exhaust valves open) are under pressure, either at the ambient pressure or at the point where the water vapor has escaped to start condensing.

Как в двигателе внутреннего сгорания, так и в ПДВС топливо может впрыскиваться через жиклеры 4, расположенные в головке у верхней мертвой точки, в которой окислитель (воздух или О₂) и топливо зажигают с помощью одной или нескольких свеч 5 зажигания. (В более ранних двигателях внутреннего сгорания карбюратор распылял бы жидкое топливо в воздух низкого давления, когда он поступал в двигатель, оставляя мотор подверженным стукам в двигателе перед зажиганием. По этой причине современные двигатели внутреннего сгорания работают на обедненной горючей смеси.) Предпочтительно ПДВС использует только газообразные виды топлива, такие как водород, метан или пропан, которые предпочтительно впрыскивают из одного или нескольких, например четырех или более, жиклеров, и не будет подвержен стукам, даже если двигатель будет работать стехиометрически.Both in an internal combustion engine and in a PDVS, fuel can be injected through jets 4 located in the head at top dead center, in which the oxidizer (air or O ₂ ) and fuel are ignited using one or more spark plugs 5. (In earlier internal combustion engines, the carburetor would spray liquid fuel into the low pressure air as it entered the engine, leaving the motor prone to knocking in the engine prior to ignition. For this reason, modern internal combustion engines run lean.) Preferably, PDVS only uses gaseous fuels such as hydrogen, methane or propane, which are preferably injected from one or more, for example four or more jets, and will not be subject to knocking even if the engine is running stoichiometrically.

Подведенная к воде для получения пара при повышенном давлении теплота есть энтальпия (теплосодержание) при этом давлении минус энтальпия жидкой воды в насыщенном состоянии при 400кПа. Произведенная в результате расширения работа есть энтальпия при высоком давлении минус энтальпия при выпуске (выхлопе). КПД процесса расширения пара есть работа, поделенная на подведенное тепло. Подводимое тепло получают из газообразных продуктов сгорания топлива/воздуха или кислорода, который смешивают с водой для преобразования в пар для привода поршня двигателя.The heat supplied to water to produce steam at elevated pressure is the enthalpy (heat content) at this pressure minus the enthalpy of liquid water in a saturated state at 400 kPa. The work done by the expansion is the high pressure enthalpy minus the exhaust enthalpy. The efficiency of the steam expansion process is the work divided by the heat input. The heat input is obtained from the combustion gases of the fuel/air or oxygen, which is mixed with water to convert to steam to drive the engine piston.

В наиболее предпочтительном конструктивном выполнении форма камеры сгорания, заданная головкой (цилиндра) и днищем поршня с предпочтительно слегка вогнутой поверхностью в верхней мертвой точке, будет иметь форму эллипса с вращением вокруг его малой оси (8). Это приведет к более тщательному смешиванию высокоскоростной струи газообразного топлива с движением газов вверх, а также радиально наружу, обеспечивая улучшение смешивания с окислителем. Передняя граница пламени будет быстро перемещаться через камеру сгорания со скоростью более 8 м/с и не будет оставаться никакого неотработанного топлива, которое может создавать проблему, когда форма днища поршня может приводить к образованию мертвых зон циркуляции. Кроме того, предполагается, что конические струи мелкодисперсной воды будут способствовать этому, когда будут испаряться.In the most preferred design, the shape of the combustion chamber, given by the head (cylinder) and the piston crown with preferably a slightly concave surface at top dead center, will be in the form of an ellipse with rotation around its minor axis (8). This will result in more thorough mixing of the high velocity gaseous fuel jet with the gases moving upward as well as radially outward, providing improved mixing with the oxidizer. The front edge of the flame will rapidly move through the combustion chamber at over 8 m/s and there will be no unused fuel left which can be a problem where the shape of the piston head can lead to circulation dead spots. In addition, it is expected that the conical jets of fine water will contribute to this as they evaporate.

В конце сгорания и после небольшого перемещения поршня вниз, как правило, в зависимости от частоты вращения двигателя жидкая вода на высоком давлении будет впрыскиваться (6) в камеру сгорания 17 цилиндра 2 и будет испаряться, понижая температуру газообразных продуктов сгорания и одновременно повышая давление внутри камеры сгорания 17, обеспечивая тем самым дополнительную энергию, толкающую поршень 1 вниз.At the end of combustion and after a slight downward movement of the piston, generally depending on the engine speed, liquid water at high pressure will be injected (6) into the combustion chamber 17 of cylinder 2 and will evaporate, lowering the temperature of the combustion gases and at the same time increasing the pressure inside the chamber combustion 17, thereby providing additional energy pushing the piston 1 down.

Количество поступающей в цилиндр воды предпочтительно должно будет равняться или превышать массу газообразных продуктов сгорания, причем вода должна превращаться в перегретый пар. Смесь газообразных продуктов сгорания/пара будет адиабатически расширяться до низкого давления в нижней мертвой точке, а затем выталкиваться через один или несколько выпускных клапанов идущим вверх поршнем. За несколько градусов до верхней мертвой точки должно будет начинаться поступление свежего окислителя (воздуха или О2) в двигатель, выталкивая все остаточные газообразные продукты сгорания.The amount of water entering the cylinder should preferably be equal to or greater than the mass of the combustion gases, and the water should be converted into superheated steam. The combustion gas/steam mixture will expand adiabatically to low pressure at bottom dead center and then be forced out through one or more exhaust valves by the upward piston. A few degrees before top dead center, fresh oxidizer (air or O2) would have to enter the engine, pushing out any residual combustion gases.

В случае с ПДВС, работающим с частотой вращения 3000 об/мин на топливе Н₂, точка впрыска воды будет приходиться, в общем, приблизительно на 5-40° поворота коленчатого вала, если передняя граница пламени перемещается только со скоростью 8 м/с. В случае с ПДВС, работающим с частотой вращения 1000 об/мин, впрыск воды может даже начинаться в положении от 5 до 10° после верхней мертвой точки. Если топливом является водород, а окислителем является чистый кислород, то газообразные продукты сгорания оказываются все паром. Если окислителем является воздух, то отработанным газом будут пар и водород. Если топливом являются газообразные или жидкие углеводороды, то в результате будут получаться СО₂, а также N2 и пар. В отработанном газе должно быть небольшое количество NOX или его отсутствие, поскольку по данным USDOE (Министерство энергетики США) даже небольшое количество воды, добавленное в работающий на Н₂ четырехтактный ДВС, резко уменьшает образование NOX. Таким образом, ПДВС с его большим объемом добавки воды не должен производить никакого или почти никакого количества NO_X.In the case of a PDVS operating at 3000 rpm on H ₂ fuel, the water injection point will generally be at about 5-40° of crankshaft rotation if the front edge of the flame is only moving at a speed of 8 m/s. In the case of a PDVS operating at 1000 rpm, the water injection may even start at a position of 5 to 10° after top dead center. If the fuel is hydrogen and the oxidizer is pure oxygen, then the combustion gases are all steam. If the oxidizer is air, then the exhaust gas will be steam and hydrogen. If the fuel is gaseous or liquid hydrocarbons, the result will be CO ₂ as well as N 2 and steam. There should be little or no NOX in the exhaust gas, because according to the USDOE (US Department of Energy), even a small amount _of water added to an H2-powered four-stroke ICE dramatically reduces NOX formation. Thus, PDWS, with its large volume of water addition, should produce little or no NO _X .

Термодинамические расчеты показали, что ПДВС будет нарабатывать большую мощность, чем стандартный двигатель внутреннего сгорания при одинаковом отношении топлива к воздуху. Поскольку двухтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход поршня на один оборот двигателя, а четырехтактный двигатель - только один рабочий ход на два оборота, то ПДВС вдвое меньшего типоразмера, чем стандартный четырехтактный ДВС будет нарабатывать несколько большую мощность и меньше загряз- 8 039210 нять окружающую среду. Таким образом, паровой двигатель внутреннего сгорания является более безопасным для окружающей среды.Thermodynamic calculations have shown that PDVS will generate more power than a standard internal combustion engine with the same fuel-to-air ratio. Since a two-stroke engine provides one piston stroke per engine revolution, and a four-stroke engine only one piston stroke per two revolutions, a half-size PDVS than a standard four-stroke ICE will produce somewhat more power and pollute the environment less. Thus, the internal combustion steam engine is more environmentally friendly.

Кроме того, если головка рассчитана на перекрытие приблизительно первых 20-25° вращения двигателя, блок двигателя потенциально может изготавливаться из менее дорогих материалов.Also, if the head is designed to cover approximately the first 20-25° of engine rotation, the engine block could potentially be made from less expensive materials.

Отдаваемая новым ПДВС мощность значительно больше мощности традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется образованием перегретого пара, происходящим сразу же после процесса сгорания, а также присоединенной массой и повышением давления во время процесса расширения.The power delivered by the new PDVS is much higher than the power of traditional internal combustion engines. This is due to the formation of superheated steam that occurs immediately after the combustion process, as well as the added mass and pressure increase during the expansion process.

Расчеты показали, что газообразные продукты сгорания остывают, а вода увеличивает свою температуру по ходу почти изохорного процесса (перед этим имеет место большое увеличение объема вследствие движения поршня вниз). Хотя изменение объема и небольшое во время нагрева воды и испарения, однако определенное небольшое расширение будет иметь место. Величина изменения объема во время этого процесса зависит, например, от мелкодисперсности (водяной) пыли и оборотов двигателя.Calculations have shown that the combustion gases cool down, and the water increases its temperature in the course of an almost isochoric process (before this, there is a large increase in volume due to the downward movement of the piston). Although the volume change is small during water heating and evaporation, a certain small expansion will take place. The amount of volume change during this process depends, for example, on the fineness of the (water) dust and engine speed.

Как следствие, в еще одном предпочтительном конструктивном выполнении применена инновационная форма водяного инжектора 6, характеристики которого даже лучше отвечают требованиям мелкодисперсного испарения. Описание предпочтительных инжекторов будет приведено далее по тексту.As a consequence, another preferred design uses an innovative shape of the water injector 6, whose characteristics even better meet the requirements of fine evaporation. A description of the preferred injectors will be given later in the text.

В конце расширения газообразные продукты сгорания будут содержать воду в форме мелкодисперсного пара, а также азот, если окислителем является воздух вместо чистого кислорода (О₂).At the end of the expansion, the combustion gases will contain water in the form of fine vapor, as well as nitrogen if the oxidizing agent is air instead of pure oxygen (O ₂ ).

В результате это даст почти чистый двигатель в плане выбросов.This will result in an almost clean engine in terms of emissions.

В традиционных ДВС, если температура сгорания достаточно высокая в ДВС при использовании воздуха для горения, что является обычным случаем, часть образовавшейся воды разрушается, и при наличии азота возможно образование NOX.In conventional ICEs, if the combustion temperature is high enough in the ICE when combustion air is used, which is the usual case, some of the water produced is destroyed, and NOX can be formed in the presence of nitrogen.

Образование NOX является эндотермической реакцией, которая охлаждает газ в определенной степени, и в определенный момент времени газы переходят в равновесное состояние, которое может включать О₂, О, NO, NO2, H2O, H, ОН и т.д.The formation of NOX is an endothermic reaction that cools the gas to a certain extent, and at a certain point in time, the gases go into an equilibrium state, which may include O ₂ , O, NO, NO2, H2O, H, OH, etc.

Само собой разумеется, газообразные продукты сгорания должны достичь достаточно высоких температур, чтобы это произошло, а наличие избыточного О2 и избыточного воздуха в умеренных количествах делает более вероятным образование NO_X.Needless to say, the combustion gases must reach sufficiently high temperatures for this to occur, and the presence of excess O2 and excess air in moderation makes _NOX formation more likely.

NOX есть смесь NO и NO₂. Используя функцию Гиббса и температуру, можно рассчитать равновесную концентрацию продуктов сгорания. Это итеративное вычисление, а результат таков, что сжигание Н₂ в среде воздуха будет приводить к образованию определенного количества NO_X, если поддерживают условие изоляции так, что газы достигают равновесного состояния.NOX is a mixture of NO and NO ₂ . Using the Gibbs function and temperature, the equilibrium concentration of combustion products can be calculated. This is an iterative calculation, and the result is that the combustion of H ₂ in air will produce a certain amount of NO _X if the isolation condition is maintained so that the gases reach an equilibrium state.

При добавлении воды в газообразные продукты сгорания они охлаждаются, нагревая при этом воду до паровой фазы. Этот процесс поддерживает давление на высоком уровне, одновременно понижая температуру. Следовательно, для образования NOX теоретически нет времени, поскольку температура падает до точки, в которой равновесная составляющая уже не присутствует. В любом случае образуется не так уж много. Таким образом, нежелательное образование NOX является определенно меньшим, чем в традиционном ДВС.When water is added to the combustion gases, they are cooled, while heating the water to the vapor phase. This process keeps the pressure high while lowering the temperature. Therefore, there is theoretically no time for NOX to form as the temperature drops to the point where the equilibrium component is no longer present. In any case, not much is generated. Thus, the undesirable formation of NOX is definitely less than in conventional ICE.

В процессе термодинамических расчетов оказалось возможным получить максимальное количество энергии путем использования стехиометрической смеси воздуха и Н₂ так, чтобы избыточный воздух отсутствовал.In the process of thermodynamic calculations, it was possible to obtain the maximum amount of energy by using a stoichiometric mixture of air and H ₂ so that there is no excess air.

В момент полного сгорания образовывалась высокотемпературная смесь Н₂О и N2, которая при добавлении распыленной воды резко остывала так, что образовывалось малое количество NO.At the moment of complete combustion, a high-temperature mixture of H ₂ O and N 2 was formed, which, when sprayed with water was added, cooled sharply so that a small amount of NO was formed.

В еще одном конструктивном выполнении ПДВС согласно изобретению двигатель укомплектован специальной головкой, обеспечивающей предварительный нагрев впрыскиваемой воды в двигателе 13, причем впрыскиваемая вода протекает через каналы, аналогичные таковым, уже существующим в обычных двигателях для головки двигателя и охлаждения цилиндров. При обеспечении соответствующего ритма циркуляции воды в каналах ПДВС воду нагревают, и она может достигать температур, в общем, близких к ее точке кипения. Это приведет к меньшему расходу потребной энергии, получаемой непосредственно при сгорании, для доведения воды до состояния перегретого пара, причем используют энергию отработанного тепла, что, в свою очередь, уменьшит количество необходимого горючего.In yet another embodiment of the PDVS according to the invention, the engine is equipped with a special head that preheats the injected water in the engine 13, the injected water flowing through channels similar to those already present in conventional engines for the engine head and cylinder cooling. By providing an appropriate rhythm of water circulation in the PDVS channels, the water is heated and it can reach temperatures generally close to its boiling point. This will result in less direct combustion energy needed to bring the water to superheated steam, using waste heat energy, which in turn will reduce the amount of fuel needed.

Несмотря на то, что двигатель двухтактный, ПДВС отличается по меньшей мере одним впускным клапаном 3А и одним выпускным клапаном 3В вместо использования простых отверстий (что приводит к ухудшению контроля эксплуатационных характеристик, обычному для большинства двухтактных двигателей), но за счет некоторого увеличения веса из-за клапанов и приданной системы привода.Although the engine is a two-stroke, the PDVS features at least one 3A intake valve and one 3B exhaust valve instead of using simple ports (resulting in poor performance control common to most two-stroke engines), but at the expense of some weight gain due to for valves and attached drive system.

Важной отличительной особенностью ПДВС является система впрыска воды. Как было указано выше, форма камеры сгорания, заданная головкой (цилиндра) и днищем поршня в верхней мертвой точке, предпочтительно образует эллипс с вращением вокруг его малой оси. Форма поршня в предпочтительном решении задана из расчета предупреждения возникновения мертвых зон циркуляции. Чтобы извлечь преимущество из этой отличительной особенности, сопла для впрыска воды предпочтительно расположены соответственно вокруг периферии 11 камеры сгорания и, в общем, задают схему мелкодисперсного распыла струи. Поскольку передняя граница пламени будет иметь тенденцию перемещатьсяAn important distinguishing feature of PDVS is the water injection system. As mentioned above, the shape of the combustion chamber, given by the head (cylinder) and the piston crown at top dead center, preferably forms an ellipse with rotation around its minor axis. The shape of the piston in the preferred solution is set to prevent the occurrence of dead circulation zones. In order to take advantage of this feature, the water injection nozzles are preferably arranged respectively around the periphery 11 of the combustion chamber and generally define a fine spray pattern of the jet. Since the front edge of the flame will tend to move

- 9 039210 вдоль вертикальной оси сверху вниз, следуя направлению впрыска струи горючего, то водяные инжекторы в предпочтительном решении будут осуществлять распыление под углом больше 90°, рассчитанным от вертикальной линии, проведенной от верхнего торца 12 головки двигателя.- 9 039210 along the vertical axis from top to bottom, following the direction of injection of the fuel jet, the water injectors in the preferred solution will spray at an angle greater than 90°, calculated from a vertical line drawn from the upper end 12 of the engine head.

Вода будет впрыскиваться после проворачивания коленчатого вала на определенный угол, например примерно от 5 до 40°, от верхней мертвой точки. Эта синхронизация предпочтительно обеспечивает полное сгорание топлива до того, как будет впрыснута вода. В общем, предполагается, что зажигание будет иметь место в положении от 0 до 5° от верхней мертвой точки. Количество и распределение водяных инжекторов будет зависеть от их способности обеспечивать мелкодисперсную пелену по типу таковых, используемых для впрыска топлива в дизельном двигателе. Представленные расчеты были выполнены для случая с ПДВС, работающим на частоте вращения 3000 об/мин. Количество воды было выбрано равным по массе всем продуктам сгорания (равным массе топлива и воздуха). При том, что можно было бы впрыскивать больше воды, расчеты показывают, что это количество будет обеспечивать более значительную наработку мощности, чем простое сжигание топлива в воздухе или чистом кислороде.Water will be injected after the crankshaft has been rotated through a certain angle, for example from about 5 to 40° from top dead center. This timing preferably ensures complete combustion of the fuel before water is injected. In general, it is assumed that ignition will take place at a position between 0 and 5° from top dead center. The number and distribution of water injectors will depend on their ability to provide a fine mist of the type used for fuel injection in a diesel engine. The presented calculations were performed for the case with a PDVS operating at a rotation frequency of 3000 rpm. The amount of water was chosen to be equal in mass to all combustion products (equal to the mass of fuel and air). While more water could be injected, calculations show that this amount will produce more power than simply burning the fuel in air or pure oxygen.

Как можно видеть на фиг. 2 и 3, схема распыления водяными инжекторами будет диктовать расположение водяных инжекторов 6 так, чтобы они были расположены, в общем, в различных точках 11 вокруг камеры сгорания 17, например по кругу. Предпочтительно сопла инжекторов должны будут задавать коническую форму распыла струи, как видно в виде сверху на головку двигателя на фиг. 2. Форма распыла струи, при взгляде с передней стороны инжектора, будет, в общем, задавать линейную схему, характеризуемую номинальным углом распыла струи инжектором. В предпочтительном решении этот угол должен быть задан так, чтобы максимально широко перекрывать зону распыления, при взгляде от верхнего торца головки цилиндров, и отличается от угла, заданного выше в увязке с необходимостью распыления воды вниз, таким образом, что ее направление будет следовать движению передней границы пламени вниз, как показано на фиг. 3.As can be seen in FIG. 2 and 3, the spray pattern of the water injectors will dictate the location of the water injectors 6 so that they are generally located at various points 11 around the combustion chamber 17, such as in a circle. Preferably, the nozzles of the injectors will give a conical shape to the spray pattern, as seen in the top view of the engine head in FIG. 2. The spray pattern of the jet, as viewed from the front of the injector, will generally define a linear pattern characterized by the nominal spray angle of the jet by the injector. In the preferred solution, this angle should be set so as to cover the spray zone as wide as possible, as viewed from the top of the cylinder head, and different from the angle given above in conjunction with the need to spray water downwards, so that its direction will follow the movement of the front edge of the flame down, as shown in Fig. 3.

Поданный во впускной клапан 3А цилиндра окислитель (воздух или О₂) необходимо будет сжать. В большинстве случаев ПДВС будет эксплуатироваться с использованием воздуха вместо чистого кислорода, то есть ПДВС будет работать на сжатом воздухе в качестве окислителя. При том, что существуют различные способы для достижения этой цели, обеспечиваемой системой 9 подачи сжатого газообразного окислителя, компрессорное устройство предпочтительно должно располагаться на расстоянии (например, длины впускного коллектора 10 сжатого воздуха), позволяющем воздушной массе остыть перед поступлением в цилиндр. Это будет влиять на подачу воздуха с большей плотностью, причем влияние будет выгодно отличаться в сравнении с традиционными двигателями с воспламенением от сжатия или даже с т. н. двигателями Скудери, в которых цилиндр сжатия и рабочий цилиндр расположены, как правило, рядом. Двигатели Скудери имеют спаренные цилиндры, каждый из которых осуществляет две из задач (два из тактов) традиционного двигателя. Цилиндр сжатия осуществляет впуск и сжатие. Рабочий или силовой цилиндр осуществляет сгорание и выпуск. Сжатый воздух подают из цилиндра сжатия в силовой цилиндр через переходной канал. Затем впрыскивают топливо и сжигают его внутри силового цилиндра для выполнения рабочего хода.The oxidizing agent (air or O ₂ ) supplied to the inlet valve 3A of the cylinder will need to be compressed. In most cases, PDVS will be operated using air instead of pure oxygen, i.e. PDVS will operate on compressed air as the oxidizer. While there are various ways to achieve this goal provided by the compressed gaseous oxidant supply system 9, the compressor device should preferably be located at a distance (for example, the length of the compressed air intake manifold 10) to allow the air mass to cool before entering the cylinder. This will affect the delivery of air with a higher density, the effect compare favorably with traditional compression ignition engines or even so-called. Scuderi engines, in which the compression cylinder and the working cylinder are located, as a rule, side by side. Scuderi engines have twin cylinders, each of which performs two of the tasks (two of the cycles) of a traditional engine. The compression cylinder performs intake and compression. The working or power cylinder performs combustion and exhaust. Compressed air is supplied from the compression cylinder to the power cylinder through the transition channel. The fuel is then injected and burned inside the power cylinder to complete the power stroke.

Сжатый воздух можно приготавливать, когда его подают или необходимо подать непосредственно в ПДВС. Альтернативно, может быть предусмотрено временное хранение сжатого воздуха. Сжатый воздух можно активно охлаждать до (или после) хранения, если предусмотреть т. н. промежуточный охладитель, обычно включающий в себя теплообменник. Сжатый воздух внутри такого теплообменника может охлаждаться окружающим воздухом или водой, впрыскиваемой в ПДВС.Compressed air can be prepared when it is supplied or must be supplied directly to the PDVS. Alternatively, temporary storage of compressed air may be provided. Compressed air can be actively cooled before (or after) storage if so-called. an intercooler, usually including a heat exchanger. The compressed air inside such a heat exchanger can be cooled by ambient air or water injected into the PDVS.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения предусмотрены способы для адаптации объемной производительности дутьевого нагнетателя окислителя или устройства хранения сжатого окислителя под потребное сжигание горючего на стехиометрическом соотношении. Для достижения этой цели существуют различные способы, включая отслеживание температуры головки цилиндра, анализ и измерение температуры отработанного газа и т.д. Будет понятно, что согласно изобретению можно использовать или компрессоры с электронным приводом, или компрессоры с автономным приводом, частота вращения которых может варьироваться под потребность стехиометрического горения.In preferred embodiments, methods are provided for adapting the volumetric output of an oxidizer blower or compressed oxidizer storage device to the desired stoichiometric combustion of the fuel. There are various ways to achieve this goal, including cylinder head temperature monitoring, exhaust gas temperature analysis and measurement, etc. It will be understood that either electronically driven compressors or self-driven compressors can be used according to the invention, the speed of which can be varied according to the demand for stoichiometric combustion.

После расширения пар низкого давления может фильтроваться и конденсироваться и подготавливаться к возврату в водяной бак 7. Система циркуляции воды в этом примере, в общем, будет включать в себя водяной бак 7, циркуляционный насос 14 низкого давления для предварительного нагрева воды внутри водяных камер 13 и инжекторный насос 15 высокого давления, выходящий на водяные инжекторы 6 внутри ПДВС.After expansion, the low pressure steam can be filtered and condensed and prepared for return to the water tank 7. The water circulation system in this example will generally include a water tank 7, a low pressure circulation pump 14 to preheat the water inside the water chambers 13 and high pressure injection pump 15, which goes to the water injectors 6 inside the PDVS.

На фиг. 5А показано конструктивное выполнение ПДВС 20 согласно изобретению, а на фиг. 5Б показано конструктивное выполнение воздушного бака/буферного бака 30 для временного хранения сжатого воздуха (окислителя). На фиг. 5В в виде в поперечном разрезе показан воздушный бак 30 согласно фиг. 5Б.In FIG. 5A shows the construction of a PDVS 20 according to the invention, and FIG. 5B shows the design of an air tank/buffer tank 30 for temporary storage of compressed air (oxidizer). In FIG. 5B is a cross-sectional view of the air tank 30 of FIG. 5 B.

ПДВС 20 включает в себя блок цилиндров с крышкой 22 клапанной коробки в верхней части и масляным поддоном 26 в нижней части, патрубок 24 для подачи впрыскиваемой воды или охладителя в блок цилиндров и поворотный коленчатый вал 25, к которому прикреплен маховик 27. В некоторых вариантахPDVS 20 includes a cylinder block with a valve cover 22 in the upper part and an oil pan 26 in the lower part, a pipe 24 for supplying injected water or coolant to the cylinder block and a rotary crankshaft 25 to which a flywheel 27 is attached. In some embodiments

- 10 039210 конструктивного выполнения коленчатый вал 25 может быть эксплуатационно соединен с компрессором (не показан) для подачи сжатого воздуха в буферный бак 30, генератором переменного тока (не показан) и/или вентилятором (не показан).The crankshaft 25 may be operationally connected to a compressor (not shown) for supplying compressed air to the buffer tank 30, an alternator (not shown) and/or a fan (not shown).

Впускной коллектор 23 гидравлическим соединением поочередно, через впускные клапаны соединен с камерой сгорания каждого цилиндра и, кроме того, имеет воздухозаборный клапан 21, гидравлическим соединением соединенный с буферным баком 30. В некоторых вариантах конструктивного выполнения буферный бак 30 может быть смонтирован непосредственно на воздухозаборном клапане 21с помощью фланца 33 и крепежных болтов (не показаны) для гидравлического соединения емкости буферного бака с впускным коллектором 23 через горловину 31. Буферный бак 30 для временного хранения сжатого воздуха, поданного компрессором через воздухозаборный клапан 32, включает в себя также клапан, например дроссельный клапан 35, для регулирования (дросселирования) подачи сжатого воздуха в камеру сгорания цилиндров через впускной коллектор 23.The intake manifold 23 is hydraulically connected in turn, through the intake valves, to the combustion chamber of each cylinder and, in addition, has an air intake valve 21, hydraulically connected to the buffer tank 30. In some embodiments, the buffer tank 30 can be mounted directly on the air intake valve 21c using a flange 33 and mounting bolts (not shown) for hydraulic connection of the buffer tank capacity with the intake manifold 23 through the neck 31. The buffer tank 30 for temporary storage of compressed air supplied by the compressor through the air intake valve 32 also includes a valve, such as a throttle valve 35 , to regulate (throttle) the supply of compressed air to the combustion chamber of the cylinders through the intake manifold 23.

Буферный бак 30 может быть изготовлен из нержавеющей стали и имеет соответствующую вместимость для вмещения сжатого воздуха, по меньшей мере, для заполнения всех цилиндров двойным количеством воздуха, необходимого на каждый двухтактный цикл. Например, буферный бак 30 может иметь вместимость для вмещения примерно 4 л воздуха, сжатого под давлением до 10 бар или более для 2-литрового двигателя.The buffer tank 30 may be made of stainless steel and has a suitable capacity to hold compressed air to at least fill all cylinders with twice the amount of air required for each two-stroke cycle. For example, buffer tank 30 may have a capacity to hold about 4 liters of compressed air up to 10 bar or more for a 2 liter engine.

Список ссылочных обозначений.List of reference designations.

- поршень,- piston,

- цилиндр,- cylinder,

А - впускной клапан,A - inlet valve

3В - выпускной клапан,3B - exhaust valve,

- топливный инжектор,- fuel injector,

- свеча зажигания,- spark plug,

- водяной инжектор,- water injector,

- водяной бак,- water tank,

- изогнутое днище поршня,- curved piston crown

- система подачи сжатого газообразного окислителя (подача сжатого воздуха, подача сжатого кислорода),- compressed gaseous oxidizer supply system (compressed air supply, compressed oxygen supply),

- впускной коллектор сжатого воздуха,- compressed air intake manifold,

- схема впрыска воды при взгляде на двигатель сверху,- water injection scheme when looking at the engine from above,

- схема впрыска воды при взгляде на двигатель сбоку,- water injection scheme when looking at the engine from the side,

- водяная камера,- water chamber

- насос низкого давления,- low pressure pump,

- насос высокого давления,- High pressure pump,

- коленчатый вал,- crankshaft,

- камера сгорания,- the combustion chamber,

- установка конденсации пара,- steam condensation unit,

- вариант конструктивного выполнения ПДВС,- a variant of the constructive implementation of PDVS,

- воздухозаборный клапан,- air intake valve,

- крышка клапанной коробки,- valve cover

- впускной коллектор,- intake manifold,

- патрубок для впрыска воды или охладителя,- a branch pipe for injection of water or coolant,

- коленчатый вал для компрессора, генератора переменного тока и вентилятора,- crankshaft for compressor, alternator and fan,

- масляный поддон,- oil pan,

- маховик,- flywheel,

- буферный бак,- buffer tank,

- горловина под соединение с коллектором,- neck for connection to the collector,

- впуск воздуха из компрессора,- air intake from the compressor,

- фланец с отверстиями под болты для посадки на коллектор,- flange with holes for bolts to fit on the manifold,

- вертикальный разрез буферного бака,- vertical section of the buffer tank,

- дроссельный клапан.- throttle valve.

Claims

1. A two-stroke reciprocating type internal combustion steam engine with spark ignition, including an engine casing, a crankshaft (16) rotating around the crankshaft axis, a cylinder (2) located inside the engine casing, a piston (1) located inside cylinder with the possibility of reciprocating movement along the axis of reciprocating motion between the position of the top dead center, remote from the crankshaft, and the position of the bottom dead center, close to the crankshaft, and operationally associated with the crankshaft so that the reciprocating piston gives the crankshaft rotation

- 11 039210 movement, combustion chamber (17) set inside the cylinder between the engine casing and the piston head opposite the crankshaft, intake valve (3A), exhaust valve (3B), fuel injector (4) for direct fuel injection into the combustion chamber, a water injector (6) for directly injecting water into the combustion chamber at a point below the top dead center position of the piston, and a spark plug (5), wherein the inlet valve is hydraulically connected to a compressed gaseous oxidizer supply system (9) configured to supply a compressed gaseous oxidizer through an intake valve to the combustion chamber, and the two-stroke spark ignition reciprocating type internal combustion steam engine further includes an actuator configured to open an exhaust valve to remove exhaust gas when the piston head is in a reciprocating position of -21 to +15 ° from bottom dead center, and performed for closed exhaust valve at a position of approximately 25 to 5° to the top dead center position, wherein the fuel injector is designed to inject fuel at a piston head position of -5 to +5° from the top dead center, and the water injector is located in a position below the top dead center and is designed to inject water into the combustion chamber in the position of the piston head from 5 to 40 ° after the top dead center.

2. A two-stroke internal combustion steam engine according to claim 1, wherein the compressed gaseous oxidizer supplied is compressed oxygen or compressed air, preferably compressed air with a compression ratio of preferably at least 3-6 bar.

3. A two-stroke internal combustion steam engine according to claim 1 or 2, wherein the compressed gaseous oxidizer supply system includes a compressor.

4. The two-stroke internal combustion steam engine of claim 3, further including a temporary storage device and/or a heat exchanger.

5. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 4, also including an actuator configured to open an intake valve (3A) to supply compressed oxidizer when the piston head is in a reciprocating position of 90 to 20 °, preferably about 35 to 25°, more preferably 30° to top dead center, and configured to close the intake valve at a position of 10 to 2°, preferably about 5° to top dead center.

6. The two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 5, wherein the actuator is configured to open the exhaust valve (3B) to remove the exhaust gas when the piston head is in the reciprocating position -10 to +5°, more preferably 0° from bottom dead center, and configured to close the exhaust valve at a position of about 20 to 10°, more preferably about 15° to top dead center.

7. Two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 6, wherein the fuel injector is configured to inject fuel at a piston head position of 0° from top dead center, and the spark plug is configured to ignite immediately after closing the fuel injector.

8. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 7, wherein the water injector is designed to inject water into the combustion chamber at a position of the piston head from 7.5 to 30° after top dead center.

9. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 8, wherein the intake valve (3A) and/or exhaust valve (3B) are poppet valves, spool valves or rotary disc valves.

10. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 9, wherein the fuel is liquid or gaseous under normal conditions, preferably the fuel is gaseous under normal conditions and is selected primarily from hydrogen, methane, ethane, propane, butane or natural gas.

11. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 10, also including a control unit configured to control one or more selected functions, including intake valve opening and closing, exhaust valve opening and closing, fuel injection timing and amount. , timing and amount of water injection and oxidizer pressure.

12. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 11, also including a water tank (7) as a source of water for feeding the water injector (6), a condenser unit (18) downstream of the exhaust valve for condensation steam from the exhaust gas to water and pipelines for supplying condensed water to the water tank.

13. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 12, wherein the piston crown facing the combustion chamber has an inwardly curved surface.

14. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 13, including a plurality of water injectors (6) distributed along the perimeter of the combustion chamber at a location below the top dead center position, the location below the top dead center position.

- 12 039210 the howling point preferably falls at a location corresponding to the top of the piston head when the crankshaft is located at an angle of rotation from 0 to 35°, preferably from 5 to 25° relative to the position of the top dead center.

15. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 14, including a plurality of water injectors located at different locations relative to the reciprocating axis, each water injector of the plurality of water injectors being individually controlled.

16. Two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 15, wherein the water injector is positioned to inject water at an angle of 90° or more relative to the reciprocating axis in the direction of top dead center, preferably at an angle between 92.5 and 150° , more preferably between 95 and 130°.

17. A two-stroke internal combustion steam engine according to one of claims 1 to 16, wherein the engine casing includes a cylinder head and cylinder block, and wherein the cylinder head is configured to bridge the removal of the piston head at about 25° of rotation of the crankshaft from top dead center.

18. A two-stroke internal combustion steam engine according to claim 17, wherein a water injector or a plurality of water injectors are located between the cylinder head and the cylinder block.

19. The method of operating a two-stroke reciprocating type internal combustion steam engine with spark ignition according to one of claims 1 to 18, and the method includes during each cycle of rotation of the crankshaft (16) and the corresponding reciprocating movement of the piston (1) step:

(a) opening the intake valve (3A) to supply compressed oxidizer when the piston head is in a reciprocating position of 90 to 20° BTDC, and closing the intake valve at a position of 10 to 2° BTDC;

(b) opening the exhaust valve (3B) to remove the exhaust gas when the piston head is in the reciprocating position from -21 to +15° from bottom dead center, and closing the exhaust valve at the position from 25 to 5° to top dead center points;

(c) injecting fuel at a piston head position of -5 to +5° from top dead center and lighting the spark plug immediately after closing the fuel injector; and (d) injecting water into the combustion chamber at a head position of 5 to 40° after top dead center.

20. The method of claim 19, wherein in step (a) the inlet valve (3A) is opened to supply the pressurized oxidizer when the piston head is in a reciprocating position of about 35 to 25°, preferably 30° to top dead center , and closing the intake valve at a position of about 5° before top dead center;

in step (b), the exhaust valve (3B) is opened to remove the exhaust gas when the piston head is in the reciprocating position from -10 to +5°, preferably 0° from the bottom dead center, and the exhaust valve is closed in the position from 20 to 10°, preferably about 15° to top dead center;

step (c) injects fuel at a piston head position of 0° from top dead center; and in step (d) water is injected into the combustion chamber at a position of the piston head from 7.5 to 30° after top dead center.

21. The method according to claim 19 or 20, wherein the mass of water injected into the combustion chamber is from 0.8 to 1.5, preferably from 0.9 to 1.2, of the mass of combustible gases inside the combustion chamber after step (c).

22. A method according to one of claims 19 to 21, wherein the pressure of the pressurized oxidant supplied in step (a) is controlled by a control unit.

23. The method according to one of claims 19 to 22, wherein the opening of the inlet valve (3A) in step (a) is controlled by the control unit in a value in the range from 90 to 20°, preferably from 35 to 25°, more preferably 30° to top dead center and/or closing of the intake valve (3A) in step (a) is controlled by the control unit in a range of 10 to 2°, preferably 5° to top dead center, preferably during each cycle.

24. The method according to one of claims 19-23, wherein the opening of the exhaust valve (3B) in step (b) is controlled by the control unit in the range from -21 to +15°, preferably from -10 to +5°, more preferably 0° from bottom dead center and/or closing of the exhaust valve (3B) in step (b) is adjusted by means of the control unit in the range from 25 to 5°, preferably from 20 to 10°, more preferably 15° to top dead center preferably during each cycle.

25. The method according to one of claims 19-24, wherein the fuel injection in step (c) is controlled by

- 13 039210 control unit value in the range from -5 to +5°, preferably 0° from top dead center, preferably during each cycle.

26. Method according to one of pi. 19-25, wherein the water injection in step (d) is controlled by the control unit in a range of 5 to 40°, preferably 7.5 to 30° after top dead center, preferably during each cycle.