RU2549744C2 - Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component - Google Patents
Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component Download PDFInfo
- Publication number
- RU2549744C2 RU2549744C2 RU2013115034/06A RU2013115034A RU2549744C2 RU 2549744 C2 RU2549744 C2 RU 2549744C2 RU 2013115034/06 A RU2013115034/06 A RU 2013115034/06A RU 2013115034 A RU2013115034 A RU 2013115034A RU 2549744 C2 RU2549744 C2 RU 2549744C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- air
- fuel mixture
- fuel
- engine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
Abstract
Description
Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению, в частности организации процессов цикла и разработки систем подачи топлива (смеси горючего и окислителя) в камеру сгорания.The invention relates to mechanical engineering, namely engine building, in particular the organization of cycle processes and the development of fuel supply systems (mixture of fuel and oxidizer) into the combustion chamber.
Целью изобретения является повышение КПД цикла, например, четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с принудительным поджогом топливной смеси в камере сгорания, за счет повышения эффективности составляющих процессов цикла и совершенствования системы подачи водородсодержащего топлива.The aim of the invention is to increase the efficiency of the cycle, for example, a four-stroke internal combustion engine with forced ignition of the fuel mixture in the combustion chamber, by increasing the efficiency of the constituent processes of the cycle and improving the supply system of hydrogen-containing fuel.
Общеизвестно, что максимальная эффективность теплоиспользующего цикла для получения механической энергии может быть получена при реализации цикла Карно и определяется только диапазоном температур между источниками нагрева и охлаждения [1] и чем больше эта разность, тем выше КПД цикла.It is well known that the maximum efficiency of a heat-using cycle for obtaining mechanical energy can be obtained by implementing the Carnot cycle and is determined only by the temperature range between the heating and cooling sources [1] and the larger this difference, the higher the cycle efficiency.
Однако техническая реализация теплоиспользующих циклов в устройствах ДВС не позволяет в полной мере использовать потенциал применяемого углеводородного топлива, в котором роль окислителя играет атмосферный воздух.However, the technical implementation of heat-using cycles in ICE devices does not allow to fully utilize the potential of the hydrocarbon fuel used, in which atmospheric air plays the role of an oxidizing agent.
Так повышение верхней температуры цикла в адиабатных неохлаждаемых ДВС с высокотемпературной камерой сгорания незначительно повышает КПД двигателя, так как возрастает работа сжатия свежей смеси из-за ее более высокой температуры.Thus, an increase in the upper cycle temperature in adiabatic uncooled ICEs with a high-temperature combustion chamber slightly increases the engine efficiency, since the work of compression of the fresh mixture increases due to its higher temperature.
Известно техническое решение криогенного двигателя [2] в котором сделана попытка разнести температурные уровни цикла за счет нижнего температурного уровня в сторону криогенных температур. Недостатком этого теплоиспользующего цикла является неполное использование потенциала аккумулированного холода в криогенной жидкости.A technical solution of the cryogenic engine is known [2] in which an attempt is made to spread the temperature levels of the cycle due to the lower temperature level towards cryogenic temperatures. The disadvantage of this heat-consuming cycle is the incomplete use of the potential of the accumulated cold in a cryogenic liquid.
В результате термодинамического анализа циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), рассмотренных в [3], с различными способами подвода теплоты (при постоянном объеме, постоянном давлении и смешанном) показано, что главным фактором, влияющим на рост КПД цикла, является степень сжатия в двигателе. Однако применение углеводородного горючего в ДВС не позволяет повысить этот показатель для двигателя с искровым зажиганием выше (6-11) и для двигателя, работающего по циклу Дизеля (15-22).As a result of thermodynamic analysis of the cycles of reciprocating internal combustion engines (ICE), considered in [3], with various methods of heat input (with constant volume, constant pressure and mixed), it was shown that the main factor affecting the increase in the cycle efficiency is the degree of compression in engine. However, the use of hydrocarbon fuel in ICE does not allow to increase this indicator for an engine with spark ignition above (6-11) and for an engine operating on a diesel cycle (15-22).
В первом случае степень сжатия ограничивается в основном детонационной стойкостью легких бензинов, а во втором, более протяженным во времени сжиганием тяжелого дизельного горючего из-за повышенного содержания в нем углерода и частичного (не сгоревшего) его выброса в атмосферу.In the first case, the compression ratio is limited mainly by the detonation resistance of light gasolines, and in the second, the longer burning of heavy diesel fuel due to the increased carbon content in it and its partial (not burnt) emission into the atmosphere.
Следствием применения углеводородного горючего при реализации рассмотренных циклов ДВС являются значительные потери теплоты сбрасываемой в атмосферу потоком выхлопных газов. Так значения температур выхлопных газов для ДВС с искровым зажиганием находятся в районе 600 К и для ДВС работающего по циклу Дизеля 850 К.The consequence of the use of hydrocarbon fuel in the implementation of the considered ICE cycles is a significant loss of heat discharged into the atmosphere by the exhaust stream. So, the temperature values of exhaust gases for ICE with spark ignition are in the region of 600 K and for ICE operating on a diesel cycle of 850 K.
Кроме того, в реальных ДВС работающих на углеводородных топливах имеет место неполное использование теплоты связанное с тепловыми потерями в стенки камеры сгорания и значительным во времени догоранием в процессе расширения продуктов сгорания. Это в свою очередь приводит к дополнительным затратам механической энергии на сжатие свежей порции топливной смеси при более высокой температуре за счет ее нагрева от горячих стенок камеры сгорания.In addition, in real internal combustion engines operating on hydrocarbon fuels, there is an incomplete use of heat associated with heat losses in the walls of the combustion chamber and a significant burn-out in the process of expansion of the combustion products. This in turn leads to additional mechanical energy costs for compressing a fresh portion of the fuel mixture at a higher temperature due to its heating from the hot walls of the combustion chamber.
В результате, эффективный КПД известных, массово применяемых ДВС и работающих по циклу Отто и Дизеля не превышает (33 и 40)%, соответственно.As a result, the effective efficiency of the well-known, massively used ICEs and operating on the Otto and Diesel cycle does not exceed (33 and 40)%, respectively.
В предлагаемом способе имеется возможность значительного улучшения факторов, влияющих на эффективный КПД ДВС за счет применения водорода в качестве горючего и применения предварительного охлаждения топливной смеси криогенной компонентой воздуха, включая ее впрыск в камеру сгорания перед процессом сжатия топливной смеси.In the proposed method, there is the possibility of a significant improvement in the factors affecting the effective ICE efficiency due to the use of hydrogen as a fuel and the application of preliminary cooling of the fuel mixture by the cryogenic air component, including its injection into the combustion chamber before the compression of the fuel mixture.
Криогенная компонента воздуха представляет собой жидкий воздух, обогащенный азотом или кислородом.The cryogenic component of air is liquid air enriched with nitrogen or oxygen.
Так применение водорода в качестве горючего позволяет стабильно, в нужный момент цикла и за короткий промежуток времени сжечь весь водород в топливной смеси и четко регулировать его горение в процессе расширении продуктов сгорания.So the use of hydrogen as fuel allows you to stably, at the right time in the cycle and for a short period of time, burn all the hydrogen in the fuel mixture and clearly regulate its combustion during the expansion of the combustion products.
Кроме того, уникальные свойства водорода как горючего [4] позволяют осуществлять процесс его горения в сверхбедных смесях топлива. Так при использовании воздуха в качестве окислителя минимальная концентрация водорода при стабильной воспламеняемости и горении водорода находится в пределах (4,1-5)%, что резко улучшает экономичность ДВС. Для сравнения, максимальные значения коэффициентов избытка воздуха сверхбедных смесей равны: для бензинового двигателя - 1,25, а для водородного двигателя - 10.In addition, the unique properties of hydrogen as a fuel [4] allow its combustion to occur in super-lean fuel mixtures. So when using air as an oxidizing agent, the minimum concentration of hydrogen with stable flammability and combustion of hydrogen is in the range (4.1-5)%, which dramatically improves the efficiency of ICE. For comparison, the maximum values of the air excess coefficients of super-lean mixtures are equal: for a gas engine - 1.25, and for a hydrogen engine - 10.
В предлагаемом способе одним из главных факторов повышения эффективного КПД ДВС является предварительное охлаждение подаваемого водорода и газообразного воздуха в двигатель криогенной компонентой воздуха за счет их смешения и подачи полученной холодной смеси в цилиндр двигателя. При этом смешение холодной смеси с газообразным водородом может быть как внешнее, так и внутреннее. Кроме того, криогенная компонента воздуха, подведенная непосредственно в цилиндр двигателя перед процессом сжатия топливной смеси, позволяет приблизить процесс сжатия к изотермическому процессу, что позволяет уменьшить работу ее сжатия.In the proposed method, one of the main factors for increasing the effective efficiency of the internal combustion engine is the preliminary cooling of the supplied hydrogen and gaseous air to the engine by the cryogenic component of the air due to their mixing and feeding the resulting cold mixture into the engine cylinder. In this case, the mixing of the cold mixture with hydrogen gas can be both external and internal. In addition, the cryogenic air component, brought directly into the cylinder of the engine before the compression process of the fuel mixture, allows you to bring the compression process closer to the isothermal process, which reduces the work of its compression.
При таком способе подготовки и подачи топлива (смеси охлажденного воздуха и водорода) наблюдается двойной эффект:With this method of preparing and supplying fuel (a mixture of chilled air and hydrogen), a double effect is observed:
1. Уменьшается работа сжатия топливной смеси в цикле ДВС за счет пониженной температуры рабочей смеси перед началом сжатия и пониженной температуры процесса сжатия. Экономия механической энергии на сжатие рабочего тела представляет собой чистый выигрыш и увеличивает механическую энергию, вырабатываемую двигателем.1. The work of compression of the fuel mixture in the ICE cycle is reduced due to the reduced temperature of the working mixture before compression and the reduced temperature of the compression process. Saving mechanical energy by compressing the working fluid is a net gain and increases the mechanical energy produced by the engine.
2. Появляется возможность резкого повышения одного из главных факторов, влияющих на КПД ДВС, - степени сжатия при бездетонационной работе двигателя. Это достигается тем, что, понижая температуру рабочей смеси перед сжатием в камере сгорания и сдвигая процесс в сторону изотермического, температура самовоспламенения смеси (детонации) будет соответствовать более высокой степени сжатия (или степени повышения давления). Применение этих мероприятий, в зависимости от степени охлаждения топливной смеси криогенной компонентой воздуха и частичного его впрыска непосредственно в цилиндр, позволяет повысить степень сжатия в 10 и более раз.2. There is the possibility of a sharp increase in one of the main factors affecting the efficiency of the internal combustion engine, the compression ratio during detonation-free operation of the engine. This is achieved by the fact that by lowering the temperature of the working mixture before compression in the combustion chamber and shifting the process to the isothermal side, the temperature of self-ignition of the mixture (detonation) will correspond to a higher compression ratio (or the degree of pressure increase). The application of these measures, depending on the degree of cooling of the fuel mixture by the cryogenic component of air and its partial injection directly into the cylinder, allows to increase the compression ratio by 10 or more times.
На Фиг.1. представлена блок схема одного из устройств энергетической установки использующей водород в качестве горючего для транспортного или наземного базирования и состоящей из следующих составляющих:In figure 1. a block diagram of one of the devices of a power plant using hydrogen as fuel for transport or ground based and consisting of the following components:
I - ДВС.I - ICE.
II - Металлогидридная системы хранения и подачи водорода.II - Metal hydride storage and supply of hydrogen.
III - Системы хранения и подачи криогенной компоненты воздуха.III - Storage and supply of cryogenic air components.
IY - Устройство смешения и охлаждения топливной смеси.IY - The device for mixing and cooling the fuel mixture.
Y - Устройство управления циклом на верхнем температурном уровне.Y - Cycle control device at the upper temperature level.
Согласно блок-схеме компоненты топливной смеси: водород по трубопроводу 1 из металлогидридной системы II хранения и подачи водорода, криогенная компонента воздуха по трубопроводу 2 из блока III и атмосферный воздух из воздухозаборника 3 поступают в устройство смесителя-охладителя IY, откуда охлажденная газокапельная топливная смесь по трубопроводу 4 поступает в цилиндр двигателя I.According to the block diagram, the components of the fuel mixture: hydrogen through
Устройство Y управления циклом на верхнем температурном уровне предназначено для проведения процесса расширения продуктов сгорания приближенного к изотермическому и оптимизации цикла в целом.The cycle control device Y at the upper temperature level is designed to conduct the expansion of combustion products close to isothermal and optimize the cycle as a whole.
Сброс выхлопных газов по окончании цикла осуществляется по трубопроводу 5.The discharge of exhaust gases at the end of the cycle is carried out through
На Фиг.2. представлено устройство энергетической установки использующей водород в качестве горючего с использованием одного из вариантов металлогидридной системы хранения и подачи водорода согласно патенту [5]. В качестве гидридообразующего материала могут применяться сплавы на основе магния или титана, например сплав магния и никеля в различных пропорциях, а также с добавлением различных легирующих добавок.Figure 2. the device of a power plant using hydrogen as fuel using one of the variants of a metal hydride system for storing and supplying hydrogen according to the patent [5] is presented. As hydride-forming material, alloys based on magnesium or titanium can be used, for example, an alloy of magnesium and nickel in various proportions, as well as with the addition of various alloying additives.
Устройство состоит из металлогидридных элементов 7, компактно расположенных в кожухе металлогидридного модуля 8 и подсоединенных к водородному коллектору 9, из которого водород подается по трубопроводу 10 через запорный вентиль 11 в устройство для повышения давления, например поршневой компрессор или механический вакуумный насос 14 и далее по трубопроводу 16 поступает в смеситель-охладитель 17 через регулируемый вентиль 15. Для подвода теплоты из окружающей среды к металлогидридным элементам 7 установлен вентилятор 18. Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется по трубопроводу 12 через запорный вентиль 13. Выделившаяся теплота в металлогидридных элементах сбрасывается в окружающую среду также с помощью вентилятора 18.The device consists of
Системы хранения и подачи криогенной компоненты воздуха выполнена в виде сосуда Дьюара 19, для заправки которого криогенной жидкостью имеется горловина 20. Для подачи криогенной компоненты воздуха применена, например, насосная система, с помощью которой, посредством механического насоса 21, криогенная жидкость по трубопроводу 22, через регулируемый вентиль 23 поступает в смеситель-охладитель 17.The storage and supply system for the cryogenic air component is made in the form of a Dewar
В смесителе-охладителе 17 смешиваются три потока составляющих топлива: это водород, поступающий через регулируемый вентиль 15, криогенная компонента воздуха, поступающая через регулируемый вентиль 23 и воздух из окружающей среды (стрелка В), поступающий через воздухоприемник 24, расход которого регулируется заслонкой 25. Таким образом в смесителе-охладителе формируется топливная смесь из трех составляющих - водорода, атмосферного воздуха и криогенной компоненты воздуха, с помощью которой охлаждаются водород и атмосферный воздух.In the mixer-
Из смесителя-охладителя 17 топливная смесь поступает в цилиндр 41 ДВС 26.From the mixer-
Двигатель внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу, в котором имеются клапаны 27 впуска топливной смеси и клапаны 28 выпуска выхлопных газов (стрелка ВГ).The internal combustion engine operates on a four-cycle cycle, in which there are
В головке 34 цилиндра 41 ДВС 26 установлено устройство 29 управления процессом расширения продуктов сгорания, представляющее собой, например, капиллярные каналы.In the
Поршень 40 имеет механическую связь посредством кривошипно-шатунного механизма 45 с валом 46 и маховиком 47 ДВС 26.The
На фиг.3 представлен один из вариантов устройства 29. Устройство включает в себя набор параллельных капиллярных каналов 35, входные отверстия которых начинаются на внутренней поверхности головки 34 цилиндра 41, а концы объединены в коллектор 36 с регулируемым объемом. Также здесь показан вариант дополнительной подпитки водородом коллектора 36 из трубопровода 16 (подсоединение в точке С) по трубопроводу 39 (трубопровод 39 на фиг.2 не показан) через регулируемый вентиль 38 и далее через обратный клапан 37.Figure 3 presents one of the variants of the
Дополнительная подпитка водородом коллектора 36 позволяет осуществлять тонкую настройку подвода теплоты в цикле.Additional
Для воспламенения топливной смеси в головке цилиндра 34 вмонтировано устройство поджога 30, например электрическая свеча зажигания.To ignite the fuel mixture, an
Тепловой режим головки 34 цилиндра 41 и температура топливной смеси измеряются термопарами и 32 и 31, соответственно, а давление (разрежение) топливной смеси в смесителе-охладителе датчиком давления 33.The thermal conditions of the
Для работы устройства энергетической установки, представленной на Фиг.2, необходимо заправить водородом металлогидридные элементы 7 и заполнить криогенной компонентой воздуха сосуд Дьюара 19.For the operation of the device of the power plant shown in FIG. 2, it is necessary to charge
Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется на заправочной станции.Hydrogen filling of metal hydride elements is carried out at a gas station.
Для заправки водородом заправочный трубопровод 12 подсоединяется к источнику водорода, например к баллонной системе, закрывается запорный вентиль 11, открывается запорный вентиль 13, через который водород поступает в металлогидридные элементы 7.For hydrogen filling, the filling
Теплота, выделившаяся в металлогидридных элементах в процессе насыщения их водородом, сбрасывается в окружающую среду с помощью включенного вентилятора 18.The heat released in the metal hydride elements in the process of their saturation with hydrogen is discharged into the environment using the included
По окончании процесса заправки металлогидридных элементов водородом заправочный вентиль 13 закрывают, заправочный трубопровод 12 отсоединяют от заправочной станции и выключают вентилятор 18.At the end of the process of refueling metal hydride elements with hydrogen, the filling
Заполнение криогенной компонентой воздуха сосуда Дьюара осуществляется по стандартной методике заполнения сосудов Дьюара жидким воздухом или азотом. Заправочная трубка из резервуара с криогенной жидкостью вводится в заправочную горловину 20 и осуществляется процесс заливки. При этом запорный вентиль 23 подачи криогенной жидкости закрыт, а насос подачи криогенной жидкости 21 выключен. По окончании заливки заправочная трубка извлекается из сосуда Дьюара 19, а горловина 20 закрывается.The cryogenic component of the air is filled with a Dewar vessel using the standard technique for filling Dewar vessels with liquid air or nitrogen. The filling tube from the cryogenic liquid tank is introduced into the filling
Соотношение азота и кислорода в криогенной компоненте воздуха может находиться в широких пределах и в сравнении со стандартным составом жидкого воздуха (21% кислорода и 79% азота) количество азота в криогенной компоненте воздуха может быть как 100%, так и иметь состав, например, 50% кислорода и 50% азота.The ratio of nitrogen and oxygen in the cryogenic component of air can be within wide limits and, in comparison with the standard composition of liquid air (21% oxygen and 79% nitrogen), the amount of nitrogen in the cryogenic component of air can be either 100% or have a composition, for example, 50 % oxygen and 50% nitrogen.
Осуществление процессов цикла ДВС с водородом в качестве горючего и с предварительным охлаждением топливной смеси криогенной компонентой жидкого воздуха рассмотрена на примере четырехтактного двигателя.The implementation of the processes of the ICE cycle with hydrogen as fuel and with preliminary cooling of the fuel mixture by the cryogenic component of liquid air is considered on the example of a four-stroke engine.
Рассмотрим процессы цикла ДВС в устройстве энергетической установки, представленной на Фиг.2.Consider the processes of the ICE cycle in the device of the power plant, shown in Fig.2.
1. Процесс подготовки и подачи топливной смеси в цилиндр ДВС.1. The process of preparing and supplying the fuel mixture to the engine cylinder.
Процесс подготовки и подачи топливной смеси в цилиндр ДВС включает в себя смешение и охлаждении водорода и атмосферного воздуха криогенной компонентой воздуха в устройстве 17 смешения и охлаждения топливной смеси, откуда охлажденная газокапельная топливная смесь по трубопроводу 4 и клапан 27 поступает в цилиндр двигателя. Движение поршня при этом осуществляется от высшей мертвой точки (ВМТ) вниз к низшей мертвой точке (НМТ).The process of preparing and supplying the fuel mixture to the internal combustion engine cylinder includes mixing and cooling hydrogen and atmospheric air with a cryogenic air component in the fuel mixture mixing and
Подача газообразного водорода из металлогидридных элементов 7 в камеру смешения и охлаждения 17 осуществляется по трубопроводу 10, при открытом запорном вентиле 11, с помощью включенного поршневого компрессора или механического вакуумного насоса 14, далее по трубопроводу 16 и через регулируемый запорный вентиль 15. Температурная стабилизация металлогидридных элементов 7 на уровне температуры окружающей среды обеспечивается включенным вентилятором 18.The supply of hydrogen gas from the
Одновременно осуществляется заправка водородом емкости 36 по трубопроводу 39 через регулируемый вентиль 38 и обратный клапан 37.At the same time, hydrogenation of the
Подача криогенной компоненты воздуха из сосуда Дьюара 19 в камеру смешения и охлаждения 17 осуществляется с помощью включенного погружного насоса 21, по трубопроводу 22, на линии которого установлен регулируемый запорный вентиль 23.The cryogenic component of air is supplied from the
Количество атмосферного воздуха, поступающего в смеситель-охладитель 17, регулируется заслонкой 25.The amount of atmospheric air entering the mixer-
С помощью регулируемых запорных вентилей 15 и 23, а также заслонки 25 формируется как качественное, так и количественное смесеобразование газокапельной топливной смеси.Using the adjustable shut-off
Качественное смесеобразование преобладает при выходе на установившийся температурный режим двигателя при его запуске. Датчиками температуры в этом случае могут служить, например, термопара 31 для определения температуры топливной смеси при подаче ее в цилиндр двигателя и термопара 32 для определения теплового состояния головки 34 и верхней части цилиндра двигателя 41. Датчик давления 33 отслеживает бездетонационный режим работы двигателя при выходе его на установившийся тепловой режим и подает один из сигналов на прикрытие или открытие заслонки 25.High-quality mixture formation prevails when the engine reaches a steady temperature when it starts. In this case, temperature sensors can be, for example, a
Для заполнения полости цилиндра дозированной порцией газокапельной топливной смеси при движении поршня 40 вниз клапан 27 открывается.To fill the cylinder cavity with a metered portion of the gas-droplet fuel mixture, when the
2. Процесс сжатия топливной смеси.2. The process of compression of the fuel mixture.
При переходе НМТ начинается процесс сжатия топливной смеси и движение поршня 40 происходит в направлении ВМТ.With the transition of the BDC, the compression of the fuel mixture begins and the movement of the
Механическая энергия, расходуемая на сжатие топливной смеси посредством перемещения поршня 40 в сторону ВМТ, потребляется из энергии раскрученного маховика на валу двигателя.The mechanical energy used to compress the fuel mixture by moving the
Температура топливной смеси в начале сжатия задается степенью ее предварительного охлаждения в смесителе-охладителе 17 и в зависимости от количества в ней криогенной компоненты воздуха может быть существенно ниже температуры окружающей среды, например ниже на 100 град.The temperature of the fuel mixture at the beginning of compression is determined by the degree of its preliminary cooling in the mixer-
Предварительное охлаждение топливной смеси позволяет резко повысить степень ее сжатия, не достигая при этом температуры самовоспламенения и процесса детонации, а наличие капельной криогенной составляющей компоненты жидкого воздуха позволяет сдвинуть процесс сжатия топливной смеси в сторону изотермического процесса и уменьшить работу ее сжатия.The preliminary cooling of the fuel mixture allows one to sharply increase the degree of compression without reaching the temperature of self-ignition and the detonation process, and the presence of the droplet cryogenic component of the liquid air component allows the compression of the fuel mixture to shift towards the isothermal process and reduce its compression work.
В процессе сжатия топливной смеси часть ее поступает по капиллярным каналам 35 в емкость коллектора 36, где уже находится водород, и там обогащенная смесь водородом сохраняется некоторое время.In the process of compression of the fuel mixture, part of it enters through the
3. Процесс подвода теплоты и расширения продуктов сгорания.3. The process of supplying heat and expanding combustion products.
После поджога топливной смеси в камере сгорания при прохождении положения поршня 40 вблизи ВМТ образуются продукты сгорания с высокими значениями давления и температуры.After arson of the fuel mixture in the combustion chamber when passing the position of the
Процесс расширения продуктов сгорания с передачей энергии на вал двигателя состоит из трех этапов, которые последовательно осуществляются при движении поршня 40 вниз к НМТ:The process of expanding combustion products with the transfer of energy to the engine shaft consists of three stages, which are sequentially carried out when the
- Этапа, близкого к изобарному процессу, при котором сгорает основная часть водорода и не наблюдается значительное понижение значений давления и температуры продуктов сгорания в конце этого этапа,- A stage close to the isobaric process, in which the bulk of the hydrogen is burned and there is no significant decrease in the pressure and temperature of the combustion products at the end of this stage,
- Этапа, близкого к изотермическому процессу расширения продуктов сгорания, с подводом теплоты за счет сгорания водорода, накопленного в устройстве 29 (в емкости коллектора 36).- A stage close to the isothermal process of expansion of the products of combustion, with the supply of heat due to the combustion of hydrogen accumulated in the device 29 (in the reservoir 36).
Устройство 29 управления процессом расширения продуктов сгорания в цикле на верхнем температурном уровне позволяет дополнительно подвести и сжечь с некоторым запаздыванием, из за гидравлического сопротивления капиллярных каналов, накопленный водород из емкости коллектора 36 устройства 29 в процессе расширения продуктов сгорания, что позволяет регулировать температуру и давление в конце их расширения.The
Так, например, избыток криогенной компоненты воздуха при охлаждении топливной смеси в начале процесса сжатия может привести к появлению отрицательных температур выхлопных газов по отношению к температуре окружающей среды, поэтому появляется возможность сжечь дополнительное количество водорода и повысить эффективность цикла в целом.For example, an excess of the cryogenic component of the air during cooling of the fuel mixture at the beginning of the compression process can lead to the appearance of negative temperatures of the exhaust gases relative to the ambient temperature, therefore it is possible to burn additional hydrogen and increase the efficiency of the cycle as a whole.
- Этапа, близкого к адиабатному процессу с дальнейшим понижением давления и температуры, значения которых в конце процесса приближаются к значениям давления и температуры окружающей среды.- A stage close to the adiabatic process with a further decrease in pressure and temperature, the values of which at the end of the process approach the values of pressure and ambient temperature.
4. Процесс вытеснения из цилиндра двигателя газов продуктов сгорания.4. The process of displacing combustion gases from the engine cylinder.
Это замыкающий процесс цикла, при котором осуществляется сброс выхлопных газов в атмосферу. Для этого при движении поршня 40 от НМТ вверх к ВМТ клапан 28 открывается.This is the closing process of the cycle, in which the exhaust gases are discharged into the atmosphere. For this, when the
При достижении поршнем ВМТ цикл повторяется.When the piston reaches TDC, the cycle repeats.
Источники информацииInformation sources
1. Техническая термодинамика. Кириллин ВУ.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. - М.: Энергия, 1968.1. Technical thermodynamics. Kirillin VU.A., Sychev V.V., Sheindlin A.E. - M.: Energy, 1968.
2. Патент UA №22721 А, 1977, Бондаренко С.И., Фенченко В.Н.2. UA patent No. 22721 A, 1977, Bondarenko S.I., Fenchenko V.N.
3. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. Под ред. М.С. Ховаха. М., А 22 «Машиностроение», 1977.3. Car engines. V.M. Arkhangelsk, M.M. Wichert, A.N. Voinov, Yu.A. Stepanov, V.I. Trusov, M.S. Howah. Ed. M.S. Hovaha. M., A 22 "Engineering", 1977.
4. Водород - топливо будущего. Подгорный А.Н., Варшавский И.Л. К., «Наук. думка», 1977.4. Hydrogen is the fuel of the future. Podgorny A.N., Varshavsky I.L. K., “Science. Dumka ", 1977.
5. Патент РФ №2381413 С25. RF patent No. 2381413 C2
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013115034/06A RU2549744C2 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013115034/06A RU2549744C2 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013115034A RU2013115034A (en) | 2014-10-10 |
RU2549744C2 true RU2549744C2 (en) | 2015-04-27 |
Family
ID=53289944
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013115034/06A RU2549744C2 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2549744C2 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE592469C (en) * | 1932-05-13 | 1934-02-07 | Rudolf Erren | Two-stroke oxyhydrogen machine |
US3982878A (en) * | 1975-10-09 | 1976-09-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Burning rate control in hydrogen fuel combustor |
JPH05256160A (en) * | 1992-03-11 | 1993-10-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Hydrogen-fuel engine system |
DE4328246A1 (en) * | 1993-08-19 | 1995-02-23 | Rainer Bassus | Internal combustion engine with direct introduction of oxidising and reducing agents into the combustion chamber |
RU2123121C1 (en) * | 1996-07-18 | 1998-12-10 | Волгоградский государственный технический университет | Method of operation of internal combustion engine |
RU2164300C2 (en) * | 1999-02-23 | 2001-03-20 | Открытое акционерное общество "Коломенский завод" | Method of operation of internal combustion engine |
RU2240437C1 (en) * | 2003-05-23 | 2004-11-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of operation of internal combustion engine |
RU2255230C2 (en) * | 2003-07-30 | 2005-06-27 | Лисняк Станислав Афанасьевич | Method of operation of internal combustion engine |
KR20060066747A (en) * | 2003-10-21 | 2006-06-16 | 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 | Internal combustion engine utilizing hydrogen |
-
2013
- 2013-04-04 RU RU2013115034/06A patent/RU2549744C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE592469C (en) * | 1932-05-13 | 1934-02-07 | Rudolf Erren | Two-stroke oxyhydrogen machine |
US3982878A (en) * | 1975-10-09 | 1976-09-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Burning rate control in hydrogen fuel combustor |
JPH05256160A (en) * | 1992-03-11 | 1993-10-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Hydrogen-fuel engine system |
DE4328246A1 (en) * | 1993-08-19 | 1995-02-23 | Rainer Bassus | Internal combustion engine with direct introduction of oxidising and reducing agents into the combustion chamber |
RU2123121C1 (en) * | 1996-07-18 | 1998-12-10 | Волгоградский государственный технический университет | Method of operation of internal combustion engine |
RU2164300C2 (en) * | 1999-02-23 | 2001-03-20 | Открытое акционерное общество "Коломенский завод" | Method of operation of internal combustion engine |
RU2240437C1 (en) * | 2003-05-23 | 2004-11-20 | Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН | Method of operation of internal combustion engine |
RU2255230C2 (en) * | 2003-07-30 | 2005-06-27 | Лисняк Станислав Афанасьевич | Method of operation of internal combustion engine |
KR20060066747A (en) * | 2003-10-21 | 2006-06-16 | 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 | Internal combustion engine utilizing hydrogen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013115034A (en) | 2014-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2017510745A (en) | Use of pre-chamber for dual fuel engine | |
EP2690280B1 (en) | Injection device | |
KR20210005520A (en) | Large two-stroke uniflow scavenged gaseous fueled engine | |
US8205593B2 (en) | DEV cycle engine | |
KR20210005519A (en) | Large two-stroke uniflow scavenged engine with a gaseous fuel mode | |
US20100116242A1 (en) | method of initiating combustion in an internal combustion engine, and an engine applying the method | |
US7431010B2 (en) | Self-igniting internal combustion engine | |
KR101186290B1 (en) | Engine system and engine operating method using brown gas | |
RU2549744C2 (en) | Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component | |
RU2549745C2 (en) | Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe | |
KR101246902B1 (en) | Engine system using brown gas, ship comprising the same and engine operating method using brown gas | |
KR20120060479A (en) | Engine system and engine operating method using brown gas | |
JP2871317B2 (en) | Fuel supply system for gas engine | |
JP2023103406A (en) | Exhaust gas recirculation system and ship provided with the same | |
DK181455B1 (en) | Method and large two-stroke uniflow scavenged internal combustion engine for carbon dioxide capture | |
DK180891B1 (en) | A large two-stroke uniflow scavenged engine with a gaseous fuel mode | |
DK181138B1 (en) | Two-stroke uniflow scavenged crosshead internal combustion engine and method for operating such engine | |
RU2684046C1 (en) | Method of internal combustion engine operation | |
KR20210156692A (en) | Engine system and ship including the same | |
KR20210156691A (en) | Engine system and ship including the same | |
BE1009721A6 (en) | Thermal compensation engines | |
KR20210156693A (en) | Engine system and ship including the same | |
KR20210156689A (en) | Engine system and ship including the same | |
KR20210156690A (en) | Engine system and ship including the same | |
WO2021242111A1 (en) | Gas exchange in internal combustion engines for increased efficiency |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180405 |