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 PDF

Info

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
Application number
RU2013115034/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013115034A (en
Inventor
Владимир Андрианович Попович
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
Priority to RU2013115034/06A priority Critical patent/RU2549744C2/en
Publication of RU2013115034A publication Critical patent/RU2013115034A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2549744C2 publication Critical patent/RU2549744C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to propulsion engineering. This invention consists in that fuel mix consists of hydrogen and atmospheric air to be ore-cooled before compression by air cryogenic component to make is the fuel mix component including its liquid phase. Application of hydrogen allows ore-cooling of said mix with liquid air with increase in mix compression ratio at engine knock-free operation and to lower the mix compression. High compression ratio allows addition of extra heat produced by fed hydrogen to combustion product expansion and increase in cycle efficiency.
EFFECT: higher efficiency.
9 cl, 3 dwg

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 pipeline 1 from the metal hydride system II for storing and supplying hydrogen, the cryogenic air component through pipeline 2 from block III and atmospheric air from the air intake 3 enter the device of the mixer-cooler IY, from which the cooled gas-droplet fuel mixture through pipeline 4 enters the cylinder of engine I.

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 pipeline 5.

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 metal hydride elements 7, compactly located in the casing of the metal hydride module 8 and connected to a hydrogen collector 9, from which hydrogen is supplied through a pipe 10 through a shut-off valve 11 to a device for increasing pressure, for example, a piston compressor or a mechanical vacuum pump 14 and then through the pipeline 16 enters the mixer-cooler 17 through an adjustable valve 15. To supply heat from the environment to the metal hydride elements 7, a fan 18 is installed. llogidridnyh elements is carried via line 12 through a check valve 13. The released heat in the metal hydride cell is discharged in the environment as by the fan 18.

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 vessel 19, for which the cryogenic liquid is filled with a neck 20. For supplying the cryogenic air component, for example, a pumping system is used, by which, by means of a mechanical pump 21, the cryogenic liquid is piped 22, through an adjustable valve 23 enters the mixer-cooler 17.

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-cooler 17 three streams of fuel components are mixed: this is hydrogen entering through the adjustable valve 15, the cryogenic component of the air coming through the adjustable valve 23 and the air from the environment (arrow B) entering through the air inlet 24, the flow rate of which is regulated by the shutter 25. Thus, in the mixer-cooler a fuel mixture is formed of three components - hydrogen, atmospheric air and the cryogenic component of air, with which hydrogen and atmospheric air are cooled.

Из смесителя-охладителя 17 топливная смесь поступает в цилиндр 41 ДВС 26.From the mixer-cooler 17, the fuel mixture enters the cylinder 41 of the internal combustion engine 26.

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 valves 27 for the intake of the fuel mixture and valves 28 for the release of exhaust gases (arrow VG).

В головке 34 цилиндра 41 ДВС 26 установлено устройство 29 управления процессом расширения продуктов сгорания, представляющее собой, например, капиллярные каналы.In the head 34 of the cylinder 41 of the internal combustion engine 26, a device 29 for controlling the process of expansion of the combustion products, which is, for example, capillary channels, is installed.

Поршень 40 имеет механическую связь посредством кривошипно-шатунного механизма 45 с валом 46 и маховиком 47 ДВС 26.The piston 40 is mechanically connected by means of a crank mechanism 45 with a shaft 46 and a flywheel 47 of the internal combustion engine 26.

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 device 29. The device includes a set of parallel capillary channels 35, the inlet openings of which begin on the inner surface of the head 34 of the cylinder 41, and the ends are combined into a manifold 36 with an adjustable volume. Also shown here is a variant of additional hydrogen recharge of the manifold 36 from the pipeline 16 (connection at point C) through the pipeline 39 (the pipeline 39 is not shown in FIG. 2) through an adjustable valve 38 and then through a non-return valve 37.

Дополнительная подпитка водородом коллектора 36 позволяет осуществлять тонкую настройку подвода теплоты в цикле.Additional hydrogen recharge collector 36 allows you to fine-tune the supply of heat in the cycle.

Для воспламенения топливной смеси в головке цилиндра 34 вмонтировано устройство поджога 30, например электрическая свеча зажигания.To ignite the fuel mixture, an arson device 30 is mounted in the cylinder head 34, for example, an electric spark plug.

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 head 34 of the cylinder 41 and the temperature of the fuel mixture are measured with thermocouples and 32 and 31, respectively, and the pressure (vacuum) of the fuel mixture in the mixer-cooler with a pressure sensor 33.

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 metal hydride elements 7 with hydrogen and fill the Dewar vessel 19 with a cryogenic component of air.

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 line 12 is connected to a hydrogen source, for example, to a balloon system, the shut-off valve 11 is closed, the shut-off valve 13 is opened, through which hydrogen enters the metal hydride elements 7.

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 fan 18.

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 valve 13 is closed, the filling pipe 12 is disconnected from the filling station and the fan 18 is turned off.

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 neck 20 and the filling process is carried out. In this case, the shutoff valve 23 of the cryogenic liquid supply is closed, and the cryogenic liquid supply pump 21 is turned off. At the end of the filling, the filling tube is removed from the Dewar vessel 19, and the neck 20 is closed.

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 cooling device 17, from where the cooled gas-droplet fuel mixture is piped 4 and valve 27 enters the engine cylinder. The movement of the piston is carried out from the highest dead center (TDC) down to the lowest dead center (BDC).

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 metal hydride elements 7 to the mixing and cooling chamber 17 is carried out through pipeline 10, with the shut-off valve 11 open, by means of the switched-on reciprocating compressor or mechanical vacuum pump 14, then through the pipeline 16 and through an adjustable shut-off valve 15. Temperature stabilization of metal hydride elements 7 at the ambient temperature level is provided by the turned-on fan 18.

Одновременно осуществляется заправка водородом емкости 36 по трубопроводу 39 через регулируемый вентиль 38 и обратный клапан 37.At the same time, hydrogenation of the tank 36 is carried out through the pipeline 39 through an adjustable valve 38 and a check valve 37.

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 Dewar vessel 19 to the mixing and cooling chamber 17 by means of the included submersible pump 21, via a pipe 22, on the line of which an adjustable shut-off valve 23 is installed.

Количество атмосферного воздуха, поступающего в смеситель-охладитель 17, регулируется заслонкой 25.The amount of atmospheric air entering the mixer-cooler 17 is controlled by a shutter 25.

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 valves 15 and 23, as well as the shutter 25, both qualitative and quantitative mixture formation of the gas-droplet fuel mixture is formed.

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 thermocouple 31 for determining the temperature of the fuel mixture when it is supplied to the engine cylinder and a thermocouple 32 for determining the thermal state of the head 34 and the upper part of the engine cylinder 41. The pressure sensor 33 monitors the detonation-free mode of operation of the engine when it exits to the steady-state thermal mode and gives one of the signals to cover or open the shutter 25.

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 piston 40 moves downward, the valve 27 opens.

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 piston 40 occurs in the direction of the TDC.

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 piston 40 toward TDC is consumed from the energy of the untwisted flywheel on the engine shaft.

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-cooler 17 and, depending on the amount of cryogenic air component in it, can be significantly lower than the ambient temperature, for example, by 100 degrees lower.

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 capillary channels 35 into the reservoir reservoir 36, where hydrogen is already present, and there the hydrogen-rich mixture is stored for some time.

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 piston 40 near TDC, combustion products with high pressure and temperature are formed.

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 piston 40 moves down to the BDC:

- 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 device 29 for controlling the process of expansion of the products of combustion in a cycle at the upper temperature level allows additionally supplying and burning with some delay, due to the hydraulic resistance of the capillary channels, the accumulated hydrogen from the reservoir 36 of the device 29 during the expansion of the products of combustion, which allows you to adjust the temperature and pressure in end of their expansion.

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 piston 40 moves from BDC upward to TDC, valve 28 opens.

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)

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, цикл которого состоит из процессов: сжатия топливной смеси на базе углеводородного горючего; подвода теплоты за счет сжигания горючего в смеси и образования продуктов сгорания с высокой температурой и высоким давлением; расширения продуктов сгорания и отведения энергии расширения на вал двигателя, отличающийся тем, что топливная смесь состоит из водорода и атмосферного воздуха и перед сжатием предварительно охлаждается криогенной компонентой воздуха, которая становится составляющей топливной смеси, включая ее жидкую фазу.1. The method of operation of the internal combustion engine, the cycle of which consists of the following processes: compression of the fuel mixture based on hydrocarbon fuel; heat supply due to the combustion of fuel in the mixture and the formation of combustion products with high temperature and high pressure; expanding the combustion products and expelling the expansion energy to the engine shaft, characterized in that the fuel mixture consists of hydrogen and atmospheric air and is pre-cooled by a cryogenic component of air, which becomes a component of the fuel mixture, including its liquid phase. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подготовка и охлаждение топливной смеси, состоящей из газообразного водорода, атмосферного воздуха и криогенной составляющей воздуха, осуществляется в смесителе-охладителе, откуда охлажденная смесь, включая жидкую фазу криогенной составляющей воздуха, поступает в цилиндр двигателя.2. The method according to p. 1, characterized in that the preparation and cooling of the fuel mixture, consisting of gaseous hydrogen, atmospheric air and the cryogenic component of air, is carried out in a mixer-cooler, from where the cooled mixture, including the liquid phase of the cryogenic component of air, enters the cylinder engine. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что криогенная компонента воздуха представляет собой жидкий воздух, обогащенный азотом или кислородом в широких пределах.3. The method according to p. 1, characterized in that the cryogenic component of the air is liquid air enriched with nitrogen or oxygen over a wide range. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача водорода из металлогидридных элементов в охладитель-смеситель и далее в цилиндр двигателя осуществляется с помощью поршневого компрессора или механического вакуумного насоса.4. The method according to p. 1, characterized in that the supply of hydrogen from the metal hydride elements to the cooler-mixer and then into the cylinder of the engine is carried out using a reciprocating compressor or a mechanical vacuum pump. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессах извлечения водорода из металлогидридных элементов используется теплота окружающей среды с помощью вентиляторной системы.5. The method according to p. 1, characterized in that the processes of hydrogen extraction from metal hydride elements use the heat of the environment using a fan system. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача криогенной компоненты воздуха в охладитель-смеситель может быть осуществлена насосной системой.6. The method according to p. 1, characterized in that the supply of cryogenic air components in the cooler-mixer can be carried out by a pumping system. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе сжатия топливной смеси часть ее поступает по капиллярным каналам в емкость коллектора и сгорает с некоторым запаздыванием на этапе расширения продуктов сгорания.7. The method according to p. 1, characterized in that in the process of compressing the fuel mixture, part of it enters through the capillary channels into the reservoir capacity and burns with some delay at the stage of expansion of the combustion products. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устройство коллектора водорода позволяет осуществлять дополнительный подвод в него водорода через систему подачи непосредственно из металлогидридных элементов.8. The method according to p. 1, characterized in that the device of the hydrogen collector allows for the additional supply of hydrogen into it through the feed system directly from the metal hydride elements. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс расширения продуктов сгорания с отводом энергии на вал двигателя состоит из трех этапов, которые последовательно осуществляются при движении поршня вниз к нижней мертвой точке: этапа, близкого к изобарному процессу, при котором сгорает основная часть водорода с понижением давления и температуры газа в конце этого этапа; этапа, близкого к изотермическому процессу расширения газов, с подводом теплоты за счет горения водорода, подведенного из емкости коллектора, и этапа, близкого к адиабатному процессу с дальнейшим понижением давления и температуры, значения которых в конце процесса приближаются к значениям давления и температуры окружающей среды. 9. The method according to p. 1, characterized in that the process of expanding the products of combustion with the removal of energy to the engine shaft consists of three stages, which are carried out sequentially when the piston moves down to bottom dead center: a stage close to the isobaric process, in which the main part of the hydrogen with decreasing gas pressure and temperature at the end of this stage; a stage close to the isothermal process of gas expansion, with heat supply due to combustion of hydrogen supplied from the reservoir, and 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.
RU2013115034/06A 2013-04-04 2013-04-04 Operation of four-stroke ice running of hydrogen with pre-cooling of fuel mix by air cryogenic component RU2549744C2 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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