RU2626918C2 - Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания - Google Patents
Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626918C2 RU2626918C2 RU2015148837A RU2015148837A RU2626918C2 RU 2626918 C2 RU2626918 C2 RU 2626918C2 RU 2015148837 A RU2015148837 A RU 2015148837A RU 2015148837 A RU2015148837 A RU 2015148837A RU 2626918 C2 RU2626918 C2 RU 2626918C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- neutral gas
- amount
- engine
- degrees
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
- F02B43/02—Engines characterised by means for increasing operating efficiency
- F02B43/06—Engines characterised by means for increasing operating efficiency for enlarging charge
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
- F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
- F02B43/12—Methods of operating
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
- F02B47/04—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
- F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
-
- 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
Landscapes
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к двигателестроению, а именно к системам питания поршневых двигателей, работающих на водороде, и может быть использована для повышения литровой мощности таких двигателей. Техническим результатом является увеличение литровой мощности двигателя. Сущность заключается в том, что на режимах полных нагрузок, после закрытия впускных клапанов, через форсунку, установленную в головке, подают под давлением нейтральный газ и водород. Данный способ увеличения литровой мощности двигателя основан на исключении калильного зажигания топливных смесей при добавках нейтрального газа и способе подачи нейтрального газа непосредственно в цилиндр, при котором исключается уменьшение наполнения цилиндра воздушным зарядом и обеспечивается дополнительное увеличение полезной мощности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам питания поршневых четырехтактных двигателей транспортных средств, работающих на водороде, который является одним из самых перспективных топлив для поршневых двигателей.
Показано, что наиболее эффективным в этом случае является применение сжатого водорода, хранимого в баллонах высокого давления на борту автомобиля (Воробьев-Обухов А. Аттестат зрелости // За рулем. - 2004. - №11. - С. 108-112). Особенностями рабочего процесса двигателя с искровым зажиганием при использовании водорода в качестве топлива, затрудняющими его эффективное использование на транспорте, являются, во-первых, высокая склонность водородовоздушных смесей к преждевременному («калильному») воспламенению, приводящему к «обратным вспышкам» («хлопкам») смеси во впускном коллекторе, достаточно опасным с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации. Во-вторых, существенное уменьшение литровой мощности, так как хотя теплотворная способность водорода в расчете на единицу массы почти втрое выше, чем у бензина, но его стехиометрическое соотношение по отношению к воздуху также примерно втрое выше. В сочетании с низкой плотностью газообразного водорода это приводит к тому, что теплота сгорания единицы объема водородовоздушной смеси ниже, чем у бензовоздушной. Это означает пропорциональное снижение «литровой мощности» на номинальном режиме сравнительно с бензиновым аналогом при равных условиях организации процесса (Журнал «Альтернативная энергетика и экология», № 02, 2005 г., Ю.В. Галышев. Анализ перспективы создания водородных двигателей, с. 19-23). Практически при переводе автомобильного двигателя на водород его номинальная мощность снизится еще больше из-за невозможности работы на стехиометрических (соответствующих значению коэффициента избытка воздуха, равном 1) топливных смесях из-за опасности калильного зажигания. Реально достижимое значение коэффициента избытка воздуха при работе на водороде равно примерно двум, а это значит, что при конвертации бензинового двигателя на водород его номинальная мощность снизится почти в 3 раза.
Известны различные способы увеличения литровой мощности водородных двигателей. Применяют наддув подаваемого воздуха, обедняют топливную смесь (по сути «разбавляют стехиометрическую смесь воздухом») (Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 02. - С. 19-23).
Известен способ улучшения процессов сгорания топливных смесей путем «разбавления» их нейтральными выпускными газами за счет рециркуляции части выпускных газов, при котором их добавляют к свежему заряду на впуске, и эта смесь поступает через впускной клапан (Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1 Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 479 с.).
Известен также способ подачи дополнительного воздуха в цилиндры двигателя уже после закрытия основного впускного клапана (через который всасывание воздуха осуществлялось из атмосферы). В этом способе сжатый в нагнетателе воздух подается в цилиндры уже после закрытия основного впускного клапана через второй дополнительный впускной клапан (патент 2023181, кл. F02B 37/00, F02D 23/00).
Недостатками указанных способов увеличения литровой мощности двигателя на водороде являются необходимость создания высоких давлений наддува, усложняющих конструкцию двигателя, сохраняющих опасность калильного зажигания водородовоздушных смесей при полной нагрузке, уменьшение величины свежего заряда и повышение его температуры при рециркуляции выпускных газов, а также сложность конструкции устройств раздельной подачи основной и дополнительных порций воздушного заряда.
Технической задачей, на которую направлено заявляемое изобретение, является увеличение литровой мощности двигателя на водороде при исключении калильного зажигания.
Отличительным признаком предлагаемого способа является подача в цилиндр двигателя через впускные клапаны только воздуха, а уже после закрытия впускных и выпускных клапанов дополнительная подача нейтрального газа (не поддерживающего горения, например, азота или углекислого газа) и водорода. Причем нейтральный газ подают через ту же форсунку, которая подает и водород. Нейтральный газ хранится на борту автомобиля в емкостях (баллонах), аналогично способу хранения водорода.
Технический результат увеличения литровой мощности достигается за счет того, что в первом случае на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно в диапазоне от 60 до 90 градусов после положения поршня в НМТ через форсунку осуществляется подача сжатого нейтрального газа из баллонов, установленных на транспортном средстве, при этом оптимальное количество и продолжительность цикловой подачи нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода в течение примерно от 30 до 60 градусов поворота коленчатого вала при режиме полной нагрузки, затем в конце такта сжатия, примерно за 30 градусов до ВМТ, через форсунку подается водород, находящийся в баллонах, при этом количество подаваемого водорода на полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице.
Во втором случае технический результат достигается за счет того, что на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно за 30 градусов до ВМТ через форсунку в цилиндры двигателя предварительно смешиваясь в смесительном устройстве осуществляется подача смеси водорода и нейтрального газа, при этом количество подаваемого водорода при полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха близким к единице, а оптимальное количество нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода.
Предлагаемый способ увеличения литровой мощности поршневого двигателя поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 показан впускной клапан (поз. 1), через который поступает воздух в цилиндр, форсунка (поз. 2) для подачи нейтрального газа и водорода, находящихся под давлением в баллонах хранения нейтрального газа (поз. 3) и водорода (поз. 4). Свеча зажигания (поз. 5) осуществляет зажигание рабочей смеси.
Изобретение работает следующим образом. На такте впуска в цилиндр двигателя поступает воздух через один или несколько впускных клапанов (поз. 1). На такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно 60..90 градусов после положения поршня в нижней мертвой точки (НМТ) через форсунку (поз. 2) осуществляется подача сжатого нейтрального газа из баллонов (поз. 3), установленных на транспортном средстве (автомобиле). Оптимальное количество и продолжительность цикловой подачи нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая (примерно 20…40% от циклового количества водорода в течение 30…60 градусов поворота коленчатого вала на режиме полной нагрузки). В конце такта сжатия (примерно за 20…50 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ)) через форсунку подается водород, находящийся в баллонах (поз. 4). Количество подаваемого водорода на полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице (стехиометрический состав). В предлагаемом способе водород и нейтральный газ могут подаваться в цилиндры двигателя как поочередно, так и одновременно, предварительно смешиваясь в смесительном устройстве, с учетом вышеприведенных примерных количественных данных. Воспламенение осуществляется свечой зажигания (поз. 5).
Отметим, что указанная организация рабочего процесса осуществляется только на режимах больших нагрузок. На малых и средних режимах (при относительно малых подачах водорода и больших коэффициентах избытка воздуха) двигатель может нормально работать без калильного зажигания и без подачи нейтрального газа. С учетом относительно небольшого времени работы на полных режимах автомобильного двигателя емкости хранения нейтрального газа (поз. 3) на борту автомобиля будут существенно меньше водородных (поз. 4), что упрощает вопросы компоновки таких автомобилей.
Предлагаемый способ организации рабочего процесса имеет следующие преимущества. Во-первых, подача нейтрального газа уменьшает склонность водородовоздушной смеси к калильному воспламенению, так что можно реализовать нормальный (без калильного воспламенения) рабочий процесс при стехиометрической топливной смеси (при коэффициенте избытка воздуха 1) и за счет этого увеличить литровую мощность на номинальном режиме. Во-вторых, подача дополнительной порции нейтрального газа осуществляется уже после наполнения цилиндра воздушным зарядом - после закрытия впускного клапана, так что при такой подаче коэффициент наполнения цилиндра воздухом не уменьшается, а следовательно, литровая мощность двигателя из-за подачи нейтрального газа тоже не уменьшается. В-третьих, подача нейтрального газа через форсунку под некоторым избыточным давлением в цилиндр двигателя (примерно на половине такта хода сжатия) приведет к дополнительному увеличению полезной работы цикла и, как следствие, к увеличению литровой мощности двигателя на номинальном режиме. В этом случае происходит частичная рекуперация энергии сжатого в баллонах нейтрального газа в полезную работу цикла двигателя. Величина этой добавочной энергии будет зависеть от момента ввода нейтрального газа (относительно угла поворота коленчатого вала после положения НМТ) и его количества. И, наконец, четвертым, положительным свойством предлагаемого способа является его конструктивная простота сравнительно с известными способами увеличения литровой мощности водородного двигателя: достаточная мощность может быть получена и без установки агрегатов наддува, нет устройств подачи дополнительного воздуха через специальные клапаны, устройств рециркуляции.
Таким образом, технический результат увеличения литровой мощности достигается за счет большего наполнения воздушным зарядом цилиндра двигателя (на такте впуска через впускные клапаны подается только воздух - без рециркулируемых выпускных газов и водорода), увеличения подачи водорода до значений, соответствующих стехиометрическим при исключении калильного зажигания за счет добавок нейтрального газа и получения дополнительной энергии рабочего цикла за счет подачи сжатого газа.
Claims (2)
1. Способ увеличения литровой мощности поршневого двигателя на водороде, характеризующийся тем, что на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала примерно 60…90 градусов после положения поршня в НМТ через форсунку осуществляется подача сжатого нейтрального газа из баллонов, установленных на транспортном средстве, при этом оптимальное количество и продолжительность цикловой подачи нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода в течение 30…60 градусов поворота коленчатого вала при режиме полной нагрузки, затем, в конце такта сжатия, за 20…50 градусов до ВМТ, через форсунку подается водород, находящийся в баллонах, при этом количество подаваемого водорода на полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице.
2. Способ увеличения литровой мощности поршневого двигателя на водороде, характеризующийся тем, что на такте сжатия при закрытых впускных и выпускных клапанах при угле поворота коленчатого вала 20…50 градусов до ВМТ через форсунку в цилиндры двигателя, предварительно смешиваясь в смесительном устройстве, осуществляется одновременная подача водорода и нейтрального газа, при этом количество подаваемого водорода при полной нагрузке определяется из условия обеспечения коэффициента избытка воздуха, близкого к единице, а оптимальное количество нейтрального газа устанавливается с учетом режима работы опытным путем для каждого случая и составляет 20…40% от циклового количества водорода.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148837A RU2626918C2 (ru) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015148837A RU2626918C2 (ru) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015148837A RU2015148837A (ru) | 2017-05-19 |
| RU2626918C2 true RU2626918C2 (ru) | 2017-08-02 |
Family
ID=58715455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015148837A RU2626918C2 (ru) | 2015-11-13 | 2015-11-13 | Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626918C2 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU107860A1 (ru) * | 1956-07-25 | 1956-11-30 | М.Н. Исалиев | Устройство дл питани поршневого четырехтактного водородного двигател внутреннего сгорани |
| US3982878A (en) * | 1975-10-09 | 1976-09-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Burning rate control in hydrogen fuel combustor |
| WO2007100115A1 (en) * | 2006-02-24 | 2007-09-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hydrogen engine using a recirculating working medium |
| JP2008063980A (ja) * | 2006-09-06 | 2008-03-21 | Tomoki Yamazaki | 酸水素ガス２行程エンジン |
| RO122556B1 (ro) * | 2006-07-28 | 2009-08-28 | J. Klein Dennis | Procedeu pentru utilizarea amestecurilor sărace |
-
2015
- 2015-11-13 RU RU2015148837A patent/RU2626918C2/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU107860A1 (ru) * | 1956-07-25 | 1956-11-30 | М.Н. Исалиев | Устройство дл питани поршневого четырехтактного водородного двигател внутреннего сгорани |
| US3982878A (en) * | 1975-10-09 | 1976-09-28 | Nissan Motor Co., Ltd. | Burning rate control in hydrogen fuel combustor |
| WO2007100115A1 (en) * | 2006-02-24 | 2007-09-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Hydrogen engine using a recirculating working medium |
| RO122556B1 (ro) * | 2006-07-28 | 2009-08-28 | J. Klein Dennis | Procedeu pentru utilizarea amestecurilor sărace |
| JP2008063980A (ja) * | 2006-09-06 | 2008-03-21 | Tomoki Yamazaki | 酸水素ガス２行程エンジン |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015148837A (ru) | 2017-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8327831B2 (en) | Dual fuel compression ignition engines and methods | |
| US10233871B2 (en) | Air-enriched gaseous fuel direct injection for an internal combustion engine | |
| US5067467A (en) | Intensifier-injector for gaseous fuel for positive displacement engines | |
| RU2627762C2 (ru) | Способ работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением | |
| CN106351735B (zh) | 一种高效低排放氢混合燃料动力系统 | |
| US7954472B1 (en) | High performance, low emission engines, multiple cylinder engines and operating methods | |
| EP0371759A2 (en) | Intensifier-injector for gaseous fuel for positive displacement engines | |
| US20150369178A1 (en) | Engine | |
| US20160169142A1 (en) | System and method for optimal fueling of an engine | |
| US20140373531A1 (en) | Natural gas fueled internal combustion engine | |
| US20070044778A1 (en) | Engine which operates repeatedly with a multi-stage combustion process | |
| Shinde et al. | Recent progress in hydrogen fuelled internal combustion engine (H2ICE)–a comprehensive outlook | |
| JP6639345B2 (ja) | 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 | |
| EP1846650A1 (de) | Brennkraftmaschine mit gasbetrieb | |
| WO2018012311A1 (ja) | 内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法 | |
| KR20220061879A (ko) | 암모니아 및 개장 키트에서 작동하는 압축 점화식 내연기관 | |
| US10570834B2 (en) | Supercharging for improved engine braking and transient performance | |
| WO2021005344A1 (en) | Hydrogen fuelled internal combustion engine | |
| JP6549367B2 (ja) | パイロット油噴射を備えたガス燃料供給系を有する自己着火内燃機関 | |
| RU2626918C2 (ru) | Способ увеличения литровой мощности водородного двигателя внутреннего сгорания | |
| US10968866B2 (en) | Gas engine, method for operating a gas engine and generator set | |
| Matulić et al. | Thermodynamic analysis of active modular internal combustion engine concept: targeting efficiency increase and carbon dioxide emissions reduction of gasoline engines | |
| US8443773B2 (en) | Methods for controlling valves of an internal combustion engine, devices for controlling the valves, and engines employing the methods | |
| WO2008055329A1 (en) | Internal-combustion engine and the vehicle containing such engine | |
| US20040261774A1 (en) | Gas-assisted internal combustion engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |