Способ сжигания водяного топлива в двигателе внутреннего сгорания - RU2085756C1
Код документа: RU2085756C1
Описание
Изобретение относится к новому способу сжигания водяного топлива (водо-топливной эмульсии) в двигателе внутреннего сгорания.
Существует необходимость в разработке нового вида топлива для замены бензина, используемого в двигателях внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине и дизельном топливе, выделяют слишком большое количество загрязняющих веществ, которые являются вредными для здоровья человека и могут загрязнять окружающую атмосферу. Неблагоприятное воздействие таких веществ на здоровье и окружающую среду являлось предметом рассмотрения в ходе серьезных обсуждений общественности и широко известно.
Частично эта проблема решается при использовании водяного топлива и традиционных способов его сжигания в камерах сгорания двигателя (см. например, патент США N 4416225, кл. F 02 M 25/02, 1983 прототип). Однако добиться эффективной работы двигателя при достаточно высоком содержании воды в топливе в этом случае не удается.
Данное изобретение направлено на устранение указанного недостатка двигателей. Используемое при этом топливо оказывается намного дешевле, чем бензин или дизельное топливо, поскольку основным его компонентов является вода.
Топливо в соответствии с настоящим изобретением обладает 1/3 потенциальной энергии (британских тепловых единиц) бензина, но при использовании в двигателе внутреннего сгорания оно будет обеспечивать примерно столько же энергии, сколько то же самое количество бензина. Это поистине удивительно и возможно благодаря высвобождению и сгоранию водорода и кислорода, когда водяное топливо сжигается посредством нового способа сгорания в соответствии с настоящим изобретением.
В более широком смысле водяное топливо в соответствии с настоящим изобретением содержит значительное количество воды от 50 до 60% по объему в общем объеме топлива, и углеродистое топливо, выбранное из группы веществ, включающих бензин, дизельное топливо или их смеси. При использовании такого топлива посредством нового способа на основе настоящего изобретения воздух для сгорания предварительно нагревается и поступает в карбюратор двигателя или систему нагнетания топлива для смешивания с водяным топливом. При использовании двигателя с карбюратором воздух для сгорания нагревается предварительно по крайней мере до 350-400oF (176,7-204,4oC) до того, как поступает в карбюратор. При использовании двигателя с системой нагнетания топлива воздух для сгорания предварительно нагревается до 122-158o F (50-70oC) до того, как поступает в систему нагнетания топлива. Воздушно-топливная смесь затем поступает в камеру или камеры сгорания и сгорает в присутствии водородовыделяющего катализатора для приведения двигателя в действие.
Водяное топливо в соответствии с настоящим изобретением содержит воду в объеме от 20 до 50-60% от общего объема топлива и углеродистое топливо, выбранное из группы веществ, включающих бензин, дизельное топливо или их смеси. Оно может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, действующих на бензине или дизельном топливе, в автомобилях, грузовиках и т. п. где используются традиционные карбюраторы или системы нагнетания топлива. Единственная модификация, необходимая в случае применения таких двигателей, для того чтобы сделать их пригодными для работы на топливе в соответствии с настоящим изобретением, заключается в помещении водородопроводящего катализатора в камеру сгорания или камеры двигателя, установке нагревателя для предварительного нагрева воздуха для сжигания в двигателе и установке теплообменника для использования горячих выхлопных газов от двигателя для предварительного нагрева воздуха для сжигания после включения двигателя, когда нагреватель отключается.
При использовании способа в соответствии с настоящим изобретением воздух в двигателе предварительно нагревается, прежде чем поступает в карбюратор или систему нагнетания топлива. При использовании двигателя с карбюратором воздух для сгорания предварительно нагревается по крайней мере до 350-400oF (176,7-204,4oC), прежде чем поступает в карбюратор. При использовании двигателя с системой нагнетания топлива воздух для сгорания предварительно нагревается от 122-158o F (50-70oC) до того, как поступает в систему нагнетания топлива. Водяное топливо в соответствии с настоящим изобретением поступает в карбюратор или систему нагнетания топлива и смешивается с воздухом для сжигания. Водяное топливо может быть предварительно подогрето, но предпочтительно, чтобы оно поступало в карбюратор или систему нагнетания топлива при температуре окружающей среды. Воздушно-топливная смесь затем поступает в камеру или камеры сгорания, где искра от свечи зажигания зажигает воздушно-топливную смесь традиционным способом, когда поршень камеры сгорания достигает стадии воспламенения цикла. Присутствие водородопроводящего катализатора в камере сгорания и предварительный нагрев камеры сгорания позволяет высвобождать водород и/или кислород из воды в водяном топливе, когда свеча зажигания поджигает воздушно-топливную смесь. Водород и кислород также воспламеняются во время сжигания, увеличивая количество энергии, выделяемой топливом. Таким образом, в экспериментах с использованием спирта пробы 100 в качестве топлива было отмечено, что двигатель производит то же самое количество энергии (Вт/ч), что и такое же количество бензина. Это тем более удивительно, учитывая тот факт, что этиловый спирт пробы 100 обладает энергией 48000 британских тепловых единиц на галлон по сравнению с бензином, характеризующимся величиной в 123000 британских тепловых единиц на галлон, почти в три раза больше. Тот факт, что этанол с более низким показателем британских тепловых единиц может вырабатывать столько же энергии, сколько бензин с более высоким показателем британских тепловых единиц доказывает, что дополнительная энергия может быть употреблена на высвобождение и сжигание водорода и/или кислорода из воды.
Поскольку этанол пробы 100 был принят в качестве приемлемого топлива при использовании способа в соответствии с настоящим изобретением, очевидно, что другое подходящее топливо может быть получено при смешивании этанола и/или метанола с бензином или дизельным топливом в зависимости от того будет ли оно использоваться с двигателем, работающем на бензине или дизельном топливе. Экспериментальные испытания также показывают, что этанол пробы 84 (58% воды) также может быть использован в качестве топлива, и значит может применяться водяное топливо, содержащее 70% воды.
Чтобы продемонстрировать настоящее изобретение, был выбран двигатель, который позволял также измерять заданную рабочую нагрузку. Был выбран одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощностью 8 л.с. соединенный с генератором переменного тока мощностью 4000 Вт/ч. Двигатель с генератором был изготовлен Дженерек Корпорейшен Ваукеша, штат Висконсин под торговым наименованием Дженерек, Модель N 8905-0 (S 4002). Двигатель с генератором имеет максимальную непрерывную мощность переменного тока 4000 Вт (4 кВт) на одну фазу.
Характеристики двигателя следующие:
Производительность
двигателя Текумсех.
Номер модели изготовителя НМ80 (Тип 155305-Н).
Мощность, л.с. 8 при 3600 об/мин.
Рабочий объем 19,4 куб. дюймов (313,3 куб.см).
Материал цилиндра алюминий с чугуном.
Тип управляющего устройства механический, фиксированная скорость.
Установленная скорость 3720 об./мин при отсутствии
нагрузки (номинальные частота и напряжение переменного тока 120/240 В при 62 Гц) достигаются при 3600 об.
/мин. (Состояние отсутствия нагрузки в 3720 об./мин обеспечивает параметры 124/248 В при 62
Гц. Незначительное изменение этого состояния обеспечивает такое положение, при котором скорость двигателя,
напряжение и частота не упадут чрезмерно при более значительной электрической нагрузке./
Тип воздухоочистителя складчатый бумажный элемент.
Тип стартера ручной, с механическим приводом.
Глушитель выхлопов тип разрядника искры.
Система
зажигания твердое состояние с маховиком магнето
Свеча зажигания Чемпион PJ-17LM (или
разноцветная).
Установленный зазор в свече зажигания 0,030 дюйма (0,76 мм).
Крутящий момент свечи зажигания 15 футов-фунт
Вместимость масляного картера 1-1/2
пинты (24 унции).
Рекомендуемое масло масло, помеченное "Для обслуживания SC, SD или SE".
Основное рекомендуемое масло SE ЛОУ-80 Вязкое масло для многократного использования.
Приемлемый заменитель S AE 30 Ойл.
Вместимость бака для горючего 1 галлон.
Рекомендуемое топливо:
Основное очищенный, свежий
неосвинцованный бензин.
Приемлемые заменители очищенный свежий освинцованный нормальный бензин.
Теплообменник помещался на двигатель для использования горячих выхлопных газов от двигателя для предварительного нагрева воздуха для сгорания. Платиновый стержень размещался на нижней поверхности двигателя, образуя верхушку камеры сгорания. Платиновый стержень весил 1 унцию и имел следующие размеры: 2-5/16 дюймов в длину, 3/4 дюйма в ширину, 1/16 дюйма толщиной. Платиновая плоскость была прикреплена к внутренней поверхности головки цилиндра двигателя посредством трех винтов из нержавеющей стали.
Второй топливный бак вместимостью 2 л крепился к имеющемуся однолитровому топливному баку. Т-образное соединение помещалось на имеющийся топливный трубопровод мотора для соединения с топливным трубопроводом для каждого топливного бака. Между Т-образным соединением и топливным трубопроводом каждого топливного бака размещался клапан, так что бак мог быть использован либо отдельно для подачи топлива в карбюратор, либо топливо смешивалось бы в топливном трубопроводе, ведущем в карбюратор.
Была проведена серия испытаний для определения, может ли быть использован в моторе с описанным выше модификациями этанол пробы 100, и если может, то сравнивалось действие этанола пробы 100 с таким же количеством бензина.
2 л неосвинцованного бензина были залиты во второй топливный бак с клапаном в закрытом положении для этого бака. 3,8 л этанола пробы 100 были залиты в одногаллонный топливный бак при закрытом клапане. Клапан бензинового бака открывался так, что двигатель мог первоначально работать на бензине.
В течение 3 мин после включения мотора воздух для сгорания, поступающий в карбюратор, имел температуру 180oF. В этот момент топливный клапан бака с этиловым спиртом открывался, а клапан бензинового бака закрывался. Температура воздуха, поступающего в карбюратор, поднималась в это время до 200oF.
Этиловый спирт был теперь основным топливом в моторе, что приводило к определенным шероховатостям во время действия до тех пор, пока запирающий механизм не был отрегулирован путем сокращения поступающего в двигатель воздуха приблизительно на 90% Сразу же после этого два нагнетателя тепла мощностью 1800 Вт, осуществляющих нагрев до 400oF, включались и использовались для нагревания воздуха для сжигания до его поступления в карбюратор. Температура воздуха от нагревателей тепла составляла 390-395oF.
После того, как двигатель работал на этаноле приблизительно 20 мин, температура воздуха для сжигания стабилизировалась в пределах 347-352oF. Двигатель работал на этаноле пробы 100 еще 40 мин из общего 1 ч работы, пока этанол не был использован. Затем клапан бака с этанолом закрывался, и двигатель включался посредством открытия запирающего устройства. 800 мл этанола возвращались в бак.
Запирающее устройство затем переключалось в позицию, закрытую на 90% и двигатель вновь заводился. Двигатель включался сразу же и работал так же ровно на этаноле пробы 100, как и в течение всего часа работы.
Затем двигатель трижды останавливали и запускали, делая это аналогичным образом и получая одинаковые результаты.
Во время работы двигателя на этаноле пробы 100 производили замер вырабатываемой генератором мощности и нашли, что на часовом интервале времени было произведено 36000 Вт с использованием 2 л этанола, имеющего 48000 британских тепловых единиц на галлон.
По завершении испытаний двигателя на этаноле в бензобак залили 2 л бензина, после чего запустили двигатель. Через 47 мин после начала работы бензин кончился и двигатель встал. Замеры показали, что при работе двигателя на бензине за 47 мин генератор вырабатывал электроэнергию в количестве 36000 Вт/ч с использованием 2 л бензина, имевшего 123000 британских тепловых единиц на галлон.
Если сравнить замеры мощности, то видно, что на 2 л этанола пробы 100 получили такое же количество энергии, как от 2 л бензина. Такой результат неожиданен, поскольку в бензине имеется в 2,5 раза больше британских тепловых единиц, чем в таком же количестве этанола пробы 100. Получение от этанола такой дополнительной мощности объясняет судя по всему, высвобождение и сгорание водорода и/или кислорода из довольно большого количества воды, присутствующей в топливе.
В данном случае бензин использовался как пусковое топливо для подогрева двигателя с получением горячих выпускных газов для подогрева воздуха, поступающего в зону горения, однако применять бензин как пусковое топливо необязательно, вместо него можно использовать электрический тепловой насос, обеспечивающий подогрев воздуха до тех пор, пока теплообменник не может вступить в работу, нагревая воздух, поступающий в зону горения, после чего электрический тепловой насос можно отключить.
Описанные выше сравнительные испытания с использованием этанола пробы 100 и бензина повторяли три раза, получая в любом случае одинаковые результаты.
Затем провели вторую серию испытаний, идентичную первой, за тем исключением, что вместо этанола пробы 100 применяли этанол пробы 84 (42% этилового спирта и 58% воды). Однако двигатель проработал на этаноле пробы 84 всего лишь приблизительно 30 с и внезапно остановился, при этом из коренного подшипника главного двигателя выделилось значительное количества масла, находящегося под большим давлением. Двигатель запустили, однако он снова внезапно остановился, проработав приблизительно 20 с.
Причина остановки двигателя заключается, судя по всему, в преждевременном воспламенении водорода и/или кислорода во время хода сжатия поршня, что привело к нарастанию давления в картере двигателя, что в свою очередь вызвало выделение сжатого масла через коренной подшипник. Давление внутри камеры сгорания, судя по всему, прошло через поршневые кольца в картер двигателя, откуда вышло через коренной подшипник.
Преждевременное воспламенение водорода и/или кислорода было вероятно вызвано поступлением большого количества кислорода и водорода, чего не произошло при использовании этанола пробы 100, где имеется меньшее количество воды.
Проблему преждевременного воспламенения можно, вероятно, решить, применив двигатель с меньшим ходом поршня для уменьшения времени пребывания топлива, в том числе водорода и кислорода, в камере сгорания, либо отрегулировав карбюратор или электронным образом управляя системой впрыска топлива, помогая уменьшить время пребывания во избежание получения избыточного количества водорода и кислорода. Во время экспериментов применялся двигатель со сравнительно большим ходом поршня в 6 дюймов (152,4 мм), чтобы избежать преждевременного воспламенения в таком двигателе, ход поршня не должен превышать 1 и 1/2 дюйма (38,0 мм).
Другую серию испытаний провели на двигателе с системой впрыска топлива с электронным управлением с тем, чтобы попытаться найти решение проблемы преждевременного воспламенения, упомянутой выше.
С этой целью применили трехцилиндровый двигатель с турбонаддувом и электронным управлением от модели Шевроле Спринт 1987, прошедшей приблизительно 37000 миль (59500 км).
С блока цилиндров сняли головку и очистили ее, удалив слой нагара. Изнутри каждой головки закрепили три платиновых пластинки, установив их так, чтобы они не мешали движениям клапанов внутри головок во время работы. Каждая платиновая пластинка была длиной и шириной в 1 см при толщине 1/32 дюйма (0,794 мм). Каждую платиновую пластинку прикрепили к головке одним винтом из нержавеющей стали, проходящим по центру детали. С каждого днища поршня счистили слой нагара и собрали двигатель с новыми прокладками.
Шланг, по которому воздух подается в зону сгорания и идет от турбонагнетателя к блоку впрыска, разделили посредине и прикрепили к теплообменнику для охлаждения воздуха, поступающего к инжектору. Теплообменник обошли, применив два У-образных разветвления по одному с каждой стороны и установив дроссельный клапан со стороны, ближней к турбонагнетателю с тем, чтобы поток горячего воздуха можно было обвести вокруг теплообменника и напрямую подать в блок впрыска. С двигателя сняли все оборудование, используемое для уменьшения загрязнения окружающей среды, оставив на месте лишь генератор переменного тока. К двигателю подсоединили коробку передач, поскольку с ней был связан держатель статора. Во время испытаний коробку передач не использовали. В таком виде двигатель поместили в автомобиль Шевроле Спринт, причем выходную трубу и систему глушения, необходимые для правильной работы двигателя, соединили с ним. В выхлопной системе оставили каталитический конвертер, однако внутреннюю часть конвертера удалили за ненадобностью. Два пластиковых топливных бака вместимостью в один галлон подсоединили к топливному насосу, поместив их на Т-образном профиле и использовав два клапана с ручным управлением, благодаря чему можно было быстро менять топливо, открывая или закрывая клапаны.
Чтобы определить, как модифицированный двигатель сможет работать на различных видах топлива, провели серию испытательных прогонов.
Во время первого испытания в качестве пусковой жидкости применили метанол пробы 200. Двигатель запустился и работал, когда давление впрыска топлива подняли до 60 75 фунтов. При использовании бензина давление обычно устанавливается равным 3,5 5,0 фунтам.
После того как двигатель отработал на метаноле пробы 200, топливо заменили на денатурированный этанол пробы 100, двигатель продолжал плавно работать с 3500 об./мин. Приблизительно через 2 мин испытание прекратили, а двигатель заглушили из-за вздутия топливных шлангов, что могло привести к аварии. Поэтому топливные шланги заменили на шланги высокого давления; кроме того, пластиковые муфты и тройники заменили на медные. Установили новый монометр. В ходе испытаний отмечалась необходимость в подаче большого количества воздуха к топливной смеси, при этом двигатель не поддавался регулированию для подачи дополнительного воздуха даже с помощью компьютера. Для решения этой проблемы открыли впускной воздушный клапан.
По завершении перечисленных модификаций провели новую серию испытаний, применив метанол пробы 200 в одном из двух топливных баков. Запустили двигатель на метаноле пробы 200 и установили скорость вращения 3500 об./мин. Двигатель оставили в работе на несколько минут. За это время осуществили регулировку давления топлива и отметили, что давление в 65 фунтов вполне достаточно. Вблизи блока впрыска установили термопару, и приблизительно через 5 мин сняли отсчет при 65oC.
Во второй топливный бак поместили топливную смесь из 500 мл дистиллированной воды и 500 мл метанола пробы 200, эту смесь применили для работы двигателя. Без изменения воздушного потока температура воздуха, подаваемого в камеру сгорания, увеличилась приблизительно от 65 до 75oC за 1 мин. Обороты двигателя упали до 3100 в минуту. Двигатель работал очень плавно; остановка и его повторный запуск проходили без всяких затруднений.
На следующем этапе в проводимой серии испытаний определяли влияние изменения в содержании воды в топливе на эксплуатационные свойства двигателя. В качестве пускового топлива применили денатурированный этанол пробы 199, при этом двигатель сразу запустился. Регулировку давления впрыска топлива уменьшили с 65 до 50 фунтов, температура воздуха была равна 65o C, обороты составили 3500 в минуту. Двигатель плавно работал.
Затем топливо заменили на денатурированный этанол пробы 160. Давление впрыска топлива оставили равным 50 фунтам. Температура воздуха составила 67oC, обороты упали до 3300 в минуту. Двигатель плавно работал.
Через 10 мин топливо заменили на денатурированный этанол пробы 140. Температура воздуха поднялась до 70oC, обороты выросли до 3500 в минуту. Двигатель плавно работал.
Через 10 мин топливо заменили на денатурированный этанол пробы 120. Температура воздуха поднялась до 73oC, обороты упали до 3300 в минуту. Двигатель плавно работал.
Через 10 мин топливо заменили на денатурированный этанол пробы 100. Температура воздуха увеличилась до 74oC, обороты упали до 3100 в минуту. Двигатель плавно работал.
Через 10 мин топливо заменили на денатурированный этанол пробы 90. Температура воздуха осталась равной 74oC, обороты 3100 в минуту. Двигатель плавно работал.
Через 10 мин топливо заменили на денатурированный этанол пробы 80. Температура воздуха увеличилась до 76oC, обороты упали до 2900 в минуту. В этот момент в двигателе отмечались редкие вспышки. Затем в качестве первичного топлива приняли денатурированный этанол пробы 100 и закрыли обход у теплообменника. Температура воздуха поднялась до 150oC и через несколько минут дошла до 170oC. Обороты двигателя выросли до 4000 в минуту. Двигатель плавно работал.
Еще одну серию испытаний провели на двигателе, отрегулированном для работы на 3500 об. /мин при удаленном теплообменнике. Двигатель запустили на этаноле пробы 200. Как только температура воздуха, подаваемого в блок впрыска, поднялась приблизительно до 50oC, топливо заменили на этанол пробы 100, при этом двигатель плавно работал. Двигатель заглушили, снова запустили, он продолжал плавно работать. За счет регулировки и открывания воздухозаборника обороты можно было увеличить приблизительно до 4000. Незначительным перекрытием воздухозаборника обороты можно было уменьшить до 1500. Во всех диапазонах скоростей двигатель плавно шел, он останавливался и повторно запускался без каких-либо затруднений, продолжая плавно работать.
Для регулирования оборотов двигателя с использованием способа и топлива по данному изобретению можно регулировать количество воздуха, поступающего в камеру сгорания. В типовом бензиновом двигателе обороты регулируют за счет количества бензина, подаваемого в камеры сгорания.
Данное изобретение также можно применять в реактивных двигателях, представляющих собой другую форму двигателя внутреннего сгорания.
Хотя до настоящего момента рассматривался лишь один вариант реализации данного изобретения, выбранный для раскрытия изобретения, однако изобретение охватывает различные изменения и модификации, подпадающие под объем формулы изобретения.
Реферат
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: способ предусматривает введение предварительно нагретого воздуха и водяного топлива (водо-топливной эмульсии) в карбюратор или систему нагнетания топлива. При этом способе указанное топливо содержит от 20 до 60% воды в общем объеме и углеродистое топливо, выбранное из класса, включающего бензин, дизельное топливо или их смеси. Указанная топливо-воздушная смесь вводится и сжигается в камере или камерах сгорания в присутствии водородопроизводящего катализатора для приведения в действие двигателя. Способ сжигания обеспечивает приблизительно такую же энергию, как и эквивалентное количество бензина. 4 с. и 17 з.п. ф-лы.
