PL179811B1 - Silnik z wtryskiem wody do cylindra PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. S iln ik z w trysk iem w o d y do cylindra w kazdym su w ie sprezania, zw la szcza silnik o spalaniu w ew n etrznym , posiadajacy co naj- m niej jed n a kom ore spalania, c o najm niej jed n a g lo w ic e cylindra z k om ora spalania i co naj- m niej jed en tlok znajdujacy sie w poblizu k o- m ory spalania, oraz p rzew ód d o lo to w y m iesz a - niny pow ietrza i p aliw a p o la czo n y z kom ora spalania p oprzez g lo w ic e cylindra i co najmniej jed en w trysk iw acz w o d y p olaczon y z kom ora spalania oraz zbiornik w o d y pod stalym cisn ie- niem 1 pom pe cisn ie n io w a p olaczon e p rzew o- dem z w trysk iw aczem w o d y , zn a m ie n n y ty m , ze na p rzew od zie laczacym p om p e cisn ien io w a (15) z w trysk iw aczem w o d y (17) do silnika (0) m a zaw ór (1 6 ) sterow an y sygn alem elek trycz- nym , przy cz y m ew en tu aln ie siln ik jest w y p o - sazony w ze sp ó l przepon od dzielajacych azot i tlen (38), turbosprezarke (2 ) i turbosprezarke (30) oraz p rzew ód w y lo to w y azotu (41). PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest silnik z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania. Wynalazek dotyczy zwłaszcza silnika o spalaniu wewnętrznym posiadającego bezpośredni wtrysk wody do cylindra w czasie suwu sprężania, co poprawia sprawność poprzez chłodzenie sprężanych gazów.

Znane jest zastosowanie różnych płynów takich jak woda lub roztwory wodne z innymi substancjami takimi jak alkohol do wtryskiwania do silników zasilanych węglowodorami w celu udoskonalenia jego pracy. W czasie suwu sprężania, kropelki wody parują i absorbują ciepło wytworzone w komorze spalania, aby zabezpieczyć przed przedwczesnym zapłonem. Następnie parująca woda jest ogrzewana w wyniku spalania paliwa podczas suwu pracy, zwiększając tym samym sprawność mechaniczną procesu spalania. Pozytywnym skutkiem tego jest ochrona ścianek cylindra przed osadzaniem się na nich cząstek węgla. To z kolei umożliwia bardziej sprawną i skuteczniejszą pracę silnika na uboższej mieszance. Dodatkowo obniżenie maksymalnej temperatury spalania ogranicza powstawanie tlenków azotu oraz minimalizuje naprężenia termiczne elementów silnika.

Zostały opracowane różne typy urządzeń do wprowadzania cieczy do powietrza wlotowego doprowadzanego do silnika spalinowego. Znane urządzenia składają się z układu wtrysku emulsji oraz nawilżaczy powietrza wlotowego, w którym powietrze jest przepuszczane przez wodę zanim dotrze do silnika. Ze względu na brak możliwości precyzyjnego odmierzania stosunkowo małych objętości wody przy bezpośrednim wtrysku wody do powietrza wlotowego, trudno jest uzyskać optymalny stosunek objętościowy wody w końcowym ładunku paliwo/powietrze. Systemy nawilżania lub bezpośredniego wtrysku wody są niepraktyczne, ponieważ główna zdolność pochłaniania ciepła przez wodę ujawnia się podczas jej przechodzenia z cieczy w gaz.

Podobne systemy nie zostały z powodzeniem wprowadzone do sterowania pracą silnika w znacznej mierze ze względu na trudności z opracowaniem czysto mechanicznego urządzenia spełniającego wymagania pracy w szerokim zakresie warunków. W amerykańskim opisie patentowym nr 4.031.864 jest opisany sposób doprowadzenia dwóch różnych cieczy do typowej komory spalania. Woda jest wykorzystywana do oddzielenia we wspólnym zbiorniku metanolu i benzyny, znajdujących się na różnych poziomach. Podstawowym celem tego wynalazku jest możliwość korzystania z różnych paliw.

179 811

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.351.289 opisany jest sposób doprowadzenia wody do silnika spalinowego podczas okresów szczytowego zapotrzebowania mocy. Wtrysk wody dokonuje się w następujący sposób. Woda jest zasysana ze zbiornika przez pompę wtrysku, która pracuje tylko przy przekroczeniu wcześniej określonego momentu obrotowego. Jej pracą steruje przełącznik czuły na podciśnienie w przewodzie wlotowym.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.461.245 opisano sposób doprowadzenia wody do silnika spalinowego, co umożliwia pracę przy uboższej mieszance paliwa. Ciśnienie przy przewodzie wlotowym jest wykorzystane do sterowania wydatkiem pompy wodnej doprowadzając do właściwej proporcji wtryskiwanej wody w stosunku do obciążenia silnika.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.558.665 jest opisany sposób doprowadzania wody do cylindrów silnika z turbodoładowaniem. Ten system wtryskuje wodę do każdego z rozgałęzień przewodu dolotowego przed zaworem dolotowym i pracuje niezależnie od systemu paliwowego.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.960.080 jest opisany system wtrysku wody do silnika spalinowego, oparty na źródle energii elektrycznej. System ten pracuje kiedy zewnętrzny generator osiągnie wcześniej ustalony poziom, ściśle związany z emisją ΝΟχ w spalinach pochodzących od silnika samochodu.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.096.829 jest opisany system wtrysku wody do silnika spalinowego posiadającego układ zapłonu iskrowego. Praca tego systemu polega na tym, że wydatek pompy wtryskującej wodę jest proporcjonalny do obrotów silnika.

Wielkość dawki wtryskiwanej wody jest sterowana powietrzem przepływającym przez rozpylacz.

W amerykańskim opisie patentowym nr 4.448.153 jest opisany system wtryskujący wodę do gaźnika, co pozwala na zastosowanie uboższej mieszanki paliwa. Załączanie cyklu pracy pompy wtryskującej wodę zależy od takich parametrów silnika jak: temperatura silnika, ciśnienie oleju i ciśnienie w przewodzie dolotowym.

W amerykańskim opisie patentowym nr 5.148.776 jest opisany system koordynujący wtrysk wody i paliwa na wlocie przewodu dolotowego. Ten system wykorzystuje komputer do określenia ilości paliwa, powietrza i wody wymaganych dla silnika.

Typowy silnik z zapłonem iskrowym silnika z turbodoładowaniem wykorzystuje cykl paliwowo - powietrzny Otto i cykl powietrzny Braytona. Połączenie cykli ze sobą ulepsza podstawowy cykl Otto, w którym częściowe sprężanie (przez turbosprężarkę) jest usunięte z cylindra. Zwiększony został również stopień napełnienia i towarzysząca temu moc wyjściowa. Jednak silnik z zapłonem iskrowym wykazuje niską sprawność objętościową i sprawność spalania wynikające z istnienia wspólnego cylindra dla obu procesów spalania i sprężania. W idealnym przypadku te procesy powinny być zoptymalizowane oddzielnie i w osobnych komorach tak jak stosuje się w silnikach turbinowych w gazowym cyklu Braytona.

Zestawienie cykli pozwala w rzeczywistości określić stopień separacji i optymalizacji, lecz jeszcze istnieją ograniczenia mechaniczne związane z termodynamiką sprężania wewnątrz cylindra.

Ograniczenie sprawności w znanym silniku z zapłonem iskrowym lub plazmowym wynika z: 1 ) niższego stosunku sprężenia dla uniknięcia przedwczesnego zapłonu, 2) nieefektywnego zmniejszania wzrostu temperatury w czasie suwu sprężania, 3) nieefektywnego łagodzenia pracy sprężania, 4) stałej masy w komorze przy zamkniętym zaworze dolotowym przy wzroście temperatury w czasie sprężania, 5) procentowego ograniczenia zawartości tlenu w powietrzu.

Istniejące ograniczenia stopnia sprężenia w konwencjonalnym silniku z zapłonem iskrowym i plazmowym spowodowane są wzrostem temperatury powietrza lub mieszaniny paliwowo - powietrznej w czasie suwu sprężania i szkodliwym pojawianiem się wywołanego termicznie przedwczesnego zapłonu. Sprawność silnika silnie zależy od stopnia sprężenia. Jednak ograniczenia wynikające z przedwczesnego zapłonu w konwencjonalnym silniku z zapłonem iskrowym i plazmowym uniemożliwiają osiągnięcie wysokiej sprawności i dużego stosunku sprężenia tak jak ma to miejsce w cyklu Diesla.

Znane rozwiązania w zakresie wtrysku wody w silnikach o zapłonie plazmowym lub iskrowym, choć istotne z punktu widzenia usprawnień w cyklu pracy posiadają pewne ograniczenia w: 1) wilgotności względnej, 2) szybkości parowania wody, 3) sprawności objęto

179 811 ściowej. Różne typy urządzeń zostały opracowane do wprowadzania strumienia cieczy do powietrza wlotowego do silnika spalinowego. Urządzenia te to między innymi systemy wtrysku emulsji, nawilżacze powietrza wlotowego i układy wtrysków do przewodów dolotowych.

Nawilżanie w przewodach dolotowych obniża ich temperaturę i zagęszcza strumień gazu. Jednak nawilżanie w przewodach dolotowych posiada kilka ograniczeń, które wpływają na sprawność objętościową w następujący sposób: 1) w danej temperaturze, suche powietrze ma wyższą gęstość niż połączenie powietrza i pary wodnej w tej samej temperaturze, 2) zastosowanie systemów nawilżających ogranicza się do temperatur powyżej 0°C dla zapobieżenia wpadnięciu lodu do cylindra.

Znany silnik z zapłonem iskrowym lub plazmowym w naturalny sposób nie posiada możliwości obniżenia ciepła strumienia w czasie cyklu sprężania. W czasie suwu sprężania rośnie temperatura masy gazowej wewnątrz cylindra w zależności od: 1) konwekcji i promieniowania cieplnego pochodzącego od ścian cylindra, głowicy, denka tłoków, zaworów itd. 2) adiabatycznej i politropowej przemiany wywołanej tłokowym sprężaniem gazu.

Typowy silnik z zapłonem iskrowym lub plazmowym nie posiada skutecznego mechanizmu łagodzenia wzrostu temperatury podczas suwu lub cyklu sprężania z powodu wspomnianego wyżej zjawiska ogrzewania.

W znanych silnikach o zapłonie plazmowym lub iskrowym dopuszczalny stosunek paliwa do powietrza ograniczony jest od dołu poprzez procentową zawartość tlenu w powietrzu. Zawartość tlenu w atmosferze - nominalnie 21% na poziomie morza - ostatecznie ustala dolny limit stosunku paliwa do powietrza w ubogiej mieszance. Do momentu opracowania stosunkowo wysokoefektywnych statycznych przeponowych generatorów tlenu, użycie dodatkowego tlenu do wydajniejszego spalania było nieekonomiczne. Przy zastosowaniu statycznych generatorów przeponowych, turbosprężarek napędzanych spalinami strata energii przy produkcji strumienia powietrza o podwyższonej zawartości tlenu jest minimalizowana, podczas gdy limit stosunku paliwa do powietrza w mieszance ubogiej zwiększa się powiększając ogólną sprawność silnika.

Urządzenia, które wtryskują wodę do dolotowych przewodów wpływają przede wszystkim na nawilżanie i zagęszczanie powietrza przed suwem sprężania. Ten system warty jest zauważenia ze względu na zdolność do obniżania temperatury powietrza na wejściu i nawilżanie prawie do poziomu 100% względnego poziomu wilgotności . Wilgotność bezwzględna jest jednakże funkcją temperatury. Nawilżanie w przewodzie dolotowym ograniczone jest do niższego poziomu wilgotności bezwzględnej niż wtrysk bezpośrednio do cylindra wody o niskiej temperaturze i/lub rozpylonej, ponieważ przy zastosowaniu tego drugiego sposobu proces zachodzi w wyższej temperaturze, podnoszącej się wraz ze zwiększającym się stopniem sprężenia podczas suwu sprężania.

W znanym stanie techniki nie pokazano ani wtrysku wody bezpośrednio do cylindra w czasie suwu sprężania ani powiązania wtrysku wody z powietrzem wzbogaconym tlenem.

Celem wynalazku jest zwiększenie sprawności pracy silnika i zredukowanie emisji ΝΟχ poprzez zwiększanie stopnia sprężenia i ewentualnie zwiększenie zawartości tlenu w dostarczanym powietrzu.

Cel ten został osiągnięty przez opracowanie nowego silnika pracującego w nowym cyklu spalania. Cykl ten charakteryzuje się zmienną masą ładunku w komorze spalania spowodowaną wtryskiem wody do cylindra w czasie każdego suwu sprężania.

Przedmiotem wynalazku jest nowy silnik z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania, zwłaszcza silnik o spalaniu wewnętrznym, posiadający co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w pobliżu komory spalania. Silnik według wynalazku zawiera przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z wtryskiwaczem wody, a na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową z wtryskiwaczem wody do silnika ma zawór sterowany sygnałem elektrycznym. Silnik ten ewentualnie jest wyposażony w zespół przepon oddzielających azot i tlen, turbosprężarki oraz przewód wylotowy azotu.

179 811

Korzystnie, w silniku według wynalazku zespół przepon oddzielających azot i tlen połączony jest z przewodem wlotowym powietrza otaczającego przez przewód wylotowy tlenu i z przewodem dolotowym mieszaniny powietrza i paliwa przez przewody wzbogaconego powietrza.

Również korzystnie, w silniku według wynalazku turbosprężarka połączona jest z przewodem odprowadzającym spaliny, z przewodem wlotowym doprowadzającym powietrze do tej turbosprężarki i z przewodami doprowadzającymi sprężone powietrze do zespołu przepon.

Korzystnie, w silniku według wynalazku przewód wylotowy azotu połączony jest z zespołem przepon oddzielających azot i tlen oraz z turbosprężarką połączoną z przewodem wydechowym azotu, przy czym turbosprężarka ta połączona jest z przewodem wlotowym powietrza z otoczenia i przewodami powietrza wzbogaconego.

Przedmiotem wynalazku jest także odmiana silnika z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania, zwłaszcza silnika o spalaniu wewnętrznym, posiadającego co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w komorze spalania. Odmiana silnika według wynalazku zawiera przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z układem wtrysku wody, a na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową z wtryskiwaczem wody do silnika ma zawór sterowany sygnałem elektrycznym. Silnik ten jest wyposażony w turbosprężarki, z których co najmniej jedna połączona jest z przewodem wylotowym azotu i z przewodem wlotowym powietrza otaczającego, a zespół przepon oddzielających azot i tlen połączony jest przez przewód wylotowy tlenu i przez przewody wzbogaconego powietrza z przewodem dolotowym.

Korzystnie jedna z turbosprężarek połączona jest z przewodem odprowadzającym spaliny, z przewodem wydechowym, z przewodem doprowadzającym powietrze i z przewodami doprowadzającymi sprężone powietrze do zespołu przepon.

Korzystnie jedna z turbosprężarek usytuowana jest za chłodnicą umieszczoną za turbosprężarką! za zespołem przepon oddzielających azot i tlen.

Również korzystnie przewód wylotowy azotu połączony jest z zespołem przepon oddzielających azot i tlen oraz z turbosprężarką połączoną z przewodem wydechowym azotu i z przewodem wylotowym azotu, przy czym turbosprężarka ta połączona jest z przewodem wlotowym powietrza otaczającego i z przewodem wylotowym tlenu doprowadzającym tlen odzyskany w zespole przepon.

Przedmiotem wynalazku jest także inna odmiana silnika z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania, zwłaszcza silnika o spalaniu wewnętrznym posiadającego co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w pobliżu komory spalania. Odmiana silnika według wynalazku zawiera przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z wtryskiwaczem wody, a na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową z wtryskiwaczem wody do silnika ma zawór sterowany sygnałem elektrycznym. Silnik ten wyposażony jest w co najmniej jedną turbosprężarkę połączoną z przewodem wylotowym tlenu odprowadzającym tlen odzyskany w zespole przepon oddzielających azot i tlen i z przewodem wlotowym powietrza otaczającego. Zespół przepon oddzielających azot i tlen połączony jest przez przewody wzbogaconego powietrza i turbosprężarkę, z przewodem wylotowym tlenu i z przewodem dolotowym mieszaniny powietrza i paliwa. Turbosprężarka sprężająca powietrze płynące do zespołu przepon połączona jest z przewodem wydechowym i przewodami doprowadzającymi powietrze do zespołu przepon, połączonych z przewodem wylotowym azotu i przewodem wylotowym tlenu.

W silniku według wynalazku wlatujący ładunek powietrza pobierany jest z dwóch źródeł - przefiltrowany strumień powietrza otaczającego oraz strumień powietrza wzbogaconego w tlen. Całkowity strumień powietrza wlatującego sprężany jest przez turbosprężarkę odzyskiwania ciśnienia azotu i wypuszczany do przewodu będącego przedłużeniem

179 811 przewodu dolotowego. Ponieważ ciśnienie strumienia powietrza jest wysokie i jest on rozgrzany przez turbosprężarkę musi on zostać ochłodzony, aby zwiększyć gęstość ładunku i zredukować pracę kolejnej turbosprężarki. Strumień powietrza chłodzi się w chłodnicy, która również zwiększa masę strumienia wpływającego do silnika. Kolejna turbosprężarka zwiększa ciśnienie strumienia powietrza lub strumienia o zwiększonej zawartości tlenu wypuszczając je poprzez chłodnicę do trójnika. Jedna odnoga trójnika prowadzi do drugiego zespołu turbosprężarki połączonej z chłodnicą i dalej do membran przeponowych oddzielających azot i tlen. Na drugiej odnodze trójnika wprowadzane jest, a następnie mieszane w przewodzie dolotowym paliwa. Zimne paliwo dodatkowo obniża temperaturę ładunku wlotowego i podnosi jego gęstość. Mieszanina paliwa z powietrzem lub paliwa z powietrzem wzbogaconym w tlen jest kierowana do cylindra przez przewód dolotowy oraz zawór wlotowy. W urządzeniu według wynalazku zawory są izolowane poprzez powleczenie materiałem termicznie odpornym co jeszcze osłabia strumień cieplny. W rezultacie mieszanina paliwa z powietrzem kierowana jest do cylindra przy zwiększonej gęstości poprawiając sprawność objętościową.

Po wejściu do cylindra mieszanina paliwa z powietrzem lub mieszanina paliwa z powietrzem wzbogaconym w tlen szybko zaczyna absorbować ciepło. Ten wzrost temperatury mieszaniny jest niepożądany. Traci się na sprawności, gdyż tłok musi wykonać większą pracę, aby sprężyć rozgrzane gazy. Tak więc podczas suwu sprężania, system wtryskiwania wody wtryskuje pod dużym ciśnieniem rozpyloną wodę o niskiej temperaturze łagodząc strumień ciepła. W rezultacie, praca przy sprężaniu ulega zmniejszeniu, w związku ze zmniejszoną temperaturą mieszaniny paliwa i powietrza lub paliwa i powietrza wzbogaconego w tlen. Co więcej, wtrysk wody chłodzącej powoduje obniżenie temperatury mieszaniny paliwa i powietrza lub paliwa i powietrza wzbogaconego w tlen poniżej temperatury przedwczesnego zapłonu w czasie sprężania pozwalając na wyższy, bardziej efektywny stopień sprężenia.

Nizsza temperatura sprężania wraz z właściwościami absorbcyjnymi głowicy oznacza niższą maksymalną temperaturę spalania. Nizsza temperatura spalania przekłada się na niższy poziom emisji ΝΟχ

Ewentualne oddzielanie azotu od tlenu przy pomocy zespołu przepon zachodzi korzystnie przy podwyższonym ciśnieniu. W tym celu jeżeli użyte ma być powietrze wzbogacone w tlen do cyklu włączana jest kolejna turbosprężarka do odzyskiwania ciśnienia azotu. Ponadto wydajność zespołu przepon poprawia się przy odzyskiwaniu wzbogaconego w tlen strumienia powietrza, to znaczy wyższa zawartość tlenu w przepuszczanym strumieniu zwiększa strumień przenikający przez przeponę, którym w tym przypadku jest strumień wzbogacony w tlen przekazywany do turbosprężarki odzyskującej ciśnienie. Turbosprężarka odzyskująca ciśnienie działa w częściowej próżni, obniżając wsteczne ciśnienie działające na zespół przepon rozdzielających azot i tlen oraz znacznie zwiększając ich wydajność odzyskiwania tlenu.

W silniku według wynalazku wtrysk wody bezpośrednio do cylindra w czasie suwu sprężania, niska temperatura i/lub wcześniej rozpylona woda, będą zmieniały wodę w gaz poprzez absorpcję otaczającego strumienia ciepła (utajone ciepło parowania wody), wykluczając w ten sposób termiczne wywołanie przedwczesnego zapłonu. Wtrysk wody do wnętrza cylindra w niskiej temperaturze i/lub rozpylanie wody przed i/lub w czasie suwu sprężania będzie absorbować strumień cieplny pochodzący od elementów cylindra i procesu sprężania. Woda przechodzi do fazy strumienia gazowego obniżając całkowitą temperaturę masy wewnątrz cylindra. Innymi słowy końcowa temperatura sprężonej masy (zawierającej wodę/ powietrze/ paliwo lub wodę/ powietrze wzbogacone O2/ paliwo) na końcu procesu sprężania w wyniku wtrysku wody jest znacznie niższa. Końcowa temperatura suwu sprężania jest poniżej punktu termicznego zapłonu sprężonej mieszaniny, co wyklucza wcześniejszy zapłon.

Silnik według wynalazku rozwiązuje problem różnic termodynamicznych dzięki niezależnemu optymalizowaniu procesów termodynamicznych sprężania, spalania i rozprężania, uzyskując poprawę całkowitej sprawności i mocy wyjściowej. Procesy te zastosowano w ulepszonym, sprzężonym silniku z turbodoładowaniem tłokowym, uzyskując znaczne usprawnienia mechaniczne i termodynamiczne.

179 811

Cykl silnika według wynalazku jest w rzeczywistości nowym cyklem lepszym od cykli konwencjonalnych. Dodanie wody i ewentualnie tlenu do cyklu, polepsza przepływ masy, sprawność objętościową sprawność spalania, temperaturę spalania, stałość płomienia, zapalność jak również zmniejsza zużycie paliwa i obniża wytwarzanie tlenków azotu (ΝΟχ).

W tym nowym cyklu wtryskiwana woda i masa powietrza jest utrzymana poniżej temperatury zapłonu, tak aby wtrysk paliwa nie wywołał przedwczesnego zapłonu.

Wyższa moc wyjściowa wynikająca z wtrysku wody w czasie suwu sprężania przejawia się w postaci działania wyższego momentu masy na tłok w czasie suwu pracy co daje wyższą sprawność i wyższą moc wyjściową. Wtrysk wody będącej pod ciśnieniem lub pod zróżnicowanym ciśnieniem w czasie sprężania nie tylko obniża temperaturę suwu sprężania, lecz także zwiększa całkowitą moc wyjściową silnika z powodu zróżnicowanego wzrostu (dzięki wtryskom o różnej masie) podczas cykli pracy silnika.

W silniku według wynalazku wyższa temperatura podczas suwu sprężania pozwala na wprowadzenie większej masy wody (wyższa wilgotność bezwzględna) bez tworzenia się kropli lub wysokich wilgotności względnych, które mogą reagować z olejami smarującymi na ścianach cylindra pogarszając właściwości smarowania gładzi.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na wtrysk będącej pod wysokim ciśnieniem zimnej i rozpylonej wody do stosunkowo gorącej przestrzeni ponad tłokiem, tak by wytworzyć stosunkowo niewielką wilgotność względną oraz wyraźnie wyższą niż w systemach nawilżających w przewodach dolotowych, wilgotność bezwzględną.

W silniku według wynalazku do przestrzeni ponad tłokiem, wprowadza się wodę o niskiej temperaturze, która paruje szybciej ze względu na wyższe temperatury suwu sprężania, w przeciwieństwie do temperatur w przewodzie dolotowym. Ponadto ciepło absorbowane przez wstrzykniętą do cylindra wodę, prawie całkowicie pochodzi od sprężonej masy gazów, co wpływa pozytywnie na termodynamikę i dynamikę spalania w cyklu.

Objętościowa sprawność silnika według wynalazku jest większa w porównaniu z silnikiem z wtryskiem do przewodu dolotowego, jako że wtrysk do wnętrza cylindra pozwala na wprowadzenie ładunku gazów o maksymalnej gęstości do cylindra i dopiero wtedy dodaje się dodatkową masę wody do tego ładunku w cylindrze, dodatkowo zwiększając jej gęstość.

W silniku według wynalazku stosuje się chłodnice, dla schładzania wlatującego strumienia gazów, przesyłając w ten sposób do cylindra ładunek gazów o najwyższej gęstości. Ten ładunek zostaje jeszcze zagęszczony przez wtrysk do wnętrza cylindra wody o niskiej temperaturze i/lub rozpylonej, a także przez towarzyszące temu sprężanie gazów przez tłok. Jednoczesne stosowanie chłodnic obniżających temperaturę strumienia gazowego i rozpylanie wody o niskiej temperaturze wprowadzonej do cylindra daje ładunek o najwyższej gęstości w porównaniu ze znanymi systemami wodnymi i wydatnie podnosi sprawność objętościową silnika.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku. Silnik 0 zawiera co najmniej jeden obrobiony termicznie tłok 22 powleczony cyrkonem i tlenkiem itrowym, aby obniżyć przenoszenie ciepła na denko tłoka. Silnik 0 zawiera również co najmniej jedną głowicę cylindra 24 z co najmniej jedną komorą spalania 12, wyposażoną w dwie świece zapłonowe 18a i 18b, co najmniej jeden wtryskiwacz wody 17 do cylindra. Zawory wlotowy 11 i wydechowy 25 oraz głowica cylindra 24 znajdujące się na przeciwko komory spalania 12 pokryte są cyrkonem i tlenkiem itrowym aż do gniazda zaworów, ale wyłączając gniazda zaworów. Przewód dolotowy 10 wyposażony jest we wtryskiwacz paliwa 21, a głowica cylindra 24 wyposażona jest we wtryskiwacz wody 17.

Silnik według wynalazku zawiera ponadto turbosprężarki 7, 30 i 2, przewód wzbogaconego powierza 3, trzy chłodnice 4, 9 oraz 36, zespól przepon oddzielających azot i tlen 38, pompę wodną wysokiego ciśnienia ze zbiornikiem wody 13 oraz zbiornik paliwa 19.

Powietrze z otoczenia wchodzi do turbosprężarki 2 przez przewód wlotowy powietrza otaczającego 1. Powietrze wzbogacone w tlen pod niskim ciśnieniem z zespołu przepon 38 przewodem wylotowym tlenu 39 kierowane jest do wlotu 40 turbosprężarki 2, gdzie miesza się proporcjonalnie z powietrzem z otoczenia. W wyniku mieszania w turbosprężarce 2 powietrza z otoczenia oraz powietrza wzbogaconego w tlen o niskim ciśnieniu tworzy się sprężony strumień wzbogaconego w tlen powietrza, który kierowany jest poprzez wylot 47 i

179 811 do przewodu wzbogaconego powietrza 3. Wzbogacone w tlen powietrze kierowane jest do chłodnicy 4 gdzie jest schładzane, po czym kierowane jest do przewodu wzbogaconego powietrza 5. Chłodzenie jest potrzebne dla zwiększenia sprawności turbosprężarek oraz zwiększenia gęstości powietrza opuszczającego turbosprężarkę. Strumień wzbogaconego w tlen powietrza kierowany jest do wlotu 6 turbosprężarki 7, ulega kompresji i kierowany jest na zewnątrz turbosprężarki przez wylot 8. Wylot 8 turbosprężarki 7, połączony jest przewodem 44 z chłodnicą 9 gdzie powietrze jest chłodzone po sprężaniu w turbosprężarce 7. Część strumienia wzbogaconego w tlen powietrza ochłodzonego w chłodnicy 9 kierowana jest przez wlot 33 do turbosprężarki 30 poprzez trójnik 45 oraz przewód doprowadzający do zespołu przepon 32, a pozostała część tego strumienia przez trójnik 45 jest kierowana do przewodu dolotowego 10. Sprężanie w turbosprężarce 30 wyższego ciśnienia wymagane jest dla wydajnego oddzielania azotu od tlenu w zespole przepon 38. Wylot kompresora 34 w turbosprężarce 30 połączony jest z chłodnicą 36 przewodem 35 aby chłodzić powietrze po sprężaniu w turbosprężarce 30. Odebranie ciepła powstałego w wyniku pracy przy sprężaniu potrzebne jest aby chronić przepony rozdzielające.

Wylot z chłodnicy 36 podłączony jest poprzez przewód 37 z wlotem do zespołu przepon rozdzielających azot i tlen 38 z którego azot będący pod wysokim ciśnieniem przesyłany jest przez wylotowy przewód azotu 41. Zespół przepon oddzielających azot i tlen 38 zawiera zespół statycznych przepon zawierających perforowane włókna polimerowe, które powodują oddzielenie tlenu od azotu. Azot pod dużym ciśnieniem kierowany jest do wlotu 42 turbosprężarki 2. Po wyczerpaniu ciśnienia i energii przepływu azotu jako pracy sprężania kierowany jest poprzez wylot 46 turbosprężarki 2 do przewodu wydechowego azotu 43. Wzbogacone w tlen powietrze pod niskim ciśnieniem z zespołu przepon 38 kierowane jest przez przewód 39 i wlot 40 do turbosprężarki 2. Ten strumień powietrza o wysokiej zawartości tlenu lub wzbogacony w tlen jest to ten sam co wspomniany już strumień płynący przez przewód 39 i łączący się z przefiltrowanym powietrzem z otoczenia aby dać wzbogacony w tlen strumień powietrza wychodzący z turbosprężarki 2 wylotem 47 do przewodu 3.

Paliwo wprowadzane jest przez wtryskiwacz paliwa 21 i miesza się ze sprężonym powietrzem lub powietrzem wzbogaconym w tlen w przewodzie dolotowym 10. Zimne paliwo gazowe obniża dodatkowo temperaturę mieszanki. Sprężona mieszanina paliwo-powietrze lub paliwo-powietrze wzbogacone w tlen kierowana jest do komory spalania 12 poprzez zawór wlotowy paliwa 11. Podstawa zaworu wlotowego izolowana jest odpornym na ciepło pokryciem cyrkonem i tlenkiem itrowym. Takie pokrycie zabezpiecza zawór przed zużyciem w warunkach wysokich temperatur. Mieszanina paliwa z powietrzem jest kierowana do cylindra w niższej niż normalna temperaturze, przez co jej gęstość jest większa poprawiając sprawność objętościową silnika.

Po wlocie do komory spalania 12 temperatura mieszaniny paliwa z powietrzem zaczyna gwałtownie rosnąć. Wzrost ten spowodowany jest ciepłem konwekcji oraz ciepłem promieniowania ścian komory spalania. Po zamknięciu zaworu wlotowego 11 temperatura mieszaniny podnosi się jeszcze bardziej w wyniku pracy związanej ze sprężaniem wywołanym przez przemieszczanie się tłoka do pozycji górnej. Tak więc, podczas suwu sprężania zawór 16 otwiera się, aby wtrysnąć rozpyloną wodę znajdującą się pod wysokim ciśnieniem do komory spalania 12 poprzez wtryskiwacz wody 17. Wtryśnięta woda szybko parując łagodzi nadmierny wzrost temperatury. W rezultacie praca potrzebna do sprężenia zmniejsza się, z uwagi na obniżoną temperaturę i ciśnienie mieszaniny paliwa z powietrzem, lub paliwa ze wzbogaconym w tlen powietrzem. Dodatkowo, wtrysk chłodzącej wody utrzymuje temperaturę mieszaniny paliwa z powietrzem lub paliwa z powietrzem o podwyższonej zawartości tlenu poniżej temperatury samozapłonu co wyklucza możliwość zapłonu przedwczesnego. Masa znajdującego się wewnątrz cylindra gazu zwiększana jest także o ilość wstrzykniętej wody co przekłada się na wyższą moc silnika. Wtrysk sprężonej lub sprężonej różnicowo wody podczas sprężania podniesie nacisk na tłok podczas suwu pracy, co da większą moc i sprawność silnika. Ponadto wtrysk wody do cylindra obniża temperaturę spalania adiabatycznego ze względu na fakt, iż koniec fazy sprężania zostaje skrócony przez wtrysk wody, a ciepło spalania wchłaniane jest w większym stopniu przez gazy wewnątrz cylindra, w których częścią istotną jest woda.

179 811

Dzięki powyższym środkom stopień sprężenia w silniku według wynalazku może być tak wysoki jak dla normalnego silnika Diesla. Jest to korzystne, gdyż stopień sprężenia wpływa na sprawność netto silników spalinowych. Pod koniec suwu sprężania mieszanina powietrza z paliwem znajdująca się pod dużym ciśnieniem, we względnie niskiej temperaturze, wzbogacona jest w tlen, ma zwiększony poziom pary wodnej oraz niższą zawartość azotu w porównaniu ze standardowymi silnikami o zapłonie iskrowym lub plazmowym. Zapłon inicjowany jest przez świece zapłonowe 18a i 18b przez serię impulsów o wysokim napięciu. Przy zastosowaniu tego procesu zapłon wysoce ubogiej mieszanki powietrza i paliwa jest znacznie ulepszony, co wyklucza przerwy zapłonu.

W czasie spalania stosunkowo wysokie stężenie tlenu w masie gazów wewnątrz cylindra podnosi szybkość rozprzestrzeniania się płomienia co podnosi sprawność. Wyższa zawartość wody w masie gazowej daje niższą temperaturę adiabatycznego spalania co redukuje emisję tlenków azotu ΝΟχ, która jest w dużym stopniu zależna od temperatury.

Podniesienie zawartości wody obniża względną zawartość azotu wewnątrz cylindra, co również zmniejsza prawdopodobieństwo powstawania ΝΟχ w trakcie cyklu pracy silnika.

Podniesienie zawartości tlenu podniesie poziom ΝΟχ w cyklu, ale dzięki wprowadzeniu wody, ogólnie cykl pracy charakteryzować się będzie niższą emisją ΝΟχ w porównaniu z działającym w podobnym zestawieniu silniku o zapłonie iskrowym lub plazmowym z niższym stopniem kompresji i bez wtrysku wody do wewnątrz cylindra.

Suw pracy poprawiono w rozwiązaniu według wynalazku dzięki zredukowaniu strumienia ciepła wewnątrz izolowanej komory. Głowica cylindra 24 oraz tłok 22, zawory 11 oraz 25 powleczone są materiałem wytrzymałym termicznie. Zredukowany strumień ciepła płynący przez tłok do płaszczy wodnych w głowicy cylindra i do zaworów przez komorę spalania poprawia sprawność spalania. Ponadto wraz ze zwiększeniem energii osiągalnej przy wyższych ciśnieniach związanych z większym stopniem sprężenia i podniesieniem masy strumienia ze względu na dodanie wody, suw pracy staje się znacznie wydajniejszy w porównaniu z tradycyjnym silnikiem.

Rozwiązanie według wynalazku charakteryzuje się wysoką temperaturą, podwyższoną masą oraz wyższym ciśnieniem gazów wydechowych niż w tradycyjnych silnikach z zapłoriem iskrowym lub plazmowym. Gazy wydechowe o wyższej energii wylatują z silnika przez przewód wylotowy 26, który jest izolowany aby zapobiec stratom energii, kierowane są do wlotu 27 turbosprężarki 7 z której przewodem odprowadzającym spaliny 28 są przesyłane do wlotu 29 turbosprężarki 30. Wyższa energia gazów wydechowych oznacza wyższą moc turbosprężarek wyposażonych w wirniki napędzane wysoką temperaturą.

Korzystne jest stosowanie gazów wydechowych o wyższej temperaturze ze względu na poprawienie sprawności turbosprężarki i silnika.

179 811

179 811

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 70 egz

Cena 4,00 zł.

Claims (9)

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania, zwłaszcza silnik o spalaniu wewnętrznym, posiadający co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w pobliżu komory spalania, oraz przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z wtryskiwaczem wody, znamienny tym, że na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową (15) z wtryskiwaczem wody (17) do silnika (0) ma zawór (16) sterowany sygnałem elektrycznym, przy czym ewentualnie silnik jest wyposażony w zespół przepon oddzielających azot i tlen (38), turbosprężarkę (2) i turbosprężarkę (30) oraz przewód wylotowy azotu (41).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół przepon oddzielających azot i tlen (38) połączony jest z przewodem wlotowym powietrza otaczającego (1) przez przewód wylotowy tlenu (39) i z przewodem dolotowym (10) mieszaniny powietrza i paliwa przez przewód wzbogaconego powietrza (3) oraz przewód wzbogaconego powietrza (5).

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że turbosprężarka (30) połączona jest z przewodem odprowadzającym spaliny (28), z przewodem wlotowym (32) doprowadzającym powietrze do tej turbosprężarki oraz przewodem (35) i przewodem (37) doprowadzającymi sprężone powietrze do zespołu przepon oddzielających azot i tlen (38).

4. Silnik według zastrz. 3, znamienny tym, że przewód wylotowy azotu (41) połączony jest z zespołem przepon oddzielających azot i tlen (38) oraz z turbosprężarką (2) połączoną z przewodem wydechowym azotu (43), przy czym turbosprężarka (2) połączona jest z przewodem wlotowym powietrza otaczającego (1) i przewodem powietrza wzbogaconego (3) oraz przewodem powietrza wzbogaconego (5).

5. Silnik z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania, zwłaszcza silnik o spalaniu wewnętrznym, posiadający co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w pobliżu komory spalania, oraz przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z wtryskiwaczem wody, znamienny tym, że na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową (15) z wtryskiwaczem wody (17) do silnika (0) ma zawór (16) sterowany sygnałem elektrycznym, przy czym silnik jest wyposażony w turbosprężarkę (7) i turbosprężarkę (30) oraz co najmniej jedną turbosprężarkę (2), połączoną z przewodem wylotowym azotu (41) i z przewodem wlotowym powietrza otaczającego (1), a zespół przepon oddzielających azot i tlen (38) połączony jest przez przewód wylotowy tlenu (39) oraz przez przewód wzbogaconego powietrza (3) i przewód wzbogaconego powietrza (5) z przewodem dolotowym (10).

6. Silnik według zastrz. 5, znamienny tym, że turbosprężarka (30), połączona jest z przewodem odprowadzającym spaliny (28), z przewodem wydechowym (31), z przewodem wlotowym (32) doprowadzającym powietrze i przewodem (35) i przewodem (37) doprowadzającymi sprężone powietrze do zespołu przepon oddzielających azot i tlen (38).

7. Silnik według zastrz. 6, znamienny tym, że turbosprężarka (7), usytuowana jest za chłodnicą (4) umieszczoną za turbosprężarką (2) i zespołem przepon oddzielających azot i tlen (38).

8. Silnik według zastrz. 7, znamienny tym, że przewód wylotowy azotu (41) połączony jest z zespołem przepon oddzielających azot i tlen (38) oraz z turbosprężarką (2) połączoną z przewodem wydechowym azotu (43) i z przewodem wylotowym azotu (41), przy czym turbosprężarka (2) połączona jest z przewodem wlotowym powietrza otaczającego (1)

179 811 i przewodem wylotowym tlenu (39) odprowadzającym tlen odzyskany w zespole przepon oddzielających azot i tlen (38).

9. Silnik z wtryskiem wody do cylindra w każdym suwie sprężania zwłaszcza silnik o spalaniu wewnętrznym, posiadający co najmniej jedną komorę spalania, co najmniej jedną głowicę cylindra z komorą spalania i co najmniej jeden tłok znajdujący się w pobliżu komory spalania, oraz przewód dolotowy mieszaniny powietrza i paliwa połączony z komorą spalania poprzez głowicę cylindra i co najmniej jeden wtryskiwacz wody połączony z komorą spalania oraz zbiornik wody pod stałym ciśnieniem i pompę ciśnieniową połączone przewodem z wtryskiwaczem wody, znamienny tym, że na przewodzie łączącym pompę ciśnieniową (15) z wtryskiwaczem wody (17) do silnika (0) ma zawór (16) sterowany sygnałem elektrycznym, przy czym silnik wyposażony jest w co najmniej jedną turbosprężarkę (2) połączoną z przewodem wylotowym tlenu (39), odprowadzającym tlen odzyskany w zespole przepon oddzielających azot i tlen (38) i przewodem wlotowym powietrza otaczającego (1), a zespół przepon oddzielających azot i tlen (38) połączony jest z przewodem wylotowym tlenu (39) i z przewodem dolotowym (10) przez przewód wzbogaconego powietrza (3) oraz przewód wzbogaconego powietrza (5) i turbosprężarkę (30) sprężającą powietrze płynące do zespołu przepon oddzielających azot i tlen (38), połączoną z przewodem wydechowym (31) oraz przewodem (35) i przewodem (37) doprowadzającymi powietrze do zespołu przepon oddzielających azot i tlen (38), połączonych z przewodem wylotowym azotu (41) i przewodem wylotowym tlenu (39).

* * *