Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению. Цель: повышение экономичности двигателя путем снижения затрат энергии на обогащение кислородом воздушного заряда, уменьшение концентрации токсичных составляющих в выхлопных газах путем подмешивания воздуха из обогатителя к выхлопным газам в выпускном трубопроводе, а также упрощение конструкции. Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит устройство для обогащения кислородом воздушного заряда, которое включает агрегат наддува 2 с газовой или механической связью, выпускной коллектор 3, впускной коллектор 4 с охладителем наддувочного воздуха 5 или без него, впускной трубопровод 6, который сочленен с агрегатом наддува 2 и в котором расположен обогатитель 7, представляющий собой полость, образованную либо внутренней трубой 8, выполненной из кислородопроницаемого материала и расположенной внутри впускного трубопровода 6, либо частью впускного трубопровода 6, отделенной из последнего установленной вдоль его оси мембраной 8, изготовленной из кислородопроницаемого материала и сочлененной с эжектором 9, установленным в выпускном трубопроводе 10, соединительным трубопроводом 11, в котором вмонтирован дроссель 12 для повышения давления по сравнению с впускным трубопроводом 6. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания с устройством для уменьшения содержания токсичных веществ в отработавших газах, в котором уменьшение доли вредных составных частей в выхлопных газах осуществляется путем денитрификации воздуха, поступающего в цилиндры двигателя [1] либо с помощью предварительно отработанного цеолита, заправленного в специ- альную камеру, либо с помощью мембран, непроницаемых для азота, заполняющих эти камеры. Устройство содержит нагнетатель, который подает воздух в камеры с денитрификатором, отсасывающий насос, который отсасывает азот из денитрифицирующего устpойтва, а денитрифицирующее устройство содержит по меньшей мере два попеременно реверсируемых азотосепаратора, причем, когда из одного из них отсасывается денитрифицированный воздух, из другого - задержанный азот. Все эти устройства соединяются системой трубопроводов и клапанов.

Недостатком этого устройства (прототипа) является то, что денитрификаторов должно быть по меньшей мере два и в работе они должны попеременно подключаться то к насосу, отсасывающему азот, что усложняет работу устройства и двигателя в целом. Кроме того, большое количество насосов и коммуникаций усложняет конструкцию двигателя в целом, а привод отсасывающихся насосов (по меньшей мере двух) потребует дополнительной затраты энергии, что приводит к ухудшению механического КПД. Кроме того, воздух из денитрификатора выбрасывается в атмосферу, минуя выпускной трубопровод, что не способствует снижению концентрации вредных веществ в выхлопных газах.

Цель изобретения - повышение экономичности двигателя путем снижения затрат энергии на обогащение кислородом воздушного заряда, уменьшение концентрации токсичных составляющих в выхлопных газах путем подмешивания воздуха из обогатителя к выхлопным газам в выпускном трубопроводе и упрощение конструкции.

Это достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с устройством для обогащения воздушного заряда кислородом, включающим агрегат наддува, впускной трубопровод, обогатитель, впускной коллектор, выпускной коллектор, выпускной и соединительный трубопроводы и дроссель в соединительном трубопроводе, устройство для обогащения кислородом воздушного заряда образовано впускным трубопроводом, в котором размещен обогатитель, выполненный в виде полости, образованной либо внутренней трубой, изготовленной из материала, проницаемого для кислорода, и расположенной внутри впускного трубопровода, либо частью впускного трубопровода, отделенной от последнего проницаемой для кислорода мембраной. При этом обогатитель подключен к установленному в выпускном трубопроводе эжектору посредством соедини- тельного трубопровода.

Двигатель внутреннего сгорания может быть снабжен дополнительным турбокомпрессором, установленным в выпускном трубопроводе и подключенным к обогатителю для подачи в последний воздуха с повышенным по сравнению с впускным трубопроводом двигателем давлением. Кроме того, эжектор, установленный в выпускном трубопроводе, служит для отсасывания из обогатителя обедненного кислородом воздуха и, таким образом, для этих целей не требуется установка дополнительных насосов, а перемешивание выхлопных газов с воздухом приводит к снижению концентрации вредных веществ в них.

Таким образом указанные особенности предлагаемого двигателя внутреннего сгорания в совокупности обеспечивает обогащение воздушного заряда кислородом без дополнительных устройств, требующих затрат энергии на привод снижение концентрации вредных веществ в выхлопных газа, а конструкция двигателя не претерпевает существенных усложнений.

На фиг.1 представлен двигатель с устройством для обогащения кислородом воздушного заряда двигателя, в котором обогатитель выполнен в виде полости, образованной внутренней трубой, проходящей во впускном трубопроводе, а впускной трубопровод сочленен с охладителем наддувочного воздуха; на фиг.2 - двигатель, у которого обогатитель выполнен в виде полости, представляющей собой часть впускного трубопровода, отделенной от последнего мембранной перегородкой, направленной вдоль оси трубопровода, а впускной трубопровод сочленен с охладителем наддувочного воздуха; на фиг.3 - двигатель с обогатителем в виде внутренней трубы, в которой воздух подается дополнительным турбокомпрессором; на фиг.4 - двигатель с впускным трубопроводом, сочлененным непосредственно с впускным коллектором.

Двигатель внутреннего сгорания 1 содержит устройство для обогащения воздушного заряда кислородом (фиг.1-4), которое включает агрегат наддува 2 с газовой или механической (не показано) связью, выпускной коллектор 3, выпускной коллектор 4 с охладителем наддувочного воздуха 5 (фиг.1, 2 и 3) или без него (фиг.4), впускной трубопровод 6, который сочленен с агрегатом 2 и в котором расположен обогатитель 7, представляющий собой полость, образованную либо внутренней трубой 8, выполненной из кислородопроницаемого материала (фиг. 1, 3, 4) и расположенной внутри впускного трубопровода 6, либо частью впускного трубопровода 6 (фиг.2), отделенной от последнего установленной вдоль его оси мембраной 8, изготовленной из кислородопроницаемого материала и сочлененной с эжектором 9, установленным в выпускном трубопроводе 10, соединительным трубопроводом 11, в котором вмонтирован дроссель 12 для повышения давления по сравнению с впускным трубопроводом 6.

Другой вариант выполнения двигателя с устройством для обогащения кислородом воздушного заряда представлен на фиг.3, где обогатитель 7 сочленен с дополнительным турбокомпрессором 13, установленным в выпускном трубопроводе 10. В случае исполнения двигателя без охладителя наддувочного воздуха выполняют двигатель (фиг. 4) с впускным трубопроводом 6, сочлененным непосредственно с впускным коллектором 4.

Площадь кислородопроницаемой поверхности 8 обогатителя 7 определяется по формуле S = , где I_o2 - поток диффундирующего кислорода, моль/с; l - толщина кислородопроникающей поверхности, м; Р₀₂ - коэффициент проницаемости кислорода, моль/О м²Па; Р₀₂'' - парциальное давление кислорода внутри обогатителя, Па; Р₀₂' - парциальное давление кислорода внутри впускного трубопровода, Па.

Кислородопроницаемым материалом для изготовления трубчатого обогатителя 7 или мембраны 8 могут быть пористые керамические материалы, производительность которых на 2...3 порядка выше, чем производительность сплошных мембран, и они могут работать при очень высоких температурах.

Двигатель работает следующим образом.

Агрегат наддува 2 забирает воздух из атмосферы и подает его к двигателю 1 по впускному трубопроводу 6 либо через охладитель наддувочного воздуха 5 (фиг.1, 2 и 3), либо непосредственно через впускной коллектор 4 (фиг.4) и в обогатитель 7. Из обогатителя 7 воздух по соединительному трубопроводу 11 поступает в эжектор 9, установленный в выпускном трубопроводе 10. Для создания в обогатителе 7 повышенного по сравнению с впускным трубопроводом 6 давления в соединительном трубопроводе 11 установлен дроссель 12. Из заторможенного дросселем 12 в обогатителе 7 потока воздуха под действием разности давлений в обогатителе 7 и во впускном трубопроводе 6 кислород диффундирует во впускной трубопровод 6 и обогащает воздушный заряд, поступающий в двигатель. Обогащенный кислородом воздушный заряд поступает в цилиндры (не показаны) через впускные органы в головке двигателя 1 и принимает участие в процессе окисления топлива. Из обогатителя 7 потерявший часть кислорода воздух поступает в соединительный трубопровод 11 и далее через эжектор 9 в выпускной трубопровод 10. По другому варианту (фиг.3) воздух в обогатитель 7 может подаваться дополнительным турбокомпрессором 13.

Отработавшие газы по выпускному коллектору 3 поступают в выпускной трубопровод 10 либо непосредственно, либо через турбину турбокомпрессора, если в качестве агрегата наддува двигателя применяется турбокомпрессор 13 (фиг. 3). Увеличенное в воздушном заряде количество кислорода способствует сокращению периода задержки воспламенения и увеличению интенсивности горения топлива, что в конечном итоге приводит к уменьшению расхода топлива. В связи с тем, что количество азота в поступающем в двигатель воздухе уменьшается соответственно и количество окислов азота в отработавших газах, поступающих в атмосферу из двигателя по выпускному трубопроводу 10. Концентрация вредных выбросов уменьшается и за счет того, что к отработавшим газам в выпускном трубопроводе 10 добавляется воздух из соединительного трубопровода 11. Таким образом подача воздуха в обогатитель 7 из агрегата наддува 2 и отсос его при помощи эжектора 9 значительно упрощает конструкцию устройства для обогащения воздушного заряда кислородом и двигателя в целом и уменьшает затраты энергии на привод агрегатов, обслуживающих устройство для увеличения кислорода в воздушном заряде двигателя, а добавка воздуха к выхлопным газам уменьшает концентрацию вредных веществ в них.

Формула изобретения

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий устройство для обогащения воздушного заряда кислородом, включающее агрегат наддува, впускной трубопровод, обогатитель, впускной коллектор, выпускной коллектор, выпускной трубопровод, соединительные трубопроводы и дроссель в соединительном трубопроводе, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности двигателя путем снижения затрат энергии на обогашение кислородом воздушного заряда, уменьшения концентрации токсичности составляющих выхлопных газов путем подмешивания воздуха из обогатителя к выхлопным газам в выпускном трубопроводе и упрощения конструкции, устройство для обогащения кислородом воздушного заряда образовано впускным трубопроводом, в котором размещен обогатитель, выполненный в виде полости, образованной либо внутренней трубой, изготовленной из материала, проницаемого для кислорода и расположенного внутри впускного трубопровода, либо частью впускного трубопровода, отделенной от последнего установленной вдоль его оси проницаемой для кислорода мембраной, при этом обогатитель подключен к установленному в выпускном трубопроводе эжектору посредством соединительного трубопровода.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным турбокомпрессором, установленны в выпускном трубопроводе и подключенным к обогатителю для подачи в последний воздуха с повышенным по сравнению с впускным трубопроводом двигателя давлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4