Патент на изобретение №2325541

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ДВС И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ ДВС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретения относятся к теплотехнике и двигателестроению. Способ получения топлива для двигателя внутреннего сгорания включает использование теплоты для обработки воды с ее фазовым превращением, заполнение цилиндра рабочей смесью, сжатие, воспламенение и сгорание ее с преобразованием энергии сгорания рабочей смеси в механическую или электрическую. Воду подают из бака в испаритель, из которого дозированное количество водяного пара для получения из каждой дозы смеси водорода с кислородом, равной цикловому заряду, перемещают в камеру для сжатия, облучения лучом лазера и воспламенения полученной цикловой смеси с последующим преобразованием в работу поршня. Преобразование давления газов, полученных от взрывообразного сгорания водородно-кислородной смеси, выполняют, демпфируя ударную нагрузку на узлы и детали двигателя. Экологически чистый двигатель внутреннего сгорания содержит бак для воды, дозатор, испаритель, механизм преобразования, по крайней мере, одну цилиндропоршневую группу с механизмом регулирования режима работы двигателя и устройство лазерного излучения. Механизм преобразования работы поршня снабжен амортизатором взрывного сгорания смеси, а отработавшие продукты сгорания выпускаются в атмосферу через систему выпуска с глушением звука. Использование изобретения позволит повысить экономичность ДВС путем работы их на воде и исключения применения дорогостоящих технологий и материалов в их производстве. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к теплоэнергетике, преимущественно к способам и устройствам привода преимущественно транспортных средств, магнитоэлектрических машин, трубопроводных систем перекачки газов и жидкостей.

Одним из вариантов наиболее перспективного улучшения экономичности и экологичности теплоэнергетики в науке являются способы и устройства с применением добавки воды или водяного пара в топливную смесь. К таким решениям относятся способ Козлова Н.С. воспламенения и сжигания топливной смеси ДВС по пат. РФ №2099584, F02P 15/00, 19/00 за 1993 г., способ подачи топлива в цилиндры ДВС по пат. №2215894, F02M 31/18, F02В 11/00 за 2001 г., способ работы ДВС и регулятор… по пат. №2227836, F02B 47/02, F02M 25/022 за 2002 г. и 2261346, F02B 47/02 за 2005 г. А по заявке 2003121345/06, F03G 7/00 известен способ получения энергии из воды с инициированием кумулятивных взрывов газовой взрывчатой смеси с впрыском воды в зону взрыва для расщепления воды на водород и кислород для последующих взрывов.

Недостатком известных способов с добавкой воды в топливную смесь является их недостаточно высокий экономический эффект, а в способах с переходом на воду существенно усложняется технологичность и ухудшаются эксплуатационные свойства и надежность из-за высокой взрыво- и пожароопасности смеси водорода с кислородом. По патенту РФ №2102624, F02B 47/02 за 2005 г. известно устройство для формирования нефтеводяной эмульсии или двигатель с двумя раздельными процессами газо- и парообразования по полезной модели РФ №27640, F01K 7/00 за 2002 год. В двигателестроении известны также решения, обеспечивающие увеличение степени сжатия рабочей смеси, как например, поршни по а.с. №669071, F02B 75/04, F02D 15/04, F02F 3/00 за 1974 г. или 443194 или двигатель внутреннего сгорания с системой управления изменением степени сжатия по полезной модели РФ №30862, F02B 75/04 за 2003 г. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения топлива для ДВС с разложением воды из отработавших газов, описанный в пат. РФ №2230915, F02B 43/12 за 2003 г. Он состоит в использовании теплоты ДВС в термохимическом цикле разложения воды на водород и кислород, накоплении их в отдельной емкости для последующей подачи их из емкостей в термохимический цикл для разложения следующей порции воды и получения механической или электрической энергии.

Недостатком известного способа является его повышенная взрыво- и пожароопасность, обусловленная наличием в компоновке устройства для его осуществления накопительных емкостей для таких газов с повышенными детонационными свойствами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению-устройству является экологически чистый двигатель внутреннего сгорания, описанный в заявке на изобретение РФ №94010645, F02В 75/38, Н02К 7/18. Он содержит термодинамический цикл из последовательных систем внешней и внутренней обработок рабочего вещества, внутренняя из которых завершает особо высокотемпературное сгорание подаваемой водородно-кислородной смеси, с применением средств для амортизации детонационного сгорания смеси в виде сильфонных элементов, укрепленных на индивидуальных опорных платформах с высокотемпературными камерами сгорания с применением жаропрочных металлов и футеровкой высокотемпературных зон термостойкой композитной металлокерамикой с клапанами в газовой коммуникации платформ.

Описанные технологические сложности и дорогостоящие материалы типичны для известных двигателей с подобным термохимическим циклом и, естественно, ограничивают их широкое применение в технике, так же как высокая детонационная опасность рабочей смеси, ее составляющих газов, накапливаемых в емкостях.

Изобретения решают задачу исключения взрыво- и пожароопасности применения воды в качестве топлива для ДВС без усложнения конструкции двигателей и увеличения себестоимости двигателя из-за дорогостоящих материалов и технологий.

Сущность изобретения-способа состоит в том, что включающий использование теплоты для обработки воды с фазовым превращением ее, заполнение цилиндра рабочей смесью, сжатие, воспламенение и сгорание ее с преобразованием энергии сгорания в механическую или электрическую способ работы ДВС выполняют, подавая воду в испаритель, из которого дозированное количество водяного пара для получения из каждой дозы смеси водорода с кислородом, равной цикловому заряду, перемещают в камеру для сжатия, облучения лучом лазера полученной цикловой смеси и воспламенения с последующим преобразованием в работу поршня, при этом преобразование давления газов, полученных от взрывообразного сгорания водородно-кислородной смеси выполняют, демпфируя ударную нагрузку на узлы и детали двигателя.

Экологически чистый двигатель внутреннего сгорания для преобразования тепловой энергии водородно-кислородной смеси в потребительскую энергию, содержащий бак для воды, дозатор, испаритель, механизм преобразования работы поршня и одну, по крайней мере, цилиндропоршневую группу с механизмом регулирования режима работы двигателя, для получения смеси кислорода и водорода снабжен устройством лазерного излучения, а механизм преобразования работы поршня – амортизатором взрывного сгорания смеси, а отработавшие продукты сгорания выпускаются в атмосферу через систему выпуска.

Экологически чистый двигатель выполнен с амортизатором взрывного сгорания из телескопического шатуна с подпружиненным поршнем на нем, имеющим возможность перемещения по цилиндрической полости одной из частей шатуна или с цилиндропоршневым амортизатором в поршне с поршневой частью, снабженной пружинами. Описанное выполнение способа с цикловым дозированием воды исключает накопление больших объемов взрыво- и пожароопасных газов, а сгорание с амортизированием взрывных воздействий на поршень исключает дорогостоящие материалы и технологии из производственного процесса изготовления двигателя.

На фиг.1 показана кинематическая схема заявленного двигателя с телескопическим шатуном и положением поршня в ВМТ перед воспламенением циклового заряда водородно-кислородной смеси заявленного способа, на фиг 2 – вид по стрелке А на головку цилиндра с камерой облучения на ней и на фиг.3 – положение поршня в ВМТ в момент воспламенения циклового заряда смеси (левая половина эскиза) и амортизирующее взрывное сгорание смеси – положение правой половины поршня в момент взрыва (условно показаны оба положения на одном эскизе). На фиг.4 – те же положения поршня с пазово-пружинным амортизированием взрывов смеси.

Заявленный экологически чистый двигатель (фиг.1) состоит из картера 1, соединенного с ним цилиндра 2 с поршнем 3 и кривошипно-шатунным механизмом, имеющим телескопический шатун, шарнирно соединенный с шейкой кривошипа 4 коленвала 5 головкой стержневой части. Головка полостной части также шарнирно соединена с полостью 6, в которой размещены пружина сжатия 7 и опорный диск стержневой части 8, взаимодействующий с пружиной. Головка цилиндра имеет клапан 9 выпуска отработавших газов и камеру облучения 10, а также свечу зажигания 12. Камера 10 сообщена с камерой сгорания и полостью цилиндра и имеет отверстие 11 для ввода луча лазера. Патрубок, трубопровод соединения с испарителем и лазер с испарителем и баком условно не показаны.

Форма камеры облучения соответствует форме ионизирующего излучения (фиг.2) и имеет объем, достаточный для размещения в ней и цилиндре исходного циклового заряда смеси.

Кривошипно-шатунный механизм с «рессорной» амортизацией выполнен с поршнем 3 и с пазом 13 (фиг.4) и набором пластинчатых пружин 14, закрепленных на юбке поршня с возможностью взаимодействия средней их части с поршневым пальцем 15, имеющим возможность перемещения по пазу.

Заявленный способ работы экологически чистого двигателя внутреннего сгорания осуществляют следующим образом.

Пример 1

Из бака воду (смеси, раствора) насосом подают в испаритель, из которого дозированную порцию водяного пара подают в камеру облучения 10 через отверстие 11. Поршень 3 в это время перемещается в цилиндре 2 к НМТ, в которой поршень сжимает пар в камере сгорания цилиндра и камере облучения 10. При перемещении поршня в ВМТ в камеру 10 подается ионизирующее излучение, под действием которого и давления в камерах водяные пары расщепляются на водород и кислород, а на свечу 12 подают напряжения для образования искры воспламенения их смеси. Взрывное сгорание циклового заряда смеси создает в камерах высокое давление и температуру продуктов сгорания, воздействие которых на днище поршня сжимает пружину 7, и поршень смещается к НМТ на величину , увеличивая объем для продуктов сгорания смеси и уменьшая рабочее давление в камерах и исключая пластические напряжения, разрушающие двигатель (на фиг.3, 4 правая половина поршня показана в амортизированном положении его). Дальнейшее перемещение поршня в рабочем ходе происходит известным образом и при движении его к ВМТ открывается выпускной клапан 9, и отработавшие продукты сгорания выпускаются через выхлопную систему в атмосферу с глушением звука выхлопа (система условно не показана). Затем клапан 9 закрывается, поршень начинает движение к НМТ, и в камеры через отверстие 11 поступает очередная порция водяного пара. Цикл преобразования энергии взрывного сгорания водородно-кислородной смеси повторяется описанным образом.

Анализ молекулярных сил сцепления молекул воды, энергетических параметров лазерных излучений и влияния ионизирующего излучения на газообразные вещества позволяет считать наиболее подходящим для облучения паров воды вторую гармонику лазерного излучения, а условия применения лазера в компоновке транспортного средства позволяют сделать предпочтение газовому лазеру с длиной волны предположительно =(0,4-1,06)×10 м.

Пример 2

Подачу воды, смеси или раствора ее из бака в испаритель, дозирование пара и подачу доз пара в камеру облучения, облучение и воспламенение заряда водородно-кислородной смеси осуществляют описанным в примере 1 образом.

Давление взрывного сгорания смеси на днище поршня смещает его по пазу 13 (фиг.4) на величину , отгибая концы упругих пластин 14, опирающихся средней частью на поршневой палец 15 в положение правой половины поршня на этой фигуре, что увеличит объем расположения смеси, а давление продуктов сгорания уменьшит до рабочего, не разрушающего двигатель. После перемещения поршня в НМТ давление продуктов сгорания уменьшается и упругость пластинчатых пружин 14 перемещает поршень по пазу 13 до упора пальца 15 в верхний торец паза.

Описанные способ и конструкция заявленного двигателя достаточно подтверждают промышленную применимость заявленных решений, т.к. позволяют достигнуть поставленную цель – перевод ДВС на работу с применением воды, смеси или раствора ее в качестве топлива без усложнения технологии изготовления двигателей и с исключением необходимости применения дорогостоящих материалов как в производстве, так и в эксплуатации двигателей.

Формула изобретения

1. Способ получения топлива для двигателя внутреннего сгорания, включающий использование теплоты для обработки воды с ее фазовым превращением, заполнение цилиндра рабочей смесью, сжатие, воспламенение и сгорание ее с преобразованием энергии сгорания рабочей смеси в механическую или электрическую, отличающийся тем, что воду подают из бака в испаритель, из которого дозированное количество водяного пара для получения из каждой дозы смеси водорода с кислородом, равной цикловому заряду, перемещают в камеру для сжатия, облучения лучом лазера и воспламенения полученной цикловой смеси с последующим преобразованием в работу поршня, при этом преобразование давления газов, полученных от взрывообразного сгорания водородно-кислородной смеси, выполняют, демпфируя ударную нагрузку на узлы и детали двигателя.

2. Экологически чистый двигатель внутреннего сгорания для преобразования тепловой энергии водородно-кислородной смеси в потребительскую энергию, содержащий бак для воды, дозатор, испаритель, механизм преобразования и одну, по крайней мере, цилиндропоршневую группу, с механизмом регулирования режима работы двигателя, отличающийся тем, что для получения смеси кислорода и водорода он снабжен устройством лазерного излучения, при этом механизм преобразования работы поршня снабжен амортизатором взрывного сгорания смеси, а отработавшие продукты сгорания выпускаются в атмосферу через систему выпуска с глушением звука.

3. Экологически чистый двигатель по п.2, отличающийся тем, что амортизатор взрывного сгорания выполнен из телескопического шатуна с подпружиненным поршнем на нем, имеющим возможность перемещения по цилиндрической полости одной из частей шатуна или с цилиндропоршневым амортизатором в поршне с поршневой частью, снабженной пружинами.

РИСУНКИ