Способ внутреннего охлаждения двигателя внутреннего сгорания

(51) 01 3/00 (2006.01) 01 3/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2012/0183.1 17.02.2012 15.05.2014, бюл. 5 Крутских Борис Васильевич 2344310 2, 20.01.20092293197 2, 10.02.20072772426 1, 18.06.19995960860 , 05.10.19991970548 2, 17.09.2008(54) СПОСОБ ВНУТРЕННЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобретение относится к средствам охлаждения двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и может быть использовано для улучшения эффективности и наджности охлаждения ДВС и его работы. Задачей изобретения является способ охлаждения, применимый для любого типа ДВС с минимальным количеством изменений конструкции,деталей и встроенной автоматической регулировкой теплового режима индивидуально в каждой камере сгорания двигателя, без смены режимов работы мотора. Эта задача решается тем, что в камеру сгорания устанавливаются форсунки впрыска жидкостей и датчик температуры,сигнал от которого преобразуется в управляющие команды для работы форсунок, также необходимы, емкость для жидкостей и насос высокого давления для подачи жидкостей в форсунки. Способ внутреннего охлаждения работает следующим образом. При запуске двигателя и достижении установленной температуры в КС осуществляется впрыск жидкостей форсунками в камеру сгорания после каждого цикла сгорания топливной смеси (или в конечной части зоны сгорания, при применении на газотурбинных двигателях). Распылнные жидкости испарятся и охладят КС. Кроме этого, дополнительный объм пара,совершит полезную механическую работу, увеличив мощность или экономичность мотора. Таким образом, можно получить паровой эффект в ДВС. Вода обладает большой удельной теплотой испарения и отличными охлаждающими свойствами. Жидкий азот при испарении может совершить больше полезной механической работы(охлаждение за счт увеличения эффективности мотора). Поэтому, в системе внутреннего охлаждения возможно применение одновременно нескольких жидкостей с различными свойствами. Например вода распыляется вдоль стенок КС и большей частью охлаждает металл, а смесь раскаленных газов лучше, в основном, охлаждать жидким азотом. Количество жидкостей для впрыска определяется отдельно для каждой КС по данным датчиков температуры в КС. Интервал температуры в КС должен быть таким, чтобы не было перегрева деталей мотора и не оставалось жидкой фазы в опасных для двигателя количествах. Для определения момента начала впрыска у поршневых и роторных моторов, можно учитывать сигналы от датчика положения вала, обычно применяемого в двигателях, либо использовать сигналы системы зажигания. Для преобразования управляющих сигналов от датчиков в команды для работы форсунки, можно применять обычно имеющийся компьютер,или установить отдельный преобразователь электрических сигналов. Для бензиновых моторов способ внутреннего охлаждения позволяет кроме основного охлаждающего эффекта,выполнять предварительный впрыск и охлаждение горючей смеси до воспламенения. Это предотвращает детонацию и позволяет увеличить наполнение и степень сжатия смеси. Что в свою очередь повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси. Относительно низкий температурный режим в камере сгорания снижает образование вредной двуокиси азота. Это полезно потому, что системы фильтрации и нейтрализации двуокиси азота в современных автомобилях весьма дорого стоят. В дополнение к перечисленным действиям для снижения расхода жидкости в выпускном тракте устанавливать конденсатор отработанного пара. Сконденсированная жидкость через фильтр отправляется на впрыск. Остаточное тепло используется для обогрева салона и предварительного подогрева жидкости перед впрыском, с целью увеличения полезной работы пара. Выхлопные газы в конденсаторе получат влажную очистку. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания,растворнные в конденсате, могут фильтроваться и утилизироваться. Технический результат выражается в том, что Способ внутреннего охлаждения ДВС обеспечивает контролируемое охлаждение двигателя в местах источника нагрева и в тот момент, когда дальнейший нагрев не требуется. Позволяет увеличить мощность, экономичность и экологичность мотора, применим для всех типов ДВС, и не требует существенных изменений конструкции мотора. Изобретение относится к средствам охлаждения двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и может быть использовано для улучшения эффективности и наджности охлаждения ДВС и его работы. Известные способы охлаждения - воздушный,жидкостный и смешанный (Википедия). При воздушном способе, тепло передатся в атмосферу через радиатор на цилиндре в поршневом моторе или проходящим воздухом в газотурбинных двигателях. В жидкостном- вода проходит по каналам в двигателе, принимает тепло и уносит его во внешнюю среду. Этот способ обычно применяется на водном транспорте. При смешанном способе, жидкость не выбрасывается во внешнюю среду, а охлаждается в отдельном воздушном радиаторе. Недостатком известных решений являются 1. охлаждение бывает недостаточным непосредственно в камере сгорания (далее КС),поэтому требуются жаростойкие материалы для деталей цилиндров или турбин. 2. необходимость наличия дополнительных устройств-радиатора,помпы,вентилятора,хладагента, термостата, расширительного бака,охлаждающих каналов в двигателе и трубопроводов. Вс это увеличивает вес,габариты,энергопотребление,стоимость,а обширные радиаторы увеличивают аэродинамическое сопротивление транспортных средств. 3. не высокая наджность из-за того, что система охлаждения выполняется для двигателя в целом(общие вентилятор, радиатор, термостат и датчик температуры). Здесь нет возможности управления охлаждением индивидуально для каждой КС в двигателе. Поэтому, бывают случаи перегрева и разрушения деталей мотора из-за локальных неисправностей. Другой способ охлаждения двигателя по исполнению, известен своим применением только на поршневых двигателях. (Популярная механика июнь 2008 г). Это впрыск воды во впускной коллектор с последующей подачей вместе с горючей смесью в КС. Способ применялся на некоторых боевых самолтах второй мировой войны и частично на автомобилях. Главной целью было охлаждение горючей смеси в КС для предотвращения детонации и возможности увеличить мощность. Данный способ малоэффективен для полноценного охлаждения двигателя, потому что невозможно вместе с топливной смесью подавать достаточное количество воды. Обычно вода не превышает 25 от топлива. Большее количество препятствует полноценному сгоранию топливной смеси. Поэтому этот способ применяется параллельно с выше перечисленными методами. Наиболее близким к данной работе, по сути,является шеститактный ДВС Брюса Кроуэра (). (Популярная механика июнь 2008 г). Брюс Кроуэр решил, что в концепции четырх тактов Отто не хватает еще двух тактов-охлаждающего и холостого. В двигателе Кроуэра вода впрыскивается в камеру сгорания в виде мельчайших капелек под давлением около 150 атм., когда заканчивается четвертый такт цикла Отто и поршень возвращается в исходное положение. Попадая на раскаленную поверхность поршня и гильзы цилиндра, вода превращается в пар и толкает поршень вниз,совершая рабочий пятый такт. На шестом такте отработанный пар удаляется из камеры сгорания через выпускной клапан. Таким образом, Кроуэр заставляет уже сгоревшее топливо еще раз совершить полезную работу, используя его тепловой фантом. Эту концепцию изобретатель назвал. На четвертом такте раскаленные выхлопные газы не удаляются из камеры сгорания полностью, а сжимаются поршнем,создавая очень высокое давление. Вода в такой среде испаряется быстрее и равномернее. Достоинством данного способа является возможность полного перехода на внутреннее охлаждение и избавление от традиционной системы. При этом есть и ряд недостатков. 1. для появления 5 и 6 тактов необходимы изменения конструкции мотора (распределительных валов) 2. мотор во время 3 рабочего такта перегревается и переохлаждается во время 5 такта. Возрастает неравномерность температурного режима, что увеличивает износ деталей. 3. данный способ применим только для поршневых , цилиндровых четырхтактных моторов 5. не предусмотрен постоянный контроль и регулировка теплового режима в автоматическом режиме. 6. не может работать полноценно сразу после запуска - ему нужно время для разогрева рабочих поверхностей камеры сгорания до 450-500 С. Несколько минут он работает как обычный 4-тактный ДВС, а затем переходит на полный рабочий цикл. Перед остановкой мотор тоже должен некоторое время поработать в 4 тактном режиме для полного удаления пара из цилиндра. 7. для пятого такта охлаждения в цилиндре остатся только часть раскаленных выхлопных газов, а остальные выбрасываются в окружающую среду и уносят немало тепла. Задачей изобретения является способ охлаждения, применимый для любого типа ДВС с минимальным количеством изменений конструкции,деталей и встроенной автоматической регулировкой теплового режима индивидуально в каждой камере сгорания двигателя, без смены режимов работы мотора. Эта задача решается тем, что в камеру сгорания устанавливаются форсунки впрыска жидкостей и датчик температуры,сигнал от которого преобразуется в управляющие команды для работы форсунок, также необходимы, емкость для жидкостей и насос высокого давления для подачи жидкостей в форсунки. Способ внутреннего охлаждения работает следующим образом. При запуске двигателя и достижении установленной температуры в КС 3 осуществляется впрыск жидкостей форсунками в камеру сгорания после каждого цикла сгорания топливной смеси (или в конечной части зоны сгорания, при применении на газотурбинных двигателях). Распылнные жидкости испарятся и охладят КС. Кроме этого, дополнительный объм пара,совершит полезную механическую работу, увеличив мощность или экономичность мотора. Таким образом, можно получить паровой эффект в ДВС. Вода обладает большой удельной теплотой испарения и отличными охлаждающими свойствами. Жидкий азот при испарении может совершить больше полезной механической работы(охлаждение за счт увеличения эффективности мотора). Поэтому, в системе внутреннего охлаждения возможно применение одновременно нескольких жидкостей с различными свойствами. Например вода распыляется вдоль стенок КС и большей частью охлаждает металл, а смесь раскаленных газов лучше, в основном, охлаждать жидким азотом. Количество жидкостей для впрыска определяется отдельно для каждой КС по данным датчиков температуры в КС. Интервал температуры в КС должен быть таким, чтобы не было перегрева деталей мотора и не оставалось жидкой фазы в опасных для двигателя количествах. Для определения момента начала впрыска у поршневых и роторных моторов, можно учитывать сигналы от датчика положения вала, обычно применяемого в двигателях, либо использовать сигналы системы зажигания. Для преобразования управляющих сигналов от датчиков в команды для работы форсунки, можно применять обычно имеющийся компьютер,или установить отдельный преобразователь электрических сигналов. Для бензиновых моторов способ внутреннего охлаждения позволяет кроме основного охлаждающего эффекта,выполнять предварительный впрыск и охлаждение горючей смеси до воспламенения. Это предотвращает детонацию и позволяет увеличить наполнение и степень сжатия смеси. Что в свою очередь повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси. Относительно низкий температурный режим в камере сгорания снижает образование вредной двуокиси азота. Это полезно потому, что системы фильтрации и нейтрализации двуокиси азота в современных автомобилях весьма дорого стоят. Отличительными признаками являются- впрыск жидкости непосредственно в КС. Основной, охлаждающий впрыск, производится после сгорания топливной смеси. Он регулирует температуру двигателя. В отличии от аналога внутреннее охлаждение применяется не в отдельном такте, а в каждом рабочем такте двигателя и дополнительно возможно на такте выпуска.- система позволяет выполнять предварительный впрыск до воспламенения бензиновой горючей смеси индивидуально в каждую КС. Е охлаждение предупреждает детонацию и позволяет применять бензин с более низким октановым числом. 4- количество жидкости для впрыска и охлаждения каждой КС определяется индивидуально на основе обратной связи по данным термодатчиков. Поэтому при любых локальных неисправностях и отклонениях от заданного интервала температуры, можно автоматически сразу отключить подачу топлива в конкретную КС и избежать перегрева деталей двигателя. Лучший вариант осуществления изобретения В дополнение к перечисленным действиям для снижения расхода жидкости в выпускном тракте устанавливать конденсатор отработанного пара. Сконденсированная жидкость через фильтр отправляется на впрыск. Остаточное тепло используется для обогрева салона и предварительного подогрева жидкости перед впрыском, с целью увеличения полезной работы пара. Выхлопные газы в конденсаторе получат влажную очистку. Токсичные газообразные и твердые вещества продуктов сгорания,растворнные в конденсате, могут фильтроваться и утилизироваться. Промышленная применимость Практическое применение способа реально в производстве любого ДВС. Особенно легко это сделать для современных автомобилей. Достаточно установить на каждый цилиндр форсунки непосредственного впрыска и датчик температуры. Компьютер по управлению двигателем в настоящее время есть на каждом автомобиле. Бак для жидкости и насос для е подачи на форсунки не представляют технической сложности. Снижение температуры выхлопных газов особенно ценно для военной авиации. Многие системы наведения оружия используют тепловой след от выбросов двигателя. Применение системы внутреннего охлаждения увеличивает безопасность полтов. Технический результат выражается в том, что Способ внутреннего охлаждения ДВС применим для всех типов ДВС, и не требует существенных изменений конструкции мотора. Обеспечивает контролируемое охлаждение двигателя в местах источника нагрева и в тот момент, когда дальнейший нагрев не требуется. Позволяет увеличить мощность,экономичность и экологичность мотора. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ внутреннего охлаждения двигателя внутреннего сгорания, включающий установку насоса высокого давления и форсунок для впрыска жидкостей в камеру сгорания, отличающийся тем,что устанавливают датчик температуры в камеру сгорания и преобразуют сигнал от него в сигнал для впрыска жидкостей форсунками в камеру сгорания в момент или в место завершения сгорания топливовоздушной смеси в количестве, необходимом для поддержания заданного интервала температуры в камере сгорания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят предварительный впрыск до 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в выпускном тракте двигателя устанавливают конденсатор для отработанного пара и фильтр для получаемого конденсата.