RU2549745C2

RU2549745C2 - Operation of two-stroke ice running on hydrogen and with application of exhaust power in pulsating pipe

Info

Publication number: RU2549745C2
Application number: RU2013115035/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Андрианович Попович
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2015-04-27
Also published as: RU2013115035A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to propulsion engineering. Invention consists in that fuel mix consists of hydrogen and oxygen and includes water liquid phase, liquid and gaseous nitrogen. Fuel mix is pre-cooled by liquid nitrogen prior to its feed to engine cylinder. Combustion products are discharged via pulsating pipe into atmosphere after fuel mix combustion. Application of hydrogen in fuel mix allows pre-cooling of fuel mix by liquid nitrogen, increase in mix compression ratio at knock-free engine operation and decrease in compression ratio. Besides, high compression ratio allows addition of extra heat produced by fed hydrogen to combustion product expansion and increase in cycle efficiency thanks to exhaust of combustion products into pulsating pipe.

EFFECT: higher efficiency.

9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиноведению, а именно двигателестроению, в частности организации процессов цикла двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и разработки систем подачи топливной смеси в двигатель.The invention relates to mechanical engineering, namely engine building, in particular the organization of the processes of the cycle of an internal combustion engine (ICE) and the development of systems for supplying the fuel mixture to the engine.

Целью изобретения является повышение КПД цикла двухтактного ДВС с принудительным поджогом топливной смеси в камере сгорания за счет совершенствования процессов; сжатия рабочего тела, подвода теплоты и расширения рабочего тела с применением пульсационных труб при сбросе продуктов сгорания.The aim of the invention is to increase the efficiency of the cycle of a two-stroke ICE with forced arson of the fuel mixture in the combustion chamber due to improved processes; compression of the working fluid, heat supply and expansion of the working fluid using pulsation pipes during the discharge of combustion products.

Общеизвестно, что максимальная эффективность теплоиспользующего устройства для получения механической энергии может быть получена при реализации цикла Карно и определяется только диапазоном температур между источниками нагрева и охлаждения [1], и чем больше эта разность, тем выше КПД цикла.It is well known that the maximum efficiency of a heat-utilizing device for generating mechanical energy can be obtained by implementing the Carnot cycle and is determined only by the temperature range between the heating and cooling sources [1], and the larger this difference, the higher the cycle efficiency.

Особенно большое влияние на эффективность цикла оказывает процесс сжатия рабочего тела на нижнем температурном уровне, а минимальная работа сжатия будет соответствовать изотермическому процессу при температуре окружающей среды.The process of compressing the working fluid at a lower temperature level has a particularly large effect on cycle efficiency, and the minimum work of compression will correspond to the isothermal process at ambient temperature.

В результате термодинамического анализа циклов поршневых ДВС, рассмотренных в [2] с различными способами подвода теплоты (при постоянном объеме, постоянном давлении и смешанном) показано, что главным фактором, влияющим на рост КПД цикла, является степень сжатия вдвигателе. Однако применение углеводородного горючего в ДВС не позволяет повысить этот показатель для ДВС с искровым зажиганием выше (6-11) и для ДВС, работающего по циклу Дизеля (15-22).As a result of thermodynamic analysis of piston ICE cycles, considered in [2] with various methods of heat input (with constant volume, constant pressure and mixed), it was shown that the main factor affecting the increase in cycle efficiency is the compression ratio of the motor. However, the use of hydrocarbon fuel in ICE does not allow to increase this indicator for ICE with spark ignition above (6-11) and for ICE operating on the Diesel cycle (15-22).

В первом случае степень сжатия ограничивается в основном детонационной стойкостью легких бензинов, а во втором, более протяженным во времени сжиганием тяжелого дизельного горючего из-за повышенного содержания в нем углерода и частичного (не сгоревшего) его выброса в атмосферу.In the first case, the compression ratio is limited mainly by the detonation resistance of light gasolines, and in the second, the longer burning of heavy diesel fuel due to the increased carbon content in it and its partial (not burnt) emission into the atmosphere.

Следствием применения углеводородного горючего при реализации рассмотренных циклов ДВС являются значительные потери теплоты, сбрасываемой в атмосферу потоком выхлопных газов. Так значения температур выхлопных газов для ДВС с искровым зажиганием находятся в районе 600 К и для ДВС, работающего по циклу Дизеля 850 К.The consequence of the use of hydrocarbon fuel in the implementation of the considered ICE cycles is a significant loss of heat discharged into the atmosphere by the stream of exhaust gases. So, the values of exhaust gas temperatures for ICE with spark ignition are in the region of 600 K and for ICE operating on a 850 K diesel cycle.

Кроме того, в реальных ДВС, работающих на углеводородных топливах, имеет место неполное использование теплоты, связанное с тепловыми потерями в стенки камеры сгорания и значительным во времени догоранием в процессе расширения продуктов сгорания. Это в свою очередь приводит к дополнительным затратам механической энергии на сжатие свежей порции смеси при более высокой температуре за счет ее нагрева от горячих стенок камеры сгорания.In addition, in real internal combustion engines operating on hydrocarbon fuels, there is an incomplete use of heat associated with heat losses in the walls of the combustion chamber and a significant burn-out in the process of expansion of the combustion products. This in turn leads to additional costs of mechanical energy for compressing a fresh portion of the mixture at a higher temperature due to its heating from the hot walls of the combustion chamber.

В результате эффективный КПД в известных массово применяемых ДВС и работающих по циклам Отто и Дизеля не превышает (33 и 40)%, соответственно.As a result, the effective efficiency in the well-known massively used ICEs and operating on the Otto and Diesel cycles does not exceed (33 and 40)%, respectively.

Попытки улучшить термодинамическую эффективность цикла ДВС, предпринятые в целом ряде патентов с применением волновых процессов к впускным системам и системам выпуска выхлопных газов [3; 4; 5; 6; 7; 8], а также применения разделительных устройств для выделения кислорода из воздуха [9; 10] малоэффективны и главной причиной в этом является следствие применения углеводородных топлив на базе бензинов и дизельного топлива.Attempts to improve the thermodynamic efficiency of the ICE cycle, undertaken in a number of patents using wave processes to intake systems and exhaust systems [3; four; 5; 6; 7; 8], as well as the use of separation devices for the release of oxygen from the air [9; 10] are ineffective and the main reason for this is the consequence of the use of hydrocarbon fuels based on gasoline and diesel fuel.

Так впускные системы согласно [3; 4] обеспечивают в основном повышение плотности топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя и как прямое следствие повышение мощности двигателя, но не значительно влияют на увеличение КПД цикла в целом.So intake systems according to [3; 4] provide mainly an increase in the density of the air-fuel mixture in the engine cylinder and, as a direct consequence, an increase in engine power, but they do not significantly affect the increase in the efficiency of the cycle as a whole.

Аналогичным образом использование волновых процессов при преобразовании энергии выхлопа в выпускном трубопроводе [11; 12; 13; 14; 15], также малоэффективно, так как использование энергии выхлопа связано с многочисленными потерями в многочисленной цепочке преобразований - потери в ресивере (резонаторе) и турбокомпрессоре.Similarly, the use of wave processes in the conversion of exhaust energy in the exhaust pipe [11; 12; 13; fourteen; 15], is also ineffective, since the use of exhaust energy is associated with numerous losses in a large transformation chain — losses in the receiver (resonator) and turbocharger.

В предлагаемом способе имеется возможность значительного улучшения факторов влияющих на эффективный КПД ДВС за счет применения топлива, состоящего из водорода и кислорода выделенного из газообразного воздуха и предварительного охлаждения топлива жидким азотом включая впрыск его в камеру сгорания перед процессом сжатия топливной смеси.In the proposed method, there is the possibility of a significant improvement in factors affecting the effective ICE efficiency due to the use of fuel consisting of hydrogen and oxygen extracted from gaseous air and preliminary cooling of the fuel with liquid nitrogen including its injection into the combustion chamber before the compression of the fuel mixture.

Применение водорода в качестве горючего позволяет стабильно, в нужный момент цикла и за короткий промежуток времени сжечь весь водород в топливной смеси и четко регулировать его горение в процессе расширения продуктов сгорания.The use of hydrogen as fuel allows you to stably, at the right time in the cycle and for a short period of time, burn all the hydrogen in the fuel mixture and clearly regulate its combustion during the expansion of combustion products.

Кроме того, уникальные свойства водорода как горючего [16] позволяют осуществлять процесс его горения в сверхбедных смесях топлива. Так при использовании воздуха в качестве окислителя минимальная концентрация водорода при стабильной воспламеняемости и горении водорода находится в пределах (4,1-5)%, что резко улучшает экономичность ДВС. Для сравнения значения максимально сверхбедных смесей в виде коэффициента избытка воздуха для бензинового двигателя равна 1,25, а для водородного ДВС равна 10.In addition, the unique properties of hydrogen as fuel [16] allow its combustion to occur in super-lean fuel mixtures. So when using air as an oxidizing agent, the minimum concentration of hydrogen with stable flammability and combustion of hydrogen is in the range (4.1-5)%, which dramatically improves the efficiency of ICE. For comparison, the values of the most super-lean mixtures in the form of an excess air coefficient for a gasoline engine are 1.25, and for a hydrogen ICE is 10.

В предлагаемом способе главными факторами повышения эффективного КПД ДВС являются: предварительное охлаждение жидким азотом подаваемого в цилиндр двигателя газообразного кислорода и водорода, впрыск жидкого азота в цилиндр двигателя, осуществление управляемого процесса сгорания водорода и включение в процесс расширения продуктов сгорания процессов, протекающих в пульсационной трубе [17], чем достигается полное расширение продуктов сгорания.In the proposed method, the main factors for increasing the effective internal combustion engine efficiency are: pre-cooling with liquid nitrogen the gaseous oxygen and hydrogen supplied to the engine cylinder, injection of liquid nitrogen into the engine cylinder, the implementation of the controlled process of hydrogen combustion and the inclusion in the expansion process of the combustion products of processes occurring in the pulsating pipe [ 17], by which a complete expansion of the combustion products is achieved.

Жидкий азот, подведенный непосредственно в цилиндр двигателя перед процессом сжатия топливной смеси, позволяет приблизить процесс сжатия к изотермическому процессу и уменьшить работу ее сжатия.Liquid nitrogen, supplied directly to the engine cylinder before the compression process of the fuel mixture, allows you to bring the compression process closer to the isothermal process and reduce the work of its compression.

Кроме того, применение пульсационной трубы при выхлопе продуктов сгорания позволяет использовать энергию выхлопа и охладить за счет этого выхлопные газы с получением водяного конденсата и газообразного азота для их повторного использования в цикле в качестве рабочего тела.In addition, the use of a pulsation pipe in the exhaust of combustion products makes it possible to use the energy of the exhaust and to cool the exhaust gases to produce water condensate and nitrogen gas for reuse in the cycle as a working fluid.

Это достигается тем, что пульсационная труба за счет процесса выхлопа позволяет использовать более глубокое расширение продуктов сгорания и реализовать цикл теплового насоса. Так выхлоп двигателя в пульсационную трубу позволяет образовать градиент температур по длине пульсирующей трубы, холодный конец которой соединен с выхлопным окнам двигателя, а на горячем конце пульсационной трубы имеется устройство сброса теплоты.This is achieved by the fact that the pulsation pipe due to the exhaust process allows you to use a deeper expansion of the combustion products and implement the heat pump cycle. So the exhaust of the engine into the pulsation pipe allows you to create a temperature gradient along the length of the pulsating pipe, the cold end of which is connected to the exhaust windows of the engine, and at the hot end of the pulsation pipe there is a heat rejection device.

В идеализированной постановке, при потреблении двигателем водорода и кислорода, охлажденных жидким азотом, а также с впрыском жидкого азота в цилиндр двигателя в качестве рабочего тела, выхлоп в атмосферу со стороны горячего конца пульсационной трубы будет состоять из неконденсированных паров воды и газообразного азота.In an idealized setting, when the engine consumes hydrogen and oxygen, cooled by liquid nitrogen, and also with the injection of liquid nitrogen into the engine cylinder as a working fluid, the exhaust into the atmosphere from the hot end of the pulsation pipe will consist of non-condensed water vapor and gaseous nitrogen.

При установившемся режиме работы пульсационной трубы с ее горячего конца через дроссельное отверстие сбрасываться в атмосферу водяной пар и газообразный азот, количество которых определяется, соответственно, расходом водорода и расходом жидкого азота, подведенного непосредственно в цилиндр двигателя.In the established mode of operation of the pulsation pipe, water vapor and gaseous nitrogen are discharged into the atmosphere from the hot end through the throttle opening, the amount of which is determined, respectively, by the flow of hydrogen and the flow rate of liquid nitrogen supplied directly to the engine cylinder.

При таком способе подготовки и подачи топлива (смеси охлажденного кислорода и водорода), а также азота наблюдается двойной эффект:With this method of preparation and supply of fuel (a mixture of chilled oxygen and hydrogen), as well as nitrogen, a double effect is observed:

1. Уменьшается работа сжатия рабочей смеси - кислорода, водорода и азота в цикле ДВС за счет пониженной температуры смеси перед началом сжатия. Экономия механической энергии на сжатие рабочей смеси представляет собой чистый выигрыш и повышает эффективность двигателя.1. The work of compression of the working mixture — oxygen, hydrogen and nitrogen in the ICE cycle — is reduced due to the reduced temperature of the mixture before compression begins. Saving mechanical energy by compressing the working mixture is a net gain and increases engine efficiency.

2. Появляется возможность резкого повышения одного из главных факторов, влияющих на КПД ДВС - степени сжатия при бездетонационной работе двигателя. Это достигается тем, что понижая температуру рабочей смеси перед сжатием в камере сгорания и сдвигая процесс в сторону изотермического, температура самовоспламенения смеси (детонации) будет соответствовать более высокой степени сжатия (или степени повышения давления).2. There is the possibility of a sharp increase in one of the main factors affecting the efficiency of the internal combustion engine - the compression ratio during detonation-free operation of the engine. This is achieved by lowering the temperature of the working mixture before compression in the combustion chamber and shifting the process towards isothermal, the self-ignition temperature of the mixture (detonation) will correspond to a higher compression ratio (or the degree of pressure increase).

Применение этих мероприятий, в зависимости от степени охлаждения рабочей смеси жидким азотом и частичного его впрыска непосредственно в цилиндр, степень сжатия можно повысить в 10 и более раз.The application of these measures, depending on the degree of cooling of the working mixture with liquid nitrogen and its partial injection directly into the cylinder, the compression ratio can be increased by 10 or more times.

На Фиг.1 - представлено одно из устройств энергетической установки на базе двухтактного ДВС с водородом в качестве горючего и с пульсационной выхлопной трубой.Figure 1 - presents one of the devices of a power plant based on a push-pull ICE with hydrogen as fuel and with a pulsating exhaust pipe.

Энергетическая установка состоит из двухтактного ДВС 42, в цилиндре 32 которого имеются входное окно 27 для подвода кислорода и выходное окно 41 для сброса выхлопных газов.The power plant consists of a two-stroke ICE 42, in the cylinder 32 of which there is an inlet window 27 for oxygen supply and an outlet window 41 for exhaust exhaust.

В головке камеры сгорания 30 цилиндра 32 установлен регулируемый управляемый клапан 12 подачи водорода и устройство 13 управления процессом расширения продуктов сгорания, представляющее собой, например, капиллярные каналы, на концах которых имеется общий коллектор.In the head of the combustion chamber 30 of the cylinder 32 is installed an adjustable controllable valve 12 for supplying hydrogen and a device 13 for controlling the process of expansion of the products of combustion, which is, for example, capillary channels, at the ends of which there is a common collector.

На фиг.2 представлен один из вариантов устройства 13. Устройство включает в себя набор параллельных капиллярных каналов 44 (или пористую теплоаккумулирующую набивку, например из меди или никеля), входные отверстия которых начинаются на внутренней поверхности головки камеры сгорания 30, а концы выходят в общую водородную полость 45 (коллектор) с регулируемым объемом.Figure 2 presents one of the variants of the device 13. The device includes a set of parallel capillary channels 44 (or a porous heat-accumulating packing, such as copper or nickel), the inlet openings of which begin on the inner surface of the head of the combustion chamber 30, and the ends exit into a common hydrogen cavity 45 (collector) with an adjustable volume.

Для инициирования воспламенения топливной смеси в головке камеры сгорания 30 вмонтировано устройство поджога 29, например, электрическая свеча зажигания.To initiate ignition of the fuel mixture in the head of the combustion chamber 30, an arson device 29, for example, an electric spark plug, is mounted.

В системе хранения и подачи водорода для двухтактного ДВС реализован один из вариантов металлогидридной системы хранения и подачи водорода согласно патента [18].In the hydrogen storage and supply system for a two-stroke ICE, one of the versions of the metal hydride hydrogen storage and supply system according to the patent [18] is implemented.

Устройство состоит из металлогидридных элементов 3, компактно расположенных в кожухе металлогидридного модуля 2 подсоединенных к водородному коллектору 4 из которого водород извлекается по трубопроводу 10 через запорный вентиль 11 с помощью поршневого компрессора или механического вакуумного насоса 7, по трубопроводу 8, через запорный вентиль 9 и далее, охлаждаясь в теплообменнике 43, поступает через регулируемый управляемый клапан 12 и устройство 13 управления процессом подвода теплоты в цилиндр двигателя.The device consists of metal hydride elements 3, compactly located in the casing of the metal hydride module 2 connected to a hydrogen collector 4 from which hydrogen is extracted through a pipe 10 through a shut-off valve 11 using a piston compressor or a mechanical vacuum pump 7, through a pipe 8, through a shut-off valve 9 and beyond , being cooled in the heat exchanger 43, enters through an adjustable controlled valve 12 and a device 13 for controlling the process of supplying heat to the engine cylinder.

В качестве гидридрообразующего материала могут применяться сплавы на основе магния или титана, например, сплав магния и никеля в различных пропорциях, а также с добавлением различных легирующих добавок.As a hydride forming material, alloys based on magnesium or titanium can be used, for example, an alloy of magnesium and nickel in various proportions, as well as with the addition of various alloying additives.

Для подвода теплоты из окружающей среды к металлогидридным элементам 3 с целью извлечения из них водорода установлен вентилятор 1. Заправка водородом металлогидридных модулей осуществляется по трубопроводу 6 через запорный вентиль 5, при этом выделившаяся теплота в металлогидридных элементах сбрасывается в окружающую среду также с помощью вентилятора 1.To supply heat from the environment to the metal hydride elements 3 in order to extract hydrogen from them, a fan 1 is installed. Hydrogen filling of the metal hydride modules is carried out through a pipe 6 through a shut-off valve 5, while the released heat in the metal hydride elements is also discharged into the environment using a fan 1.

Система получения и подачи кислорода состоит из компрессора 21 для сжатия атмосферного воздуха (стрелка В), поступающего по воздухозаборнику 20, системы разделения воздуха 22 на кислород и азот. Кислород из системы разделения воздуха 22 по трубопроводу 46 поступает через дроссельный управляемый вентиль 24 в кислородную пульсационную трубу 25 и далее через теплообменник 47 во входное окно 27 цилиндра двигателя.The oxygen production and supply system consists of a compressor 21 for compressing atmospheric air (arrow B) entering through the air intake 20, a system for separating air 22 into oxygen and nitrogen. Oxygen from the air separation system 22 through a pipe 46 enters through a throttle controlled valve 24 into an oxygen pulsation pipe 25 and then through a heat exchanger 47 to the inlet window 27 of the engine cylinder.

Тепловой режим кислородной пульсационной трубы 25 контролируется термопарой 26.The thermal regime of the oxygen pulsation pipe 25 is controlled by a thermocouple 26.

Азот из системы разделения воздуха сбрасывается в атмосферу через патрубок 23 (стрелка А_В).Nitrogen from the air separation system is discharged into the atmosphere through the pipe 23 (arrow A _B ).

Системы хранения и подачи жидкого азота представляет собой сосуд Дьюара 16, для заправки которого жидким азотом имеется горловина 14.The storage system and supply of liquid nitrogen is a Dewar vessel 16, for filling which liquid nitrogen has a neck 14.

Для подачи жидкого азота применена, например, насосная система, с помощью которой посредством механического насоса 15 жидкий азот, поступая по трубопроводу 17, разделяется на два потока, один из которых через управляемый клапан 19 и входное окно 27 поступает в цилиндр двигателя, а другой поток через регулируемый вентиль 18 поступает в теплообменник 28 для охлаждения холодного конца кислородной пульсационной трубы 25, далее через разъем а поступает в теплообменник 33 для охлаждения холодного конца пульсационной трубы 36 для выхлопных газов и далее через разъем б поступает в теплообменник 43 для охлаждения водорода, поступающего в цилиндр двигателя.For supplying liquid nitrogen, for example, a pumping system is used, with which, by means of a mechanical pump 15, the liquid nitrogen entering through the pipe 17 is divided into two streams, one of which enters the engine cylinder through a controlled valve 19 and an inlet window 27, and the other stream through an adjustable valve 18 enters the heat exchanger 28 to cool the cold end of the oxygen pulsation pipe 25, then through the connector a enters the heat exchanger 33 to cool the cold end of the pulsation pipe 36 for exhaust gases and further through connector b, it enters the heat exchanger 43 to cool the hydrogen entering the engine cylinder.

Вышедший из теплообменника 43 азот сбрасывается в атмосферу (стрелка А).The nitrogen exiting the heat exchanger 43 is discharged into the atmosphere (arrow A).

Горячий конец пульсационной трубы 36 снабжен охладителем 37 и дроссельным отверстием 38.The hot end of the pulsation pipe 36 is equipped with a cooler 37 and a throttle hole 38.

Тепловой режим пульсационной трубы 36 контролируется термопарами 39 и 40.The thermal regime of the pulsation pipe 36 is controlled by thermocouples 39 and 40.

На фиг.3 представлена картина теплового состояния пульсационной трубы, например, для выхлопных газов, в виде зависимости температуры от длины трубы.Figure 3 presents a picture of the thermal state of the pulsation pipe, for example, for exhaust gases, in the form of a temperature dependence on the length of the pipe.

Для работы устройства энергетической установки, представленной на Фиг.1, необходимо заправить водородом металлогидридные элементы 3 и заполнить жидким азотом сосуд Дьюара 16.For the operation of the device of the power plant shown in FIG. 1, it is necessary to charge metal hydride elements 3 with hydrogen and fill the Dewar vessel 16 with liquid nitrogen.

Заправка водородом металлогидридных элементов осуществляется на заправочной станции.Hydrogen filling of metal hydride elements is carried out at a gas station.

При заправке водородом заправочный трубопровод 6 подсоединяется к источнику водорода, например к баллонной системе, закрывается запорный вентиль 11, открывается запорный вентиль 5, через который водород поступает в металлогидридные элементы 3.When refueling with hydrogen, the refueling pipe 6 is connected to a hydrogen source, for example to a balloon system, the shutoff valve 11 is closed, the shutoff valve 5 is opened, through which hydrogen enters the metal hydride elements 3.

Теплота, выделившаяся в металлогидридных элементах в процессе насыщения их водородом, сбрасывается в окружающую среду с помощью включенного вентилятора 1.The heat released in the metal hydride elements in the process of their saturation with hydrogen is discharged into the environment using the included fan 1.

По окончанию процесса заправки металлогидридных элементов водородом заправочный вентиль 5 закрывают, заправочный трубопровод отсоединяют от заправочной станции и выключают вентилятор 1.At the end of the process of refueling metal hydride elements with hydrogen, the filling valve 5 is closed, the filling pipe is disconnected from the filling station and the fan 1 is turned off.

Заполнение жидким азотом сосуда Дьюара осуществляется по стандартной методике заполнения сосудов Дьюара жидким азотом.The Dewar vessel is filled with liquid nitrogen according to the standard technique for filling the Dewar vessels with liquid nitrogen.

Заправочная трубка из резервуара с жидким азотом вводится в заправочную горловину 14 и осуществляется процесс заливки. При этом запорный вентиль 18 и управляемый клапан 19 подачи жидкого азота закрыты, а насос подачи криогенной жидкости 15 выключен. По окончании заливки заправочная трубка извлекается из горловины 14 сосуда Дьюара, и горловина 14 закрывается.The filling tube from the liquid nitrogen tank is introduced into the filling neck 14 and the filling process is carried out. In this case, the shutoff valve 18 and the controlled valve 19 for supplying liquid nitrogen are closed, and the pump for supplying cryogenic liquid 15 is turned off. At the end of the filling, the filling tube is removed from the neck 14 of the Dewar vessel, and the neck 14 is closed.

Рассмотрим процессы цикла двухтактного ДВС в устройстве энергетической установки, представленной на Фиг.1.Consider the cycle processes of a two-stroke ICE in the device of the power plant shown in Fig.1.

1. Процессы протекают при движении поршня вверх от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).1. The processes occur when the piston moves upward from the bottom dead center (BDC) to the top dead center (TDC).

В начале этого движения за счет отраженной волны в кислородной пульсационной трубе 25 заканчивается наполнение цилиндра двигателя охлажденными продуктами сгорания отраженной волны, порцией кислорода, дозированной управляемым клапаном 24, и дозированной порцией жидкого азота с помощью управляемого клапана 19.At the beginning of this movement, due to the reflected wave in the oxygen pulse tube 25, the engine cylinder is filled with the cooled combustion products of the reflected wave, a portion of oxygen dosed by a controlled valve 24, and a dosed portion of liquid nitrogen using a controlled valve 19.

Аналогичным образом, за счет отраженной волны и пульсационной трубе 36 заканчивается наполнение цилиндра двигателя продуктами сгорания от предыдущего процесса: газообразным азотом и парами воды в основном в капельном состоянии. Часть газообразного азота и несконденсированный водяной пар сбрасывается в атмосферу через дроссельное отверстие 38 (стрелка ВГ).Similarly, due to the reflected wave and the pulsation pipe 36, the filling of the engine cylinder with combustion products from the previous process ends: with gaseous nitrogen and water vapor in the mainly dropping state. Part of the gaseous nitrogen and non-condensed water vapor is discharged into the atmosphere through the throttle hole 38 (arrow VG).

Одновременно с этими процессами в цилиндр двигателя подается водород, который поступает через регулируемый управляемый клапан 12 и устройство управления 13 процессом подвода теплоты в камеру сгорания двигателя. Часть водорода при этом остается в полости 45 (фиг.2) с регулируемым объемом.Simultaneously with these processes, hydrogen is supplied to the engine cylinder, which enters through an adjustable controllable valve 12 and a control device 13 for supplying heat to the combustion chamber of the engine. Part of the hydrogen remains in the cavity 45 (figure 2) with an adjustable volume.

При дальнейшем движении поршня вверх за счет подведения основной механической энергии от вала двигателя происходит сжатие топливной смеси (водорода и кислорода), азота (жидкого и газообразного) и воды в капельном состоянии.With the further movement of the piston up due to the supply of the main mechanical energy from the engine shaft, the fuel mixture (hydrogen and oxygen), nitrogen (liquid and gaseous) and water are compressed in the droplet state.

Вблизи положения ВМТ осуществляется поджог топливной смеси.Near the TDC position, the fuel mixture is set on fire.

2. Процессы, протекающие при движении поршня от ВМТ к НМТ, можно представить в виде последовательно осуществляемых пяти этапов:2. The processes that occur when the piston moves from TDC to BDC can be represented in the form of five stages carried out sequentially:

- После поджога топливной смеси в камере сгорания образуются продукты сгорания с высокими значениями давления и температуры.- After arson of the fuel mixture in the combustion chamber, combustion products with high pressure and temperature are formed.

На этом этапе имеет место процесс, близкий к изобарному, в котором газы толкают поршень вниз, и энергия расширения газов передается на вал двигателя.At this stage, a process close to isobaric takes place, in which gases push the piston down, and the energy of expansion of the gases is transmitted to the engine shaft.

- В процессе расширения продуктов сгорания водород, временно находившийся в накопительной полости 45 с регулируемым объемом, поступает по капиллярным каналам в камеру сгорания, но из-за значительного гидравлического сопротивления капиллярных каналов сгорает по мере его поступления с некоторым запаздыванием. Выделившаяся на этом этапе теплота увеличивает энергию расширения газов, передаваемую на вал двигателя, что характерно для процесса, близкого к изотермическому.- In the process of expansion of the combustion products, hydrogen temporarily located in the storage cavity 45 with a controlled volume enters through the capillary channels into the combustion chamber, but due to the significant hydraulic resistance of the capillary channels, it burns out as it arrives with some delay. The heat released at this stage increases the gas expansion energy transmitted to the engine shaft, which is characteristic of a process close to isothermal.

- После сгорания дополнительно подведенного водорода наступает этап, близкий к адиабатному процессу расширения и охлаждения продуктов сгорания. В конце этого этапа заканчивается отвод энергии на вал двигателя.- After the combustion of the additionally supplied hydrogen, a stage comes close to the adiabatic process of expansion and cooling of the combustion products. At the end of this stage, the energy transfer to the motor shaft ends.

- Следующий этап адиабатного процесса связан с преобразованием энергии расширения продуктов сгорания в пульсационных трубах и получением градиента температур на их концах. На этом этапе энергия на вал двигателя не отводится.- The next stage of the adiabatic process is associated with the conversion of the expansion energy of the combustion products in the pulsation tubes and obtaining a temperature gradient at their ends. At this stage, no energy is diverted to the motor shaft.

При достижении поршнем окна 41 происходит дальнейшее расширение газов в пульсационной трубе 36 и частичного выхлопа продуктов сгорания в атмосферу в виде подогретых газообразного азота и паров воды через дроссельное отверстие 38.When the piston reaches the window 41, there is a further expansion of the gases in the pulsation pipe 36 and a partial exhaust of the combustion products into the atmosphere in the form of heated nitrogen gas and water vapor through the throttle opening 38.

При достижении поршнем окна 27 также происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания и смешение с кислородом газов в кислородной пульсационной трубе 25.When the piston reaches the window 27, there is also a further expansion of the combustion products and mixing with the gases in the oxygen pulse tube 25.

Расширение продуктов сгорания без совершения работы в обеих пульсационных трубах 36 и 25 приводит к разогреву газов на концах труб и охлаждению газов в начале труб, подсоединенных к окнам цилиндра.The expansion of the combustion products without performing work in both pulsation pipes 36 and 25 leads to heating of the gases at the ends of the pipes and cooling of the gases at the beginning of the pipes connected to the cylinder windows.

- На последнем этапе, при нахождении поршня вблизи НМТ, начинается возврат волн сжатия в обеих пульсационных трубах и наполнение цилиндра двигателя смесями.- At the last stage, when the piston is near the BDC, the return of compression waves in both pulsation pipes and filling of the engine cylinder with mixtures begins.

- Из кислородной пульсационной трубы 25 охлажденными продуктами сгорания, а также кислорода, подаваемого через управляемый клапан 24, и жидким азотом из управляемого клапана 19.- From an oxygen pulsation pipe 25 with cooled products of combustion, as well as oxygen supplied through a controlled valve 24, and liquid nitrogen from a controlled valve 19.

- Из выхлопной пульсационной трубы 36 охлажденными продуктами сгорания, включая сконденсированные пары воды.- From the exhaust pulsation pipe 36 with chilled combustion products, including condensed water vapor.

- Из устройства управления 13 процессом подвода теплоты в камеру сгорания двигателя поступает водород через регулируемый управляемый клапан 12.- From the control device 13 of the heat supply process, hydrogen enters the combustion chamber of the engine through an adjustable controlled valve 12.

Далее, при прохождении поршнем нижней мертвой точки и движении его вверх цикл повторяется.Further, when the piston passes the bottom dead center and moves it up, the cycle repeats.

Использованные источникиUsed sources

1. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. - 4-е издание - М.: Энергоатомиздат, 1983.1. Technical thermodynamics: Textbook for high schools / V.A. Kirillin, V.V. Sychev, A.E. Sheindlin. - 4th edition - M .: Energoatomizdat, 1983.

2. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов, Ю.А. Степанов, В.И. Трусов, М.С. Ховах. Под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977.2. Car engines. V.M. Arkhangelsk, M.M. Wichert, A.N. Voinov, Yu.A. Stepanov, V.I. Trusov, M.S. Howah. Ed. M.S. Hovaha. M .: Mechanical Engineering, 1977.

3. Патент РФ №2034164 C1.3. RF patent No. 2034164 C1.

4. Патент РФ №2312235 C1.4. RF patent No. 2312235 C1.

5. Патент РФ №1209905 А1.5. RF patent No. 1209905 A1.

6. Патент РФ №1193278 А1.6. RF patent No. 1193278 A1.

7. Патент РФ №1359449 А1.7. RF patent No. 1359449 A1.

8. Патент РФ №1716184 А1.8. RF patent No. 1716184 A1.

9. Патент РФ №2126896 C1.9. RF patent №2126896 C1.

10. Патент РФ №2209322 С2.10. RF patent No. 2209322 C2.

11. Патент РФ №1372078 А1.11. RF patent No. 1372078 A1.

12. Патент РФ №1359450 А1.12. RF patent No. 1359450 A1.

13. Патент РФ №1502863 А1.13. RF patent No. 1502863 A1.

14. Патент РФ №1583647 А1.14. RF patent No. 1583647 A1.

15. Патент РФ №1617168 А1.15. RF patent No. 1617168 A1.

16. Водород - топливо будущего. А.Н. Подгорный, И.Л. Варшавский. К.: «Наук. думка», 1977.16. Hydrogen is the fuel of the future. A.N. Podgorny, I.L. Warsaw K .: “Science. Dumka ", 1977.

17. Теория и расчет криогенных систем: Учебник для вузов по специальности "Криогенная техника" A.M. Архаров, И.М. Марфенина, Е.И. Микулин. - М.: Машиностроение, 1978.17. Theory and calculation of cryogenic systems: A textbook for universities in the specialty "Cryogenic Engineering" A.M. Arkharov, I.M. Marfenina, E.I. Mikulin. - M.: Mechanical Engineering, 1978.

18. Патент РФ №2381413 С2.18. RF patent No. 2381413 C2.

Claims

1. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, цикл которого состоит из процессов: сжатия топливной смеси на базе углеводородного горючего и воздуха; подвода теплоты за счет сжигания горючего в смеси и образования продуктов сгорания с высокими значениями температуры и давления; расширения продуктов сгорания и отведения энергии расширения на вал двигателя, отличающийся тем, что топливная смесь состоит из водорода и кислорода, включает в себя жидкую фазу воды, жидкий и газообразный азот, а перед подачей топливной смеси в цилиндр двигателя она предварительно охлаждается жидким азотом и после сжигания топливной смеси продукты сгорания сбрасываются через пульсационную трубу в атмосферу.1. The method of operation of a two-stroke internal combustion engine, the cycle of which consists of the following processes: compression of the fuel mixture based on hydrocarbon fuel and air; heat supply due to the combustion of fuel in the mixture and the formation of combustion products with high values of temperature and pressure; expanding the combustion products and expelling the expansion energy to the engine shaft, characterized in that the fuel mixture consists of hydrogen and oxygen, includes the liquid phase of water, liquid and gaseous nitrogen, and before the fuel mixture is fed into the engine cylinder, it is pre-cooled with liquid nitrogen and after the combustion of the fuel mixture, the combustion products are discharged through the pulsation pipe into the atmosphere.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед сжатием топливной смеси жидким азотом охлаждаются все ее компоненты - водород, кислород и часть продуктов сгорания, возвращенных из пульсационных труб в цилиндр двигателя.2. The method according to p. 1, characterized in that before compressing the fuel mixture with liquid nitrogen, all its components are cooled - hydrogen, oxygen and part of the combustion products returned from the pulsation tubes to the engine cylinder.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе извлечения водорода из металлогидридных элементов используется теплота окружающей среды с помощью вентиляторной системы.3. The method according to p. 1, characterized in that in the process of extracting hydrogen from metal hydride elements, the heat of the environment is used using a fan system.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача водорода из металлогидридных элементов в двигатель осуществляется с помощью устройства повышения давления водорода или механического вакуумного насоса.4. The method according to p. 1, characterized in that the supply of hydrogen from the metal hydride elements to the engine is carried out using a device for increasing the pressure of hydrogen or a mechanical vacuum pump.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подача жидкого азота может быть осуществлена насосной системой.5. The method according to p. 1, characterized in that the supply of liquid nitrogen can be carried out by a pumping system.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе сжатия топливной смеси часть ее поступает по капиллярным каналам в полость коллектора и сгорает с некоторым запаздыванием в процессе расширения продуктов сгорания.6. The method according to p. 1, characterized in that in the process of compression of the fuel mixture, part of it enters through the capillary channels into the cavity of the collector and burns with some delay in the process of expansion of the combustion products.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс расширения продуктов сгорания с отводом энергии на вал двигателя состоит из пяти этапов, которые последовательно осуществляются при движении поршня к нижней мертвой точке: этапа, близкого к изобарному процессу, при котором сгорает основная часть водорода с понижением давления и температуры газа в конце этого этапа; этапа, близкого к изотермическому процессу расширения газов, с подводом теплоты за счет сгорания водорода, накопленного в полости коллектора; этапа, близкого к адиабатному процессу, с дальнейшим понижением давления и температуры; этапа выхлопа продуктов сгорания в пульсационные трубы и этапа наполнения цилиндра двигателя кислородом, водородом, жидким азотом и продуктами сгорания, возвращенными из пульсационных труб - газообразного азота и конденсированных паров воды.7. The method according to p. 1, characterized in that the process of expanding the products of combustion with the removal of energy to the engine shaft consists of five stages that are carried out sequentially when the piston moves to the bottom dead center: a stage close to the isobaric process in which the main part burns hydrogen with decreasing gas pressure and temperature at the end of this stage; a stage close to the isothermal process of gas expansion, with the supply of heat due to the combustion of hydrogen accumulated in the reservoir cavity; a stage close to the adiabatic process, with a further decrease in pressure and temperature; the stage of exhaust of the combustion products into the pulsation pipes and the stage of filling the engine cylinder with oxygen, hydrogen, liquid nitrogen and the combustion products returned from the pulsation pipes - gaseous nitrogen and condensed water vapor.

8. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, цикл которого состоит из процессов: сжатия топливной смеси, состоящей из водорода и кислорода, жидкой фазы воды, жидкого и газообразного азота; подвода теплоты за счет сжигания водорода в смеси и образования продуктов сгорания с высокими значениями температуры и давления; расширения продуктов сгорания и отведения энергии расширения на вал двигателя, отличающийся тем, что энергия выхлопа продуктов сгорания используется для получения холода с помощью пульсационных труб для охлаждения продуктов сгорания и их повторного использования в качестве рабочего тела.8. The method of operation of a two-stroke internal combustion engine, the cycle of which consists of the following processes: compression of a fuel mixture consisting of hydrogen and oxygen, a liquid phase of water, liquid and gaseous nitrogen; heat supply due to the combustion of hydrogen in the mixture and the formation of combustion products with high values of temperature and pressure; expanding the combustion products and diverting the expansion energy to the engine shaft, characterized in that the energy of the exhaust of the combustion products is used to produce cold using pulsation tubes to cool the combustion products and reuse them as a working fluid.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что пульсационные трубы на горячих концах снабжены охладителями. 9. The method according to p. 8, characterized in that the pulsation pipes at the hot ends are equipped with coolers.