Многотопливный двигатель внутреннего сгорания

Многотопливный двигатель внутреннего сгорания

     Использование: в двигателях внутреннего  сгорания, преимущественно многотопливных, работающих как на легком, так  и на тяжелом топливе. Сущность изобретения: двигатель включает в себя одну или несколько пар соединенных перепускными каналами цилиндров, первый из которых - цилиндр низкого сжатия - соединен с источником питания топливовоздушной смесью, имеет дроссельную заслонку для регулирования ее подачи при работе двигателя с неполной нагрузкой, а второй цилиндр высокого сжатия - не имеет объема камеры сжатия, соединен с каналом подачи чистого воздуха, имеет дроссельную заслонку для регулирования его поступления при работе двигателя с неполной нагрузкой, которая связана с первой заслонкой; его шатун установлен на кривошипе с запаздыванием движения его поршня по отношению к поршню первого цилиндра на 22-27 градуса  по углу поворота коленчатого вала таким образом, что при положении его поршня в верхней мертвой точке высокосжатый воздух полностью вытесняется в камеру сгорания первого цилиндра и обеспечивает дожигание топливного заряда. Дроссельная заслонка питания топливной смесью и дроссельная заслонка канала чистого воздуха имеют кинематическую связь, обеспечивающую возможность изменения их взаимного положения, в частности запаздывание открывания дроссельной заслонки второго цилиндра по отношению к дроссельной заслонке первого цилиндра на угол 15-20o в начале хода и выравнивание их угла поворота при переходе двигателя к режиму полной нагрузки. Изобретение обеспечивает коррекцию взаимного положения дроссельных заслонок, открывающих доступ в совместно работающие цилиндры топливовоздушной смеси и чистого воздуха при работе двигателя в режиме нагрузок.

Многотопливный двигатель, двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для работы на различных нефтяных топливах, начиная от бензина и кончая дизельным топливом. Первые многотопливные двигатели появились в 30-х гг. 20 в. в Германии. Они строились на базе карбюраторных двигателей, но имели раздельную подачу воздуха и топлива. Воздух поступал в цилиндры под действием разрежения, а топливо впрыскивалось насосом с давлением около 5 Мн/м2 (50 кгс/см2). Пуск двигателя осуществлялся на бензине при помощи карбюратора, выключавшегося при нормальной работе. Смесь воспламенялась электрической системой зажигания. В 40-е гг. получили развитие многотопливный двигатель, построенные на базе автомобильных дизельных двигателей. Топливо в них подавалось насосом под давлением около 21 Мн/м2 (210 кгс/см2). При переходе с одного топлива на другое при помощи насоса подачи топлива устанавливался одинаковый расход топлива по массе, тем самым сохранялась та же мощность двигателя.

Применение многотопливных двигателей на автомобилях и тракторах значительно расширяет их топливную базу. По сравнению с карбюраторными двигателями многотопливные двигатели обладают лучшей топливной экономичностью, но уступают дизелям. К недостаткам многотопливных двигателей относятся сложность конструкции и необходимость тщательного наблюдения за работой системы топливоподачи. Многотопливные двигатели получили широкое распространение за рубежом, особенно в ФРГ.

Многотопливный двигатель L.60 (Великобритания).

В 1962 г. фирма «Катерпиллер трактор компании» приступила к разработке танкового четырехтактного, двенадцатицилиндрового V-образного многотопливного дизеля LVMS-1050 жидкостного охлаждения с турбонаддувом. При рабочем объеме цилиндров 17,2 л ожидалось, что его мощность будет составлять 735 кВт (1000 л.с.). Особенностями этого двигателя являлись: уплотнение газового стыка стальной прокладкой, устанавливавшейся между блоком и головкой; отсутствие щек у коленчатого вала; возможность двухстороннего отбора мощности, а также наличие системы приводов к вспомогательным агрегатам, имевшей четыре вывода, обеспечивавших их расположение в наиболее удобных местах. Двигатель был рассчитан для работы как на дизельном топливе, так и на бензине с октановым числом от 83 до 91. Специальное автоматическое устройство, устанавливавшееся на двигателе, исключало необходимость переналадки топливоподающей аппаратуры при переходе с одного вида топлива на другой. Каждый цилиндр двигателя имел индивидуальный топливный насос.

Устройство двигателя L.60.

Поперечный разрез двигатель L.60.

Многотопливный двигатель К-60 (Великобритания) и его устройство.

                                         Двигатель танка Т-72.

На танке Т-72 установлен 12-цилиндровый V-образный четырехтактный многотопливный дизель В-46 мощностью 780 л.с. при 2000 об/мин. с жидкостным охлаждением и приводным центробежным нагнетателем. Двигатель В-46 является модификацией двигателя В-55В и отличается от него, главным образом, установкой центробежного нагнетателя и многотопливностью. Масса двигателя - 980 кг. Двигатель установлен в силовом отделении танка перпендикулярно к продольной оси на фундаменте, приваренном к днищу. Многотопливный двигатель В-46 может эксплуатироваться на дизельном топливе марок ДЛ, ДЗ и ДА, бензинах А-66 и А-72 и керосинах Т-1, ТС-1 и Т-2. Основным видом топлива является дизельное. Перевод работы двигателя с дизтоплива на керосин или бензин осуществляется перестановкой маховичка трехпозиционного упора рейки топливного насоса НК-12 в соответствующее положение.

В систему питания двигателя В-46 входят четыре внутренних и пять наружных топливных баков общей емкостью 705 и 495 л соответственно. Все баки последовательно соединены между собой трубопроводами. Внутренние баки сварены из стальных штампованных листов и для предохранения от коррозии внутри и снаружи покрыты бакелитовым лаком. Наружные баки сварены из алюминиевых штампованных листов и снаружи окрашены. С помощью специального оборудования к системе питания топливом могут быть подсоединены две дополнительные бочки емкостью 390 л.

Для очистки воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, на танке T-72 установлен двухступенчатый воздухоочиститель с эжекционным удалением пыли из пылесборника. Первую ступень очистки составляет циклонный аппарат, состоящий из 96 циклонов. Циклонный аппарат обеспечивает предварительную очистку воздуха от пыли на 99,4%. После прохождения воздуха последовательно через нижнюю, среднюю и верхнюю кассеты, которые являются второй ступенью очистки, окончательно очищенный до 99,8% воздух из головки воздухоочистителя через патрубок поступает в нагнетатель и затем по впускным коллекторам в цилиндры двигателя.

Двигатель внешнего сгорания WHT

Компания Cyclone Power Technologies объявила о завершении разработки и тестирования многотопливного двигателя нового типа. В настоящее время начался этап коммерциализации новинки, а также ее сертификации для автомобильной промышленности. Новый тип двигателя под названием Waste Heat Engine (WHE) является устройством для превращения тепловой энергии сгорающего топлива в механическую работу. Собственно, то же самое делает и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), но в отличие от него WHE – это двигатель внешнего сгорания.

                           Двигатель внешнего сгорания WHT

Принцип работы WHE очень прост: во внешней камере сгорания происходит нагрев теплоносителя, деионизированной воды, которая в свою очередь толкает поршни или крутит турбину.

 КПД WHE не превышает таковой у дизельного  двигателя, однако двигатель внешнего  сгорания имеет несколько преимуществ.

Прежде всего, WHE может потреблять любое топливо: жидкое или газообразное. Это может быть этанол, дизельное топливо, бензин, уголь, биомасса или их смеси – в общем, все что угодно, включая тепло солнечного света, отработанного пара и т.д. Например в первоначальных тестах использовалось топливо, получаемое из кожуры апельсина, пальмового или хлопкового масла, куриного жира. При этом биотопливо можно не разбавлять нефтяным, а значит выброс двигателя WHE может быть более чистым. Поскольку WHE способен работать при относительно низкой температуре в 225 градусов Цельсия, он может использовать для работы самые разные источники тепла.

Одно из главных преимуществ WHE – меньшее количество деталей и более простое устройство, чем у ДВС. Внешнее сгорание не требует сложной системы клапанов и газораспределительного механизма, хотя из-за высокого давления необходимо применять высокопрочные материалы. В целом, WHE-DR намного легче традиционного ДВС. Так, типичный 4-цилиндровый блок цилиндров ДВС весит около 90 кг, в то время, как аналогичный алюминиевый блок цилиндров WHE весит около 35 кг.

Стоимость изготовления WHE должна быть не выше, чем стоимость изготовления аналогичного по мощности ДВС, но при этом новый двигатель будет легче и сможет использовать самые дешевые виды топлива.

Небольшое автомобильное шасси с двигателем WHE мощностью 330 л.с. В центре баки для различных видов топлива: угольный порошок, сжиженный газ (водород, метан и т.д.), жидкое топливо (бензин, биотопливо и т.д.).

Двигатели WHE можно использовать во всем диапазоне мощностей. В частности, небольшие электрогенераторы мощностью от 1 кВт до 10 кВт будут иметь небольшие размеры и смогут питаться любым видом топлива, что крайне важно для аварийных источников энергии. Такие же двигатели можно использовать для небольшой техники, вроде газонокосилок, или составить их в пакеты для применения в промышленности, на морских судах и т.д.

Двигатели WHE среднего размера мощностью 100-400 л.с. идеально подойдут для автомобилей и небольших лодок, а большие двигатели мощностью от 400 до 1000 л.с. – для кораблей.

Благодаря отсутствию дыма, вибрации, меньшему шуму при работе и более экологичному выхлопу, двигатели внешнего сгорания могут использоваться для энергоснабжения городских поездов и других видов общественного транспорта.

Газогенераторный трактор производства ГДР, 1949 год.

Газогенера́торный автомоби́ль — автомобиль, двигатель внутреннего сгорания которого получает в качестве топливной смеси газ, вырабатываемый газогенератором.

В качестве топлива могут использоваться дрова, угольные брикеты, торф и т. п. Принцип работы газогенератора основан на неполном сгорании углерода. Углерод при сгорании может присоединить один атом кислорода или два, с образованием соответственно монооксида (угарный газ) и диоксида (углекислый газ). При неполном сгорании углерода выделяется практически треть энергии от величины полного сгорания. Таким образом, полученный газ обладает гораздо меньшей теплотой сгорания, чем исходное твёрдое топливо. Кроме того, в газогенераторе при газификации древесины, а также при газификации угля с добавлением воды (как правило в виде пара) идёт экзотермическая реакция между образующимся монооксидом углерода и водой с образованием водорода и углекислого газа. Эта реакция снижает температуру полученного газа и повышает КПД процесса до величины 75-80 %. В случае же если нет необходимости перед использованием охлаждать газ, то КПД газификации составит 100 %. То есть фактически будет осуществлено двухстадийное полное сжигание твёрдого топлива.

Калорийность полученного газа достаточно низкая вследствие разбавления его азотом. Но поскольку для его сгорания требуется значительно меньше воздуха, чем для сгорания углеводородов, то калорийность рабочей смеси (газ + воздух) лишь незначительно ниже чем у традиционных топливовоздушных смесей. Основной причиной снижения мощности транспортных двигателей используемых для работы на газе без переделки является уменьшение величины заряда рабочей смеси, поскольку добиться удовлетворительного охлаждения газа на подвижной технике затруднительно. Но эта проблема не имеет существенного значения для стационарных двигателей, где масса и габариты охладителя мало ограничены. На двигателях, специально изменённых или специально разработанных для работы на генераторном газе, посредством повышения степени сжатия и незначительного наддува газогенератора, достигаются равные с бензиновыми двигателями литровые мощности.

Газогенератор обычно применяется при наличии уже имеющихся ДВС (как бензиновых, так и дизельных) и отсутствии основного жидкого (бензин, солярка) топлива для них.

Топливо для газогенераторов

В качестве твердого топлива в газогенераторных установках могут быть использованы древесные чурки, древесный уголь, торф, бурый уголь, каменный уголь.

На территории СССР наиболее распространенным и доступным твердым топливом была древесина, по этому большую часть газогенераторного транспорта составляли автомобили с установками, работающими на древесных чурках.

Главные критериями качества топлива являлись порода древесины, абсолютная влажность и размеры чурок. Приоритет был отдан древесине твердых пород: березе, буку, грабу, ясеню, клену, вязу, лиственнице. Древесину мягких пород допускалось использовать лишь совместно с твердыми в соотношении 50/50. Сосновые чурки использовались без добавления древесины мягких пород.

Для газификации в автомобильных газогенераторах древесину распиливали на чурки длиной от 4 до 7 см, и шириной и высотой от 3 до 6 см. Абсолютная влажность готового твердого топлива не более 22%.

Менее распространены были древесно-угольные газогенераторные установки. Для их эксплуатации рекомендовалось использовать угли древесины твердых пород. Угли древесины мягких пород, склонные к крошению, допускалось применять с добавлением не менее 50% углей древесины твердых пород. Размер кусков древесного угля для газогенераторов поперечного процесса - от 6 до 20 мм, для других типов генераторов – от 20 до 40 мм.

В зависимости от содержания смол и золы твердые сорта топлив для газогенераторов разделяли на смолистые (битуминозные) малозольные (золы до 4%) и многозольные (золы более 4%), а также на безсмольные, или тощие (небитуминозные) малозольные (золы до 4%) и многозольные (золы более 4%). Для разных видов топлива были разработаны газогенераторы соответствующих типов:

- газогенераторы  прямого процесса газификации;

- газогенераторы  обращенного (обратного, или «опрокинутого») процесса газификации;

- газогенераторы  поперечного (горизонтального) процесса  газификации.

                                                            ГАЗ М-1.

Газогенераторный легковой автомобиль ГАЗ-М1Г на базе ГАЗ-М1, сконструированный бригадой специалистов научного автотракторного института (ИДТИ) под руководством А.И. Пельтцера. Опытный образец машины был собран в московском таксомоторном парке N92. Газогенераторная установка находилась в заднем выступе кузова, а впереди, под удлиненным капотом двигателя, стоял охладитель газа. Топливом служили дровяные чурки. Розжиг газогенератора и пуск двигателя занимал 5-6 минут.

В сентябре 1938 года на этой машине А.И. Пельтцер, А.Н. Понизовкин и Н.Д. Титов установили на дистанции 5000 километров всесоюзный рекорд скорости для газогенераторных автомобилей — 60,96 км/ч, превышавший мировой рекорд.

Год постройки — 1938; число мест — 5; двигатель: тип — четырехтактный, газовый, число цилиндров — 4, рабочий объем — 3285 см3, мощность — 37 л. с./26 кВт при 2800 об/мин; число передач — 3; главная передача — конические шестерни; размер шин — 7,00-16 дюймов; длина — около 4700 мм; ширина — 1770 мм; высота — 1775 мм; база — 2845 мм; колея — 1435 мм; масса в снаряженном состоянии — 1600 кг; запас тофива — 70 кг (на 200 км);

                      Газогенераторный ЗиС-21 производства УралАЗа.

Газогенераторный автомобиль, автомобиль, двигатель которого работает на газе, получаемом из твёрдого топлива в газогенераторе, смонтированном на его шасси. В СССР работы по созданию Г. а. были начаты в 1923, серийный выпуск Г. а. (ЗИС-13) был освоен в 1938. ЗИС-13 производился с середины 1936 г. до середины 1938 г.Степень сжатия двигателя ЗИС-13 была повышена до 7,0. Для зажигания служило магнето. Мощность не превышала 48 л. с., а наибольшая скорость — 45 км/ч. Машина получилась тяжелой (3850 кг), а ее грузоподъемкость составляла лишь 2500 кг. Расход древесных чурок достигал 80-85 кг/100 км, а запас хода-90 км. Розжиг газогенератора занимал 7 — 9 мин. С него и пошло, последующие модели отличаются обычно упрощённой конструкцией, очевидно в связи с войной. В качестве топлива для Г. а. используются древесные чурки (преимущественно твёрдых пород, влажностью 20—25%) либо бурый уголь. Возможно применение древесного угля, торфа, полукокса, антрацита и др. Г. а. предназначены для эксплуатации в районах, отдалённых от мест производства жидкого топлива. Г. а. широко применялись во время Великой Отечественной войны 1941—45, когда ощущался острый недостаток жидкого топлива для нужд автомобильного транспорта.

Газогенераторная установка автомобиля состоит из газогенератора, очистительно-охладительного и газосмесительных устройств.

При работе на генераторном газе двигатель развивает значительно меньшую мощность, чем при работе на бензине, из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси [2,4—2,5 кдж/м3 (580—600 кал/м3)] по сравнению с бензо-воздушной [3,5—3,6 кдж/м3 (830—850 кал/м3)]. Эти потери мощности могут быть частично компенсированы повышением степени сжатия двигателя (в связи с меньшей склонностью генераторного газа к детонации), а улучшение динамических качеств автомобиля может быть достигнуто изменением передаточного отношения главной передачи.

Относительно большая масса газогенераторной установки (примерно 350 кг) снижает полезную грузоподъёмность Г. а. Г. а. на базе автомобиля ЗИЛ-164 (грузоподъёмность 3500 кг, мощность двигателя 47 квт) расходует на 100 км пробега 100—140 кг берёзовых чурок влажностью 25%