СПОСОБ Н.С.КОЗЛОВА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СЖИГАНИЯ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02P15/00 F02P19/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и к устройствам для осуществления предварительной обработки горючей смеси в цилиндре двигателя до ее воспламенения и сжигания и может быть использовано в автомобилестроении с автоматизацией режима работы двигателя на жидком и газообразном топливе.

Известен способ плазменного зажигания бедных горючих смесей, заключающийся в переходе от искрового разряда к дуговому [1]
В данном способе зажигания высокотемпературная плазма распространяется в камере сгорания быстрее, чем при искровом. При этом снижение детонации может быть обеспечено быстрым (автоматическим) опережением зажигания. Для компенсации снижения удельной мощности двигателя при работе на бедной смеси необходимо поднимать степень сжатия и обеспечить мягкое сжигание горючей смеси. Все это не обеспечивается в данном способе. Кроме того, при уменьшении расхода топлива на 14-15% выброс токсичных веществ возрастает на 8-10% а по окислам азота он увеличивается на 60-65% и несгоревшим углеводородам на 75% То есть в данном способе не обеспечивается эффективная работа двигателя на бедных смесях и не только не снижается, а повышается токсичность выхлопных газов.

Известен способ воспламенения и сжигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания путем подачи в цилиндр высокочастотных импульсов высокого напряжения [2]
Недостатком этого способа является то, что при переходе от искрового разряда к высокочастотному факельному последний происходит в узкой полосе-факеле с низкой эффективностью диспергации и ионизации горючей смеси в цилиндре двигателя. В области факела происходит колебание пространственных зарядов вдоль силовых линий поля и за время одного полупериода ионы какого-либо знака не успевают дойти до противоположного электрода (днища поршня). В данном способе действие высокочастотного факельного разряда сводится только к нагреву объема камеры сгорания и цилиндра. Действие данного способа аналогично плазменному способу воспламенения и сжигания горючей смеси, т.е. не обеспечивается эффективная работа двигателя на бедных смесях и не снижается токсичность выхлопных газов.

Целью изобретения является повышение эффективности воспламенения и сжигания бедной горючей смеси и снижение токсичности выхлопных газов с автоматизацией работы двигателя.

Способ заключается в предварительной обработке горючей смеси в цилиндре двигателя до ее воспламенения и зажигания коронным разрядом. Причем коронный разряд создается в цилиндре двигателя во всех режимах (циклах) работы двигателя, а эффективность коронного разряда обеспечивается током накала коронирующего элемента электрода с формой кривой напряжения короны в виде повторяющихся импульсов одной полярности. Накальный элемент коронирующего электрода выполняет роль запальной свечи.

Сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее важными факторами работы двигателя внутреннего сгорания являются экономичность эксплуатации и снижение содержания вредных веществ в отработанных газах. Для компенсации снижения удельной мощности двигателя при работе его на бедной смеси необходимо поднимать степень сжатия и обеспечивать мягкое сжигание горючей смеси. Последнее предотвращает детонацию и может быть обеспечено автоматизацией (опережение или отставание) зажигания. Предлагается автоматизированная система теплового режима работы двигателя на бедной горючей смеси. Это обеспечивается созданием коронного разряда в объеме цилиндра двигателя между свечей накаливания и днищем поршня цилиндра. Напряжение короны подается во всех режимах (циклах) работы и на все цилиндры одновременно.

При обработке бедной горючей смеси в цилиндре двигателя коронным разрядом до воспламенения и сжигания происходит электрокрекинг бензина и пиролиз парообразных углеводородов до газообразных углеводородных продуктов, а при использовании газообразного топлива (предельных углеводородов) их превращение в более легкие (например в ацетилен и этилен). Повышение энтальпии и индикаторного коэффициента полезного действия двигателя обеспечивается добавлением в топливно-воздушную смесь воды (или пара) в соотношениях 1-2% весовых частей воздуха при работе двигателя с использованием холодного и влажного воздуха и до 7-10% с использованием сухого и горячего воздуха. В зависимости от режима работы двигателя подача атмосферного воздуха может уменьшаться или даже полностью прекращена и заменена кислородосодержащим газом и водой (или паром). При этом процентное содержание кислородосодержащего газа может уменьшаться, а воды (или пара) возрастать. Наиболее эффективное использование воды обеспечивается не в смеси с бензином или воздухом, а предварительным впрыскиванием в конце выброса отработанной горючей смеси и начале всасывания новой. Это усложняет устройство двигателя, но повышает эффективность использования воды как охладителя и источника добавочной энергии. При впрыскивании воды, когда поршень находится в верхнем положении, в режиме выпуска отработанных газов (в течение 10 град. до В.М.Т. и 10 град. после В. М.Т. поворота коленчатого вала) при коронном разряде происходит диспергация, диссоциация и ионизация воды. Ионизированная вода в коронном разряде интенсифицирует тепло- и массоперенос от головки цилиндра к цилиндру и поршню. Ионный ветер преодолевает тепловую инерцию и стоячие тепловые волны в объеме цилиндра. При этом в цилиндре создается электронно-ионная плазма (частично переходящая в нейтронную). Вода частично диссоциируется на положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксила с последующим восстановлением первых до молекулярного водорода и окисления вторых до молекулярного кислорода. Молекулярный водород в электрическом поле является охладителем и источником "водородной энергетики", а молекулярный кислород участвует в сжигании топлива. Происходит частичное соединение молекулярных водорода и кислорода с выделением добавочной энергии и образования воды, участвующей в повторных циклах. Недиссоциированная вода в ионной форме переносит тепло на стенки цилиндра и поршень, отдав заряды, используется в повторном цикле. Снижение объема атмосферного воздуха ведет к снижению окислов азота в выхлопных газах. Аналогичные процессы происходят в цилиндре при подаче воды с воздухом или бензином с меньшей эффективностью, чем при прямом впрыскивании. Электрическое поле эффективнее воздействует на более легкую фракцию, производя диспергацию и пиролиз бензина в ионно-радиационной плазме, повышая эффективность использования низкооктанового бензина. Диспергация и электрокрекинг топлива и бензина повышают давление и степень сжатия в камере сгорания, обеспечивая предварительное "холодное" сжигание топлива до его воспламенения.

Для преодоления тепловой инерции (стоячих тепловых волн) в объемном пространстве цилиндра напряжение короны подается в форме импульсов (фиг.1). В режиме всасывания напряжение короны изменяется от напряжения зажигания (V₀) до амплитудного (V_m) с медленным нарастанием и резким спадом /пилообразная форма/. В режиме сжатия напряжение зажигания короны возрастает до V₀₃. Это обусловлено увеличением давления в цилиндре над поршнем. При этом ток короны уменьшается, уменьшается и ионный ветер на поршень и цилиндр, уменьшая охлаждение коронирующего элемента свечи. Подавление короны и снижение тепло- и массопереноса приводит к накалу коронирующего элемента свечи до температуры 400-500^oC, обеспечивая воспламенение горючей смеси. В режиме рабочего хода напряжение короны уменьшается до V₀₂, возрастает ток короны, интенсифицируя процесс пиролиза бензина и углеводородов и процесс сжигания топлива. В режиме выброса отработанных газов ток короны возрастает за счет впрыскивания воды, интенсифицируя тепло- и массоперенос на стенки цилиндра и днище поршня. Снижение температуры газов на стадии выброса снижает окисление азота воздуха и выброс токсичных окислов азота. Ионизация паров воды и газов на стадии выхлопа обеспечивает дожигание углеводородов и уменьшение их выброса. При этом повышается эффективность использования воздуха на бедной горючей смеси, который ранее недоиспользовался. Постоянство подачи напряжения короны на все цилиндры и во всех режимах работы обеспечивает оптимальное воспламенение и сжигание горючей смеси. Оптимизация воспламенения обеспечивается током короны с ростом давления и цилиндра при электрокрекинге бензина и углеводородов. Система зажигания не связана с контактной механической системой и устанавливается с помощью потенциометров регулирования напряжения короны и напряжения накала коронирующего элемента свечи зажигания. Элементной базой получения высокого напряжения короны является известная система электронного зажигания с дополнительным электронным прерывателем первичной цепи высоковольтного трансформатора и последующим двухполупериодным выпрямлением и умножением напряжения до 40 кВ.

Устройство, обеспечивающее осуществление данного способа, представляет собой электрическую свечу накаливания, общий вид которой, с разрезом, показан на фиг.2. Коронный разряд создается между днищем поршня 1 и коронирующим элементом свечи. Свеча вворачивается в корпус головки цилиндра 2 с помощью гайки 3. Между свечой и головкой находится металлическая шайба 4. Электроизоляционная часть свечи состоит из нижней и верхней юбок 5. Материалом, обладающим хорошими электроизоляционными, жаропрочными и термостойкими свойствами и с высокой механической прочностью, может быть, например, игольчатый электрокорунд. Свеча выполняется разборной. Это обеспечивает замену нагревательного элемента, вышедшего из строя. Нагревательный элемент (карандаш) свечи представляет собой две коаксиально вставленные и разделенные слоем термостойкой изоляции 10 трубки 11 из высокоомного материала (нихром, константан, манганин). На конце трубки спай, заостренный в виде конуса-иглы. Высокоомная часть карандаша может быть не вся, а лишь нижняя часть, обеспечивающая выделение джоулева тепла. Наружная трубка карандаша имеет кольцевой упорный выступ 15. Вставляется карандаш в нижнюю часть изоляционной юбки со стороны гаечной резьбы. В верхней части юбки карандаш закрепляется с помощью металлической шайбы 6 и гаек 7. С помощью круглой гайки 8 и изоляционной шайбы 9 закрепляется провод, обеспечивающий подачу напряжения накала свечи 6-12 В от клемм 12 и 13 и клеммы 14 высоковольтного потенциала. Клеммой 14 корпус двигателя заземляется. Центральная токоведущая часть нагревателя может быть выполнена в виде стержня 11 (фиг.3). Коронирующий элемент 17 нагревателя может быть выполнен из проволочного высокоомного материала (фиг. 4), закрепленного на наружной трубке 16. На фиг.5 показано направление тока накала коронирующего элемента свечи, от центрального стержня к наружной токонесущей трубке. Нагреваемый коронирующий элемент имеет форму сегмента из заточенной на острие высокоомной проволоки.

Применительно к предлагаемому способу изучалось изменение параметров поля коронного разряда при создании ионно-радиационной плазмы. На модели, состоящей из системы электродов, провод в цилиндре (применительно к игольчатой электрической свечи накаливания и цилиндру двигателя) измерялся ток короны в зависимости от напряженности поля и температуры всей системы. Система электродов помещалась в термостат, температура которого изменялась от 10 до 550^oC. При этом обеспечивался доступ атмосферного воздуха и возможность впрыскивания воды. При снятии вольтамперных характеристик с нагревом коронирующего электрода и нагревом всей системы в печи термостата было установлено возрастание тока в два раза по сравнению с холодной системой. Дальнейшее увеличение тока возможно с увеличением напряжения накала электрода, т. е. разогревом коронирующего электрода до температуры 700-1500^oC с увеличением напряженности поля и увеличением частоты пульсаций тока короны. Это ведет к усложнению конструкции двигателя и дополнительным энергозатратам, а тем более в мобильных системах. Этот режим может быть использован только при запуске холодного двигателя. Разогрев всей системы дал увеличение тока короны в два и более раза по сравнению с нагревом электрода при пропускании по нему тока накала и на несколько порядков по сравнению с холодной системой. Изменение тока короны в зависимости от напряженности поля и температуры приведено в таблице. Из данных следует, что при одной и той же напряженности поля ток короны возрастает на два и более порядка. Однако наблюдаются провалы тока (уменьшение при температуре от 42 до 85^oC) при напряженностях поля до 2,8 кВ/см. И полное насыщение тока (прекращение роста) при напряженности поля, превышающей 2,8 кВ/см, и температуре системы от 350 до 550^oC. Впрыскивание воды при напряженности поля 3,2 кВ/см и температуре системы 350-400^oC дает увеличение тока более чем на три порядка по сравнению с холодной системой. Из данных следует, что оптимальным режимом получения ионно-радиационной плазмы является: напряженность поля 3 кВ/см, температура системы 300-400^oC при впрыскивании воды до 2-4% весового состава воздуха. Данный температурный режим вписывается в температурный режим работы двигателя (в конце такта выброса отработанных газов и начала всасывания), который доиспользует его по тепловому балансу.

Применение предлагаемого способа обеспечивает качественное регулирование мощности двигателя путем автоматизации процесса зажигания топлива, обеспечивая его экономию на 14-18% и уменьшение токсичности выхлопных газов.

Использование: двигатели, работающие на жидком и газообразном топливе. Сущность изобретения: способ заключается в предварительной обработке горючей смеси в цилиндре двигателя до ее воспламенения и сжигания коронным разрядом в ионно-радиационной плазме путем нагрева коронирующего элемента при пропускании по нему тока накала, причем напряжение короны подается на всех тактах работы двигателя и имеет форму повторяющихся импульсов одной полярности. Накальный элемент коронирующего электрода выполняет роль запальной свечи. Способ и устройство обеспечивают экономию топлива и уменьшение токсичности выхлопных газов. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Способ воспламенения и сжигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в подаче импульсов высокого напряжения между центральным электродом свечи и днищем поршня, отличающийся тем, что производится предварительная обработка горючей смеси в цилиндре двигателя до ее воспламенения и сжигания коронным разрядом в ионно-радиационной плазме путем нагрева коронирующего элемента при пропускании по нему тока накала, причем напряжение короны подается на всех тактах работы двигателя и имеет форму повторяющихся импульсов одной полярности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в цилиндр впрыскивается вода или пар при верхнем положении поршня в интервале от 10^o до верхней мертвой точки до 10^o после верхней мертвой точки на такте выпуска отработанных газов. 3. Устройство для воспламенения и сжигания горючей смеси, представляющее собой запальную свечу накаливания, отличающееся тем, что в свече конструктивно совмещены коронирующая и запальная части. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что свеча выполнена разборной с возможностью замены рабочего органа.