СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ГАЗОВОЙ ИЛИ ГАЗОВО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ Российский патент 2001 года по МПК F02P23/04 H01T13/52 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способам инициирования горения в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в ракетных двигателях, а также может быть использовано для инициирования горения в камерах сгорания топливно-воздушных смесей отработанных технологических и выхлопных газов.

Известен способ инициирования горения газовой и газово-топливной смеси, заключающийся в импульсном энергетическом воздействии на газовую смесь с помощью излучения импульсного лазера (см. [1] I.H.Lee, R Knystautas, N. Yoshikawa "Photochemical initiatin of gaseous detonations" Asta Astronautica 1978, v. 5 p. 971-982).

Недостатком этого способа является низкий КПД лазера, как самостоятельного устройства, и низкий коэффициент поглощения лазерного излучения газовой средой и, кроме того, лазер недостаточно надежен при длительной эксплуатации.

Известен способ инициирования горения газовой и газово-топливной смеси, который также заключается в импульсном энергетическом воздействии на газовую смесь. Это воздействие осуществляют зажиганием искрового разряда в реакционном объеме двигателя, причем для инициирования искрового разряда вне корпуса двигателя размещают источник ультрафиолетового света и световод, которые обеспечивают уменьшение сопротивление зазора между электродами ([2]US пат. N 5237969 F 02 P 23/04 от 24.08.93).

Этот способ требует достаточно сложного конструкционного оформления. Кроме того, способы [1] и [2] имеют общий недостаток: горение происходит здесь из ограниченной области пространства, распространяясь от нее вглубь реакционного объема, т.е. являясь "одномерным" в способе [2] и "двумерным" в способе [1] (где двумерным является сам лазерный луч).

Известен способ инициирования горения газовой и газово- топливной смеси, заключающийся в импульсном воздействии на смесь путем подачи импульсного переполяризующего напряжения на сегнетоэлектрический элемент, размещенный в реакционном объеме (см. [3] RU N 2079700 C1 F 02 P 23/04 от 25.05.97). Способ основан на явлении электронной эмиссии с поверхности сегнетоэлектрика. Чем выше значение переполяризующего поля, тем больше поток электронов. При использовании сегнетоэлектриков семейства цирконата титана свинца достигается эмиссия электронов с плотностью 70 А/см³, что достаточно для инициирования горения.

Способ имеет достоинства, связанные со снижением эрозии элементов зажигания, но не влияет на эффективность сгорания смеси и, соответственно, на эффективность работы двигателя.

Все перечисленные выше способы инициирования горения носят детонационный характер, а это значит, что при определенных условиях они могут при водить к возникновению в реакционном объеме явления детонации, т.е. к распространению реакции горения со скоростью, превышающей местную скорость звука, от ограниченной области пространства (где происходит поджигание) вглубь реакционного объема, содержащего газовую смесь.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание бездетонационного способа инициирования горения газовой или газово-топливной смеси, что позволяет повысить эффективность процесса горения, существенно улучшить работу двигателя, снизить износ деталей двигателя, улучшить экологию при эксплуатации двигателя за счет более полного сгорания топлива и за счет возможности использования бензинов без антидетонационных добавок.

Этот результат достигается тем, что в способе инициирования горения газовой или газово-топливной смеси, заключающемся в энергетическом воздействии на смесь согласно изобретению горение инициируют с одновременной активацией смеси по всему ее объему ультрафиолетовым излучением, с использованием для энергетического воздействия и ультрафиолетового излучения энергии скользящего поверхностного разряда, получаемого при подаче напряжения на электроды, расположенные на поверхности диэлектрика и размещенные в объеме смеси; при инициировании горения газовой смеси, состоящей из выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в реакционный объем дополнительно подают окислитель, например воздух; при инициировании горения газовой смеси, состоящей из бензина и воздуха, перед смешением компонентов воздух дополнительно подвергают воздействию скользящего поверхностного разряда.

Сущность способа заключается в том, что заявленная совокупность признаков обеспечивает полное и бездетонационное сгорание газовой смеси в реакционном объеме за счет одновременного воздействия на смесь плазмы разряда и облучения всего объема газовой смеси ультрафиолетовым излучением путем использования энергии скользящего поверхностного разряда, источник которого - электрический элемент в виде системы электродов, закрепленных на поверхности диэлектрика. Электрический разряд воздействует на межэлектродное газовое пространство с образованием плазмы, а ультрафиолетовое излучение возникает при взаимодействии электрического разряда с поверхностью диэлектрика. Результирующая спектральная структура излучения определяется составом материалов электродов, газовой фазы и материалом диэлектрика, т.к. спектр ультрафиолетового излучения дополняется характеристическими полосами, определяемыми материалом диэлектрика. Излучение с таким спектром меньше поглощается газовой фазой по сравнению с тем, как это происходит в широко используемом в промышленности искровом разряде. Основная доля энергии скользящего поверхностного разряда выделяется здесь именно в виде жесткого ультрафиолетового излучения с поверхности диэлектрика, активно участвующей в разряде, и эффективно действует на весь реакционный объем. Эта энергия, распространяясь со скоростью света по всему реакционному объему в виде УФ-излучения, активирует молекулы газовой смеси также по всему объему, переводит их в возбужденное состояние одновременно с действием разряда между электродами. В результате этого суммарного воздействия реакция горения идет по всему объему единовременно, что и приводит к отсутствию эффекта детонации.

При традиционном способе инициирования горения с помощью искрового разряда, распространение реакции горения происходит из одной точки пространства камеры, т. е. зажигание является "одномерным", и в камере сгорания может возникнуть детонация из-за неравномерного распределения по реакционному объему двигателя температуры и давления, возникающих при осуществлении экзотермических химических реакций. В результате неравномерности воздействия этих факторов может образоваться детонационная волна, т.е. распространение химической реакции горения со скоростью, превышающей местную скорость звука. Для предотвращения образования явления детонации ограничивают степень сжатия в двигателе и тем самым уменьшают эффективность его работы или добавляют антидетонационные присадки в бензин, что вредно влияет на экологию.

При осуществлении заявленного способа инициирования горения газовой смеси за счет активации всего ее объема, химические превращения - реакции окисления (горения), проходят сразу во всем объеме, исключая тем самым образование детонационной волны. Таким образом, имеет место объемное "трехмерное" зажигание, обеспечивающее бездетонационное прохождение реакции горения.

Использование в изобретении энергии скользящего поверхностного разряда, разработанного в качестве источника неравновесной бесстолкновительной плазмы (см. Журнал Технической Физики 1984, т.54, с 1219) позволило создать новый способ "трехмерного" зажигания горючих газовых смесей, обеспечивающий их бездетонационное горение.

Заявленный способ, в отличие от всех известных способов, имеет расширенный спектр применения в двигателестроении. Способ может быть успешно использован не только в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, но также применяться для активации поступающего в цилиндры воздуха. Так, при воздействии на воздух энергии от скользящего поверхностного разряда, под действием УФ-излучения и плазмы происходит его озонирование, и в двигатель поступает не воздушно-бензиновая смесь, а озоно-воздушно-бензиновая смесь. В результате этого реакция горения протекает с еще большей эффективностью и полнотой.

Кроме того, воздействие плазмы разряда между электродами с одновременной активацией УФ-излучением, полученным от скользящего поверхностного разряда, можно с успехом использовать для дожигания выхлопных газов двигателей. Для этого следует дополнительно ввести воздух в объем, в который поступают эти газы (например, в выхлопную трубу автомобиля) и приложить энергию скользящего поверхностного разряда. В результате выхлопные газы будут состоять из практически экологически безвредных компонентов.

Способ иллюстрируется примерами.

ПРИМЕР N 1.

Для подтверждения бездетонационного характера осуществления реакции горения проводят процесс с использованием "гремучего газа" - смеси водорода и кислорода.

В камеру сгорания (1) (см. фиг. 1) помещают смесь водорода и кислорода в объемном соотношении концентраций [H₂] : [O₂] = 2:1, при давлении 1 атм. Внутри камеры размещают элемент для инициирования горения (разрядник). Разрядник имеет внутренний основной электрод (2) в виде цилиндра с расширением, изготовленный из стали Х18Н10Т. Внутренний электрод окружен полым цилиндрическим изолятором (3), изготовленным из кварца. На внешней поверхности изолятора через промежутки располагают второй основной электрод (4) в виде кольца из стали Х18Н10Т и пять промежуточных электродов (5-9), также в виде колец из того же материала. Все промежуточные электроды электрически изолированы как друг от друга, так и от основных электродов.

Процесс инициирования горения в камере сгорания проводят следующим образом: на основные электроды разрядника подают электрическое напряжение U=20 кВ. При этом происходит последовательный пробой промежутков между внутренним основным электродом (1) и промежуточными электродами (5)-(9), а затем и вторым основным электродом (4), т.е. происходит пробой электрических емкостей, имеющихся между указанными электродами (см. эквивалентную электрическую схему на фиг.2). Последовательные разряды, возникшие вследствие пробоев этих межэлектродных промежутков (или эквивалентных емкостей), распространяются по поверхности изолятора (3), причем его молекулы, расположенные вблизи поверхности, принимают участие в образовании спектра УФ-излучения, испускаемого этим поверхностным разрядом.

УФ-излучение, распространяясь со скоростью света от области поверхностного разряда в объем камеры сгорания, возбуждает молекулы горючей газовой смеси. Это приводит к "мгновенному" прохождению реакции горения по всему объему камеры. Время реакции, измеренное при помощи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и фотоэлектронного регистратора (ФЭР) составляет от 5 до 10 мс, по сравнению с обычным временем горения, составляющем от 50 до 100 мс.

Явление детонации при этом не наблюдается и взрыва кислородно-водородной смеси (т.н. "гремучего газа") не происходит.

ПРИМЕР N 2.

В эксперименте используют двигатель автомашины марки ВАЗ 2103, параметры которого приведены ниже. Вместо обычной свечи зажигания, в стандартные отверстия в блоке цилиндров устанавливают специальные разрядники, создающие скользящий поверхностный разряд и позволяющие герметизировать цилиндры двигателя при введении этого разряда внутрь цилиндров.

Вместо положенного по регламенту этилированного бензина марки АИ-93 (с октановым числом 93), в карбюратор подают неэтилированный бензин А-65 (с октановым числом 65).

Зажигание газово-топливной смеси осуществляют указанными специальными разрядниками. Двигатель эксплуатируют в обычных режимах работы. Явление детонации при этом не наблюдается.

Выхлопные газы не содержат продуктов переработки антидетонационных добавок, что снижает токсичность отработанных газов.

Основные параметры двигателя: четырехтактный; карбюраторный; рядный; с верхним расположением распределительного вала; степень сжатия - 8,8; диаметр цилиндра 76 мм; ход поршня 80 мм; рабочий объем цилиндров 1,452 л; номинальная мощность при 5600 об/мин - 77 л.с.; максимальный крутящий момент при 3500 об/мин - 10,8 кГм; максимальное число оборотов холостого хода 700 об/мин; порядок работы цилиндров 1-3-4-2.

ПРИМЕР N 3.

В карбюратор двигателя автомобиля ВАЗ 2103, со специальными разрядниками (создающими скользящий поверхностный разряд), вставленными вместо свечей зажигания, как это описано в ПРИМЕРЕ N2, подают положенный по регламенту бензин АИ-93 (с октановым числом 93).

Зажигание газово-топливной смеси осуществляют указанными специальными разрядниками. Двигатель эксплуатируют в обычных режимах работы.

Мощность двигателя, измеряемая при 5600 об/мин, возрастает здесь до 85 л.с., что свидетельствует о повышении эффективности горения газово-топливной смеси.

Таким образом заявленное изобретение позволяет создать новый тип бездетонационного зажигания двигателей внутреннего сгорания, который существенно увеличивает эффективность работы двигателей, снижает износ деталей двигателя, снижает содержание токсичных веществ в выхлопных газах, позволяет увеличить степень сжатия, повысить экономичность работы двигателя за счет использования низкооктановых дешевых марок бензина в тех видах двигателей, в которых сейчас могут применяться только высокооктановые марки бензина.

Кроме того, изобретение имеет широкий спектр применения. Оно может быть применено в ракетных двигателях; эффективно использоваться при решении задач, связанных с предотвращением или сокращением выбросов в атмосферу токсичных выхлопных газов; а также для повышения КПД использования воздушно-горючих смесей, благоприятно влияющих на эффективность работы двигателей.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в ракетных двигателях, камерах сгорания топливно-воздушных смесей, отработанных технологических и выхлопных газов. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса горения. Способ заключается в инициировании горения с одновременной активацией газовой или газово-топливной смеси по всему объему ультрафиолетовым излучением с использованием для инициирования и ультрафиолетового излучения энергии скользящего поверхностного разряда, источник которого выполнен в виде системы электродов, расположенных на поверхности диэлектрика, и размещен внутри объема смеси. Для инициирования горения газовой смеси выхлопных газов в реакционный объем дополнительно подают газообразный окислитель, например воздух, для инициирования горения смеси бензина с воздухом, перед смешением компонентов воздух дополнительно подвергают энергетическому воздействию скользящего поверхностного разряда с получением озоно-воздушно-бензиновой смеси. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ инициирования горения газовой или газово-топливной смеси, заключающийся в энергетическом воздействии на смесь, отличающийся тем, что горение инициируют с одновременной активацией смеси по всему ее объему ультрафиолетовым излучением, с использованием для энергетического воздействия и ультрафиолетового излучения энергии скользящего поверхностного разряда, получаемого при подаче напряжения на электроды, расположенные на поверхности диэлектрика и размещенные в объеме смеси. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при инициировании горения газовой смеси, состоящей из выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в реакционный объем дополнительно подают окислитель, например воздух. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при инициировании горения газовой смеси, состоящей из бензина и воздуха, перед смешением компонентов воздух дополнительно подвергают воздействию скользящего поверхностного разряда.