СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B47/02 F02M27/04 F02M57/06 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления процессом образования, воспламенения и горения рабочей смеси как в карбюраторных двигателях, так и в дизелях.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что в воздух, засасываемый в цилиндры, добавляют присадку к топливу в количестве, изменяемом по нагрузке и частоте вращения двигателя /1/.

Недостатком такого способа является то, что, смешиваясь с воздухом, присадка снижает удельную теплоемкость заряда смеси, увеличивая тепловые потери в процессе сгорания.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу водяного пара в камеру сгорания и последующее разложение его на водород и кислород под действием электрической дуги разряда при высоком давлении и высокой температуре /2/.

К недостатку этого способа следует отнести наличие больших энергозатрат на разложение молекул воды, поскольку энергия диссоциации распада воды на кислород и водород приблизительно равна 57 ккал/моль.

Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска в цилиндр свежего заряда, его сжатия, воспламенения топлива с одновременной подачей многоатомного газа в камеру сгорания в конце сжатия заряда, сгорания, впрыска воды с одновременной подачей одноатомного газа в камеру сгорания по достижении в последней максимальных давления и температуры, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов из цилиндра /3/.

Недостатком этого способа являются сложность реализации указанного процесса, который к тому же предполагает дополнительный расход энергии при работе двигателя, обусловленный затратами энергии на впрыск воды в камеру сгорания при достижении в последней максимальных давления и температуры.

Кроме того, следует заметить, что эффективность работы двигателя внутреннего сгорания - его мощность и экономические показатели - в значительной мере определяются и лимитируются особенностями процесса сгорания, качество которого предопределяется, в основном, составном рабочей смеси и оптимальным для протекания предпламенных реакций и горения размещением в камере сгорания компонентов этого состава. В известном способе большая часть операций выполняется после сгорания смеси, что не позволяет надеяться на сколько-нибудь существенное повышение экономичности двигателя, работающего по этому способу.

Целью изобретения является повышение экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания путем проведения в последнем более качественного термохимического процесса преобразования энергии.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, использующего термохимический процесс преобразования рабочего тела - смеси с одним, по крайней мере, жидким компонентом, и включающего образование смеси, ее воспламенение в камере сгорания в конце такта сжатия и сгорание, сопровождающееся повышением температуры и давления, и последующий отвод тепла, управление термохимическим процессом осуществляют посредством варьирования энергии плазмы, которую формируют в находящемся в камере сгорания жидком компоненте путем создания в последнем электрического разряда, а также использования в качестве жидкого компонента воды, окислителя и топлива.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие операции:
- формирование в находящемся в камере сгорания жидком компоненте плазмы путем создания в последнем электрического разряда;
- испарение части жидкого компонента и диспергирование неиспарившейся его части за счет энергии, выделяющейся в канале плазмы;
- турбулизирование в камере сгорания смеси дисперсной фазой жидкого компонента;
- образование из дисперсной фазы жидкого компонента теплоизолирующей пленки на внутренней поверхности камеры сгорания;
- испарение теплоизолирующей пленки;
- инициирование воспламенения смеси в камере сгорания за счет температуры и давления в канале плазмы;
- сгорание смеси;
- завершение испарения теплоизолирующей пленки;
- отвод тепла продуктов сгорания.

По сравнению со способом прототипа предлагаемый способ обладает следующими преимуществами.

Варьирование энергией плазмы возможно за счет изменения параметров (амплитуды и длительности) высоковольтного импульса, подаваемого от разрядного контура на контакт. Высоковольтный разряд в жидкости представляет собой процесс быстрого преобразования энергии электрического поля в механическую работу, характеризующийся тем, что в определенном объеме, называемом каналом разряда, в течение весьма малого промежутка времени образуется высокая плотность энергии. При этом разрядный канал, являющийся источником (излучателем) импульсов давления, представляет собой плотную низкотемпературную плазму (Наугольник К.А., Рой Н.А. "Электрические разряды в воде". М., Наука, 1971).

Механизм образования канала заключается в том, что от места локального выделения энергии распространяется ударная волна, за фронтом которой происходят ионизационные процессы, приводящие к формированию плазменного канала (Климкин В. Ф. и др. "Исследование импульсного электрического пробоя жидкостей с помощью оптической интерферометрии". Журнал технической физики, 1979, 49, вып. 9, с. 1896-1904).

Возможность варьирования в достаточно широком диапазоне величиной и скоростью ввода энергии в плазменный поршень (канал) позволяет эффективно управлять стадиями термохимического процесса путем преобразования энергии плазмы в механическую, внутреннюю энергию смеси, волн сжатия и т.п.

Испарение части жидкого компонента за счет энергии, выделяющейся в канале плазмы, способствует повышению температуры свежей смеси, что вызывает увеличение скорости распространения пламени. Диспергирование неиспарившейся части этого компонента непосредственно в камере сгорания снижает энергетические затраты по сравнению с распылением жидкости извне.

Турбулизирование в камере сгорания смеси дисперсной фазой жидкого компонента улучшает сгорание смеси.

Образование из дисперсной фазы жидкого компонента теплоизолирующей пленки на внутренней поверхности камеры сгорания уменьшает отток тепла через стенки камеры.

Испарение теплоизолирующей пленки способствует образованию паров у поверхности камеры сгорания, которые имеют значительно меньший по сравнению с жидкостью коэффициент теплопроводности, что позволяет аккумулировать тепло в заряде смеси при сгорании.

Инициирование воспламенения смеси в камере сгорания за счет температуры и давления в канале плазмы стабилизирует процесс сгорания в начальной фазе и уменьшает его длительность, поскольку инициирование разрядов в жидкости происходит в течение весьма коротких промежутков времени (порядка нескольких микросекунд), требует небольшого расхода энергии (приблизительно нескольких джоулей) и воспроизводится с высокой стабильностью, а распространяющаяся волна сжатия интенсифицирует скорость распространения пламени по всему объему смеси.

Завершение испарения теплоизолирующей пленки к моменту полного сгорания смеси позволяет задействовать на теплоту испарения диффузное излучение горящей смеси, что уменьшает теплопотери.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема двигателя внутреннего сгорания, работающего по предлагаемому способу.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен поршень 2, образующий с головкой 3 камеру 4 сгорания, соприкасающуюся внутренней поверхностью с продуцирующей пар 5 дисперсной фазой 6, которая получена диспергированием порции 7 жидкого компонента плазможидкостным диспергатором (ПЖД) 8, включающим соответственно отрицательный и положительный электроды 9, 10, контакт 11 для подачи на последний высокого напряжения, клапан 12, трубку 13 и канал 14 для подвода жидкого компонента в межэлектродное пространство.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем.

Рассмотрим сначала работу карбюраторного двигателя.

Во время всасывания в цилиндр 1 свежей смеси - топлива с воздухом - открывают клапан 12 и через трубку 13 и канал 14 подают порцию 7 жидкого компонента (например, воды) в пространство между электродами 9 и 10 и закрывают клапан 12. Пройдя нижнюю мертвую точку, поршень 2 начинает сжимать смесь, в результате чего давление в камере 4 сгорания, а следовательно, и на поверхности порции 7, возрастает. Величина этого давления обусловлена степенью сжатия.

В конце такта сжатия подают на контакт 11 импульс высокого напряжения (например, от разрядного контура), которое поступает на электрод 10. Под действием высокого напряжения внутри порции 7 жидкого компонента происходит электрический разряд, приводящий к формованию плазмы. Сначала роль жидкой порции сводится главным образом к торможению расширения плазменного канала, благодаря чему увеличивается плотность выделяющейся в плазме энергии, приводящей к быстрому росту температуры и давления плазмы в канале. Приближенно можно считать, что энергия, выделяющаяся в плазменном канале, идет в основном на нагрев вещества в канале разряда и на работу расширения канала, при этом вследствие быстрого нагрева и высокого давления получается некоторый перегрев жидкости.

Испаряют часть порции жидкого компонента теплом плазмы и диспергируют неиспарившуюся часть жидкого компонента посредством появляющейся внутри последнего волны сжатия.

Турбулизируют полученной дисперсной фазой 6 жидкого компонента смесь в камере сгорания путем переноса этой фазы в периферийную часть камеры 4.

Образуют из дисперсной фазы 6 теплоизолирующую пленку на внутренней поверхности камеры сгорания, которую испаряют, продуцируя пар 5.

Инициируют воспламенение смеси в камере 4 сгорания распространением в последней волны сжатия, что ускоряет разогрев смеси и протекание химических реакций, приводящих к воспламенению.

Производят сгорание смеси, которое будет протекать очень быстро, поскольку на первой стадии распространения фронта пламени образуются новые волны сжатия, которые будут двигаться впереди него, разогревая и уплотняя смесь. Нагрев смеси ускоряет химическую реакцию, благодаря чему скорость распространения пламени возрастает. С ускоряющегося фронта будут исходить все более интенсивные волны сжатия, и процесс, таким образом, станет самоускоряющимся.

Завершают испарение теплоизолирующей пленки к моменту скончания горения, используя на испарение тепловое диффузное излучение (в том числе и световое) сгораемого заряда.

Отводят тепло продуктов сгорания в выхлопную систему по окончании рабочего хода поршня 2.

Следует заметить, что если в известных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием критическая мощность искры, требуемая для воспламенения, весьма сильно зависит от давления и состава смеси, то разряды в жидкости под действием высокого напряжения происходит с высокой стабильностью и не подвергаются влиянию указанных факторов. Нормализация развития процесса сгорания в начальной фазе и сокращение его длительности приводят к уменьшению угла опережения зажигания (впрыска), что дает возможность подготовить смесь к процессу горения более сжатой, а также уменьшить противодействие движению поршня в конце такта сжатия. Кроме того, расширяются пределы возможного обеднения смеси, при которых сохраняется устойчивая работа двигателя, что способствует регулированию мощности путем обеднения смеси, являющемуся термодинамически более выгодным, чем дросселирование.

Если вместо воды в ПЖД 8 ввести топливо, то становится возможным проведение двухфазной подачи топлива. Для этого в двигатель на впуске подают такое количество карбюрированного топлива, которое в процессе сжатия не могло бы воспламениться, то есть заполняют цилиндр 1 бедной однородной топливовоздушной смесью. В конце такта сжатия формируют описанным выше способом плазму, испаряют и диспергируют порцию указанного топлива, в результате чего бедная топливо-воздушная смесь обогащается и воспламеняется. Использование двухфазного процесса подачи топлива способствует увеличению степени сжатия карбюраторных двигателей, в которых до настоящего времени применение высоких степеней сжатия было невозможным из-за предварительного самовоспламенения рабочего заряда, а следовательно, невозможным было и устранение основного недостатка - относительно высокого по сравнению с дизелями удельного расхода топлива.

Введение в ПЖД окислителя, например фэтерола, представляющего собой смесь метилтретбутилового эфира и третбутилового спирта (см. ИР N 2, 1995, с. 12), улучшит сгорание обогащенной смеси.

Рассмотрим теперь работу по описанному способу дизеля.

Применительно к такому двигателю сущность способа заключается в следующем.

В конце такта сжатия за счет энергии плазмы испаряют часть подаваемой в межэлектродное пространство порции топлива, а основную его массу превращают в дисперсную фазу, которая затем в виде испаряющейся пленки оседает на внутренней поверхности камеры сгорания. Постепенно испаряясь, эта пленка служит источником паров топлива. Заметим (см., например, Вырубов Д.Н. Проблема смесеобразования в двигателях с воспламенением от сжатия. Повышение мощности и экономичности двигателей внутреннего сгорания. М., Машгиз, 1957), что скорость испарения топлива с поверхности пленки не меньше, чем при его распределении по объему воздушного заряда в виде капель того же диаметра, что и толщина пленки.

Образующиеся горячие продукты сгорания с меньшей плотностью движутся к центральной части камеры сгорания, а оставшийся воздух оттесняется к стенкам, где снова смешивается с парами топлива. При этом горят лишь пары топлива, которые, испаряясь, охлаждают стенку. Поскольку самую низкую температуру пламя имеет у своего основания, а самую высокую температуру - на вершине, то центральная часть заряда будет наиболее горячей. Описываемый процесс смесеобразования и сгорания в дизеле сходен с протеканием М-процесса (см., например, Гершман И.И. Смесеобразование и сгорание в дизеле при испарении топлива с поверхности камеры сгорания (М-процесс). Труды НАМИ. Вып. 1, 1959). Однако, достигая того же эффекта в отношении мягкости, полноты сгорания и снижения требований к качеству топлива, как и при М-процессе, он свободен от недостатков последнего, которые заключаются в затрудненном пуске холодного двигателя и недостаточно устойчивой работе на холостом ходу.

Для устранения этих недостатков следует несколько уменьшить порцию топлива и увеличить энергию плазмы, испаряя и превращая тем самым большую его часть в пар от энергии плазмы, так как испарение дисперсной фазы с холодных стенок камеры сгорания становится малоэффективным.

В заключение надо сказать, что энергию для инициирования разряда в жидком компоненте можно получать с помощью термоэлементов, используя тепло выхлопных газов, при этом тепло, выделяющееся на охлаждаемом спае термоэлемента, отдавать подаваемому в ПЖД жидкому компоненту, например воде.

Использование изобретения позволит повысить мощность и экономичность двигателя внутреннего сгорания и даст экономический эффект.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1262080, кл. F 02 M, 25/00, 1984 - аналог.

2. Патент РФ N 1784067, кл. F 02 B, 47/02 - аналог.

3. Патент РФ N 2002083, кл. F 02 B, 47/00, 1993 - прототип.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления процессом образования, воспламенения и горения рабочей смеси как в карбюраторных двигателях, так и в дизелях. Сущность изобретения заключается в том, что подготовку к сгоранию смеси и ее воспламенение производят с помощью плазмы, которую получают непосредственно в камере сгорания двигателя электрическим разрядом в жидком компоненте смеси. Изобретение обеспечивает повышение экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания путем проведения в последнем более качественного термохимического процесса преобразования энергии. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, использующий термохимический процесс преобразования рабочего тела - смеси с одним, по крайней мере, жидким компонентом, и включающий образование смеси, ее воспламенение в камере сгорания в конце такта сжатия и сгорание, сопровождающееся повышением температуры и давления, и последующий отвод тепла, отличающийся тем, что управление термохимическим процессом осуществляют посредством варьирования энергии плазмы, которую формируют в находящемся в камере сгорания жидким компоненте путем создания в последнем электрического разряда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого компонента используется вода. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве жидкого компонента используется топливо. 4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве жидкого компонента используется окислитель.