СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
METHOD OF IMPROVEMENT OF TECHNICAL AND ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SPARK IGNITION

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, в частности к способам повышения эффективности процессов извлечения химической энергии топлива и ее преобразования в механическую работу, и может использоваться в бензиновых и газовых двигателях транспортных средств и первичных источников энергии мощностью более четырех киловатт.
В настоящее время наиболее перспективными способами существенного снижения удельного расхода топлива и токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием считаются использование бедных топливовоздушных смесей и применение альтернативных топлив [1, 2]. Переход на газообразные топлива (водород, природный газ, пропан и пропан-бутан) порождает проблемы транспортировки и хранения (особенно криогенного топлива), обостряет проблему безопасной эксплуатации транспортных средств. Использование этого вида топлива требует модернизации самого транспортного средства, системы питания и системы зажигания двигателя, приводит к уменьшению величины пробега на одной заправке и в целом сдерживается отсутствием соответствующих инфраструктурных компонентов [3, 4]. Водород как топливо, с одной стороны, имеет самую высокую массовую энергоплотность, в смеси с воздухом - самые широкие пределы воспламенения и самую низкую токсичность отработавших газов, а с другой - малую объемную энергоплотность (по этому параметру он уступает бензину даже в сжиженном виде), чрезвычайно высокие проникающую способность, взрыво- и пожароопасность. Его широкому применению в качестве топлива на транспорте препятствуют необходимость внесения изменений в конструкцию двигателя и отсутствие соответствующих производственных мощностей и инфраструктурных компонентов. Введение в рабочую смесь небольшого количества водорода снижает удельный расход основного топлива и токсичность выбросов по СО. Содержание NO в выхлопных газах увеличивается [4, 5].
В сравнении с работой двигателя на бензине, использование оксигенатных (спиртовых) и смесевых (спирто-бензиновых) топлив снижает выбросы угарного газа, но повышает удельный расход топлива и до четырех раз увеличивает выброс с выхлопными газами остатков углеводородов. Их широкому применению в качестве топлива на транспорте препятствует отсутствие соответствующих производственных мощностей и инфраструктурных компонентов [6, 7].
Применение углеводородных газообразных топлив и бедных воздушно-бензиновых смесей порождает проблемы воспламенения и устойчивости горения. Эти проблемы решаются воздействием на воздух и (или) топливо электрическим и магнитным полями, а на топливо-воздушную смесь в целом - электрическим разрядом большей мощности и большей продолжительности [8-12].
c
c
c
c
c
Известен способ регулирования и работы бензинового двигателя внутреннего сгорания, содержащего, по меньшей мере, один цилиндр, в соответствии с которым уменьшают стандартный объем камеры сгорания двигателя, выпускаемого заводом-изготовителем, и увеличивают степень сжатия, определяют величину k коэффициента уменьшения объема камеры сгорания как отношение объема уменьшенной камеры сгорания к объему стандартной камеры сгорания, уменьшают проходное сечение впускного тракта на величину, кратную k, уменьшают величину хода впускного клапана, обеспечивая уменьшение подачи рабочего заряда в цилиндр кратно k, обеспечивают уменьшение величины хода выпускного клапана на величину, кратную k, и кратно k уменьшают угол опережения зажигания. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия, снижение расхода топлива и увеличение эффективности работы двигателя (см. Патент RU 2206775 С1, 20.06.2003). Недостатком аналога является необходимость кардинального изменения конструкции двигателя.
Также известен способ снижения потерь энергии в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, заключающийся в том, что: энергия разряда катушки зажигания уменьшена вплоть до величины, достаточной только для достижения пробивного напряжения; сопротивление высоковольтной цепи уменьшено вплоть до значений менее 10 Ом; последовательно с высоковольтной обмоткой катушки зажигания включен конденсатор, являющийся основным источником энергии электроискрового разряда, который разряжается через малые сопротивления высоковольтной цепи и «пробитого» искрового промежутка. Технический результат при использовании данного изобретения заключается в снижении потерь энергии в системе зажигания, улучшении процесса воспламенения, увеличении скорости и полноты сгорания горючих смесей различного состава, исключении детонации, улучшении мощностных и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания (см. Патент RU 2364744 С2, 03.07.2007). Недостатками второго аналога являются: высокая сложность реализующего способ устройства и однополярный ток основной части разряда, что при увеличении выделяемой в электроискровом промежутке энергии приводит к снижению срока службы высоковольтных элементов системы зажигания.
Известен также способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания и коммутатор системы зажигания двигателя внутреннего сгорания. Сущность способа заключается в том, что на электроды свечи зажигания подают переменное напряжение, полученное за счет колебательного разряда накопительного конденсатора, подключенного через ключ к первичной обмотке катушки зажигания, при этом предотвращают прохождение постоянной составляющей напряжения из цепи первичной обмотки катушки во вторичную обмотку, а ключ поддерживают в замкнутом состоянии в течение времени, равного по меньшей мере двум периодам колебаний. Реализация способа осуществляется коммутатором, включающим: повышающий преобразователь напряжения, накопительный конденсатор, тиристорный ключ с обратным диодом и схему управления им. Накопительный конденсатор через открытый ключ соединяется с первичной обмоткой катушки зажигания, образуя с ней колебательный контур. Схема управления тиристорным ключом содержит элементы, настраиваемые для надежного открывания и закрывания тиристорного ключа. Коммутатор дает возможность получать в свече зажигания искровой разряд требуемой длительности, надежно воспламеняющий топливно-воздушную смесь (см. Патент RU 2056521 С1, 20.03.96). Недостатками третьего аналога являются: ставка не на мощность искрового разряда, а на его длительность, что не позволяет кардинально снизить период индукции воспламенения, уменьшить угол опережения зажигания и более эффективно преобразовать извлеченную из топлива энергию в механическую работу; низкая эффективность передачи накопленной энергии в искровой разряд из-за большого сопротивления высоковольтной цепи и, наконец, реализация силового ключа двумя полупроводниковыми приборами, что снижает надежность устройства.
В качестве прототипа выбран способ улучшения характеристик двигателя внутреннего сгорания и применение системы зажигания для согласования скорости протекания рабочего процесса в камере сгорания двигателя с режимом его работы, заключающийся в том, что на подготовленную и сжатую в камере сгорания рабочую смесь воздействуют электроискровым разрядом через (10…20) градусов после прохода поршнем верхней мертвой точки такта сжатия, а энергию разряда в зависимости от числа оборотов коленчатого вала и нагрузки на нем изменяют от 0,1 до 1,5 Дж в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на нем (см. Патент RU 2086798 С1, 16.02.93). К недостаткам прототипа относятся: ориентация лишь на двигатели с внешним смесеобразованием, управление характером рабочего процесса в камерах сгорания лишь изменением энергии искрового разряда, что приводит к необоснованным ее (энергии) затратам, и отсутствие ориентации на использование обедненных рабочих смесей.
-9
-6
-13
Известно и следующее. Горение - есть реакция окисления с выделением тепла и света. Частицами реагентов являются не молекулы, а радикалы (части молекул, атомы). Элементарный акт реакции окисления, протекающей в течение нескольких микросекунд, требует не только столкновения химически активных частиц, но и перестройки ковалентных связей между атомами. В двигателях внутреннего сгорания, работающих на легком топливе (бензин, газ), воспламенение рабочей смеси в камерах сгорания осуществляется электрической искрой. Активными факторами искрового разряда являются: удар разогнанными электрическим полем электронами, выделяемое при прохождении электрического тока тепло и звуковая волна [13, 14]. Известно также, что накопленная системой зажигания энергия распределяется между пробоем искрового промежутка свечи зажигания, емкостной и индуктивной фазами искрового разряда. Пробой длится порядка 10 с, емкостная фаза - порядка 10 с, а индуктивная фаза - от 400 мкс до 3,2 мс [12]. Основным механизмом воздействия пробоя на компоненты рабочей смеси является разрыв связи между атомами в молекулах электронным ударом, происходящий во время их столкновения (порядка 10 c). Основным механизмом воздействия емкостной и индуктивной фазы искрового разряда на компоненты рабочей смеси является тепловой удар, приводящий к термической диссоциации молекул, значительно уступающей по эффективности электронному удару [11-14].
3
3
3
3
3
В традиционных системах зажигания коэффициент использования энергии при пробое искрового промежутка составляет порядка 0,94, в емкостной фазе - 0,5, а в индуктивной фазе - 0,3 [12]. Сравнительная оценка энерговкладов периодов искровых разрядов батарейных систем зажигания (количества энергии, выделяемой в единице объема) показала, что при пробое все они обеспечивают разрушение молекул кислорода и всех видов межатомных связей в молекулах углеводородных топлив, не обеспечивая, однако, полной диссоциации молекул сжиженных газовых топлив и бензина автомобильного. Наибольшим энерговкладом пробоя в инициирование рабочего процесса (порядка 90 МДж/мм) обладает бесконтактная система зажигания, а наименьшим (порядка 25 МДж/мм) - экспериментальная конденсаторная система зажигания. Наибольший энерговклад емкостной фазы разряда в инициирование рабочего процесса (до 43 кДж/мм) вносит экспериментальная конденсаторная система зажигания. При этом она же имеет и ощутимо больший энерговклад индуктивной фазы в инициирование рабочего процесса (6 кДж/мм против 1,3 кДж/мм в системе зажигания повышенной энергии) [15].
Результаты макетных испытаний
Действующий макет экспериментальной конденсаторной системы зажигания МЗ-41 построен по стандартной схеме для систем зажигания с накоплением энергии в емкости. Однако вместо традиционного тиристора для коммутации использовался симистор. В качестве накопительной емкости использовалась батарея конденсаторов суммарной емкостью 1,0 мкФ, а в качестве импульсного высоковольтного трансформатора - катушка зажигания 3122.3705. Конденсатор заряжался до напряжения (750…800) В. Работоспособность устройства проверялась в нормальных климатических условиях на разряднике с воздушным промежутком 15 мм. В цепь разряда относительно массы включался измерительный резистор сопротивлением 10,1 Ом (в нагретом состоянии). Падение напряжения на измерительном резисторе фиксировалось осциллографом Tetronix TD 3052 В с фильтрацией входного сигнала и запоминанием изображений при развертках, позволяющих выделить интересующие периоды искровых разрядов. На частотах искрообразования в диапазоне (16…200) Гц емкостная фаза электроискровых разрядов носила затухающий колебательный характер с частотой порядка 30 МГц, ее длительность составляла (100…320) нс, а максимальная амплитуда тока - (12…43) А. Индуктивная фаза электроискровых разрядов носила также затухающий колебательный характер с частотой порядка 11 кГц, ее длительность составляла (360…450) мкс, а максимальная амплитуда тока - (0,45…0,66) А [15]. По результатам макетных испытаний сделано предположение о благотворном влиянии на процесс воспламенения повышенной энергии, а также дополнительного воздействия ультразвуковыми (емкостная фаза разряда) и звуковыми (индуктивная фаза разряда) колебаниями.
Задачей заявляемого изобретения является согласование скорости протекания рабочего процесса в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием с режимом его работы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе предусмотрены следующие отличия. В каждом цикле работы двигателя накапливают порядка 0,15…0,3 Дж энергии и формируют два искровых разряда. Первым искровым разрядом инициируют воспламенение рабочей смеси, а вторым - воздействуют на продукты неполного сгорания топлива за фронтом пламени. Предлагаемый способ отличается и тем, что диапазон регулирования угла зажигания сокращают пропорционально отношению накапливаемых энергий новой и штатной системами зажигания, а воспламенение рабочей смеси осуществляют электроискровым разрядом, емкостная и индуктивная фазы которого представляют собой дуговые разряды переменного тока.
Благодаря мощному комплексному энергетическому воздействию на молекулы компонентов свежей рабочей смеси при инициировании рабочего процесса, сужению диапазона регулирования угла зажигания, мощному энергетическому воздействию на продукты неполного сгорания топлива, в совокупности с уменьшением сопротивления высоковольтной цепи до значений порядка единиц Ом достигаются следующие технические результаты:
- облегченный запуск двигателя при низкой температуре,
- увеличение мощности и приемистости двигателя,
- возможность использования обедненных рабочих смесей,
- многократное снижение токсичности отработавших газов благодаря мощному электроискровому инициированию рабочего процесса до прихода поршня в верхнюю мертвую точку такта сжатия и мощному электроискровому воздействию на продукты неполного сгорания топлива за фронтом пламени во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на нем,
- существенное снижение удельного расхода топлива при мощном электроискровом инициировании рабочего процесса после прохода поршнем верхней мертвой точки такта сжатия и мощном электроискровом воздействии на продукты неполного сгорания топлива за фронтом пламени во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на нем.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемыми техническими результатами существуют следующие причинно-следственные связи.
Повышение энерговклада искрового разряда в пробой искрового промежутка приводит к увеличению энергии разгоняемых электрическим полем свободных электронов и, следовательно, к повышению эффективности процесса подготовки молекул реагентов (веществ, участвующих в реакции) к вступлению в реакции окисления.
Переменный ток и дуговой характер емкостной и индуктивной фазы инициирующего искрового разряда, наряду с термическим, обеспечивает дополнительно механическое (ультразвуковое с частотой порядка 33 МГц, а затем звуковое с частотой порядка 11 кГц) воздействие на колебательные уровни молекул реагентов. Повышение энерговклада инициирующего искрового разряда в целом приводит к увеличению объема, охватываемого искровым разрядом, к повышению химической активности молекул компонентов рабочей смеси, к сокращению периода индукции воспламенения и увеличению скорости формирования фронта пламени. За этим немедленно следуют: возможность использования обедненных рабочих смесей и сужение диапазона регулирования угла зажигания.
Воздействие на продукты неполного сгорания и избыточный кислород вторым искровым разрядом способствует завершению реакций окисления за фронтом пламени, а на продукты неполного окисления азота, углерода и серы - восстановлению исходных химических элементов.
В этих условиях инициирование рабочего процесса до прихода поршня в верхнюю мертвую точку такта сжатия, во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки на нем, обеспечивает высокую температуру начала воспламенения, наилучшие условия для сгорания топлива и, следовательно, минимальную токсичность отработавших газов. Инициирование рабочего процесса после прохода поршнем верхней мертвой точки такта сжатия, во всем диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки на нем, приводит к менее эффективному сгоранию топлива и увеличению, относительно минимума, токсичности отработавших газов. Однако за счет исключения механических потерь, возникающих из-за раннего поджига, смещения основной фазы горения на такт расширения и лучших условий преобразования давления продуктов сгорания над поршнем в механическую работу, обеспечиваются минимальный удельный расход топлива, максимальная мощность и приемистость. Инициирование рабочего процесса в районе верхней мертвой точки такта сжатия позволяет найти компромисс между технической и экологической эффективностями работы двигателя.
Сущность предложенного способа и варианты его технической реализации поясняются рисунками, на которых:
На фиг.1 представлены осциллограммы исследования экспериментальной конденсаторной системы зажигания на частоте искрообразования 50 Гц при развертке осциллографа, позволяющей выделить емкостную фазу искрового разряда. В верхней части рисунка проиллюстрирован порядок определения частоты колебаний тока и времени действия емкостной фазы разряда по осциллограмме падения напряжения на измерительном резисторе сопротивлением 10,1 Ом, включенном в высоковольтную цепь относительно массы. В нижней части рисунка проиллюстрирован процесс определения максимальной амплитуды тока емкостной фазы разряда по осциллограмме падения напряжения на том же измерительном резисторе.
На фиг.2 представлены осциллограммы исследования экспериментальной конденсаторной системы зажигания на частоте искрообразования 50 Гц при развертке осциллографа, позволяющей выделить индуктивную фазу искрового разряда. В верхней части рисунка проиллюстрирован порядок определения частоты колебаний тока и времени действия индуктивной фазы разряда по осциллограмме падения напряжения на измерительном резисторе сопротивлением 10,1 Ом, включенном в высоковольтную цепь относительно массы. В нижней части рисунка проиллюстрирован порядок определения максимальной амплитуды тока индуктивной фазы разряда по осциллограмме падения напряжения на том же измерительном резисторе.
На фиг.3 изображена схема электрическая соединений устройств, реализующих заявляемый способ при низковольтном распределении энергии зажигания по цилиндрам четырехцилиндрового двигателя наземного транспортного средства или первичного источника механической энергии с двумя двухискровыми катушками зажигания. Она содержит: задатчик режима использования двигателя 4, выходы которого подключены к входу микропроцессорной системы управления двигателем (МПСУД) 3 с отключенным датчиком наличия в отработавших газах свободного кислорода; схему управления 5, входы которой подключены к выходам управления зажиганием МПСУД 3; повышающий преобразователь напряжения 6 с встроенным выпрямителем, вход которого подключен к первому выходу схемы управления 5; развязывающие диоды 7, анодами подключенные к выходу преобразователя 6; два полупроводниковых ключа с двусторонней проводимостью 8, управляющие выводы которых подключены ко второму и третьему выходам схемы управления 5, стоки - к катодам диодов 7, а истоки - к массе; накопительные конденсаторы 9, одними выводами подключенные к стокам полупроводниковых ключей 8, а другими - к первичным обмоткам двухискровых катушек зажигания 10. Вторые выводы первичных обмоток катушек зажигания подключены к массе. При включении ключа 2 питание с бортового источника 1 подается на МПСУД 3, схему управления 5 и преобразователь 6 модуля зажигания. МПСУД осуществляет самопроверку, а при успешном ее завершении, опрашивает задатчик режима использования двигателя 4, выбирает соответствующие программы управления подачей топлива и углом зажигания и сигнализирует о - готовности к запуску. В этом положении модуля зажигания ключи 8 закрыты, поэтому с подачей питания запускается преобразователь напряжения 6 и через развязывающие диоды 7 начинается заряд накопительных конденсаторов 9. По мере заряда конденсаторов 9 ток через диоды 7 уменьшается. В итоге оба накопительных конденсатора 9 оказываются заряженными до напряжения, близкого к выходному напряжению повышающего преобразователя 6. С началом вращения коленчатого вала (KB) двигателя МПСУД 3 открывает каналы управления впрыском топлива и зажиганием. По фронту (спаду) импульса синхронизации с одного из выходов управления зажиганием МПСУД 3 (пусть это будет верхний по схеме выход) схема управления 5 по верхнему по схеме выходу обеспечивает выключение преобразователя 6, а по второму по схеме выходу - включение верхнего по схеме ключа 8. С открытием ключа 8 в последовательном колебательном контуре, состоящем из накопительного конденсатора 9 и первичной обмотки верхней по схеме катушки зажигания 10, начинаются затухающие гармонические колебания тока, которые во вторичной обмотке верхней по схеме катушки зажигания 10 формируют переменное напряжение, обеспечивающее пробой и электроискровые разряды в искровых промежутках верхней по схеме пары свечей зажигания 11. Через (1,5…2,0) мс схема управления 5 по второму выходу выключает верхний по схеме ключ 8 и формирует задержку, достаточную для завершения процесса перехода ключа в закрытое состояние. После этого схема управления 5 по верхнему (по схеме) выходу производит включение преобразователя 6. Начинается заряд верхнего по схеме конденсатора 9 по цепи «масса - выход преобразователя 6 - развязывающий диод 7 - конденсатор 9 - первичная обмотка верхней по схеме катушки зажигания 10 - масса». Одновременно подзаряжается нижний по схеме накопительный конденсатор 9. Ток заряда верхнего по схеме конденсатора 9 формирует во вторичной обмотке верхней по схеме катушки зажигания 10 импульс высокого напряжения и вторые за цикл работы двигателя электроискровые разряды в искровых промежутках верхней по схеме пары свечей зажигания 11. После заряда верхнего по схеме накопительного конденсатора 9 устройство готово к циклу искрообразования с участием нижних по схеме ключа 8, конденсатора 9, катушки зажигания 10 и свечей зажигания 11.
На фиг.4 изображена схема электрическая соединений устройств, реализующих заявляемый способ при низковольтном распределении энергии зажигания по цилиндрам четырехцилиндрового двигателя наземного транспортного средства или первичного источника механической энергии с индивидуальными катушками зажигания. Совместно с МПСУД 3 она реализует принципы управления двигателем, заявленные в нашем способе, и отличается от схемы фиг.3 числом входов и управляющих зажиганием выходов схемы управления 5, числом развязывающих диодов 7, ключей с двусторонней проводимостью 8, накопительных конденсаторов 9 и катушек зажигания 10. Число перечисленных элементов связано с числом цилиндров двигателя: развязывающих диодов четыре; ключей с двусторонней проводимостью четыре; накопительных конденсаторов четыре, катушек зажигания индивидуальных (одноискровых) четыре.
На фиг.5 изображена схема электрическая соединений устройств, реализующих заявленный способ при низковольтном распределении энергии зажигания по цилиндрам четырехцилиндрового авиационного поршневого двигателя с четырьмя двухискровыми катушками зажигания. Она отличается дублированием системы зажигания 15, наличием переключателя 12, обеспечивающего предполетную оценку работоспособности основного и дублирующего модулей зажигания 16, а также автоматическим выбором МПСУД 3 программ управления соотношением компонентов рабочей смеси и углом зажигания в зависимости от угла отклонения АЛЬФА рычага 13 управления двигателем (РУД) от исходного (НАЗЕМНЫЙ МАЛЫЙ ГАЗ) положения. Система зажигания 15 дублирована на уровне модулей, катушек и свечей зажигания (имеет два канала зажигания). Оба канала зажигания (основной и дублирующий) реализуют заявляемый способ. Основной канал обеспечивает искрообразование во всех цилиндрах двигателя с использованием основных свечей зажигания. Дублирующий канал также обеспечивает зажигание во всех цилиндрах двигателя, но с использованием дублирующих свечей зажигания. Все рассматриваемые далее режимы использования двигателя реализуются совместно с МПСУД. Режим НАЗЕМНЫЙ МАЛЫЙ ГАЗ реализуется с приоритетом минимума токсичности отработавших газов, т.е. приготовлением бедных рабочих смесей (по бензину до 1/30) и размещением диапазона регулирования угла зажигания до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) такта сжатия. Режим ВОЗДУШНЫЙ МАЛЫЙ ГАЗ реализуется при компромиссном подходе к решению проблем токсичности и экономичности, т.е. приготовлением обедненной рабочей смеси (по бензину до 1/20) и размещением диапазона регулирования угла зажигания симметрично относительно ВМТ такта сжатия. Режим ВЗЛЕТНЫЙ также реализуется при компромиссном подходе к решению проблем токсичности и экономичности, т.е. размещением диапазона регулирования угла зажигания симметрично относительно ВМТ такта сжатия, но в отличие от режима ВОЗДУШНЫЙ МАЛЫЙ ГАЗ - приготовлением рабочей смеси стехиометрического состава (по бензину 1/15). Режим КРЕЙСЕРСКИЙ также реализуется при компромиссном подходе к решению названных выше проблем, но с приоритетом экономичной работы двигателя, т.е. приготовлением обедненных рабочих смесей (по бензину до 1/20) и размещением диапазона регулирования угла зажигания после прохода поршнем ВМТ такта сжатия.
В исходном положении ключ 2 выключен, РУД 13 в положении НАЗЕМНЫЙ МАЛЫЙ ГАЗ, переключатель 12 в исходном (верхнем по схеме) положении, МПСУД 3 и модули зажигания 16 обесточены. При включении ключа 2 в следующее по схеме положение питание с бортового источника 1 подается на МПСУД и переключатель 12. МПСУД осуществляет самопроверку, а при успешном ее завершении опрашивает положение РУД 13, выбирает программу управления запуском двигателя и сигнализирует о готовности к запуску. При переводе переключателя 12 в следующее положение питание через диоды 14 подается на оба модуля зажигания 16, а поскольку сигналы управления зажиганием на выходах МПСУД отсутствуют, происходит заряд накопительных конденсаторов обоих модулей зажигания, как описано при рассмотрении работы на фиг.3.
С началом вращения KB двигателя МПСУД обеспечивает приготовление пускового состава рабочей смеси и управление зажиганием с использованием основного и дублирующего модулей зажигания. После запуска и прогрева двигателя переключатель 12 переводится в следующее положение. При этом дублирующий канал зажигания отключается, что дает возможность пилоту оценить работоспособность двигателя с основным каналом зажигания. При переводе переключателя 12 в следующее положения отключается основной канал зажигания, что дает возможность пилоту оценить работоспособность двигателя с дублирующим каналом зажигания. При успешной проверке системы зажигания переключатель 12 возвращается во второе (сверху вниз) положение, МПСУД передает управление рабочим программам управления двигателем, в каждом цикле цифрового управления опрашивая положение РУД и, в зависимости от его положения, формирует состав рабочей смеси и размещение относительно ВМТ диапазона регулирования угла зажигания.
Экспериментальная проверка эффективности реализации заявляемого способа на бензоэлектрическом агрегате АБ-4-Т/230-М1 в составе двухцилиндрового четырехтактного двигателя УД-251 1982 г. выпуска и трехфазного генератора ГАБ-4-Т/230. Агрегат эксплуатировался в штатном режиме. В одну из фаз генератора включался резистор сопротивлением 17,6 Ом (в горячем состоянии), что соответствует нагрузке 2,75 кВт. Состав отработавших газов контролировался газоанализаторами ДАТ 500 и HP-5890.
3
3
3
2
В штатной компоновке двигателя получен удельный расход топлива 745 г/кВт·час, что превышало паспортные данные. В отработавших газах обнаружено 1160 мг/м угарного газа СО и 13 мг/м сернистого газа SO. При уменьшении диаметра топливного жиклера с 0,8 мм до 0,6 мм и поджиге электроискровым разрядом экспериментальной системы зажигания за (7…10) градусов до прихода поршня в ВМТ такта сжатия получен удельный расход бензина А80 465 г/кВт·час, в отработавших газах не обнаружено сернистого газа, обнаружено 127 мг/м угарного газа и более 16% свободного кислорода. В этих же условиях при поджиге рабочей смеси через (7…10) градусов после прохода поршнем ВМТ такта сжатия получен удельный расход топлива 377 г/кВт·час, в отработавших газах также не обнаружено сернистого газа, обнаружено 465 мг/м угарного газа СО и 1,7% свободного кислорода [15].
Испытание макетного образца модуля зажигания М3-41 в составе автомобиля ГА3-2705 «Газель» выпуска 2000 г. с двигателем УМЗ выпуска 2008 г. в движении на расстояние 460 км (режимы движения: городской - 1 час 12 минут; загородный - 5 часов 47 минут) показало средний эксплуатационный расход бензина «Регуляр-92» 13,7 л/100 км [16]. Сравнение полученного результата с базовой нормой показало снижение среднего эксплуатационного расхода бензина на 21%, а с учетом надбавки за время нахождения автомобиля в эксплуатации и общий пробег с новым двигателем (75000 км) - на 28% [17]. Энергопотребление модуля зажигания на оборотах холостого хода составило 2,5А, а на средних оборотах двигателя - 5А.
Технико-экономическое обоснование
Реализация предложенного способа в двигателях внутреннего сгорания первичных источников энергии позволит многократно снизить токсичность отработавших газов, что дает возможность безопасного использования их вплоть до проветриваемых производственных помещений. Существенное снижение удельного расхода топлива позволит вплоть до 20% уменьшить стоимость единицы произведенной энергии.
Реализация предложенного способа в двигателях внутреннего сгорания наземных транспортных средств предоставляет две возможности. Первая из них заключается в преимущественном использовании режима многократного снижения токсичности отработавших газов при движении в городах и населенных пунктах РФ, что благотворно скажется на экологической обстановке в них. Вторая возможность заключается в преимущественном использовании режима существенного снижения удельного расхода топлива в загородном режиме движения. Благодаря облегченному запуску двигателя при низких температурах, в том числе и при использовании газовых топлив, повышению приемистости двигателя и существенному снижению удельного расхода топлива, уменьшится стоимость единицы произведенной транспортной работы и, следовательно, добавка к цене перевозимых товаров.
Реализация предложенного способа в малой авиации предоставляет следующие возможности:
- эксплуатация двигателя на высокооктановом автомобильном бензине и облегченный запуск при низких температурах, вплоть до Севера РФ;
- минимизация токсичности отработавших газов при работе двигателя на стоянке и при рулежках;
- повышение мощности и частичное снижение токсичности отработавших газов при работе двигателя во взлетном режиме;
- снижение (в расчете на одного пассажира или единицу веса перевозимого груза) удельного расхода топлива до 20% и, следовательно, стоимости воздушных перевозок при работе двигателя в крейсерском режиме.
Литература
1. Новиков О.Н. Автомобильное газовое топливо. - Интернет-ресурс - www.ecolog-alfa-nafta.angr.ru/page30.…
2. Самойлов Н.П. Современное состояние обеспечения малотоксичной работы автотракторных двигателей. - Интернет-ресурс - www.kazgau.ru/toxicnraktordvigatel.doc
3. Зайцев В.П., Дубовкин Н.Ф. Проблемы внедрения сжиженных газов в качестве авиационного топлива. - Интернет-ресурс - http://www.ekip-gas.ru/log/3/log1.shtml.
4. В. Андреев, В. Борисов, В. Климов и др. Внимание газы. Криогенное топливо для авиации. - М.: Моск. Рабочий, 2001. - 224 с., ил.
5. Новоселов С.В. Возможности использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. - Интернет-ресурс - http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/va2000_2/pages/14/14.htm
6. Матиевский Д.Д., Кулманаков СП. Применение смесевых спиртовых топлив в дизелях автотракторного типа. - Интернет-ресурс -elib.altstu.ru/…/Files/va2000_2/pages/11/11.htm
7. Спиртовые топлива. - Интернет-ресурс - http://resector.com/article/spirtovye-topliva/
8. Андреев Е.И. Естественная энергетика - 3. - Интернет-ресурс - www.beelife.org/forum/thread62.html
9. Патент RU 2464441 С1, 20.10.2012.
10. И. Климонтович. Секрет Ион-Икс (омагничивание топлива) - Интернет-ресурс. - http://www.skif.biz/index.php?name=Pages&op=page&pid=160
11. Корытченко К.В., Волонцевич Д.О., Ковцур Ю.В Тенденции развития автомобильных систем зажигания / Вестник национального технического университета «ХПИ». Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Транспортное машиностроение» №39. Харьков: Изд-во ХПИ, 2010. С.44-55.
12. Рудольф Малу. Искровое зажигание: Физика процесса и его влияние на работу двигателя внутреннего сгорания // Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями / Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др.; Под ред. Д. Хилларда, Дж.С. Спрингера; Пер. с англ.; Под ред. А.В. Кострова. - М.: Машиностроение, 1988. - 504 с.: ил.
13. Спиров Г.М., Пискарев И.М. Активные факторы электрического разряда - Интернет-ресурс - www.sciteclibrary.ru/rus/…/6817.html
14. Химическая энциклопедия. В пяти томах // Под ред. Кнунянц И.Л. (Гл. ред.) и др. Т.2. М.: Даффа - Меди - М. «Сов. энц.», 1990. - 671 с.; ил.
15. Ермишин В.В. К проблеме улучшения технических и экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания с искровьм зажиганием / Международная научно-практическая конференция «Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения». Сборник докладов. Том II. Казань: Издательство «Вертолет», 2012. С.244-256.
16. Исследование нового способа инициирования рабочего процесса в ДВС с искровым зажиганием (Патент РФ №2086798) / Отчет о научно-исследовательской работе (Заключительный). Саратов: ОАО «КБ Электроприбор», Инв. №2687, 2013. - 167 с.
17. Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте. Методические рекомендации (введены в действие распоряжением Минтранса РФ от 14 марта 2008 г. № АМ-23-р).