ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОМПРЕССИОННЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
COMPRESSION IGNITION ICE AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и предназначено для интенсификации процессов горения топливовоздушных смесей и снижения токсичности отработавших газов.
:
Проблема создания эффективного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) неразрывно связана с необходимостью обеспечения минимальной эмиссии в окружающую атмосферу продуктов сгорания топливовоздушных смесей. При этом существенно важно, что низкоэмиссионное сгорание должно обеспечиваться без снижения термодинамической эффективности цикла и уменьшения удельной мощности.
Известны различные способы интенсификации сгорания.
Известен, например, способ интенсификации горения топливовоздушной смеси, заключающийся в том, что рабочую смесь в камере сгорания активируют посредством импульсно-периодического наносекундного высоковольтного разряда, обладающего определенными характеристиками: амплитудой, временем нарастания переднего фронта импульса и длительностью импульса высокого напряжения (патент РФ №2333381, МПК F02M 27/04, опубл. 10.09.2008). Активация рабочей смеси в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания обеспечивает снижение температуры воспламенения, повышение интенсивности химических реакций и, как следствие, повышение эффективности и существенное уменьшение выброса вредных веществ, в частности оксидов азота, в атмосферу. По данным модельного эксперимента снижение температуры воспламенения составляет 200-250 К.
Недостатком данного способа является необходимость формирования высоковольтного разряда (до 250 кВ) непосредственно в камере сгорания двигателя, высокая энергоемкость способа, а также необходимость обеспечения качественной изоляции высоковольтных разрядников. Кроме того, известно, что при увеличении плотности газа эффективность плазмохимического воздействия высоковольтного разряда заметно снижается, следовательно, данный способ будет иметь ограниченное применение в поршневых ДВС с повышенной степенью сжатия.
2
Известна современная технология воспламенения и горения обедненных топливом смесей, позволяющая уменьшить выброс оксидов углерода (СО) и оксидов азота (NO, NO) в ДВС до очень низкого уровня без применения каталитических нейтрализаторов в выпускных каналах ДВС. Такая технология включает объемное самовоспламенение гомогенной топливовоздушной смеси при быстром сжатии и реализована в двигателе, называемом HCCI (homogeneous charge compression ignition). В некоторых источниках двигатель, реализующий указанный способ называется CAI (Control Auto-Ignition).
Теоретически, HCCI или CAI является процессом, в котором сильно разбавленная (воздухом или рециркулируемыми отработавшими газами) гомогенная смесь спонтанно самовоспламеняется одновременно в полном объеме камеры сгорания вследствие сжатия заряда поршнем до температуры порядка 1100К и очень быстро объемно сгорает. Следует отметить, что для достижения температуры самовоспламенения, как правило, необходим дополнительный источник тепловой энергии.
Известен также двигатель, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, реализующий способ работы с компрессионным зажиганием гомогенной топливовоздушной смеси (патент США, № 7900600, НКИ 123/406.55, опубл. 08.03.2011). Двигатель содержит рабочий цилиндр с впускными и выпускными трубопроводами, систему зажигания, систему газораспределения с регулируемыми фазами открытия и закрытия клапанов и систему управления с датчиками рабочих параметров двигателя. Причем впускной трубопровод дополнительно оснащен устройством подогрева впускаемого воздуха и перепускным каналом.
Общеизвестным недостатком двигателей типа HCCI является неустойчивая работа двигателя на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного заряда в камере сгорания, что в совокупности существенно снижает мощность двигателя и ограничивает область рабочих режимов.
В известном двигателе на режиме максимальных нагрузок и режиме холостого хода для поддержания крутящего момента вала двигателя и ритмичности его работы включают систему искрового зажигания, т.е. переводят двигатель на работу по циклу Отто с зажиганием топливовоздушной смеси от электрической искры. При этом возникает необходимость обогащения топливовоздушной смеси, увеличивается температура цикла, что приводит к увеличению концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах двигателя.
Другим недостатком известного двигателя является необходимость подогрева впускаемого воздуха. Подогрев воздуха на впуске снижает наполнение цилиндра и уменьшает термодинамическую эффективность цикла двигателя в целом.
Для обеспечения минимально необходимой температуры Тс=1100К в конце такта сжатия, необходимо подогревать воздух на впуске до 200°С (см. таблицу 1).
Таблица 1
Подогрев воздуха на впуске, °C
Та, К
Степень сжатия, ε
Пок-ль политропы сжатия, n<sub>1</sub>
Tc, К
Бензиновый двигатель
0
293
10
1,37
687
50
343
10
1,37
804
100
393
10
1,37
921
150
443
10
1,37
1038
200
493
10
1,37
1156
Дизель
0
293
20
1,37
888
50
343
20
1,37
1039
100
393
20
1,37
1191
150
443
20
1,37
1342
200
493
20
1,37
1494
Дизель
0
293
15
1,37
798
50
343
15
1,37
934
100
393
15
1,37
1070
150
443
15
1,37
1207
200
493
15
1,37
1343
Расчет температуры Tc конца такта сжатия проводился для атмосферного двигателя при разных степенях сжатия и температуре окружающего воздуха равной 20°C.
Задачей изобретения является расширение диапазона рабочих режимов двигателя с компрессионным зажиганием за счет повышения устойчивости воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС.
Также задачей изобретения является необходимость обеспечения экологической безопасности продуктов сгорания топлива с учетом того, что низкотемпературное горение богатой углеводородо-воздушной смеси ведет к неполному окислению углерода, образованию угарного газа и сажи, с другой стороны, высокотемпературное горение дает большие концентрации NOx.
Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя и снижение его материалоемкости, что достигается за счет повышения термодинамических показателей цикла и расширения диапазона рабочих режимов двигателя, а также снижения токсичности отработавших газов.
Предлагаемое изобретение основано на том, что повышение устойчивости воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС может быть достигнуто путем обогащения воздуха на впуске активными частицами, обеспечивающими сокращение времени индукции и осуществления объемного воспламенения топливовоздушного заряда при более низкой начальной температуре.
Поставленные задачи решаются тем, что поршневой двигатель с компрессионным зажиганием, содержащий рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи, снабжают генератором синглетного кислорода, размещенного во впускном трубопроводе с возможностью обогащения воздуха, подаваемого в рабочий цилиндр молекулами синглетного кислорода.
При этом генератор синглетного кислорода выполняют в виде источника лазерного излучения и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной с возможностью отражения и диффузионного рассеивания лазерного излучения. А источник лазерного излучения выполняют в виде твердотельного лазера, излучающего волны длиной от 762,3 до 762,4 нанометров.
<mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
g
1
Поставленная задача решается также и тем, что осуществляют способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием, заключающийся в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе топливовоздушной смеси заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, в котором согласно изобретению молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод возбуждают в синглетные состояния
и O(aΔ).
2
g
1
При этом количество синглетного кислорода в состоянии O(aΔ) устанавливают в количестве от 1 до 4 процентов от содержания кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод.
В настоящее время, известно, что электронно-возбужденные молекулы и атомы реагируют намного быстрее, чем невозбужденные. Поэтому, возбуждение реагирующих молекул позволяет ускорить образование активных радикалов, носителей цепного механизма, в реакциях инициирования и распространения цепи и, как следствие, интенсифицировать горение.
2
g
2
2
g
1
1
<mrow><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
Насыщение впускаемого воздуха синглетньм кислородом интенсифицирует протекание цепной реакции окисления в камере сгорания двигателя. Для выработки синглетного кислорода находящегося в состоянии O(aΔ) предпочтительно использовать лазер, генерирующий излучение с длиной волны 762,35±0,05 нм, которое резонансно возбуждает молекулы O из основного состояния в электронно-возбужденное состояние
с последующим переходом молекул кислорода в состояние O(aΔ).
<mrow><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
2
g
2
g
1
1
Кинетика процесса образования электронно-возбужденных молекул кислорода состояния
с образованием синглетного кислорода состояния O(aΔ) детально описана в работе «Световой котел-генератор синглетного кислорода O(aΔ)» H.И. Липатов, А.С. Бирюков, Э.С. Гулямова // Квантовая электроника 2008. Т.38. №13, C.1179-1182 и согласована с экспериментальными данными.
2
<mrow><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
Влияние синглетного кислорода на интенсивность предпламенных реакций показано в работе «Комплексный анализ воспламенения и горения водородно-воздушных и метано-воздушных смесей при воздействии резонансного лазерного излучения» А.М. Старик, П.С. Кулешов, H.С. Титова // в кн. «Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения» под ред. A.M. Старика, М.: ТОРУС ПРЕСС 2011, с.603-634. В указанной работе на основе численного моделирования показано, что для метано-воздушных смесей лазерно-индуцированное возбуждение молекул O излучением с λ=762,346 нм в состояние
эффективно сокращает время индукции и температуру воспламенения.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы двигателя со ссылкой на иллюстрацию, представленную на фиг.1, где изображена схема поршневого двигателя с компрессионным зажиганием, оборудованного генератором синглетного кислорода.
Поршневой двигатель с компрессионным зажиганием состоит из рабочего цилиндра 1, в котором размещен поршень 2 с образованием камеры 3 сгорания. Поршень 2 через шатун 4 связан с коленчатым валом 5. В головке блока двигателя, размещены клапаны 6 системы газораспределения. Двигатель оснащен выпускным трубопроводом 7 и впускным трубопроводом 11.
Во впускном трубопроводе 11 размещен узел 8 формирования топливовоздушной смеси с устройством 9 измерения и регулирования расхода воздуха. Топливо 10 поступает на вход смесеобразующего устройства узла 8 формирования топливовоздушной смеси. Узел 8 может содержать карбюратор, или форсунку с электромагнитным управлением.
2
g
1
Также во впускном трубопроводе 11 размещен генератор синглетного кислорода, обеспечивающий насыщение впускаемого воздуха 12 молекулами возбужденного кислорода в состоянии O(aΔ).
2
3
3+
Генератор синглетного кислорода выполнен в виде камеры 14 с внутренней зеркальной поверхностью 13. В отверстии стенки камеры 14 закреплена выходная часть оптического волокна 15, входная часть которого связана с твердотельным Nd:YAG-лазером16, снабженным кристаллом AlOTi.
Двигатель работает следующим образом.
2
2
3
2
g
3+
1
<mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>X</mi><mn>3</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>−</mo></msubsup><mo>,</mo><mi>V</mi><mo>'</mo><mo>,</mo><mi>J</mi><mo>'</mo><mo>,</mo><mi>K</mi><mo>'</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup><mo>,</mo><mi>V</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mi>J</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mi>K</mi><mo>"</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
Образование молекул возбужденного кислорода, находящегося в состоянии O(a1Δg) происходит в генераторе синглетного кислорода. Излучение твердотельного Nd:YAG-лазера 16с кристаллом AlOTi с длиной волны λ=762,346 нм через оптическое волокно 15 подается в камеру 14. Поскольку внутренняя поверхность 13 камеры 14 выполнена зеркальной, то уже после нескольких отражений, за счет диффузионного рассеивания лазерного излучения в объеме камеры 14 формируется однородное изотропное световое поле. Также в объем камеры 14 подается воздух 12. Лазерное излучение с длиной волны 762,346 нм обеспечивает возбуждение молекулярного кислорода, при этом осуществляется переход молекулы из основного состояния
в электронное состояние
с колебательными квантовыми числами V'=V"=0 и вращательными квантовыми числами J'=9, J”=8 и K'=K”=8. Из электронно-возбужденного состояния
большая часть молекул кислорода переходит в более устойчивое возбужденное состояние O(aΔ).
2
g
1
Воздух 12 поступает во впускной трубопровод 11. Проходя через генератор синглетного кислорода, он насыщается молекулами возбужденного кислорода, находящегося в состоянии O(aΔ). Топливо 10 поступает на вход смесеобразующего устройства узла 8 формирования топливовоздушной смеси. Далее, в узле 8 формируется топливовоздушная смесь требуемого состава, которая на такте впуска поступает в камеру 3 сгорания. Топливовоздушный заряд сжимается в цилиндре 1 двигателя и в конце такта сжатия температура смеси в камере 3 сгорания повышается до предела самовоспламенения, при этом начинается цепной процесс окисления топлива. После достижения достаточной концентрации активных центров окисления происходит объемное воспламенение и быстрое сгорание топливовоздушного заряда в полном объеме камеры 3 сгорания. Сгорание происходит в районе верхней мертвой точки, практически при постоянном объеме.
Далее следуют процессы расширения и выпуска. Цикл работы двигателя повторяется.
<mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>b</mi><mn>1</mn></msup><msubsup><mo>∑</mo><mi>g</mi><mo>+</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
g
1
Наличие молекул синглетного кислорода
и O(aΔ) в топливовоздушном заряде создает условия для сокращения времени индукции и обеспечения объемного воспламенения топливовоздушного заряда в камере 3 сгорания при более низкой начальной температуре. Понижение предела воспламенения обеспечивает расширение диапазона рабочих режимов двигателя, а изменение концентрации синглетного кислорода в смеси за счет регулирования мощности лазерного излучения позволит предотвратить неустойчивую работу двигателя.
Понижение предела воспламенения, кроме того, позволяет уменьшить степень сжатия двигателя, т.к. для самовоспламенения топливовоздушной смеси, содержащей синглетный кислород, требуется меньшая температура в конце такта сжатия. Из-за уменьшения степени сжатия газа происходит уменьшение давления в цилиндре двигателя, и, следовательно, уменьшается его материалоемкость и увеличивается ресурс двигателя.
x
x
2
g
1
Расчеты показали, что наличие синглетного кислорода в смеси и понижение степени сжатия позволяет уменьшить эмиссию NO с отработавшими газами двигателя. В таблице 2 приведены концентрации оксида азота NO, образующихся в цилиндре 1 двигателя, при различном содержании О(аΔ) в топливовоздушной смеси. Расчеты проводились при неизменном составе и количестве топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр двигателя, постоянной частоте вращения и условии сохранения заданного уровня мощности, развиваемой двигателем
2
g
1
Таким образом, насыщение воздуха на впуске в двигатель молекулами синглетного кислорода обеспечивает сокращение времени индукции и благоприятно воздействует на процесс объемного воспламенения топливовоздушного заряда. При этом наличие активных центров окисления топлива в форме синглетного кислорода O(aΔ) позволяет интенсифицировать протекание цепной реакции окисления в камере сгорания двигателя и снизить температуру начала самовоспламенения. Наличие синглетного кислорода во впускаемом воздухе позволяет отказаться от дополнительного подогрева воздуха на впуске, что позволяет повысить наполнение цилиндра и увеличить мощность двигателя.
Таблица 2. Степень сжатия 8, необходимая для обеспечения заданной мощности, и мольная доля NO в отработавших газах двигателя типа HCCI в зависимости от концентрации синглетного кислорода во впускном трубопроводе.
O<sub>2</sub>(a<sup>1</sup>Δ<sub>g</sub>)/O<sub>2</sub>, %
ε
Мольная доля NO, ppm
0
16,5
53
1
14,0
47
2
12,95
32
4
11,65
28
Увеличение мощности двигателя достигается также за счет интенсификации процесса сгорания и сокращения общей продолжительности горения топливовоздушного заряда. При отсутствии потребности в большей мощности существует возможность уменьшить рабочий объем цилиндра или снизить степень сжатия, что в конечном итоге позволит уменьшить материалоемкость двигателя в целом. Осуществление интенсивного горения топливовоздушной смеси обедненного состава при более низкой температуре позволит также снизить эмиссию токсичных веществ с отработавшими газами двигателя, что в совокупности создает значительный экологический и технико-экономический эффекты.