СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ
METHOD OF FUEL IGNITION AND COMBUSTION ARRANGEMENT IN PISTON-TYPE ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а более точно касается организации рабочего процесса в поршневом двигателе, воспламенения и горения топлива с использованием синглетного кислорода.
2
Известна технология воспламенения и горения обедненных топливом смесей, позволяющая уменьшить выброс оксидов углерода (CO) и оксидов азота (NO, NO) в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) до очень низкого уровня без дополнительной обработки отработавших газов (ОГ) с использованием каталитических нейтрализаторов. Такая технология включает объемное самовоспламенение гомогенной топливовоздушной смеси (ТВС) 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 ОГ) гомогенная ТВС спонтанно самовоспламеняется одновременно в полном объеме камеры сгорания вследствие сжатия газа поршнем до температуры порядка 900-1100 К и очень быстро сгорает в надпоршневом объеме. Следует отметить, что для достижения температуры воспламенения ТВС в обычном ДВС, как правило, необходим дополнительный источник тепловой энергии.
Известен двигатель, реализующий способ работы с компрессионным воспламенением гомогенной ТВС (патент США №7900600). ДВС содержит рабочий цилиндр с впускными и выпускными трубопроводами, систему газораспределения с регулируемыми фазами газораспределения 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 режимах малых и полных нагрузок в связи с пропусками воспламенения.
Известно использование синглетного кислорода (СК) для улучшения показателей ДВС (патент США №6659088). Известный способ работы ДВС включает производство СК из молекулярного кислорода и смешивание СК с топливом.
Известен также способ работы поршневого двигателя с компрессионным воспламенением (патент РФ №2496995), который заключается в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе ТВС заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, при этом молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод, возбуждают в синглетные состояния. Количество СК устанавливают в количестве от 1 до 4 процентов от общего количества молекулярного кислорода.
СК является общим названием электронно-возбужденных состояний молекулярного кислорода, обозначаемых в спектроскопии как  или . Из-за различия в электронных оболочках они имеют различные свойства. СК является более активным, но менее стабильным, чем кислород в триплетном (основном) состоянии .
2
Нестабильность и потери энергии, затраченной на возбуждение молекул O, в синглетное состояние, обусловленные тушением молекул , препятствуют успешному использованию этого метода.
В основу изобретения положена задача обеспечения контроля над рабочим процессом за счет обеспечения обратной связи по ключевым его параметрам.
Технический результат заключается в повышении стабильности работы двигателя, расширении диапазона его устойчивой работы.
Поставленная задача решается тем, что в способе организации воспламенения и горения топлива с использованием синглетного кислорода в камере сгорания поршневого двигателя, при котором осуществляют процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска, для этого подают топливовоздушную смесь в надпоршневое пространство, сжимают ее и обеспечивают воспламенение сжатой смеси, в процессе сжатия генерируют синглетный кислород из молекулярного кислорода, находящегося в камере сгорания, причем момент начала генерирования синглетного кислорода ,  по углу поворота коленчатого вала устанавливают исходя из его оптимального значения, которое рассчитывают в зависимости от сгорания, причем момент начала генерирования синглетного кислорода ,  по углу поворота коленчатого вала устанавливают исходя из его оптимального значения, которое рассчитывают в зависимости от режима работы двигателя и состава топливовоздушной смеси, согласно изобретению, измеряют значение, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, характеризующего процесс сгорания и/или процесс расширения, сравнивают его с заданным значением и по результату сравнения устанавливают продолжительность периода генерирования синглетного кислорода по углу поворота коленчатого вала.
Целесообразно осуществлять генерирование синглетного кислорода, в пределах установленного периода, непрерывно по углу поворота коленчатого вала. Возможно осуществлять генерирование синглетного кислорода, в пределах установленного периода, дискретно по углу поворота коленчатого вала.
Желательно при этом в качестве контролируемого параметра, характеризующего процесс сгорания, использовать момент воспламенения топлива по углу поворота коленчатого вала двигателя, а в качестве контролируемого параметра, характеризующего процесс сгорания и процесс расширения - положение максимума давления или температуры газов в камере сгорания по углу поворота коленчатого вала двигателя.
В качестве контролируемого параметра, характеризующего процесс расширения, целесообразно использовать температуру газов в конце процесса расширения или температуру газов на выпуске после выпускного клапана.
2
Влияние содержания СК в ТВС на интенсивность предпламенных реакций показано в работе «Комплексный анализ воспламенения и горения водородно-воздушных и метановоздушных смесей при воздействии резонансного лазерного излучения» А.М. Старик, П.С. Кулешов, Н.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 (задержки воспламенения) и температуру воспламенения.
Исследованиями авторов также показано, что существует зависимость параметров HCCI процесса от относительного количества СК в ТВС и от момента ввода данного количества СК в ТВС (см. A.M. Starik, V.E. Kozlov, N.S. Titova. On the influence of singlet oxygen molecules on characteristics of HCCI combustion: A numerical study, http://dx.doi.org/10.1080/13647830.2013. 783238).
2
2
Например, когда происходит возбуждение молекул O при значительном опережении (угол поворота коленчатого вала более 100° до верхней мертвой точки (ВМТ) сжатия), температура в цилиндре двигателя невысока, и в этом случае тушение возбужденных молекул  может быть весьма заметным на интервале времени, необходимом для возникновения воспламенения ТВС. Следовательно, часть энергии, затраченная на возбуждение молекул O, переходит в поступательные степени свободы молекул и нагревает газ. Поэтому, существует оптимальный момент начала генерирования СК, который зависит от режима работы двигателя и состава ТВС. Выявлено, что такой угол может составлять 10-30° угла поворота коленчатого вала (угла п. к.в.) до ВМТ сжатия.
Вместе с тем, величина оптимального угла зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных параметров, которые трудно поддаются учету на стадии проектирования двигателя, в связи с чем, заранее рассчитанный оптимальный момент начала генерирования СК, по сути, не является оптимальным для данных, конкретных условий. Способ решения указанной проблемы изложен ниже.
Изобретение поясняется чертежом, где показана принципиальная схема устройства управления для реализации заявленного способа. На схеме использованы следующие обозначения:
1 - лазер с оптоволокном, передающим лазерное излучение,
2 - система фокусирующих зеркал,
3 - оптические окна,
4 - камера сгорания,
5 - цилиндр двигателя,
6 - поршень,
7 - кривошипно-шатунный механизм,
8 - блок управления лазером,
9 - блок обработки сигналов датчиков контролируемых параметров рабочего цикла двигателя.
Заявленный способ организации воспламенения и горения топлива с использованием СК в камере сгорания 4 поршневого двигателя осуществляется следующим образом.
В поршневом двигателе реализуют рабочий цикл типа HCCI. Для этого осуществляют процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. ТВС подают в надпоршневое пространство, сжимают ее и обеспечивают воспламенение сжатой смеси в камере сгорания 4.
2
В процессе сжатия генерируют СК из молекулярного кислорода, находящегося в камере сгорания 4. Генерирование СК осуществляют лазерным излучением с длиной волны 762,2-762,4 нм, которое резонансно возбуждает молекулы O. Резонансно возбужденная молекула кислорода переходит из основного триплетного состояния  в электронно-возбужденное состояние  с последующим переходом в более стабильное возбужденное состояние .
Излучение от лазера 1 передают по оптоволокну. Ввод лазерного излучения в пространство камеры сгорания 4 осуществляется через оптические окна 3, установленные в стенках цилиндра 5 двигателя.
I
Оптические окна выполнены из материала, обладающего прозрачностью на длине волны лазерного излучения и выдерживающего высокую температуру и давление, например из диоксида циркония, стабилизированного иттрием. При этом оптические окна 3 снабжены системой фокусирующих зеркал 2, предназначенных для создания зоны однородного лазерного излучения путем обеспечения многократных переотражений лазерного луча от зеркал 2. Возможность реализации такого режима облучения достигается вследствие того, что длина поглощения излучения (как указано выше, длина волны лазерного излучения составляет λ=762,2-762,4 нм) много больше (в сотни раз), чем диаметр лазерного луча.
2
Момент начала генерирования для получения СК в состояниях ,  по углу п.к.в. устанавливают исходя из его оптимального значения. Исследования авторов показали, что существует оптимальный угол начала генерирования (угол опережения генерирования) , при котором возбуждение молекул O в синглетное состояние обеспечивает максимальный эффект в сокращении времени воспламенения.
В результате численного моделирования установлено, что зависимость времени воспламенения от момента воздействия на рабочую смесь с целью производства СК имеет максимум (например, оптимальный угол опережения генерирования при мольной доле  молекул  составляет  до ВМТ). Дальнейшее уменьшение угла опережения генерирования, при котором производятся возбужденные молекулы кислорода в гомогенной ТВС, приводит к уменьшению его влияния на время горения, т.к. при этом не успевают в должном количестве образоваться активные радикалы - носители цепного механизма. Увеличение угла опережения генерирования приводит к преждевременному тушению молекул СК, обрыву, прекращению распространения цепных реакций, ввиду низкой температуры ТВС.
Для сравнения, при опережении генерирования СК  до ВМТ, т.е. сразу после закрытия впускного клапана, и такой же мольной доле , воспламенение в той же целевой точке (не менее 4° поворота коленчатого вала до ВМТ) невозможно. Для обеспечения воспламенения в указанной точке требуется введение дополнительного подогрева ТВС до 408 К.
Для устранения влияния эксплуатационных и конструктивных факторов и достижения заявленного технического результата при осуществлении заявленного способа предлагается вводить обратную связь по какому-либо контролируемому параметру, который характеризует процесс сгорания и/или процесс расширения. В качестве такого параметра может использоваться: момент воспламенения топлива по углу п.к.в. двигателя, положение максимума давления газов в камере сгорания по углу п.к.в. двигателя, положение максимума температуры газов в камере сгорания по углу п.к.в. двигателя и значение максимума температуры, температура газов в конце процесса расширения или их температура на выпуске, после выпускного клапана и другие параметры.
Согласно заявленному способу измеряют значение, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, характеризующего процесс сгорания и/или процесс расширения, сравнивают его с заданным значением и по результату сравнения устанавливают продолжительность периода генерирования СК по углу п.к.в.
Измерение контролируемых параметров осуществляется с использованием стандартных датчиков (на чертеже линии входных сигналов от датчиков показаны пунктирными линиями со стрелками), информация от которых передается на блок 9 обработки. Блок 9 обработки сигналов датчиков контролируемых параметров сравнивает текущее значение величины выбранного контролируемого параметра с заданным его значением и формирует сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на вход блока 8 управления лазером 1. Блок 8 управления выполнен с возможностью реализации алгоритма управления генерацией лазерного излучения, который будет описан ниже.
Изменение продолжительности периода генерирования СК обеспечивает изменение его мольной доли в камере сгорания 4, что в свою очередь оказывает существенное влияние на период задержки воспламенения и соответственно изменяет характерные показатели рабочего цикла.
Так, например, авторами установлено, что изменение мольной доли СК с 1% до 4% при прочих равных условиях сдвигает момент воспламенения на 6° по углу п.к.в., при этом максимальная температура цикла увеличивается на 60°С, а максимальное давление возрастает на 0,2 МПа.
В случае использования в качестве контролируемого параметра момента воспламенения топлива по углу п.к.в. двигателя используют фотодетектор (на чертеже не показан), с помощью которого фиксируют первичный очаг воспламенения (вспышку) в камере сгорания 4, при этом фиксируют соответствующее вспышке положение коленчатого вала двигателя датчиком положения коленчатого вала (не показан). Фотодетектор может быть связан с оптоволокном лазера 1 или иметь индивидуальный ввод в камеру сгорания 4. По результатам измерений определяют положение момента воспламенения топлива по углу п.к.в. относительно ВМТ. Если положение момента воспламенения топлива выходит за пределы заданного значения (5-10 градусов угла п.к.в. до ВМТ), то корректируют продолжительность периода генерирования СК.
В случае использования в качестве контролируемого параметра положение максимума давления газов в камере сгорания по углу п.к.в. двигателя поступают аналогичным образом.
Непрерывно измеряют давление газов в камере сгорания 4 датчиком давления (не показан) и фиксируют положение коленчатого вала двигателя датчиком положения коленчатого вала (не показан). По результатам измерений определяют положение максимума давления относительно ВМТ. Если положение максимума давления газов выходит за пределы заданного значения (10-15 градусов угла п.к.в. после ВМТ), то корректируют продолжительность периода генерирования СК.
Например, в результате измерения положения максимума давления газов обнаружено, что его фактическое значение равно 2 градуса угла п.к.в. после ВМТ. В данном случае целесообразно уменьшить период генерирования СК с целью уменьшения мольной доли СК. Если фактическое значение положения максимума давления газов больше 15 градусов угла п.к.в. после ВМТ, то целесообразно увеличить период генерирования СК.
Увеличение или уменьшение периода генерирования СК может осуществляться двумя способами: изменением времени (продолжительности периода) генерирования в случае непрерывного генерирования СК либо изменением дискретности (скважности импульсов) в течение периода генерирования заданной продолжительности. Выбор способа изменения периода генерирования СК (времени наработки СК) зависит от режима работы поршневого двигателя.
В случае использования других контролируемых параметров, таких как положение максимума температуры газов в камере сгорания по углу п.к.в. двигателя и/или значения максимума указанной температуры, температуры газов в конце процесса расширения или их температуры на выпуске после выпускного клапана и других, алгоритм корректировки продолжительности периода генерирования СК остается таким же.
Использование заявленного способа позволяет также влиять на содержание токсичных компонентов в ОГ двигателя. Данная возможность основана на следующих явлениях.
0
0
Численное исследование, проведенное для заданных условий, показало, что достижение воспламенения в одной и той же целевой точке по углу п.к.в. требует либо подогрева ТВС на впуске до начальной температуры T=470 К, без облучения молекулярного кислорода в камере сгорания 4 резонансным лазерным излучением, либо наработки СК до мольной доли . Во втором случае начальная температура ТВС в цилиндре 5 двигателя может быть уменьшена до величины T=397 К.
c
c
2
p
Такое уменьшение начальной температуры при наличии в смеси молекул  приводит к росту давления как в момент времени, соответствующий ВМТ, так и после этого момента, и, напротив, температура газов в этом диапазоне углов п.к.в. уменьшается. Это приводит к увеличению энергии E, выделяемой в процессе горения в цилиндре двигателя, работающего по схеме HCCI, и, как следствие, к увеличению мощности двигателя. Максимальная величина E достигается, когда возбуждение молекул O в состояние  происходит при оптимальном значении угла опережения генерирования θ.
2
p
0
0
2
0
Кроме того, возможность уменьшения начальной температуры ТВС при возбуждении молекул O позволяет уменьшить концентрацию NO в ОГ. Так, при 4%-ном содержании  в кислороде, произведенных в оптимальной, для данного случая, точке цикла HCCI (θ=10° и T=388 К), концентрация NO на выходе может быть уменьшена в 4 раза по сравнению с базовым режимом (T=470 К и ) или в 2 раза по сравнению с неоптимальным режимом возбуждения молекул O, рассмотренным ранее (,  и T=408 К).
0
2
Несмотря на уменьшение температуры в момент времени, соответствующий ВМТ, и после него при уменьшении величины T и, как следствие, уменьшении скорости окисления СО концентрация угарного газа в продуктах сгорания также падает в 2 раза. Уменьшение концентрации CO обусловлено более высокой реакционной способностью молекул СК и ускорением цепного механизма в процессе окисления CO по сравнению с молекулами кислорода, находящимися в основном состоянии. Следовательно, возбуждение молекул O в состояние  в оптимальной точке такта сжатия может значительно улучшить эмиссионные характеристики двигателя HCCI.
Таким образом, заявленный способ организации воспламенения и горения топлива с использованием СК за счет введения корректировки основных параметров рабочего цикла HCCI с использованием обратной связи обеспечивает надежное воспламенение, повышение стабильности работы двигателя и расширение диапазона его устойчивой работы. При этом появляется возможность уменьшать количество токсичных составляющих в ОГ двигателя.