КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ ЭНЕРГИИ В РАБОЧЕЕ ТЕЛО И УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИОННОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
COMPENSATING METHOD OF FEEDING POWER TO WORK MEDIUM AND DIESEL ENGINE COMPENSATION COMBUSTION CHAMBER

Компенсационный способ введения энергии в рабочее тело (далее РТ) и устройство компенсационной камеры сгорания (камера), в которой он осуществляется, предназначены для использования в поршневых дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ введения энергии в РТ посредством сжигания топлива в условиях пристеночного смесеобразования, осуществляемый в однополостной камере, оснащенной вытеснителями, подачей топлива в направлении его вращения. Камера расположена в центральной части днища поршня и в плане имеет круглое сечение. Описана в технической литературе: «Двигатели внутреннего сгорания», том 1, ред. проф. Луканина В.Н., М., 1995, далее - ист.1, стр.150-151 и рис.3.36. Недостатками способа и камеры является то, что ДВС имеют низкий кпд, а в выхлопных газах содержатся производные несгоревшего топлива, сажевые частицы, оксиды азота. При этом степень проявления недостатков зависит от скоростного режима работы ДВС. По данным ист.1, «увеличение скорости движения заряда до некоторого оптимального значения увеличивает тепловыделение в третьей фазе (основная фаза сгорания). При «перезавихрении» заряда тепловыделение в третьей фазе снижается» (стр.152). Нарушение режима смесеобразования в процессе сжигания топлива «связано с ухудшением распределения топлива в объеме заряда, что увеличивает неполноту сгорания топлива и вызывают дымление ДВС» (стр.167).
Известен способ введения энергии в РТ посредством сжигания топлива в условиях пристеночного смесеобразования, осуществляемый в разделенной вихревой камере (авторское свидетельство СССР 964205, 1984). Основная камера выполнена в виде двух полусферических выемок, расположенных в днище поршня и головке блока цилиндров. Вихревая камера расположена в теле головки цилиндров. Соединяющий камеры канал обеспечивает перетекание рабочего тела (РТ) из камеры в камеру тангенциально (касательно) их круглой образующей поверхности по направлению движения РТ. Топливо впрыскивают в вихревую камеру в направлении вращения РТ (ист.1, стр.158). Достоинствами камеры являются: снижение содержания оксидов азота в выхлопных газах, плавное нарастание давления в камере, возможность сжигания топлива с низкими коэффициентами избытка воздуха. Однако существенного приращения мощности при эксплуатации ДВС с этими камерами не происходит. Связано это с плохой проветриваемостью вихревой камеры, потерями энергии РТ при нагреве поверхностей вихревой камеры и соединительного канала, потерями из-за гидродинамического сопротивления соединительного канала.
2
2
3
Общими недостатками названных камер являются: наличие оксидов азота и сажевых частиц в выхлопных газах, низкий кпд ДВС. Физическая сущность негативных проявлений связана с локальными градиентами температуры и давления, формирующимися при впрыскивании топлива. Действительно, при рассмотрении схематического сечения струи впрыскиваемого топлива, разрез которой с условной зональностью приведен на фиг.1, воспроизведенной по ист.1, рис.3.14, видно, что зона 1 соответствует воздуху без топлива с температурой 750-1000 К (875±125 К). Зона 2 характеризуется избытком количества воздуха в топливовоздушной смеси (ТВС), α>1 (α - коэффициент избытка воздуха). Зона 3 имеет стехиометрическое соотношение, α=1. Зоны 2 и 3 являются областью термического распада топлива. В зоне 4, соответствующей оси струи, α<<1. В результате затрат тепла РТ на испарение и диссоциацию температура в зоне 4 снижается до 150-200°С (445±25 К) - ист.1, стр.145 и 155. Таким образом, в пределах объема ТВС локальный градиент температуры составляет 400±100 К, что вызывает снижение давления от периферии к центру и определяет тенденцию к сжатию объема струи. При этом формируется градиент состояния ТВС - молекулярное и атомарное в зонах 2-3 и конденсированное в зоне 4. Локальный градиент температуры формируется на протяжении всего времени впрыскивания топлива, увеличиваясь в своих значениях, и к концу впрыскивания возрастает до значений 1500 К и более (ист.1, табл.3.4). Это оказывает влияние на весь процесс введения энергии в РТ, т.к. локальный градиент давления, спровоцированный температурным градиентом, противодействует переносу впрыскиваемого топлива в область фронта сгорания. При воспламенении (фиг.1, точка б), которое происходит на границе 1 и 2 зон, фронт пламени распространяется вовнутрь области ТВС. Реакция протекает в режиме самоускорения, в условиях сферического фронта, сходящегося к центру, что ведет к быстрому росту плотности выделяющейся энергии. В геометрическом фокусе сферического фронта (зона 4) происходит кумулятивное объемное сжатие и нагрев конденсированного топлива, что приводит к термохимическому взрыву - детонации ТВС. Индикаторным показателем температуры в зоне сжатия служит образование оксидов азота, что возможно только при температурах более 3500 К - температура, при которой диссоциирует 0,1% молекул азота, Большая Советская Энциклопедия (БСЭ), «азот». Масштабности детонационного режима сгорания лежат от микропроявлений (оксиды азота и сферические сажевые частицы с размером 100-3500 Å, БСЭ - сажа) до объемного сгорания ТВС (ударная волна) и присущи всем видам камер. Описанный процесс согласуется с приведенным на фиг.2 графиком скорости тепловыделения, воспроизведенным по ист.1, рис.3.40, где точка а - начало введения топлива, т.б - начало воспламенения. Фаза θ, соответствующая детонационному режиму сгорания топлива, выделена наклонной штриховкой. Энергия, выделившаяся в этой фазе, составляет 10-20% (и более) вводимой в РТ (ист.1, стр.71), формирует ударную волну и практически не утилизируется РТ. После сгорания ТВС в выгоревшей зоне остается азот и его оксиды, углекислый газ, частицы углерода, несгоревшее топливо, пары воды и др. Горение прерывается, что демонстрируется фиг.2 - задний фронт фазы θ. В выгоревшую зону продолжает поступать топливо и формируется ТВС, в которой испарение и диссоциация топлива протекает в условиях нейтральной среды. Они смешиваются с остаточными газами и попадают в процессе переноса в зоны камеры, содержащие кислород, где горение возобновляется в диффузионном режиме (фиг.2, т.в графика - начало фазы θ).
Задачей изобретения является разработка способа и устройства, в котором он осуществляется, повышающих кпд дизельного ДВС с однополостной камерой и снижающих содержание вредных компонентов в выхлопных газах.
Поставленная задача решается компенсационным способом введения энергии в РТ посредством сжигания впрыскиваемого в камеру сгорания дизельного двигателя топлива в условиях пристеночного смесеобразования. Согласно изобретению, способ заключается во вводе воздуха в камеру сгорания по касательной к образующей полости камеры сгорания, приобретении вращательного движения воздуха в камере сгорания в плоскостях, перпендикулярных ее большей оси, и подаче топлива в направлении движения воздуха. Перед введением топлива производят нагрев подложки-излучателя до температуры в камере сгорания посредством внешнего источника электроэнергии и потока инфракрасного излучения, топливо впрыскивают на подложку-излучатель и под действием инфракрасного излучения и нагретого воздуха осуществляют испарение, диссоциацию и воспламенение впрыскиваемого топлива.
Согласно изобретения, по мере возрастания температуры рабочего тела увеличивают температуру нагрева подложки-излучателя посредством внешнего источника электроэнергии и увеличивают частоту и плотность инфракрасного излучения.
1
Введение инфракрасного излучения в зону впрыскивания топлива обеспечивает его быстрый объемный нагрев, испарение и диссоциацию. Это предотвращает формирование значимого локального градиента давления в зоне впрыскивания топлива, противодействующего переносу диссоциированного топлива в область фронта сгорания. При этом значительно сократилось время задержки воспламенения (Фиг.2, т.а и т.б на графике сливаются в одну точку б). Исключены потери энергии, связанные с образованием ударной волны и диссоциацией азота, снижено содержание вредных компонентов в выхлопных газах, а процесс введения энергии трансформирован в однофазный. Полученный заявляемый технический результат отображен на фиг.2 в виде области графика с вертикальной штриховкой.
Формирование вращательного движения воздуха в камере в плоскостях, перпендикулярных ее большей оси, обеспечивает единообразие условий сжигания топлива в широком диапазоне частот работы ДВС. Наряду с этим снижается вероятность проявления в процессе сжигания топлива такого негативного проявления как «перезавихрение» РТ. Поскольку смесеобразование в дизельном ДВС протекает одновременно с сжиганием топлива (ист.1, стр.147, «Смесеобразование»), направленное введение воздуха в камеру инициирует турбулентное пристеночное сгорание топлива с пограничным слоем. По определению (ист.«Физическая энциклопедия», электронная версия, 2003, далее - ФЭ, «пограничный слой, турбулентный п.с.») в турбулентном пограничном слое происходит интенсивное перемешивание и аномально возрастает перенос количества движения, теплоты и массы, сокращается время протекания химических процессов (горение), способности нести и передавать взвешенные частицы. Согласно ист.2 («Справочник по физике», Яворский Б.М., Детлаф А.А., 1968, стр.336, п.8), «турбулизация пограничного слоя приводит к возрастанию градиента скорости на поверхности тела (камеры) и увеличивает напряжение трения. В этом случае внутреннее трение обусловлено одновременно действующими процессами переноса количества движения как за счет теплового движения молекул, так и за счет турбулентного перемешивания». Приведенная характеристика роли турбулентности РТ в процессе сгорания топлива приведена и в ист.1, стр.106 - «турбулизация заряда увеличивает интенсивность тепломассопереноса и скорость сгорания как гомогенных (карбюраторные ДВС), так и гетерогенных смесей (ТВС) - дизели».
Способ реализуют в условиях компенсационной камеры сгорания дизельного двигателя, расположенной в центральной части днища поршня, в которую осуществлен ввод воздуха из объема над поршнем, вытесняемого с помощью вытеснителей, и топливо подается в направлении его движения. Согласно изобретению камера выполнена профилированными теплоотражающими поверхностями головки блока и днища поршня в виде тела вращения, большая ось которого больше диаметра камеры, и большее сечение расположено параллельно плоскости внешней образующей днища поршня. Поток воздуха подается касательно круглой образующей полости камеры, которая оснащена оптическим устройством, с возможностью введения в область впрыскивания топлива потока инфракрасного регулируемого диапазона спектра излучения от генератора, и топливо впрыскивают на подложку-излучатель с возможностью регулируемого нагрева посредством источника электроэнергии.
Геометрическая форма камеры и компенсационный способ введения энергии в РТ обеспечивают формирование в камере стабильного режима смесеобразования в широком диапазоне частоты вращения ДВС. При открытии камеры на такте расширения происходит постепенное разрушение турбулентного потока и вращательная составляющая энергии преобразуется в хаотическое поступательное движение - переходит в тепловую энергию. Камера оснащена отражающей ИК-излучение поверхностью, что позволило использовать отраженное излучение для повышения внутренней энергии РТ. Полученный заявляемый технический результат при введении энергии в РТ в условиях компенсационной камеры отображен на фиг.2 в виде области графика с горизонтальной штриховкой.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков предлагаемых изобретением способа и устройства, в котором он реализуются, с достижением указанного технического результата.
Сущность изобретения показана на чертежах, где:
фиг.1 - схематическое сечение струи впрыскиваемого топлива;
фиг.2 - характеристика скорости тепловыделения при сгорании топлива;
фиг.3 - разрез компенсационной камеры сгорания по оси цилиндра;
фиг.4 - разрез камеры по внешней образующей цилиндра.
Пример выполнения предлагаемого устройства камеры.
Компенсационная камера сгорания 1 дизельного двигателя (фиг.3) расположена в центральной части днища поршня 2, выполнена в виде тела вращения (фиг.4), большая ось которого больше диаметра (в приводимом примере конструктивного исполнения имеет форму вытянутого эллипсоида). Камера сформирована профилированными поверхностями днища поршня 2 и головки блока цилиндров 3 и оснащена вытеснителями 4. Большее сечение камеры лежит параллельно плоскости внешней образующей 5 днища поршня. Полость камеры оснащена теплоизолированной, с теплоотражающими свойствами поверхностью 6. В ней установлена подложка-излучатель 7 с возможностью регулируемого нагрева посредством источника электроэнергии с блоком управления (не показано) и оптическое устройство 8 с возможностью введения в область впрыскивания топлива потока ИК-излучения регулируемого диапазона спектра излучения от генератора (не показано).
2
2
Процесс введения энергии в РТ в условиях компенсационной камеры происходит следующим образом. При подходе поршня 2 к в.м.т. на такте сжатия воздух под действием вытеснителей 4 в виде направленного потока 9 перетекает в камеру 1 касательно круглой образующей поверхности 6, где приобретает вращательное движение 10 в параллельных плоскостях, перпендикулярных большей оси полости камеры. Перед введением топлива производят регулируемый нагрев подложки-излучателя 7 до температуры воздуха в камере посредством источника электроэнергии и потоком ИК-излучения 11 регулируемого диапазона спектра от генератора (не показано) посредством оптического устройства 8. Топливо 12 впрыскивают по направлению движения потока 10 на подложку-излучатель 7. Под действием ИК-излучения подложки-излучателя 7, вводимого потока ИК-излучения 11, и нагретого воздуха, происходит испарение, диссоциация и воспламенение впрыскиваемого топлива 12 без формирования существенных локальных градиентов температуры и давления. После сжигания первых порций топлива его впрыскивание, испарение и диссоциация протекают в среде, не содержащей кислород. Диссоциированное топливо переносится турбулентным потоком 10 в фронт сгорания (области камеры, содержащие кислород), где сгорает в условиях пристеночного турбулентного потока РТ. По мере возрастания температуры РТ производят увеличение температуры подложки-излучателя 7 посредством ее регулируемого нагрева посредством источника электроэнергии. Соответственно, увеличивают частоту и плотность вводимого ИК-излучения 11 регулируемого диапазона спектра излучения посредством оптического устройства 8. Часть энергии, выделяющаяся в процессе сжигания топлива в виде излучения, возвращается в термодинамическую систему РТ в виде отраженной от поверхности камеры 6 и поглощается молекулами СO и HO. Часть кинетической энергии, представленная хаотическим поступательным движением, преобразуется в кинетическую энергию многокаскадного турбулентного потока. Перераспределение энергии между ее кинетическими составляющими уменьшает излучательную составляющую РТ. Отсутствие значительных локальных градиентов температуры и давления в зоне впрыскивания топлива, совместно с формированием в камере вращательного движения заряда, способствует эффективному переносу диссоциированного топлива в область фронта сгорания. Это обеспечивает полноту его сжигания при относительно низких коэффициентах избытка воздуха. При рабочем ходе поршня происходит открытие камеры. Введение ИК-излучения и нагрев подложки прекращают. Процесс сжигания топлива (догорание) распространяется по всему надпоршневому объему в виде раздробленных, с нарушенной системностью турбулентных образований. Кинетическая энергия турбулентного потока преобразуется в тепловую энергию - кинетическую энергию поступательного хаотического движения молекул РТ. На фиг.2 описанный процесс соответствует области графика с горизонтальной штриховкой.
Компенсационный способ введения энергии в РТ в условиях камеры сгорания, в которой он осуществляется, позволяет получить заявляемый технический результат: увеличить кпд двигателя и снизить содержание вредных компонентов в выхлопных газах. Наряду с этим снижены максимальная температура сжигания топлива, динамические нагрузки на поршень и обеспечена возможность сжигания топлива при более низких коэффициентах избытка воздуха, что увеличивает литровую мощность и другие показатели ДВС.
Возможно применение принципов введения энергии, выделившейся при сжигании топлива, в условиях бензинового (газового) ДВС в части инициирования воспламенения ТВС ИК-излучением и введения энергии в РТ в условиях компенсационной камеры сгорания.