Двигатель внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием

Полезная модель относится к двигателестроению, и может быть использована при реализации двигателя внутреннего сгорания с системой зажигания на основе сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, применяемым в автомобилестроении, в авиации (в том числе в беспилотных летательных аппаратах), а также в судостроении, железнодорожной технике и в иных областях, в которых используются двигатели внутреннего сгорания.
Широко известны двигатели внутреннего сгорания, в том числе поршневые (см., например, RU 94036612 A1, Кл. F02P 3/01, F02P 15/10, опубл. 10.08.1996; RU 94025682 А1, Кл. F01L 1/26, F02F1/24, опубл. 27.05.1996; RU 94036862 А, Кл. А02В 19/00, F02B 19/16, опубл. 20.09.1996, и иных источниках), в которых для инициирования воспламенения топлива в камере сгорания устанавливают одну или несколько свечей зажигания.
Недостатком такого двигателя является воспламенение топлива в зазоре свечи зажигания, т.е. не по всему объему камеры сгорания. Локальность такого поджигания ведет к образованию вредных выбросов, в числе которых оксиды и окислы азота (Nox), в высокотемпературных зонах и ограничению скорости горения, т.е. фактически частоты вращения двигателя.
Известны варианты двигателей внутреннего сгорания с соответствующими устройствами воспламенения рабочей смеси (см. RU 2003128545 А, кл. F02P 1/00, опубл. 20.03.2005).
По первому варианту, устройство воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащем камеру сгорания рабочей смеси с установленным в ней воспламенителем рабочей смеси, схему формирования импульса энергии поджига рабочей смеси с длительностью τ и, вход которой подключен к электронному датчику момента зажигания, а выход соединен с воспламенителем рабочей смеси, дополнительно к электронному датчику момента зажигания подключены через линию задержки с временем задержки τ 3, взятым τ у≤τ3≤(2-3)τ и, вход схемы формирования импульса энергии поджига рабочей смеси и через выключатель - клемма запуска ждущего генератора импульса СВЧ-энергии с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси, а выход ждущего генератора импульса СВЧ-энергии длительностью τ с равной τ с=τ 3+(0-5)τ и и выход схемы формирования импульса энергии поджига рабочей смеси подключены к воспламенителю рабочей смеси через цепь СВЧ-развязки со схемой формирования импульса энергии поджига рабочей смеси, где τ 3 - время опережения переднего фронта импульса СВЧ-энергии момента зажигания, τ с - длительность импульса СВЧ-энергии, τ у - время установления импульса СВЧ-энергии в камере сгорания, τ и - длительности импульса энергии поджига рабочей смеси.
По второму варианту, устройство воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее камеру сгорания рабочей смеси с установленной в ней форсункой соединенной с системой подачи топлива, достигается тем, что в камере сгорания рабочей смеси установлен излучатель импульса СВЧ-энергии длительностью τ с равной τ с=τ 3+(0-5)τ и, который подсоединен к выходу ждущего генератора импульса СВЧ-энергии с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси, клемма запуска которого через выключатель подсоединена к электронному датчику момента зажигания связанного с системой подачи топлива в форсунку отрегулированного на опережение момента зажигания на величину τ 3 взятым τ у≤τ3≤(2-3)τ и, где τ 3 - время опережения переднего фронта импульса СВЧ-энергии момента зажигания, τ с длительность импульса СВЧ-энергии, τ у - время установления импульса СВЧ-энергии в камере сгорания, τ и - длительности импульса энергии поджига рабочей смеси.
Основным недостатком обоих вариантов является большое количество энергии, необходимое для поджига рабочей смеси. Кроме того, несмотря на применение импульсов СВЧ-энергии. Такое поджигание все же является локальным, что ограничивает объемное (в полном объеме) сгорание топлива с высокой скоростью, и, как следствие, ограничивает частоту вращения двигателя и приводит к образованию вредных веществ (в числе которых оксиды и окислы азота (Nox)).
Известен (см. RU 2011123536 А, кл. F02D 23/00, опубл. 20.12.2012) двигатель внутреннего сгорания с устройством воспламенения рабочей смеси, содержащим камеру сгорания рабочей смеси, устройство подачи топлива в камеру сгорания, систему подачи СВЧ-энергии в камеру сгорания и излучатель СВЧ-энергии. В систему подачи СВЧ-энергии дополнительно введен компаратор, система подачи СВЧ-энергии выполнена в виде волновода, а излучатель СВЧ-энергии выполнен в виде излучающего раструба, закрытого со стороны камеры сгорания огнеупорной радиопрозрачной заглушкой.
Недостатки данного двигателя практически повторяют недостатки, указанные выше для вариантов двигателя согласно RU 2003128545 А.
Техническим результатом настоящей полезной модели:
обеспечение сжигания топлива в камере сгорания по всему ее объему;
значительное снижение затрат энергии пробоя;
увеличение скорости сгорания топлива;
обеспечение полноты сгорания топлива;
повышение экологичности - снижение вредных веществ (в том числе оксидов и окислов азота (Nox)) в выбросах,
повышение КПД двигателя внутреннего сгорания, за счет синергетического эффекта - достижения указанных преимуществ в совокупности;
создание двигателя внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием согласно предложенному техническому решению, охарактеризованному в формуле полезной модели;
простота настройки и регулирования двигателя и - при необходимости - возможность управления им в процессе работы.
Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием, содержащем, по меньшей мере, одну камеру сгорания, образованную цилиндром и рабочей поверхностью поршня, установленного в цилиндре с возможностью совершения возвратно-поступательных перемещений внутри цилиндра, с отверстиями для впускного и выпускного клапанов, как минимум, одна камера сгорания снабжена генератором СВЧ-излучения и инициаторами, расположенными или выполненными, как минимум, на рабочей поверхности поршня, причем инициаторы, находящиеся на рабочей поверхности поршня, выполнены в виде стержней, длина которых соответствует половине длины волны СВЧ-излучения, возникающего при работе генератора СВЧ-излучения.
В частных случаях выполнения двигателя:
Преимущественно, стержни имеют одинаковую длину и сечение.
В некоторых частных случаях выполнения, по меньшей мере, один из стержней отличается от других, по крайней мере, сечением и/или длиной, причем условие соответствия длины стержня половине длины волны СВЧ-излучения не нарушается.
Инициаторы на рабочей поверхности поршня и/или генератор СВЧ-излучения размещены таким образом, чтобы, при работе двигателя, по меньшей мере, при подходе поршня к верхней мертвой точке (в момент воспламенения или поджигания топлива) они находились в фокусе СВЧ-излучения.
Двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит блок управления или контроллер, при этом впускной и выпускной клапаны, а также генератор СВЧ-излучения соединены с указанным блоком управления или контроллером двигателя внутреннего сгорания.
Генератор СВЧ-излучения выполнен с возможностью изменения параметров, формы и/или направления СВЧ-излучения, например, по заранее заданному алгоритму.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами (фиг. 1), на котором представлена принципиальная схема предложенного двигателя внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием.
Двигатель внутреннего сгорания содержит камеру сгорания, образованную цилиндром 1, в котором находится поршень 2, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения (перемещения) относительно цилиндра.
Поршень посредством кинематического соединения соединен с валом, в процессе работы двигателя приводя его во вращение. Цилиндр 1 (и, соответственно, камера сгорания) содержит отверстия для впускного клапана 3 и выпускного клапана 4, соответственно, соединенных с системами подачи топлива и отвода продуктов сгорания (не показаны). Впускной 3 и выпускной 4 клапаны установлены в соответствующих отверстиях, как показано на рис. 1. Возможны также частные случаи выполнения, при котором камера сгорания через указанные отверстия соединена с соответствующими клапанами 3 и 4 в случае их установки не в указанных отверстиях.
С одного из торцов цилиндра 1 (со стороны рабочей поверхности поршня 2) располагается генератор СВЧ-излучения 5. Генератор СВЧ-излучения 5 соединен с системой (узлом) подачи СВЧ-энергии или/или с источником СВЧ-энергии и/или узлом формирования СВЧ-сигнала, или может содержать соответствующие вышеуказанные узлы.
Как минимум, на верхней (рабочей) поверхности поршня 2 расположены - установлены (например, запрессованы) или выполнены инициаторы 6 в виде стержней. Стержни размещены на поверхности поршня 2 протяженной своей стороной, например, с определенным шагом друг от друга. В частных случаях возможно расположение стержней другом за другом или в клетчатом порядке.
Длина упомянутых стержней 6 определяется исходя из условия соответствия ее половине длины волны СВЧ-излучения, которое будет использовано при работе двигателя.
В идеальных условиях должно соблюдаться полное равенство длины стержней и половины длины волны СВЧ-излучения, т.е. тождество; однако на практике, в силу различных причин, сложно обеспечить выполнения этого равенства.
Таким образом, под условием соответствия длины стержней и половины длины волны СВЧ-излучения понимается как условие равенства (точного или полного соответствие указанных величин), так и условие приблизительного равенства упомянутых величин, с незначительным отклонением, вызванным, например, определенной долей погрешности или допущения, однако с максимально возможным приближением к точному соответствию. Указанное отклонение может быть вызвано, например, погрешностями или допущениями при изготовлении.
Таким образом, длина стержней должна быть равна или примерно равна половине длины волны применяемого СВЧ-излучения.
Целесообразно, чтобы инициаторы (стержни) 6 на рабочей поверхности поршня 2 располагались таким образом, чтобы, при работе двигателя, по меньшей мере, при подходе поршня 2 к верхней мертвой точке (в момент воспламенения или поджигания топлива) они находились в фокусе СВЧ-излучения генератора 6.
Очевидно, что стержни 6 должны быть выполнены из токопроводящего, жаростойкого и тугоплавкого материала с высокой твердостью. Характеристики такого материала могут быть аналогичны характеристикам материала, из которого изготовлен поршень 2.
Расположение инициаторов 6 в виде стержней по отношению к оси цилиндра может быть как ортогональным, так и с отклонением от ортогональности, таким образом, чтобы при взаимодействии с СВЧ-излучением от генератора 5 они образовывали полуволновой вибратор.
Необходимо отметить, что в дополнение к инициаторам 6, расположенным на рабочей поверхности поршня 2, камера сгорания может быть также снабжена дополнительными инициаторами, расположенными, например, на торцевой поверхности цилиндра или на его внутренней поверхности (не показаны).
Двигатель внутреннего сгорания с объемным многоочаговым зажиганием работает следующим образом:
В камеру сгорания через впускной клапан 3 подается топливная смесь. В момент сжатия топливной смеси путем перемещения поршня 2 происходит поджиг горючей смеси.
Инициаторы 6 облучаются квазиоптическими пучками, которые генерируются излучением (преимущественно, импульсами, длительностью порядка 1 мкс) генератора 5. Инициаторы разряда 6 выступают в роли полуволнового вибратора, и в результате возникающего резонанса генерируется стримерный СВЧ разряд, который распространяется от инициаторов в направлении, противоположном направлению СВЧ-излучения, и, с учетом отражений, охватывает весь объем камеры сгорания.
Разряд, распространяясь по всему объему камеры сгорания, в свою очередь, возбуждает атомы кислорода, вследствие чего появляется жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение, осуществляющее дополнительную активацию топливной смеси, что содействует большей области горения и ускоряет сгорание топливной смеси при сравнимых значениях затраченной энергии.
Таким образом, стримерный разряд обеспечивает постоянное наличие "горячих" плазменных каналов во всем объеме камеры сгорания, и, тем самым, создаются условия для образования лавины электронов и большого количества промоторов горения. Все это приводит к существенному улучшению качества процесса сгорания топлива: увеличивается скорость и полнота сгорания топлива.
Скорость распространения стримерного разряда в зависимости от скорости, температуры и полного давления рабочей смеси может достигать 10-15 км/с, то есть обеспечивает практически мгновенное объемное инициирование горения топлива в камере сгорания.
По сравнению с источниками, принятыми в качестве аналогов, при прочих равных условиях затрачивается значительно меньше энергии на разряд пробоя, причем обеспечиваются необходимые (настраиваемые или регулируемые) объем и форма инициирования объемного сгорания топлива
Величина разряда зависит от напряженности СВЧ-поля, которая, при необходимости, может быть заранее предустановленной, настраиваемой либо регулируемой в процессе работы.
Продукты сгорания выводятся через выпускной клапан, соответственно, в систему отвода продуктов сгорания.
Верхнее значение длины волны СВЧ-излучения определяется исходя из размеров поршня двигателя. Таким образом, наиболее часто используемым будет СВЧ-излучение с длиной волны в диапазоне ориентировочно от 1 до 20 см. Тем не менее, возможно использование всего диапазона волн СВЧ-излучения.
Очевидно, что двигатель может содержать более одной камеры сгорания, например, при использовании большего количества цилиндров. По меньшей мере, часть из них могут быть оборудованы соответствующими генераторами СВЧ-излучения и инициаторами.
В частных случаях выполнения технического решения:
В предпочтительных случаях выполнения стержни могут быть выполнены одинаковой длины и сечения.
Однако в некоторых случаях, по меньшей мере, один из стержней отличается от других, по крайней мере, сечением и/или незначительно отличается длиной, причем должно выполняться условие примерного равенства половине длины волны СВЧ-излучения.
В некоторых случаях целесообразно, чтобы инициаторы на рабочей поверхности поршня и/или генератор СВЧ-излучения размещены (и предварительно настроены) таким образом, чтобы, по меньшей мере, при подходе поршня к верхней мертвой точке - в момент воспламенения (за счет сжатия) или поджигания топлива - они находились в фокусе СВЧ-излучения.
Двигатель внутреннего сгорания может также дополнительно содержать блок управления или контроллер (не показаны), при этом впускной 3 и выпускной 4 клапаны, а также генератор СВЧ-излучения 5 соединены с указанным блоком управления или контроллером двигателя внутреннего сгорания.
Генератор СВЧ-излучения 5 выполнен с возможностью изменения параметров (амплитуды, частоты в незначительных пределах), формы и/или направления СВЧ-излучения, например, по заранее заданному алгоритму.
Однако в некоторых частных случаях выполнения осуществляется настройка двигателя перед его запуском, и в процессе работы двигателя изменение параметров, формы или направления СВЧ-излучения не осуществляется.
Указанные выше признаки позволят регулировать объем и форму области объемного инициирования горения топлива и обеспечить сжигание топлива в камере сгорания по всему ее объему
За счет возникновения стримерного разряда и образования большого количества промоторов горения достигается значительное снижение затрат энергии пробоя (Расчеты и проведенные эксперименты показывают, что энергия пробоя может быть снижена на 2 порядка по сравнению с электроискровым зажиганием посредством свечей), а также значительное увеличение скорости сгорания смеси (в 2-3 раза по сравнению с электроискровым зажиганием посредством свечей), что обеспечивает полное сгорание по всему объему камеры сгорания на высоких оборотах двигателя внутреннего сгорания (что, в свою очередь, важно для спортивных автомобилей и мотоциклов).
Увеличение полноты (качества) сгорания и скорости горения топлива за счет наличия промоторов горения приводит также к существенному снижению в выбросах оксидов и окислов азота (Nox),
При выполнении технического решения может быть достигнута такая скорость сгорания топлива, которая позволяет поднять скорость вращения вала двигателя до 15-18 тыс. об/мин, что особенно важно для малогабаритных высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания, используемых в беспилотных летательных аппаратах. Снижение вредных выбросов позволит применять такие двигатели для модернизации газовых двигателей городских автобусов и грузовиков.
В итоге, за счет кумулятивного эффекта также увеличивается КПД двигателя внутреннего сгорания.