Способ управления рабочими процессами многотопливного двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива. Изобретение позволяет расширить динамический диапазон управляющего воздействия на рабочие процессы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и упростить его техническую реализацию. Способ основан на впрыскивании топлива в камеру сгорания на такте сжатия, формировании совместно с воздушным зарядом углеводородной смеси, причем топливо впрыскивают в камеру сгорания через плазмоэлектрохимический реактор с одновременным поступлением туда из генератора низкотемпературной плазмы потока химически активной воздушной плазмы, который обеспечивает в реакторе плазмоэлектрохимический пиролиз и возбуждение молекул и атомов топлива с последующим его самовоспламенением при перемешивании с воздушным зарядом в камере сгорания. 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для организации рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива.

Известен способ управления рабочими процессами двигателя внутреннего сгорания, технической реализацией которого является двигатель внутреннего сгорания [1]. В камеру сгорания этого двигателя поступает обедненная топливовоздушная смесь, которую воспламеняют факелом плазмы топлива, полученным в форкамере.

Недостаток известного способа состоит в том, что в процессе работы двигателя внутреннего сгорания не обеспечивается экономичность и экологичность сгорания топлива, так как всасываемый через любой карбюратор воздух дозируется только по объему, а не по массе, необходимой для обеспечения экономного расхода топлива и экологически чистого процесса его сгорания.

Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является способ управления рабочими процессами многотопливного двигателя внутреннего сгорания, основанный на впрыскивании топлива в камеру сгорания на такте сжатия, формировании совместно с воздушным зарядом углеводородной смеси и ее воспламенении с помощью электроискровой свечи, расположенной либо в форкамере, либо непосредственно в камере сгорания [2]. При этом устройство, реализующее прототип, содержит электронную систему управления двигателем, системы подачи воздуха и топлива, блок электропитания и систему непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания. За счет использования обедненной горючей смеси, в которой на одну часть бензина приходится 40-50 частей воздуха, компьютеризации процесса управления двигателем и периодической регенерации катализатора обеспечиваются экономичность и экологичность транспортного средства с таким двигателем.

Недостаток прототипа заключается в узком динамическом диапазоне управляющего воздействия на рабочие процессы многотопливного двигателя внутреннего сгорания, который задан ограниченным интервалом возможного изменения состава горючей смеси (α<3,0) и необходимостью прецизионного дозирования топлива и воздуха, а также задания с высокой точностью моментов электроискрового воспламенения. Другой недостаток прототипа состоит в сложности технической реализации управления работой двигателя внутреннего сгорания на топливах широкого фракционного состава и его промышленного изготовления с узким диапазоном допусковых отклонений элементов цилиндропоршневой группы. Узкий динамический диапазон управляющего воздействия на рабочие процессы двигателя внутреннего сгорания, высокая стоимость и сложность технической реализации снижают экономичность и экологичность двигателя внутреннего сгорания.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона управляющего воздействия на рабочие процессы многотопливного двигателя внутреннего сгорания за счет автоматического регулирования не только состава горючей смеси (до значения α>3,0), но и ее химической активности, а также упростить его техническую реализацию за счет снижения требований к топливной аппаратуре высокого давления и замены сложной электроискровой системы на плазмоэлектрохимическую технологию пиролиза углеводородного топлива широкого фракционного состава с последующим непосредственным впрыском продуктов пиролиза в камеру сгорания для их самовоспламенения.

Сущность изобретения заключается в том, что кроме известных и общих операций, основанных на впрыскивании топлива в камеру сгорания на такте сжатия и формировании совместно с воздушным зарядом углеводородной смеси, предлагается новая совокупность операций, которая характеризуется тем, что топливо впрыскивают в камеру сгорания через плазмоэлектрохимический реактор с одновременным поступлением туда из генератора низкотемпературной плазмы потока химически активной воздушной плазмы, который обеспечивает в реакторе плазмоэлектрохимический пиролиз и возбуждение молекул и атомов топлива с последующим его самовоспламенением при перемешивании с воздушным зарядом в камере сгорания.

Новизна изобретения состоит в том, что топливо впрыскивают в камеру сгорания через плазмоэлектрохимический реактор с одновременным поступлением туда из генератора низкотемпературной плазмы потока химически активной воздушной плазмы, который обеспечивает в реакторе плазмоэлектрохимический пиролиз и возбуждение молекул и атомов топлива с последующим его самовоспламенением при перемешивании с воздушным зарядом в камере сгорания, что позволяет расширить динамический диапазон управляющего воздействия на рабочие процессы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и упростить его техническую реализацию.

Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления рабочими процессами многотопливного двигателя внутреннего сгорания, изображена на чертеже, где обозначено: 1 - электронная система управления двигателем; 2 - измерительные каналы (датчики); 3 - контроллер; 4 - исполнительные механизмы; 5 - система подачи воздуха в генератор низкотемпературной плазмы; 6 - блок электропитания: 7 - система подачи топлива в плазмохимический реактор; 8 - магистраль подачи воздуха; 9 - генератор низкотемпературной плазмы; 10 - дозатор подачи топлива; 11 - магистраль подачи топлива; 12 - плазмоэлектрохимический реактор; 13 - канал подачи воздуха; 14 - поршень; 15 - камера сгорания; 16 - запорный клапан; 17 - химически активная горючая смесь.

В исходном состоянии электронная система управления двигателем 1, содержащая последовательно соединенные между собой измерительные каналы (датчики) 2, контроллер 3 и исполнительные механизмы 4, подключена к соответствующим входам системы подачи воздуха 5 в генератор низкотемпературной плазмы, блока электропитания 6 и системы подачи топлива 7 в плазмохимический реактор. Магистраль подачи воздуха 8 подключена к одному входу генератора низкотемпературной плазмы 9, к другому входу которого подключен выход блока электропитания 6. Дозатор топлива 10 включен в магистраль подачи топлива 11 для плазмоэлектрохимического реактора 12. Канал подачи воздуха 13 направлен через клапаны на поршень 14 камеры сгорания 15, в которую через запорный клапан 16 направлен поток химически активной горючей смеси 17.

Устройство, реализующее предлагаемый способ управления рабочими процессами многотопливного двигателя, работает следующим образом.

Генератор низкотемпературной плазмы 9 потребляет воздух и электрическую энергию, необходимые для формирования потока воздушной низкотемпературной плазмы, который на выходе генератора низкотемпературной плазмы 9 становится химически активным, так как состоит из заряженных частиц, возбужденных атомов и молекул соединений воздуха. Поток воздушной низкотемпературной плазмы под избыточным давлением поступает в плазмоэлектрохимический реактор 12. В связи с высокой химической активностью воздушной низкотемпературной плазмы в плазмоэлектрохимическом реакторе 12 происходит высокоскоростной (со скоростью перемешивания) плазмохимический пиролиз топлива. При этом наблюдается экзотермическое окисление части топлива с выделением дополнительного тепла, деструкция и возбуждение молекул и атомов топлива.

В заданный электронной системой управления двигателя 1 момент времени через плазмоэлектрохимический реактор 12 и запорный клапан 16 в камеру сгорания 15 впрыскивают требуемый заряд топлива. В результате этих процессов на выходе плазмоэлектрохимического реактора 12, установленного непосредственно на головке блока цилиндров и соединенного с камерой сгорания 15, образуется химически активный многофазный поток топлива 17, который самовоспламеняется при взаимодействии с зарядом воздуха в камере сгорания 15.

Регулирующее изменение объема и момента впрыска топлива в камеру сгорания 15 через плазмоэлектрохимический реактор 12 осуществляют циклически по командам электронной системы управления двигателя 1, согласно установленному алгоритму и порядку работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Воздух и электрическая энергия могут потребляться генератором низкотемпературной плазмы 9 как непрерывно, так и дискретно, в соответствии с циклограммой потребления топлива.

Генератор низкотемпературной плазмы 9 потребляет около 1% воздуха, поступающего в двигатель, и электрическую мощность, составляющую около 0,5% от выходной мощности двигателя. Коэффициент избытка воздуха в плазмоэлектрохимическом реакторе 9 в зависимости от теплового состояния конструкции и режимов работы двигателя, типа используемого топлива и потребляемой генератором низкотемпературной плазмы 9 электрической энергии может изменяться в широком диапазоне от 0,001 до 0,4. При этом алгоритм работы электронной системы управления двигателя 1 организуют так, что в любом режиме работы двигателя через плазмоэлектрохимический реактор 12 в камеру сгорания 15 поступает химически активный многофазный поток горючей углеводородной топливной смеси 17, которая при взаимодействии (в процессе перемешивания в камере сгорания 15) с воздушным зарядом самовоспламеняется.

Промышленная применимость заявленного изобретения подтверждается тем, что процесс плазмохимической технологии известен в работе [3], по предлагаемому изобретению в 1998-2000 г.г. разработана техническая документация, изготовлены и проводятся испытания опытных образцов двигателей внутреннего сгорания на автомобилях Волжского автозавода.

Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что расширяется динамический диапазон управляющего воздействия на рабочие процессы многотопливного двигателя внутреннего сгорания за счет того, что, кроме известного компьютерного дозирования по объему засасываемого воздуха для горения и топлива, предлагается дополнительное автоматическое регулирование химической активности углеводородного топлива путем его деструкции с помощью воздушной низкотемпературной плазмы.

Упрощение технической реализации заявленного способа достигается за счет снижения требований к топливной аппаратуре высокого давления и замены сложной электроискровой системы на плазмоэлектрохимическую технологию пиролиза углеводородного топлива широкого фракционного состава с последующим непосредственным впрыском продуктов пиролиза в камеру сгорания для их самовоспламенения.

Инвариантность к различным типам используемого углеводородного топлива обеспечивается его деструкцией с помощью воздушной низкотемпературной плазмы, что известно в [4].

Литература 1. Патент США 4332223, МПК F 02 Р 23/00, F 02 В 19/10, F 02 В 23/00, 1982 г. (аналог).

2. Воробьев-Обухов А., Диалектика впрыска. Журнал "За рулем", 8, 2000 г. , с. 56-58 (прототип).

3. Патент РФ 2051289, МПК F 02 М 27/00, 1992 г.

4. Пиролиз, Краткая химическая энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1964 г., с. 1069-1082.

Формула изобретения

Способ управления рабочими процессами многотопливного двигателя внутреннего сгорания, основанный на впрыскивании топлива в камеру сгорания на такте сжатия и формировании совместно с воздушным зарядом углеводородной смеси, отличающийся тем, что топливо впрыскивают в камеру сгорания через плазмоэлектрохимический реактор с одновременным поступлением туда из генератора низкотемпературной плазмы потока химически активной воздушной плазмы, который обеспечивает в реакторе плазмоэлектрохимический пиролиз и возбуждение молекул и атомов топлива с последующим его самовоспламенением при перемешивании с воздушным зарядом в камере сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1