Способ воспламенения рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (варианты)
Владельцы патента RU 2256817:
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания и облегчения его запуска при низкой температуре окружающей среды. Сущность изобретения заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания двигателя активируют импульсом СВЧ энергии, имеющим частоту сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания. При этом импульс СВЧ энергии накладывают на импульс энергии поджига рабочей смеси таким образом, что начальная фаза его переднего фронта опережает момент зажигания на некоторое время. Импульс СВЧ энергии возбуждает камеру сгорания рабочей смеси СВЧ электромагнитным полем. Импульс энергии поджига рабочей смеси в двигателях с принудительным зажиганием поступает на воспламенитель рабочей смеси, например свечу зажигания, а в двигателях с зажиганием от сжатия его длительность соответствует длительности впрыска топлива в камеру сгорания через форсунку. Активация молекул рабочей смеси СВЧ электромагнитным полем облегчает ее воспламенение и увеличивает скорость ее горения. Время действия импульса СВЧ энергии после импульса энергии поджига рабочей смеси обеспечивает поддержание процесса активации молекул рабочей смеси в процессе ее горения. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.
Известны способы и устройства воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, см., например, Ав. Св. СССР 879008, МПК F 02 P 15/00 от 07.11.81. Бюл. №41. Воспламенение рабочей смеси в этих устройствах осуществляют в момент зажигания высоковольтными импульсными разрядами, следующими с частотой 2,5-40 кГц. Недостатком такого способа является то, что большая часть энергии этих разрядов воздействует на рабочую смесь в локальной области их существования. Благодаря этому происходит недостаточная активация горения рабочей смеси в камере сгорания, что приводит к снижению эффективности воспламенения рабочей смеси. Устройство, реализованное данным способом, не совмещается с традиционными системами зажигания в двигателях внутреннего сгорания.
Прототипом изобретения является патент РФ №2161728, МПК 7 F 02 P 23/04, опубликованный в Бюл. №1 от 10.01.2001 г. Способ инициирования горения газовой или газово-топливной смеси. Способ заключается в энергетическом воздействии на смесь ультрафиолетовым излучением скользящего поверхностного разряда, получаемого при подаче напряжения на электроды, расположенные на поверхности диэлектрика и размещенные в объеме смеси в камере сгорания. К недостатку этого способа следует отнести то, что он не позволяет сформировать желаемого энергетического воздействия на рабочую смесь во всем объеме камеры сгорания. Это происходит потому, что поверхностный разряд протекает по поверхности электродов и соответственно воздействие ультрафиолетового излучения на смесь имеет место в области расположения электродов. При этом устройство, реализованное этим способом, требует размещения в рабочей камере двигателя внутреннего сгорания большого количества электродов, что является сложной технической задачей, трудно осуществимой в реальном устройстве.
Решаемая техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении экономичности двигателя внутреннего сгорания, облегчении запуска двигателя при низкой температуре окружающей среды и обеспечении возможности совмещения реализации предлагаемого способа и устройства с традиционными электроискровыми и дизельными системами воспламенения рабочей смеси.
Техническая задача в способе воспламенения рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающемся в формировании в момент зажигания импульса энергии поджига рабочей смеси с длительностью τи в камере сгорания рабочей смеси достигается тем, что рабочую смесь в камере сгорания рабочей смеси активируют импульсом СВЧ энергии длительностью τс с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси, который накладывают на импульс энергии поджига рабочей смеси с начальной фазой переднего фронта, опережающей момент зажигания на время τз, равное а время действия импульса СВЧ энергии от момента зажигания составляет не менее чем (0÷5)τи длительности импульса энергии поджига рабочей смеси τи, где τз - время опережения переднего фронта импульса СВЧ энергии момента зажигания, τс - длительность импульса СВЧ энергии, τу - время установления импульса СВЧ энергии в камере сгорания, τи - длительности импульса энергии поджига рабочей смеси.
Техническая задача в устройстве для осуществления способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания в его первом варианте, содержащем камеру сгорания рабочей смеси с установленным в ней воспламенителем рабочей смеси, схему формирования импульса энергии поджига рабочей смеси с длительностью τи, вход которой подключен к электронному датчику момента зажигания, а выход соединен с воспламенителем рабочей смеси, достигается тем, что к электронному датчику момента зажигания подключены через линию задержки с временем задержки τз, взятым 
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 τс, равной τс=τз+(0÷5)τи 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 τз - время опережения переднего фронта импульса СВЧ энергии момента зажигания, τс - длительность импульса СВЧ энергии, τу - время установления импульса СВЧ энергии в камере сгорания, τи - длительности импульса энергии поджига рабочей смеси.
Техническая задача в устройстве для осуществления способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания в его втором варианте, содержащем 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 τс, равной τc=τз+(0÷5)τи, 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 τз, взятым τу<τз<(2÷3)τи, где τз - время опережения переднего фронта импульса СВЧ энергии момента зажигания, τс - длительность импульса СВЧ энергии, τу - время установления импульса СВЧ энергии в камере сгорания, τи - длительности импульса энергии поджига рабочей смеси.
На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, его первый вариант.
На фигуре 2 приведена схема устройства для осуществления способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, его второй вариант.
Схема устройства по фигуре 1, иллюстрирующего осуществление способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, в первом его варианте, содержит: камеру сгорания рабочей смеси 1 с установленным в ней воспламенителем рабочей смеси 2, датчик момента зажигания 3, к которому подключены через линию задержки 4 вход 5 схемы формирования импульса энергии поджига рабочей смеси 6 и через выключатель 7 клемма запуска 8 ждущего генератора импульса СВЧ энергии 9 с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси 1, а выход 10 ждущего генератора импульса СВЧ энергии 9 и выход 11 схемы формирования импульса энергии поджига рабочей смеси 6 подключены к воспламенителю рабочей смеси 2 через СВЧ цепь развязки 12 со схемой формирования импульса энергии поджига рабочей смеси 6. Схема формирования импульса энергии поджига рабочей смеси 6 может состоять, например, из электронного коммутатора 13 и бабины зажигания 14, а воспламенитель рабочей смеси 2, например свеча зажигания, одновременно является излучателем импульса СВЧ энергии в камере сгорания рабочей смеси 1.
Схема устройства по фигуре 2, иллюстрирующего осуществление способа воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, во втором его варианте, содержит камеру сгорания рабочей смеси 1, в которой установлены форсунка 15, соединенная с системой подачи топлива 16, и излучатель импульса СВЧ энергии 17, к которому подключен выход 10 ждущего генератора импульса СВЧ энергии 9 с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси, а клемма запуска 8 ждущего генератора импульса СВЧ энергии 9 через выключатель 7 соединена с датчиком момента зажигания 3, связанным с системой подачи топлива 16.
Рассмотрим осуществление способа на примере устройства, собранного по схеме в первом и втором вариантах. Сигнал от датчика момента зажигания 3 через замкнутый выключатель 7 поступает на клемму запуска 8 ждущего генератора импульса СВЧ энергии 9 и запускает его и с задержкой, равной τз, определяемой параметрами линии задержки 4 поступает на вход 5 схемы формирования импульса энергии поджига рабочей смеси 6, и также запускает ее. Импульс СВЧ энергии с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси с выхода 10 генератора 9 и импульс энергии поджига рабочей смеси с выхода 11 схемы формирования 6 через цепь СВЧ развязки 12 поступают на воспламенитель рабочей смеси 2. Импульс СВЧ энергии возбуждает камеру сгорания рабочей смеси 1 с распределением электромагнитного поля соответствующего типа колебания, см., например, Г.Т.Марков, А.Ф.Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. М. “Радио и связь” 1983 г., с.251-267, а импульс энергии поджига рабочей смеси с задержкой τз воспламеняет рабочую смесь. Время задержки τз импульса энергии поджига рабочей смеси относительно импульса СВЧ энергии, взятое из условия τу<τз<(2÷3)τи, обеспечивает установление электромагнитных колебаний в камере сгорания 1. За это время под действием электромагнитного поля СВЧ протекает процесс активации рабочей смеси по всему объему существования электромагнитного поля в камере сгорания 1. Повышение активации энергии молекул рабочей смеси облегчает ее воспламенение и увеличивает скорость ее горения, что является важным для работы двигателя внутреннего сгорания на обедненной смеси и для запуска двигателя при низкой температуре окружающей среды. Ограничение время задержки импульса энергии поджига сверху τз<(2÷3)τи вызвано необходимостью исключить преждевременное воспламенение рабочей смеси СВЧ разрядами в рабочих зазорах конструкции камеры сгорания рабочей смеси 1. Время действия импульса СВЧ энергии после импульса энергии поджига рабочей смеси (0÷5)τи обеспечивает поддержание процесса активации молекул рабочей смеси в процессе ее горения. Увеличение времени действия импульса СВЧ энергии более 5τи неэффективно, т.к. плазма горящей рабочей смеси экранирует излучение импульса СВЧ энергии и будет нагружать генератор импульса СВЧ энергии 9 на реактивную нагрузку короткого замыкания. Выход 10 генератора импульса СВЧ энергии 9 подключен к цепи СВЧ развязки 12 со схемой формирования импульса энергии поджига 6. Цепь СВЧ развязки 12 может быть реализована, например, на реактивных шлейфах и разделительных емкостях, см., например, Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: “Связь” 1973 г., с.385-401. Выключатель 7 в цепи запуска генератора 9 позволяет при необходимости отключать режим активации рабочей смеси импульсом СВЧ энергии для перехода к обычному режиму работы двигателя. При этом сохраняется регулировка двигателя с обычной системой зажигания.
В дизельных двигателях в камере сгорания рабочей смеси 1 устанавливается излучатель импульса СВЧ энергии 17, например, типа электроискровой свечи зажигания, которая подключена к выходу 10 генератора импульса СВЧ энергии 9. Запуск генератора 9 осуществляют сигналом от электронного датчика 3, связанного с системой подачи топлива 16 в форсунку 15. Длительность импульса энергии поджига рабочей смеси соответствует длительности впрыска топлива в камеру сгорания 1 через форсунку 15. Время задержки τз устанавливается регулировкой электронного датчика 3 относительно момента начала впрыска топлива в форсунку 15.
Осуществление предлагаемого изобретения позволит повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания за счет обеспечения его работы на обедненной смеси, облегчить запуск двигателя при низких температурах окружающей среды, а также его работу на переходных режимах. Совмещение высокочастотных блоков устройства для осуществления способа с традиционными системами зажигания позволяет осуществить предлагаемый способ без доработки двигателя и изменений в существующей системе зажигания.
1. Способ воспламенения рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в формировании в момент зажигания импульса энергии поджига рабочей смеси с длительностью τ и в камере сгорания рабочей смеси, отличающийся тем, что рабочую смесь в камере сгорания рабочей смеси активируют импульсом СВЧ-энергии длительностью τ с с частотой сигнала не менее собственной резонансной частоты камеры сгорания рабочей смеси, который накладывают на импульс энергии поджига рабочей смеси с начальной фазой переднего фронта, опережающей момент зажигания на время τ з, равное τ у≤τ з≤(2÷ 3)τ и, а время действия импульса СВЧ-энергии от момента зажигания составляет не менее (0÷ 5)τ и длительности импульса энергии поджига рабочей смеси τ и, где τ з - 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.
2. Устройство воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее 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, отличающееся тем, что к электронному датчику момента зажигания подключены через линию задержки с временем задержки τ з, взятым τ у≤τ з≤(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 з+(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 з - 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.
3. Устройство воспламенения рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания, содержащее камеру сгорания рабочей смеси с установленной в ней форсункой, соединенной с системой подачи топлива, отличающееся тем, что в камере сгорания рабочей смеси установлен излучатель импульса СВЧ-энергии длительностью τ с, равной τ с=τ з+(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, связанному с системой подачи топлива в форсунку, отрегулированному на опережение момента зажигания на величину τ з, взятую τ у≤τ з≤ (2÷ 3)τ и, где τ з - 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.
