Способ подогрева всасываемого воздуха в двигателях внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы систем двигателей внутреннего сгорания. В изобретении решается задача облегчения пуска двигателя за счет устройства для предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания. Способ подогрева всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания основан на впрыскивании, смешивании углеводородной смеси с воздухом. В способе отделяют часть воздуха от общего потока воздуха, потребляемого двигателем, преобразовывают его в низкотемпературную воздушную плазму, смешивают углеводородную смесь с воздухом, обрабатывают углеводородную смесь низкотемпературной воздушной плазмой в реакторе плазменного конвертора топлива, осуществляя конверсию и самовоспламенение полученной топливовоздушной смеси во впускном коллекторе, нагревая воздух во впускном коллекторе за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для облегчения пуска двигателя, в частности к устройствам для предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ для предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания, в основном дизелей, основанный на прогреве воздуха во впускном трубопроводе двигателя за счет теплоты, полученной от сгорания топливовоздушной смеси. Способ заключается в том, что свеча накаливания предварительно нагревается и по истечении времени предварительного нагревания топливо впрыскивается форсункой на раскаленный нагревательный элемент свечи накаливания, происходит воспламенение топливовоздушной смеси. Свечи накаливания устанавливают в начале впускного трубопровода или в местах разводки по каналам цилиндров. Смотри источник: Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Ч 1. - М.: "Машиностроение", 2002 г., сс. 157…162, рис.1, 2, 3.

Недостатками известного способа являются низкая эффективность применения свечей накаливания при пуске дизелей, зависимость эффективности работы свечей накаливания от рабочей температуры открытой спирали или кожуха штифтовой свечи. Из-за потери теплоты при большой длине трубопровода снижается эффективность работы свечей подогрева в условиях низких температур.

В качестве аналога рассмотрен способ подогрева всасываемого воздуха в двигателях внутреннего сгорания с помощью электрофакельного подогрева (патент РФ №2092713, F02N 17/047).

Способ основывается на том, что при низких температурах предварительно нагревают свечу накаливания, установленную во впускном трубопроводе, в течение первого промежутка времени, путем пропускания через нее постоянного тока, по истечении заданного промежутка времени на свечу накаливания впрыскивается топливо с помощью форсунок, происходит воспламенение топливовоздушной смеси, в дальнейшем, пока двигатель не достигнет определенной рабочей температуры, ток к свече накаливания подается импульсами, в соответствие с пониженной мощностью, а топливо продолжает впрыскиваться форсунками во впускной трубопровод, продолжает гореть и подогревать всасываемый воздух.

Недостатком аналога является сложность включения данного устройства в работу, повторное использование возможно только после полного остывания свечи накаливания, способ не учитывает зависимость воспламеняемости топливной смеси от температуры окружающего воздуха, не затрагивает молекулярную структуру подготовки топлива и слабо влияет на процесс активизации топлива.

В качестве прототипа рассмотрен способ сжигания нефтяных газов и устройство для его осуществления (патент РФ №96123631, F23D 14/00).

Способ сжигания нефтяных газов путем их смешивания с воздухом с последующим воспламенением и сжиганием в факельной горелке. Сжигание смеси осуществляют в продольном, по отношению к факелу пламени, электрическом поле с напряженностью в зависимости от состава газов, причем устанавливают межэлектродное расстояние приложения продольного поля больше размеров факела на величину, достаточную для предотвращения электрического пробоя источника электрического поля через факел.

Недостатком прототипа является то, что способ не учитывает зависимость воспламеняемости топливной смеси от температуры окружающего воздуха, не затрагивает молекулярную структуру подготовки топлива и слабо влияет на процесс активизации топлива.

Целью настоящего изобретения является облегчение холодного пуска дизельного двигателя, сокращение времени пуска двигателя при температуре воздуха ниже плюс 5°С, с возможностью регулирования процесса подготовки рабочей смеси в зависимости от температуры окружающего воздуха плазменным конвертором топлива, обеспечение работы устройства на различных сортах моторного топлива.

Поставленная цель достигается тем, что в способе подогрева всасываемого воздуха в двигателях внутреннего сгорания, основанном на впрыскивании, смешивании углеводородной смеси с воздухом, отделяют часть воздуха от общего потока воздуха, потребляемого двигателем, преобразовывают в низкотемпературную воздушную плазму, смешивают углеводородную смесь с воздухом, обрабатывают углеводородную смесь низкотемпературной воздушной плазмой в реакторе плазменного конвертора топлива, осуществляя конверсию и самовоспламенение полученной топливовоздушной смеси во впускном коллекторе, нагревая воздух во впускном коллекторе за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси.

Способ отличается от известного способа подогрева воздуха во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания с помощью пускового электрофакельного подогревателя тем, что факел горения углеводородной смеси формируется обработкой углеводородной смеси низкотемпературной воздушной плазмой в реакторе плазменного конвертора топлива, с последующим самовоспламенением полученной рабочей смеси во впускном коллекторе.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям новизны.

Возможность регулирования процессом конверсии физико-химических характеристик топливной смеси обеспечивает широкие диапазоны регулирования удельных и интегральных характеристик подогревателя воздуха, что положительно отражается на экономических, мощностных и экологических показателях двигателя в целом.

Предлагаемый способ подогрева всасываемого воздуха реализуется устройством, изображенным на чертеже, где 1 - впускной трубопровод (коллектор), 2 - плазменный конвертор топлива. На корпусе впускного трубопровода 1 с помощью резьбового соединения крепится плазменный конвертор топлива 2, выполненный с резьбовыми присоединительными узлами на одном конце, для подсоединения топливного трубопровода и воздушной магистрали, и резьбовым присоединительным узлом на другом конце, для крепления к посадочному месту корпуса впускного трубопровода. Плазменный дуговой конвертор топлива представляет собой газоразрядное устройство для получения низкотемпературной воздушной плазмы. Рабочий газ (воздух) превращается в плазму, проходя через сжатую электрическую дугу с высокой концентрацией энергии, что описано [Новый политехнический словарь. / Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. - с.381]. Органическое топливо расщепляется, попадая в зону пиролиза, путем контактирования с низкотемпературной плазмой, образуя химически активные частицы, которые легко самовоспламеняются, и факел пламени, выброшенный в объем впускного коллектора из плазменного конвертора, обеспечивает прогрев всасываемого воздуха, так как воспламенение смеси происходит на выходе из плазменного конвертора топлива, установленного на корпусе впускного трубопровода. Регулирование процесса самовоспламенения топливовоздушной смеси, после воздействия на нее низкотемпературной плазмы, осуществляется изменением сочетания расходов топлива G_T и воздуха G_B через плазменный конвертор, а также изменением напряжения U, обеспечивающего зажигание электрической дуги в ионизированном искровом промежутке плазменного конвертора, с учетом температуры окружающего воздуха.

В процессе работы устройства для нагревания всасываемого воздуха во впускном трубопроводе двигателя воздух проходит через впускной трубопровод 1, электронный блок управления формирует командные сигналы на исполнительные элементы, например дроссельные заслонки, установленные во впускном трубопроводе, что позволяет направлять часть поступающего потока воздуха на вход плазменного конвертора топлива (не показаны), преобразовывать его в низкотемпературную воздушную плазму, пропуская через плазменный конвертор 2, взаимодействующую на углеводородную смесь, с образованием химически активных радикалов топливовоздушной смеси, осуществляя конверсию и воспламенение топливовоздушной смеси. Воздух во впускном трубопроводе нагревается за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси. Применение электронного блока управления с использованием микропроцессора (не показан) позволяет выбирать оптимальные варианты получения активных радикалов топливной смеси, изменять энергетику электрической дуги и количественные соотношения топлива и воздуха, что делает процесс смесеобразования топливовоздушной смеси регулируемым и эффективным на всех режимах работы двигателя, независимо от используемого углеводородного топлива.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в том, что применение плазменного конвертора топлива позволяет изменять структуру молекул топлива с образованием в нем химически активных радикалов, в зависимости от режимов работы двигателя и типа топлива, управлять энтальпией газовой струи, концентрацией и типом химически активных частиц. Отпадает необходимость в дополнительных устройствах для обеспечения активизации состава рабочей смеси, в зависимости от температуры окружающего воздуха, обеспечивать надежное воспламенение рабочей смеси при использовании различных сортов моторного топлива, снижается удельный расход топлива. Инвариантность к различным типам используемого углеводородного топлива обеспечивается его деструкцией с помощью низкотемпературной воздушной плазмы, что известно (Пиролиз. Краткая химическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 964, сс.1069…1082).

Указанный технический результат достигается также тем, что установленный плазменный конвертор топлива позволяет с помощью электронного блока управления формировать командные сигналы на исполнительные элементы, например дроссельные заслонки, установленные во впускном трубопроводе, что позволяет направлять часть поступающего потока воздуха на вход плазменного конвертора топлива, отделяя часть воздуха от общего потока воздуха, потребляемого двигателем, преобразовывать его в низкотемпературную воздушную плазму, взаимодействующую с топливом, изменяя структуру молекул топлива с образованием в нем химически активных радикалов, играющих большую роль в разветвленных цепных реакциях, по которым происходит горение углеводородного топлива, изменяя энергетику электрической дуги и количественные соотношения топлива и воздуха, организовать динамику подачи активных частиц топлива, автоматически изменять физико-химический состав топлива, в зависимости от температуры окружающей среды, формировать рабочую смесь и обеспечивать гарантированное воспламенение ее во впускном трубопроводе двигателя.

Достигается более полное и эффективное использование топлива, улучшаются экономические и экологические характеристики двигателя в целом. При внедрении заявленного изобретения серьезных изменений в конструкции двигателя не требуется.

Плазменный конвертор топлива способен работать в трех режимах:

- обеспечение режима электрофакельного подогрева;

- обеспечение режима электрофакельного подогрева с пиролизом активных к воспламенению топливных частиц;

- обеспечение режима пиролиза активных к воспламенению топливных частиц.

Способ подогрева всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания, основанный на впрыскивании, смешивании углеводородной смеси с воздухом, отличающийся тем, что отделяют часть воздуха от общего потока воздуха, потребляемого двигателем, преобразовывают в низкотемпературную воздушную плазму, смешивают углеводородную смесь с воздухом, обрабатывают углеводородную смесь низкотемпературной воздушной плазмой в реакторе плазменного конвертора топлива, осуществляя конверсию и самовоспламенение полученной топливовоздушной смеси во впускном коллекторе, нагревая воздух во впускном коллекторе за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси.