Регулирование процесса сгорания при инициировании однородного сгорания свободными радикалами (иосср) или частичном иосср в циклических двигателях внутреннего сгорания

Регулирование процесса сгорания при инициировании однородного сгорания свободными радикалами (иосср) или частичном иосср в циклических двигателях внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Соотнесенные заявки

[0001] По настоящей заявке испрошен приоритет предварительной заявки США под серийным №60/789,933, зарегистрированной 7 апреля 2006 г., предварительной заявки США под серийным №60/865,709, поданной 14 ноября, 2006, предварительной заявки США под серийным №60/885,279, поданной 17 января 2007 г., и предварительной заявки США под серийным номером 60/892,332, поданной 1 марта 2007 г., причем содержание всех этих заявок полностью включено в настоящий документ посредством ссылок.

Область техники

[0002] Реализации изобретения относятся в целом к обычным терможидкостным химико-кинетическим процессам, используемым для улучшения регулируемого инициирования и усиления сгорания водородного, спиртового, углеводородного топлива и топливных смесей типа топливо/вода в двигателях за счет воспламенения компонентов с определенными видами радикалов.

Уровень техники

[0003] Двигатель внутреннего сгорания (ВС) служит основным источником движущей силы уже почти восемь десятилетий. И в то время, как значительные усилия сейчас направляются на разработку двигателей новых типов (электрических, на топливных элементах, гибридных и других), еще больше усилий прикладывается к постоянному совершенствованию циклических (поршневых и роторных) двигателей ВС. Более новой тенденцией в этом процессе являются попытки сочетать «конструирование топлива» и «конструирование двигателей» с целью достижения их оптимального соответствия. Большая часть этой работы до сих пор сосредоточивается на совершенствовании процессов искрового зажигания (ИЗ) и компрессионного воспламенения (КВ), инициирующих начало сгорания (НС). Однако, несмотря на большое количество достижений в этой области, неудобства и ограничения остаются не только в традиционных исполнениях этих процессов, но и в их более новых модификациях. Причины этих проблем кроются в механизме сгорания, осуществляемом в этих процессах.

[0004] При сгорании, осуществляемом за счет распространения пламени от процесса ИЗ, когда однородная смесь топлива и воздуха достаточно богата для поддержания пламени и воспламеняется искрой в некоторой точке, создается очаг горения, который распространяется от центра воспламенения в виде фронта горения. Однако этот фронт распространяется по основной камере со своей естественной скоростью и, таким образом, не поддается какому-либо дальнейшему эффективному регулированию. Кроме того, в пределах этой зоны (фронта) химической активности не поддаются регулированию также удельное тепловыделение и время существования реагирующих компонентов. Из-за быстрого расширения внутри этой перемещающейся зоны горения (что обусловлено экзотермическим характером процесса) наблюдается тенденция к преждевременному вытеснению реагирующих частиц (из перемещающегося фронта). При этом сгорание замедляется, становится неполным и сопровождается нежелательными выбросами.

[0005] При обычном КВ с непосредственным впрыском (НВ) топливо подают со значительной скоростью. При попадании внутрь камеры сгорания топливо распыляется в виде мелких сферических частиц, количественная плотность которых достаточно высока, чтобы образовывать достаточно плотные облака из капель топлива, которые могут быть заключены в оболочку образующегося пламени. Далее их фронты распространяются в пределах заряда сжатого воздуха действием силы, осуществившей впрыскивание. При этом кислород внутри оболочек пламени и топливо по фронтам горения полностью расходуются. Максимальная температура топлива достигается по фронтам пламени, что способствует стабилизации процесса сгорания. Однако это приводит также к образованию максимального количества оксидов азота. Кроме того, при поступлении топлива в высокотемпературные зоны в отсутствие кислорода оно подвергается пиролизу, выделяя сажу. И так же, как и в случае обычного ИЗ, сгорание в этом традиционном процессе после НС не поддается какому-либо дальнейшему эффективному регулированию. Известные усовершенствования этого процесса в целом ограничивались повышением эффективности смешивания воздуха и топлива.

[0006] Как при обычном ИЗ, так и при обычном КВ с НВ процесс воспламенения инициируется относительно высокотемпературными химико-кинетическими механизмами. В связи с использованием определенного топлива начальные реакции, запускающие цепь этих механизмов, представляют собой прямое окисление или же диссоциацию топлива. Диссоциация топлива может быть вызвана либо собственно высокими температурами (термическая диссоциация), либо реакциями других веществ на высокие температуры или связанными с высокими температурами. Таким образом, оба эти процесса в их общеизвестном виде нуждаются в относительно больших количествах тепла для начала горения (по сравнению с некоторыми новыми разработками). Кроме того, для поддержания горения, инициированного этими процессами, обычно требуются сравнительно высокие концентрации топлива по отношению к кислороду (по сравнению с некоторыми новыми модификациями процесса воспламенения).

[0007] В отличие от обычного ИЗ и обычного КВ, процессы однородного сгорания позволяют снизить необходимое для воспламенения количество тепла, а также концентрацию топлива по отношению к кислороду, необходимую для устойчивого сгорания. Процесс однородного сгорания предполагает, что в момент воспламенения в основной камере сгорания происходит одновременное обволакивание большей части воздушно-топливного заряда. Процесс сгорания инициируется по всему объему смеси (то есть происходит многоточечное воспламенение) и продолжается без образования видимых перемещающихся фронтов пламени. Таким образом, двигатели, работающие по принципу однородного сгорания в целом по своим характеристикам похожи на химические реакторы с мешалкой, использующие компрессионное воспламенение. При однородном сгорании химическая кинетика реакций в топливно-воздушной смеси в основном определяется концентрациями компонентов, их температурой или сочетанием этих факторов. Ниже в этом документе химическое инициирование однородного сгорания за счет изменения концентрации компонентов называется «воспламенение свободными радикалами» (ВСР), а за счет изменения температуры - «термическое воспламенение» (ТВ). ТВ является модификацией КВ.

[0008] Одно из первых описаний однородного сгорания, инициируемого ВСР, содержится в патентах США №№3092088; 3230933; 3283751 и 3802827, автор Гуссак (Goossak). В четырехтактном поршневом двигателе ВС LAG Гуссака вслед за искровым зажиганием богатой смеси в небольшой форкамере начинается горение бедной смеси в гораздо большей по размеру основной камере. Для соединения этих двух камер в двигателе Гуссака с низкотемпературным воспламенением предусмотрен небольшой канал. Этот канал сбивает и гасит горение в газах, которые выходят из форкамеры, что препятствует прохождению пламени. В основную камеру сгорания проникает лишь поток массы, не горящий и состоящий из продуктов неполного сгорания. При определенных условиях сгорание может происходить одновременно почти по всему воздушно-топливному заряду в основной камере сгорания, беря начало во множестве очагов, создаваемых турбулентными следами потока массы из форкамеры. В таких условиях многоточечному воспламенению способствует практически квазиоднородное распределение этих очагов.

[0009] Раннее зажигание и быстрое сгорание в основной камере двигателя LAG были возможны благодаря сочетанию высокой химической активности, создаваемой такими промежуточными компонентами и радикалами, как СН₃, H₂O₂, СН₂О, С₂, CH и Н (образующимися при неполном сгорании богатой смеси в форкамере), и высокой интенсивности турбулентности (создаваемой потоком массы). При том, что не все компоненты, способствующие однородному сгоранию расслоенного заряда в двигателе LAG, являются радикалами, начиная с работ Гуссака, под ВСР понимают самовоспламенение, вызываемое в первую очередь за счет присутствия высокоактивных промежуточных компонентов и/или радикалов (под общим названием «компоненты ВСР»). К сожалению, из-за зависимости двигателя LAG от гидроаэродинамического распределения очагов, складывающегося в пределах того же цикла, эффективная работа такого двигателя может быть достигнута только в течение ограниченного периода всего режима работы.

[0010] Блейзер и др. (Blaser, et al.) предложили иной подход к ВСР. Последующая работа в этом направлении помогла сконструировать несколько практичных четырехтактных поршневых двигателей ВС (патенты США №№4898135; 5862788 и 6178942). Этот подход позволяет в одном цикле генерировать компоненты ВСР для следующего цикла, что снимает ограничения двигателя LAG, связанные с распределением очагов. Недавно была предложена так называемая «Система сгорания Сонекс» (ССС), в которой с помощью микрокамеры с поршнем воспроизводятся те самые доминантные воздействия, которые создаются при низкотемпературном воспламенении в двигателе LAG, а именно компоненты ВСР и интенсивная турбулентность. К сожалению, эта технология не лишена недостатков. Один из них заключается в том, что оптимизация в аспекте одновременного улучшения эффективности и сокращения выбросов может быть достигнута только по всему режиму работы в среднем. Поскольку эта оптимизация ориентирована на весь режим работы двигателя, данная поршневая технология порождает слишком много радикалов при высоких нагрузках и слишком мало - при низких нагрузках. В целях компенсации приходится дополнительно регулировать временной режим впрыска топлива, чтобы добиться желаемых моментов НС. Как следствие, при высоких нагрузках топливо приходится впрыскивать слишком поздно для того, чтобы можно было достичь его должного перемешивания, что ухудшает однородность сгорания и увеличивает производство СО и других загрязняющих среду примесей. Таким образом, данная технология не позволяет в полной мере пользоваться преимуществами ВСР в любой момент режима работы двигателя. А в некоторые моменты она фактически ухудшает характеристики двигателя.

[0011] Один из первых примеров ТВ описан авторами Ногучи и др. (Noguchi, et al.) в патенте США №4317432. Этот патент посвящен процессу низкотемпературного сгорания с самовоспламенением в двухтактном поршневом бензиновом двигателе ВС, названному сгоранием «Тойота-Сокен» (ТС). В этом варианте ТВ конструкция канала впуска-выпуска позволяет совместить во времени выход отработанных газов и поступление нового заряда. Благодаря этому тепло (а также некоторое количество химически активных продуктов) передаются впускаемому холодному заряду. Некоторые характеристики сгорания ТС напоминают характеристики известных ранее двигателей LAG и ССС. Разработанный примерно в то же время двигатель АТАС (с активным термоатмосферным сгоранием) основывался, по существу, на тех же явлениях ТВ, что и ТС (САЕ Документ №790501 [Onishi, et al.]). Хотя в усовершенствованиях этого двигателя Ишибаши и Асаи (Ishibashi и Asai) предлагают использовать свободные радикалы (САЕ Документ №980757 и патент США №5697332), по сравнению с двигателями LAG и ССС роль радикалов в двигателях ТС и АТАС была минимальна. Кроме того, в отличие от двигателя ССС, в этих двигателях не происходит передачи компонентов ВСР из одного цикла в следующий. Таким образом, на сегодняшний день двигатели ТС и АТАС будут отнесены к разряду двигателей с компрессионным воспламенением однородного заряда (КВОЗ). КВОЗ представляет собой модификацию ТВ, а следовательно, и КВ.

[0012] Найт и Фостер (Najt and Foster; CAE Документ №830264) расширили сферу применения тепловой энергии выхлопных газов, используя ее для ТВ при однородном сгорании в четырехтактных поршневых двигателях ВС. Их работа и более поздние расчеты рециркуляции выхлопных газов (CAE Документ №2001-28-0048 [Blank, et. al.]; включается в данный документ посредством ссылки) подтверждают, что ТВ инициирует однородное сгорание за счет нагрева заряда и снижения концентрации кислорода. Вместе с тем основные компоненты ВСР, способствующие самовоспламенению в двигателях LAG и ССС, не упомянуты как составляющие выхлопных газов при ТВ в этих более поздних расчетах рециркуляции выхлопных газов. Таким образом, компоненты ВСР не используются в четырехтактном варианте КВОЗ. Технология КВОЗ известна также под другими названиями, в том числе компрессионное воспламенение предварительно приготовленного заряда КВППЗ и однородный заряд, воспламеняемый сжатием ОЗВС.

[0013] Значительно больше исследований впоследствии ставило цель расширить сферу применения ТВ, сделав ее применимой как для двухтактных, так и для четырехтактных поршневых двигателей ВС. Однако при эксплуатации двигателей с КВППЗ при определенных условиях возникают не решенные до сих пор проблемы. Сгорание в двигателе КВОЗ начинается самовоспламенением, которое вызывается началом цепной реакции в «низкотемпературной» смеси топливо-O₂ под воздействием сжатия. Поскольку топливно-воздушная смесь образуется намного раньше достижения верхней мертвой точки (ВМТ), воспламенение может происходить в различные моменты во время сжатия. Так, при увеличении нагрузки двигателя наблюдается тенденция к более раннему моменту воспламенения и к более высокой скорости сгорания. При этом из-за раннего, до ВМТ, выделения тепла тепловой коэффициент полезного действия может снижаться, а из-за более быстрого и раннего сгорания двигатель может работать с перебоями. Напротив, когда нагрузка уменьшается, момент воспламенения задерживается. Это может, в конечном счете, приводить к пропускам зажигания, а также к увеличению выбросов. Далее, при работе двигателя на высоких скоростях времени для начальных низкотемпературных реакций в разбавленной смеси остается меньше, и момент основного выделения тепла задерживается. В этом случае, если времени становится недостаточно, также может произойти пропуск зажигания.

[0014] Эти проблемы процессов КВППЗ могут рассматриваться и с точки зрения степени сжатия (СС). Для определенного набора начальных условий с определенным топливом существует некоторая СС, при которой будет происходить самовоспламенение (путем КВ). Если эта СС (называемая далее «эффективная СС заряда») равна механической степени сжатия двигателя, сгорание будет происходить в «нужное» время, т.е., в типичном случае, сгорание будет инициироваться, когда поршень будет находиться в ВМТ, а максимум давления в цилиндре будет достигнут, когда угол положения шатуна будет в пределах 10 градусов. Однако, если эффективная СС заряда (СС самовоспламенения) ниже механической СС двигателя, сгорание начнется до того, как поршень достигнет ВМТ, и двигатель будет стучать, что неприемлемо. Если СС самовоспламенения выше механической СС двигателя, будут происходить пропуски зажигания, и двигатель не будет работать. Таким образом, основное ограничение технологии ТВ связано с отсутствием приемлемых средств регулировки инициирования КВОЗ с предварительным приготовлением смеси и KBPЗ (КВ расслоенного заряда) (вместе составляющих технологии КВППЗ) для возможного набора условий (включая цетановое или октановое число топлива, температуру окружающей среды, нагрузку, скорости работы и др.), при которых эксплуатируются двигатели.

[0015] Проводилось также много исследований, направленных на расширение сферы применения процессов ВСР. Опираясь в значительной степени на термохимические особенности двигателей LAG, Оппенгейм и др. (Oppenheim, et al.) разработали систему воспламенения для сгорания, инициируемого импульсными струями (СИИС), а затем вторую систему, названную системой впрыска и сгорания, инициируемого шлейфами струй (ВСИШС) (патенты США №№4924828; 4926818; 4974571 и 5271365 и публикации в САЕ Документ №2000-01-0194, №2000-01-0199). Однако в их системе ВСИШС эффективность регулирования сгорания зависит от состава реагентов и их гидромеханических характеристик, а потому имеет те же ограничения, что и в двигателе LAG.

[0016] Развитие принципов LAG с применением свойств катализа получило воплощение в известной технологии под названием Смартплаг (Smartplug) (патенты США №№4977873; 5109817; 5297518 и 5421299). Свеча Смартплаг позволяет добиться того же эффекта, что и воспламеняемая искрой форкамера с богатой смесью, но при этом не встает проблема подачи топлива в форкамеру. Однако вместо переноса продуктов неполного сгорания с потоком массы здесь происходит в основном перенос по образцу процесса ТВ, то есть с потоком пламени. Таким образом, использование Смартплаг не относится к процессам ВСР, и его преимущества ограничиваются в первую очередь технологиями с предварительно приготовленным зарядом, отличающимися низким тепловым коэффициентом полезного действия.

[0017] Две недавних попытки произвести продукты неполного сгорания вне цилиндра двигателя и использовать их непосредственно для улучшения регулирования сгорания в цилиндре зафиксированы в патентах США №№6092512 и 6345610. Хотя обе эти попытки дали возможность пользоваться определенными дозированными количествами продуктов неполного сгорания при условиях работы, типичных для данного двигателя, первая из них основывается на варьировании характеристик выхлопных газов, а вторая представляет собой не более чем идею двигателя LAG, перенесенную во впускной коллектор. Эти подходы неэффективны при высоких скоростях и нагрузках. Таким образом, ни в одном, ни в другом случае не достигается необходимое регулирование, которое бы обеспечивало инициирование и протекание однородного сгорания для всего режима работы двигателя. После этого было предложено комбинированное двухрежимное решение, при котором технология LAG используется только при небольших нагрузках (см. патент США №6595181). Из этого краткого обзора становится очевидно следующее. В целом, только технологии ВСР и ТВ (среди технологий КВ) способны создавать однородное сгорание в двигателях ВС. Однако известные работоспособные решения в области ТВ ограничиваются процессами с предварительно приготовленной топливной смесью (то есть низкоэффективными) и работают только в течение ограниченных периодов режима работы двигателя. Двигатели ВС с НВ топлива, хотя и обладают более высоким потенциалом эффективности и не имеют ограничений по режиму работы, к сожалению, не способны поддерживать однородное сгорание. Среди обычных двигателей с ВСР единственным двигателем с НВ топлива, способным единообразно поддерживать однородное сгорание по всему режиму работы, является двигатель ССС. Однако регулирование сгорания в этом случае имеет слишком сильные ограничения, и в некоторые периоды режима работы характеристики сгорания фактически ухудшаются.

Сущность изобретения

[0018] Одна из реализаций относится в целом к способу управления снижением необходимого количества тепла и необходимой концентрации топлива по отношению к кислороду для воспламенения топлива внутри основной камеры сгорания в двигателе. Способ предусматривает создание ряда компонентов воспламенения свободными радикалами по меньшей мере в одном предварительном цикле сгорания во вспомогательной камере, соединенной с основной камерой сгорания в двигателе, причем указанные компоненты воспламенения свободными радикалами создаются по меньшей мере одним химико-кинетическим механизмом взаимодействия ОН с компонентами воспламенения свободными радикалами. Способ предусматривает также направление части созданных компонентов со свободными радикалами в основную камеру сгорания. Дополнительно способ предусматривает управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами, имеющее целью контролировать этап воспламенения топлива в основной камере сгорания.

[0019] Еще одна реализация относится в целом к процессу химического контроля за сгоранием топлива в двигателе с помощью предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами. Процесс предусматривает наличие по меньшей мере одной вспомогательной камеры, связанной по меньшей мере одним каналом с основной камерой сгорания переменного объема, и направление предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами, произведенных в двигателе по меньшей мере частично по меньшей мере в одном предыдущем цикле, в основную камеру сгорания переменного объема, в которой передаваемые компоненты будут смешаны с новым воздушным зарядом до завершения этапа основного сжатия. Процесс предусматривает также удержание на протяжении этапа основного сжатия второй порции воздуха из основной камеры сгорания переменного объема и топлива по меньшей мере в одной вспомогательной камере и использование предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами в основной камере сгорания переменного объема в качестве реагента, который сначала инициирует взаимодействия, предшествующие воспламенению топлива, используя химические механизмы, работающие до воспламенения и включающие расщепление топлива свободными радикалами, а затем запускает химические механизмы воспламенения, которые обеспечивают этап воспламенения, когда топливо расщепляется посредством ОН. Дополнительно способ предусматривает использование пиковых давлений, создаваемых на этапе воспламенения и во время сгорания топлива, для отвода ОН и энергии из основной камеры сгорания переменного объема по меньшей мере в одну вспомогательную камеру. Кроме того, способ предусматривает использование ОН и энергии, отведенных из основной камеры сгорания переменного объема, и тех компонентов воспламенения свободными радикалами, которые остались во вспомогательных камерах, для запуска механизма расщепления топлива в результате взаимодействия ОН с компонентами со свободными радикалами или нескольких таких механизмов по меньшей мере в одной вспомогательной камере с целью создания дополнительных компонентов воспламенения свободными радикалами.

[0020] Еще одна реализация относится в целом к устройству в двигателе внутреннего сгорания, включающему цилиндр, причем указанный цилиндр далее включает по меньшей мере одну камеру сгорания переменного объема, задаваемого рабочим органом, который движется в пространстве, ограниченном снаружи корпусом цилиндра. Конструкция цилиндра позволяет периодически подавать в него топливо и воздушный заряд и выполнять цикл сгорания, включающий этапы впуска, основного сжатия, сгорания, расширения с рабочим ходом и выпуска. Устройство включает по меньшей мере одну мини-камеру, располагающуюся у корпуса цилиндра рядом по меньшей мере с одной камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанной по меньшей мере одной мини-камеры позволяет использовать ее как исходную базу для производства ряда компонентов воспламенения свободными радикалами. Устройство включает также по меньшей мере один соединительный канал, соединяющий по меньшей мере одну мини-камеру по меньшей мере с одной связанной с ней камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанного по меньшей мере одного соединительного канала допускает также приток и отток компонентов со свободными радикалами, воздуха, топлива и продуктов химических реакций в указанную по меньшей мере одну мини-камеру и из нее на различных этапах цикла сгорания. Кроме того, устройство включает по меньшей мере один контроллер, связанный по меньшей мере с одной мини-камерой, который позволяет регулировать количество различных компонентов воспламенения свободными радикалами, передаваемых по меньшей мере в одну камеру сгорания переменного объема, с учетом нагрузки и скорости, которые должен поддерживать двигатель.

Краткое описание чертежей

[0021] Различные особенности реализации изобретения могут быть лучше поняты при обращении к нижеследующему подробному описанию, сопровождаемому отсылками к прилагаемым чертежам.

[0022] На Фиг.1 представлен в общем виде терможидкостный химико-кинетический процесс ИОССР как процесс 100 ИОССР.

[0023] На Фиг.2А представлена общая принципиальная схема одного цилиндра двигателя 200 ИОССР, являющегося примером двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1.

[0024] На Фиг.2В схематически представлен пример электронной системы управления для обобщенной реализации двигателя ИОССР, показанной на Фиг.2А.

[0025] На Фиг.3 показан график, изображающий общие предельные характеристики воспламенения для водородного, спиртового и углеводородного топлива.

[0026] На Фиг.4А приведена принципиальная схема внутреннего устройства одного цилиндра двигателя 300 ИОССР, являющегося примером четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0027] На Фиг.4В изображены на виде сверху два цилиндра четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания, показанные на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс.

[0028] На Фиг.4С изображен в разрезе (А-А) блок мини-камеры, смонтированной в верхней части оболочки корпуса цилиндра, в реализации четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0029] На Фиг.4D изображен в виде сбоку ротор цилиндра в реализации четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0030] На Фиг.5А представлен схематический разрез (по линии сечения Е-Е) одного цилиндра двигателя 400 ИОССР, являющегося примером двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0031] На Фиг.5В представлена принципиальная схема внутреннего устройства верхней части (в радиальном разрезе головки, включая линию Е-Е) одного цилиндра в реализации двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.5А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0032] На Фиг.5С представлена принципиальная схема внутреннего устройства нижней части (в проекции сверху радиального разреза нижней части цилиндра по линиям сечения G-G и Н-Н, включая поршень, находящийся под этими линиями) одного цилиндра в реализации двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.5А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0033] На Фиг.6А представлен схематический разрез (по линии сечения D-D) одного цилиндра двигателя 500 ИОССР, являющегося примером четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0034] На Фиг.6В схематически изображен осевой разрез (по линиям сечения J-J и K-K) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0035] На Фиг.6С представлена принципиальная схема внутреннего устройства верхней части (в радиальном разрезе головки цилиндра, включая линии D-D и J-J) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0036] На Фиг.6D представлена принципиальная схема внутреннего устройства нижней части (в радиальном разрезе нижней части, включая линию K-K) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0037] Фиг.7А представляет собой график, где представлено примерное соотношение между давлением и углом положения шатуна УШ (СА) для основной и вспомогательной камер четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с полным ИОССР и НВ при использовании C₂H₅OH в качестве топлива и СС, равной 17,5:1 (Р₁ - основная камера, P₂ - мини-камера).

[0038] Фиг.7 В представляет собой график, где представлено примерное соотношение между температурой и углом положения шатуна УШ для основной и вспомогательной камер четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с полным ИОССР и НВ при использовании C₂H₅OH в качестве топлива и СС, равной 17,5:1 (T₁ - основная камера, Т₂ - мини-камера).

Подробное описание реализации

[0039] В целях более простого и наглядного изложения принципы настоящего изобретения поясняются, главным образом, на отдельных примерах его реализации. Однако для лиц, имеющих обычную квалификацию в данной области техники, будет очевидно, что эти же принципы в равной степени применимы ко всем типам двигателей внутреннего сгорания и могут быть в них воплощены, и что все связанные с этим модификации не выходят за рамки истинной сущности и объема настоящего изобретения. Кроме того, следующее ниже подробное описание снабжено ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют отдельные реализации изобретения. В эти реализации могут быть внесены изменения в части электрического, механического, логического или структурного исполнения, которые не будут выходить за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Поэтому следующее ниже подробное описание не следует понимать ограничительно и объем настоящего изобретения следует определять по пунктам формулы изобретения и их эквивалентам.

[0040] Одна из реализации относится в целом к процессу регулирования воспламенения. В частности, процесс регулирования воспламенением является терможидкостным химико-кинетическим процессом, имеющим целью обеспечить точную регулировку инициирования однородного сгорания и квазиоднородного сгорания с помощью компонентов ВСР в циклических двигателях ВС, использующих различные водородные, спиртовые и углеводородные топлива и смеси топливо/водяное топливо. Эта точность в процессе регулирования воспламенения достигается за счет использования компонентов ВСР, т.е. свободных радикалов и высокоактивных компонентов промежуточной природы, в качестве «доминирующего» фактора воспламенения и сгорания в циклических двигателях ВС. Способ осуществления самовоспламенения в таких условиях может быть охарактеризован как воспламенение свободными радикалами ВСР.

[0041] Другие реализации относятся к регулированию сгорания в циклических (поршневых и роторных) двигателях ВС таким способом, который позволяет приспособиться к любому моменту режима работы двигателя. Эти реализации могут быть выполнены в виде циклического двигателя ВС, модифицированного для использования процесса регулирования воспламенения. Помимо двигателей с одним методом воспламенения ВСР процесс регулирования воспламенения может быть также реализован для усиления ИЗ и КВ в разнообразных дополнительных циклических двигателях ВС. В этих двигателях ВС с усилением за счет ВСР компоненты ВСР используются для того, чтобы «способствовать» воспламенению и сгоранию (а не «доминировать» в нем) в модификациях обычных двигателей ВС, где в качестве основного используются эти традиционные процессы воспламенения. Во всех трех разновидностях способа воспламенения процесс регулирования воспламенения может позволить улучшить сгорание, добиваясь повышения эффективности и уменьшения выбросов.

[0042] При сравнении химико-кинетических механизмов, обеспечивающих НС через ВСР, с обычными механизмами, обеспечивающими НС при других способах воспламенения, удачным основанием для сравнения может послужить модификация КВ, известная как «термическое воспламенение» ТВ. НС при ТВ с предварительно приготовленной топливной смесью обычно происходит при «низких» температурах по сравнению с «высокими» температурами, типичными для КВ с НВ и ИЗ. При этом реакции запуска цепи механизмов ТВ при «низких» температурах чаще всего представляют собой реакции окисления топлива. Напротив, управляемый процесс ВСР происходит при еще «более низких» температурах, чем «низкие» температуры ТВ. Кроме того, реакции запуска цепи механизмов ВСР в первую очередь затрагивают такие компоненты ВСР, как H₂O₂ и HO₂, а не топливо и O₂. Далее, реакции запуска цепи механизмов ВСР при «более низких» температурах обычно протекают значительно быстрее, чем основанные на окислении топлива реакции запуска цепи механизмов ТВ при «низких» температурах.

[0043] Кроме того, реакции запуска цепи при взаимодействии топливо-О₂, которые играют доминирующую роль в ТВ, находятся в сильной зависимости от соотношения воздух-топливо. Напротив, доминирующие при запуске цепи реакции ВСР, имеют совершенно иную природу и значительно меньше зависят от соотношения воздух-топливо. Вместо этого реакции запуска цепи, в которых доминирующую роль играет ВСР, в значительно большей степени зависят от насыщенности компонентами ВСР. Такое сравнение между процессами ТВ и ВСР при инициировании однородного сгорания свободными радикалами ИОССР относится как к случаю НВ топлива, так и к случаю предварительного приготовления топливной смеси. И благодаря тому, что указанная насыщенность оказывается регулируемой в предлагаемом процессе регулирования воспламенения, данное изобретение позволяет более полно использовать бесценный потенциал известных технических решений, связанных как с процессом ИЗ, так и с модификациями процесса КВ как для предварительного приготовления топливной смеси, так и для НВ топлива.

[0044] Реализации двигателей ВС, в которых осуществляется регулирование воспламенения, включают один или более цилиндров и приспособления, облегчающие циклическое повторение этапов основного сжатия, основного сгорания, расширения с рабочим ходом, выпуска и впуска, типичных для работы известных поршневых и роторных двигателей ВС. Особенностью этих двигателей является наличие неподвижных вспомогательных камер для образования компонентов ВСР, располагающихся в цилиндрах рядом с основными камерами сгорания. В двухтактных и четырехтактных поршневых двигателях эти вспомогательные камеры (называемые мини-камерами) могут быть расположены в головках цилиндров или рядом с ними, или же в гильзах цилиндров или рядом с ними, т.е. в близости от деталей, которые вместе с поршнями охватывают основные камеры сгорания (и тем самым задают их объем). В роторных двигателях сгорания эти мини-камеры обычно располагаются в функционально эквивалентных местах в оболочке корпуса цилиндра или рядом с ней, т.е. в близости от детали, которая вместе с ротором задает объем основных камер.

[0045] Эти мини-камеры МК соединены с основными камерами посредством каналов. Размеры каналов подбираются так, что потоки между камерами МК и основными камерами дросселируются при большинстве рабочих скоростей двигателей ВС в реализациях изобретения. Размеры канала подбираются также с тем, чтобы на этапе основного сгорания пламя в каналах подавлялось, не доходя до МК. Камеры МК и их каналы могут также располагаться в движущихся частях цилиндра (например, в поршне или роторе).

[0046] Конструкция этих реализаций предусматривает наличие управляющих устройств, которые контролируют как образование компонентов ВСР в МК, так и другие процессы, следующие после этого образования в МК. Эти управляющие устройства обеспечивают управление полным производством и/или полным переносом компонентов ВСР в основную камеру для их использования в следующем цикле. Управление полным производством и/или переносом компонентов ВСР зависит от количества таких компонентов, которое должно, в конечном счете, присутствовать в данной основной камере во время следующего цикла, чтобы способствовать протеканию этапа сгорания с использованием компонентов ВСР желаемым образом и в соответствии с условиями работы двигателя (комбинированная нагрузка, топливо, скорость и т.д.). Так, когда регулируется образование радикалов в отдельных неподвижных МК, это регулирование учитывает общее количество компонентов ВСР, производимых всеми МК, а также все предварительно рассчитываемое производство радикалов в основной камере вместе с дополнительным производством и весь предварительно рассчитываемый перенос радикалов, который произойдет до начала следующего этапа сгорания.

[0047] Внутри МК ко