Способ работы двигателя внутреннего сгорания

1 Область техники Изобретение относится к области поршневых, роторных и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) со сжатием топливовоздушной смеси (ТВС). Предшествующий уровень техники Известные ДВС по способу воспламенения топлива разделяются на двигатели с самовоспламенением от сжатия - дизели /1/ - и двигатели с искровым зажиганием /2/. Эти двигатели различаются также и видом используемого топлива. В двигателе с искровым зажиганием используются бензиновые фракции, в некоторых случаях легкие углеводороды (природный газ,пропан-бутан), а в дизелях - соляровые фракции. Для самовоспламенения горючего в дизелях используют сжатие воздуха ходом поршня вверх и его разогрев в процессе политропического сжатия с последующим впрыском жидкого топлива в конце такта сжатия вблизи высшей мертвой точки по углу поворота коленвала(ВМТ). Степень сжатия воздушного зарядаи состав топлива подобраны так, что период индукции , то есть задержка самовоспламенения для данного вида топлива, составляет малую долю периода рабочего цикла двигателя. Впрыск топлива производят до ВМТ и заканчивают как до, так и после ВМТ. В течение периода индукциипосле начала впрыска топлива происходят физические процессы распыления топлива в сжатом и разогретом воздухе, перемешивание и частичное испарение капель топлива, а также развиваются предпламенные химические реакции окисления топлива. К концу этого периода возникают первые очаги самовоспламенения, а вновь поступающие порции топлива смешиваются с уже горящими газами и поджигаются. Для обеспечения высокоэффективного процесса сгорания в дизелях, работающих в широком диапазоне скоростных режимов и нагрузок, а также использующих топлива с плохой воспламеняемостью или испаряемостью, необходимы специальные меры для обеспечения нормального смесеобразования и воспламенения на всех режимах. Эта проблема является трудноразрешимой, и, несмотря на то, что дизели работают с большим избытком воздуха, часто не удается избежать неполного сгорания топлива, вплоть до образования сажи. Это один из основных недостатков дизелей. В известных ДВС с искровым зажиганием предварительно подготовленную ТВС сначала подвергают сжатию ходом поршня вверх, а затем поджигают электрической искрой вблизи ВМТ. В результате сгорания ТВС возрастают температура и давление газа в цилиндре, при расширении газа и движении поршня вниз производится полезная работа. Аналогично процесс 2 проводят и в роторных и в роторно-поршневых ДВС. Рабочий процесс в двигателе с искровым зажиганием наиболее близок по технической сути к изобретению и выбран в качестве прототипа. Описание прототипа Наибольшая мощность, развиваемая двигателем, достигается при наибольшей скорости распространения пламени и интенсивности тепловыделения, которые соответствуют обогащенным смесям с =0,85-0,9, где- коэффициент избытка воздуха, равный отношению количества воздуха в ТВС к теоретическому, необходимому для полного сгорания, то есть отвечающему стехиометрическому соотношению. При обеднении ТВС выше некоторых пределов, зависящих от конструктивных особенностей двигателя, его нагрузки и степени сжатия,сгорание в последовательных рабочих циклах развивается неодинаково, что связано с ухудшением условий зажигания искрой обедненных смесей и распространения пламени в таких горючих смесях. Работа двигателя становится неустойчивой. При уменьшении нагрузки двигателя путем дросселирования снижаются начальное и конечное давления сжатия и увеличивается степень разбавления рабочей ТВС остаточными газами, что также приводит к существенному ухудшению условий зажигания смеси искрой и формирования начального очага горения. Процесс сгорания становится менее устойчивым. Более надежное зажигание искрой обеспечивается при обогащении смеси до значений =0,80,85, однако, при этом наблюдается растягивание во времени процесса сгорания. Неустойчивое протекание сгорания на режимах малых нагрузок и необходимость при этом обогащения смеси являются одним из главных недостатков двигателей с искровым зажиганием, приводящим к увеличению расхода топлива и возрастанию содержания в отработавших газах оксида углерода СО и не полностью сгоревших углеводородов СmНn. С увеличением степени сжатияулучшаются условия сгорания ТВС и соответственно увеличивается термодинамический коэффициент полезного действия двигателя (КПД), его экономичность и мощность. Однако увеличение степени сжатия выше определенного значения ограничивается возникновением детонации, то есть таким нарушением нормального, дефлаграционного сгорания ТВС, при котором происходит взрывное самовоспламенение последних порций горючей смеси. При интенсивной детонации мощность двигателя падает и появляется черный дым в выхлопных газах, могут произойти повреждения деталей поршневой и кривошипно-шатунной групп. 3 Другим основным параметром, определяющим склонность к детонации, является вид используемого топлива. Антидетонационная стойкость топлива характеризуется октановым числом (ОЧ). Чем выше ОЧ, тем лучше подходит это топливо для двигателя с искровым зажиганием, тем большую степень сжатия можно осуществить в двигателе без риска детонации. Использование в качестве топлив высококонденсированных изопарафинов позволило довести степень сжатия в таких двигателях до 1011, но дальнейшее продвижение требует применения нетрадиционных и дорогих топлив. Известно, что процесс самовоспламенения алканов и родственных топлив, то есть тех, которые используются в ДВС, является многостадийным процессом, проходящим через три последовательныe стадии с возникновением так называемых холодного, голубого и горячего пламени /3, 4/. Холодное и голубое пламя являются стадиями с частичным выделением химической энтальпии (3% в холодном и около 30% в голубом пламени), но в процессе каждой стадии подготавливаются условия для протекания последующей стадии самовоспламенения. В конечной стадии самовоспламенения, горячем пламени, при стехиометрическом составе ТВС выделяется остаточная часть химической энтальпии. Характерной особенностью такого процесса является то, что каждая стадия имеет свой период индукции, продолжительность которого зависит от интенсивности предыдущей стадии. Процесс всегда как бы стабилизируется в определенной фазе, являющейся периодом индукции для следующей стадии, а затем наступает резкий переход к новой стадии. Поэтому общий период индукции самовоспламенения равен сумме периодов индукции каждой стадии процесса:=1+2+3,где 1 - период индукции холодного пламени; 2 - период индукции голубого пламени; 3 - период индукции горячего пламени. Обычно 3 мало и процесс самовоспламенения представляется двухстадийным с задержкой:hf=2+3. Из фиг. 1 видно, что для ДВС со сжатием ТВС значения Рс и Тс в конце такта сжатия, находящиеся на кривой V, попадают в область многостадийного самовоспламенения в очень широкой области значений степени сжатия ТВС и начальных давлений Р 0, вплоть до =16-18 при Р 0=0,9 и выше. Это показывает, что во время такта сжатия в ДВС с искровым зажиганием начинает развиваться процесс многостадийного самовоспламенения от сжатия. Однако этот процесс не может достигнуть конечной стадии самовоспламене 004214 4 ния - стадии горячего пламени в условиях рабочего цикла ДВС из-за достаточно больших периодов индукции, свойственных применяемым видам топлива и при характерных Рс, Тc. Поэтому для реализации рабочего цикла ДВС, требующего полного сгорания ТВС, используется основное свойство горячего пламени - свойство самопроизвольно распространяться по горючей смеси, если в ней с помощью какого-либо поджигающего устройства, например электрической искры, создан начальный очаг пламени. Обычно ТВС поджигают электрической искрой. Процесс нормального сгорания ТВС, называемый дефлаграцией и связанный с относительно медленным распространением пламени,характеризуется тем, что во время его протекания существуют области, еще не охваченные пламенем, и области, занятые уже сгоревшей смесью, а граница раздела между ними - это фронт пламени, то есть узкая зона, где в этот момент происходит сгорание топлива. Параллельно процессу нормального сгорания ТВС, в частях объема, еще не охваченных пламенем,продолжаются химические реакции развивающегося процесса многостадийного самовоспламенения. В ходе процесса нормального сгорания ТВС прогрессивно нарастают температура и давление, а процесс многостадийного самовоспламенения в несгоревших частях объема интенсифицируется. При некоторых условиях он может успеть развиться до стадии взрывного распада перекисей и далее до вспышки голубого пламени, которая всегда развивается в сторону фронта горячего пламени в направлении больших температур. Поскольку развитие голубого пламени происходит в среде, уже подготовленной на стадии холодного пламени, а при более высокой температуре реакции окисления альдегидов ускоряются, происходит химическое ускорение голубого пламени в направлении градиента температуры, возникают массовые потоки газов и ударные волны, которые воспринимаются как стуки, и их называют детонацией. Поскольку в голубом пламени выделяется только часть химической энтальпии топлива (0,3), а сопровождающие вспышку голубого пламени массовые потоки газов разбивают фронт горячего пламени, то процесс нормального сгорания прекращается. Поэтому заметная часть топлива не догорает до конечных продуктов сгорания,мощность двигателя падает, а в выхлопных газах содержится большой процент токсичных продуктов неполного сгорания ТВС. Таким образом, режим сгорания ТВС посредством самораспространения фронта пламени по объему камеры сгорания на фоне развивающегося процесса низкотемпературного многостадийного самовоспламенения является причиной возникновения детонации и ограничения степени сжатия в ДВС с искровым зажиганием,что, как уже отмечалось, не позволяет повысить 5 термодинамический КПД двигателя, его мощность и экономичность. Раскрытие изобретения Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение термодинамического КПД двигателя, повышение мощности и экономичности в результате возможного увеличения допустимой степени сжатия до значений 11. Использование изобретения также позволяет обеспечить возможность использования обедненных ТВС; обеспечить более полное сгорание ТВС на всех режимах эксплуатации, в том числе на режимах малых нагрузок, приводящее к повышению крутящего момента двигателя; обеспечить экономию топлива и уменьшить токсичность выхлопных газов. Этот результат достигается усовершенствованием известного способа работы двигателя внутреннего сгорания, при котором производят сжатие топливовоздушной смеси ходом поршня вверх с образованием промежуточных метастабильных продуктов окисления углеводородов и обеспечивают сгорание смеси в камере сгорания вблизи высшей мертвой точки по углу поворота коленвала для совершении полезной работы при движении поршня вниз. Усовершенствование заключается в том, что сгорание топливовоздушной смеси осуществляют в результате доведения процесса низкотемпературного многостадийного самовоспламенения до стадии горячего пламени за счет разрушения промежуточных метастабильных продуктов окисления углеводородов путем энергетического воздействия,величина которого не менее энергии активации Еа реакций разложения этих промежуточных продуктов с образованием активных радикалов. В качестве энергетического воздействия может быть использован поток электромагнитного излучения. В другом варианте энергетическое воздействие осуществляют ударной волной,создаваемой микроволновым, лазерным или искровым пробоем газового промежутка в камере сгорания с энергией больше минимальной пороговой, необходимой для формирования стационарной детонационной волны холоднопламенной стадии и не более критической, переводящей процесс из области низкотемпературного многостадийного самовоспламенения в область одностадийного высокотемпературного самовоспламенения. Возможен вариант, при котором энергетическое воздействие осуществляют ударной волной, создаваемой микроволновым, лазерным или искровым пробоем газового промежутка в топливовоздушной смеси с энергией меньше минимальной пороговой, необходимой для формирования стационарной детонационной волны холоднопламенной стадии. Краткое описание чертежей В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его реализации и чертежами, фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображе 004214 6 ны границы областей различных видов самовоспламенения: I - зона одностадийного высокотемпературного самовоспламенения; II - зона многостадийного низкотемпературного самовоспламенения; III - зона переходных режимов;IV - зона холодного пламени; V - линия значений параметров Рс, Тc в конце такта сжатия стехиометрической топливовоздушной смеси с показателем политропы =1,35. На фиг. 2 изображено изменение параметров Рс', Тс' в начальной фазе развития рабочего процесса согласно изобретению. Лучший вариант осуществления изобретения Способ работы ДВС осуществляют следующим образом. В результате хода поршня вверх производят сжатие ТВС. При этом параметры процесса Рс, Тс,и ОЧ используемого топлива подобраны так, что период индукции холодного пламени 1 превышает продолжительность такта сжатия при всех допустимых режимах работы ДВС. В результате сжатия и нагрева ТВС образуются и накапливаются первичные продукты неполного окисления углеводородов - пероксиды, альдегиды, дикетоны и др. Сгорание ТВС в камере сгорания осуществляют в результате доведения процесса многостадийного самовоспламенения до стадии горячего пламени за счет разрушения молекул накопленных промежуточных метастабильных продуктов окисления углеводородов. Это разрушение достигается путем энергетического воздействия в момент времени, синхронизированный с ВМТ, а энергия воздействия не менее максимальной величины энергии активации Еа реакций разложения промежуточных продуктов с образованием активных радикалов, которая всегда меньше пороговой энергии Еt развития стационарной детонации холоднопламенной стадии. Пример реализации процесса В качестве примера опишем развитие процесса низкотемпературного многостадийного самовоспламенения с разрушением промежуточных метастабильных продуктов окисления углеводородов в случае, когда промежуточным продуктом являются пероксиды, но все сказанное ниже справедливо и для процессов с альдегидами и дикетонами в качестве промежуточных продуктов, которые могут реализовываться при определенных условиях, например, в переходной зоне III фиг. 1. Результирующая скорость сложного процесса определяется его наиболее медленной фазой. Для процесса многостадийного газофазного самовоспламенения алканов и родственных топлив от сжатия наиболее медленной стадией является вырожденное разветвление цепей через промежуточные продукты реакций окисления. В рассматриваемом случае разветвление цепей осуществляется активными радикалами от распада пероксидов. Время жизни tp пероксидов зависит от энергии активации Еа реакции их 7 распада и от внешних условий - давления Р,температуры Т. Для реакций с вырожденным разветвлением цепей среднее время жизни промежуточных продуктов значительно превышает характерные времена протекания других элементарных реакций из последовательности реакций процесса окисления углеводородов. Это приводит к процессу накопления пероксидов в ТВС до критической концентрации Nm, при которой количество разветвлений цепи достаточно для необходимого ускорения процесса. До этого момента скорость процесса окисления практически стабилизируется на некотором уровне или слабо растет, но медленнее, чем это необходимо для взрывного ускорения процесса и перехода к следующей стадии самовоспламенения. Эта фаза определяет время индукции холодного пламени cf. Таким образом, главным механизмом,сдерживающим быстрое развитие реакций и переход к самовоспламенению, является отмеченная выше относительная стабильность перекисей. Выполнение условия сfc, где c - продолжительность такта сжатия рабочего цикла ДВС, означает, что ко времени окончания сжатия горючей смеси концентрация пероксидов Nc меньше критического значения, при котором происходит их спонтанный распад: NcNM. Поскольку эта фаза соответствует периоду индукции холодного пламени, заключающемуся в накоплении пероксидов до критической концентрации, для быстрого развития процесса самовоспламенения необходимо каким-либо способом разрушить молекулы пероксидов. Тогда свободные радикалы, которые образуются при этом в большом количестве, приводят к лавинообразному ускорению дальнейших реакций процесса окисления углеводородов и переводят процесс самовоспламенения во вторую стадию стадию холодного пламени. При разрушении молекул пероксидов во всем объеме холоднопламенные реакции очень интенсивны, и эта стадия процесса, являющаяся, в свою очередь,периодом индукции стадии голубого пламени,заканчивается намного быстрее, чем при саморазвивающемся процессе без принудительного разрушения перекисей. Период индукции голубого пламени становится достаточно коротким,и временная задержка от момента разрушения пероксидов до момента возникновения горячего пламени много меньше продолжительности такта сжатия. Таким образом, разрушение молекул пероксидов, например, вблизи, но до ВМТ, позволяет завершить процесс самовоспламенения практически в ВМТ. Интенсивное и достаточно полное разрушение молекул пероксидов можно осуществить с помощью различных видов воздействия, например электромагнитным излучением, возбуждающим процесс фотодиссоциации этих молекул. 8 Для разрушения пероксидов можно также использовать ударную волну в ТВС. Создание ударной волны может быть осуществлено различными способами, например микроволновым,лазерным или искровым пробоем газовой среды в камере сгорания. Энергия ударной волны в этом случае должна быть достаточной для разрушения пероксидов в пороговом объеме Vt,после чего экзотермические реакции в объеме Vt выделят достаточное количество энергии для подпитки ударной волны и ее дальнейшего распространения в ТВС. Существование минимального порогового объема Vt объясняется тем, что возбуждение колебательных уровней молекул пероксидов, необходимое для диссоциации молекул, происходит только в результате многих столкновений молекул. Если энергия ударной волны меньше необходимой для разрушения промежуточных продуктов в пороговом объеме Vt, то процесс разрушения не сможет распространиться по всему объему ТВС, а будет локализован только в объеме V0Vt. При этом в объеме V0 быстро развивается процесс многостадийного самовоспламенения до стадии горячего пламени и этот объем является начальной точкой поджигания ТВС с последующим распространением горячего пламени по обычному механизму на весь оставшийся объем. Такой процесс с частичным самовоспламенением ТВС и последующим дефлаграционным сгоранием ее остаточных объемов не позволяет полностью реализовать преимущества предлагаемого способа, но обеспечивает значительный положительный эффект по сравнению с прототипом за счет надежного зажигания ТВС. Оценим величину пороговой энергии Еt ударной волны. После прохождения фронта ударной волны практически мгновенно возбуждаются поступательные и вращательные степени свободы, а для возбуждения колебательных уровней в рассматриваемых условиях требуются 106 столкновений, на что необходимо 10-5 с. Только по прошествии этого времени наступит диссоциация молекул перекиси и начнется выделение энергии в химических реакциях. За это время ударная волна распространится на расстояние rt410-3 м. Для сферически симметричного случая распространения волны объем Vt составит 4rt/3, а масса газа в этом объеме(0,3-0,8) 10-2 г (в зависимости от Р). Энергия,необходимая для нагрева этой массы газа доT50 С, равна 10-30 мДж, что дает оценку нижнего значения энергии ударной волны Еt. В случае ограничения пространства распространения ударной волны, например, ее фокусировкой, можно уменьшить значение Еt почти на порядок величины. Это дает Е't2-5 мДж. Процесс, в котором ударная волна вызывает реакции с выделением энергии и эта энергия подпитывает ударную волну, компенсируя потери на 9 сжатие и дополнительный разогрев среды, в которой происходит ее распространение, является детонационной волной. В рассматриваемом случае ударная волна должна быть такой, чтобы не вызывать переход параметров Рc', Тc' за пределы зоны многостадийного самовоспламенения в зону I (фиг. 1) одностадийного высокотемпературного самовоспламенения. Это накладывает ограничения на амплитуду ударной волны, например на величину отношения Pf/Рс, где Рf - давление газа во фронте ударной волны; Рс - давление газа до фронта ударной волны. Для того чтобы возникла стационарная детонационная волна, потери энергии ударной волны должны возмещаться за счет экзотермических реакций. В холоднопламенной стадии выделяется 3% химической энтальпии топлива, что соответствует повышению температуры ТВС на 50 С. Следовательно, повышение температуры во фронте стационарной детонационной волны не должно превышать 50 С. Для температур Тс, характерных для рассматриваемого случая, такое повышение температуры соответствует Pf/Рс 1,4. Такая ударная волна является слабой, не вызывающей заметных массовых потоков газа. Схема процесса поясняется фиг. 2, на которой показана зависимость значений Рс, Тс в конце такта сжатия ТВС стехиометрического состава (показатель политропы =1,35). Предположим, что при заданной степени сжатияи начальном давлении Р 0 значения PcA и ТcA соответствуют точке А, тогда во фронте ударной волны РсC и ТcC будут соответствовать точке С. Точка С находится по температуре выше точки В потому, что при ударном сжатии во фронте ударной волны температура выше, чем при политропическом сжатии до такого же давления. Так как ударная волна слабая, после прохождения ее фронта давление спадает до Рс, а температура остается выше исходной на T (точка D на фиг. 2). Выполнение указанных выше ограничений на Т и Р приводит к тому, что во фронте детонационной волны реализуются только реакции стадии холодного пламени, а переход к стадии голубого и горячего пламени хотя и происходит достаточно быстро, но отделен от времени прохождения фронта ударной волны таким промежутком времени, что эти процессы на детонационную волну влияния не оказывают. Детонационная волна как бы переводит процесс самовоспламенения на новую стадию, где он развивается в несколько измененных условиях: Рс'=Рс, Тс'=Тс+T; плюс большое число разветвлений цепной реакции. Можно сказать, что детонирует пероксид, накопленный в ТВС. Образующиеся в результате распада молекул пероксида активные радикалы запускают новые цепи химических реакций образования актив 004214 10 ных радикалов через метастабильные промежуточные продукты окисления углеводородов,например пероксиды или альдегиды, происходят процессы фрагментации углеводородных молекул, нарабатывается формальдегид и тепло до концентрации, необходимой для перехода к следующей стадии процесса. В результате, процесс самовоспламенения быстро переходит к следующей стадии и заканчивается стадией горячего пламени, в которой выделяется вся остаточная химическая энтальпия ТВС. Описанный процесс последовательно повторяется во всех цилиндрах ДВС, реализуя цикл работы двигателя. Промышленная применимость Предложенное изобретение обеспечивает синхронизированное с фазой ВМТ самовоспламенение ТВС на основе топлив бензиновых и более тяжелых фракций, других видов топлива,имеющих многостадийный механизм самовоспламенения, а также сгорание ТВС без распространения фронта горячего пламени, позволяющее увеличить допустимую степень сжатиядо значений 11, в результате чего достигаются перечисленные выше преимущества по сравнению с прототипом. Использованные источники информации 1. Levis В., Elbe G. Combustion, Flames andExplosions of Gases, New York - London, Academic Press, 1961. 2. Автомобильные двигатели Под ред. Ховаха М.С. М., Машиностроение, 1977. 3. Rogener H.Z. Elektrochem, 53, 389 (1949). 4. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М., Изд. АН СССР, с. 120-143, (1960). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, при котором производят сжатие поршнем топливовоздушной смеси на основе алканов и родственных им видов топлива с образованием промежуточных метастабильных продуктов окисления углеводородов в ходе начавшегося процесса низкотемпературного многостадийного самовоспламенения и обеспечивают сгорание смеси в камере сгорания вблизи высшей мертвой точки по углу поворота коленвала для совершения полезной работы при движении поршня вниз,отличающийся тем, что параметры процесса подобраны так, что время индукции холодного пламени превышает продолжительность такта сжатия при всех допустимых режимах работы двигателя внутреннего сгорания, а сгорание топливовоздушной смеси осуществляют без распространения фронта горячего пламени посредством доведения процесса низкотемпературного многостадийного самовоспламенения до стадии горячего пламени во всем объеме камеры сгорания за счет разрушения промежуточных мета 11 стабильных продуктов окисления углеводородов в результате энергетического воздействия,величина которого не менее энергии активации Еа реакций разложения этих промежуточных продуктов с образованием активных радикалов и не выше критической энергии, переводящей процесс из области низкотемпературного многостадийного самовоспламенения в область одностадийного высокотемпературного самовоспламенения. 12 2. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют потоком электромагнитного излучения. 3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что энергетическое воздействие осуществляют ударной волной, создаваемой микроволновым, лазерным или искровым пробоем в газовой среде топливовоздушной смеси.