Система управления горением в двигателе внутреннего сгорания
Система управления горением содержит, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, систему подачи топливовоздушной смеси и систему интенсификации горения топливовоздушной смеси в камере сгорания цилиндров, причем каждый цилиндр оборудован источником магнитного поля, установленным в его верхней части с возможностью закручивания продуктов сгорания в цилиндре. Источник магнитного поля м.б. выполнен в виде кольцевого магнита в стенке цилиндра. Источник магнитного поля м.б. выполнен в виде электромагнита тороидальной формы, установленного соосно цилиндру. Источник магнитного поля м.б. выполнен в виде нескольких электромагнитов, размещенных по отношению к цилиндру радиально и подключенных к источнику электроэнергии через распределительное устройство, выполненное с возможностью их поочередного включения. В системе подачи топливовоздушной смеси может быть установлен, по меньшей мере, один кольцевой магнит в плоскости, перпендикулярной плоскости кольцевого магнита, установленного в цилиндрах. Такое выполнение позволяет уменьшить токсичность выхлопных газов и повысить полноту сгорания без дополнительных затрат или с незначительными затратами энергии. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к двигателям внутреннего сгорания, к способам и устройствам интенсификации сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Проблема снижения токсичности выхлопных газов напрямую связана с эффективностью сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) в камерах сгорания ДВС. Улучшение степени сгорания ТВС путем интенсификации работы двигателя приведет к снижению токсичности отходящих выхлопных газов и улучшит чистоту атмосферного воздуха.
Известны различные способы интенсификации работы ДВС, сущность которых сводится к регулировкам рабочего процесса: состава смеси, опережения зажигания, степени сжатия, перекрытия клапанов, количества свечей и т.д. Проблема заключается в том, что при проектировании современного ДВС учитываются одновременно все эти способы и тем самым дальнейшее совершенствование ДВС по повышению полноты сгорания и снижению эмиссии токсичных веществ практически исчерпаны (книга В.А.Звонова, Токсичность двигателя внутреннего сгорания», М., Машиностроение, 1981, с.80...91). Применение катализаторов в системе выхлопа может значительно уменьшить эмиссию токсичных веществ, но приводит к ухудшению его экономичности. Практически все способы по интенсификации перемешивания топливовоздушной смеси одновременно ухудшают экономические показатели ДВС.
Наиболее распространены способы и устройства улучшения подготовки ТВС путем впрыскивания топлива через форсунку с электромагнитным клапаном в поток воздуха и смешивания определенных пропорций топлива и воздуха в форкамере перед впускным клапаном двигателя с последующим впрыском ТВС через впускной клапан в камеры двигателя (книга А.Р.Спинова "Системы впрыска бензиновых двигателей", М., 1994 г.). Благодаря наличию бортового компьютера, датчиков токсичности, расхода топлива и воздуха, температуры, способ позволяет интенсифицировать работу ДВС и снизить расход топлива и токсичность отходящих выхлопных газов ДВС. Недостаток аналога состоит в несовершенстве технологии смешивания ТВС и ее воспламенения существующим электроискровым способом в камерах сгорания двигателя.
Известны способы и устройства интенсификации работы ДВС путем модернизации способов и устройств электроискрового зажигания ТВС в камерах (статья "Из искры возгорится пламя", авторы - Ю.Соловьев, Л.Голованов, "Авторевю". 1996 г., № 17). Сущность предложений сводится к модернизации электросвечей зажигания путем изменения их конструкций, технологии напыления на них износостойких покрытий. Достоинства новой электросвечи с одним центральным электродом, предложенной шведской фирмой SAAB, состоят в повышении срока службы таких электросвечей, улучшении процесса воспламенения ТВС в камерах сгорания двигателя. Их недостатки состоят в недостаточной интенсификации процесса воспламенения и горения ТВС в камерах при реализации известных способов электроискрового воспламенения смеси от существующих систем электрозажигания, основанных на получении высоковольтных импульсов напряжения малой длительности с использованием эффекта самоиндукции при коммутации тока в индуктивной катушке зажигания, ввиду малого времени существования искры, ограниченного электромагнитной постоянной времени существующей индуктивной катушки зажигания и ввиду отсутствия операций по предварительному приготовлению ТВС к наилучшему сгоранию в камерах двигателя (отсутствуют операции озонирования воздуха, электростатического распыления топлива в камеры сгорания, электрополевого дожига несгоревших компонент ТВС на такте выпуска выхлопных газов).
Известны способ и устройство интенсификации работы бензинового ДВС путем впрыска топлива через специальные форсунки непосредственно в камеры сгорания ДВС в момент наивысшего сжатия воздуха в соответствующей камере сгорания, с последующим электроискровым зажиганием ТВС от обычных электросвечей зажигания (статья М.Кадакова "Новый двигатель Mitsubishi в "Авторевю". 1996 г., № 2). Интенсификация работы ДВС достигается благодаря улучшению распыления и перемешивания топлива с воздухом, повышению степени сжатия смеси до 12:1, в связи с охлаждением воздуха при впрыскивании топлива, устранением эффекта детонации. Фактически, разработан и испытан бензиновый квазидизель. Экспериментально подтверждено повышение мощности такого двигателя на 10%, снижение токсичности выхлопных газов на 30-90% по отдельным составляющим, возможность работы на обедненных ТВС, что дополнительно улучшит экологию двигателя при движении автотранспорта в городе.
Недостатки предложенного способа и устройства состоят в усложнении конструкции ДВС (трудности конструктивного размещения форсунок высокого давления в камерах ДВС, что требует изменение конструкции двигателя) и в несовершенстве способа воспламенения ТВС обычным электроискровым способом, который не обеспечивает полное сгорание смеси в камерах, особенно на высоких оборотах двигателя.
Известна система подачи топлива с электронным устройством управления для ДВС, содержащая двигатель внутреннего сгорания с камерами сгорания, поршнями, впускными и выпускными клапанами, включающий систему подготовки топливовоздушной смеси и впрыска топлива в камеры сгорания с регуляторами подачи топлива и окислителя, систему электроискрового воспламенения топливовоздушной смеси, состоящую из высоковольтного преобразователя напряжения, распределителя высоковольтных импульсов с соответствующими регулятором угла опережения электрозажигания и электросвечами по числу камер сгорания, датчики расхода топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, их температуры, оборотов двигателя, токсичности выхлопных газов, а также логически функциональный оптимизатор режимов, присоединенный по выходу к регуляторам подачи топлива и окислителя, регулятору угла опережения зажигания смеси, а по входу к выходам указанных датчиков по патенту США № 4596220, F02D 43/00, 1986. Из данного источника информации известен также способ интенсификации работы ДВС путем подготовки топливовоздушной смеси, впрыска топлива, воспламенения и сжигания.
Известны способ и устройство для интенсификации и управления процессом горения в ДВС по патенту РФ №2153814, прототип, путем воздействия сильным электрическим полем на топливовоздушную смесь в камерах сгорания цилиндров ДВС.
Недостатком этого устройства и способа является недостаточная эффективность воздействия электрического поля на горение, полноту сгорания и эмиссию токсичных веществ в продуктах сгорания. Кроме того, создание мощных полей потребует мощных источников энергии, мощностью более 5 кВт и является небезопасным в эксплуатации.
Целью изобретения является интенсификация процесса горения, повышение полноты сгорания, уменьшение эмиссии токсичных веществ без затрат энергии или при незначительных затратах.
Решение указанной задачи достигнуто в способе управления горением ДВС путем интенсификации перемешивания продуктов сгорания в камере сгорания тем, что интенсификацию перемешивания продуктов сгорания осуществляют воздействием магнитного поля на продукты сгорания внутри камеры сгорания. Воздействие осуществляют вращающимся магнитным полем. Перед воздействием магнитного поля магнитным полем воздействуют на топливовоздушную смесь. Перед воздействием магнитного поля на продукты сгорания воздействуют магнитным полем на топливовоздушную смесь в плоскости, перпендикулярной плоскости воздействия на продукты сгорания.
Решение указанной задачи достигнуто в системе управления горением ДВС, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, систему подачи топливовоздушной смеси и систему интенсификации горения топливовоздушной смеси в камере сгорания цилиндров, отличающийся тем, что каждый цилиндр оборудован источником магнитного поля, установленным в его верхней части. Источник магнитного поля выполнен в виде кольцевого, постоянного магнита. Источник магнитного поля выполнен в виде электромагнита торроидальной формы, установленного соосно цилиндру. Источник магнитного поля выполнен в виде нескольких электромагнитов, размещенных по отношению к цилиндру радиально и подключенных к источнику электроэнергии через распределительное устройство, выполненное с возможностью их поочередного включения. В системе подачи топливовоздушной смеси может быть установлен, по меньшей мере, один кольцевой постоянный магнит в плоскости, перпендикулярной плоскости кольцевого магнита, установленного в цилиндрах.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Новизна подтверждается патентными исследованиями, изобретательский уровень получением значительного уменьшения токсичности продуктов сгорания без дополнительных затрат энергии или с незначительными затратами энергии.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1...6, где
на фиг.1 приведен первый вариант исполнения устройства;
на фиг.2 и 3 приведена конструкция четырехцилиндрового ДВС с кольцевыми постоянными магнитами;
на фиг.4 - конструкция четырехцилиндрового ДВС с радиальными электромагнитами;
на фиг.5 приведен вариант устройства с кольцевыми электромагнитами;
на фиг.6 приведен вариант устройства с радиальными электромагнитами.
Устройство для реализации способа (фиг.1) в простейшем исполнении на примере одноцилиндрового ДВС (фиг.1) содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с поршнем 2, который установлен на шатуне 3 и имеет поршневые кольца 4. В верхней части цилиндра установлены выпускной клапан 5 и свеча зажигания 6. Также имеется система подвода топливовоздушной смеси 7. Внутри цилиндра 1 в его верхней части соосно ему установлен кольцевой магнит 8. В системе подачи топливовоздушной смеси 7 также установлен дополнительный кольцевой магнит 9 в плоскости перпендикулярной плоскости кольцевого магнита 8. Внутри цилиндра 1 образуется вихрь 10.
На фиг.2 и 3 приведен вариант исполнения устройства на базе четырехцилиндрового ДВС с постоянными кольцевыми магнитами 8, встроенными в стенки каждого цилиндра 1 в его верхней части. На фиг.4 приведен аналогичный вариант с несколькими радиальными электромагнитами 8, расположенными вокруг каждого цилиндра в его верхней части.
На фиг.5 приведена схема ДВС с торроидальным электромагнитом 11, установленным соосно с цилиндром 1 в его верхней части, который проводами 12 подключен через выключатель 13 и регулятор тока 14 к источнику электроэнергии 15.
На фиг.6 приведена схема ДВС с несколькими электромагнитами 16, установленными радиально по отношению к цилиндру 1 и подключенными проводами 12 через распределитель 17 к источнику электроэнергии 15, например аккумулятору или генератору.
При работе продукты сгорания внутри цилиндра 1, содержащие определенное количество ионов и электрически заряженных частиц, подвергаются воздействию магнитного поля, созданного кольцевым магнитом 8, и закручивается вдоль оси цилиндра 1, т.е. образуется вихрь, ось которого совпадает с осью цилиндра 1. Это приводит к интенсификации горения и уменьшению токсичности выхлопных газов. При этом при использовании схемы с постоянным магнитом не требуется расхода энергии, а потребление энергии электромагнитами составляет 1% от номинальной мощности двигателя, а увеличение его мощности составляет 10...14%. Если установлен дополнительный кольцевой магнит 8, то топливовоздушная смесь закручивается в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой образуется вихрь 10, в результате вихрь 10 будет закручен одновременно в двух плоскостях, что еще более интенсифицирует горение.
Применение торроидального электромагнита 10 (фиг.5) позволит увеличить мощность магнитного поля и управлять им, например, включая в нужный период времени, т.е. в момент воспламенения топливовоздушной смеси.
Применение нескольких электромагнитов 11 (фиг.6) позволит создать вращающееся магнитное поле и более эффективно управлять процессом интенсификации процесса горения. Испытания, проведенные по расходу топлива на автомобилях ВАЗ 2106 и ВАЗ 21103, показали экономию топлива от 10 до 15%.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить полноту сгорания топлива на 10...15%.
2. Уменьшить токсичность выхлопных газов на 30...70%.
3. Снизить расход топлива на 10...15%.
4. Уменьшить детонацию при горении топлива в камерах сгорания цилиндров ДВС.
5. Применять для ДВС низкооктановое топливо без присадок и без изменения регулировок системы зажигания и газораспределения.
6. Уменьшить расход энергии для обеспечение низкой токсичности выхлопа.
7. Управлять горением в цилиндрах ДВС применением вращающегося поля, регулированием его интенсивности, мощности, скорости вращения, включением магнитного поля в необходимый момент и его выключением, в момент, когда его действие не эффективно.
8. Предельно упростить конструкцию устройства для снижения токсичности выхлопных газов и интенсификации процесса горения по сравнению с прототипом и другими известными устройствами.
9. Обеспечить безопасность работы ДВС, исключив применение высокого напряжения.
1. Система управления горением в ДВС, содержащая, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем, систему подачи топливовоздушной смеси и систему интенсификации горения топливовоздушной смеси в камере сгорания цилиндров, отличающаяся тем, что каждый цилиндр оборудован источником магнитного поля, установленным в его верхней части с возможностью закручивания продуктов сгорания в цилиндре.
2. Система управления горением в ДВС по п.1, отличающаяся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде кольцевого магнита, встроенного в стенку цилиндра или нескольких радиальных магнитов.
3. Система управления горением в ДВС по п.1, отличающаяся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде электромагнита тороидальной формы, установленного соосно цилиндру.
4. Система управление горением в ДВС по п.1, отличающаяся тем, что источник магнитного поля выполнен в виде нескольких электромагнитов, размещенных по отношению к цилиндру радиально и подключенных к источнику электроэнергии через распределительное устройство, выполненное с возможностью их поочередного включения.
5. Система управления горением в ДВС по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что в системе подачи топливовоздушной смеси установлен, по меньшей мере, один кольцевой магнит в плоскости, перпендикулярной плоскости кольцевого магнита, установленного в цилиндрах.
