RU2395707C2

RU2395707C2 - Method to warm up drawn-in air in internal combustion engine

Info

Publication number: RU2395707C2
Application number: RU2007106427/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Григорьевич Ерёмин (RU); Борис Григорьевич Ерёмин; Сергей Владимирович Мартынов (RU); Сергей Владимирович Мартынов; Алексей Владимирович Назаров (RU); Алексей Владимирович Назаров; Роман Сергеевич Литвинов (RU); Роман Сергеевич Литвинов; Алексей Николаевич Царьков (RU); Алексей Николаевич Царьков
Original assignee: Межрегиональное общественное учреждение "Институт инженерной физики" (ИИФ РФ)
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2010-07-27
Also published as: RU2007106427A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed method consists in injecting and mixing hydrocarbon mix with air. In compliance with proposed method, a portion of air is separated of total airflow consumed by engine. Said portion is converted into low-temperature air plasma and hydrocarbon mix is mixed with air. Hydrocarbon mix is treated by low-temperature air plasma in fuel plasma converter reactor in performing of conversion and self-ignition of obtained fuel-air mix in intake manifold due to heat of combustion of said mix.

EFFECT: ease of starting due to ICE prestart warm-up.

1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для облегчения пуска двигателя, в частности к устройствам для предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to devices for facilitating engine starting, in particular to devices for preheating internal combustion engines.

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.A known method for preheating internal combustion engines, mainly diesel engines, based on heating of air in the intake manifold of the engine due to the heat received from the combustion of the air-fuel mixture. The method consists in the fact that the glow plug is preheated and after the pre-heating time has elapsed, the fuel is injected by the nozzle onto the glowing heating element of the glow plug, and the fuel-air mixture ignites. Glow plugs are installed at the beginning of the intake manifold or at the wiring locations along the cylinder channels. See source: Chizhkov Yu.P. Electric equipment of cars. Part 1. - M .: "Engineering", 2002, ss. 157 ... 162, fig. 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.The disadvantages of this method are the low efficiency of the use of glow plugs when starting diesel engines, the dependence of the efficiency of the glow plugs on the operating temperature of the open spiral or the casing of the pin plug. Due to the loss of heat with a large length of the pipeline, the efficiency of the glow plugs decreases at low temperatures.

В качестве аналога рассмотрен способ подогрева всасываемого воздуха в двигателях внутреннего сгорания с помощью электрофакельного подогрева (патент РФ №2092713, F02N 17/047).As an analog, a method for heating intake air in internal combustion engines using electric torch heating is considered (RF patent No. 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.The method is based on the fact that at low temperatures the glow plug installed in the inlet pipe is preheated for a first period of time, by passing a direct current through it, after a specified period of time, fuel is injected onto the glow plug using nozzles, and the air-fuel mixture ignites , in the future, until the engine reaches a certain operating temperature, the current to the glow plug is supplied by pulses, in accordance with a reduced power, and fuel continues to be injected by injectors into the intake manifold, continues to burn and preheat intake air.

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.The disadvantage of the analogue is the difficulty of turning this device on, reuse is possible only after the glow plug has completely cooled, the method does not take into account the dependence of the flammability of the fuel mixture on ambient temperature, does not affect the molecular structure of the fuel preparation, and only slightly affects the fuel activation process.

В качестве прототипа рассмотрен способ сжигания нефтяных газов и устройство для его осуществления (патент РФ №96123631, F23D 14/00).As a prototype, a method for burning petroleum gases and a device for its implementation are considered (RF patent No. 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.A method of burning petroleum gases by mixing them with air, followed by ignition and combustion in a torch burner. The mixture is burned in a longitudinal electric field with respect to the flame, depending on the composition of the gases, and the interelectrode distance of applying the longitudinal field is greater than the size of the flame by an amount sufficient to prevent electrical breakdown of the source of the electric field through the flame.

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.The disadvantage of the prototype is that the method does not take into account the dependence of the flammability of the fuel mixture on the ambient temperature, does not affect the molecular structure of the fuel preparation and weakly affects the process of fuel activation.

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.The aim of the present invention is to facilitate the cold start of a diesel engine, reducing engine starting time at air temperatures below plus 5 ° C, with the possibility of regulating the process of preparing the working mixture depending on the ambient temperature by a plasma fuel converter, ensuring the operation of the device on various grades of motor fuel.

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.This goal is achieved by the fact that in the method of heating the intake air in internal combustion engines, based on injection, mixing the hydrocarbon mixture with air, a part of the air is separated from the total air flow consumed by the engine, converted into low-temperature air plasma, the hydrocarbon mixture is mixed with air, processed hydrocarbon mixture with low-temperature air plasma in the reactor of the plasma fuel converter, converting and self-igniting the resulting fuels air mixture in the intake manifold, heating the air in the intake manifold due to the calorific value of the air-fuel mixture.

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.The method differs from the known method of heating the air in the inlet pipe of an internal combustion engine using a starting electric torch heater in that the flame of the hydrocarbon mixture is formed by treating the hydrocarbon mixture with low-temperature air plasma in the reactor of the plasma fuel converter, followed by self-ignition of the resulting working mixture in the intake manifold.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям новизны.Therefore, the claimed invention meets the requirements of novelty.

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.The ability to control the conversion process of the physicochemical characteristics of the fuel mixture provides wide ranges for regulating the specific and integral characteristics of the air heater, which positively affects the economic, power and environmental performance of the engine as a whole.

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.The proposed method for heating the intake air is implemented by the device shown in the drawing, where 1 is the inlet pipe (manifold), 2 is the plasma fuel converter. A plasma fuel converter 2, made with threaded connection units at one end, for connecting the fuel pipe and the air line, and a threaded connection unit at the other end, for fastening to the seat of the intake manifold body, is mounted on the inlet pipe housing 1 using a threaded connection. A plasma arc fuel converter is a gas discharge device for producing low-temperature air plasma. The working gas (air) turns into a plasma, passing through a compressed electric arc with a high concentration of energy, which is described [New Polytechnical Dictionary. / Ch. ed. A.Yu. Ishlinsky. - M .: Big Russian Encyclopedia, 2000. - p. 381]. Organic fuel is split into the pyrolysis zone by contact with low-temperature plasma, forming chemically active particles that are easily self-igniting, and the flame plume ejected into the intake manifold from the plasma converter provides heating of the intake air, as the mixture ignites at the exit of a plasma fuel converter mounted on the intake manifold body. The process of self-ignition of the air-fuel mixture after exposure to low-temperature plasma is controlled by changing the combination of fuel consumption G _T and air G _B through the plasma converter, as well as by changing the voltage U, which provides ignition of the electric arc in the ionized spark gap of the plasma converter, taking into account the ambient temperature .

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.During operation of the device for heating the intake air in the intake manifold of the engine, the air passes through the intake manifold 1, the electronic control unit generates command signals to the actuators, for example, throttles installed in the intake manifold, which allows you to direct part of the incoming air flow to the inlet of the fuel plasma converter (not shown), convert it into a low-temperature air plasma, passing through a plasma converter 2, interacting on left-hydrogen mixture, with the formation of chemically active radicals of the air-fuel mixture, carrying out the conversion and ignition of the air-fuel mixture. The air in the intake pipe is heated due to the heat of combustion of the air-fuel mixture. The use of an electronic control unit using a microprocessor (not shown) allows you to choose the best options for producing active radicals of the fuel mixture, change the energy of the electric arc and the quantitative ratio of fuel and air, which makes the process of mixture formation of the air-fuel mixture adjustable and efficient in all engine operation modes, regardless of the used hydrocarbon fuel.

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).The technical and economic efficiency of the proposed method lies in the fact that the use of a plasma fuel converter allows you to change the structure of fuel molecules with the formation of chemically active radicals in it, depending on the operating conditions of the engine and type of fuel, to control the enthalpy of the gas stream, the concentration and type of chemically active particles. There is no need for additional devices to ensure activation of the composition of the working mixture, depending on the ambient temperature, to ensure reliable ignition of the working mixture when using various grades of motor fuel, and specific fuel consumption is reduced. Invariance to various types of hydrocarbon fuels used is ensured by its destruction with the help of low-temperature air plasma, which is known (Pyrolysis. Brief Chemical Encyclopedia. M: Sov. Encyclopedia, 964, pp. 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.The indicated technical result is also achieved by the fact that the installed plasma fuel converter allows using the electronic control unit to generate command signals to actuators, for example, throttles installed in the inlet pipe, which makes it possible to direct part of the incoming air flow to the inlet of the plasma fuel converter, separating part of the air from the total air flow consumed by the engine, convert it into a low-temperature air plasma interacting with by fuel, changing the structure of fuel molecules with the formation of chemically active radicals in it, which play an important role in branched chain reactions through which hydrocarbon fuel burns, changing the energy of the electric arc and quantitative ratios of fuel and air, organize the dynamics of the supply of active fuel particles, automatically change physically -chemical composition of the fuel, depending on the ambient temperature, form a working mixture and ensure guaranteed ignition of it in the intake the engine line.

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.A more complete and efficient use of fuel is achieved, and the economic and environmental characteristics of the engine as a whole are improved. When implementing the claimed invention, major changes in the design of the engine are not required.

Плазменный конвертор топлива способен работать в трех режимах:The plasma fuel converter is capable of operating in three modes:

- обеспечение режима электрофакельного подогрева;- ensuring the regime of electric torch heating;

- обеспечение режима электрофакельного подогрева с пиролизом активных к воспламенению топливных частиц;- providing a regime of electric torch heating with pyrolysis of fuel particles active against ignition;

- обеспечение режима пиролиза активных к воспламенению топливных частиц.- providing a pyrolysis mode of fuel-ignition active particles.

Claims

A method of heating the intake air of an internal combustion engine, based on injection, mixing a hydrocarbon mixture with air, characterized in that a part of the air is separated from the total air flow consumed by the engine, converted into low-temperature air plasma, mixed hydrocarbon mixture with air, processed hydrocarbon mixture with low-temperature air plasma in the reactor of the plasma fuel converter, carrying out the conversion and self-ignition of the resulting air-fuel mixture in vp sknom reservoir, heating the air in the intake manifold by the combustion heat of the fuel-air mixture.