RU2496995C2 - Compression ignition ice and method of its operation - Google Patents

Compression ignition ice and method of its operation Download PDF

Info

Publication number
RU2496995C2
RU2496995C2 RU2011147569/06A RU2011147569A RU2496995C2 RU 2496995 C2 RU2496995 C2 RU 2496995C2 RU 2011147569/06 A RU2011147569/06 A RU 2011147569/06A RU 2011147569 A RU2011147569 A RU 2011147569A RU 2496995 C2 RU2496995 C2 RU 2496995C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
engine
singlet oxygen
fuel
cylinder
Prior art date
Application number
RU2011147569/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011147569A (en
Inventor
Александр Михайлович Старик
Ростислав Иванович Сериков
Наталия Сергеевна Титова
Вячеслав Евгеньевич Козлов
Петр Михайлович Мурашев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова"
Priority to RU2011147569/06A priority Critical patent/RU2496995C2/en
Publication of RU2011147569A publication Critical patent/RU2011147569A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2496995C2 publication Critical patent/RU2496995C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: proposed engine comprises working cylinder, intake system, discharge system and fuel feed system and incorporates singlet oxygen generator arranged in intake line to enrich air fed in working cylinder with singlet oxygen molecules. Solid-stage laser emitting 762.3-762.4 nm-long waves is used as said laser radiation source, or singlet oxygen generator with chamber with inlet and outlet. Said chamber feature mirror sinner surface to reflect laser radiation and diffuse it. Proposed method consists in feeding air and fuel in engine cylinder and enriching the air with singlet oxygen at inlet, making fuel-air mix of preset composition, igniting said mix in said cylinder, expanding combustion products and discharging them from said cylinder. Note here that air oxygen molecules fed in inlet line are excited to singlet state O 2 ( b 1 Σ g + )
Figure 00000009
and O2(alΔg). Amount of singlet oxygen in state O2(alΔg) is set to 1-4% or oxygen content in air fed in intake line.
EFFECT: simplified design, lower material input.
5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и предназначено для интенсификации процессов горения топливовоздушных смесей и снижения токсичности отработавших газов.The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building and is intended to intensify the combustion processes of air-fuel mixtures and to reduce the toxicity of exhaust gases.

Проблема создания эффективного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) неразрывно связана с необходимостью обеспечения минимальной эмиссии в окружающую атмосферу продуктов сгорания топливовоздушных: смесей. При этом существенно важно, что низкоэмиссионное сгорание должно обеспечиваться без снижения термодинамической эффективности цикла и уменьшения удельной мощности.The problem of creating an effective internal combustion engine (ICE) is inextricably linked with the need to ensure minimal emission of air-fuel products : mixtures into the surrounding atmosphere. In this case, it is essential that low-emission combustion should be provided without reducing the thermodynamic efficiency of the cycle and reducing the specific power.

Известны различные способы интенсификации сгорания.Various methods of intensifying combustion are known.

Известен, например, способ интенсификации горения топливовоздушной смеси, заключающийся в том, что рабочую смесь в камере сгорания активируют посредством импульсно-периодического наносекундного высоковольтного разряда, обладающего определенными характеристиками: амплитудой, временем нарастания переднего фронта импульса и длительностью импульса высокого напряжения (патент РФ №2333381, МПК F02M 27/04, опубл. 10.09.2008). Активация рабочей смеси в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания обеспечивает снижение температуры воспламенения, повышение интенсивности химических реакций и, как следствие, повышение эффективности и существенное уменьшение выброса вредных веществ, в частности оксидов азота, в атмосферу. По данным модельного эксперимента снижение температуры воспламенения составляет 200-250 К.There is, for example, a method for intensifying combustion of a fuel-air mixture, namely, that a working mixture in a combustion chamber is activated by means of a pulse-periodic nanosecond high-voltage discharge having certain characteristics: amplitude, rise time of the leading edge of the pulse and duration of the high voltage pulse (RF patent No. 23333381 IPC F02M 27/04, published on 09/10/2008). The activation of the working mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine provides a decrease in the ignition temperature, an increase in the intensity of chemical reactions and, as a result, an increase in efficiency and a significant decrease in the emission of harmful substances, in particular nitrogen oxides, into the atmosphere. According to the model experiment, the decrease in the ignition temperature is 200-250 K.

Недостатком данного способа является необходимость формирования высоковольтного разряда (до 250 кВ) непосредственно в камере сгорания двигателя, высокая энергоемкость способа, а также необходимость обеспечения качественной изоляции высоковольтных разрядников. Кроме того, известно, что при увеличении плотности газа эффективность плазмохимического воздействия высоковольтного разряда заметно снижается, следовательно, данный способ будет иметь ограниченное применение в поршневых ДВС с повышенной степенью сжатия.The disadvantage of this method is the need for the formation of a high voltage discharge (up to 250 kV) directly in the combustion chamber of the engine, the high energy intensity of the method, and the need to ensure high-quality insulation of high voltage arresters. In addition, it is known that with increasing gas density the effectiveness of the plasma-chemical effect of a high-voltage discharge is noticeably reduced, therefore, this method will be of limited use in piston ICEs with an increased compression ratio.

Известна современная технология воспламенения и горения обедненных топливом смесей, позволяющая уменьшить выброс оксидов углерода (СО) и оксидов азота (NO, NO2) в ДВС до очень низкого уровня без применения каталитических нейтрализаторов в выпускных каналах ДВС. Такая технология включает объемное самовоспламенение гомогенной топливовоздушной смеси при быстром сжатии и реализована в двигателе, называемом HCCI (homogeneous charge compression ignition). В некоторых источниках двигатель, реализующий указанный способ называется CAI (Control Auto-Ignition).A well-known modern technology of ignition and combustion of fuel-lean mixtures, which allows to reduce the emission of carbon oxides (CO) and nitrogen oxides (NO, NO 2 ) in ICE to a very low level without the use of catalytic converters in the exhaust channels of ICE. This technology includes volumetric self-ignition of a homogeneous air-fuel mixture during rapid compression and is implemented in an engine called HCCI (homogeneous charge compression ignition). In some sources, an engine that implements this method is called CAI (Control Auto-Ignition).

Теоретически, HCCI или CAI является процессом, в котором сильно разбавленная (воздухом или рециркулируемыми отработавшими газами) гомогенная смесь спонтанно самовоспламеняется одновременно в полном объеме камеры сгорания вследствие сжатия заряда поршнем до температуры порядка 1100К и очень быстро объемно сгорает. Следует отметить, что для достижения температуры самовоспламенения, как правило, необходим дополнительный источник тепловой энергии.Theoretically, HCCI or CAI is a process in which a highly diluted (by air or recirculated exhaust gas) homogeneous mixture spontaneously self-ignites simultaneously in the entire volume of the combustion chamber due to compression of the charge by the piston to a temperature of about 1100K and very quickly burns out volumetrically. It should be noted that in order to achieve autoignition temperature, as a rule, an additional source of thermal energy is required.

Известен также двигатель, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, реализующий способ работы с компрессионным зажиганием гомогенной топливовоздушной смеси (патент США, № 7900600, НКИ 123/406.55, опубл. 08.03.2011). Двигатель содержит рабочий цилиндр с впускными и выпускными трубопроводами, систему зажигания, систему газораспределения с регулируемыми фазами открытия и закрытия клапанов и систему управления с датчиками рабочих параметров двигателя. Причем впускной трубопровод дополнительно оснащен устройством подогрева впускаемого воздуха и перепускным каналом.Also known is an engine selected as the closest analogue that implements a method of working with compression ignition of a homogeneous air-fuel mixture (US patent, No. 7900600, NKI 123 / 406.55, publ. 08.03.2011). The engine contains a working cylinder with intake and exhaust pipelines, an ignition system, a gas distribution system with adjustable phases for opening and closing valves and a control system with sensors for engine operating parameters. Moreover, the inlet pipe is additionally equipped with a device for heating the intake air and the bypass channel.

Общеизвестным недостатком двигателей типа HCCI является неустойчивая работа двигателя на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного заряда в камере сгорания, что в совокупности существенно снижает мощность двигателя и ограничивает область рабочих режимов.A well-known drawback of HCCI engines is unstable engine operation at idle and maximum revolutions, uncontrolled detonation of mixture residues and uneven distribution of air-fuel charge in the combustion chamber, which together significantly reduces engine power and limits the range of operating modes.

В известном двигателе на режиме максимальных нагрузок и режиме холостого хода для поддержания крутящего момента вала двигателя и ритмичности его работы включают систему искрового зажигания, т.е. переводят двигатель на работу по циклу Отто с зажиганием топливовоздушной смеси от электрической искры. При этом возникает необходимость обогащения топливовоздушной смеси, увеличивается температура цикла, что приводит к увеличению концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах двигателя.In the known engine at maximum loads and idle, to maintain the torque of the engine shaft and the rhythm of its operation include a spark ignition system, i.e. transfer the engine to work on the Otto cycle with ignition of the air-fuel mixture from an electric spark. In this case, there is a need to enrich the air-fuel mixture, the cycle temperature increases, which leads to an increase in the concentration of pollutants in the exhaust gases of the engine.

Другим недостатком известного двигателя является необходимость подогрева впускаемого воздуха. Подогрев воздуха на впуске снижает наполнение цилиндра и уменьшает термодинамическую эффективность цикла двигателя в целом.Another disadvantage of the known engine is the need to heat the intake air. Heated air at the inlet reduces the filling of the cylinder and reduces the thermodynamic efficiency of the engine cycle as a whole.

Для обеспечения минимально необходимой температуры Тс=1100К в конце такта сжатия, необходимо подогревать воздух на впуске до 200°С (см. таблицу 1).To ensure the minimum required temperature Tc = 1100K at the end of the compression stroke, it is necessary to heat the air at the inlet to 200 ° C (see table 1).

Таблица 1Table 1 Подогрев воздуха на впуске, °CIntake air heater, ° C Та, КSo Степень сжатия, εCompression ratio, ε Пок-ль политропы сжатия, n1 Amount of polytropic compression, n 1 Tc, КTc, K Бензиновый двигательGas engine 00 293293 1010 1,371.37 687687 50fifty 343343 1010 1,371.37 804804 100one hundred 393393 1010 1,371.37 921921 150150 443443 1010 1,371.37 10381038 200200 493493 1010 1,371.37 11561156 ДизельDiesel 00 293293 20twenty 1,371.37 888888 50fifty 343343 20twenty 1,371.37 10391039 100one hundred 393393 20twenty 1,371.37 11911191 150150 443443 20twenty 1,371.37 13421342 200200 493493 20twenty 1,371.37 14941494 ДизельDiesel 00 293293 15fifteen 1,371.37 798798 50fifty 343343 15fifteen 1,371.37 934934 100one hundred 393393 15fifteen 1,371.37 10701070 150150 443443 15fifteen 1,371.37 12071207 200200 493493 15fifteen 1,371.37 13431343

Расчет температуры Tc конца такта сжатия проводился для атмосферного двигателя при разных степенях сжатия и температуре окружающего воздуха равной 20°C.The temperature Tc of the end of the compression stroke was calculated for an atmospheric engine at different compression ratios and an ambient temperature of 20 ° C.

Задачей изобретения является расширение диапазона рабочих режимов двигателя с компрессионным зажиганием за счет повышения устойчивости воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС.The objective of the invention is to expand the range of operating modes of an engine with compression ignition by increasing the stability of ignition of the air-fuel mixture in the engine cylinder.

Также задачей изобретения является необходимость обеспечения экологической безопасности продуктов сгорания топлива с учетом того, что низкотемпературное горение богатой углеводородо-воздушной смеси ведет к неполному окислению углерода, образованию угарного газа и сажи, с другой стороны, высокотемпературное горение дает большие концентрации NOx.Another objective of the invention is the need to ensure environmental safety of fuel combustion products, taking into account the fact that low-temperature combustion of a rich hydrocarbon-air mixture leads to incomplete oxidation of carbon, the formation of carbon monoxide and soot, on the other hand, high-temperature combustion gives high concentrations of NOx.

Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя и снижение его материалоемкости, что достигается за счет повышения термодинамических показателей цикла и расширения диапазона рабочих режимов двигателя, а также снижения токсичности отработавших газов.The technical result is to simplify the design of the engine and reduce its material consumption, which is achieved by increasing the thermodynamic parameters of the cycle and expanding the range of operating modes of the engine, as well as reducing the toxicity of exhaust gases.

Предлагаемое изобретение основано на том, что повышение устойчивости воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС может быть достигнуто путем обогащения воздуха на впуске активными частицами, обеспечивающими сокращение времени индукции и осуществления объемного воспламенения топливовоздушного заряда при более низкой начальной температуре.The present invention is based on the fact that increasing the stability of ignition of the air-fuel mixture in the engine cylinder can be achieved by enriching the inlet air with active particles, which reduces the time of induction and the implementation of volumetric ignition of the air-fuel charge at a lower initial temperature.

Поставленные задачи решаются тем, что поршневой двигатель с компрессионным зажиганием, содержащий рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи, снабжают генератором синглетного кислорода, размещенного во впускном трубопроводе с возможностью обогащения воздуха, подаваемого в рабочий цилиндр молекулами синглетного кислорода.The tasks are solved in that the piston engine with compression ignition, containing a working cylinder, an intake system, an exhaust system and a fuel supply system, is equipped with a singlet oxygen generator located in the intake pipe with the possibility of enriching the air supplied to the working cylinder by singlet oxygen molecules.

При этом генератор синглетного кислорода выполняют в виде источника лазерного излучения и камеры с входом и выходом, причем внутренняя поверхность камеры выполнена зеркальной с возможностью отражения и диффузионного рассеивания лазерного излучения. А источник лазерного излучения выполняют в виде твердотельного лазера, излучающего волны длиной от 762,3 до 762,4 нанометров.In this case, the singlet oxygen generator is performed in the form of a laser radiation source and a camera with input and output, and the inner surface of the camera is made mirrored with the possibility of reflection and diffusion scattering of laser radiation. And the source of laser radiation is performed in the form of a solid-state laser emitting waves with a length of 762.3 to 762.4 nanometers.

Поставленная задача решается также и тем, что осуществляют способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием, заключающийся в подаче воздуха и топлива во впускной трубопровод, формировании во впускном трубопроводе топливовоздушной смеси заданного состава, впуске ее в цилиндр двигателя, сжатии, воспламенении топливовоздушного заряда от сжатия, расширении продуктов сгорания и выпуске их из цилиндра двигателя, в котором согласно изобретению молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод возбуждают в синглетные состояния O 2 ( b 1 g + )

Figure 00000001
и O2(a1Δg).The problem is also solved by the fact that they carry out a method of operating a piston engine with compression ignition, which consists in supplying air and fuel to the inlet pipe, forming a predetermined composition of the air-fuel mixture in the inlet pipe, letting it into the engine cylinder, compressing, igniting the air-fuel charge from compression, expanding the combustion products and releasing them from the engine cylinder, in which according to the invention, the oxygen molecules of the air supplied to the intake manifold are excited into a single est conditions O 2 ( b one g + )
Figure 00000001
and O 2 (a 1 Δ g ).

При этом количество синглетного кислорода в состоянии O2(a1Δg) устанавливают в количестве от 1 до 4 процентов от содержания кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод.The amount of singlet oxygen in the O 2 state (a 1 Δ g ) is set in an amount from 1 to 4 percent of the oxygen content in the air supplied to the inlet pipe.

В настоящее время, известно, что электронно-возбужденные молекулы и атомы реагируют намного быстрее, чем невозбужденные. Поэтому, возбуждение реагирующих молекул позволяет ускорить образование активных радикалов, носителей цепного механизма, в реакциях инициирования и распространения цепи и, как следствие, интенсифицировать горение.Currently, it is known that electronically excited molecules and atoms react much faster than unexcited ones. Therefore, the excitation of reacting molecules makes it possible to accelerate the formation of active radicals, carriers of the chain mechanism, in the reactions of chain initiation and propagation, and, as a result, to intensify combustion.

Насыщение впускаемого воздуха синглетньм кислородом интенсифицирует протекание цепной реакции окисления в камере сгорания двигателя. Для выработки синглетного кислорода находящегося в состоянии O2(a1Δg) предпочтительно использовать лазер, генерирующий излучение с длиной волны 762,35±0,05 нм, которое резонансно возбуждает молекулы O2 из основного состояния в электронно-возбужденное состояние b 1 g +

Figure 00000002
с последующим переходом молекул кислорода в состояние O2(a1Δg).Saturation of intake air with singlet oxygen intensifies the occurrence of a chain oxidation reaction in the combustion chamber of the engine. To produce singlet oxygen in the O 2 state (a 1 Δ g ), it is preferable to use a laser generating radiation with a wavelength of 762.35 ± 0.05 nm, which resonantly excites O 2 molecules from the ground state to an electronically excited state b one g +
Figure 00000002
followed by the transition of oxygen molecules to the O 2 state (a 1 Δ g ).

Кинетика процесса образования электронно-возбужденных молекул кислорода состояния b 1 g +

Figure 00000003
с образованием синглетного кислорода состояния O2(a1Δg) детально описана в работе «Световой котел-генератор синглетного кислорода O2(a1Δg)» H.И. Липатов, А.С. Бирюков, Э.С. Гулямова // Квантовая электроника 2008. Т.38. №13, C.1179-1182 и согласована с экспериментальными данными.Kinetics of the formation of electronically excited state oxygen molecules b one g +
Figure 00000003
with the formation of singlet oxygen, the O 2 state (a 1 Δ g ) is described in detail in the work “Light boiler-generator of singlet oxygen O 2 (a 1 Δ g )” H.I. Lipatov, A.S. Biryukov, E.S. Gulyamova // Quantum Electronics 2008.V.38. No. 13, C.1179-1182 and is consistent with experimental data.

Влияние синглетного кислорода на интенсивность предпламенных реакций показано в работе «Комплексный анализ воспламенения и горения водородно-воздушных и метано-воздушных смесей при воздействии резонансного лазерного излучения» А.М. Старик, П.С. Кулешов, H.С. Титова // в кн. «Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения» под ред. A.M. Старика, М.: ТОРУС ПРЕСС 2011, с.603-634. В указанной работе на основе численного моделирования показано, что для метано-воздушных смесей лазерно-индуцированное возбуждение молекул O2 излучением с λ=762,346 нм в состояние b 1 g +

Figure 00000004
эффективно сокращает время индукции и температуру воспламенения.The effect of singlet oxygen on the intensity of pre-flame reactions is shown in the work "Comprehensive analysis of the ignition and combustion of hydrogen-air and methane-air mixtures when exposed to resonant laser radiation" A.M. Old Man, P.S. Kuleshov, H.S. Titova // in the book. “Nonequilibrium physicochemical processes in gas flows and new principles of combustion organization”, ed. AM Old Man, M .: TORUS PRESS 2011, p. 603-634. In the indicated work, based on numerical simulation, it was shown that for methane-air mixtures, laser-induced excitation of O 2 molecules by radiation with λ = 762.346 nm to the state b one g +
Figure 00000004
effectively reduces induction time and flash point.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы двигателя со ссылкой на иллюстрацию, представленную на фиг.1, где изображена схема поршневого двигателя с компрессионным зажиганием, оборудованного генератором синглетного кислорода.The present invention is illustrated by the following detailed description of the design and operation of the engine with reference to the illustration shown in FIG. 1, which shows a diagram of a compression ignition piston engine equipped with a singlet oxygen generator.

Поршневой двигатель с компрессионным зажиганием состоит из рабочего цилиндра 1, в котором размещен поршень 2 с образованием камеры 3 сгорания. Поршень 2 через шатун 4 связан с коленчатым валом 5. В головке блока двигателя, размещены клапаны 6 системы газораспределения. Двигатель оснащен выпускным трубопроводом 7 и впускным трубопроводом 11.A compression ignition piston engine consists of a working cylinder 1 in which a piston 2 is placed to form a combustion chamber 3. The piston 2 through the connecting rod 4 is connected to the crankshaft 5. In the head of the engine block, valves 6 of the gas distribution system are located. The engine is equipped with an exhaust pipe 7 and an intake pipe 11.

Во впускном трубопроводе 11 размещен узел 8 формирования топливовоздушной смеси с устройством 9 измерения и регулирования расхода воздуха. Топливо 10 поступает на вход смесеобразующего устройства узла 8 формирования топливовоздушной смеси. Узел 8 может содержать карбюратор, или форсунку с электромагнитным управлением.In the inlet pipe 11 there is a node 8 for forming an air-fuel mixture with a device 9 for measuring and regulating air flow. Fuel 10 enters the input of the mixture-forming device of the air-fuel mixture forming unit 8. The node 8 may contain a carburetor, or a nozzle with electromagnetic control.

Также во впускном трубопроводе 11 размещен генератор синглетного кислорода, обеспечивающий насыщение впускаемого воздуха 12 молекулами возбужденного кислорода в состоянии O2(a1Δg).Also, a singlet oxygen generator is located in the inlet pipe 11, which provides saturation of the intake air with 12 molecules of excited oxygen in the O 2 state (a 1 Δ g ).

Генератор синглетного кислорода выполнен в виде камеры 14 с внутренней зеркальной поверхностью 13. В отверстии стенки камеры 14 закреплена выходная часть оптического волокна 15, входная часть которого связана с твердотельным Nd:YAG-лазером16, снабженным кристаллом Al2O3Ti3+.The singlet oxygen generator is made in the form of a chamber 14 with an internal mirror surface 13. In the hole in the wall of the chamber 14, an output part of the optical fiber 15 is fixed, the input part of which is connected to a solid-state Nd: YAG laser 16 equipped with an Al 2 O 3 Ti 3+ crystal.

Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.

Образование молекул возбужденного кислорода, находящегося в состоянии O2(a1Δg) происходит в генераторе синглетного кислорода. Излучение твердотельного Nd:YAG-лазера 16с кристаллом Al2O3Ti3+ с длиной волны λ=762,346 нм через оптическое волокно 15 подается в камеру 14. Поскольку внутренняя поверхность 13 камеры 14 выполнена зеркальной, то уже после нескольких отражений, за счет диффузионного рассеивания лазерного излучения в объеме камеры 14 формируется однородное изотропное световое поле. Также в объем камеры 14 подается воздух 12. Лазерное излучение с длиной волны 762,346 нм обеспечивает возбуждение молекулярного кислорода, при этом осуществляется переход молекулы из основного состояния O 2 ( X 3 g , V ' , J ' , K ' )

Figure 00000005
в электронное состояние O 2 ( b 1 g + , V " , J " , K " )
Figure 00000006
с колебательными квантовыми числами V'=V"=0 и вращательными квантовыми числами J'=9, J”=8 и K'=K”=8. Из электронно-возбужденного состояния b 1 g +
Figure 00000007
большая часть молекул кислорода переходит в более устойчивое возбужденное состояние O2(a1Δg).The formation of molecules of excited oxygen in the O 2 state (a1Δg) occurs in the singlet oxygen generator. The radiation from a solid-state Nd: YAG laser 16 with an Al 2 O 3 Ti 3+ crystal with a wavelength of λ = 762.346 nm is supplied through the optical fiber 15 to the chamber 14. Since the inner surface 13 of the chamber 14 is made mirror-like, after several reflections, due to diffusion scattering of laser radiation in the volume of the chamber 14 forms a homogeneous isotropic light field. Also, air 12 is supplied to the chamber 14. Laser radiation with a wavelength of 762.346 nm ensures the excitation of molecular oxygen, and the molecule is transferred from the ground state O 2 ( X 3 g - , V '' , J '' , K '' )
Figure 00000005
into electronic state O 2 ( b one g + , V " , J " , K " )
Figure 00000006
with vibrational quantum numbers V '= V "= 0 and rotational quantum numbers J' = 9, J” = 8 and K '= K ”= 8. From an electronically excited state b one g +
Figure 00000007
most of the oxygen molecules go into a more stable excited state of O 2 (a 1 Δ g ).

Воздух 12 поступает во впускной трубопровод 11. Проходя через генератор синглетного кислорода, он насыщается молекулами возбужденного кислорода, находящегося в состоянии O2(a1Δg). Топливо 10 поступает на вход смесеобразующего устройства узла 8 формирования топливовоздушной смеси. Далее, в узле 8 формируется топливовоздушная смесь требуемого состава, которая на такте впуска поступает в камеру 3 сгорания. Топливовоздушный заряд сжимается в цилиндре 1 двигателя и в конце такта сжатия температура смеси в камере 3 сгорания повышается до предела самовоспламенения, при этом начинается цепной процесс окисления топлива. После достижения достаточной концентрации активных центров окисления происходит объемное воспламенение и быстрое сгорание топливовоздушного заряда в полном объеме камеры 3 сгорания. Сгорание происходит в районе верхней мертвой точки, практически при постоянном объеме.Air 12 enters the intake manifold 11. Passing through the singlet oxygen generator, it is saturated with molecules of excited oxygen in the O 2 state (a 1 Δ g ). Fuel 10 enters the input of the mixture-forming device of the air-fuel mixture forming unit 8. Next, in node 8, a fuel-air mixture of the required composition is formed, which at the intake stroke enters the combustion chamber 3. The fuel-air charge is compressed in the cylinder 1 of the engine and at the end of the compression stroke, the temperature of the mixture in the combustion chamber 3 rises to the limit of self-ignition, and the chain process of fuel oxidation begins. After reaching a sufficient concentration of active oxidation centers, volume ignition and rapid combustion of the air-fuel charge in the full volume of the combustion chamber 3 occurs. Combustion occurs in the region of top dead center, with almost constant volume.

Далее следуют процессы расширения и выпуска. Цикл работы двигателя повторяется.The following are expansion and release processes. The engine cycle is repeated.

Наличие молекул синглетного кислорода O 2 ( b 1 g + )

Figure 00000008
и O2(a1Δg) в топливовоздушном заряде создает условия для сокращения времени индукции и обеспечения объемного воспламенения топливовоздушного заряда в камере 3 сгорания при более низкой начальной температуре. Понижение предела воспламенения обеспечивает расширение диапазона рабочих режимов двигателя, а изменение концентрации синглетного кислорода в смеси за счет регулирования мощности лазерного излучения позволит предотвратить неустойчивую работу двигателя.The presence of singlet oxygen molecules O 2 ( b one g + )
Figure 00000008
and O 2 (a 1 Δ g ) in the air-fuel charge creates conditions for reducing the induction time and providing volume ignition of the air-fuel charge in the combustion chamber 3 at a lower initial temperature. Lowering the ignition limit provides an extension of the range of engine operating modes, and a change in the concentration of singlet oxygen in the mixture by controlling the power of the laser radiation will prevent unstable engine operation.

Понижение предела воспламенения, кроме того, позволяет уменьшить степень сжатия двигателя, т.к. для самовоспламенения топливовоздушной смеси, содержащей синглетный кислород, требуется меньшая температура в конце такта сжатия. Из-за уменьшения степени сжатия газа происходит уменьшение давления в цилиндре двигателя, и, следовательно, уменьшается его материалоемкость и увеличивается ресурс двигателя.Lowering the ignition limit, in addition, allows to reduce the compression ratio of the engine, because for self-ignition of the air-fuel mixture containing singlet oxygen, a lower temperature is required at the end of the compression stroke. Due to the decrease in the degree of compression of the gas, the pressure in the cylinder of the engine decreases, and, therefore, its material consumption decreases and the engine resource increases.

Расчеты показали, что наличие синглетного кислорода в смеси и понижение степени сжатия позволяет уменьшить эмиссию NOx с отработавшими газами двигателя. В таблице 2 приведены концентрации оксида азота NOx, образующихся в цилиндре 1 двигателя, при различном содержании О21Δg) в топливовоздушной смеси. Расчеты проводились при неизменном составе и количестве топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндр двигателя, постоянной частоте вращения и условии сохранения заданного уровня мощности, развиваемой двигателемThe calculations showed that the presence of singlet oxygen in the mixture and a decrease in the degree of compression can reduce the emission of NO x with the exhaust gases of the engine. Table 2 shows the concentration of nitric oxide NO x formed in the cylinder 1 of the engine, with different contents of O 2 (a 1 Δ g ) in the air-fuel mixture. The calculations were carried out with the composition and quantity of the air-fuel mixture entering the engine cylinder at a constant speed and the condition of maintaining a given level of power developed by the engine

Таким образом, насыщение воздуха на впуске в двигатель молекулами синглетного кислорода обеспечивает сокращение времени индукции и благоприятно воздействует на процесс объемного воспламенения топливовоздушного заряда. При этом наличие активных центров окисления топлива в форме синглетного кислорода O2(a1Δg) позволяет интенсифицировать протекание цепной реакции окисления в камере сгорания двигателя и снизить температуру начала самовоспламенения. Наличие синглетного кислорода во впускаемом воздухе позволяет отказаться от дополнительного подогрева воздуха на впуске, что позволяет повысить наполнение цилиндра и увеличить мощность двигателя.Thus, saturation of air at the engine inlet with singlet oxygen molecules reduces the induction time and favorably affects the process of volume ignition of the air-fuel charge. Moreover, the presence of active centers of fuel oxidation in the form of singlet oxygen O 2 (a 1 Δ g ) allows one to intensify the occurrence of the chain oxidation reaction in the combustion chamber of the engine and lower the temperature of the onset of self-ignition. The presence of singlet oxygen in the intake air eliminates the need for additional air heating at the inlet, which allows to increase the filling of the cylinder and increase engine power.

Таблица 2. Степень сжатия 8, необходимая для обеспечения заданной мощности, и мольная доля NO в отработавших газах двигателя типа HCCI в зависимости от концентрации синглетного кислорода во впускном трубопроводе.Table 2. Compression ratio 8, necessary to provide a given power, and the molar fraction of NO in the exhaust gases of an HCCI engine, depending on the concentration of singlet oxygen in the inlet pipe.

O2(a1Δg)/O2, %O 2 (a 1 Δ g ) / O 2 ,% εε Мольная доля NO, ppmMole fraction of NO, ppm 00 16,516.5 5353 1one 14,014.0 4747 22 12,9512.95 3232 4four 11,6511.65 2828

Увеличение мощности двигателя достигается также за счет интенсификации процесса сгорания и сокращения общей продолжительности горения топливовоздушного заряда. При отсутствии потребности в большей мощности существует возможность уменьшить рабочий объем цилиндра или снизить степень сжатия, что в конечном итоге позволит уменьшить материалоемкость двигателя в целом. Осуществление интенсивного горения топливовоздушной смеси обедненного состава при более низкой температуре позволит также снизить эмиссию токсичных веществ с отработавшими газами двигателя, что в совокупности создает значительный экологический и технико-экономический эффекты.An increase in engine power is also achieved by intensifying the combustion process and reducing the total duration of combustion of the air-fuel charge. In the absence of the need for more power, it is possible to reduce the working volume of the cylinder or reduce the compression ratio, which ultimately will reduce the material consumption of the engine as a whole. The implementation of intensive combustion of a depleted fuel-air mixture at a lower temperature will also reduce the emission of toxic substances with engine exhaust gases, which together creates significant environmental and technical and economic effects.

Claims (3)

1. Поршневой двигатель с компрессионным зажиганием, содержащий рабочий цилиндр, систему впуска, систему выпуска и систему топливоподачи, отличающийся тем, что двигатель снабжен генератором синглетного кислорода, размещенным во впускном трубопроводе с возможностью насыщения неподогретого воздуха, впускаемого в рабочий цилиндр, молекулами синглетного кислорода в количестве до 4% от содержания кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод.1. A piston engine with compression ignition, comprising a working cylinder, an intake system, an exhaust system and a fuel supply system, characterized in that the engine is equipped with a singlet oxygen generator located in the inlet pipe so as to saturate the unheated air introduced into the working cylinder with singlet oxygen molecules in the amount of up to 4% of the oxygen content in the air supplied to the inlet pipe. 2. Способ работы поршневого двигателя с компрессионным зажиганием, характеризующийся тем, что подают топливо и неподогретый воздух во впускной трубопровод, молекулы кислорода воздуха, подаваемого во впускной трубопровод, возбуждают в синглетные состояния O 2 ( b 1 Σ g + )
Figure 00000009
и O2(a1Δg), формируют во впускном трубопроводе топливовоздушную смесь заданного состава, впускают ее в цилиндр двигателя, сжимают и воспламеняют топливовоздушный заряд от сжатия, расширяют продукты сгорания и выпускают их из цилиндра двигателя.
2. The method of operation of a piston engine with compression ignition, characterized in that the fuel and unheated air are supplied to the inlet pipe, the oxygen molecules of the air supplied to the inlet pipe are excited to singlet states O 2 ( b one Σ g + )
Figure 00000009
and O 2 (a1Δg), form a fuel-air mixture of a given composition in the inlet pipe, let it into the engine cylinder, compress and ignite the air-fuel charge from compression, expand the combustion products and release them from the engine cylinder.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что количество синглетного кислорода в состоянии O2(a1Δg) устанавливают в количестве от 1 до 4% от содержания кислорода в воздухе, подаваемом во впускной трубопровод. 3. The method according to claim 2, characterized in that the amount of singlet oxygen in the O 2 state (a1Δg) is set in an amount from 1 to 4% of the oxygen content in the air supplied to the inlet pipe.
RU2011147569/06A 2011-11-24 2011-11-24 Compression ignition ice and method of its operation RU2496995C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011147569/06A RU2496995C2 (en) 2011-11-24 2011-11-24 Compression ignition ice and method of its operation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011147569/06A RU2496995C2 (en) 2011-11-24 2011-11-24 Compression ignition ice and method of its operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011147569A RU2011147569A (en) 2013-05-27
RU2496995C2 true RU2496995C2 (en) 2013-10-27

Family

ID=48789148

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011147569/06A RU2496995C2 (en) 2011-11-24 2011-11-24 Compression ignition ice and method of its operation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2496995C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610858C1 (en) * 2015-09-24 2017-02-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method for operating internal combustion engine using singlet oxygen
RU2610874C1 (en) * 2015-09-24 2017-02-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Method of fuel ignition and combustion arrangement in piston-type engine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4342116A (en) * 1980-03-11 1982-07-27 The Garrett Corporation Dry excited singlet delta oxygen generator
GB2353069A (en) * 1999-08-13 2001-02-14 Ford Global Tech Inc Introducing NOx into intake of i.c. engine to induce auto-ignition
US6659088B2 (en) * 2001-10-22 2003-12-09 Optimetrics, Inc. Use of singlet delta oxygen to enhance the performance of internal combustion engines, diesel engines in particular
WO2006040401A1 (en) * 2004-10-15 2006-04-20 Teräs-Kari Oy An arrangement for a compression ignition engine
US20070220864A1 (en) * 2005-03-25 2007-09-27 Haugen David J Control methods for low emission internal combustion system
RU2333381C2 (en) * 2005-11-03 2008-09-10 Нек Лаб Холдинг Инк. Method of initation ignition, intensifying combustion or reforming of fuel-air and fuel-oxygen mixes

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4342116A (en) * 1980-03-11 1982-07-27 The Garrett Corporation Dry excited singlet delta oxygen generator
GB2353069A (en) * 1999-08-13 2001-02-14 Ford Global Tech Inc Introducing NOx into intake of i.c. engine to induce auto-ignition
US6659088B2 (en) * 2001-10-22 2003-12-09 Optimetrics, Inc. Use of singlet delta oxygen to enhance the performance of internal combustion engines, diesel engines in particular
WO2006040401A1 (en) * 2004-10-15 2006-04-20 Teräs-Kari Oy An arrangement for a compression ignition engine
US20070220864A1 (en) * 2005-03-25 2007-09-27 Haugen David J Control methods for low emission internal combustion system
RU2333381C2 (en) * 2005-11-03 2008-09-10 Нек Лаб Холдинг Инк. Method of initation ignition, intensifying combustion or reforming of fuel-air and fuel-oxygen mixes

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610858C1 (en) * 2015-09-24 2017-02-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" Method for operating internal combustion engine using singlet oxygen
RU2610874C1 (en) * 2015-09-24 2017-02-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Method of fuel ignition and combustion arrangement in piston-type engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011147569A (en) 2013-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6789514B2 (en) Internal combustion engine
Pucher et al. Alternative combustion systems for piston engines involving homogeneous charge compression ignition concepts-a review of studies using methanol, gasoline and diesel fuel
US9482192B2 (en) Stable combustion in spark-ignited lean-burn engine
US8887697B2 (en) Efficient combustion of hydrocarbon fuels in engines
JP2013519821A (en) Engine combustion control through fuel-reactive stratification.
US9828905B2 (en) Combustion pre-chamber and method for operating same
JP4126971B2 (en) INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATED BY COMPRESSED SELF-IGNITION OF MIXED AIR AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE
US20040216712A1 (en) Combustion engine
JP2007512477A (en) Method for igniting the combustion of fuel in an internal combustion engine of an engine, an attached device and an engine
CN104081021A (en) Fuel reactivity stratification in rotary diesel engines
AU2002223294B2 (en) Hydrogen assisted combustion
Tanno et al. Investigation of a novel leaner fuel spray formation for reducing soot in diffusive diesel combustion-Homogenizing equivalence ratio distribution in the lift-off region
RU2496997C2 (en) Ice and method of its operation
RU2496995C2 (en) Compression ignition ice and method of its operation
Zhu et al. Improving cold start, combustion and emission characteristics of a lean burn spark ignition natural gas engine with multi-point hydrogen injection
US4126106A (en) Mixed cycle internal combustion engine
Goyal et al. Analysis of energy flows and emission characteristics of conventional diesel and isobaric combustion in an optical engine with laser diagnostics
JP4719797B2 (en) Internal combustion engine operation method
Iwai et al. Study on performance of diesel engine applied with emulsified diesel fuel: the influence of fuel injection timing and water contents
JP2004100501A (en) Internal combustion engine performing compressed self-ignition of air-fuel mixture, and control method for internal combustion engine
JPH10196508A (en) Internal combustion engine and start of combustion control method
RU2610858C1 (en) Method for operating internal combustion engine using singlet oxygen
Singh et al. Effect of nozzle hole geometry on a HSDI diesel engine-out emissions
JP2006242043A (en) Ignition timing control method and device
Docquier Experimental investigations in an optical HCCI Diesel engine. About the influence of fresh charge preparation and composition on auto-ignition delays and combustion development

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20210804