Улучшение экологических характеристик автомобиля путём

Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ
ПУТЁМ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ДВС
Ревонченков А.А.
8(926)5739983 revanus@ya.ru
Ревонченков А.М. 8(905)7609442
Матросова В.В. 8(916)9566130
МГТУ «МАМИ»
Стремительное уменьшение мировых запасов углеводородов и ухудшение
экологической обстановки заставляет разработчиков автомобильных транспортных средств
повышать уровень, даже хорошо отработанных технических решений. Более 150 лет искра
осуществляет зажигание горючей смеси
в двигателе внутреннего сгорания с
принудительным воспламенением. Искровая система зажигания достигла совершенства, и
фактически, в настоящее время, полностью исчерпала свои возможности.
Бурное развитие новых технологий, позволяет, подойти к процессу воспламенения
горючей смеси, с учетом применения новых физических принципов. Особенно это актуально
при использовании, в качестве горючего, альтернативных топлив: сжиженного нефтяного
газа, компримированного природного газа, рапсового масла и.т.п. Известно, что газовые
топлива имеют более высокое октановое число, горят медленнее, у них наблюдается
увеличение фазы воспламенения, приводящее, в некоторых случаях, к пропускам зажигания.
Что приводит к выбросу вредных веществ в атмосферу.
В последнее время тенденцию к развитию получили свечи зажигания с лазерным
методом воспламенения. Анализ отечественных и зарубежных патентов позволяет составить
классификацию существующих на данный момент видов лазерного зажигания (Рис.1).
Лазерные свечи зажигания
Лазерно-искровые
Подвод луча с
внешней
стороны ИП
Лазерные
Подвод луча с
внутренней
стороны ИП
С подогревом
рабочей смеси
Без подогрева
рабочей смеси
С точечным
фокальным
пятном
С формируемым
фокальным
пятном
Рисунок 1 - Классификация лазерных свечей зажигания
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
25
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
Усиленное воздействие системы зажигания на параметры процесса сгорания, может
быть реализовано, путём повышения энергетической насыщенности пространства в
окрестности искрового зазора, и даже, на некотором расстоянии от него. Наличие
избыточной электромагнитной энергии обеспечивает переход от медленного протекания
химических реакций, связанных с задержкой воспламенения, к быстрому появлению
пламени и дальнейшему его распространению.
Обеспечение устойчивого воспламенения возможно при соблюдении следующего
соотношения:
Qи р + Qх р ≥ Qп с + Qэ с
(1)
Где Qи р - теплота энергии, выделившейся в искровом промежутке; Qх р - теплота
энергии, выделившаяся вследствие химических реакций окисления; Qп с - количество тепла,
расходуемого на нагрев прилегающего слоя горючей смеси; Qэ с - потери тепла на нагрев
электродов свечи.
Если в уравнение (1) к тепловой энергии, выделившейся в процессе искрового
разряда,
добавить
компоненту,
представляющую
некоторую,
дополнительную
электромагнитную энергию, то характеристики процесса воспламенения искрой значительно
улучшатся. В качестве дополнительной энергии возможно использование излучения
лазерного источника. Прогресс в области создания лазеров с высокими характеристиками
позволяет сделать это. Предварительные исследования показали большую гибкость и
адаптируемость лазеров для встраивания в систему зажигания.
Излучение от лазерного источника, в комбинации с искровой свечой зажигания,
подводится в пространство межэлектродного зазора свечи.
С дополнительным источником лазерного излучения уравнение (1) будет выглядеть
следующим образом:
Qл и + Qх
Qл
и
р
> Qп с + Qэ
= Qл п + Qи
Где, Qл
п
с
р
(2)
(3)
- теплота энергии лазерного подогрева.
Увеличение энергии зажигания приводит к увеличению объёма плазмы в
межэлектродном пространстве, что позволяет пропорционально охватывать большее
количество прореагировавших молекул горючей смеси. Одновременно с этим благодаря
улучшению условий догорания снижается содержание СН в отработавших газах (ОГ).
На переходных режимах, когда двигатель набирает обороты, давление топливной
смеси в камере сгорания (КС) резко повышается и требуется больше энергии для пробоя
искрового зазора. Увеличение давления повышает пробивное напряжение, затрудняя
образования активных центров и, соответственно, воспламенение горючей смеси. Для
лазерного излучения, наоборот, повышение плотности среды улучшает образование
активных центров в области искрового зазора.
Современные лазерные источники могут работать в различных спектральных
диапазонах. Спектральный анализ пламени позволил выделить отдельные стабильные линии
спектра, соответствующие излучению промежуточных продуктов горения углеводородов, а
именно, радикалов СН, С2. В качестве наиболее информативных выбраны спектральные
линии с наибольшей зависимостью интенсивности излучения от изменения температуры
(431.5, 467, 516.5 нм). Для наиболее эффективного воздействия на горючую смесь и
интенсивного образования активных центров, желательно применять лазерный модуль с
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
26
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
приближёнными к 431.5, 467, 516.5 нм длинами волн, или даже три лазерных модуля
одновременно. Режим работы регулируемый – импульсный или непрерывный. Структурную
схему лазерно-искровой системы зажигания можно увидеть на Рис. 2.
МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Задатчик минимальной
энергии зажигания N0
Датчики ДТ, ДПКВ,
ДД, ДПДЗ, ДМРВ и
определитель вида
топлива
Регулятор формирования
импульса зажигания по
мощности и времени (N,t)
Регулятор формы
импульса
Лазерно-искровая
свеча
Процесс
воспламенения
Датчик качества
воспламенения
Рисунок 2 - Структурная схема лазерно-искровой системы зажигания
Лазерно-искровая свеча зажигания представляет собой модуль, включающий в себя
источник лазерного излучения, оптический узел формирования фокального пятна, световод и
высоковольтный преобразователь.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
27
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
Управляющие импульсы
Лазерный модуль
с контроллером
Высоковольтный
преобразователь
Оптический узел
формирования
фокального пятна
Центральный
электрод
Световод
Искровой
зазор
Рисунок 3 - Структурная схема лазерно-искровой свечи зажигания
Лазерный подогрев (ЛП) искрового промежутка целесообразно производить в течение
такта сжатия и рабочего хода. Временные параметры цикла поджига с лазерным подогревом
будут, несколько отличаться от классического, т.к. цикл содержит компоненту лазерного
импульса мощности. Эффективность действия излучения лазера при ЛП в значительной
степени определяется плотностью мощности в зоне поджига (межэлектродный промежуток),
которая зависит, как от общей мощности лазера, так и от степени её концентрации с
помощью оптической системы.
При выборе параметров лазерно-искровой системы зажигания следует исходить из
того, что предельная энергия искры достижимая, в настоящее время составляет около 300
мДж. Поэтому энергия лазерного источника должна быть на порядок выше.
Преимущества лазерного способа воспламенения ГС в ДВС.
- Благодаря трём частотным диапазонам излучения обеспечивается эффективное
поглощение энергии луча ГС различного типа.
- Высокая плотность мощности, достигаемая, при фокусировке луча обеспечивает
быстрый нагрев смеси в межэлектродном пространстве искровой свечи зажигания до
необходимой температуры.
- Импульсно-непрерывное действие лазера позволяет контролировать и строго
регламентировать количество энергии подаваемой в ИЗ.
- Автоматизация процесса воспламенения на высоком уровне.
Литература
1.
Автомобильный справочник BOSH: Пер. с англ. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.:
ЗАО «КЖИ «За рулем»», 2004. – 992 с.
2.
J. Davenport. The Ecology of Transportation: Managing Mobility for the Environment
– Нидерланды: Springer, 2006. – 393 с.
3.
Патент РФ на изобретение № 2362042 «Лазерно-искровая свеча зажигания
двигателя внутреннего сгорания»
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
28
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
4.
Патент РФ на способ № 2212559 «Способ лазерно-искрового зажигания рабочей
смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления»
5.
Патент РФ на способ № 2309288 «Способ лазерного зажигания горючей смеси
двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления»
6.
Патент РФ на полезную модель № 72728 «Комбинированная лазерно-искровая
система зажигания двигателя внутреннего сгорания»
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
29