регулирование процесса сгорания при инициировании однородного сгорания свободными радикалами (иосср) или частичном иосср в циклических двигателях внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ управления снижением необходимого количества тепла и необходимой концентрации топлива по отношению к кислороду для воспламенения топлива внутри основной камеры сгорания в двигателе, предусматривающий:

создание ряда компонентов воспламенения свободными радикалами, по меньшей мере, в одном предварительном цикле сгорания, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере, соединенной с основной камерой сгорания в двигателе, причем указанные компоненты воспламенения свободными радикалами создаются, по меньшей мере, одним химико-кинетическим механизмом, запускаемым взаимодействием ОН с компонентами воспламенения свободными радикалами;

направление части созданных компонентов со свободными радикалами в основную камеру сгорания;

управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами, имеющее целью контролировать этап воспламенения топлива в основной камере сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере компонентов со свободными радикалами предусматривает также управление производством указанных различных компонентов воспламенения свободными радикалами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере компонентов со свободными радикалами предусматривает также управление количеством указанных различных компонентов воспламенения свободными радикалами, подаваемых в основную камеру сгорания.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что накапливание указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами используется, чтобы контролировать этап воспламенения, и тем, что этап воспламенения дополнительно предусматривает инициирование воспламенения реакцией запуска цепи Н₂О₂ +М=ОН+ОН+М и реакциями разветвления цепи, связанными с непосредственным расщеплением топлива компонентами ОН, где М - это некоторый третий компонент в данной реакции запуска цепи.

5. Способ по п.1, дополнительно предусматривающий инициирование воспламенения сжатием, отличающийся тем, что накапливание указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания используют, чтобы контролировать этап воспламенения и сгорание топлива, причем снижению необходимого количества тепла и необходимой концентрации топлива по отношению к кислороду для воспламенения топлива способствует реакция H₂O₂+М=ОН+ОН+М, где М - это некоторый третий компонент в данной реакции.

6. Способ по п.1, дополнительно предусматривающий инициирование воспламенения устройством задания временного режима воспламенения, отличающийся тем, что накапливание указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания используются, чтобы контролировать этап воспламенения и сгорание топлива, причем снижению необходимого количества тепла и необходимой концентрации топлива по отношению к кислороду для воспламенения топлива способствует реакция Н₂О₂+М=ОН+ОН+М, где М - это некоторый третий компонент в данной реакции.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для воспламенения топливо вводят непосредственно в основную камеру сгорания после начала этапа основного сжатия двигателя.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами предусматривает также управление производством указанных различных компонентов воспламенения свободными радикалами посредством различных газов, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере с использованием средств, которые изменяют, по меньшей мере, один из следующих параметров:

химический состав газов во вспомогательных камерах;

химические взаимодействия газов во вспомогательных камерах;

скорости химических взаимодействий газов во вспомогательных камерах;

температуру газов во вспомогательных камерах;

давление газов во вспомогательных камерах и

объемы вспомогательных камер.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами предусматривает также дополнение компонентов со свободными радикалами, накопленных из указанной части и из произведенных в основной камере, предварительно заданной частью рециркулированных выхлопных газов, с использованием средств, которые способны контролировать, по меньшей мере, один из следующих параметров:

химический состав указанной предварительно заданной части рециркулированных выхлопных газов;

химические взаимодействия в указанной части рециркулированных выхлопных газов;

скорость химических взаимодействий в указанной части рециркулированных выхлопных газов;

температуру указанной части рециркулированных выхлопных газов и

давление в указанной части рециркулированных выхлопных газов.

10. Способ по п.3, отличающийся тем, что управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами предусматривает также управление количеством указанных различных компонентов воспламенения свободными радикалами, передаваемых в указанную основную камеру сгорания с использованием средств, которые способны контролировать, по меньшей мере, один из следующих параметров:

давление входных газов в коллекторе на входе в двигатель;

давление выхлопных газов в коллекторе на выходе из двигателя;

долю выхлопных газов, направляемую на рециркуляцию;

закономерности перемещения впускных клапанов;

закономерности перемещения выпускных клапанов;

поперечное сечение впускных каналов;

поперечное сечение выпускных каналов;

конфигурацию потоков входных газов;

давление в двигателе и

степень сжатия в двигателе.

11. Способ химического контроля за сгоранием топлива в двигателе с помощью предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами, предусматривающий:

предоставление, по меньшей мере, одной вспомогательной камеры, связанной, по меньшей мере, одним каналом с основной камерой сгорания переменного объема;

направление предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами, произведенных в двигателе, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, в одном предыдущем цикле, в основную камеру сгорания переменного объема, в которой передаваемые компоненты смешиваются с новым воздушным зарядом до завершения этапа основного сжатия;

удержание на протяжении этапа основного сжатия второй порции воздуха из основной камеры сгорания переменного объема и топлива, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере;

использование предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами в основной камере сгорания переменного объема в качестве реагента, который, во-первых, инициирует взаимодействия, предшествующие воспламенению топлива, используя химические механизмы, работающие до воспламенения и включающие расщепление топлива свободными радикалами, а затем запускает химические механизмы воспламенения, которые обеспечивают этап воспламенения, когда топливо расщепляется посредством ОН;

использование пиковых давлений, создаваемых на этапе воспламенения и во время сгорания топлива, для отвода ОН и энергии из основной камеры сгорания переменного объема, по меньшей мере, в одну вспомогательную камеру; и

использование ОН и энергии, отведенных из основной камеры сгорания переменного объема, и тех компонентов воспламенения свободными радикалами, которые остались во вспомогательных камерах, для запуска механизма расщепления топлива в результате взаимодействия ОН с компонентами со свободными радикалами или нескольких таких механизмов, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере с целью создания дополнительных компонентов воспламенения свободными радикалами.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что производство указанных различных компонентов воспламенения свободными радикалами, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере регулируют с помощью, по меньшей мере, одного устройства регулирования производства компонентов воспламенения свободными радикалами во вспомогательной камере, причем, по меньшей мере, одно устройство регулирования производства компонентов воспламенения свободными радикалами во вспомогательной камере способно выполнять, по меньшей мере, одну из следующих управляющих функций:

управление концентрацией топлива по отношению к кислороду, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере, концентрацией указанных компонентов со свободными радикалами и концентрацией радикалов ОН;

управление концентраций кислорода, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере относительно концентрации топлива, концентрации указанных компонентов со свободными радикалами и концентрации радикалов ОН;

управление концентраций других химических компонентов, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере относительно концентрации топлива концентрации кислорода, концентрации указанных компонентов со свободными радикалами и концентрации радикалов ОН;

контроль температур, поддерживаемых, по меньшей мере, в одной вспомогательной камере;

регулирование рабочего объема, по меньшей мере, одной вспомогательной камеры и

управление, по меньшей мере, одним устройством из перечная устройств, который включает: поверхностно-каталитическое устройство, поверхностно-каталитическое устройство с переменной площадью каталитической поверхности, устройство реструктурирования топлива, устройство введения химических присадок, устройство возбуждения плазмы, устройство ультрафиолетового излучения, микроволновое устройство и устройство изменения давления.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанное предварительно заданное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, по крайней мере, частично создают с помощью, по меньшей мере, одного средства регулирования, которое способно выполнять, по меньшей мере, одну из следующих функций:

управление восстановлением указанных компонентов воспламенения свободными радикалами из части рециркулированных выхлопных газов, причем, по меньшей мере, один способ управления восстановлением компонентов воспламенения свободными радикалами из рециркулированных выхлопных газов предусматривает:

регулирование величины указанной части рециркулированных выхлопных газов;

стабилизацию массовой доли указанных компонентов воспламенения свободными радикалами в указанной части рециркулированных выхлопных газов;

регулирование количества указанных компонентов воспламенения свободными радикалами в указанной части рециркулированных выхлопных газов и

добавление химических компонентов к указанным компонентам воспламенения свободными радикалами в указанной части рециркулированных выхлопных газов;

использование нового воздушного заряда, поступающего в двигатель на этапе впуска вместе с частью указанных компонентов воспламенения свободными радикалами, восстановленных в указанной части рециркулированных выхлопных газов, в целях усилить указанные компоненты воспламенения свободными радикалами, поступающими в двигатель на этапе впуска, и управление передачей в основную камеру сгорания переменного объема, по меньшей мере, некоторой части компонентов воспламенения свободными радикалами, произведенных ранее.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что топливо подают непосредственно в основную камеру сгорания переменного объема после начала этапа основного сжатия.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что топливо подают в основную камеру сгорания переменного объема до начала этапа основного сжатия.

16. Устройство, усовершенствующее двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, который содержит, по меньшей мере, одну камеру сгорания переменного объема, задаваемого рабочим органом, который движется в пространстве, ограниченном снаружи корпусом цилиндра, причем конструкция цилиндра позволяет периодически подавать в него топливо и воздушный заряд и выполнять цикл сгорания, включающий этапы впуска, основного сжатия, сгорания, расширения с рабочим ходом и выпуска, причем указанное устройство включает:

по меньшей мере, одну мини-камеру, расположенную у корпуса цилиндра рядом, по меньшей мере, с одной камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанной, по меньшей мере, одной мини-камеры позволяет использовать ее как исходную базу для производства ряда компонентов воспламенения свободными радикалами;

по меньшей мере, один соединительный канал, соединяющий, по меньшей мере, одну мини-камеру, по меньшей мере, с одной связанной с ней камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанного, по меньшей мере, одного соединительного канала допускает также приток и отток компонентов со свободными радикалами, воздуха, топлива и продуктов химических реакций в указанную, по меньшей мере, одну мини-камеру и из нее на различных этапах цикла сгорания; и

по меньшей мере, один контроллер, связанный, по меньшей мере, с одной мини-камерой, который позволяет регулировать количество различных компонентов воспламенения свободными радикалами, передаваемых, по меньшей мере, в одну камеру сгорания переменного объема, с учетом нагрузки и скорости, которые должен поддерживать указанный двигатель.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контроллер связан, по меньшей мере, с одной мини-камерой и включает, по меньшей мере, одно из следующих устройств:

устройство для распределения управляющей жидкости, по меньшей мере, в одну мини-камеру, которое позволяет регулировать в ней концентрацию топлива,

устройство для распределения управляющей жидкости, по меньшей мере, в одну мини-камеру, которое позволяет регулировать в указанной мини-камере концентрацию кислорода,

устройство для изменения объема указанной, по меньшей мере, одной мини-камеры, которое позволяет регулировать ее объем,

устройство для изменения температуры, по меньшей мере, в одной мини-камере, которое позволяет регулировать в ней температуру,

устройство для изменения давления, по меньшей мере, в одной мини-камере, которое позволяет регулировать в ней давление,

управляемую каталитическую поверхность,

каталитическую поверхность с управляемой площадью поверхности,

управляемое устройство реструктурирования топлива,

управляемое устройство возбуждения плазмы,

управляемое устройство ультрафиолетового излучения,

управляемое микроволновое устройство,

управляемое устройство введения химических присадок,

устройство для изменения потока, по меньшей мере, в одной мини-камере,

устройство для изменения геометрии, по меньшей мере, одной мини-камеры, которое позволяет регулировать ее геометрию,

устройство для изменения геометрии, по меньшей мере, одного соединительного канала, по меньшей мере, одной мини-камеры, которое позволяет регулировать указанную геометрию указанного, по меньшей мере, одного соединительного канала, и

устройство для регулирования количества топлива, поступающего, по меньшей мере, в одну мини-камеру, по меньшей мере, через один канал.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одним контроллером управляют посредством коммуникативного устройства, работающего с данными, которые соотносятся с работой двигателя внутреннего сгорания при изменяющихся нагрузке и скорости.

19. Устройство по п.16, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контроллер включает, по меньшей мере, одно из следующих устройств:

регулятор для управления количеством компонентов со свободными радикалами, переносимых с рециркулированной частью выхлопных газов в цикл сгорания, который способен выполнять, по меньшей мере, одну из следующих функций;

регулирование величины указанной рециркулированной части выхлопных газов, переходящей, по меньшей мере, в одну камеру сгорания переменного объема в целях управления указанным переносимым количеством,

регулирование процентной доли указанных компонентов со свободными радикалами, переносимых с указанной рециркулированной частью, за счет стабилизации указанной процентной доли относительно указанного переносимого количества,

регулирование величины указанных компонентов со свободными радикалами, переносимых с указанной рециркулированной частью, осуществляемое посредством управления параметрами, которые могут снизить долю указанного переносимого количества,

регулирование величины указанных компонентов со свободными радикалами, переносимых с указанной рециркулированной частью, осуществляемое посредством управления параметрами, которые воздействуют, по меньшей мере, на один химико-кинетический механизм, создаваемый компонентами со свободными радикалами, в целях производства части указанного переносимого количества, и

регулирование величины указанных компонентов со свободными радикалами, переносимых с указанной рециркулированной частью, которые были смешаны, по меньшей мере, с частью указанного подаваемого воздушного заряда, осуществляемое посредством управления параметрами, которые воздействуют, по меньшей мере, на один химико-кинетический механизм, создаваемый компонентами со свободными радикалами, в целях производства меры указанного переносимого количества, и

устройство управления переносом указанных компонентов воспламенения свободными радикалами из цикла сгорания, предшествующего указанному, по меньшей мере, в одну камеру сгорания переменного объема для использования в цикле сгорания, отличающееся тем, что указанное устройство управления способно управлять, по меньшей мере, одним из следующих процессов:

работой клапанов,

работой дополнительных клапанов,

работой впускных каналов,

работой выпускных каналов,

действиями, от которых зависит давление во впускных коллекторах,

действиями, от которых зависит давление в выпускных коллекторах,

действиями, от которых зависит температура во впускных коллекторах,

действиями, от которых зависит степень сжатия двигателя,

действиями, от которых зависит конфигурация потоков входных газов, и

действиями, от которых зависит скорость потоков входных газов.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контроллер управляется коммуникативным устройством, работающим с данными, которые соотносятся с работой двигателя внутреннего сгорания при изменяющихся нагрузке и скорости.

21. Устройство по п.16, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является роторным двигателем.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна мини-камера расположена так, чтобы большая часть произведенных в ней компонентов со свободными радикалами могла быть перенесена в другую камеру сгорания переменного объема более позднего цикла, непосредственно следующего за указанным циклом сгорания, причем, по меньшей мере, одна камера сгорания переменного объема, где происходит указанный цикл сгорания, не совпадает с указанной другой камерой сгорания переменного объема более позднего цикла сгорания, который непосредственно следует за указанным.

23. Устройство по п.16, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двухтактным поршневым двигателем.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что используют, по меньшей мере, один контроллер для регулирования давлений наддува указанного периодически подаваемого воздушного заряда, который регулирует сохранение газов, остающихся от сгорания в более раннем цикле сгорания, непосредственно предшествующем указанному циклу сгорания.

25. Устройство по п.16, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является четырехтактным поршневым двигателем.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контроллер регулирует закономерность перемещения, по меньшей мере, одного клапана, относящегося, по меньшей мере, к одной камере сгорания переменного объема так, что это позволяет изменять параметры переноса компонентов воспламенения свободными радикалами из, по меньшей мере, одной мини-камеры указанной камеры сгорания.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что используют, по меньшей мере, один контроллер для регулирования количества компонентов воспламенения свободными радикалами, рециркулируемых в выхлопных газах.

28. Устройство по п.25, отличающееся тем, что используют, по меньшей мере, один контроллер для регулирования количества компонентов воспламенения свободными радикалами, рециркулируемых в проходящих рециркуляцию выхлопных газах, с целью упрощения регулируемого производства большего количества компонентов воспламенения свободными радикалами для цикла сгорания.

29. Устройство по п.16, отличающееся тем, что имеется, по меньшей мере, одно устройство подачи, конструкция которого позволяет непосредственно впрыскивать, по меньшей мере, некоторую часть топлива, по меньшей мере, в одну основную камеру сгорания переменного объема.

30. Устройство по п.16, отличающееся тем, что имеется, по меньшей мере, одно устройство подачи, конструкция которого позволяет подавать, по меньшей мере, некоторые части предварительно смешанного топлива и воздушного заряда, по меньшей мере, в одну основную камеру сгорания переменного объема.

31. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами и с непосредственным впрыском топлива.

32. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами с предварительно приготовленным воздушно-топливным зарядом.

33. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить компрессионное воспламенение, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

34. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить искровое зажигание, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

35. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами и с непосредственным впрыском топлива.

36. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами с предварительно приготовленным воздушно-топливным зарядом.

37. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить компрессионное воспламенение, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

38. Устройство по п.23, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить искровое зажигание, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

39. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами и с непосредственным впрыском топлива.

40. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания является двигателем с полным инициированием однородного сгорания свободными радикалами с предварительно приготовленным воздушно-топливным зарядом.

41. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить компрессионное воспламенение, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

42. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный двигатель внутреннего сгорания использует указанное количество компонентов воспламенения свободными радикалами, чтобы усилить искровое зажигание, по меньшей мере, в одной основной камере сгорания переменного объема.

Описание изобретения к патенту

Соотнесенные заявки

[0001] По настоящей заявке испрошен приоритет предварительной заявки США под серийным № 60/789,933, зарегистрированной 7 апреля 2006 г., предварительной заявки США под серийным № 60/865,709, поданной 14 ноября, 2006, предварительной заявки США под серийным № 60/885,279, поданной 17 января 2007 г., и предварительной заявки США под серийным номером 60/892,332, поданной 1 марта 2007 г., причем содержание всех этих заявок полностью включено в настоящий документ посредством ссылок.

Область техники

[0002] Реализации изобретения относятся в целом к обычным терможидкостным химико-кинетическим процессам, используемым для улучшения регулируемого инициирования и усиления сгорания водородного, спиртового, углеводородного топлива и топливных смесей типа топливо/вода в двигателях за счет воспламенения компонентов с определенными видами радикалов.

Уровень техники

[0003] Двигатель внутреннего сгорания (ВС) служит основным источником движущей силы уже почти восемь десятилетий. И в то время, как значительные усилия сейчас направляются на разработку двигателей новых типов (электрических, на топливных элементах, гибридных и других), еще больше усилий прикладывается к постоянному совершенствованию циклических (поршневых и роторных) двигателей ВС. Более новой тенденцией в этом процессе являются попытки сочетать «конструирование топлива» и «конструирование двигателей» с целью достижения их оптимального соответствия. Большая часть этой работы до сих пор сосредоточивается на совершенствовании процессов искрового зажигания (ИЗ) и компрессионного воспламенения (КВ), инициирующих начало сгорания (НС). Однако, несмотря на большое количество достижений в этой области, неудобства и ограничения остаются не только в традиционных исполнениях этих процессов, но и в их более новых модификациях. Причины этих проблем кроются в механизме сгорания, осуществляемом в этих процессах.

[0004] При сгорании, осуществляемом за счет распространения пламени от процесса ИЗ, когда однородная смесь топлива и воздуха достаточно богата для поддержания пламени и воспламеняется искрой в некоторой точке, создается очаг горения, который распространяется от центра воспламенения в виде фронта горения. Однако этот фронт распространяется по основной камере со своей естественной скоростью и, таким образом, не поддается какому-либо дальнейшему эффективному регулированию. Кроме того, в пределах этой зоны (фронта) химической активности не поддаются регулированию также удельное тепловыделение и время существования реагирующих компонентов. Из-за быстрого расширения внутри этой перемещающейся зоны горения (что обусловлено экзотермическим характером процесса) наблюдается тенденция к преждевременному вытеснению реагирующих частиц (из перемещающегося фронта). При этом сгорание замедляется, становится неполным и сопровождается нежелательными выбросами.

[0005] При обычном КВ с непосредственным впрыском (НВ) топливо подают со значительной скоростью. При попадании внутрь камеры сгорания топливо распыляется в виде мелких сферических частиц, количественная плотность которых достаточно высока, чтобы образовывать достаточно плотные облака из капель топлива, которые могут быть заключены в оболочку образующегося пламени. Далее их фронты распространяются в пределах заряда сжатого воздуха действием силы, осуществившей впрыскивание. При этом кислород внутри оболочек пламени и топливо по фронтам горения полностью расходуются. Максимальная температура топлива достигается по фронтам пламени, что способствует стабилизации процесса сгорания. Однако это приводит также к образованию максимального количества оксидов азота. Кроме того, при поступлении топлива в высокотемпературные зоны в отсутствие кислорода оно подвергается пиролизу, выделяя сажу. И так же, как и в случае обычного ИЗ, сгорание в этом традиционном процессе после НС не поддается какому-либо дальнейшему эффективному регулированию. Известные усовершенствования этого процесса в целом ограничивались повышением эффективности смешивания воздуха и топлива.

[0006] Как при обычном ИЗ, так и при обычном КВ с НВ процесс воспламенения инициируется относительно высокотемпературными химико-кинетическими механизмами. В связи с использованием определенного топлива начальные реакции, запускающие цепь этих механизмов, представляют собой прямое окисление или же диссоциацию топлива. Диссоциация топлива может быть вызвана либо собственно высокими температурами (термическая диссоциация), либо реакциями других веществ на высокие температуры или связанными с высокими температурами. Таким образом, оба эти процесса в их общеизвестном виде нуждаются в относительно больших количествах тепла для начала горения (по сравнению с некоторыми новыми разработками). Кроме того, для поддержания горения, инициированного этими процессами, обычно требуются сравнительно высокие концентрации топлива по отношению к кислороду (по сравнению с некоторыми новыми модификациями процесса воспламенения).

[0007] В отличие от обычного ИЗ и обычного КВ, процессы однородного сгорания позволяют снизить необходимое для воспламенения количество тепла, а также концентрацию топлива по отношению к кислороду, необходимую для устойчивого сгорания. Процесс однородного сгорания предполагает, что в момент воспламенения в основной камере сгорания происходит одновременное обволакивание большей части воздушно-топливного заряда. Процесс сгорания инициируется по всему объему смеси (то есть происходит многоточечное воспламенение) и продолжается без образования видимых перемещающихся фронтов пламени. Таким образом, двигатели, работающие по принципу однородного сгорания в целом по своим характеристикам похожи на химические реакторы с мешалкой, использующие компрессионное воспламенение. При однородном сгорании химическая кинетика реакций в топливно-воздушной смеси в основном определяется концентрациями компонентов, их температурой или сочетанием этих факторов. Ниже в этом документе химическое инициирование однородного сгорания за счет изменения концентрации компонентов называется «воспламенение свободными радикалами» (ВСР), а за счет изменения температуры - «термическое воспламенение» (ТВ). ТВ является модификацией КВ.

[0008] Одно из первых описаний однородного сгорания, инициируемого ВСР, содержится в патентах США № № 3092088; 3230933; 3283751 и 3802827, автор Гуссак (Goossak). В четырехтактном поршневом двигателе ВС LAG Гуссака вслед за искровым зажиганием богатой смеси в небольшой форкамере начинается горение бедной смеси в гораздо большей по размеру основной камере. Для соединения этих двух камер в двигателе Гуссака с низкотемпературным воспламенением предусмотрен небольшой канал. Этот канал сбивает и гасит горение в газах, которые выходят из форкамеры, что препятствует прохождению пламени. В основную камеру сгорания проникает лишь поток массы, не горящий и состоящий из продуктов неполного сгорания. При определенных условиях сгорание может происходить одновременно почти по всему воздушно-топливному заряду в основной камере сгорания, беря начало во множестве очагов, создаваемых турбулентными следами потока массы из форкамеры. В таких условиях многоточечному воспламенению способствует практически квазиоднородное распределение этих очагов.

[0009] Раннее зажигание и быстрое сгорание в основной камере двигателя LAG были возможны благодаря сочетанию высокой химической активности, создаваемой такими промежуточными компонентами и радикалами, как СН₃, H₂O₂, СН₂О, С₂, CH и Н (образующимися при неполном сгорании богатой смеси в форкамере), и высокой интенсивности турбулентности (создаваемой потоком массы). При том, что не все компоненты, способствующие однородному сгоранию расслоенного заряда в двигателе LAG, являются радикалами, начиная с работ Гуссака, под ВСР понимают самовоспламенение, вызываемое в первую очередь за счет присутствия высокоактивных промежуточных компонентов и/или радикалов (под общим названием «компоненты ВСР»). К сожалению, из-за зависимости двигателя LAG от гидроаэродинамического распределения очагов, складывающегося в пределах того же цикла, эффективная работа такого двигателя может быть достигнута только в течение ограниченного периода всего режима работы.

[0010] Блейзер и др. (Blaser, et al.) предложили иной подход к ВСР. Последующая работа в этом направлении помогла сконструировать несколько практичных четырехтактных поршневых двигателей ВС (патенты США № № 4898135; 5862788 и 6178942). Этот подход позволяет в одном цикле генерировать компоненты ВСР для следующего цикла, что снимает ограничения двигателя LAG, связанные с распределением очагов. Недавно была предложена так называемая «Система сгорания Сонекс» (ССС), в которой с помощью микрокамеры с поршнем воспроизводятся те самые доминантные воздействия, которые создаются при низкотемпературном воспламенении в двигателе LAG, а именно компоненты ВСР и интенсивная турбулентность. К сожалению, эта технология не лишена недостатков. Один из них заключается в том, что оптимизация в аспекте одновременного улучшения эффективности и сокращения выбросов может быть достигнута только по всему режиму работы в среднем. Поскольку эта оптимизация ориентирована на весь режим работы двигателя, данная поршневая технология порождает слишком много радикалов при высоких нагрузках и слишком мало - при низких нагрузках. В целях компенсации приходится дополнительно регулировать временной режим впрыска топлива, чтобы добиться желаемых моментов НС. Как следствие, при высоких нагрузках топливо приходится впрыскивать слишком поздно для того, чтобы можно было достичь его должного перемешивания, что ухудшает однородность сгорания и увеличивает производство СО и других загрязняющих среду примесей. Таким образом, данная технология не позволяет в полной мере пользоваться преимуществами ВСР в любой момент режима работы двигателя. А в некоторые моменты она фактически ухудшает характеристики двигателя.

[0011] Один из первых примеров ТВ описан авторами Ногучи и др. (Noguchi, et al.) в патенте США № 4317432. Этот патент посвящен процессу низкотемпературного сгорания с самовоспламенением в двухтактном поршневом бензиновом двигателе ВС, названному сгоранием «Тойота-Сокен» (ТС). В этом варианте ТВ конструкция канала впуска-выпуска позволяет совместить во времени выход отработанных газов и поступление нового заряда. Благодаря этому тепло (а также некоторое количество химически активных продуктов) передаются впускаемому холодному заряду. Некоторые характеристики сгорания ТС напоминают характеристики известных ранее двигателей LAG и ССС. Разработанный примерно в то же время двигатель АТАС (с активным термоатмосферным сгоранием) основывался, по существу, на тех же явлениях ТВ, что и ТС (САЕ Документ № 790501 [Onishi, et al.]). Хотя в усовершенствованиях этого двигателя Ишибаши и Асаи (Ishibashi и Asai) предлагают использовать свободные радикалы (САЕ Документ № 980757 и патент США № 5697332), по сравнению с двигателями LAG и ССС роль радикалов в двигателях ТС и АТАС была минимальна. Кроме того, в отличие от двигателя ССС, в этих двигателях не происходит передачи компонентов ВСР из одного цикла в следующий. Таким образом, на сегодняшний день двигатели ТС и АТАС будут отнесены к разряду двигателей с компрессионным воспламенением однородного заряда (КВОЗ). КВОЗ представляет собой модификацию ТВ, а следовательно, и КВ.

[0012] Найт и Фостер (Najt and Foster; CAE Документ № 830264) расширили сферу применения тепловой энергии выхлопных газов, используя ее для ТВ при однородном сгорании в четырехтактных поршневых двигателях ВС. Их работа и более поздние расчеты рециркуляции выхлопных газов (CAE Документ № 2001-28-0048 [Blank, et. al.]; включается в данный документ посредством ссылки) подтверждают, что ТВ инициирует однородное сгорание за счет нагрева заряда и снижения концентрации кислорода. Вместе с тем основные компоненты ВСР, способствующие самовоспламенению в двигателях LAG и ССС, не упомянуты как составляющие выхлопных газов при ТВ в этих более поздних расчетах рециркуляции выхлопных газов. Таким образом, компоненты ВСР не используются в четырехтактном варианте КВОЗ. Технология КВОЗ известна также под другими названиями, в том числе компрессионное воспламенение предварительно приготовленного заряда КВППЗ и однородный заряд, воспламеняемый сжатием ОЗВС.

[0013] Значительно больше исследований впоследствии ставило цель расширить сферу применения ТВ, сделав ее применимой как для двухтактных, так и для четырехтактных поршневых двигателей ВС. Однако при эксплуатации двигателей с КВППЗ при определенных условиях возникают не решенные до сих пор проблемы. Сгорание в двигателе КВОЗ начинается самовоспламенением, которое вызывается началом цепной реакции в «низкотемпературной» смеси топливо-O₂ под воздействием сжатия. Поскольку топливно-воздушная смесь образуется намного раньше достижения верхней мертвой точки (ВМТ), воспламенение может происходить в различные моменты во время сжатия. Так, при увеличении нагрузки двигателя наблюдается тенденция к более раннему моменту воспламенения и к более высокой скорости сгорания. При этом из-за раннего, до ВМТ, выделения тепла тепловой коэффициент полезного действия может снижаться, а из-за более быстрого и раннего сгорания двигатель может работать с перебоями. Напротив, когда нагрузка уменьшается, момент воспламенения задерживается. Это может, в конечном счете, приводить к пропускам зажигания, а также к увеличению выбросов. Далее, при работе двигателя на высоких скоростях времени для начальных низкотемпературных реакций в разбавленной смеси остается меньше, и момент основного выделения тепла задерживается. В этом случае, если времени становится недостаточно, также может произойти пропуск зажигания.

[0014] Эти проблемы процессов КВППЗ могут рассматриваться и с точки зрения степени сжатия (СС). Для определенного набора начальных условий с определенным топливом существует некоторая СС, при которой будет происходить самовоспламенение (путем КВ). Если эта СС (называемая далее «эффективная СС заряда») равна механической степени сжатия двигателя, сгорание будет происходить в «нужное» время, т.е., в типичном случае, сгорание будет инициироваться, когда поршень будет находиться в ВМТ, а максимум давления в цилиндре будет достигнут, когда угол положения шатуна будет в пределах 10 градусов. Однако, если эффективная СС заряда (СС самовоспламенения) ниже механической СС двигателя, сгорание начнется до того, как поршень достигнет ВМТ, и двигатель будет стучать, что неприемлемо. Если СС самовоспламенения выше механической СС двигателя, будут происходить пропуски зажигания, и двигатель не будет работать. Таким образом, основное ограничение технологии ТВ связано с отсутствием приемлемых средств регулировки инициирования КВОЗ с предварительным приготовлением смеси и KBPЗ (КВ расслоенного заряда) (вместе составляющих технологии КВППЗ) для возможного набора условий (включая цетановое или октановое число топлива, температуру окружающей среды, нагрузку, скорости работы и др.), при которых эксплуатируются двигатели.

[0015] Проводилось также много исследований, направленных на расширение сферы применения процессов ВСР. Опираясь в значительной степени на термохимические особенности двигателей LAG, Оппенгейм и др. (Oppenheim, et al.) разработали систему воспламенения для сгорания, инициируемого импульсными струями (СИИС), а затем вторую систему, названную системой впрыска и сгорания, инициируемого шлейфами струй (ВСИШС) (патенты США № № 4924828; 4926818; 4974571 и 5271365 и публикации в САЕ Документ № 2000-01-0194, № 2000-01-0199). Однако в их системе ВСИШС эффективность регулирования сгорания зависит от состава реагентов и их гидромеханических характеристик, а потому имеет те же ограничения, что и в двигателе LAG.

[0016] Развитие принципов LAG с применением свойств катализа получило воплощение в известной технологии под названием Смартплаг (Smartplug) (патенты США № № 4977873; 5109817; 5297518 и 5421299). Свеча Смартплаг позволяет добиться того же эффекта, что и воспламеняемая искрой форкамера с богатой смесью, но при этом не встает проблема подачи топлива в форкамеру. Однако вместо переноса продуктов неполного сгорания с потоком массы здесь происходит в основном перенос по образцу процесса ТВ, то есть с потоком пламени. Таким образом, использование Смартплаг не относится к процессам ВСР, и его преимущества ограничиваются в первую очередь технологиями с предварительно приготовленным зарядом, отличающимися низким тепловым коэффициентом полезного действия.

[0017] Две недавних попытки произвести продукты неполного сгорания вне цилиндра двигателя и использовать их непосредственно для улучшения регулирования сгорания в цилиндре зафиксированы в патентах США № № 6092512 и 6345610. Хотя обе эти попытки дали возможность пользоваться определенными дозированными количествами продуктов неполного сгорания при условиях работы, типичных для данного двигателя, первая из них основывается на варьировании характеристик выхлопных газов, а вторая представляет собой не более чем идею двигателя LAG, перенесенную во впускной коллектор. Эти подходы неэффективны при высоких скоростях и нагрузках. Таким образом, ни в одном, ни в другом случае не достигается необходимое регулирование, которое бы обеспечивало инициирование и протекание однородного сгорания для всего режима работы двигателя. После этого было предложено комбинированное двухрежимное решение, при котором технология LAG используется только при небольших нагрузках (см. патент США № 6595181). Из этого краткого обзора становится очевидно следующее. В целом, только технологии ВСР и ТВ (среди технологий КВ) способны создавать однородное сгорание в двигателях ВС. Однако известные работоспособные решения в области ТВ ограничиваются процессами с предварительно приготовленной топливной смесью (то есть низкоэффективными) и работают только в течение ограниченных периодов режима работы двигателя. Двигатели ВС с НВ топлива, хотя и обладают более высоким потенциалом эффективности и не имеют ограничений по режиму работы, к сожалению, не способны поддерживать однородное сгорание. Среди обычных двигателей с ВСР единственным двигателем с НВ топлива, способным единообразно поддерживать однородное сгорание по всему режиму работы, является двигатель ССС. Однако регулирование сгорания в этом случае имеет слишком сильные ограничения, и в некоторые периоды режима работы характеристики сгорания фактически ухудшаются.

Сущность изобретения

[0018] Одна из реализаций относится в целом к способу управления снижением необходимого количества тепла и необходимой концентрации топлива по отношению к кислороду для воспламенения топлива внутри основной камеры сгорания в двигателе. Способ предусматривает создание ряда компонентов воспламенения свободными радикалами по меньшей мере в одном предварительном цикле сгорания во вспомогательной камере, соединенной с основной камерой сгорания в двигателе, причем указанные компоненты воспламенения свободными радикалами создаются по меньшей мере одним химико-кинетическим механизмом взаимодействия ОН с компонентами воспламенения свободными радикалами. Способ предусматривает также направление части созданных компонентов со свободными радикалами в основную камеру сгорания. Дополнительно способ предусматривает управление накапливанием указанной части компонентов со свободными радикалами и произведенных в основной камере сгорания компонентов со свободными радикалами, имеющее целью контролировать этап воспламенения топлива в основной камере сгорания.

[0019] Еще одна реализация относится в целом к процессу химического контроля за сгоранием топлива в двигателе с помощью предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами. Процесс предусматривает наличие по меньшей мере одной вспомогательной камеры, связанной по меньшей мере одним каналом с основной камерой сгорания переменного объема, и направление предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами, произведенных в двигателе по меньшей мере частично по меньшей мере в одном предыдущем цикле, в основную камеру сгорания переменного объема, в которой передаваемые компоненты будут смешаны с новым воздушным зарядом до завершения этапа основного сжатия. Процесс предусматривает также удержание на протяжении этапа основного сжатия второй порции воздуха из основной камеры сгорания переменного объема и топлива по меньшей мере в одной вспомогательной камере и использование предварительно заданного количества различных компонентов воспламенения свободными радикалами в основной камере сгорания переменного объема в качестве реагента, который сначала инициирует взаимодействия, предшествующие воспламенению топлива, используя химические механизмы, работающие до воспламенения и включающие расщепление топлива свободными радикалами, а затем запускает химические механизмы воспламенения, которые обеспечивают этап воспламенения, когда топливо расщепляется посредством ОН. Дополнительно способ предусматривает использование пиковых давлений, создаваемых на этапе воспламенения и во время сгорания топлива, для отвода ОН и энергии из основной камеры сгорания переменного объема по меньшей мере в одну вспомогательную камеру. Кроме того, способ предусматривает использование ОН и энергии, отведенных из основной камеры сгорания переменного объема, и тех компонентов воспламенения свободными радикалами, которые остались во вспомогательных камерах, для запуска механизма расщепления топлива в результате взаимодействия ОН с компонентами со свободными радикалами или нескольких таких механизмов по меньшей мере в одной вспомогательной камере с целью создания дополнительных компонентов воспламенения свободными радикалами.

[0020] Еще одна реализация относится в целом к устройству в двигателе внутреннего сгорания, включающему цилиндр, причем указанный цилиндр далее включает по меньшей мере одну камеру сгорания переменного объема, задаваемого рабочим органом, который движется в пространстве, ограниченном снаружи корпусом цилиндра. Конструкция цилиндра позволяет периодически подавать в него топливо и воздушный заряд и выполнять цикл сгорания, включающий этапы впуска, основного сжатия, сгорания, расширения с рабочим ходом и выпуска. Устройство включает по меньшей мере одну мини-камеру, располагающуюся у корпуса цилиндра рядом по меньшей мере с одной камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанной по меньшей мере одной мини-камеры позволяет использовать ее как исходную базу для производства ряда компонентов воспламенения свободными радикалами. Устройство включает также по меньшей мере один соединительный канал, соединяющий по меньшей мере одну мини-камеру по меньшей мере с одной связанной с ней камерой сгорания переменного объема, причем конструкция указанного по меньшей мере одного соединительного канала допускает также приток и отток компонентов со свободными радикалами, воздуха, топлива и продуктов химических реакций в указанную по меньшей мере одну мини-камеру и из нее на различных этапах цикла сгорания. Кроме того, устройство включает по меньшей мере один контроллер, связанный по меньшей мере с одной мини-камерой, который позволяет регулировать количество различных компонентов воспламенения свободными радикалами, передаваемых по меньшей мере в одну камеру сгорания переменного объема, с учетом нагрузки и скорости, которые должен поддерживать двигатель.

Краткое описание чертежей

[0021] Различные особенности реализации изобретения могут быть лучше поняты при обращении к нижеследующему подробному описанию, сопровождаемому отсылками к прилагаемым чертежам.

[0022] На Фиг.1 представлен в общем виде терможидкостный химико-кинетический процесс ИОССР как процесс 100 ИОССР.

[0023] На Фиг.2А представлена общая принципиальная схема одного цилиндра двигателя 200 ИОССР, являющегося примером двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1.

[0024] На Фиг.2В схематически представлен пример электронной системы управления для обобщенной реализации двигателя ИОССР, показанной на Фиг.2А.

[0025] На Фиг.3 показан график, изображающий общие предельные характеристики воспламенения для водородного, спиртового и углеводородного топлива.

[0026] На Фиг.4А приведена принципиальная схема внутреннего устройства одного цилиндра двигателя 300 ИОССР, являющегося примером четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0027] На Фиг.4В изображены на виде сверху два цилиндра четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания, показанные на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс.

[0028] На Фиг.4С изображен в разрезе (А-А) блок мини-камеры, смонтированной в верхней части оболочки корпуса цилиндра, в реализации четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0029] На Фиг.4D изображен в виде сбоку ротор цилиндра в реализации четырехцилиндрового роторного двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.4А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0030] На Фиг.5А представлен схематический разрез (по линии сечения Е-Е) одного цилиндра двигателя 400 ИОССР, являющегося примером двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0031] На Фиг.5В представлена принципиальная схема внутреннего устройства верхней части (в радиальном разрезе головки, включая линию Е-Е) одного цилиндра в реализации двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.5А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0032] На Фиг.5С представлена принципиальная схема внутреннего устройства нижней части (в проекции сверху радиального разреза нижней части цилиндра по линиям сечения G-G и Н-Н, включая поршень, находящийся под этими линиями) одного цилиндра в реализации двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с цилиндрами, показанными на Фиг.5А, в которых осуществляется процесс ИОССР.

[0033] На Фиг.6А представлен схематический разрез (по линии сечения D-D) одного цилиндра двигателя 500 ИОССР, являющегося примером четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором осуществляется процесс 100 ИОССР, показанный на Фиг.1, и соответствующего конструкции двигателя 200 ИОССР.

[0034] На Фиг.6В схематически изображен осевой разрез (по линиям сечения J-J и K-K) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0035] На Фиг.6С представлена принципиальная схема внутреннего устройства верхней части (в радиальном разрезе головки цилиндра, включая линии D-D и J-J) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0036] На Фиг.6D представлена принципиальная схема внутреннего устройства нижней части (в радиальном разрезе нижней части, включая линию K-K) одного цилиндра четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, показанного на Фиг.6А, в котором осуществляется процесс ИОССР.

[0037] Фиг.7А представляет собой график, где представлено примерное соотношение между давлением и углом положения шатуна УШ (СА) для основной и вспомогательной камер четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с полным ИОССР и НВ при использовании C₂H₅OH в качестве топлива и СС, равной 17,5:1 (Р₁ - основная камера, P₂ - мини-камера).

[0038] Фиг.7 В представляет собой график, где представлено примерное соотношение между температурой и углом положения шатуна УШ для основной и вспомогательной камер четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания с полным ИОССР и НВ при использовании C₂H₅OH в качестве топлива и СС, равной 17,5:1 (T₁ - основная камера, Т₂ - мини-камера).

Подробное описание реализации

[0039] В целях более простого и наглядного изложения принципы настоящего изобретения поясняются, главным образом, на отдельных примерах его реализации. Однако для лиц, имеющих обычную квалификацию в данной области техники, будет очевидно, что эти же принципы в равной степени применимы ко всем типам двигателей внутреннего сгорания и могут быть в них воплощены, и что все связанные с этим модификации не выходят за рамки истинной сущности и объема настоящего изобретения. Кроме того, следующее ниже подробное описание снабжено ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют отдельные реализации изобретения. В эти реализации могут быть внесены изменения в части электрического, механического, логического или структурного исполнения, которые не будут выходить за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Поэтому следующее ниже подробное описание не следует понимать ограничительно и объем настоящего изобретения следует определять по пунктам формулы изобретения и их эквивалентам.

[0040] Одна из реализации относится в целом к процессу регулирования воспламенения. В частности, процесс регулирования воспламенением является терможидкостным химико-кинетическим процессом, имеющим целью обеспечить точную регулировку инициирования однородного сгорания и квазиоднородного сгорания с помощью компонентов ВСР в циклических двигателях ВС, использующих различные водородные, спиртовые и углеводородные топлива и смеси топливо/водяное топливо. Эта точность в процессе регулирования воспламенения достигается за счет использования компонентов ВСР, т.е. свободных радикалов и высокоактивных компонентов промежуточной природы, в качестве «доминирующего» фактора воспламенения и сгорания в циклических двигателях ВС. Способ осуществления самовоспламенения в таких условиях может быть охарактеризован как воспламенение свободными радикалами ВСР.

[0041] Другие реализации относятся к регулированию сгорания в циклических (поршневых и роторных) двигателях ВС таким способом, который позволяет приспособиться к любому моменту режима работы двигателя. Эти реализации могут быть выполнены в виде циклического двигателя ВС, модифицированного для использования процесса регулирования воспламенения. Помимо двигателей с одним методом воспламенения ВСР процесс регулирования воспламенения может быть также реализован для усиления ИЗ и КВ в разнообразных дополнительных циклических двигателях ВС. В этих двигателях ВС с усилением за счет ВСР компоненты ВСР используются для того, чтобы «способствовать» воспламенению и сгоранию (а не «доминировать» в нем) в модификациях обычных двигателей ВС, где в качестве основного используются эти традиционные процессы воспламенения. Во всех трех разновидностях способа воспламенения процесс регулирования воспламенения может позволить улучшить сгорание, добиваясь повышения эффективности и уменьшения выбросов.

[0042] При сравнении химико-кинетических механизмов, обеспечивающих НС через ВСР, с обычными механизмами, обеспечивающими НС при других способах воспламенения, удачным основанием для сравнения может послужить модификация КВ, известная как «термическое воспламенение» ТВ. НС при ТВ с предварительно приготовленной топливной смесью обычно происходит при «низких» температурах по сравнению с «высокими» температурами, типичными для КВ с НВ и ИЗ. При этом реакции запуска цепи механизмов ТВ при «низких» температурах чаще всего представляют собой реакции окисления топлива. Напротив, управляемый процесс ВСР происходит при еще «более низких» температурах, чем «низкие» температуры ТВ. Кроме того, реакции запуска цепи механизмов ВСР в первую очередь затрагивают такие компоненты ВСР, как H₂O₂ и HO₂, а не топливо и O₂. Далее, реакции запуска цепи механизмов ВСР при «более низких» температурах обычно протекают значительно быстрее, чем основанные на окислении топлива реакции запуска цепи механизмов ТВ при «низких» температурах.

[0043] Кроме того, реакции запуска цепи при взаимодействии топливо-О ₂, которые играют доминирующую роль в ТВ, находятся в сильной зависимости от соотношения воздух-топливо. Напротив, доминирующие при запуске цепи реакции ВСР, имеют совершенно иную природу и значительно меньше зависят от соотношения воздух-топливо. Вместо этого реакции запуска цепи, в которых доминирующую роль играет ВСР, в значительно большей степени зависят от насыщенности компонентами ВСР. Такое сравнение между процессами ТВ и ВСР при инициировании однородного сгорания свободными радикалами ИОССР относится как к случаю НВ топлива, так и к случаю предварительного приготовления топливной смеси. И благодаря тому, что указанная насыщенность оказывается регулируемой в предлагаемом процессе регулирования воспламенения, данное изобретение позволяет более полно использовать бесценный потенциал известных технических решений, связанных как с процессом ИЗ, так и с модификациями процесса КВ как для предварительного приготовления топливной смеси, так и для НВ топлива.

[0044] Реализации двигателей ВС, в которых осуществляется регулирование воспламенения, включают один или более цилиндров и приспособления, облегчающие циклическое повторение этапов основного сжатия, основного сгорания, расширения с рабочим ходом, выпуска и впуска, типичных для работы известных поршневых и роторных двигателей ВС. Особенностью этих двигателей является наличие неподвижных вспомогательных камер для образования компонентов ВСР, располагающихся в цилиндрах рядом с основными камерами сгорания. В двухтактных и четырехтактных поршневых двигателях эти вспомогательные камеры (называемые мини-камерами) могут быть расположены в головках цилиндров или рядом с ними, или же в гильзах цилиндров или рядом с ними, т.е. в близости от деталей, которые вместе с поршнями охватывают основные камеры сгорания (и тем самым задают их объем). В роторных двигателях сгорания эти мини-камеры обычно располагаются в функционально эквивалентных местах в оболочке корпуса цилиндра или рядом с ней, т.е. в близости от детали, которая вместе с ротором задает объем основных камер.

[0045] Эти мини-камеры МК соединены с основными камерами посредством каналов. Размеры каналов подбираются так, что потоки между камерами МК и основными камерами дросселируются при большинстве рабочих скоростей двигателей ВС в реализациях изобретения. Размеры канала подбираются также с тем, чтобы на этапе основного сгорания пламя в каналах подавлялось, не доходя до МК. Камеры МК и их каналы могут также располагаться в движущихся частях цилиндра (например, в поршне или роторе).

[0046] Конструкция этих реализаций предусматривает наличие управляющих устройств, которые контролируют как образование компонентов ВСР в МК, так и другие процессы, следующие после этого образования в МК. Эти управляющие устройства обеспечивают управление полным производством и/или полным переносом компонентов ВСР в основную камеру для их использования в следующем цикле. Управление полным производством и/или переносом компонентов ВСР зависит от количества таких компонентов, которое должно, в конечном счете, присутствовать в данной основной камере во время следующего цикла, чтобы способствовать протеканию этапа сгорания с использованием компонентов ВСР желаемым образом и в соответствии с условиями работы двигателя (комбинированная нагрузка, топливо, скорость и т.д.). Так, когда регулируется образование радикалов в отдельных неподвижных МК, это регулирование учитывает общее количество компонентов ВСР, производимых всеми МК, а также все предварительно рассчитываемое производство радикалов в основной камере вместе с дополнительным производством и весь предварительно рассчитываемый перенос радикалов, который произойдет до начала следующего этапа сгорания.

[0047] Внутри МК компоненты ВСР образуются естественным образом в особых реакциях расщепления топлива, инициируемых «компонентами ОН-ВСР». Большое количество ОН, которое необходимо для этих особых реакций расщепления топлива, образуется на этапе основного сгорания и переносится в камеры МК при переносе массы под воздействием максимального перепада давлений между основной и мини-камерами, который создается во время и непосредственно после воспламенения. Уровень полного производства компонентов ВСР в реакциях, инициируемых «компонентами ОН-ВСР», зависит большей частью от трех факторов. Первый фактор - это относительные концентрации различных видов радикалов в МК. Второй фактор - температура составляющих, вступающих в реакцию в МК. Третий фактор - полный объем МК. В рамках первого фактора наиболее значимыми являются соотношения топливо-ОН и топливо-компоненты ВСР. Этими соотношениями, в свою очередь, можно частично управлять, регулируя подачу управляющей жидкости в регулируемую МК. Второй фактор может частично управляться устройствами повышения управляемости процессов в МК, способными регулировать температуру на поверхности МК или/и внутри нее. Третий фактор может управляться устройствами, позволяющими регулировать объем МК. Возможны также другие подходы к повышению управляемости производства компонентов ВСР в МК.

[0048] В определенный момент цикла ИОССР часть вновь образовавшихся компонентов ВСР, находящихся в МК, обычно переходит в неактивное состояние «застывшего равновесия» или в крайне малоактивное состояние, близкое к «застывшему равновесию». Фрагмент этой части компонентов ВСР будет удерживаться в МК, пока не появится возможность использовать его для обогащения заряда, поступающего в основную камеру для обеспечения полного ИОССР или усиления воспламенения с помощью компонентов ВСР при ИЗ или КВ.

[0049] Независимо от степени управляемости процесса образования компонентов ВСР в МК последующее обогащение основной камеры компонентами ВСР опирается на дополнительные процессы, которые характеризуются предсказуемостью. Некоторые из этих дополнительных процессов могут быть также управляемыми. Вскоре после завершения этапа основного сгорания во время этапов расширения и выпуска в основной камере происходят два таких предсказуемых процесса. Во-первых, значительная часть компонентов ВСР, выпущенных из МК, остается на некоторое время в основной камере при расширении. В то же время в основной камере происходит второй процесс образования компонентов ВСР, сходный с предшествовавшим ему процессом образования компонентов ВСР в МК. Этот второй процесс происходит из-за смешивания ОН основной камеры (образовавшихся на этапе основного сгорания) с газами МК, выпущенными в основную камеру (во время расширения и продувки).

[0050] Большая часть компонентов ВСР, участвующих в этих двух процессах, утрачивается при выпуске. Однако между циклами могут быть запущены другие управляемые процессы, которые бы управляли сохранением этих компонентов ВСР и дальнейшим насыщением компонентами ВСР содержимого основной камеры. Одним из средств дальнейшего насыщения является дополнительное производство таких компонентов, которое частично управляется некоторой частью компонентов ВСР, произведенных ранее. Кроме того, на этапах выпуска и впуска может быть осуществлено управление переносом компонентов ВСР в основную камеру. Во всей этой последовательности процессов полного производства и переноса компонентов ВСР, которые начинаются в МК, все предсказуемые и регулируемые отрезки процесса регулирования воспламенения согласуются так, чтобы получить необходимое количество компонентов ВСР в основной камере.

[0051] Именно благодаря присутствию этих компонентов ВСР в следующем цикле в заряде основной камеры достигается управление воспламенением и сгоранием. В двигателях, где компоненты ВСР играют доминирующую роль, их присутствие является мощным фактором, позволяющим направить путь доминирующих реакций запуска цепи в сторону таких реакций, которые происходят при «более низких» температурах и значительно более высоких скоростях (чем это характерно для реакций запуска цепи при ИЗ и КВ с использованием того же топлива). Благодаря этому новому общему механизму воспламенения, инициируемому компонентами ВСР, становится возможным воспламенение обедненной смеси при меньшем нагреве. В тех же двигателях, где компоненты ВСР используются в качестве дополнительного усиливающего фактора, химические механизмы воспламенения и сгорания в общем случае представляют собой комбинацию механизмов, управляемых («доминируемых») этими компонентами ВСР, и механизмов более традиционных способов воспламенения.

[0052] Процесс регулирования воспламенения основан на управлении ходом производства и переноса компонентов ВСР, которые начинаются внутри МК в одном цикле и оказывают воздействие на воспламенение и сгорание в основной камере в другом цикле. Независимо от доминирующей или усиливающий роли, которую он играет, процесс регулирования воспламенения может уменьшать выбросы роторных и поршневых двигателей ВС, в которых он реализован, и при этом повышать тепловой коэффициент полезного действия таких двигателей и расширять диапазон допустимых топлив. Описанный эффект в таких двигателях ВС достигается как в случае предварительного приготовления топливной смеси, так и в случае впрыска топлива методом НВ. Однако главное преимущество данного процесса регулирования заключается в том, что становится возможным единый метод воспламенения ВСР с НВ в условиях однородности (ИОССР с НВ), приспосабливаемый к конкретным условиям работы циклического двигателя ВС.

[0053] На Фиг.1 представлена примерная схема последовательности этапов терможидкостного химико-кинетического процесса 100 ИОССР (далее обозначаемого «процесс 100 ИОССР»). Процесс 100 ИОССР является сложной последовательностью типовых событий, которые могут произойти при осуществлении внутреннего сгорания ВС.Фиг.2А-2В иллюстрируют пример двигателя 200 ВС с ИОССР (далее обозначаемого «двигатель 200 ИОССР»), в котором используется процесс 100 ИОССР, как это предусматривает другая реализация. Соответственно, пояснения к процессу 100 ИОССР даются с обращением к Фиг.2А-2В.

[0054] Изображение двигателя 200 ИОССР на Фиг.2А-2В служит примером, иллюстрирующим в абстрактной форме использование процесса 100 ИОССР, который применим к двигателям ВС во многих других исполнениях. Таким образом, двигатель 200 ИОССР представляет собой обобщенную реализацию двигателя ВС, имеющую общие элементы с другими возможными реализациями двигателей ВС, в которых используется процесс 100 ИОССР. Такие элементы и их соотношение с принципами действия двигателя 200 ИОССР описаны ниже.

[0055] В процессе 100 ИОССР используются свободные радикалы и высокоактивные компоненты промежуточной природы, которые далее называются компонентами воспламенения свободными радикалами ВСР. В дальнейшем подразумевается, что компоненты ВСР в случае водородного, спиртового и углеводородного топлива и смесей топливо/водяное топливо включают H₂ O₂ (пероксид водорода) и HO₂ (гидропероксидный радикал). Кроме того, когда молекулы таких топлив/топливных смесей включают хотя бы один атом углерода (как, например, в топливах на основе метана или метанола), считается, что компоненты ВСР могут также включать CHO₂ (формальдегид). Если же молекулы таких топлив/топливных смесей включают два или более атомов углерода (как, например, в топливах с этаном, этанолом и более крупными молекулами), подразумевается, что компоненты ВСР могут также включать СН₃НСО (ацетальдегид). Водородное, спиртовое, углеводородное топливо и смеси топливо/водяное топливо ниже обозначаются как «топливо». В конечном счете предполагается, что в зависимости от топлива компоненты ВСР могут также включать другие свободные радикалы и высокоактивные компоненты промежуточной природы.

[0056] В одной из реализаций под двигателем с полным ИОССР понимается такой двигатель, где в организации процесса ВС и сопровождающего его процесса 100 ИОССР доминируют компоненты ВСР. Под двигателем с усилением за счет компонентов воспламенения свободными радикалами («с усилением КВСР») понимается такой двигатель, где компоненты ВСР способствуют процессу ВС и сопровождающему его процессу 100 ИОССР, но не доминируют в них, что представляет собой другую реализацию изобретения. Ниже в этом документе предполагается, что этап основного сжатия начинается после завершения этапов выпуска и впуска; в некоторых иных реализациях процесса 100 ИОССР двигатель с полным ИОССР, где используется топливо, вводимое некоторыми средствами до начала этапа основного сжатия в процессе 100 ИОССР, называется «двигатель с процессом ИОССР с предварительно приготовленным зарядом» (или двигатель ИОССР-ППЗ); в других реализациях процесса 100 ИОССР двигатель с полным ИОССР, где используется непосредственный впрыск НВ топлива, который начинается через некоторое время после начала этапа основного сжатия в процессе 100 ИОССР, называется «двигатель ИОССР-НВ».

[0057] Подобным образом в некоторых реализациях процесса 100 ИОССР двигатель с усилением КВСР, где используется топливо, вводимое некоторыми средствами до начала этапа основного сжатия в процессе 100 ИОССР, называется «двигатель с усилением КВСР с предварительно приготовленной смесью», а в других реализациях процесса 100 ИОССР двигатель с усилением КВСР, где используется НВ топлива, который начинается через некоторое время после начала этапа основного сжатия в процессе 100 ИОССР, называется «двигатель с усилением КВСР с НВ». В зависимости от того, используется в качестве доминирующего способа воспламенения искровое зажигание ИЗ или компрессионное воспламенение КВ, каждый из этих вариантов подачи топлива при процессе 100 ИОССР с усилением КВСР (с предварительно приготовленной смесью и НВ) имеет соответствующие подварианты. Таким образом, существуют четыре типовых реализации процесса 100 ИОССР с усилением КВСР. Это КВППЗ с усилением КВСР, ИЗППЗ с усилением КВСР, КВ с НВ с усилением КВСР и ИЗ с НВ с усилением КВСР.

[0058] Цикл двигателя 200 ИОССР включает в себя этап впуска, этап основного сжатия, этап основного сгорания, этап расширения с рабочим ходом и этап выпуска. В зависимости от реализации двигателя 200 ИОССР некоторые из этих этапов могут протекать совместно.

[0059] Как показано на Фиг.1 событие 1-105: процесс 100 ИОССР начинается и оканчивается переносом компонентов ВСР из предыдущего цикла в текущий цикл. Они передаются в текущий цикл в пределах основной камеры 34 или нескольких основных камер и мини-камеры 32 МК или нескольких мини-камер МК, или же по некоторым из этих камер (Фиг.2А).

[0060] В начале нового цикла большая часть компонентов ВСР в основной камере 34 и в камерах 32 МК обычно находится в состоянии «застывшего равновесия» (или в близком к нему состоянии). При этом компоненты ВСР обычно остаются малоактивными при относительно низких температурах, характерных для начала нового цикла. При использовании ВСР компонент находится в состоянии застывшего равновесия, когда его химическая реакционная способность равна нулю. Полная интерпретация и свойства «застывшего равновесия» применительно к ВСР приведены в документе № 2004-01-1677, Бланк [Blank], который включен в данный документ посредством ссылки.

[0061] В течение этого времени выхлопные газы 68 выходят из основной камеры 34 через основной газоотвод 60, а входные газы 66 поступают в основную камеру 34 через основной газоподвод 58. Большая часть, определяемая объемными характеристиками и перемешивающей способностью всего процесса выпуска-впуска, компонентов ВСР основной камеры выводится из двигателя с выхлопными газами 66.

[0062] Если предусмотрена рециркуляция выхлопных газов 68 через обычное устройство (систему) 62 рециркуляции выхлопных газов, некоторое дополнительное количество компонентов ВСР либо задерживается внутри основной камеры 34, либо возвращается в основную камеру 34 с входными газами 66. Количество компонентов ВСР, возвращающихся с помощью входных газов 66, может регулироваться обычным устройством 64 повышения управляемости насыщения выхлопных газов компонентами ВСР или несколькими такими устройствами 64 (действие которых создает модифицированные выхлопные газы 68'). Кроме того, количество компонентов ВСР, возвращающихся с помощью входных газов 66, может регулироваться обычным устройством 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР для входных газов или несколькими такими устройствами 70.

[0063] Когда в двигателе ВС используется предварительно приготовленная топливная смесь (будь то реализация процесса 100 ИОССР в двигателе ИОССР-ППЗ или же в двигателе с усилением КВСР с предварительно приготовленной смесью), топливо может вводиться во входные газы 66 в основном газоподводе 58 обычным устройством 44D подачи топлива на основном газоподводе через отверстия 48 для подачи топлива. Топливо подается в устройство 44D подачи топлива на газоподводе по топливораспределительной системе 98 (Фиг.2 В) через по меньшей мере один канал 52 подвода топлива. Количество топлива, поступающее в устройство 44D подачи топлива на газоподводе, регулируется той частью электронной системы 30 управления двигателем, которая отвечает за топливораспределительную систему 98. Количество подаваемого топлива и временной режим подачи топлива устанавливаются в соответствии с эксплуатационными требованиями к двигателю 200 ИОССР.

[0064] Благодаря возникающим естественным образом перепадам давления между камерами часть компонентов ВСР, проходящих через отдельные камеры 32 МК, переходит в основную камеру 34 через по меньшей мере один соединительный канал 42, где они затем смешиваются с задержанными там газами и входными газами 66, а также со всеми рециркулированными выхлопными газами 68 и 68'. Способ осуществления смешивания может различаться в зависимости от эксплуатационных требований к используемому двигателю.

[0065] При наступлении события 2 110, приблизительно к середине этапа сжатия, газы («газовый заряд») в основной камере 34 становятся в значительной степени насыщенными компонентами ВСР от предыдущего цикла (циклов).

[0066] При наступлении события 3 115, по мере продолжения сжатия газов в основной камере 34, смесь компонентов ВСР и главных газов в камере становится более однородной. Это сжатие в основной камере вызывает повышения давления, что, в свою очередь, повышает температуру. При повышении температуры начинает расти активность компонентов ВСР в основной камере 34. Кроме того, создаются перепады давления между основной камерой 34 и камерами 32 МК, и, в обычном случае, в каналах 42 происходит дросселирование газов, передаваемых в камеры 32 МК. Дросселирование, в свою очередь, приводит к дальнейшему нарастанию перепадов давления между этими камерами (32 и 34), создавая скоростной поток массы или несколько скоростных потоков (по одному потоку в каждом канале 42). Эти потоки проводят («нагнетают») часть газов основной камеры (в том числе входной воздух) в МК 32, обновляя подачу воздуха (в том числе кислорода) в МК. Если входные газы 66 включают предварительно приготовленную топливную смесь, в камеры 32 МК входит также и топливо, вносимое туда потоками массы через каналы 42.

[0067] При наступлении события 4 120, при НВ топлива (в случае реализации процесса 100 ИОССР в двигателях ИОССР-НВ и двигателях с усилением КВСР с НВ), время начала впрыска (НачВ) топлива в основную камеру 34 обычно выбирается на промежутке от середины к концу этапа основного сжатия. В этом случае топливо вводится в основную камеру 34 направленным в эту камеру топливным блоком или блоками одного или более многожидкостных устройств 44А подачи, и/или отдельным устройством 44В подачи топлива, или несколькими отдельными устройствами 44В подачи топлива через по меньшей мере одно (для всех таких устройств 44А и 44В подачи) отверстие 48 для подачи топлива. Топливо для использования в основной камере 34 подается в устройства 44А и 44В подачи по топливораспределительной системе 98 через каналы 52 подвода топлива. Количество топлива, поступающее в каждое из этих устройств 44А и 44В подачи, регулируется той частью электронной системы 30 управления двигателем, которая отвечает за топливораспределительную систему 98. Количество подаваемого топлива и временной режим подачи топлива устанавливаются в соответствии с эксплуатационными требованиями к двигателю 200 ИОССР.

[0068] При реализации процесса 100 ИОССР в двигателях ИОССР-НВ начало впрыска топлива методом НВ происходит существенно раньше желаемого времени воспламенения (по сравнению с работой обычных дизельных двигателей с НВ). В этих реализациях НачВ и КонВ (конец впрыска) рассчитываются так, что впрыск полностью завершается до начала сгорания (НС), и так, что самовоспламенение (НС) начинается только тогда, когда пройдет небольшое время после прохождения подвижным рабочим органом 40 верхней мертвой точки ВМТ (где ВМТ представляет собой положение подвижного рабочего органа 40, при котором объем основной камеры 34 минимален). Это позволяет в конечном счете с большей тщательностью перемешать топливо с газовым зарядом основной камеры, обогащенным компонентами ВСР, получив по крайней мере квазиоднородную смесь. При использовании НВ часть топлива, впрыскиваемого в основную камеру, может включаться в потоки массы камер 32 МК как путем диффузии (по газовому заряду для основной камеры), так и путем побочной конвекции. При этом топливо уносится этими потоками массы в камеры 32 МК через каналы 42 и там удерживается.

[0069] При наступлении события 5 125 при реализации процесса 100 ИОССР в виде ИОССР-НВ, когда все топливо подается в основную камеру раньше НС (по сравнению с обычным КВ с НВ), в общем случае также обеспечивается хорошее перемешивание топлива. Даже при повышенных нагрузках в реализациях процесса 100 ИОССР в виде ИОССР-НВ к некоторому моменту до самовоспламенения, происходящего после ВМТ, в общем случае обеспечивается перемешивание топлива и воздуха в газовом заряде для основной камеры по крайней мере до уровня квазиоднородности. Однако, как и в двигателе LAG, вследствие доминирующей роли компонентов ВСР, инициируемое этими компонентами однородное сгорание может происходить даже при умеренном расслоении смеси топливо-воздух в газовом заряде (САЕ Документ № 2004-01-1677, Бланк [Blank]). Обеспечению однородного сгорания в этих двух случаях способствуют два фактора: более продолжительное, чем это считается нормальным, перемешивание благодаря присутствию компонентов ВСР и значительно более высокие, чем обычно, уровни турбулентности.

[0070] Первый из этих факторов - более продолжительное перемешивание - является результатом присутствия компонентов ВСР. Их наличие позволяет работать с гораздо более низкой степенью сжатия СС или со сверхобедненной смесью. Когда СС гораздо ниже (чем в «функционально эквивалентных» им обычных двигателях КВ), ранний впрыск топлива методом НВ позволяет применять для двигателя 200 ИОССР умеренно обедненную смесь. При этом непосредственно впрыскиваемое топливо может быть эффективно перемешано до однородности. С другой стороны, при лишь умеренно низкой СС двигатель 200 ИОССР может работать в условиях очень бедной смеси, так как и здесь впрыск топлива может производиться раньше, чтобы обеспечить однородное перемешивание. При определенных нагрузке и скорости двигателя (повышенных) обязательно требуется не обедненная смесь. В таких условиях производство компонентов ВСР соответственно уменьшается, чтобы подачу топлива все еще можно было осуществлять раньше желаемого момента самовоспламенения.

[0071] Второй из названных факторов - поддержание в двигателе 200 ИОССР уровней турбулентности, значительно превышающих обычные, - может быть обусловлен различными причинами. Однако общей для всех реализаций двигателей с ИОССР является интенсивная турбулентность, создаваемая в камерах 32 МК. Причины интенсивности этой создаваемой турбулентности приводятся в работах САЕ 2007-01-0047, Бланк [Blank]; CAE 2007-01-0135, Бланк [Blank] и САЕ 2007-01-12540, Бланк [Blank].

[0072] При наступлении события 6 130 как при НВ, так и при предварительном приготовлении топливной смеси высокий уровень турбулентности и присутствие компонентов ВСР даже при «гораздо более низких» температурах в основной камере по отношению к «нормальным» (т.е. таким, которые необходимы для взаимодействий, предшествующих воспламенению в обычном двигателе ВС), обычно еще до конца этапа основного сжатия компоненты ВСР, топливо и воздух в основной камере начинают взаимодействие, предшествующее воспламенению. В зависимости от характеристик топлива, условий работы и технических характеристик конкретной реализации двигателя ВС зачастую это взаимодействие может начинаться даже несколько раньше на этапе основного сжатия.

[0073] Во время этих частей цикла состояние газового заряда с топливом и воздухом в основной камере 34 обычно соответствует прохождению через область медленного сгорания, показанную на Фиг.3. Эти данные по общим пределам воспламенения для топлива основываются на полуострове низкотемпературного воспламенения, введенном Н.Н.Семеновым (Semenov N.N. Some Problems in Chemical Kinetics and Reactivity (Некоторые проблемы химической кинетики и реакционной способности), Princeton University Press, 1958).

[0074] Для молекулы водорода или для молекулы спирта небольших размеров, или для молекулы углеводорода небольших размеров, обозначаемых F, в химических механизмах, ведущих к самовоспламенению по типу ВСР или к самовоспламенению с усилением КВСР, следующий набор реакций запуска цепи:

включает некоторые реакции, играющие доминирующую роль, где - молекулы, содержащие на один Н меньше, чем F. Например, в случае этанола в наборе есть две доминирующие реакции (N _j=2), для которых - это СН₃СНОН и C₂H₄OH (САЕ Документ № 2007-01-0623, Бланк [Blank] полностью включается в данный документ посредством ссылки). Отмечено, что этот набор реакций ведет к накоплению высокоактивных компонентов промежуточной природы H₂O₂.

[0075] Кроме этого набора общая реакция запуска цепи «H₂O₂ +М», доминирующая при самовоспламенении (Уравнение (2)) (а потому описанная позже), и набор реакций расщепления топлива посредством ОН, обеспечивающих разветвление цепи и доминирующих при самовоспламенении (Уравнение (3)) (а потому также описанных позже), обычно присутствуют среди других доминирующих реакций при работе до самовоспламенения. Эти и другие доминирующие реакции, предшествующие самовоспламенению, которые проходят в течение той же части цикла, приводят к медленному накоплению компонентов ВСР. Хотя доминирующие механизмы запуска цепи и разветвления цепи, предшествующие самовоспламенению при более крупных молекулах углеводородов или спиртов в качестве F будут более сложными, будут работать те же принципы, предусматривающие доминирующую роль гидропероксидного радикала (в реакции запуска цепи для расщепления топлива) и гидроксильного радикала (ОН^-) (в реакции разветвления цепи для расщепления топлива) во взаимодействиях, предшествующих воспламенению.

[0076] В целом эти общие механизмы, приводимые в действие радикалами и ОН^- и работающие при «гораздо более низких» температурах, осуществляют непосредственное расщепление топлива при очень низких температурах, подготавливая условия для самовоспламенения с помощью компонентов ВСР при «более низкой» температуре процесса 100 ИОССР в двигателях с полным ИОССР (ИОССР-НВ и ИОССР-ППЗ) и для усиления воспламенения при процессе 100 ИОССР в двигателях с усилением КВСР.

[0077] Это описание применимо также к подаче комбинированного топлива (двух и более видов), когда реакционные способности всех составляющих (топлива) по отношению к и ОН^- оказываются совместимыми. В таких случаях общий механизм аналогичен, и доминирующие реакции для каждой составляющей имеют один и тот же вид (разумеется, со своими специфическими F, другими компонентами) (САЕ Документ № 2004-01-0047, Бланк [Blank]). Если же реакционные способности разных составляющих топлива по отношению к и ОН^- различаются, то обычно, по крайней мере первоначально, общие механизмы реакций следуют поведению той составляющей, чья реакционная способность является доминирующей по отношению к либо ОН^- (в абсолютном отношении это зависит от того, какой радикал и какую из составляющих расщепляет быстрее всего в период, предшествующий самовоспламенению).

[0078] В процессе 100 ИОССР компоненты ВСР из прошлых циклов и компоненты ВСР, созданные в результате данных проходящих при «гораздо более низких» температурах взаимодействий, которые предшествуют воспламенению, используются впоследствии вместе в основной камере ВС одним из трех способов: (1) оказывают доминирующее воздействие и тем самым инициируют самовоспламенение (ВСР) в двигателях с полным ИОССР; (2) повышают эффективность и позволяют лучше контролировать момент самовоспламенения КВ в таких двигателях с усилением КВСР, как двигатели КВППЗ и двигатели КВ с НВ; (3) повышают эффективность искрового зажигания ИЗ в таких двигателях с усилением КВСР, как двигатели ИЗППЗ и двигатели ИЗ с НВ. В двух случаях с полным ИОССР (ИОССР-НВ и ИОССР-ППЗ) из-за присутствия компонентов ВСР перед воспламенением наблюдается экзотермическая активность, которая медленно (первое время) ведет газовый заряд с топливом и воздухом по предварительно заданному химико-кинетическому пути (зависящему от многих факторов) к самовоспламенению, инициируемому компонентами ВСР. В четырех случаях с усилением КВСР уровень активности в течение того же периода не будет таким же высоким, но все же выше (в зависимости от степени усиления), чем в обычных (без усиления КВСР) исполнениях для этих случаев.

[0079] Как показано на Фиг.2А, кожух двигателя 200 ИОССР состоит из «верхней» части 36 оболочки корпуса и «боковой» части 38 оболочки корпуса (или нескольких «боковых» частей 38 оболочки корпуса). Начиная в общем случае в момент времени, близкий к завершению этапа основного сжатия, может подаваться управляющая жидкость в одну или более камер 32 МК, располагающихся в этой верхней и/или боковой части 36 и 38 оболочки. Подача производится либо отдельным устройством 44С подачи контрольной жидкости для образования компонентов ВСР, либо блоком для контрольной жидкости в составе многожидкостного или двухжидкостного устройства 44А подачи. Собственно ввод в камеры 32 МК осуществляется через одно или более отверстий 46 для подачи управляющей жидкости для образования компонентов ВСР в МК. Управляющая жидкость поступает в устройства 44А и 44С подачи для использования в этих камерах МК через распределительную систему 96 подачи управляющей жидкости для образования компонентов ВСР в мини-камере по меньшей мере по одному каналу 50 подвода управляющей жидкости для образования компонентов ВСР.

[0080] Нет необходимости, чтобы в разные камеры 32 МК, в которых используется управляющая жидкость, подавалась одна и та же управляющая жидкость или одинаковое количество управляющей жидкости. Для трех типов двигателей с НВ, в которых осуществляется процесс 100 ИОССР, в качестве управляющей жидкости обычно выступает топливо, хотя не обязательно того же типа, что используемое в основной камере 34. С другой стороны, в трех типах двигателей с предварительно приготовленной смесью, в которых осуществляется процесс 100 ИОССР в качестве управляющей жидкости обычно выступает воздух или какая-то иная жидкая среда, которая может способствовать разбавлению концентрации топлива в МК 32. Количество управляющей жидкости, подаваемое в каждую из камер 32 МК, дозируется так, чтобы обеспечить образование общего количества компонентов ВСР во всех камерах 32 МК, необходимого для того, чтобы способствовать воспламенению или доминировать в этом процессе, который будет происходить в основной камере/камерах 34 в последующих циклах. Количество, передаваемое распределительной системой 96 подачи управляющей жидкости в каждую МК 32, регулируется другой частью электронной системы 30 управления двигателем. В целом при более высоких нагрузках (когда требуется большее количество топлива в основной камере), для воспламенения в основной камере достаточно меньшего количества произведенных компонентов ВСР и наоборот. Это справедливо для применений процесса 100 ИОССР во всех разнообразных вариантах полного ИОССР и усиления КВСР.

[0081] Кроме использования управляющей жидкости, есть ряд других средств воздействия на процесс образования компонентов ВСР в камерах 32 МК, расположенных в оболочке корпуса. Непосредственное переменное регулирование охлаждения блоков камер 32 МК оказывается эффективным фактором воздействия на прямое регулирование процесса образования компонентов ВСР в камерах МК. Другие средства повышения управляемости включают каталитические поверхности (в том числе с переменной площадью поверхности), устройства реструктурирования топлива, устройства введения химических присадок, устройства нагрева в специальной камере (например, быстрыми разрядами электрического тока и др.), устройства быстрого возбуждения плазмы, устройства быстрого разряда с ультрафиолетовым излучением, микроволновые устройства, устройства быстрого охлаждения/нагрева, устройства изменения объема МК, устройства регулировки давления в МК, устройства изменения потока в МК, устройства изменения геометрии МК, устройства изменения геометрии соединительных каналов МК, устройства изменения потока в соединительных каналах МК, устройства регулировки подачи топлива в каналы МК и т.д. Все устройства, подобные перечисленным (но не ограничивающиеся ими) могут участвовать в регулировании производства компонентов ВСР в МК (косвенно способствуя регулированию последующего производства компонентов ВСР в основной камере далее в цикле). Все такие устройства вместе представлены на Фиг.2А-В в общем виде как одно или более устройств 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в мини-камере.

[0082] Каждая МК 32, в которую поступает контрольная жидкость или в которой установлено и функционирует устройство 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР, считается «подключенной к управлению». Эти камеры также управляются частью электронной системы 30 управления двигателем (Фиг.2В), которая задает их рабочие параметры в соответствии с эксплуатационными требованиями к двигателю 200 ИОССР.

[0083] При наступлении события 7 135 в реализациях процесса 100 ИОССР с полным ИОССР в самовоспламенении (происходящем как ВСР) компоненты ВСР играют доминирующую роль. Таким образом, общие химические механизмы имеют абсолютно определяющее значение в этих реализациях. Но и при протекании процесса 100 ИОССР во всех двигателях КВ и ИЗ с усилением КВСР определяющее значение этих химических механизмов сохраняется как общая особенность. Помимо этого для названных двигателей с усилением КВСР сохраняется до некоторой степени значение их «неусиленных» химических механизмов, связанных с присущими им традиционными свойствами. До какой степени определяющим для этих двигателей с усилением КВСР будет значение общих химических механизмов полного ИОССР, зависит от степени, в которой осуществляется усиление за счет компонентов ВСР («усиление КВСР»).

[0084] Таким образом, процесс 100 ИОССР в той или иной степени всегда характеризуется особенностями, свойственными определяющим химическим механизмам полного ИОССР. И эти определяющие химические механизмы события 7 135 подробно описываются в настоящем документе. Для сравнения некоторые «неусиленные» химические механизмы, связанные с традиционными аспектами реализации с усилением КВСР, будут представлены ниже (при описании отличий реализации процесса 100 ИОССР в отдельных типах двигателей).

[0085] В двигателях с полным ИОССР процесс воспламенения управляется механизмами, которые создаются наборами происходящих при «более низких» температурах реакций разветвления цепи для расщепления во взаимодействии топливо-ОН. Такие механизмы противопоставлены более традиционным «низкотемпературным» химико-кинетическим механизмам запуска цепи, связанным с прямым окислением топлива посредством O₂, - механизмам, которые обычно происходят в таком топливе при традиционном КВППЗ. Они противопоставлены процессам при «более высоких» температурах, происходящим при сгорании такого топлива при обычном КВ с ИЗ и НВ. Механизмы реакций запуска цепи при традиционном КВ с ИЗ и НВ обычно включают реакции диссоциации (термической и/или с участием третьего компонента) или непосредственного расщепления при взаимодействии топливо-О ₂.

[0086] В общем случае инициирования однородного сгорания топлива (водородное, спиртовое и углеводородное топливо и смеси топливо/водяное топливо) путем воспламенения свободными радикалами ВСР, компоненты ОН, необходимые для поддержания механизмов расщепления во взаимодействии топливо-ОН, происходящих при «более низких» температурах, производятся в первую очередь следующей реакцией, доминирующей при запуске цепи:

где М - третий компонент, для которого существует несколько различных вариантов. Данный третий компонент способствует протеканию реакции, при этом он сам не претерпевает химических изменений. В зависимости от типа используемого топлива в уравнении (2) третьим компонентом обычно является Н₂ , H₂O, AR, СО или CO₂. Как правило, третьим компонентом в уравнении (2) не может быть ОН, O₂ или Н, поскольку обычно они химически взаимодействуют с H₂ O₂ и, таким образом, химически изменяются. Эта общая реакция запуска цепи при ВСР протекает значительно быстрее, чем общие реакции запуска цепи при взаимодействии топливо-O₂ из набора, характерного для обычного компрессионного воспламенения предварительно приготовленного заряда при обычном КВОЗ, проходящие при «низких» температурах. Например, константа скорости прямой реакции в этом взаимодействии H₂O₂ +М при 1050 К более чем в 10⁵ раз выше, чем константа скорости прямой реакции, доминирующей при запуске цепи в случае КВ метана с предварительным приготовлением смеси КВОЗ при 1200 К (САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank]).

[0087] Когда в качестве F выступают молекулы водорода или молекулы спиртов небольших размеров, или молекулы углеводородов небольших размеров, количество ОН^-, производимое этой универсальной реакцией запуска цепи (Уравнение (2)) в процессе 100 ИОССР, используется, в свою очередь, в наборе общих доминирующих реакций разветвления цепи:

где - молекулы, содержащие на один Н меньше, чем F. Например, если процесс полного ИОССР осуществляется для этанола, F представляет собой С₂Н₅ОН, а молекулы представлены CH₃CH₂O и СН₃ СНОН (САЕ Документ № 2007-01-0623, Бланк [Blank]).

[0088] В общем случае в самовоспламенении при полном ИОССР доминирующую роль играют также имеющиеся в наличии концентрации других ключевых компонентов ВСР. Хотя лежащие в основе этого механизмы могут быть достаточно сложными (и, тем более, трудно поддающимися обобщению), другие компоненты ВСР тоже участвуют в ускорении образования ОН^- при самовоспламенении (подобно тому, как они участвовали в процессах, предшествовавших воспламенению). Это, в свою очередь, помогает «стимулировать» расщепление топлива набором доминирующих реакций разветвления цепи при взаимодействии топливо-ОН (Уравнение (3)). Когда молекула топлива расщеплена под воздействием ОН, некоторые продукты при этих более низких температурах могут быть сразу же расщеплены далее под воздействием O₂. Хотя доминирующие механизмы разветвления цепи самовоспламенения будут значительно сложнее, когда в качестве F выступают более крупные молекулы углеводородов или спиртов, будут действовать те же принципы, причем гидроксильный радикал (ОН^-) будет сохранять за собой доминирующую роль в расщеплении на протяжении значительной, если не большей части времени расходования топлива.

[0089] Существует несколько причин, по которым это взаимодействие самовоспламенения (в котором доминируют реакция Уравнения (2), набор реакций Уравнения (3) и другие реакции, запускаемые компонентами ВСР) может происходить при температурах «более низких», чем «низкие» температуры традиционного КВППЗ и «более высокие» температуры обычного КВ с ИЗ и НВ. Одна из этих причин заключается в том, что данные реакции с участием компонентов ВСР требуют гораздо меньше общей энергии для своего запуска (и, тем самым, требуют гораздо меньшего нагрева), чем реакции запуска цепи при взаимодействии топливо-О₂, с которыми, в основном, связано инициирование воспламенения в КВППЗ. Температуры, необходимые для диссоциации Н₂О₂ третьим компонентом согласно Уравнению (2) и для расщепления топлива под воздействием ОН^- - согласно Уравнению (3), в целом значительно ниже «низких» температур, которые требуются для непосредственного расщепления топлива под воздействием O ₂, тогда как температуры, которые требуются для непосредственной термической диссоциации и диссоциации с участием третьего компонента того же топлива зачастую выше, чем температуры, необходимые для расщепления топлива под воздействием O₂. Помимо этого, поскольку эти реакции с участием компонентов ВСР относительно более зависимы от концентраций компонентов ВСР, они в то же время относительно меньше зависимы от относительных концентраций воздуха и топлива. Это позволяет осуществлять воспламенение при значительно более бедной смеси, чем это бывает возможно при обычных процессах ИЗ, КВППЗ и КВ с НВ. Кроме того, по мере протекания процессов самовоспламенения ВСР при более низкой температуре производится все большее количество компонентов ВСР.

[0090] Скорости отдельных реакций и наборов реакций, доминирующих в этом процессе ВСР, зависят как от концентраций ключевых реагентов, так и от температуры газов, вступающих в реакцию в основной камере. Таким образом, в двигателях с полным процессом 100 ИОССР «темп» этих процессов самовоспламенения нарастает вплоть до момента, когда наступает «спад». Хотя эти доминирующие реакции продолжают играть решающую роль в течение некоторого времени после этого «спада» (пока продолжается подача топлива), в конечном счете на первый план выходят другие механизмы, которые в итоге запускают высокотемпературные химические взаимодействия, производящие H₂O и СО₂.

[0091] Это обобщенное описание полного ИОССР относится к химическим механизмам ВСР с комбинированным топливом (двух и более видов), когда реакционные способности всех составляющих (топлива) с ОН ^- оказываются совместимыми. В таких случаях общий механизм будет одинаковым, с единой формой доминирующих реакций для каждой составляющей топлива (разумеется, с их специфическими F, и другими компонентами) (САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank] и объединенная работа САЕ Документ № 2007-01-1912 и ДжСАЕ Документ № 20077210, Бланк [Blank], которые полностью включаются в данный документ посредством ссылки). Там же, где реакционные способности составляющих топлива с ОН^- будут различаться, общий механизм реакции будет, по крайней мере сначала, в целом воспроизводить взаимодействия той составляющей топлива, чья реакционная способность с ОН^- является доминирующей.

[0092] При самовоспламенении с однородным сгоранием расходуется все топливо в основной камере. Кроме того, при однородном сгорании топлива производятся относительно большие количества радикалов ОН. Концентрация ОН^- в основной камере достигает максимума до завершения самовоспламенения. Далее, тепло выделяется с гораздо более высокой скоростью, чем при воспламенении в различных версиях неусиленного КВ и ИЗ. Таким образом, в момент завершения однородного сгорания уровень удельной внутренней энергии газов в основной камере 34 достигает максимума. Соответственно, давление и температура газов в основной камере также достигают максимума почти сразу после завершения самовоспламенения. Так создается очень большой перепад давлений между основной камерой 34 и камерами 32 МК. Это, в свою очередь, создает максимальные значения скорости потоков массы и массового расхода между этими камерами 34 и 32 и переносит относительно большие количества ОН^- и энергии в камеры 32 МК при чрезвычайно высоких уровнях турбулентности.

[0093] Процесс 100 ИОССР, проходящий в двигателях с усилением КВСР, характеризуется не только теми же определяющими химическими механизмами полного ИОССР, но и многими другими особенностями воспламенения и сгорания с полным ИОССР. Например, сгорание также носит однородный характер и в процессе 100 ИОССР, происходящем в двигателе КВППЗ с усилением КВСР. Далее, этап сгорания процесса 100 ИОССР, происходящего в четырех основных типах двигателей с усилением КВСР, также сопровождается максимальными значениями давления, температуры, концентрации ОН^- и удельной внутренней энергии газов в основной камере. В результате и в этих реализациях создаются высокие значения массового расхода в потоке, который переносит относительно большие количества ОН ^-, других продуктов химической реакции и энергии в камеры 32 МК при чрезвычайно высоких уровнях турбулентности.

[0094] В качестве дополнительной возможности для процесса 100 ИОССР в двигателях с полным ИОССР и в двигателях КВППЗ с усилением КВСР может быть рассмотрено использование в основной камере общего устройства 56 повышения управляемости временного режима воспламенения (Фиг.2А) непосредственно перед моментом цикла, когда «темп» процессов самовоспламенения начнет «спадать». Цель устройства 56 повышения управляемости временного режима воспламенения в двигателях с полным ИОССР и в двигателях КВППЗ с усилением КВСР состоит не в том, чтобы инициировать самовоспламенение. Цель этого устройства заключается в том, чтобы повысить точность определения момента (положения в цикле), когда «темп» процессов самовоспламенения явно начинает идти на «спад». В этот момент цикла, будь то полный ИОССР или же процесс КВППЗ с усилением КВСР, благодаря тому обстоятельству, что теплота сжатия вместе с активностью компонентов ВСР уже полностью подготовили смесь топливо-воздух в основной камере к воспламенению (путем экстенсивного образования ОН^-), малейшее совместное повышение давления и температуры вызовет массовое одномоментное воспламенение газового заряда с топливом и воздухом (что по определению является однородным сгоранием). Примеры устройств 56 повышения управляемости временного режима воспламенения включают устройства типа свечей зажигания, устройства каталитического зажигания, плазмоструйные устройства, устройства для создания потока пламени и др., причем цель таких устройств заключается в создании относительно небольшого (или даже большого) но/и весьма резкого увеличения внутренней энергии в некоторой части газового заряда с топливом и воздухом в основной камере. В обеих реализациях процесса 100 ИОССР с усилением КВСР, которые основываются на ИЗ, эта мера является обязательной.

[0095] Ключевым фактором образования новых компонентов ВСР в камерах 32 МК являются химические механизмы, инициируемые (вызываемые) «компонентами ОН-ВСР», которые создаются точно рассчитанным во времени притоком ОН ^- из основной камеры в обогащенные компонентами ВСР газы камер 32 МК. Этот приток происходит во время воспламенения и сразу после него. Этот приток также создает условия для чрезвычайно высоких уровней турбулентности в камерах 32 МК. Таким образом осуществляется немедленное перемешивание гидроксильного радикала с газами МК (в том числе с топливом и компонентами ВСР) при самых малых масштабах турбулентности. Вероятно такое же важное значения для образования компонентов ВСР в МК 32 имеет относительно высокое теплосодержание, которое также приобретается камерой 32 МК от основной камеры 34, что вызывает быстрое повышение температур в МК.

[0096] При наступлении события 8 140 внезапное возникновение этого большого (и продолжающего расти со временем) количества ОН^- в камерах 32 МК срабатывает в качестве «движущей силы», быстро преобразующей имеющееся в МК топливо в еще большее количество компонентов ВСР. Кроме того, вся совокупность химических процессов в МК 32 ускоряется еще больше за счет быстрого повышения температуры (что связано с очень большим количеством переданной теплоты). Камеры 32 МК имеют такую конструкцию и управляются таким образом, что в конце этапа основного сжатия и в начале этапа расширения с рабочим ходом термодинамические характеристики находящихся в них газов могут быть ограничены областями холодного пламени и/или медленного сгорания на Фиг.3 (если данному топливу свойственна область холодного пламени). Иногда бывает также (как в САЕ Документ № 2007-01-0623, Бланк [Blank]) целесообразно незначительно перенести на короткое время характеристики газов МК в зону В области воспламенения на Фиг.3, пока резкое обращение потока в канале 42 (отчасти из-за расширения с рабочим ходом в основной камере 34) не вернуло характеристики газов МК обратно в зону А (Фиг.3) до воспламенения этих газов.

[0097] Когда в качестве F выступают молекулы водорода или молекулы спиртов небольших размеров или молекулы углеводородов небольших размеров, среди реакций, играющих в наибольшей степени доминирующую роль в общих химических механизмах, инициируемых в этой мини-камере компонентами ОН, снова оказываются реакции набора:

где, как и ранее, представляют собой молекулы, содержащие на один Н меньше, чем F. Хотя доминирующие механизмы реакций взаимодействия ОН-топливо в МК будут значительно сложнее, когда в качестве F выступают более крупные молекулы углеводородов или спиртов, и в этом случае будут действовать те же принципы.

[0098] Механизмы последующего преобразования различных (и компонентов, производимых другими механизмами) в компоненты ВСР имеют более сложную природу и сильно зависят от достаточной концентрации компонентов ВСР топлива, уже присутствующих в мини-камере. По мере увеличения количества новых компонентов ВСР (благодаря этим механизмам) часть вновь создаваемых компонентов H₂ O₂ затем расходуется для производства дополнительных ОН^- в экзотермической реакции Уравнения (2), что способствует ускорению расщепления топлива под воздействием ОН^- на различные и другие компоненты. Подобным образом другие компоненты ВСР, присутствующие в МК 32, способствуют производству как большего количества ОН^-, так и большего количества компонентов ВСР за счет сложного химико-кинетического механизма. Таким образом, полный механизм производства компонентов ВСР приводится в действие как компонентами ОН, так и компонентами ВСР, т.е. является «инициируемым компонентами ОН-ВСР». Хотя доминирующие механизмы разветвления цепи самовоспламенения будут значительно сложнее, когда в качестве F выступают более крупные молекулы углеводородов или спиртов, будут действовать те же принципы, причем гидроксильный радикал (ОН^-) будет играть доминирующую роль в расщеплении топлива.

[0099] Этот обобщенный процесс производства компонентов ВСР в МК является универсальным для всех реализаций процесса 100 ИОССР как с полным ИОССР, так и с усилением КВСР. Хотя это обобщенное описание относилось к случаю подачи одного вида топлива в основную камеру 34 и в камеры 32 МК (когда жидкость, подаваемая в МК, фактически является топливом), при подаче комбинированного топлива (двух и более видов) оно остается справедливым для всех составляющих (топлива), подаваемых в двигатель. В таких случаях, если все составляющие (топлива) совместимы по своей реакционной способности с ОН^-, доминирующие реакции для каждой составляющей имеют один и тот же вид (разумеется, со своими специфическими F, и другими компонентами) (САЕ Документ № 2004-01-0047, Бланк [Blank] и ДжСАЕ Документ № 20077210, Бланк [Blank]). Там же, где реакционные способности составляющих топлива с ОН^- будут различаться, общий механизм реакции будет, по крайней мере сначала, в целом воспроизводить взаимодействия той составляющей топлива, чья реакционная способность с ОН^- является доминирующей. Этот процесс производства ВСР продолжает нарастать, пока поступление ОН^- из основной камеры 34 не будет прервано резким обращением потока в канале 42, проходящего из МК в основную камеру, о чем упоминалось выше (что вызывается отчасти этапом расширения с рабочим ходом), после чего данный процесс затухает.

[00100] На основе этого краткого описания химико-кинетической природы процесса производства компонентов ВСР в МК можно обрисовать роль управляющей жидкости. Чем выше по отношению к воздуху концентрация топлива в МК 32, тем быстрее этот механизм будет производить дополнительное количество компонентов ВСР. Обратное также верно. Это положение демонстрируется в работе САЕ Документ № 2007-01-0013, Бланк [Blank], которая полностью включается в данный документ посредством ссылки. Это полное химико-кинетическое исследование показывает, почему временной режим самовоспламенения НС в основной камере 34 в процессе 100 ИОССР, проходящем в двигателях с полным ИОССР, может непосредственно управляться путем регулирования количества управляющей жидкости, подаваемой в камеры 32 МК. Эта работа демонстрирует, что количество управляющей жидкости, подаваемой в МК 32, точно определяет количество компонентов ВСР, произведенных в МК 32 (для использования на следующем этапе сгорания в основной камере). Таким образом, процесс производства компонентов ВСР может непосредственно управляться с помощью электронной системы 30 управления двигателем (Фиг.2В). В нужное время (в зависимости от конкретных условий работы двигателя) электронная система 30 управления передает сигнал распределительной системе 96 подачи управляющей жидкости производства компонентов ВСР в мини-камере на подачу необходимого количества управляющей жидкости через каналы 50 подвода управляющей жидкости (Фиг.2В) в устройства 44А и/или 44С подачи управляющей жидкости определенных камер 32 МК (Фиг.2А). Эти устройства подачи управляющей жидкости доставляют управляющую жидкость в указанные камеры 32 МК через отверстия 46 для подачи управляющей жидкости.

[00101] При протекании процесса 100 ИОССР в двигателе ИОССР-ППЗ и двух видах двигателей с усилением КВСР с предварительно приготовленной смесью управляющая жидкость, вероятнее всего, будет представлять собой жидкость или газ, способный разбавлять концентрацию топлива в МК (относительно концентрации воздуха) до нужной степени. Большая степень разбавления приводит к уменьшению скорости образования компонентов ВСР, а меньшая степень разбавления приводит к увеличению этой скорости. Напротив, при реализации процесса 100 ИОССР в виде ИОССР-НВ и в двух разновидностях усиления КВСР с НВ топлива в качестве управляющей жидкости оптимальным является само топливо (или составляющая топлива). В таком случае при необходимости увеличить или уменьшить производство компонентов ВСР нужно, соответственно, повысить или понизить концентрацию топлива в МК.

[00102] На основе краткого описания химико-кинетической природы процесса производства компонентов ВСР в МК можно также обрисовать роль общего устройства 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР. Общее устройство 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в МК может представлять собой приспособление, позволяющее тем или иным образом увеличивать или уменьшать полную скорость химико-кинетического процесса образования компонентов ВСР в МК. В частности, эти устройства 54 повышения управляемости процессов в МК ускоряют или замедляют полные скорости отдельных реакций в наборе реакций (где F обозначает молекулу меньшего размера) (Уравнение (4)) или в его более сложных эквивалентах (когда F обозначает молекулу большего размера), а также механизмы последующего преобразования компонентов (и компонентов, производимых другими механизмами) в дополнительное количество компонентов ВСР и ОН^-. Так, полная скорость доминирующей экзотермической реакции M (Уравнение (2)), включенной в механизмы образования компонентов ВСР, весьма чувствительна к температуре и к концентрации H₂O₂. Кроме того, полные скорости реакций Уравнения (4) и их более сложных эквивалентов (для составляющих топлива с более крупными молекулами) весьма чувствительны к температуре и к концентрации ОН^-. И, наконец, доминирующие реакции в последующем процессе преобразования продуктов набора реакций по Уравнению (4) в новые компоненты ВСР весьма чувствительны к температуре и концентрациям уже существующих компонентов ВСР.

[00103] Таким образом, к возможным устройствам 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в МК относятся различные приспособления, с помощью которых можно оказывать контролируемое воздействие на температуру газов МК и/или на увеличение концентрации ОН^- и/или какого-либо из компонентов ВСР внутри МК. Так, полномасштабный химико-кинетический эксперимент показал, что одно только регулирование температуры стенок МК может позволить управлять как количеством компонентов ВСР, произведенных в МК 32, так и моментом самовоспламенения в основной камере 34 (САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank] полностью включается в данный документ посредством ссылки). При ином подходе в качестве устройств 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в МК могут выступить устройства, меняющие объем МК 32 или вводящие химические присадки в МК 32, или осуществляющие любую другую функцию, которая способствует регулированию количества компонентов ВСР, производимых в МК 32. Эти устройства 54 повышения управляемости процессов в МК могут использоваться сами по себе (или в сочетании с необходимым регулированием подачи управляющей жидкости), чтобы непосредственно управлять количеством компонентов ВСР, произведенных в камерах 32 МК. Под прямым контролем электронной системы 30 управления двигателем эти устройства 54 повышения управляемости используются (совместно с синхронизированной подачей управляющей жидкости или же сами по себе), чтобы регулировать скорость процесса производства компонентов ВСР в камерах 32 МК, подключенных к этому управлению.

[00104] При наступлении события 9 145 в определенный момент времени (обычно «существенно раньше середины» этапа расширения с рабочим ходом) происходит резкое обращение потока в канале 42 (о чем упоминалось выше). Обычно это происходит в результате комбинации расширения с рабочим ходом в основной камере и повышения температуры и давления в МК (вследствие экзотермического процесса производства компонентов ВСР). Эти естественным образом противонаправленные процессы приводят к обратному изменению соотношения давлений (так, что давление в МК 32 оказывается больше, чем давление в основной камере 34). Сразу же после этого момента создается поток массы с высокой турбулентностью, который переносит компоненты ВСР, неиспользованное топливо, неиспользованный кислород, тепловую энергию, другие продукты химической реакции и т.д. из камер 32 МК в основную камеру 34, с которой они соединены с возможностью терможидкостного обмена. Хотя обычно этот перенос происходит в ту же основную камеру, в который произошло воспламенение и сгорание, в некоторых двигателях ВС - в зависимости от реализации двигателя ИОССР и физического расположения МК 32 - это может также осуществляться в другую основную камеру 34. В этом случае обращение потока может вызываться падением давления в тот момент, когда происходит переключение канала 42 камер МК на другую основную камеру 34. В любом случае после этого события и в связи с быстрой передачей тепловой энергии давление в задействованных камерах 32 МК начинает снижаться быстрее. Это падение давления в течение периода «раньше середины» этапа расширения с рабочим ходом приводит к снижению температуры в этих камерах 32 МК. Большая часть компонентов со свободными радикалами в задействованных камерах 32 МК вслед за этим переходит в состояние застывшего равновесия (или близкое к нему).

[00105] Хотя в основной камере 34 наблюдается быстрое снижение температуры, сопровождающее падение давления в этой камере на промежутке от периода «существенно раньше середины» к концу этапа расширения с рабочим ходом, температуры в основной камере 34 остаются достаточно высокими, чтобы поддерживать в ней активность компонентов ВСР. И хотя концентрация ОН^- в основной камере снижается со снижением температуры, на промежутке от середины к концу этапа расширения с рабочим ходом эта концентрация остается значительной. Таким образом, из-за перепада давлений между камерами (32 и 34) неиспользованные в МК топливо и кислород вместе с некоторым количеством компонентов ВСР и т.д. из мини-камер переносятся в основную камеру 34 из тех камер 32 МК, из которых на высокой скорости исходят высокотурбулентные потоки массы.

Эти компоненты вводятся непосредственно в обильно обогащенные ОН^- газы основной камеры 34 и быстро перемешиваются с ними. Такая ситуация создает второй в цикле процесс производства компонентов ВСР, инициируемый (вызываемый) компонентами ОН-ВСР, в котором производится новая порция компонентов ВСР для основной камеры. Этот процесс продолжается во время (часто и после) операции продувки на этапе выпуска. Таким образом, создание компонентов ВСР, необходимых для воспламенения свободными радикалами в последующем цикле (циклах), приходится также на два процесса в основной камере 34, происходящие после самовоспламенения.

[00106] Первый процесс, протекающий после самовоспламенения, представляет собой сохранение компонентов ВСР. Обычно большое количество компонентов ВСР, (особенно СН₃НСО и CH₂O, в зависимости от топлива), выходящих из МК 32 (во время рабочего хода и продувки), не потребляется сразу после перехода в основную камеру 34, а остаются там и служат в качестве движущей силы второго процесса. Однако из-за высоких начальных температур (когда характеристики газов в основной камере еще находятся в зоне В области воспламенения на Фиг.3) часть внесенных из МК компонентов ВСР (в том числе некоторое количество HO₂ и много H₂O ₂) обычно утрачивается (расходуется) на промежутке от времени «существенно раньше середины» до середины этапа расширения с рабочим ходом при обращении потока и смещении характеристик газов основной камеры из зоны В области воспламенения обратно в зону А области медленного сгорания.

[00107] Второй процесс (из происходящих после самовоспламенения) представляет собой производство компонентов ВСР в основной камере. Он начинается в некоторый момент времени при обратном смещении характеристик газов в основной камере в зону А (см. Фиг.3), что приводит прежде всего к образованию H₂O₂, но, кроме того, и к увеличению количества (первоначально) и других компонентов ВСР. Этот процесс подпитывается и запускается относительно большим количеством топлива и компонентов ВСР, выходящих из МК 32 и до необходимой степени высокой концентрацией ОН^-, по-прежнему сохраняющейся в основной камере 34. В целом данный процесс производства проходит в две фазы, для каждой из которых характерны собственные механизмы. Механизмы первой фазы начинаются при смещение в зону А и продолжаются до начала продувки основной камеры. Механизмы второй фазы начинаются после начала продувки основной камеры и продолжаются еще некоторое время.

[00108] В этой среде с относительно высоким содержанием ОН^- для молекул водорода, молекул спиртов небольших размеров и для молекул углеводородов небольших размеров в качестве F общими доминирующими реакциями для обеих фаз процесса образования компонентов ВСР в основной камере 34 опять-таки (как и при образовании компонентов ВСР в МК) оказываются реакции набора: (Уравнение (4)). Хотя доминирующие механизмы реакций взаимодействия ОН-топливо в основной камере 34 будут значительно сложнее, когда в качестве F выступают более крупные молекулы углеводородов или спиртов, и в этом случае будут действовать те же принципы. Вместе с тем механизмы последующего преобразования компонентов (и компонентов, производимых другими механизмами) в компоненты ВСР обычно отличаются от механизмов производства компонентов ВСР в МК. Кроме того, механизмы преобразования видов (и компонентов, производимых другими механизмами) в компоненты ВСР вообще различаются для двух фаз процессов, происходящих в основной камере. Эти отличия в механизмах связаны прежде всего с различием в температурах, преобладающих в основной камере 34 во время соответствующих фаз.

[00109] Помимо реализаций процесса 100 ИОССР в двигателях с полным ИОССР данный обобщенный процесс образования компонентов ВСР в основной камере происходит также во всех реализациях процесса 100 ИОССР с усилением КВСР, когда степень усиления КВСР превышает значимую пороговую величину. И хотя это обобщенное описание относилось к случаю подачи одной составляющей топлива в основную камеру 34 и в камеры 32 МК (когда составляющая топлива фактически является управляющей жидкостью для камер МК, подключенных к управлению), при подаче комбинированного топлива (двух и более видов) оно может быть справедливым для каждой используемой составляющей топлива. В случае использования нескольких составляющих топлива некоторые выпускаемые из МК (во время расширения с рабочим ходом и продувки) составляющие топлива в любом случае представляют собой ранее находившиеся в основной камере составляющие топлива, которые удерживались в камерах 32 МК на этапе основного сжатия. Кроме того, если все составляющие топлива совместимы по своей реакционной способности с ОН^-, доминирующие реакции для каждой составляющей имеют один и тот же вид (разумеется, со своими специфическими F, и другими компонентами). Однако там, где реакционные способности составляющих топлива с ОН^- будут различаться, общий механизм реакции будет, по крайней мере сначала, в целом воспроизводить механизм той составляющей топлива, чья реакционная способность с ОН^- является доминирующей.

[00110] В какой-то момент на этапе выпуска компоненты ВСР, все еще остающиеся в основной камере 34, в типичном случае перейдут в состояние застывшего равновесия (или близкое к нему). Впоследствии цикл будет повторен, начиная с события 1 105.

[00111] Такая присущая двигателю 200 ИОССР особенность, как запуск процесса 100 ИОССР и другие функции реализации раскрывается на примере электронной системы 30 управления двигателем, схематически представленной на Фиг.2В. Электронная система 30 управления двигателем дает возможность в реализациях двигателя 200 ИОССР использовать и воплощать различные реализации процесса 100 ИОССР, в том числе с полным ИОССР и с усилением КВСР.

[00112] Подразумевается, что общая система 30 управления двигателем способна осуществлять те функции, необходимые для эксплуатации двигателя 200 ИОССР, которые представлены в известных ранее системах управления двигателями. Помимо этих функций, представленных в известных ранее решениях, общая система 30 управления двигателем способна регулировать подачу небольших количеств контрольной жидкости для образования компонентов ВСР в соответствующие «подключенные к управлению» камеры 32 МК, чтобы регулировать как процесс образования компонентов ВСР в МК (непосредственно), так и процесс образования компонентов ВСР в основной камере (косвенно), что, в свою очередь, повысит управляемость усиления сгорания в основной камере 34 компонентами ВСР. Точно в тех же целях (регулирования процессов) общая система 30 управления двигателем способна также управлять общими устройствами 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в МК. И, наконец, общая система 30 управления двигателем способна управлять другими устройствами 64 и 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР и/или устройствами 56 повышения управляемости временного режима воспламенения, которые могут быть использованы в тех же целях (регулирования процессов). Хотя эта общая система 30 управления может включать подсистемы управления с помощью логических схем, управляемых датчиками, и/или историей сгорания, использование компонентов ВСР в регулировании сгорания в общем случае приведет к уменьшению необходимой степени сложности этой системы (по сравнению с некоторыми новейшими системами управления традиционного типа в этой и смежных областях техники).

[00113] Двигатель 200 ИОССР обладает рядом дополнительных особенностей, связанных с его способностью использовать и воплощать процесс 100 ИОССР в работе. Особенно важны особенности, связанные с возможностью определять химический состав и производительность камер 32 МК. Например, химический состав смесей в этих вспомогательных камерах частично определяется параметрами скорости гидродинамического заполнения и опорожнения камер 32 МК. Эти скорости зависят от таких доминантных параметров, как объем МК 32 и высота (эффективный диаметр), длина, размещение и конфигурация каналов 42.

[00114] Объем МК может быть описан следующим образом. Когда подвижный рабочий орган 40 в цилиндре двигателя 200 ИОССР находится в верхней мертвой точке ВМТ данной основной камеры 34 сгорания, отношение объединенного объема всех камер 32 МК, соединенных с указанной основной камерой 34, к минимально допустимому объему указанной основной камеры 34 будет составлять в общем случае от 0,01 к 1 до 0,25 к 1 (но не исключительно в этих пределах). Таким образом, в общем случае

где - объем i-й мини-камеры в цилиндре, которая связана с указанной основной камерой сгорания, N - общее число мини-камер в цилиндре, связанных с указанной основной камерой сгорания, - минимально допустимый объем указанной основной камеры сгорания 34, необходимый для цикла сгорания, а символ «:» - знак отношения. Минимальный объем для указанной основной камеры 34 - это объем камеры в тот момент, когда подвижный рабочий орган 40 находится в положении ВМТ. Широкий разброс в диапазоне отношений объемов (от 0,01:1 до 0,25:1) отчасти связан с разнообразием используемого топлива, а отчасти - с соответствующим широким разбросом значений степени сжатия СС, необходимой для самовоспламенения топлива компонентами ВСР. Не требуется, чтобы все камеры 32 МК в одном цилиндре двигателя имели одинаковый объем. Далее, в целях регулирования в ходе работы двигателя 200 ИОССР объемы некоторых или всех камер 32 МК могут быть уменьшены (или увеличены) с помощью одного из общих устройств 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в МК, что приведет к уменьшению (или увеличению) отношения (и к изменению геометрии МК).

[00115] Каналы 42 могут представлять собой вентили, отверстия, трубки, прорези, сетки с подобранными размерами ячеек, мембраны и др. В зависимости от топлива, на выбор размеров, конфигурации и местоположения этих каналов 42 могут оказывать влияние различные факторы. В общем случае каналы имеют такую конструкцию, которая обеспечивает подавление пламени, выходящего из основной камеры 34, прежде, чем это пламя доходит до камер 32 МК. И с учетом всех условий работы двигателя эти каналы 42, соединяющие мини-камеры и основную камеру, конструируются таким образом, чтобы обеспечить дросселирование притока и оттока через них сжатых газов (к камерам 32 МК и от них) при высоких давлениях (хотя это не обязательно). В общем случае предпочтительно, чтобы колебания давления в камерах 32 МК запаздывали по отношению к колебаниям давления в основной камере 34 (как это показано в САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank]). Обычно также желательно, чтобы потоки в каналах 42 не глушились, хотя при определенных физических конфигурациях они могут на некоторое время глушиться. Пример двигателя с полным ИОССР с НВ, где предусматривается период глушения потока в каналах, описывается в работе САЕ Документ № 2007-01-1254, Бланк [Blank], которая полностью включается в данный документ посредством ссылки.

[00116] Важными факторами являются также размещение каналов 42 и число каналов 42 у каждой МК 32 (САЕ Документ № 2007-01-0013, Бланк [Blank]). От уклона этих каналов по отношению к камерам 32 МК зависит скорость турбулентного перемешивания составляющих в камерах 32 МК. Подобным образом расположение каналов 42 также часто связывается с «нацеливанием» потоков массы при периодически создаваемом оттоке от мини-камер. Это связано с тем, что второй важной функцией камер 32 МК является создание значительной дополнительной турбулентности для перемешивания в основной камере. С этой целью потоки массы часто могут направляться каналами 42 именно в те места в основной камере 34, которые оптимальны для максимизации воздействия турбулентности, создаваемой этими потоками массы.

[00117] Как упоминалось выше в описании процесса 100 ИОССР при событии 1 105 на Фиг.1, очень значимой в усилении за счет компонентов ВСР может быть роль рециркулированных газов. Если осуществляется рециркуляция (внутренняя или внешняя) обратно в основную камеру 34 сгорания некоторой доли выхлопных газов через общее устройство (систему) 62 рециркуляции выхлопных газов, в общем случае удается восстановить ту же или находящуюся в определенной пропорции долю отработанных компонентов ВСР (в зависимости от того, какой обработке подвергаются эти газы при рециркуляции). Это следует из того, что выхлопные газы имеют относительно более низкие температуры, и что некоторые компоненты ВСР в их составе могли перейти в состояние застывшего равновесия или близкое к нему.

[00118] Кроме того, обработка выхлопных газов 68 может предусматривать также установку устройства 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах рядом с устройством 62 рециркуляции выхлопных газов или внутри него, что позволит управлять/наращивать количество компонентов ВСР, доступных для будущих циклов. Наиболее типичные функции устройства 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах включают стабилизацию и/или увеличение/уменьшение концентрации компонентов ВСР в рециркулируемых выхлопных газах (68 или 68'). Если не «подключены к управлению» никакие камеры 32 МК, устройства повышения управляемости производства компонентов ВСР 64 могут играть более существенную роль. Тогда для регулирования количества компонентов ВСР, доступных в будущем цикле на этапе сгорания в основной камере 34, может использоваться общее устройство (система) 62 рециркуляции выхлопных газов вместе с устройством 64 повышения управляемости под непосредственным управлением электронной системы 30 управления двигателем.

[00119] Пример стабилизирующей функции устройства 64 повышения управляемости приводится в объединенной работе САЕ Документ № 2007-01-1887 и ДжСАЕ Документ № 20077212, Бланк [Blank], который полностью включается в данный документ посредством ссылки. Двигатель ИОССР, описанный в этих работах, пропускает выхлопные газы через теплообменное устройство (выступающее в качестве частного случая устройства 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах). При этом возвращающиеся выхлопы охлаждаются до температуры входных газов 66, чтобы гарантировать отсутствие каких-либо реакций при перемешивании возвращаемых выхлопных газов 68' и входных газов 66. В этой работе показано также, что регулирование (с помощью устройства 62) содержания возвращаемых компонентов ВСР в этих рециркулируемых выхлопных газах может использоваться самостоятельно для регулирования самовоспламенения в основной камере 34 четырехтактной поршневой реализации двигателя 200 ИОССР с ИОССР-НВ.

[00120] Эти особенности устройства 62 рециркуляции выхлопных газов проиллюстрированы далее полномасштабной химико-кинетической моделью, которая описывается в работе САЕ Документ № 2007-01-0135, Бланк Бланк (Blank), полностью включаемой в данный документ посредством ссылки. В этой работе внутреннее сохранение выхлопных газов 68 (между циклами) управляется регулировкой давления наддува входных газов 66, причем принимается во внимание необходимость поддержания определенной величины давления выпуска. В этой работе продемонстрировано, как управление внутренним сохранением выхлопных газов (и, таким образом, компонентов ВСР, удерживаемых в основной камере 34) путем регулирования давления наддува входных газов может использоваться самостоятельно для контроля момента самовоспламенения в двухтактной поршневой реализации двигателя 200 ИОССР с ИОССР-НВ. В альтернативных случаях подобные результаты могут быть получены оперативным управлением другими характеристиками газоподводов 58 и газоотводов 60. Например, оперативному управлению могут подлежать геометрия и другие факторы, воздействующие на конфигурацию и скорость потоков в этих устройствах (58 и 60).

[00121] Для производства дополнительного количества компонентов ВСР и/или других компонентов, предназначенных для добавления в входные газы 66, в устройстве 64 повышения управляемости могут использоваться также компоненты ВСР и отработанное тепло выхлопных газов. Поскольку в рециркулированных выхлопных газах двигателя ИОССР уже содержатся относительно высокие концентрации компонентов ВСР, одним из средств увеличения концентрации компонентов ВСР будет, например, простое добавление к выхлопным газам дополнительного топлива. При определенных температурах это вызовет последовательность общих механизмов реакций, сходную с той, которая работает в общих процессах, предшествующих самовоспламенению в основной камере (начиная с расщепления топлива под воздействием и/или ОН^-), что соответствует событию 6 130 на Фиг.1. Вместо этого в качестве подобного средства может использоваться нагнетание в рециркулированные выхлопные газы обогащенного кислородом воздуха в целях окисления (и, тем самым, потребления) части содержащихся в выхлопных газах компонентов ВСР. Функции указанного устройства 64 повышения управляемости могут также включать добавление в рециркулированные выхлопные газы (68 или 68') других химических компонентов (включая присадки топлива). В этих целях в указанные устройства 64 повышения управляемости для улучшения их регулирующей функции могут быть включены датчики компонентов ВСР (входящие в электронную систему 30 управления двигателем).

[00122] Кроме того, имеются основания использовать несколько общих устройств 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР во входных газах, показанных на Фиг.2А-2В. Такое устройство 70 повышения управляемости может помещаться до и/или после смешивания рециркулированных выхлопных газов 68 или 68' со входными газами 66. В таких устройствах 70 компоненты ВСР, возвращающиеся с рециркулированными выхлопными газами (68 или 68"), могут использоваться для усиления внешнего процесса (внешнего по отношению к цилиндру двигателя), в ходе которого образуются дополнительные компоненты ВСР и/или другие компоненты для добавления к новым входным газам 66. Часто такие устройства 70 для усиления этого процесса используют входные газы 66. В качестве общих устройств 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР во входных газах могут использоваться не только устройства, сходные с теми или идентичные тем, что способны выполнять функции устройства 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах, но и микроволновые устройства, устройства реструктурирования топлива, устройства, сконструированные по образцу двигателей LAG, и другие. При ином подходе общие устройства 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР во входных газах могут использоваться, чтобы уменьшить количество компонентов ВСР, поступающих в основную камеру 34. В этих целях в указанные устройства 70 повышения управляемости для улучшения их регулирующей функции могут быть включены датчики компонентов ВСР. В случае предварительного смешивания топлива эти устройства повышения управляемости могут помещаться до и/или после устройства 44D подачи топлива в газоподводе 58. Если такие устройства 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР во входных газах используются, то они регулируются частью электронной системы 30 управления двигателем.

[00123] Имеются другие общие конструктивные особенности, присущие использованию процесса 100 ИОССР и других реализаций в двигателе 200 ИОССР в эксплуатационных условиях. Одна такая особенность заключается в том, что в большинстве двигателей ВС с ИОССР-НВ, являющихся реализацией двигателя ИОССР 200, в оптимальном случае места подачи топлива в основную камеру 34 (через устройства 44А и 44В подачи) находятся на удалении от каналов 42 МК, которые расположены в оболочке корпуса цилиндра. Оптимальное исполнение предусматривает, что впрыскиваемая смесь «отводится» от течений, ведущих к МК. Предполагается, что необходимо избегать прямого втягивания потоков топлива, попадающего при НВ, в возникающие под действием давления потоки, которые уносят входные газы 66 в эти камеры 32 МК (и даже избегать попадания в те внутренние течения, которые могут внести топливную смесь в эти потоки). Это справедливо (в той мере, насколько это выполнимо) и для случая, когда одна или более камер 32 МК располагаются в подвижном рабочем органе 40. Такие камеры 32 МК функционируют как камеры 32 МК, не подключенные к управлению. В целом камеры 32 МК, не подключенные к управлению, не содержат никаких внутренних или внешних средства регулирования производства компонентов ВСР. Такие не подключенные к управлению камеры 32 МК иногда используются для того, чтобы до некоторой степени разгрузить подключенные к управлению камеры 32 МК и сделать более точным полное регулирование процесса производства компонентов ВСР (уменьшая при этом проектные допуски). При необходимости не подключенные к управлению камеры 32 МК могут быть также установлены в боковой части 38 оболочки корпуса или в верхней части 36 оболочки корпуса.

[00124] Следует подчеркнуть, что в конечном счете камеры 32 МК функционально не предназначены для способствующего воздействия на воспламенение и сгорание «текущего» газового заряда с топливом и воздухом в основной камере 34 для «текущего» рабочего цикла цилиндра двигателя. Принцип заключается как раз в том, что камеры 32 МК служат исходными базами производства компонентов ВСР в одном цикле для целевого использования при воспламенении и сгорании в основной камере в последующих циклах сгорания. Поэтому камеры 32 МК нельзя назвать местом процессов, (непосредственно) предшествующих сгоранию.

[00125] На Фиг.4A-4D представлен пример роторного двигателя ВС с ИОССР (ниже называемого двигатель 300 ИОССР), который представляет собой вариант исполнения двигателя 200 ИОССР и реализует процесс 100 ИОССР. Таким образом, двигатель 300 ИОССР может использовать и воплощать в себе две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР. У двигателя 200 ИОССР, изображенного на Фиг.2А-2В, и двигателя 300 ИОССР, изображенного на Фиг.4A-4D есть ряд общих признаков. Поэтому для большей четкости изложения описание некоторых общих особенностей двигателя 300 ИОССР, схематически изображенных на Фиг.4A-4D, опускается в предположении, что общие признаки адекватно представлены в описании двигателя 200 ИОССР и его схематическом изображении на Фиг.2А-2В. Хотя двигатель 200 ИОССР и двигатель 300 ИОССР обладают в целом одинаковыми классифицирующими признаками, двигатель 300 ИОССР характеризуется несколькими особенностями.

[00126] Например, подвижный рабочий орган 40 также носит название «ротор» 86. В двигателе 300 ИОССР основная камера 34 состоит из пространства (объема), образованного ротором 86 и участками «верхней» части 36 оболочки корпуса, «боковой» части 38 оболочки корпуса и либо «торцевой» частью 94 оболочки корпуса и «перегородочной» частью 90 оболочки корпуса, либо двумя перегородочными частями 90 оболочки корпуса.

[00127] По Фиг.4А видно, что ротор 86 создает в двигателе 300 ИОССР три пространства основной камеры. В зависимости от положения ротора 86, эти пространства основной камеры могут иметь три различных функции. Они могут служить либо камерой 82 впуска, либо камерой 84 выпуска, либо камерой 34 основного сгорания. Когда в каком-либо из этих пространств основной камеры происходят химико-кинетические процессы, подготавливающие воспламенение, осуществляющие воспламенение или следующие за воспламенением, эти пространства считаются находящимися в «положении сгорания». И когда какое-либо из пространств основной камеры двигателя 300 ИОССР находится в положении сгорания, оно само считается одной из основных камер 34. Таким образом, в роторных двигателях понятие «основная камера» 34 включает в себя функционально эквивалентную часть тех одного или двух (в зависимости от положения ротора) из трех (или больше, как и в случае квазитурбинного двигателя) пространств камеры, которые находятся в положении сгорания.

[00128] В двигателе 300 ИОССР «верхней» частью 36 оболочки корпуса считают «радиально наружную» (направленную наружу относительно вала 88) часть оболочки корпуса двигателя, примыкающую к пространству, которое образуется ротором и оболочкой корпуса, когда одна из трех поворачивающихся сторон ротора находится в верхней мертвой точке ВМТ (как левая сторона ротора на Фиг.4А). По определению, сторона ротора находится в двигателе 300 ИОССР в ВМТ, когда пространство между ней и внутренней поверхностью оболочки корпуса минимально, и пространство основной камеры, которое она образует, находится в одном из «положений сгорания» (а не в комбинированном положении выпуска-впуска, которое наблюдается в противоположном «секторе» цилиндра двигателя). Таким образом, «боковой» частью 38 оболочки корпуса на Фиг.4А и Фиг.4В считается тот остаток «радиально наружной» части оболочки корпуса, окружающей цилиндр сгорания, который не входит в «верхнюю» часть 36 оболочки корпуса.

[00129] Предполагается, что ротор 86 вращается против часовой стрелки. Таким образом, МК 32, изображенная на чертеже вверху слева, далее рассматривается как «опережающая» МК 32. МК 32 в оболочке корпуса цилиндра, изображенная на Фиг.4А внизу слева, рассматривается как «запаздывающая» МК 32. Следует отметить, что на Фиг.4В и Фиг.4С схематически представлена информация, касающаяся более одного цилиндра двигателя. Запаздывающая МК 32 Фиг.4А изображена как часть цилиндра двигателя, через которую проходит плоскость сечения А-А, показанная на Фиг.4В; детали блока МК в сечении А-А (для более чем двух цилиндров двигателя) показаны на Фиг.4С.

[00130] Входные газы 66 поступают в цилиндр двигателя через впускной канал 72 из впускного коллектора 26 двигателя (эти компоненты являются частями газоподвода 58), а выхлопные газы 68 выходят из цилиндра двигателя через выпускной канал 74 в выпускной коллектор 28 двигателя (эти компоненты являются частями газоотвода 60).

[00131] В каждом цилиндре двигателя 300 ИОССР используется пара опережающих камер 32 МК, подключенных к управлению. В каждую из опережающих камер 32 МК в этих парах подается управляющая жидкость из многожидкостных или двухжидкостных устройств 44А подачи. В одну подключенную к управлению запаздывающую МК 32 в каждом цилиндре двигателя подается управляющая жидкость из одного устройства 44С подачи контрольной жидкости для образования компонентов ВСР (Фиг.4А). И, наконец, по паре не подключенных к управлению камер 32 МК встраиваются в каждую из трех сторон ротора 86 (как можно увидеть, обратившись к Фиг.4А и Фиг.4D).

[00132] Хотя это не показано, каждая из подключенных к управлению МК имеет одно или более устройств 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в мини-камере. Кроме того, считается, что в двигателе 300 ИОССР есть (и находится в эксплуатационной готовности) устройства 62 рециркуляции выхлопных газов (с устройствами 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах) и устройства повышения управляемости производства компонентов ВСР во входных газах 70.

[00133] Благодаря тому, что в случае предварительного приготовления смеси на газоподвод 58 (в данном случае непосредственно во впускной коллектор 26 двигателя) устанавливается общее устройство подачи топлива 44D, а в случае впрыска топлива методом НВ в основной камере устанавливается двухжидкостное устройство 44А подачи, и, кроме того, устанавливается одно устройство 56 повышения управляемости временного режима воспламенения, двигатель 300 ИОССР может использовать и воплощать в себе две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР. Функционирование в рамках этих различных реализаций процесса управляется электронной системой 30 управления двигателя, регулирующей работу различных устройств подачи топлива и управляющей жидкости (44А, 44С и 44D) и различных устройств повышения управляемости производства компонентов ВСР (54, 64 и 70), устройств 62 рециркуляции выхлопных газов и устройств 56 повышения управляемости временного режима воспламенения так, как этого требуют условия работы.

[00134] Специалистам в данной области техники должно быть совершенно очевидно, что двигатель 300 ИОССР в данном примере (изображенный на Фиг.4A-4D) представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию роторного двигателя, и что помимо упомянутых могут быть добавлены другие компоненты, а имеющиеся компоненты могут быть удалены или модифицированы. Кроме того, возможно множество других вариантов роторного двигателя ИОССР, в которых также можно будет использовать и воплощать процесс 100 ИОССР.

[00135] На Фиг.5А-5С представлен пример двухтактного поршневого двигателя ВС с ИОССР (ниже называемого двигатель 400 ИОССР), который представляет собой вариант исполнения двигателя 200 ИОССР и может и использовать и воплощать процесс 100 ИОССР. Таким образом, в двигателе ИОССР 400 могут быть осуществлены две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР. У двигателя 200 ИОССР, изображенного на Фиг.2А-2В, и двигателя 400 ИОССР, изображенного на Фиг.5А-5С, есть ряд общих признаков. Поэтому для большей четкости изложения описание некоторых общих особенностей двигателя 400 ИОССР, схематически изображенных на Фиг.5А-5С, опускается в предположении, что общие признаки адекватно представлены в описании двигателя 200 ИОССР и его схематическом изображении на Фиг.2А-2В. Хотя двигатель 200 ИОССР и двигатель 400 ИОССР обладают в целом одинаковыми классифицирующими признаками, двигатель 400 ИОССР характеризуется несколькими особенностями.

[00136] Например, подвижный рабочий орган 40 также носит название «поршень» 76. Поршень 76 находится в двигателе ИОССР 400 в положении ВМТ, когда объем основной камеры 34 минимален. Хотя эта специфическая терминология не используется при описании Фиг.5А, верхняя часть 36 оболочки корпуса в этой реализации двухтактного поршневого двигателя может также называться «головкой цилиндра», а боковая часть 38 оболочки корпуса может также называться «гильзой цилиндра». Верхняя часть 36 оболочки корпуса в примере двигателя 400 ИОССР имеет форму диска. Этот сегмент в форме диска распространяется над верхней частью цилиндра двигателя. Он закрывает цилиндр, углубляясь в него по оси до положения, приблизительно соответствующего нижней части устройств 56 повышения управляемости временного режима воспламенения. Боковая часть 38 оболочки корпуса - это та часть оболочки, которая в осевом направлении начинается непосредственно от этого положения.

[00137] Верхняя часть 36 оболочки корпуса в виде сверху показана на Фиг.5В. Этот вид проходит через секущую плоскость, обозначенную на Фиг.5А линией Е-Е. Как видно на Фиг.5В, один двухжидкостный инжектор 44А подает управляющую жидкость в восемь подключенных к управлению камер 32 МК. Хотя четыре из этих МК отличаются своей геометрией от остальных четырех, в эксперименте, проведенном с моделью этой реализации (см. САЕ Документ № 2007-01-0135, Бланк Бланк (Blank)), предполагалось, что все они имеют одинаковый объем (хотя это не обязательно). Данный чертеж представляет собой функциональную схему, а не подробное и выполненное с соблюдением масштаба изображение.

[00138] Фиг.5С представляет собой схематический радиальный разрез по упрощенно показанным верхним частям впускного канала 72, выпускного канала 74 и поршня 76 в тот момент, когда поршень находится у нижней мертвой точки НМТ. И в данном случае это лишь функциональный вид сверху, а не точное представление радиального разреза. Подобно двигателю 300 ИОССР в двигателе 400 ИОССР входные газы 66 поступают через впускные каналы 72 из частей впускного коллектора 26 (эти компоненты являются частями газоподвода 58), а выхлопные газы 68 выходят через выпускные каналы 74 в части выпускного коллектора 28 двигателя (эти компоненты являются частями газоотвода 60). Также подобно двигателю 300 ИОССР происходит подача топлива непосредственно во впускной коллектор 26 через устройство 44D подачи топлива на газоподводе. Преимущества расположения впускного канала 72 и выпускного канала 74 в двигателе 400 ИОССР с двухъярусной поверхностью поршня (Фиг.5А и Фиг.5С) связаны с тем, что создаются в высшей степени симметричные внутренние течения, благодаря которым удается избежать излишнего перемешивания выходящих выхлопных газов 68 со входящими входными газами 66 на этапах выпуска и впуска (как это описано подробнее в САЕ Документ № 2007-01-0135, Бланк [Blank]).

[00139] Как и для двигателя 200 ИОССР, предполагается, что двигатель 400 ИОССР может быть снабжен различными устройствами повышения управляемости производства компонентов ВСР (54, 64 и 70) и устройствами 62 рециркуляции выхлопных газов. Один из примеров устройства 62 рециркуляции выхлопных газов, которое может использоваться в этой реализации, приводится в САЕ Документ № 2007-01-0135, Бланк (Blank). Предполагается также, что эти устройства, а также различные устройства подачи топлива и управляющей жидкости (44А, 44С и 44D) и устройства 56 повышения управляемости временного режима воспламенения управляются электронной системой 30 управления двигателем. Регулирование с помощью системы 30 управления осуществляется так, как этого требуют условия работы двигателя 400 ИОССР. Таким образом двигатель 400 ИОССР может использовать и воплощать в себе две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР.

[00140] Специалистам в данной области техники должно быть совершенно очевидно, что двигатель 400 ИОССР в данном примере, изображенный на Фиг.5А-5С, представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию двухтактного поршневого двигателя, и что помимо упомянутых могут быть добавлены другие компоненты, а имеющиеся компоненты могут быть удалены или модифицированы. Кроме того, возможно множество других двухтактных поршневых реализаций двигателя 400 ИОССР, в которых также можно будет использовать и воплощать процесс 100 ИОССР.

[00141] На Фиг.6A-6D представлен пример четырехтактного поршневого двигателя ВС с ИОССР (ниже называемого двигатель 500 ИОССР), который представляет собой реализацию двигателя 200 ИОССР, в которой используется процесс 100 ИОССР. Таким образом, в двигателе ИОССР 500 могут быть осуществлены две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР. У двигателя 200 ИОССР, изображенного на Фиг.2А-2В, и двигателя 500 ИОССР, изображенного на Фиг.6A-6D, есть ряд общих признаков. Поэтому для большей четкости изложения описание некоторых общих особенностей двигателя 500 ИОССР, схематически изображенных на Фиг.6A-6D, опускается в предположении, что опущенные общие признаки адекватно представлены в описании двигателя 200 ИОССР и его схематическом изображении на Фиг.2А-2В. Хотя двигатель 200 ИОССР и двигатель 500 ИОССР обладают в целом одинаковыми классифицирующими признаками, двигатель 500 ИОССР характеризуется несколькими особенностями.

[00142] Например, подобно двигателю 400 ИОССР в двигателе 500 ИОССР подвижный рабочий орган 40 также носит название «поршень» 76, и поршень 76 находится в положении ВМТ, когда объем основной камеры 34 минимален. Кроме того, подобно двигателю 400 ИОССР, верхняя часть 36 оболочки корпуса в этой реализации четырехтактного поршневого двигателя может также называться «головкой цилиндра», а боковая часть 38 оболочки корпуса может также называться «гильзой цилиндра». Верхняя часть 36 оболочки корпуса в примере двигателя 500 ИОССР имеет форму диска и распространяется над верхней частью цилиндра двигателя. Она закрывает цилиндр, углубляясь в него по оси до положения, соответствующего двум прямым углам в основной камере 34, показанным на Фиг.6А и Фиг.6В (несколько выше наивысшей точки перемещения поршня 76, имеющего в данном примере вогнутое днище). Боковая часть 38 оболочки корпуса - это та часть оболочки, которая в осевом направлении начинается непосредственно от этого положения.

[00143] Представлены два осевых разреза двигателя 500 ИОССР. На Фиг.6А показан осевой разрез по линии D-D, где отчетливо показано расположение подключенных к управлению камер 32 МК, которые располагаются в верхней части оболочки корпуса. На Фиг.6 В представлен осевой разрез, включающий линии сечения J-J и K-K. На этом чертеже отчетливо показано расположение впускного клапана 78 и выпускного клапана 80. Входные газы 66 из впускного коллектора 26 двигателя могут поступать в основную камеру 34 через впускной клапан 78, а выхлопные газы 68 из основной камеры могут выходить в выпускной коллектор 28 через выпускной клапан 80. На Фиг.6 В показано также наличие общего устройства 44D подачи топлива на газоподводе, которое подает топливо непосредственно во впускной коллектор 26 двигателя (на газоподводе 58)

[00144] Представлены также два радиальных разреза. Первый, на Фиг.6С, показывает вид сверху верхней части 36 оболочки корпуса. Плоскость этого разреза включает линии D-D (на Фиг.6А) и J-J (на Фиг.6В). Как видно на Фиг.6В, один двухжидкостный инжектор 44А подает управляющую жидкость в четыре подключенных к управлению камеры 32 МК. Как и Фиг.6А и Фиг.6В, данный чертеж (Фиг.6С) представляет собой функциональную схему, а не подробное и выполненное с соблюдением масштаба изображение. Второй разрез, на Фиг.6D, представляет схематическое упрощенное изображение поршня 76 в тот момент, когда поршень находится у нижней мертвой точки НМТ. И в данном случае это лишь функциональный вид сверху, а не точное представление радиального разреза.

[00145] Двигатель 500 ИОССР представляет собой еще один пример, в котором не подключенные к управлению камеры 32 МК располагаются в подвижном рабочем органе 40. Размещение этих неуправляемых камер будет понятно при сравнении Фиг.6В и Фиг.6D. Из Фиг.6D ясно, что четыре неуправляемых камеры 32 МК располагаются симметрично в центральной части углубления на поршне 76. Хотя их функция совершенно иная, расположение этих не подключенных к управлению камер 32 МК в поршне весьма сходно с оптимальным расположением «воздушных камер», описанным в САЕ Документ № 952359 (Reitz, et. al.). В этой ранней работе впускные/выпускные каналы воздушных камер были предусмотрены со значительно большими диаметрами, что исключало производство компонентов со свободными радикалами в двигателе. Работа САЕ Документ № 2007-01-0013, Бланк (Blank) привлекает внимание к возможности пользоваться в двигателе 500 ИОССР работой клапанов и дополнительных клапанов с помощью специальных закономерностей перемещения клапанов, чтобы способствовать передаче компонентов ВСР от камер 32 МК к основной камере 34.

[00146] Как и для двигателя 200 ИОССР, рассматривавшегося в качестве примера, предполагается, что двигатель 500 ИОССР может быть снабжен различными устройствами повышения управляемости производства компонентов ВСР (54, 64 и 70) и устройствами 62 рециркуляции выхлопных газов. Пример использования устройства 54 повышения управляемости производства компонентов ВСР в мини-камере для полного контроля временного режима сгорания в четырехтактной реализации двигателя ИОССР, весьма сходного с двигателем 500 ИОССР, приводится в работе САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank]. Также применимый к двигателю 500 ИОССР пример комбинированного и согласованного использования устройства 62 рециркуляции выхлопных газов и устройства 64 повышения управляемости производства компонентов ВСР в выхлопных газах приводится в совместном САЕ Документе № 2007-01-1887 и ДжСАЕ Документе № 20077212, Бланк (Blank). Эти устройства, а также различные устройства подачи топлива и управляющей жидкости (44А, 44С и 44D) и устройства 56 повышения управляемости временного режима воспламенения управляются электронной системой 30 управления двигателем. Это регулирование с помощью системы 30 управления осуществляется так, как этого требуют условия работы двигателя 500 ИОССР. Таким образом, двигатель 500 ИОССР может использовать и воплощать в себе две реализации процесса 100 ИОССР с полным ИОССР и четыре реализации с усилением КВСР.

[00147] Специалистам в данной области техники должно быть совершенно очевидно, что двигатель 500 ИОССР в данном примере, изображенный на Фиг.6A-6D, представляет собой обобщенную схематическую иллюстрацию четырехтактного поршневого двигателя, и что помимо упомянутых могут быть добавлены другие компоненты, а имеющиеся компоненты могут быть удалены или модифицированы. Кроме того, возможно множество других четырехтактных поршневых реализаций двигателя 500 ИОССР, в которых также можно будет воплощать и использовать процесс 100 ИОССР.

[00148] Реализации процесса 100 ИОССР в разновидности полного ИОССР с НВ в этих трех примерах реализации двигателя 200 ИОССР характеризуются единообразно сходной динамикой давления и температуры на том отрезке процесса ИОССР, который начинается несколько раньше события 2 110 и несколько позже события 8 140 на Фиг.1. Примерные графики для этих двух параметров сгорания для основной камеры 34 и подключенных к управлению мини-камер 32 для случае четырехтактного поршневого двигателя ВС, исследовавшегося в работе САЕ Документ № 2007-01-0623, Бланк (Blank), приводятся на Фиг.7А-7В. Этот двигатель сходен с двигателем 500 ИОССР с той разницей, что в нем нет не подключенных к управлению камер 32 МК в поршне 76. Обращаясь к Фиг.7А, важно отметить быстрое падение давления и в основной камере 34, и в камерах 32 МК непосредственно после прохождения ВМТ (УШ - 0 градусов). Это указывает на то, что одно только сжатие не обеспечивает достаточного количества тепла для самовоспламенения газов в основной камере. Таким образом, если бы после прохождения ВМТ компонентами ОН-ВСР не были инициированы экзотермические процессы, ведущие к воспламенению (см. выше описание события 7 135 по Фиг.1), наверняка произошел бы пропуск зажигания. И из Фиг.7 В видно, что во время этого периода, несмотря на снижение давления (в камерах 34 и 32), температура основной камеры 34 повышается благодаря этим предшествующим воспламенению процессам. Таким образом, на отметке 11 градусов УШ после ВМТ устойчиво запускается самовоспламенение.

[00149] В общей и упрощенной форме критерии самовоспламенения, ведущего к однородному сгоранию, могут быть сведены для заданного топлива к взаимодействию пяти факторов:

Это общее представление критериев в существенной для понимания интерпретации подразумевает, что обстоятельства, при которых будет происходить самовоспламенение, ведущее к однородному сгоранию (AI_HC,crit ), в общих чертах зависят от взвешенного взаимодействия (не суммы) следующих ключевых факторов: температуры топливо-воздушной смеси (T_mix), соотношения воздуха и топлива в смеси (A/F _rat), начальной (т.е. до начала происходящих при сжатии процессов с участием компонентов ВСР, ведущих к самовоспламенению) общей концентрации отдельных компонентов ВСР в топливо-воздушной смеси (R_conc), степени смешивания топливо-воздушной смеси (на глобальном уровне/уровне камеры) (D_mix) и времени существования активных компонентов ВСР в топливе после достаточного перемешивания топлива (R_res). T_eff обозначает температуру, соответствующую «эффективной СС заряда» для данного топлива и данного соотношения A/F _rat смеси в основной камере. При определенных используемых топливе, A/F_rat, условиях впуска заряда и т.п., T _eff, в свою очередь, зависит от «эффективной СС заряда». Таким образом, T_eff соответствует температуре, которая необходима для данного топлива и A/F_rat, чтобы самовоспламенение произошло только за счет КВ. Чем беднее соотношение А/F_rat , тем выше требуется T_eff для гарантированного события однородного самовоспламенения. Если этот общий критерий в течение цикла (обычно через небольшое время после прохождения ВМТ) не будет выполняться, будут происходить пропуски зажигания. Есть другие факторы, которые в этом упрощенном объяснении не принимались во внимание.

[00150] При полном КВППЗ (то есть без использования каких-либо компонентов ВСР с предыдущего цикла) формула самовоспламенения принимает простой вид: AI_HC,crit =a*T_mix/T_eff. По определению, при заданном соотношении A/F_rat воздух-топливо и топливе самовоспламенение в случае КВППЗ будет происходить, когда T_mix/T _eff достигнет 1. Таким образом, в этом случая критерии самовоспламенения будут выполнены, когда AI_HC,crit =а.

[00151] Общие отличительные особенности двигателей с полным ИОССР: Главное отличие в реализации процесса 100 ИОССР между двигателями с полным ИОССР и двигателями с усилением КВСР заключается в степени использования компонентов ВСР. Обобщенная реализация процесса терможидкостного химико-кинетического процесса воспламенения свободными радикалами (процесс 100 ИОССР), представленного на Фиг.1 и осуществляемого в двигателе 200 ИОССР (Фиг.2А-2В), до сих пор определялась и описывалась одновременно как для полного ИОССР, так и для усиления КВСР. Таким образом, хотя предшествующее изложение и было больше ориентировано на случай полного ИОССР, оно этим случаем не ограничивалось. И из-за неисключительного характера этого предшествующего изложения мало внимания уделялось отличительным особенностям двух разновидностей собственно полного ИОССР.

[00152] Хотя в общем случае двигатель с реализацией полного процесса 100 ИОССР может использовать подачу топлива через коллектор (или карбюратор), непосредственный впрыск топлива или сочетание обоих способов, наибольшая полная эффективность достигается только при НВ топлива. Кроме того, реализации двигателя ВС с полным ИОССР только в разновидности с HB топлива могут обеспечить несколько лучшее регулирование времени НС, чем в разновидности полного ИОССР с предварительным смешиванием топлива. Однако в обеих разновидностях полного ИОССР происходит необходимое максимальное использование компонентов ВСР для предварения инициирования и для инициирования самовоспламенения. Таким образом, как и в обычном КВППЗ, сгорание в реализациях процесса полного ИОССР оказывается однородным. Этим данный процесс резко отличается от продолжительных диффузионных процессов, происходящих при сгорании с ИЗ (характеризующемся сгоранием по фронтам пламени) и при сгорании с КВ с НВ (характеризующемся фазами предварительного смешивания и турбулентного перемешивания) (Internal Combustion Engine Fundamentals (Основы двигателей внутреннего сгорания), 1988 Хейвуд [Heywood]).

[00153] В целом величина R_res управляется, главным образом, через два фактора: время, которое требуется для активации компонентов ВСР, и временной режим подачи топлива: ее начало и продолжительность. Таким образом, это значение остается нулевым, пока не произойдет двух событий: (1) в результате подачи топлива оно будет эффективно перемешано с другими газами основной камеры, и (2) компоненты ВСР достигнут нужной степени активности. Для обеих разновидностей полного ИОССР принимается, что степень усиления концентрации компонентов ВСР (R_conc) достигает своего максимального значения (R_{conc, макс}).

[00154] При сравнении с общими критериями однородного сгорания, представленными Уравнением (6), в разновидности полного ИОССР с НВ топлива (называемой в настоящем документе реализацией «ИОССР-НВ» процесса 100 ИОССР) не требуется, чтобы T_mix достигало T _eff, чтобы гарантировать самовоспламенение. При заданном топливе и соотношении A/F_rat воздух-топливо критерии самовоспламенения могут быть выполнены даже тогда, когда T _mix достигает значения, существенно меньшего, чем T _eff (когда собственно самовоспламенение начинается при температурах в типичном случае на 100-150°С более низких, чем T_eff), Кроме того, не требуется, чтобы D_mix принимало свое максимальное значение 1,0, хотя для однородности сгорания оно, как правило, должно быть достаточно близко к нему.

[00155] Для разновидности ИОССР-НВ процесса полного ИОССР, с учетом разного распределения масс в движущихся газах основной камеры, время существования компонентов ВСР отсчитывается с того момента, когда топливо, кислород и компоненты ВСР перемешаются при самых малых масштабах турбулентности. Сжатие приводит к повышению T_mix. Количество подаваемого топлива устанавливается для заданной скорости и нагрузки двигателя так, чтобы топливо-воздушная смесь оставалась относительно бедной (в сравнении с обычными двигателями КВППЗ и КВ с НВ). СС двигателя устанавливается ниже, чем это требуется для достижения T_eff (которое соответствует A/F_rat и другим характеристикам смеси во входящем заряде). Начальная концентрация R_conc компонентов ВСР и полное среднее (глобальное среднее) времени R_res существования компонентов ВСР (которое управляется, главным образом, через временной режим подачи топлива: ее начало и продолжительность) согласуются с повышением температуры (из-за химических процессов сжатия и механизмов, предшествующих самовоспламенению) и скоростью перемешивания таким образом, чтобы гарантировать, что зажигание произойдет в нужное время.

[00156] В случае разновидности ИОССР-НВ мы можем принять эти факторы такими, что для заданного соотношения A/F_rat воздух-топливо и топлива критерий самовоспламенения будет представлять собой F [a*T_mix /T_eff; c*R_{conc, макс}; d*(1.0-D_mix ); e*R_res]. Таким образом, самовоспламенение в случае ИОССР-НВ произойдет тогда, когда эта функция достигнет а. Записав в полуаналитической форме, для DI-HCRI получим:

{AI_HC,crit}_DI-HCRI=F[a*T_mix/T _eff; c*R_conc,max; d*(1.0-D_mix); e*R _res]=a(7)

где а представляет собой необходимое значение для самовоспламенения в формуле для обычного КВППЗ (соответствующее «эффективной» СС заряда для обычного КВППЗ). Хотя в целях лучшего понимания три других коэффициента могут упрощенно рассматриваться как константы, в действительности они (с, d и e) являются нелинейными функциями от T_mix, R_conc , D_mix и R_res. Отметим, что R_{conc, макс} обозначает начальную концентрацию ключевых компонентов ВСР и не меняется в ходе процессов, предшествующих воспламенению.

[00157] Таким образом, в любой момент режима работы двигателя в реализации ИОССР-НВ процесса 100 ИОССР регулирование сгорания в основной камере 34 осуществляется строго за счет ряда средств, которые управляют компонентами ВСР. Два основных средства управления «эффективным» НС в воплощении ИОССР-НВ процесса 100 ИОССР следующие: (1) точное регулирование количества (массы на каждый цилиндр двигателя) компонентов ВСР, произведенных и переданных на следующий цикл, и (2) величина времени существования, которым располагают эти компоненты ВСР до зажигания в контакте с топливом в основной камере 34.

[00158] Для разновидности полного ИОССР с предварительно приготовленным зарядом (называемой в настоящем документе реализацией «ИОССР-ППЗ» процесса 100 ИОССР) вся подача топлива может производиться через общий газоподвод 58 (как это обычно происходит при обычном КВОЗ) или же может использоваться некоторое сочетание этого способа и НВ в основную камеру 34 в момент времени, который обычно предшествует началу этапа основного сжатия. Во всех подразновидностях в рамках этой разновидности процесса с предварительно приготовленной топливной смесью критерий самовоспламенения в идеальном случае не чувствителен к D_mix (которое в любом общем случае является константой, приобретающей свое максимальное значение 1,0 задолго до НС). Таким образом, для реализации ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР для заданного соотношения A/F_rat воздух-топливо и топлива критерий самовоспламенения будет выражен:

где а представляет собой необходимое значение для самовоспламенения в случае обычного КВППЗ. В этом процессе принципы регулирования не могут предусмотреть регулирование времени существования (взаимодействия) компонентов ВСР в топливе (R_res). Регулирование времени НС осуществляется прежде всего путем регулирования количества компонентов ВСР, произведенных в предыдущем цикле (циклах) и перенесенных в основную камеру 34.

[00159] Подчеркнем, что приведенные выше описания критериев, обусловливающих самовоспламенение в этих двух реализациях полного процесса 100 ИОССР, представлены в упрощенном виде. Тем не менее для сравнения этих реализаций полного процесса 100 ИОССР с такими реализациями процесса 100 ИОССР, как КВППЗ с усилением КВСР и КВ с НВ с усилением КВСР, сведений, содержащихся в указанных описаниях, вполне достаточно.

[00160] Согласно соответствующим фрагментам вышеприведенных общих описаний все реализации двигателей ВС, схематически изображенные на Фиг.2А-2В (двигатель 200 ИОССР), Фиг.4A-4D (двигатель 300 ИОССР), Фиг.5А-5С (двигатель ИОССР 400) и Фиг.6A-6D (двигатель ИОССР 500), представляют собой примеры исполнений двигателя, в которых могут использоваться и воплощаться реализации ИОССР-НВ и ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР. Существуют общие средства приведения в действие всех этих трех реализации двигателя ВС (300, 400 и 500) в качестве реализации процесса полного ИОССР. Эти общие средства составляют реализацию обобщенного терможидкостного химико-кинетического процесса (процесса 100 ИОССР), являющегося предметом настоящего изобретения, в примере реализации двигателя ВС (двигателя 200 ИОССР), которая была выше подробно описана и соотнесена с основными отличительными особенностями этих двух реализаций полного процесса ИОССР. В целях краткости и четкости изложения описание некоторых общих особенностей работы для трех примеров реализации двигателя ВС (двигатель 300 ИОССР, двигатель 400 ИОССР и двигатель 500 ИОССР) было опущено и предполагается, что опущенные общие особенности работы адекватно представлены в описании процесса 100 ИОССР, изображенного на Фиг.1, и в подробном описании работы двигателя 200 ИОССР. В частности, суть подробного описания процесса 100 ИОССР применима к полному ИОССР, и описание этого процесса полностью поясняет реализации ИОССР-НВ и ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР.

[00161] Далее, для достижения большей ясности общего описания следует рассмотреть назначение электронной системы 30 управления двигателем применительно к работе двигателя 200 ИОССР и трех примеров реализации двигателей ВС с ИОССР (300, 400 и 500) либо как реализацию ИОССР-НВ процесса 100 ИОССР, либо как реализацию ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР. Электронная система 30 управления двигателем должна гарантировать, что общее количество и временной режим подачи топлива в основную камеру 34, временной режим подачи и количество управляющей жидкости для камер 32 МК и использование всех устройств 54, 64 и 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР (если какие-либо из них или все они используются) полностью согласованы с условиями работы и характеристиками двигателя так, как это требуется для этих двух реализаций полного ИОССР. Как в реализации ИОССР-НВ, так и в реализации ИОССР-ППЗ общее количество компонентов ВСР, производимых, передаваемых, рециркулируемых и переносимых в целях способствования воспламенению, - это то количество, которое необходимо, чтобы оказывать полностью доминирующее воздействие на самовоспламенение, обеспечивая снижение (по сравнению с традиционными способам воспламенения) потребления тепла и концентраций топлива по отношению к кислороду, необходимых для воспламенения топлива. Кроме того, эти управляющие устройства должны работать так, чтобы обеспечить наступление самовоспламенения в желаемое время и чтобы мощность двигателя при этом соответствовала эксплуатационным требованиям к нагрузке и скорости.

[00162] Процесс 100 ИОССР не является технологией, исключающей другие подходы. В реализациях двигателей ВС с полным ИОССР (ИОССР-НВ и ИОССР-ППЗ) процесс ВСР нацелен исключительно на то, чтобы в полной мере использовать уникальные преимущества процесса «полного» ИОССР 100. Однако процесс 100 ИОССР может использоваться также для того, чтобы улучшить и усовершенствовать другие традиционные технологии. Оставшаяся часть этого раздела включает подробное описание четырех основных применений технологии ИОССР с усилением КВСР. Они представлены в виде дополнительных реализаций процесса 100 ИОССР, изображенного на Фиг.1, и в целом описываются как модифицированные реализации двигателя 200 ИОССР, изображенного на Фиг.2А-В. В двух из этих реализаций воспламенением осуществляется в виде КВ, а в двух - в виде ИЗ. Кроме того, в двух из этих реализаций используется предварительно приготовленный заряд, а в двух - НВ топлива.

[00163] Общие отличительные особенности реализации КВППЗ с усилением КВСР: К недостаткам обычного КВППЗ (КВОЗ и КВПС) относятся затруднения, сопряженные с распространением однородного сгорания от КВ на продолжительность всего режима работы двигателя. При тех же режимах работы двигателя, где использование КВППЗ может быть эффективно, наблюдаются затруднения с управлением НС. Для осуществления этого управления обычно требуются сложные средства, включающие большое количество датчиков, сложные логические схемы, управляемые датчиками, и системы, управляемые историей сгорания.

[00164] В обычном КВППЗ, как правило, используются лишь два из нескольких главных факторов, позволяющих управлять самовоспламенением для однородного сгорания. Один из этих факторов сводится к требованию тщательного перемешивания топлива с воздухом при самых малых масштабах турбулентности. По определению, в КВППЗ это достигается тривиальным образом путем предварительного смешивания топлива с воздушным зарядом задолго до момента НС. Второй фактор - это требования к тепловому режиму (обеспечение «эффективной» СС заряда). Для того чтобы самовоспламенение произошло в нужный момент, смесь должна быть (в этот момент) доведена точно до «эффективной» СС заряда, соответствующей начальным условиям заряда для цилиндра двигателя. Если «эффективная» СС заряда в точности соответствует механической степени сжатия двигателя, то сгорание будет происходить в нужное время.

[00165] Как указывалось ранее, самовоспламенение при общем КВППЗ опирается на «низкотемпературные» химико-кинетические механизмы КВ, которые начинаются с реакциями запуска цепи при окислении топлива при существенно более высоких температурах (хотя и называемых «низкими» температурами) по сравнению с «более низкими» температурами, используемыми при полном ИОССР (САЕ Документ № 2007-01-0047, Бланк [Blank], САЕ Документ № 2007-01-0135, Бланк [Blank] и САЕ Документ № 2007-01-0623, Бланк [Blank]).

[00166] Сгорание топлива при КВППЗ сопряжено и с расходованием компонентов ВСР. Обычно только после начала этих реакций запуска цепи при окислении топлива (при более высоких «низких» температурах) концентрации компонентов ВСР начинают накапливаться все более высокими темпами. Вскоре после этого в процессе КВППЗ при более высоких температурах компоненты ВСР начинают распадаться, создавая радикалы ОН ^- в изобилии.

[00167] В этом заключается отличие от механизма расщепления топлива при самовоспламенении, который инициируется компонентами ОН-ВСР при общей «более низкой» температуре и используется в процессе воспламенения с полным ИОССР, где, благодаря передаче, рециркуляции и переносу компонентов ВСР, произведенных в предыдущих циклах, компоненты ВСР уже присутствуют в заряде в относительном изобилии. Таким образом, для производства этих компонентов не требуются более высокие «низкие» температуры (или более высокие значения «эффективной» СС заряда), свойственные КВППЗ. Процессы, предшествующие воспламенению, и воспламенение (для заданного топлива) в двигателях ВС с полным ИОССР (как ИОССР-НВ, так и ИОССР-ППЗ) управляются механизмами, описанными в событиях 6 130 и 7 135 на Фиг.1 и происходящими при температурах ниже «более низких» и «более низких», соответственно. При таких крайне низких температурах в процессах, предшествующих воспламенению, в доминирующей реакции запуска цепи. Уравнения (1) используется . Пополнение ОН^- обеспечивается также реакцией запуска цепи Уравнения (2), где он производится из H₂ O₂, переданного и произведенного в процессах перед воспламенением. Эта реакция (Уравнение (2)) происходит с выделением большого количества теплоты и в конечном счете становится доминирующей реакцией, инициирующей самовоспламенение ВСР с помощью компонентов ВСР. Расходование ОН^- в период перед воспламенением и при воспламенении происходит по преимуществу в доминирующей реакции разветвления цепи Уравнения (3).

[00168] Несмотря на то, что он начинается при относительно более низких температурах, этот общий процесс реакций запуска цепи и разветвления цепи с ВСР в случае полного ИОССР происходит значительно быстрее, чем общий процесс реакций запуска цепи (и разветвления цепи), инициируемый прямым окислением топлива посредством O₂ в случае КВППЗ, который проходит при более высоких «низких» температурах. Когда два этих химических механизма соединяются в реализации процесса КВППЗ с усилением КВСР (называемой далее реализацией «КВППЗ КВСР» процесса 100 ИОССР), многие из проблем «обычного» КВППЗ преодолеваются.

[00169] При определенной степени усиления в реализации процесса КВППЗ КВСР (как и при полном ИОССР) ОН^- образуется в основной камере 34 реакцией Уравнения (2), протекающей с выделением большого количества теплоты, из заблаговременно поступившего Н₂О₂ (переданного, рециркулированного и перенесенного в процессе 100 ИОССР) задолго до самовоспламенения КВППЗ КВСР. Несмотря на сложность задействованных механизмов, ускорению этого значительно более раннего (чем при обычном КВППЗ) образования ОН^- в значительной степени способствуют другие компоненты ВСР. И на протяжении большей части этого процесса, предшествующего воспламенению, концентрации всех компонентов ВСР в целом растут. Произведя внутреннюю энергию в ходе экзотермической реакции Уравнения (2), радикал ОН^- далее используется для производства дополнительной внутренней энергии в реакции разветвления цепи Уравнения (3) и общих механизмах, которые запускаются вследствие наличия различных радикалов . Таким образом, как и при полном ИОССР, в КВППЗ с усилением КВСР на ранней стадии процессов самовоспламенения образуются радикалы (хотя и в меньших количествах, что определяется степенью усиления концентрации компонентов ВСР).

[00170] Главной особенностью реализации процесса КВППЗ КВСР, которая отличает их от реализации процесса ИОССР-ППЗ, является то, что в начальном состоянии в основной камере 34 не имеется достаточного количества компонентов ВСР, создающего концентрацию R_conc , необходимую для инициирования полного ВСР. Тем не менее с самого начала имеется достаточно компонентов ВСР для того, чтобы они могли поддерживать свое собственное наращивание и, в свою очередь, подпитывать механизмы экзотермических реакций, позволяющих достаточно поднять температуру основного заряда до новой величины T _eff для КВППЗ КВСР или близко к ней, чтобы обеспечить устойчивость обычных механизмов (прежде всего, реакций окисления топлива при более высоких «низких» температурах). Таким образом, критерий возможности самовоспламенения определяется комбинацией ВСР и КВППЗ.

[00171] При заданном соотношении A/F_rat воздух-топливо и типе топлива в реализации процесса КВППЗ КВСР основной критерий выполняется, если:

где (как и в предыдущих случаях) а выражает необходимое значение, соответствующее «эффективной» СС заряда (и, таким образом, зависящее от всех факторов, определяющих «эффективную» СС заряда для данного топлива и A/F _rat). И здесь, таким образом, а представляет собой необходимое значение для самовоспламенения в случае обычного КВППЗ. Хотя три весовые функции и в этом случае могут упрощенно рассматриваться как константы, в действительности весовые коэффициенты а, с и е (а также T_eff) являются нелинейными функциями от T_mix и R_conc. Так же, как и в случае полного ИОССР, изменения T_mix вызываются не одним только сжатием, а сочетанием сжатия и процессов, предшествующих воспламенению, которые инициируются присутствием компонентов ВСР (а также других компонентов). Единственное отличие между реализациями процесса ИОССР-ППЗ и реализациями процесса КВППЗ КВСР состоит в степени усиления, осуществляемого за счет компонентов ВСР. Значение R _conc ниже, чем значение R_{conc, макс}.

[00172] Дополнительный контроль момента самовоспламенения при процессе КВППЗ КВСР может быть достигнут следующим образом. Первоначально поддерживается более бедное A/F_rat, чем при обычном КВППЗ. Благодаря этому значение T_eff повышается (до уровня выше, чем это необходимо при обычном КВППЗ с его типично более богатыми концентрациями в смеси). Критерий гарантированного самовоспламенения в любом случае не будет в значительной степени зависим от T_mix, но при этом будет зависеть также от T_mix, R_conc и R_res. В период, предшествующий воспламенению, присутствие компонентов ВСР вызывает повышение самого T_mix через механизмы, работающие при «более низких» температурах. Таким образом, при определенной степени усиления, хотя некоторое количество более поздних химико-кинетических процессов, предшествующих самовоспламенению, еще может происходить из-за механизмов окисления топлива, протекающих при более высоких «низких» температурах (что в целом относится к процессам обычного КВППЗ), остальные химико-кинетические механизмы вызываются более ранними процессами, предшествовавшими воспламенению, и процессами воспламенения посредством известных механизмов, связанных с реализацией процесса ИОССР-ППЗ. Именно это последовательное использование двух видов механизмов (и таким образом дополнительные химические процессы, вызванные присутствием компонентов ВСР) позволяет более эффективно контролировать момент самовоспламенения в двигателях с КВППЗ КВСР.

[00173] Другое, и менее предпочтительное, решение предусматривает управление процессом КВППЗ КВСР не обеднением A/F_rat , а понижением СС двигателя. В этом случае значение T_eff не повышается. Очевидно, что из-за более низкой СС одного только сжатия не будет достаточно для доведения заряда до T_eff . Однако и в этом случае активность компонентов ВСР способствует процессу самовоспламенения за счет передачи дополнительной внутренней энергии, которая требуется, чтобы поднять T_mix до значения T_eff, необходимого при обычном КВППЗ. Очевидным третий подход к управлению процессом КВППЗ КВСР предусматривает как понижение СС (но не слишком сильное), так и обеднение смеси (также не слишком сильное).

[00174] Для полноты следует упомянуть, что в той степени, в какой работает усиление за счет компонентов ВСР, будет наблюдаться и некоторое пропорциональное понижение фактической температуры, при которой происходит самовоспламенение (ниже величины T_eff, необходимой для самовоспламенения в эквивалентных двигателях с обычным КВППЗ). Это происходит потому, что при реализации КВППЗ КВСР процесса 100 ИОССР воздействие химических процессов, происходящих с компонентами ВСР перед воспламенением, не ограничивается передачей дополнительной внутренней энергии основному заряду путем рециркуляции выхлопных газов (как в случае КВППЗ). Эти химические процессы создают также большое количество важных предварительных компонентов, необходимых для самовоспламенения. Многие из этих предварительных компонентов в конечном счете потребуются при самовоспламенении. Эти компоненты будут использоваться / необходимы как в механизмах окисления топлива обычного КВППЗ, проходящих при более высоких «низких» температурах, так и в механизмах запуска и разветвления цепи расщепления топлива, инициируемых компонентами ОН-ВСР и происходящих при «более низких» температурах реализации ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР. При КВППЗ КВСР после завершения некоторой части механизмов, относящихся к реализации ИОССР-ППЗ процесса 100 ИОССР при «более низких» температурах (что приводит к выделению внутренней энергии), остается больше ключевых компонентов ВСР и ОН^-, чем при обычном КВППЗ. При обычном КВППЗ эти компоненты ВСР и ОН^- не могут появиться в таких значительных при «более низких» температурах; они образуются большей частью тогда, когда температура заряда приближается к T_eff. Таким образом, изначальное присутствие этих компонентов ВСР способствует протеканию общих комбинированных механизмов очень сложной природы.

[00175] Общие отличительные особенности реализации КВ с НВ с усилением КВСР: Как усовершенствование обычных двигателей КВ с НВ (т.е. дизельных двигателей), процесс 100 ИОССР может обеспечить самовоспламенение и последующее более полное сгорание при обычной для дизелей СС, но в условиях более бедной смеси. Возникающая в результате этого новая реализация КВ с НВ с усилением КВСР (называемая далее реализацией КВНВ КВСР процесса 100 ИОССР) имеет преимущества перед обычными дизельными двигателями с НВ, будь то с рециркуляцией выхлопных газов или без нее.

[00176] В обычных двигателях КВ с НВ (с рециркуляцией выхлопных газов или без нее) самовоспламенение и последующее сгорание топлива проходит в две фазы (фаза перед смешиванием и регулирование смешивания). В обеих фазах реакции процесса протекают за счет механизмов высокотемпературного окисления и/или диссоциации. В фазе перед смешиванием самовоспламенение и сгорание, предшествующее смешиванию, управляются большей частью химико-кинетическими механизмами. В обычном случае заряд доводится до температур, превышающих значение T_eff (соответствующее обычному КВППЗ) путем сжатия (но обычно без использования тепловой составляющей рециркуляции выхлопных газов - при ее использовании она обычно охлаждается) до впрыска топлива. Вслед за этим в фазе регулирования смешивания сгорание оставшегося топлива в большей степени регулируется уровнями турбулентного перемешивания заряда при высоких температурах. При этом важную роль в обеих фазах играет диффузия. К сожалению, такая последовательность процессов сгорания приводит также к образованию максимального количества оксидов азота. По мере продолжения процесса и локального истощения кислорода (до такой степени, что становится невозможно поддерживать диффузию и турбулентное перемешивание) топливо, если оно состоит из крупных молекул, при приближении к высокотемпературным зонам в отсутствие кислорода подвергается пиролизу, образуя сажу.

[00177] При реализации же КВНВ КВСР процесса 100 ИОССР компоненты ВСР предварительно смешиваются с потоком кислорода и служат в этом потоке «усилителями сгорания», так что диффузионное горение в первой фазе и, обычно (но не обязательно всегда), во второй фазе (в зависимости от топлива, условий работы и степени усиления за счет компонентов ВСР) может произойти в условиях более бедной (а не стехиометрически уравновешенной) смеси. Таким образом двигатель может работать (и обычно работает) при более высоких A/F_rat. Чем беднее топливная смесь, тем ниже максимальные температуры пламени, что помогает сократить в целом образование NO_x.

[00178] При СС, до некоторой (от незначительной до умеренной) степени более низкой, чем при обычном КВ с НВ, критерии самовоспламенения при реализации процесса КВНВ КВСР почти совпадают с критериями для полного ИОССР с НВ, за исключением того, что соотношение воздух-топливо (A/F_rat) возрастает с течением времени после НачВ. Таким образом, используется наиболее общий критерий, а именно:

В этом случае (при СС, до некоторой (от незначительной до умеренной) степени более низкой, чем при обычном КВ с НВ) подача топлива может быть произведена раньше, и может достигаться большее перемешивание топлива до момента самовоспламенения. Подачи топлива может продолжаться (и обычно продолжается) так, что КонВ может произойти через некоторое время после НС. Уже во время самовоспламенения, когда пламя формирует оболочки, окружающие группы капель, которые продолжают поступать и проходить через основную камеру 34, компоненты ВСР способствуют процессам диффузионного горения, происходящим по этим фронтам. Подобно тому, как в первой фазе расходуется не весь кислород, так же обычно не расходуются в первой фазе все компоненты ВСР. И поскольку компоненты ВСР и кислород были хорошо перемешаны друг с другом до самовоспламенения, остающиеся компоненты ВСР продолжают взаимодействовать с потоками неиспользованного кислорода. Эти остающиеся компоненты ВСР, таким образом, остаются участвовать в следующей части цикла - в фазе регулирования смешивания. И при диффузии в фазе регулирования смешивания сгорание также может происходить и обычно происходит при несколько более бедном соотношении воздух-топливо, чем в обычных двигателях КВ с НВ.

[00179] Однако при использовании обычной СС для КВ с НВ, когда начало впрыска НачВ происходит лишь после того, как T_mix достигает (или почти достигает) T_eff, компоненты ВСР играют в самовоспламенении иную роль и мало влияют на выбор времени самовоспламенения (которая вместо этого управляется временем впрыска). Компоненты ВСР в таком случают способствуют тому, чтобы самовоспламенение происходило быстрее, и чтобы вокруг групп введенных в камеру капель образовывались более устойчивые оболочки пламени. Компоненты ВСР способствуют протеканию процесса диффузионного сгорания в условиях существенно более бедной (по сравнению с «обычными» двигателями КВ с НВ) смеси в обеих фазах сгорания.

[00180] Независимо от того, используется или нет более низкая СС, как в фазе перед смешиванием, так и в фазе регулирования смешивания важную роль играют реакции, описываемые Уравнением (2) и Уравнением (3). Как и в реализации КВППЗ КВСР процесса 100 ИОССР, механизмы диссоциации и окисления топлива при более высоких температурах, происходящие обычно в обеих фазах сгорания при обычном КВ с НВ, соответствующим образом видоизменяются. Обобщение видоизмененного механизма для разных топлив представляет собой сложную псевдогибридную комбинацию общих механизмов, происходящих при обычном КВ с НВ в период, предшествующий воспламенению, при воспламенении и сгорании, и механизмов, происходящих при полном ИОССР с НВ в период, предшествующий воспламенению, и при воспламенении. Степень, до которой эти механизмы видоизменяются, сопоставима со степенью усиления, осуществляемого за счет компонентов ВСР.

[00181] На этапе расширения из мини-камер выпускаются скоростные потоки, обогащенные компонентами ВСР. Среди прочего эти потоки несут с собой дополнительные компоненты ВСР и кислород. Они служат также для создания очень больших уровней турбулентности. Так, хотя присутствие первоначально находившихся в основной камере компонентов ВСР (с предыдущего цикла/циклов) уже ликвидировало большую часть процессов сажеобразования (за счет повышения эффективности процесса сгорания), при правильном нацеливании эти потоки также способствуют дальнейшему уничтожению всех очагов сажи, которые могли случайно образоваться.

[00182] Наконец, следует отметить, что при обычном воспламенении КВ с НВ перенос пламени по заряду сжатого воздуха зависит от импульса впрыскиваемых струй. При этом необходимо, чтобы топливо для КВ с НВ имело относительно высокое цетановое число (т.е. чтобы относительно быстро воспламенялось), что позволит согласовать сгорание, которое предшествует смешиванию, с интенсивностью впрыска. В противном случае (при более низком цетановом числе) может возникнуть излишний шум, а при определенных условиях работы - стук. Однако (как показано в САЕ Документе № 2004-01-1677, Бланк [Blank] и САЕ Документе № 2004-01-1847, Бланк [Blank], полностью включаемых в данный документ посредством ссылки) присутствие компонентов ВСР в достаточных количествах приводит к повышению цетанового числа.

[00183] Общие отличительные особенности реализации ИЗППЗ с усилением КВСР: Среди проблем, связанных с использованием обычного ИЗППЗ/ИЗОЗ, следует упомянуть трудности, возникающие на пределах режима работы ИЗППЗ, а именно стук при высоких нагрузках и необходимость дросселирования при низких нагрузках. Хотя сравнивать химико-кинетические механизмы воспламенения в двигателях с полным ИОССР с воспламенением в обычных двигателях ИЗППЗ труднее, чем с воспламенением в обычных двигателях КВППЗ, некоторые положения, обсуждавшиеся выше в связи с реализацией процесса КВППЗ КВСР, могут быть распространены и на ИЗППЗ с усилением КВСР.

[00184] Подобно процессам обычного КВППЗ и КВППЗ КВСР, ни обычное ИЗППЗ, ни ИЗППЗ с усилением КВСР (называемое далее реализацией ИЗППЗ КВСР процесса 100 ИОССР) не включают в себя диффузионного горения. В то же время подобно обычному КВ с НВ сгорание в пределах фронта пламени в обычном ИЗППЗ происходит при «более высоких» температурах по сравнению с «низкими» температурами обычного КВППЗ и «более низкими» температурами полного ИОССР. Однако поскольку НС и для обычного ИЗППЗ, и для ИЗППЗ с усилением КВСР вызывается искровым зажиганием, здесь нет оснований для сравнения при определении критериев самовоспламенения. Кроме того, в ИЗППЗ распространение пламени происходит, главным образом, в виде фронта пламени и не так сильно зависит от химико-кинетического или турбулентного смешивания.

[00185] При применении определенного топлива в обычном ИЗППЗ используются химико-кинетические механизмы диссоциации (термической и/или с участием других веществ) и окисления топлива, работающие при более высоких температурах. Тем не менее присутствие компонентов ВСР в реализации процесса ИЗППЗ КВСР оказывает воздействие, аналогичное воздействию компонентов ВСР в реализации процесса КВППЗ КВСР. Механизм воспламенения и в реализации процесса ИЗППЗ КВСР является полупоследовательным комбинированным механизмом, хотя он протекает в общем случае несколько быстрее, чем комбинированный механизм воспламенения в реализации процесса КВППЗ КВСР.

[00186] Несколько упрощая, можно свести роль компонентов ВСР в реализации процесса ИЗППЗ КВСР к тому, что они способствуют увеличению двух величин. Во-первых, они увеличивают воспламеняемость топлива. Во-вторых, их присутствие увеличивает скорость сгорания топливо-воздушной смеси в пределах фронта пламени. И при определенном типе топлива, СС и соотношении воздух-топливо за пределами фронта пламени может иметь место и третий вид воздействия.

[00187] Реакции Уравнения (2) и Уравнения (3) происходят в диапазоне температур, включающем "более низкие" температуры полного ИОССР и "более высокие" температуры обычного ИЗ. Таким образом, внутри фронта реакции Уравнения (2) и Уравнения (3) играют важную роль в сочетании с реакцией обычного окисления при высокой температуре или/и механизмом диссоциации топлива обычного ИЗППЗ. Как только во фронте пламени достигаются более высокие температуры, эти две реакции по-прежнему будут протекать в дополнение к механизму реакции окисления обычного ИЗППЗ при высокой температуре. Таким образом, для высокотемпературного механизма обычного ИЗППЗ компоненты ВСР в любом случае играют важную роль. Но эти компоненты могут играть свою роль в обычном ИЗППЗ только после того, как они были созданы при более высоких температурах механизмами запуска цепи, инициируемыми окислением.

[00188] Напротив, в реализации процесса ИЗППЗ КВСР эти отдельные компоненты ВСР уже присутствуют и могут "приступать к работе" намного раньше посредством реакций Уравнений (1) - (3) (и других более сложных механизмов, типичных для ВСР при использовании топлива как с малыми, так и с большими размерами молекулу). Тем не менее в силу того, что температуры повышаются значительно быстрее (чем в случае полного ИОССР), вскоре начинают преобладать механизмы, сходные с теми, что работают при обычном ИЗППЗ.

[00189] Когда компоненты ВСР уже присутствуют, сгорание в пределах фронта пламени происходит в целом быстрее. Скорость фронта может быть различной в зависимости от степени обогащения смеси и присутствия компонентов ВСР в заряде. Таким образом, хотя весь этот новый механизм ИЗППЗ КВСР во фронте пламени является полупоследовательным комбинированным (из механизмов полного ИОССР и обычного ИЗППЗ), эта комбинация работает в целом быстрее и с большей синхронностью (хоть и не совсем одновременно), чем комбинированный механизм реализации КВППЗ КВСР процесса 100 ИОССР.

[00190] Благодаря повышению воспламеняемости топлива, соотношение воздух-топливо (A/F_rat), используемое во всем режиме работы двигателя, может при реализации ИЗППЗ КВСР процесса 100 ИОССР быть выбрано однородно более бедным. Далее, воспламеняемость топлива (и, таким образом, значения A/F _rat) при различных нагрузках может регулироваться с определенной точностью с помощью R_conc (концентрации компонентов ВСР в заряде основной камеры). При высоких нагрузках, когда подается значительно больше топлива, требуется меньше компонентов ВСР. Таким образом, можно регулировать соотношение компонентов ВСР и топлива, чтобы гарантированно (для обычных условий) избежать стука в двигателе. При низких грузах, когда во избежание пропусков зажигания требуется дросселирование, добавляется больше компонентов ВСР, чтобы повысить воспламеняемость заряда. Таким образом, даже без дросселирования, благодаря присутствию компонентов ВСР, пропуски зажигания можно делать относительно менее вероятными. Кроме того, чтобы иметь некоторую возможность регулирования скорости распространения фронта пламени, может использоваться соотношение между компонентами ВСР и топливом, а также между компонентами ВСР и воздухом.

[00191] Наконец, комбинация химико-кинетических механизмов, работающих в пределах фронта пламени при реализации процесса ИЗППЗ КВСР позволяет осуществлять сгорание быстрее при более бедной топливной смеси. Таким образом, даже если локально (в пределах зоны сгорания) распространение может проходить быстрее, в целом создается меньше возможностей для того, чтобы реагирующие частицы преждевременно выбрасывались из зоны сгорания (степень проявления этого положительного эффекта отчасти зависит от топлива). Однако те частицы, которые выбрасываются, оказываются в среде, сильно отличающейся от той, в которой они оказываются в двигателях с обычным ИЗППЗ. В двигателях, где используется реализация процесса ИЗППЗ КВСР, эти частицы выбрасываются в основную камеру вне фронта в относительно богатый воздухом (по сравнению со стехиометрически уравновешенными условиями сгорания при обычном ИЗППЗ) заряд. При определенных видах топлива и эксплуатационных условиях двигателя в некоторых случаях некоторые из выбрасываемых неполных продуктов сгорания могут продолжать гореть.

[00192] Общие отличительные особенности реализации ИЗ с НВ с усилением КВСР: Если бензину передается слишком много тепла при сжатии, то вместо регулируемого сгорания обычно происходит детонация, приводящая к резкому повышению давления в цилиндре и удару по поршню с чрезмерным усилием. Это же может происходить и с другим топливом, имеющим высокое октановое и низкое цетановое число. Поэтому из-за того, что для бензина и других видов топлива со сходными характеристиками сгорания требуется медленное управляемое горение, до недавнего появления стандартных средств непосредственного впрыска бензина НВБ, которые позволяют управлять таким горением с помощью расслоения заряда, НВ для этих топлив был неосуществимым.

[00193] Недавно вошедшее в употребление искровое зажигание расслоенного заряда ИЗРЗ с НВ бензина ("GDI") основывается на расслоении топлива в заряде основной камеры. Рядом со свечой зажигания заряд поддерживается богатым, тогда как по мере удаления от свечи он постепенно беднеет. Это делается для того, чтобы сделать возможным ИЗРЗ с использованием бензина при низких нагрузках и сверхбедной смеси, не прибегая к дросселированию. Хотя происходит зажигание, инициируемое свечой, удается управлять расслоением заряда с помощью регулирования времени и интенсивности впрыска. Однако это известное решение не может применяться при более высоких нагрузках.

[00194] В реализациях ИЗ с НВ с усилением КВСР процесса ИОССР (называемых далее реализациями ИЗНВ КВСР процесса 100 ИОССР) две главных проблемы, связанные с воспламенением свободными радикалами расслоенного заряда ВСРРЗ при НВ, преодолеваются в несколько шагов. Сначала при однородном распределении компонентов ВСР в заряде, при низких нагрузках используются существенно более бедные концентрации топлива. Благодаря компонентам ВСР расслоение топлива при этом не требуется. После этого происходит корректировка средней концентрации топлива в заряде и начальной концентрации (R _conc) компонентов ВСР в воздушном заряде (почти пропорционально в противоположные стороны), которая обеспечивает возможность функционирования двигателя ИЗНВ КВСР во всем его режиме работы. Почему это оказывается возможным, объясняется так же, как объяснялся четырехчастный эффект присутствия компонентов ВСР при реализации процесса ИЗППЗ КВСР: (1) увеличение воспламеняемости топлива, (2) увеличение скорости сгорания воздушно-топливной смеси в пределах фронта пламени, (3) более легкое регулирование скорости фронта пламени и, в некоторых случаях, (4) возможность дополнительного сгорания вне фронта пламени.

[00195] Кроме того, при реализации ИЗНВ КВСР процесса 100 ИОССР обычно не образуется много сажи (если вообще она образуется) при использовании бензина и другого топлива с аналогичными характеристиками. Объяснение этому то же, что было дано в комментариях к троякому эффекту реализации КВНВ КВСР: (1) появляется возможность работать с более бедной смесью, то есть при более высоком содержании воздуха при сгорании (что уменьшает сажеобразование), (2) исключается сажеобразование в тех случаях, когда оно могло случайно произойти, с помощью скоростных высокотурбулентных потоков, обогащенных компонентами ВСР и кислородом, которые осознанно направляются в основную камеру сгорания, (3) образуются и распределяются компоненты ВСР, служащие "улучшению" цетанового числа.

[00196] Согласно соответствующим фрагментам вышеприведенных общих описаний все реализации двигателей ВС, схематически изображенные на Фиг.2А-2В (двигатель 200 ИОССР), Фиг.4A-4D (двигатель 300 ИОССР), Фиг.5А-5С (двигатель ИОССР 400) и Фиг.6A-6D (двигатель ИОССР 500), представляют собой примеры исполнений двигателя, в которых могут использоваться и воплощаться все четыре реализации процесса 100 ИОССР с усилением КВСР, описанные выше (КВППЗ КВСР, КВНВ КВСР, ИЗППЗ КВСР и ИЗНВ КВСР). Существуют общие средства приведения в действие всех этих трех реализаций двигателя ВС (300, 400 и 500) в качестве реализации любой из четырех разновидностей процесса 100 ИОССР с усилением КВСР. Эти общие средства составляют реализацию обобщенного терможидкостного химико-кинетического процесса (процесса 100 ИОССР), являющегося предметом настоящего изобретения, в примере реализации двигателя ВС (двигателя 200 ИОССР), которая была выше подробно описана и соотнесена с основными отличительными особенностями реализации процесса КВППЗ КВСР, процесса КВНВ КВСР, процесса ИЗППЗ КВСР и процесса ИЗНВ КВСР. В целях краткости и четкости изложения описание некоторых общих особенностей работы для трех примеров реализации двигателя ВС (двигатель 300 ИОССР, двигатель 400 ИОССР и двигатель 500 ИОССР) было опущено, и предполагается, что общие особенности работы, опущенные при обсуждении четырех реализаций с усилением КВСР, адекватно представлены в описании процесса 100 ИОССР, изображенного на Фиг.1, и в подробном описании работы двигателя 200 ИОССР. В частности, суть подробного описания процесса 100 ИОССР применима к случаям КВППЗ, КВ с НВ, ИЗППЗ и ИЗ с НВ с усилением КВСР, случаи и описание этого процесса полностью поясняют реализации КВППЗ КВСР, КВНВ КВСР, ИЗППЗ КВСР и ИЗНВ КВСР процесса 100 ИОССР.

[00197] Далее, для достижения большей ясности общего описания следует рассмотреть назначение электронной системы 30 управления двигателем применительно к работе двигателя 200 ИОССР и трех примеров реализации двигателей ВС с ИОССР (300, 400 и 500) в случае реализации КВППЗ КВСР, КВНВ КВСР, ИЗППЗ КВСР и ИЗНВ КВСР процесса 100 ИОССР. Электронная система 30 управления двигателем должна гарантировать, что общее количество и временной режим подачи топлива в основную камеру 34, временной режим подачи и количество управляющей жидкости для камер 32 МК и использование всех устройств 54, 64 и 70 повышения управляемости производства компонентов ВСР (если какие-либо из них или все они используются) полностью согласованы с условиями работы и характеристиками двигателя так, как это требуется для этих реализаций. Во всех этих реализациях общее количество компонентов ВСР, производимых, передаваемых, рециркулируемых и переносимых, чтобы способствовать воспламенению в последующих циклах, должно составлять такое количество, которое необходимо, чтобы нужным образом способствовать (не оказывая доминирующего воздействия) процессу воспламенения, обеспечивая снижение (по сравнению с традиционными способам воспламенения) потребления тепла и концентраций топлива по отношению к кислороду, необходимых для воспламенения топлива. Кроме того, эти управляющие устройства должны работать так, чтобы обеспечить соответствие мощности двигателя эксплуатационным требованиям к нагрузке и скорости. В двух реализациях усиления КВСР, которые предусматривают КВ, эти управляющие устройства должны также гарантировать, что зажигание произойдет в нужное время.

[00198] Из приведенных выше комментариев к четырем вариантам процесса 100 ИОССР с усилением КВСР должно быть очевидно, что механизмы воспламенения в этих реализациях процесса 100 ИОССР с усилением представляют собой комбинации усиленных механизмов обычных технологий и механизмов полного ИОССР. При усилении КВ с предварительно приготовленной смесью (КВППЗ КВСР) достигается однородность сгорания, а при усилении с НВ (КВНВ КВСР) и в вариантах с усилением ИЗ (ИЗНВ КВСР и ИЗППЗ КВСР) сгорание становится локально (но не глобально/не по всей камере) более однородным, чем в соответствующих традиционных процессах.