Форкамера: Форкамера: что это такое?

Необходимость извлекать максимальное количество мощности при минимально потраченной энергии побудила инженеров Формулы 1 обратиться к технологии, используемой на больших грузовиках. Технический эксперт AUTOSPORT Крэг Скарборо описал принцип работы форкамерно-факельного зажигания, который применили в Mercedes и Ferrari, и который ранее использовался на… правительственных «Волгах» в СССР…

Были времена, когда гонщика Ф1 запросто могли уволить за одно лишь сравнение машин Больших Призов с грузовиками. Но ирония состоит в том, что сейчас как минимум половина пелотона пользуется технологией повышения эффективности сгорания топлива, которая применяется на большегрузах…

С момента введения в гонках Гран При нового турбированного регламента в 2014 году вступило ограничение и на максимально доступное количество топлива на гонку – сейчас это 100 кг, а со следующего года будет 105 кг.

Это, в свою очередь, ограничило максимально допустимый мгновенный расход горючего и предельное давление, под которым топливо подается в камеру сгорания. Для инженеров подобные жесткие рамки стали настоящим вызовом – им необходимо было придумать способ в условиях этих ограничений добиться прежней выходной мощности силовых установок.

Но придумывать ничего не пришлось – специалисты вовремя вспомнили, что на больших грузовиках уже давно применяется технология форкамерно-факельного зажигания, позволяющая поджигать очень обедненную топливную смесь – практически неподжигаемую. Сегодня всё говорит о том, что именно к этой технологии обратились в Mercedes и Ferrari, а на подходе и остальные производители…

Традиционное зажигание

В двигателе с традиционной системой зажигания топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания внутри цилиндра. По окончании сжатия и воспламенения топливно-воздушной смеси возникает эффект расширения объема, что обеспечивает ход поршня и очередной рабочий такт.

Этому принципу уже много десятков лет, и работает он прекрасно до тех пор, пока смесь можно поджечь свечой зажигания, то есть пока она в достаточной степени обеспечена топливом. Если же смесь становится обедненной, поджечь при помощи традиционной свечи ее становится проблематично, и двигатель теряет мощность.

Что же делать?

Нынешние требования технического регламента ограничивают топливный поток в пределах 100 кг/час, а давление впрыска горючего не должно превышать 500 бар. А с учетом высоких оборотов и давления наддува современных силовых агрегатов Ф1 просто не хватает времени, чтобы естественным путем получить топливно-воздушную смесь, необходимую для эффективного сгорания.

Таким образом, требуется какой-то способ эффективного воспламенения смеси в рамках нынешних ограничений регламента, включающих в себя также наличие лишь одной свечи на цилиндр и единственной форсунки.

В какой-то момент показалось, что выходом в этой ситуации может быть использование технологии компрессионного воспламенения однородной смеси (HCCI). Это метод, при котором воспламенение топливной смеси осуществляется не только за счет искры от свечи зажигания, но и от высокой температуры и давления, подобно дизельным двигателям.

И хотя эта технология вполне применима в условиях Формулы 1, нашелся более легкий и простой способ увеличить КПД силовой установки. Всего три слова – форкамерно-факельное зажигание.

Что же такое форкамерно-факельное зажигание?

Форкамерно-факельное зажигание обычно используется на моторах большого объема. Эффективное заполнение богатой топливно-воздушной смесью больших цилиндров там затруднено, в связи с чем было решено разделить проблему надвое.

Была создана дополнительная маленькая камера сгорания, в которой и были установлены форсунка и свеча зажигания. В свою очередь эта камера была связана узким каналом с основной камерой сгорания цилиндра. Именно эта небольшая предварительная камера и получила название форкамеры.

А теперь разберемся, при чем тут факел.

В момент первого такта двигателя – впуск – значительно обедненная топливно-воздушная смесь впрыскивается при помощи форсунки в цилиндр, заполняя его слабовоспламеняемыми парами.

После этого небольшой объем форкамеры заполняется обогащенной смесью, достаточной для воспламенения свечой зажигания – непосредственно перед тактами сжатия и рабочего хода цилиндра.

Само воспламенение, как вы уже поняли, происходит не в основной камере, а во вспомогательной форкамере. Эту обогащенную смесь благодаря ее характеристикам поджечь не так сложно, а в результате этой реакции образуются языки пламени (а вот вам и факел!), которые проникают через отверстие в основную камеру и эффективно поджигают обедненную смесь.

Это можно сравнить с эффектом воспламенения обедненной смеси при помощи сразу нескольких свечей зажигания. Важно также и то, что при таком методе зажигания топливная смесь в основном цилиндре сгорает быстрее, увеличивая общий КПД двигателя.

Таким образом, форкамерно-факельное зажигание позволяет инженерам работать с обедненной топливно-воздушной смесью и не выходить за жесткие рамки технического регламента: форсунка одна, свеча зажигания одна – все правила соблюдены.

Применение технологии в Формуле 1

С учетом того, что эта технология довольно широко распространена, ни о каком грифе секретности здесь можно не говорить. За последние три года в Формуле 1 потребление топлива было снижено более чем на 30%, но инженерам этого мало, и они готовы покорять все новые и новые вершины технологической мысли.

И тогда как практически все специалисты сходятся во мнении, что в современных моторах Ф1 применяется технология форкамерно-факельного зажигания, никаких подтверждений этого факта в командах не давали.

Известно, что Ferrari сотрудничает с компанией Mahle и пользуется технологиями этого бренда, среди которых числится и форкамерное зажигание. Есть предположения о том, что значительный шаг в плане мощности итальянского двигателя в этом году обусловлен именно применением упомянутой технологии.

Команда Mercedes отказалась от комментариев по поводу использования обсуждаемой системы зажигания, отметив при этом, что они не пользуются наработками компании Mahle.

Но у Mercedes достаточно и своего опыта строительства больших коммерческих двигателей, так что они вполне могли справиться и своими силами. На прошлогоднем Гран При Италии команда не отрицала, что ей удалось сделать серьезный шаг в области работы двигателя, и есть предположение, что они намекали именно на применение системы форкамерно-факельного зажигания.

Теперь слово за мотористами Renault и Honda, которые в настоящий момент вряд ли используют нетрадиционную систему зажигания в своих силовых установках. К тому же, оба производителя заявили о готовящихся обновлениях мотора.

При этом французские мотористы опробовали новый силовой агрегат уже на прошедших на этой неделе тестах в Барселоне – и вполне вероятно, что они испытывали именно эту новинку. А японцы собираются представить обновленный двигатель уже в Канаде…

А ВЫ ЗНАЛИ, ЧТО…

…в советском легковом автопроме технология форкамерно-факельного зажигания впервые была применена на автомобиле «Волга» ГАЗ-3102? Разработанный на основе автомобиля ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-3102 должен был стать её преемником.

Однако по целому ряду политических и экономических причин данный автомобиль выпускался мелкой серией (около трех тысяч машин в год), вместо массового производства, исключительно как служебная машина советской номенклатуры среднего звена – для заместителей министров, директоров крупных трестов и предприятий, руководителей известных театров, генералов, видных академиков-лауреатов, редакторов изданий и режиссёров.

Перевел и адаптировал материал: Александр Гинько

Обзор форкамерных систем зажигания как технологии обедненного сгорания для двигателей SI

Основные моменты

•

Представлены концепции гомогенных и стратифицированных форкамерных систем зажигания.

•

Краткое изложение дается по основным работам, касающимся форкамерных систем зажигания.

•

Обсуждается влияние на характеристики горения и выбросов.

•

Выявлены ключевые преимущества и проблемы применения технологии форкамерного зажигания.

Реферат

Использование обедненных или сверхбедных соотношений воздух-топливо — эффективная и проверенная стратегия снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ. Предыдущие работы показывают, что обедненные смеси для сжигания улучшают тепловой КПД двигателя за счет улучшения качества сгорания, снижения потерь тепла и увеличения возможности применения более высоких степеней сжатия. Однако более низкая концентрация топлива в цилиндре препятствует воспламенению смеси, требуя большей энергии для начала сгорания.Чтобы способствовать процессу воспламенения, было изучено несколько методов источников высокой энергии. Между ними, система форкамерного зажигания обеспечивает потенциальное снижение уровней выбросов и расхода топлива, работая с обедненными смесями горения и демонстрируя высокую стабильность горения. В этой статье был сделан обзор литературы по системам форкамерного зажигания как технологии обедненного сжигания, в котором основное внимание уделяется нескольким исследованиям, касающимся характеристик сгорания и выбросов, и представлены ключевые преимущества и проблемы применения технологии форкамерного зажигания.Из этого обзора можно заметить, что система форкамерного зажигания является важным способом повышения термического КПД, снижения расхода топлива и выбросов в двигателях с искровым зажиганием.

Сокращения

Усовершенствованная система зажигания коронным разрядом

Самовоспламенение, вызванное радикальным впрыском

Среднее эффективное давление тормоза

Зажигание форкамеры

Мертвая точка торможения

Computational Fluid Dynamics

Cooperative Fuel Research

Сжатый природный газ

Коэффициент вариации

Сжигание с контролируемым вихревым составом

Рециркуляция выхлопных газов

Ignition с водородом

Двигатели внутреннего сгорания

Указанное среднее эффективное давление

Чистое указанное среднее эффективное давление

Межправительственная группа экспертов по изменению климата

Струйные двигатели со стратифицированным наддувом

Зажигание за счет зажигания AAG

Активация

Сжиженный нефтяной газ

Абсолютное давление в коллекторе

Форкамерная система впрыска

Форкамерные двигатели искрового зажигания

Машина быстрого сжатия

TEX0008 Система контроля горения 9CC8

Устойчивое ядро ​​сгорания

Котел, генерирующий турбулентность

Турбулентное струйное зажигание

Ключевые слова

Постное сжигание

Форкамерные системы зажигания

Факельное зажигание

Выбросы

Combustion

Рекомендуемые статьи Цитирование статей (полный текст)

Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Форкамера зажигания: предварительное 2D исследование DNS влияния начальной температуры и основного состава камеры

Резюме

Было проведено численное исследование для изучения воспламенения и начальных фаз горения метана в двумерной установке, состоящей из предварительной (ПК) и основной (МК) камеры. Влияние теплового граничного условия стенки (изотермическое Tw = 500 K или адиабатическое), начальной температуры смеси (Tu = 300 и 800 K) и степени эквивалентности в основной камере (ϕMC = 0.5 и 1.0). В ПК использовали стехиометрическую смесь, и во всех случаях смеси изначально находились в состоянии покоя. На распространение пламени в форкамере в основном влияет начальная температура, а тепловое состояние стенки играет второстепенную роль. Переходная струя, которая возникает на выходе из отверстия, соединяющего две камеры, создает интенсивное поле потока с вихревыми структурами, которые, в зависимости от начальной температуры, сохраняются в течение длительного времени или быстро рассеиваются, влияя на горение в основной камере.В зависимости от местного потока и условий перемешивания вблизи выхода из отверстия горячая струя может быть разбита на мелкие ядра при низкой температуре T _и или быстро образует пламенную горелку в горячих условиях, сильно влияя на воспламенение смеси MC и пламени. распространение в основной камере. В случаях бедной МК при интенсивном перемешивании со стехиометрической смесью ПК образуются локальные составы, более благоприятные для воспламенения горячей турбулентной реактивной струей, которая впоследствии выходит из ПК при температуре, значительно ниже температуры адиабатического пламени соответствующего смесь.Несмотря на короткое время пребывания, реактивное состояние смеси ухудшается, когда она течет через сопло. Структуры пламени в МК описываются с точки зрения переменной прогресса и доли смеси и сравниваются с расчетами типа пламени. Локальная структура пламени сильно отличается от структуры одномерного пламени с предварительным смешиванием без деформации, особенно для случаев с низкой температурой T _и . Расчеты типа «пламя» показывают, что воспламенение наиболее реактивной смеси усиливается радикалами в горячей реактивной струе, в то время как скалярная скорость диссипации ускоряет воспламенение всей смеси.Двухмерное моделирование показывает, что возгорание длится значительно дольше, чем прогнозируется расчетами пламени.

Ключевые слова

Турбулентное струйное зажигание

Форкамерное зажигание

Сжигание природного газа

Прямое численное моделирование

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2020 The Combustion Institute. Опубликовано Elsevier Inc. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Исследование форкамеры с улавливанием метана для повышения эффективности двигателя, работающего на обедненном природном газе, для автомобильной промышленности

Автор (ы): Лаура Софи Баумгартнер, Себастьян Вольгемут, Себастьян Цирнгибл, Георг Вахтмайстер

Филиал: TU Muenchen

Страниц: 13

Событие: Всемирный конгресс и выставка SAE 2015

ISSN: 1946–3936

е-ISSN: 1946–3944

Также в: Международный журнал двигателей SAE-V124-3, Международный журнал двигателей SAE-V124-3EJ

MAHLE Трансмиссия | MAHLE Jet Ignition

Система MAHLE Jet Ignition® имеет небольшую камеру зажигания, в которой находится обычная свеча зажигания, которая соединена с основной камерой несколькими небольшими отверстиями, которые создают быстро движущиеся струи частично сгоревших продуктов, которые воспламеняют основной заряд. .Эти струи горячего газа проникают глубоко в основную камеру сгорания, создавая эффект распределенного воспламенения. При использовании 4-8 форсунок зажигания, в зависимости от применения, основной заряд воспламеняется в нескольких местах, что приводит к быстрому и стабильному сгоранию. Характеристики системы предлагают дополнительные преимущества как за счет способности воспламенять разбавленные смеси, так и за счет снижения требований к высоким уровням движения заряда, вызванного портом.

В обеих конфигурациях основная камера заправляется топливом через обычный порт или инжектор прямого впрыска.В «пассивной» конфигурации это единственный источник топлива, что делает эту конструкцию пригодной для использования в приложениях с λ = 1, при этом разбавление обеспечивается за счет добавления рециркуляции выхлопных газов (EGR). Эта система совместима с обычными системами нейтрализации бензина. В «активной» конфигурации в узел форкамеры встроен 2-й прямой инжектор с низким расходом. Это позволяет точно и независимо регулировать подачу топлива как в форкамеру, так и в основной камере, обеспечивая гомогенное сверхбедельное сгорание в современных бензиновых двигателях, где смеси с бедностью λ = 2 могут воспламеняться при сохранении стабильности.

Помимо работы над клиентскими приложениями для обеих систем, продолжаются внутренние исследования с использованием версий нашего собственного 1,5-литрового 3-цилиндрового демонстрационного двигателя. На этом двигателе пассивная система зажигания MAHLE Jet Ignition®, которая, как правило, может быть упакована в один корпус с традиционной установкой свечи зажигания M12, продемонстрировала способность работать на всей карте как для первичных двигателей, так и для специализированных гибридных двигателей. Благодаря сочетанию пассивного зажигания MAHLE Jet Ignition®, очень высокой геометрической степени сжатия, впрыска топлива в порт, работы по циклу Миллера и системы рециркуляции ОГ при низком давлении была продемонстрирована тепловая эффективность тормозов более 41%.

В конфигурации Active MAHLE Jet Ignition® значительная экономия топлива достигается за счет более высокого, почти сравнимого с дизельным КПД. Испытания двигателя показали удельный расход ниже 200 г / кВтч и соответствующее снижение выбросов CO ₂ . Это эквивалентно текущему пиковому уровню заушных слуховых аппаратов в 43%, с планом работ, запланированных для достижения заушного слухового аппарата> 45%. Помимо повышения эффективности и расхода топлива, Active MAHLE Jet Ignition® также позволяет снизить выбросы NO _x при выходе из двигателя более чем на 99% в условиях сверхнормативной обедненной смеси.Выбросы углеводородов (HC) поддерживаются на уровне, эквивалентном стандартному процессу искрового зажигания. Активное зажигание MAHLE Jet Ignition® (с заправкой в ​​основную камеру PFI) выделяет несколько повышенные твердые частицы по сравнению с двигателем PFI, но их количество значительно меньше по сравнению с двигателем с прямым впрыском.

Как в «пассивном», так и в «активном» вариантах, форкамера была разработана таким образом, что она способна обеспечивать сопоставимую работу по задержке искры на холостом ходу и нагреву катализатора и подавать выбросы газа в центральную свечу зажигания в стехиометрических условиях без Требование наличия второго воспламенителя в основной камере.

MAHLE Jet Ignition® — это новая захватывающая система сгорания, которая обеспечивает большой потенциал для дальнейшего снижения выбросов CO ₂ в бензиновых двигателях последнего поколения.

MAHLE Jet Ignition® Passive [PDF; 545 KB]

MAHLE Jet Ignition® Active [PDF; 429 KB]

Доступ к дополнительному контенту

Frontiers | CFD-оптимизация геометрии предкамеры бензинового двигателя с искровым зажиганием

Введение

Турбулентное струйное зажигание (TJI) (Attard et al., 2010; Тулсон и др., 2010; Alvarez et al., 2018) — одна из многообещающих технологий, которая обеспечивает сверхбедное сжигание с высокой энергоэффективностью и низким уровнем выбросов. В системе TJI используется предварительная камера, в которой размещается свеча зажигания и, возможно, топливно-воздушные форсунки, которые уже используются в двигателях с искровым зажиганием на природном газе (Mastorakos et al., 2017). Обычно стехиометрическая топливно-воздушная смесь может подаваться в форкамеру для обеспечения успешного воспламенения, в то время как основная камера может вмещать достаточно бедную смесь для значительного повышения термического КПД.Для активной конструкции форкамеры, где установлены как топливные, так и воздушные форсунки, для форкамеры может быть подготовлена ​​точная топливно-воздушная смесь без рециркуляции отработавших газов. Недостатком этого варианта активной форкамеры является то, что требуется дополнительная топливная система, что увеличивает стоимость и сложность управления, упаковки и охлаждения. В случае пассивной форкамеры топливный инжектор не устанавливается внутри форкамеры, так что топливно-воздушная смесь должна полагаться на естественную продувку во время такта впуска, чтобы попасть в форкамеру.Следовательно, конструкция пассивной форкамеры затрудняет точную подготовку заряда внутри форкамеры, что может привести к более серьезной нестабильности горения и большей вероятности пропуска зажигания. В обоих вариантах топливно-воздушная смесь в форкамеру воспламеняется свечой зажигания. Температура и давление внутри форкамеры быстро повышаются. Следовательно, большая разница давлений между форкамерой и основной камерой вытесняет горячие продукты сгорания из небольших отверстий на конце форкамеры, образуя горячую турбулентную струю, воспламеняющую сжатый обедненный заряд в основной камере сгорания.Горение, вызванное этой горячей реагирующей турбулентной струей, происходит намного быстрее из-за пространственно распределенных фронтов пламени (Attard et al., 2010). Меньше тепла передается деталям двигателя из-за быстрого сгорания и бедной смеси. По сравнению с обычными двигателями SI, которые работают в стехиометрических условиях и ограничены детонацией двигателя, бедная смесь в основной камере не имеет детонации в большинстве условий и, следовательно, допускает гораздо более высокую степень сжатия. Кроме того, относительно низкая температура сгорания в обедненной основной камере значительно снижает выбросы NOx и твердых частиц (PM).

TJI был тщательно исследован как экспериментально, так и численно. Тулсон и его сотрудники провели серию фундаментальных исследований TJI, используя оптически доступную машину быстрого сжатия (RCM). Тулсон и др. (2012) сравнили обычное искровое зажигание и TJI в оптическом одноцилиндровом двигателе и продемонстрировали, что TJI обеспечивает более быстрое сгорание из-за множества широко распределенных мест воспламенения. Gentz ​​et al. (2015) исследовали влияние размера отверстия на TJI в машине быстрого сжатия (RCM).Было обнаружено, что при почти стехиометрическом соотношении воздуха к топливу большое сопло, которое производит более распределенные в пространстве струи, приведет к более быстрому развитию горения. Однако в более бедных условиях для инициирования горения требуется сопло меньшего диаметра, которое производит более быструю и мощную струю. Генц и Тулсон (2016) далее сравнили активную и пассивную заправку топливом в TJI. При пассивной заправке одно сопло имеет лучшие характеристики, чем двойное сопло с той же площадью поперечного сечения.Карими и др. (2014) провели экспериментальный и расчетный анализ воспламенения горячей струи в камере сгорания. Горячая струя характеризуется тремя различными струями: пристенной струей, струей, падающей на стенку, и свободной струей. Ли и др. (2019) провели экспериментальное исследование TJI в RCM и одноцилиндровом двигателе. Исследование показало, что существует две модели воспламенения в предварительных камерах в зависимости от диаметра отверстий: схема воспламенения с большим диаметром отверстия и схема самовоспламенения с отверстием меньшего размера.Biswas et al. (2016) выявили два механизма зажигания в основной камере: струйное зажигание и пламенное зажигание. Бисвас и Цяо (2016) провели экспериментальное исследование воспламенения ультра-обедненных предварительно смешанных смесей h3 / воздух горячей струей, выпущенной из форкамеры, со стехиометрической смесью, визуализированной с помощью одновременной высокоскоростной фотографии Шлирена и хемилюминесценции OH *. Сравниваются три геометрии сопла (прямая, сходящаяся и сходящаяся-расходящаяся). Наблюдались алмазные ударные структуры в сверхзвуковых струях и высокотемпературная зона за ударными волнами, что может снизить предел воспламеняемости в основной камере.Нестабильность горения становится заметной вблизи предельных условий обедненной смеси. Бисвас и Цяо (2018) дополнительно исследовали влияние местоположения искры и соотношения эквивалентности в предкамере на характер воспламенения в основной камере. Эффективное соотношение, описывающее местоположение искры, определяет динамику пламени в форкамеру. Bolla et al. (2019) смоделировали продуманную форкамеру автомобильного размера, установленную в головке машины быстрого сжатия-расширения, с использованием RANS и LES. Показано, что наклонное сопло отверстия форкамеры создает вихревой поток внутри форкамеры.Benekos et al. (2020) провели 2D DNS-исследование процесса воспламенения в основной камере. Численно исследовано влияние теплового граничного условия стенки, начальной температуры смеси и отношения эквивалентности в основной камере. Было обнаружено, что горячая струя из форкамеры может быть разбита на мелкие ядра в холодном состоянии основной камеры или образует факел в горячем состоянии. Muller et al. (2018) исследовали механизм зажигания в основной камере. Было обнаружено, что как кинетические, так и тепловые эффекты важны для процесса воспламенения, вызванного горячей струей.Наблюдаются сильные корреляции между гидродинамикой, перемешиванием и горением. Ахтар и др. (2017) исследовали влияние геометрии отверстия на работу предкамеры с использованием визуализации Шлирена. Рассмотрены круглые и щелевые формы с одинаковой площадью поперечного сечения. Было обнаружено, что щелевидная форкамера может ускорять распространение пламени на ранних стадиях. Freeman et al. (2020) разработали новую конструкцию форкамеры с помощью 3D CFD горения. Результаты CFD показывают, что двигатель SI с предварительной камерой имеет хорошие улучшения по сравнению с обычным бензиновым двигателем SI, особенно в отношении экономии топлива.Исходя из разницы давлений между основной камерой и форкамерой, процесс газообмена между ними можно описать четырехступенчатым процессом. Shah et al. (2015) экспериментально исследовали влияние объема форкамеры и диаметра сопла на результирующие характеристики зажигания. Было обнаружено, что более крупная форкамера обеспечивает более высокую энергию зажигания, что приводит к сокращению угла развития пламени и продолжительности горения. При заданном объеме форкамеры диаметр сопла в основном влияет на продолжительность горения.Hlaing et al. (2020) раскрывает двухступенчатый механизм сгорания в основной камере, причем последняя стадия, как считается, способствует массовому воспламенению заряда основной камеры. Тепловыделение предкамеры коррелирует с прочностью смеси предкамеры, которая влияет на фазирование сгорания предкамеры и начальное тепловыделение в основной камере. Tang et al. (2020) использовали одновременную отрицательную хемилюминесценцию PLIF и OH для визуализации процесса газообмена и струи пламени из сопел форкамеры, что показало, что длина проникновения струи пламени намного короче, чем у струи форкамеры.Предлагается трехступенчатый газообменный процесс. Когда коэффициент эквивалентности предкамеры увеличивается от бедного до слегка обогащенного, разница давлений между основной камерой и предкамерой, момент зажигания и момент пикового перепада давления сначала увеличиваются, а затем достигают плато. Kim et al. (2019) сравнили модели турбулентного горения (многозонный реактор с хорошим перемешиванием и G-уравнение) для предкамерного зажигания. Модель G-уравнения дает лучшие прогнозы, чем модель реактора с хорошим перемешиванием.Сверху, хотя были проведены обширные вычислительные и экспериментальные работы для понимания и прогнозирования искрового зажигания в предкамере, конструкция предкамеры все еще в значительной степени основана на опыте, и отсутствует общая стратегия, которая могла бы обеспечить руководство к оптимальному воспламенению. дизайн. Zhang et al. (2020) провели комплексный 3D CFD-анализ легкового бензинового двигателя с пассивной форкамерой. Предложена трехфазная феноменологическая модель для описания воспламенения пламени при форкамерном струйном горении.Предварительная камера с вихревыми соплами создает организованное и повторяемое вихревое движение, которое может быть полезно для горения. Угол и ориентация зонта форсунки форкамеры могут быть дополнительно оптимизированы для данной системы сгорания для достижения снижения потерь тепла сгорания. Hua et al. (2021) сравнили четыре конструкции форкамеры, пассивную и активную заправку топливом при испытаниях двигателей. Они обнаружили, что объем и количество форсунок являются двумя ключевыми параметрами для оптимизации конструкции форкамеры. Предварительная камера с меньшим объемом имеет лучший IMEP и экономию топлива из-за меньшего тепловыделения и потерь при сгорании в форкамере.Изученная форкамера с одним отверстием генерирует более сильную горячую струю, чем форкамеры с семью отверстиями, что эффективно улучшает скорость горения и расширяет предел сжигания обедненной смеси.

С точки зрения производства и механического проектирования, MAHLE Powertrain является ведущим разработчиком в области применения TJI для трансмиссии легковых автомобилей. Attard et al. (2010) продемонстрировали на одном одноцилиндровом двигателе, что TJI может выдерживать до 54% ​​массовой доли разбавителя, что приводит к увеличению экономии топлива на 18%.Аттард и Парсон (2010) показали, что тип свечи зажигания, ориентация и межэлектродный зазор практически не влияют на горение при струйном зажигании. Они пришли к выводу, что это частично связано с тем, что искровой разряд в форкамере занимает гораздо большую часть камеры по сравнению с обычным искровым зажиганием. Они также обнаружили, что наибольший эффект имеет вылет свечи зажигания, что не очень важно для обычных двигателей SI.

В сочетании с генетическим алгоритмом CFD 3D сгорания широко используется при разработке двигателей (Shi et al., 2011). Ge et al. (2009) и Ge et al. (2010) разработали автоматизированные процессы расчета для оптимизации топливной системы, корпуса поршня и коэффициента завихрения. Ge et al. (2010) разработали метод оптимизации, который одновременно оптимизирует несколько рабочих условий путем разделения проектных параметров на параметры оборудования и рабочие параметры. Ge et al. (2011) и Ли и др. (2012) объединили законы масштабирования с методом оптимизации в (Ge et al., 2010) для оптимизации сгорания двигателя. Методы машинного обучения применялись во многих областях сгорания двигателей.Moiz et al. (2018) объединили машинное обучение с генетическим алгоритмом и 3D CFD для оптимизации сгорания двигателя. Метод был применен к большегрузному дизельному двигателю. Kodavasal et al. (2018) использовали методы машинного обучения для анализа контролирующего фактора межциклового изменения в бензиновом двигателе с искровым зажиганием. Probst et al. (2019) использовали два метода машинного обучения (гауссовский процесс и SuperLearner) для прогнозирования сгорания двигателя. Сравнивались разные методы оптимизации. Были рекомендованы оптимизация роя частиц, дифференциальная эволюция, алгоритм GENOUD и микрогенетический алгоритм (GA).Бадра и др. (2020) оптимизировали систему сгорания бензинового двигателя с воспламенением от сжатия, используя CFD и алгоритм градиента сетки машинного обучения. Shah et al. (2019) использовали методы машинного обучения для прогнозирования задержки воспламенения, скорости пламени, октанового числа и фазы сгорания многокомпонентных заменителей бензина в двигателях с воспламенением от сжатия с однородным зарядом.

Конструкция форкамеры является наиболее важным компонентом двигателей этого типа, что остается сложной задачей. В литературе обычно исследуется влияние одного или нескольких проектных параметров на характеристики двигателя.Однако систематическое изучение геометрии форкамеры отсутствует. В данной статье описывается автоматизированный метод оптимизации конструкции форкамеры с использованием трехмерной CFD-модели горения. DOE, GA, машинное обучение сочетается с 3D-моделированием горения CFD для оптимизации конструкции форкамеры двигателя с искровым зажиганием. Сравниваются разные модели машинного обучения. Оптимальная конструкция сравнивается с усредненной конструкцией и неудачной конструкцией, чтобы понять, как параметры конструкции физически влияют на характеристики двигателя.

Конфигурации двигателя и численные методы

Был смоделирован двигатель с искровым зажиганием с трехмерным впрыском топлива (PFI), который является одним из примеров использования CONVERGE. В таблице 1 перечислены параметры конфигурации двигателя. Для всех случаев коэффициент глобальной эквивалентности установлен на единицу. В оригинальном двигателе свеча зажигания установлена ​​в центре головки блока цилиндров. В настоящей работе свеча зажигания заменяется системой TJI (см. Рис. 1), нижняя часть которой имеет размер, как свечу зажигания.Таким образом, вся форкамера может быть установлена ​​непосредственно на двигатель SI без необходимости изготовления новой головки блока цилиндров. Было проведено моделирование полного цикла для всех вариантов двигателя, то есть начиная с EVO (открытие выпускного клапана, которое составляет -579,8 ° ВМТ) до EVO (140,2 ° ВМТ). Смоделирован процесс газообмена. В IVC (закрытие впускного клапана) массовая доля CO2 и h3O во всей камере (включая основную и форкамерную) составляет 1,83%, что эквивалентно примерно 5,4% EGR.

ТАБЛИЦА 1 .Конфигурации двигателя.

РИСУНОК 1 . Поверхность одного форкамерного двигателя СИ.

В данной статье коммерческое программное обеспечение CFD CONVERGE (Richards et al., 2017) использовалось для моделирования двигателя, основанного на методе конечных объемов. В таблице 2 перечислены основные модели, использованные в настоящем моделировании. Адаптивное уточнение сетки (AMR) и фиксированное встраивание использовались для баланса эффективности и точности. Использовалась модель реальной жидкости — уравнение состояния Редвича – Квонга. Модель горения SAGE с механизмом PRF (Liu et al., 2012) использовался для всех имитационных моделей двигателей SI, в которых топливо представляет собой газообразный бензин. Для моделирования машины быстрого сжатия используется метан. Использовалась модель горения SAGE с механизмом GRI 3.0. Модель горения SAGE рассматривает каждую вычислительную ячейку как реактор с идеальным перемешиванием, то есть нет явных моделей турбулентного химического взаимодействия (TCI). Недавно Dahms et al. (2019) провели асимптотический анализ, который показал, что в многозонной модели SAGE присутствует неявный TCI.Неявный TCI означает, что производительность модели горения зависит от размера сетки, числового и т. Д. TCI может быть полностью восстановлен моделью SAGE, когда размер сетки и временной шаг приближаются к размеру DNS. Хотя текущий размер сетки и временной шаг недостаточно малы для полного восстановления TCI, локальное измельчение сетки вблизи фронта пламени может в значительной степени восстановить TCI. Кроме того, эффекты турбулентности учитываются через коэффициент турбулентной диффузии, через который TKE влияет на процессы смешения энергии, частиц и количества движения.Таким образом, определенный уровень влияния турбулентности на процесс горения был захвачен настоящим моделированием. Во всех симуляциях горения используется нестационарный RANS с k – ε моделью RNG (Han and Reitz, 1995). Предполагалась постоянная диффузионная способность с турбулентным числом Прандтля 0,9 и турбулентным числом Шмидта 0,78. В форкамеру не учитывалась геометрия свечи зажигания. И в обычном двигателе SI, и в форкамере искровое зажигание моделировалось с использованием точечного источника. Базовый размер ячейки установлен на 4 мм.К AMR было применено трехуровневое встраивание, основанное на температуре и скорости. Граница предкамеры была доведена до 0,5 мм с использованием фиксированной заделки. Пятиуровневая и трехуровневая фиксированная заливка использовалась для сопловой и ближней сопловой областей течения струи соответственно. AMR уровня три активируется как градиентом температуры, так и градиентом скорости.

ТАБЛИЦА 2 . Вычислительные модели.

Модель стены Launder and Spalding (Launder and Spalding, 1974) используется для обработки границ твердых стен.Температура поршня, гильзы, головки цилиндров, предкамеры, дна выпускного клапана, штока выпускного клапана, выпускного канала, впускного канала, дна впускного клапана и штока впускного клапана установлена ​​на 450, 400, 400, 450, 525, 425. , 400, 300, 480 и 350 К соответственно. На входе во впускной канал устанавливается давление 1 атм и устанавливается идеальная стехиометрическая смесь газообразного бензина и воздуха. Давление на выходе из выхлопного отверстия также установлено на 1 атм. Обратный поток с температурой 610 К и смесью N2 (71.9% по массе), CO2 (19,2%) и h3O (8,9%) подается на выпускное отверстие выхлопного отверстия. В начале моделирования (-579,8 ° ATDC, что соответствует EVO) предполагается, что смеси в основной камере и предкамеру состоят из N2 (71,9% по массе), CO2 (19,2%) и h3O (8,9%). ). Путем моделирования всего цикла покрывается процесс продувки основной камеры и предварительной камеры. Прогнозируемые остатки в основной камере и форкамере более надежны. Та же численная модель была использована для моделирования случая TJI с одним соплом MSU, который успешно воспроизвел изображения в цилиндрах и усредненный график давления в основной камере, которые будут представлены в следующем разделе.Это означает, что настоящая численная модель и сетка могут воспроизводить процессы воспламенения и горения в форкамере и основной камере. На рис. 1 показана поверхность одного форкамерного двигателя SI. Впускные и выпускные каналы расположены с двух сторон в направлении x , то есть двигатель примерно симметричен плоскости y ( y = 0). На рисунке 2 показана типичная сетка предкамерного двигателя SI при –2,5 ° ВМТ. За счет дополнительного объема форкамеры степень сжатия форкамерного двигателя SI снижена с 10.0 для базового двигателя. Впрыск топлива не учитывается для упрощения. Предполагается, что всасываемая топливно-воздушная смесь идеально перемешана.

РИСУНОК 2 . Расчетная сетка одного случая при −2,5 ° ВМТ.

Предварительная камера имеет 6 отверстий. Размер отверстия и нормальное направление среза сопла фиксированы. В настоящем исследовании оптимизирована только геометрия над соплом. Предполагается осесимметричная форма верхней части форкамеры, расположенной над сопловой частью. Таким образом, геометрия верхней части может быть упрощена до симметричного 2D профиля.Затем полу-профиль параметризуется и аналитически описывается с использованием 11 проектных параметров. На рисунке 3 (слева) показан эскиз примерной конструкции с 11 расчетными параметрами. Точка А закреплена и соединяется с сопловой частью форкамеры. Точки B, C, D и E гибкие. Точка B имеет ту же радиальную координату, что и точка A, т.е. часть AB вертикальна. Вертикальная координата точки B определяется расчетным параметром «bz». Точки C и D имеют одинаковые радиальные координаты, что определяется расчетным параметром «cr.Их вертикальные координаты определяются буквами «cz» и «dz». Координаты точки E определяются расчетным параметром «er» и «ez». Радиус верхней части предкамеры установлен больше, чем размер свечи зажигания, чтобы гарантировать, что обычная свеча зажигания может быть установлена ​​в предкамеру. Таким образом, радиальная координата точки E имеет минимальное значение. Расчетный параметр «xde» используется для определения кривизны DE. Расчетные параметры «gz», «hz» и «θ» используются для определения кривой между точками B и C. Таблица 3 перечисляет диапазон этих 11 проектных параметров.Кривые Безье нанесены на угол, чтобы обеспечить плавные переходы. Параметры «bz», «dz», «gz», «hz» и «θ» физически находятся в пределах [0,1]. За исключением тета, все установлены на [0,01, 0,99], чтобы избежать потенциальной проблемы сингулярности. Для «θ» выбран диапазон [0,2, 0,8], чтобы избежать слишком острых углов для кривой BC. Минимальное значение параметра «er» указывает на радиальный размер обычной свечи зажигания, то есть предварительная камера должна быть, по крайней мере, достаточно большой, чтобы вместить свечу зажигания. Его максимальное значение равно 1.8 исходя из опыта. Параметр «cr» указывает отношение радиуса в точке C и точке E, и поэтому он больше 1. Его минимальное значение установлено на 1,02, чтобы оставить достаточно места для кривой DE. Его максимальное значение установлено на 1,2 в зависимости от опыта. Минимальное значение параметра «ez» указывает минимальную высоту для размещения обычной свечи зажигания. Его максимальное значение установлено на 3,0 в зависимости от опыта. Параметр «cz» является нормированным параметром, описывающим высоту точки C. Его минимальное значение ограничено расстоянием до головки блока цилиндров, т.е.е., чтобы избежать пересечения с головкой блока цилиндров и сохранить достаточную толщину стенки форкамеры. Его максимальное значение установлено на 2,0, исходя из опыта авторов. Параметры кривизны «xbc» и «xde» имеют неотрицательные значения: 0 для прямой линии и 1 для круговой кривой. Для них заданы диапазоны [0,1, 2,0], чтобы охватить разумное разнообразие кривизны. На рисунке 3 (справа) показаны три примера дизайна. Черная сплошная линия обозначает дизайн со всеми минимальными параметрами. Красная пунктирная линия обозначает проект со всеми средними параметрами (это конструкция DOE56 в разделе «Анализ горения оптимальной конструкции»).Синяя пунктирная линия указывает на все максимальные параметры.

РИСУНОК 3 . Слева: расчетные параметры форкамеры. Справа: проект со всеми минимальными параметрами (черная сплошная линия), всеми средними параметрами (красная пунктирная линия) и всеми максимальными параметрами (синяя пунктирная линия).

ТАБЛИЦА 3 . Диапазоны расчетных параметров форкамеры.

На рисунке 4 показана схема метода оптимизации, основанного на байесовской стратегии обновления (Enright and Frangopol, 1999).Байесовская стратегия обновления — это подход, основанный на обучении на практике, в котором теорема Байеса используется для обновления вероятности гипотезы по мере появления новых свидетельств или информации. В настоящем приложении модуль машинного обучения обновляется, когда становятся доступны другие результаты CFD. Оптимизация начинается с DOE (плана эксперимента) всех проектных параметров. В настоящей работе размер DOE установлен на 56, что представляет собой матрицу DOE небольшого размера с 11 проектными параметрами.Матрица DOE генерируется с использованием метода выборки латинского гиперкуба в Matlab. Все конструкции в этом DOE смоделированы с помощью 3D CFD горения. Эти результаты CFD образуют первую базу данных, которая используется в модуле машинного обучения (ML) для обучения данных. Таким образом, модуль ML может заменить 3D CFD горения в процессе оптимизации. Затем для оптимизации используется генетический алгоритм (GA) в сочетании с обученным модулем ML, который порекомендует один «оптимальный» дизайн (ы). «Оптимальный» дизайн (ы) дополнительно подтвержден в 3D CFD горения.Таким образом, роль подхода ML + GA состоит в том, чтобы предложить потенциально хорошие планы вместо точного прогнозирования объективного CA50. Все конструкции, предложенные подходом ML + GA, будут дополнительно подтверждены моделированием 3D CFD. Другими словами, мы судим об алгоритме машинного обучения на основе того, какой дизайн он предложил, а не на основе предсказанного CA50. Преимущество ML заключается в сокращении общего количества дорогостоящих вычислений 3D CFD-моделирования. Таким образом, ML не обязательно должен быть инструментом количественного прогнозирования.Вместо этого качественное прогнозирование результатов CFD с помощью ML будет достаточно и на самом деле более важно, чем количественное прогнозирование. Результаты этих «оптимальных» схем добавляются в базу данных для дальнейшего повышения точности модуля ML. По сравнению с случаями 3D-горения CFD, которые обычно занимают около 20 часов с использованием 72 ядер, время вычислений для варианта GA + ML составляет всего около нескольких минут с использованием ноутбука, что совершенно незначительно. Таким образом, этот метод значительно снижает вычислительные затраты за счет замены 3D CFD горения на модуль ML при оптимизации.Модуль ML также помогает сузить оптимальную область во всем пространстве проектирования и уменьшает общее количество запусков 3D CFD горения. Подход байесовского обновления сокращает общее количество итераций. Учитывая природу ГА, окончательный «оптимальный» дизайн — это лучший дизайн среди всех рассмотренных проектов, а не точный оптимум во всем пространстве дизайна (Shi et al., 2011).

РИСУНОК 4 . Набросок метода оптимизации байесовского обновления.

Результаты и обсуждение

Проверка модели

Трехмерная CFD-модель сгорания проверена в одном случае MSU RCM с форкамерой, которая работает в условиях, аналогичных двигателю (Gholamisheeri et al., 2017). При этом диаметр сопла 3,0 мм и λ = 1,25. Начальное давление и температура как для экспериментов, так и для моделирования составляли 1,04 бар и 80 ° C соответственно. Топливо — метан. Скелетный механизм из 30 видов, основанный на GRI3.0 (Lu and Law, 2008), используется в модели SAGE. За исключением механизма реакции, все модели и настройки такие же, как описано в разделе «Конфигурации двигателя и численные методы». На рисунке 5 показано сравнение предсказанных и измеренных (Gholamisheeri et al., 2017) давления в основной камере, достигая очень хорошего согласия. На рисунке 6 показано сравнение экспериментальных хемилюминесцентных изображений (Gholamisheeri et al., 2017) и прогнозируемого температурного контура в основной камере при аналогичных временах горения. Принципиальная форма горячей струи, выходящей из форкамеры, получена разумно. Из-за природы модели RANS прогнозируемая горячая струя намного более гладкая, чем измеренная. В целом, настоящая численная модель способна воспроизвести горение TJI.

РИСУНОК 5 . Сравнение расчетного и измеренного давления в основной камере.

РИСУНОК 6 . Сравнение экспериментальных хемилюминесцентных изображений (вверху) и прогнозируемого температурного контура (внизу) в основной камере при одинаковой продолжительности горения.

Оценка моделей машинного обучения

Настоящая модель CFD затем применяется для моделирования корпусов двигателей SI, работающих на бензине и с предварительной камерой (c.е., рисунок 1). Все следующие результаты и анализ основаны на моделировании бензинового двигателя SI с пассивной форкамерой. В настоящей работе для оптимизации используются модуль ML (учащийся регрессии) и модуль GA в Matlab. CA50, угол поворота коленчатого вала, соответствующий 50% расхода топлива, для простоты взят в качестве единственной цели характеристик двигателя. При таком же моменте зажигания меньшее значение CA50 указывает на более быстрое сгорание, что оставляет больше места для замедления искры и улучшенной экономии топлива.Для модуля ML используется перекрестная проверка с 5-кратной проверкой. На первом этапе тестируются все модели машинного обучения, доступные в модуле регрессионного обучения. Все параметры конструкции, перечисленные в таблице 3, взяты на вход модулей ML. CA50, прогнозируемый CFD, устанавливается в качестве выходных данных. В таблице 4 показаны RMSE всех протестированных моделей машинного обучения. Образцы представляют собой результаты матрицы ДОЭ, которая в общей сложности составляет 56 образцов. В целом экспоненциальный георадар имеет самое низкое среднеквадратичное значение 2,628. Среди каждой категории выбирается одна модель для дальнейших оценок, включая надежную линейную модель (Ronchetti et al., 1997), грубая модель дерева (Breiman et al., 1984), средний гауссовский SVM (Xu et al., 2009), модель дерева с мешками (Ting and Witten, 1997) и экспоненциальный георадар (Williams and Rasmussen, 2006). На рисунке 7 показано сравнение прогнозируемого и фактического CA50 с использованием этих пяти выбранных моделей. Ось x указывает фактический CA50. Ось y указывает прогнозируемое значение CA50 с использованием моделей машинного обучения. Видно, что в целом все модели имеют некачественную подгонку. Одна из причин — небольшое количество выборок (= 56).Разница в подгонке между разностными моделями машинного обучения более очевидна. В частности, очень плохо подходит грубая модель дерева. Используя метод, показанный на рисунке 4, эти пять моделей машинного обучения тестируются с 24 итерациями. Каждая итерация дает один «оптимальный» дизайн для каждой модели. На рисунке 8 показан прогнозируемый CFD CA50 «оптимальных» дизайнов на основе выбранных моделей машинного обучения. Можно видеть, что относительно средняя гауссовская модель SVM (SVM) дает наиболее оптимизированный дизайн с этими 24 итерациями.Таким образом, средняя гауссовская модель SVM используется для оптимизации следующего этапа.

ТАБЛИЦА 4 . RMSE моделей машинного обучения.

РИСУНОК 7 . Сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием пяти выбранных моделей машинного обучения с 56 образцами из DOE. (A) Робастная линейная модель , (B) грубая модель дерева, (C) Medium Gaussian SVM, (D) дерево в мешках и (E) экспоненциальный георадар.

РИСУНОК 8 .Сравнение CA50, предсказанного с помощью CFD, по пяти выбранным моделям машинного обучения.

Средняя модель Гаусса SVM обучается с использованием всех результатов CFD (включая те, которые используются в других моделях машинного обучения). Используется тот же метод, что показан на рисунке 4. Спустя 10 поколений не было найдено лучшего дизайна, чем конструкция «SVM67» (67 — его номер поколения). На рисунке 9 показан прогнозируемый CFD CA50 для всех поколений. Ось x указывает номер поколения. Символы «*» обозначают 56 отсчетов матрицы ДОЭ.Квадратные квадраты с символами обозначают результаты средней гауссовской модели SVM. Символы круга обозначают результаты других моделей машинного обучения. Таким образом, для дальнейшего анализа выбирается конструкция «SVM67» с самым низким CA50 2,9 ° ATDC. В следующем разделе этот дизайн сравнивается с дизайном «RegTree64», который представляет наихудший CA50 (22,2 ° ATDC). Помимо этих двух крайних точек, в подробном анализе также рассматривается проект «DOE56», который представляет собой усредненный проект (все параметры проекта являются усредненными значениями по всем их диапазонам).Его CA50 составляет 6.5 ° ATDC. С этими тремя точками можно наблюдать более четкую тенденцию.

РИСУНОК 9 . CFD-предсказанный CA50 всех поколений.

На рисунке 10 показано сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием среднего гауссовского SVM со всеми 184 образцами. По сравнению со средним графиком SVM по Гауссу на рисунке 7, который основан на 56 выборках, качество подгонки улучшилось. Соответствующее среднеквадратичное значение снижено с 2,6349 до 2,2618. Хотя оптимизация началась с матрицы DOE минимального размера и, таким образом, исходное качество подгонки низкое, она постепенно улучшалась за счет добавления большего количества выборок из моделирования CFD в базу данных для обучения.В целях оптимизации, если подход ML + GA может улавливать правильный тренд, направление оптимизации будет правильным. Даже иногда подход ML + GA предлагает некоторые плохие конструкции, это не разрушит весь процесс оптимизации, поскольку конструкции будут подтверждены в симуляциях CFD. Только результаты CFD будут серьезно рассмотрены для дальнейшего анализа и разработки оборудования, а не результаты, предсказанные моделью машинного обучения. Таким образом, качественного прогнозирования результатов CFD с помощью модели машинного обучения будет достаточно для настоящих приложений оптимизации.

РИСУНОК 10 . Сравнение прогнозируемых и фактических значений CA50 с использованием среднего гауссовского SVM со всеми 184 образцами.

Следует отметить, что нынешняя «оптимальная» конструкция является оптимальной только с точки зрения CA50 на основе момента зажигания -15 ° ATDC и без геометрии свечи зажигания. С учетом других целей и / или ограничений оптимальный дизайн будет другим. Успешная оптимизация CA50 обеспечит прямое указание на оптимальную экономию топлива.

Анализ горения оптимальной конструкции

Чтобы лучше понять, как параметры конструкции влияют на работу двигателя, сравниваются три выбранные конструкции. На рисунке 11 показаны кривые давления и скорости тепловыделения (HRR) основной камеры и предкамеры. Конструкция SVM67 имеет самое раннее повышение давления, что указывает на более быстрое сгорание. Конструкция RegTree64 имеет самое низкое пиковое давление и слабый HRR, что указывает на слабое сгорание как в форкамеру, так и в основной камере.Однако прямо перед моментом зажигания (CA = -15 ° ATDC) конструкция RegTree64 имеет более высокое давление в цилиндре, чем две другие конструкции. Это связано с меньшим объемом предкамеры, чем в двух других конструкциях (см. Рис. 12), и, следовательно, с более высокой степенью сжатия. При том же давлении и температуре наддува конструкция RegTree64 с более высокой степенью сжатия имеет более высокое давление и температуру в цилиндре, чем две другие конструкции, что является более благоприятным термодинамическим условием для более быстрого сгорания.Однако CA50, график давления и HRR показывают, что у RegTree64 самое медленное сгорание. По-видимому, процесс зажигания конструкции RegTree64 не выиграл от более высоких термодинамических условий во время зажигания. Конструкция DOE56 также имеет несколько более высокое давление и температуру, чем конструкция SVM67 во время зажигания, в то время как ее процесс воспламенения происходит медленнее, чем конструкция SVM67. Это означает, что для нынешних процессов горения термодинамика не является самым доминирующим фактором. Средние массовые доли CO2 в форкамеру в момент зажигания равны 0.0246 (SVM67), 0,0230 (DOE56) и 0,0207 (RegTree64) соответственно. Конструкция SVM67 имеет самую высокую концентрацию CO2 в форкамере, что также не способствует более быстрому сгоранию, чем две другие конструкции. Таким образом, термохимическое состояние всей форкамеры также не является определяющим фактором.

РИСУНОК 11 . Профили следа давления основной камеры (слева) и форкамеры (справа) .

РИСУНОК 12 .Сравнение распределений z-скорости конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC.

На рисунке 13 показано сравнение распределений CO2 для конструкций SVM67 (слева), DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC. Контурные графики представляют собой массовую долю CO2 на срезе размером x , который проходит через центр сопла ( x = 0). Символ «+» указывает на место искры. Массовая доля CO2 в месте искры в этот момент равна 0.02334 (SVM67), 0,0216 (DOE56) и 0,02734 (RegTree64). Высокая концентрация CO2 в месте искры в конструкции RegTree64 является одной из причин самого медленного процесса воспламенения. По сравнению с конструкцией SVM67, концентрация CO2 конструкции DOE56 в месте искры ниже, что благоприятно для воспламенения и распространения пламени. Однако в целом процесс воспламенения у него медленнее, чем у конструкции SVM67. Таким образом, все термохимические условия конструкции СВМ67 не благоприятствуют более быстрому процессу воспламенения.Это должно быть связано с другим физическим механизмом, выходящим за рамки термохимических условий.

РИСУНОК 13 . Сравнение распределений CO2 для конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC.

На рис. 12 показано распределение скоростей z внутри предкамеры в момент зажигания для выбранных трех конструкций. Контурные графики нанесены на срез x , проходящий через центр сопла ( x = 0).Когда поршень движется в верхнюю мертвую точку (ВМТ), газ из основной камеры попадает в форкамеру через сопла. Следовательно, внутри форкамеры образуются струйные потоки. Благодаря большему объему форкамеры, струя в конструкции SVM67 длится дольше, чем в двух других конструкциях. Поле течения внутри форкамеры более сложное в конструкции SVM67, чем у двух других конструкций. В конструкции SVM67 образуется множество вихрей, создающих более сильную турбулентность, которая усиливает распространение пламени.Скорости z в месте нахождения искры составляют 14,5, 52,9 и 23,0 м / с соответственно. Относительно небольшая скорость восходящего потока конструкции SVM67 способствует распространению пламени вниз. Рядом с местом искры есть область с сильным нисходящим потоком, который переносит ядро ​​пламени вниз. Конструкция DOE56 имеет очень сильный восходящий поток около места искры, который направит ядро ​​пламени к потолку форкамеры, что вызовет большее гашение пламени. На рис. 14 показаны изолинии турбулентной кинетической энергии (TKE) внутри предкамеры в момент зажигания для выбранных трех конструкций.Конструкция SVM67 имеет явно более высокое ТКЕ, чем две другие конструкции. И его распределение в пространстве более однородное. Более высокое значение TKE увеличивает скорость турбулентного пламени и ускоряет распространение пламени.

РИСУНОК 14 . Сравнение распределений TKE конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при -15 ° ATDC.

На рисунках 15 и 16 показаны изолинии температуры конструкций SVM67 (слева), DOE56 (в центре) и RegTree64 (справа) при −12.5 ° и -10 ° ATDC соответственно. В верхнем ряду показаны результаты для среза x , который проходит через центр сопла ( x = 0), а в нижнем ряду показаны результаты для среза y ( y = 0). . Очевидно, что в конструкции SVM67 пламя распространяется намного быстрее, чем в двух других конструкциях. Направления распространения пламени слабо коррелируют с областями с высоким ТКЕ. Кроме того, относительно сильный нисходящий поток около места искры перемещает все горящее облако вниз, т.е.е., дальше от верха форкамеры и меньше закалки стенок. Поскольку струйный поток из сопла, идущий вверх, все еще существует, пламя не может распространяться в центральную область форкамеры. Вместо этого он распространяется по боковой стене. Для конструкции DOE56 ядро ​​пламени распространяется к верхней части форкамеры. Это происходит из-за относительно низкого TKE и сильного восходящего потока, как показано на рисунке 12. Можно видеть, что ядро ​​пламени было частично погашено стенкой.Его ядро ​​пламени распространяется в области боковых стенок, которые имеют относительно более сильный нисходящий поток. Ядро пламени конструкции RegTree64 имеет разумный размер на ранней стадии (см. Правый график на рисунке 15), почти сравнимый с размером ядра конструкции DOE56. Частично это связано с относительно слабым восходящим потоком. Однако, по сравнению с двумя другими проектами, ядро ​​пламени дизайна RegTree64 не имеет большого распространения. Его форма не сильно искажается потоком, как две другие конструкции.Это должно быть связано с гораздо более низкой величиной скорости и TKE, чем в двух других конструкциях. В конце концов, конструкция RegTree64 имеет очень медленный процесс воспламенения внутри предкамеры и, следовательно, очень медленное сгорание внутри основной камеры. Таким образом, можно сделать вывод, что интенсивность турбулентности и структура потока внутри форкамеры имеют решающее значение для процесса зажигания. Для улучшения характеристик двигателя предпочтительны сильная турбулентность и большая скорость нисходящего потока.

РИСУНОК 15 .Сравнение температурных распределений конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при −12,5 ° ATDC. Верхний ряд: x-срез. Нижний ряд: y-срез.

РИСУНОК 16 . Сравнение температурных распределений конструкций SVM67 (слева) , DOE56 (посередине) и RegTree64 (справа) при −10 ° ATDC. Верхний ряд: x-срез. Нижний ряд: y-срез.

Регрессионный анализ проектных параметров

Регрессионный анализ проводится для выявления того, как проектные параметры влияют на цель, которой является СА50 в настоящем исследовании.На рисунках 17 и 18 показаны корреляции между CA50 и всеми проектными параметрами. Более высокий коэффициент детерминации ( R ² ) указывает на более сильные корреляции. Таким образом, можно сделать вывод, что расчетные параметры «cr», «er» и «ez» являются наиболее очевидными воздействиями на CA50. Параметры «cr» (наибольший радиус, равный «cr», умноженный на радиус в точке E) и «er» (радиус в верхней части предкамеры) определяют радиусы верхней и нижней частей предкамеры, соответственно. .Параметр «ez» определяет высоту форкамеры. Их отрицательные наклоны указывают на то, что больший радиус и / или высота снижает CA50, т.е. более быстрое сгорание. Это согласуется с предыдущим анализом горения, согласно которому больший объем способствует процессу воспламенения. Форкамера имеет примерно цилиндрическую форму. Его объем в основном зависит от радиуса и высоты. Это объясняет, почему эти три параметра имеют относительно более последовательное влияние на CA50. Поскольку объем пропорционален квадрату радиуса, наклон «cr» и «er» больше, чем параметр «ez».Но поскольку радиус зависит как от «cr», так и «er», результирующие коэффициенты определения этих двух параметров ниже, чем «ez». Расчетный параметр «θ» определяет наклон между верхней и нижней частью форкамеры. Чем больше тета, тем круче наклон. Корреляция показывает, что крутой уклон предпочтительнее для лучшей производительности двигателя. Его относительный коэффициент детерминации подразумевает сильное взаимодействие с другими параметрами конструкции. Параметры, определяющие высоту предкамеры, «cz», «dz», «hz», «gz» и «bz», демонстрируют слабую корреляцию с CA50 из-за их низких коэффициентов детерминации.

РИСУНОК 17 . Корреляции между CA50 и проектными параметрами (bz, cr, cz, dz, er и ez).

РИСУНОК 18 . Корреляция между CA50 и проектными параметрами (gz, hz, theta, xbc и xde).

Параметры «xbc» и «xde» определяют изгибы вокруг углов. Их влияние относительно незначительно. Настоящий результат согласуется с наблюдением Shah et al. (2015), что больший объем форкамеры способствует процессу зажигания форкамеры.При сгорании двигателя обычно термодинамика является наиболее доминирующим фактором. При том, что все остальное остается неизменным, больший объем предкамеры приводит к более низкой степени сжатия, что обычно снижает эффективность двигателя и замедляет сгорание из-за более низкой температуры и давления в цилиндрах во время зажигания. Настоящая заявка показывает, что существует конкуренция во влиянии термодинамики и гидродинамики на сгорание в предкамерном двигателе. При определенных условиях гидродинамика может обогнать термодинамику и стать наиболее доминирующим фактором сгорания в форкамерном двигателе.Термодинамика может стать доминирующим фактором, если объем предварительной камеры превышает определенный предел. Когда объем предварительной камеры слишком велик, это приведет к низкому CR, чрезмерным потерям тепла в предварительной камере (Hua et al., 2021) и слабой горячей струе, выходящей в основную камеру. В этом случае CR следует зафиксировать во время оптимизации геометрии форкамеры, чтобы изолировать его влияние.

Чтобы избежать потенциальной систематической ошибки при линейном регрессионном анализе, используется метод повторной выборки с начальной загрузкой.Всего 184 точки данных подвергаются случайной повторной выборке 1000 раз, и к каждой выборке применяется линейный регрессионный анализ. На рисунке 19 показан график разброса наклона и коэффициента детерминации (RSQ) всех проектных параметров, рассчитанных на основе 1000-кратного бутстрэппинга. Результаты показывают ту же тенденцию, что и на рисунках 17 и 18, с точки зрения наклона и коэффициента детерминации. Параметры «cr», «er» и «ez» имеют наибольший коэффициент детерминации. Это означает, что предыдущий линейный регрессионный анализ достаточен для сравнения относительной важности различных проектных параметров для работы двигателя.Результаты аппроксимации модели линейной регрессии представлены в дополнительном материале.

РИСУНОК 19 . Наклон и коэффициент детерминации (RSQ) всех проектных параметров при 1000-кратном бутстреппинге.

Заключение

В этой работе разработан эффективный метод оптимизации, основанный на стратегии байесовского обновления для оптимизации двигателей внутреннего сгорания на основе 3D CFD. Этот метод объединяет DOE, генетический алгоритм и метод машинного обучения.Метод применяется для оптимизации конструкции форкамеры двигателя с искровым зажиганием. Геометрия форкамеры параметризуется 11 конструктивными параметрами. CA50 рассматривается как основная цель оптимизации. Сгенерирована матрица DOE этих проектных параметров. Модели в матрице DOE моделируются с помощью 3D CFD горения, который создает базу данных, которая используется для обучения моделей машинного обучения. Оценка различных моделей машинного обучения проводится в два этапа. Первый этап основан на RMSE моделей машинного обучения.Второй этап основан на итерациях с генетическим алгоритмом и 3D CFD горения. Оптимальная конструкция сравнивается с усредненной конструкцией, чтобы понять влияние конструкции форкамеры на характеристики двигателя. Из настоящей статьи можно сделать следующие выводы:

1) Предлагаемый метод оптимизации байесовского обновления, основанный на трехмерном CFD-модели сгорания, параметризации, DOE, GA и машинном обучении, эффективен и применим для разработки двигателей.

2) Средняя модель Гаусса SVM оказалась лучшей моделью машинного обучения в Matlab для данного приложения.

3) Анализ горения выбранных конструкций показал, что интенсивность турбулентности и структура потока внутри предкамеры имеют решающее значение для процесса искрового зажигания. Больший объем форкамеры приводит к более сильному потоку струи в форкамеру и, как следствие, более сильной турбулентности и нисходящему потоку, который ускоряет процессы воспламенения и распространения пламени.

4) Был проведен простой линейный регрессионный анализ. Результаты показывают, что радиус и высота предкамеры оказывают очевидное влияние на CA50.Это три основных конструктивных параметра, определяющих объем предкамеры. Большой радиус верхней части форкамеры способствует процессу зажигания. Высота форкамеры меньше влияет на работу двигателя. Крутой наклон между верхней и нижней частью форкамеры благоприятен для процесса зажигания.

4) Большой объем предкамеры приводит к более низкой степени сжатия, более низкому давлению и температуре во время зажигания и более высокой остаточной концентрации в предкамере, что не способствует более быстрому зажиганию / сгоранию.Таким образом, термохимические условия вступают в противоречие с условиями гидродинамики. Выбор правильной конструкции — это поиск золотого пятна, которое ставит под угрозу эти два различных механизма.

В будущем будут приниматься во внимание другие параметры конструкции, включая количество отверстий сопла, размер отверстия сопла, направление отверстия сопла, ориентацию отверстия сопла, время зажигания и корпус поршня. Следует изучить более широкий диапазон проектных параметров. Геометрия свечи зажигания должна быть включена в модель CFD.Дополнительные цели (например, CA10, TKE и фракция остаточного газа в форкамере, выбросы) и ограничения (например, пиковое давление, скорость повышения пикового давления) могут быть приняты во внимание с использованием многоцелевых методов оптимизации.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Авторский вклад

HG и PZ внесли равный вклад в данную статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают признательность компании Convergent Science Inc. за поддержку этого исследования, предоставляя бесплатную академическую лицензию CONVERGE. Авторы выражают признательность Центру высокопроизводительных вычислений (HPCC) Техасского технологического университета в Лаббоке за предоставление ресурсов высокопроизводительных вычислений, которые способствовали результатам исследований, представленных в этой статье.Авторы благодарят рецензентов за ценные комментарии.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2020.599752/full#supplementary-material.

Ссылки

Ахтар, М.С., Сан, С., Ма, X., Шен, Ю., Шуай, С.Дж., и Ван, З. (2017). Влияние геометрии сопла форкамеры на воспламенение и распространение пламени свечи зажигания, работающей на природном газе. Технический документ SAE 2017-01-2338.doi: 10.4271 / 2017-01-2338

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Альварес, К. Э. К., Коуту, Г. Э., Росо, В. Р., Тириет, А. Б., и Валле, Р. М. (2018). Обзор форкамерных систем зажигания как технологии обедненного сгорания для двигателей SI. Заявл. Therm. Англ. 128, 107–120. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2017.08.118

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Attard, W. P., Fraser, N., Parsons, P., and Toulson, E. (2010). Система сгорания форкамеры с турбулентным реактивным зажиганием для значительного повышения экономии топлива в трансмиссии современных транспортных средств. SAE Int. J. Eng. 3, 20–37. doi: 10.4271 / 2010-01-1457

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Attard, W. P., and Parsons, P. (2010). Разработка ядра пламени для искровой системы сгорания с форкамерой, способной работать с высокой нагрузкой, с высоким КПД и почти нулевыми выбросами NOx. SAE Int. J. Eng. 3, 408–427. doi: 10.4271 / 2010-01-2260

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Badra, J., khaled, F., Sim, J., Pei, Y., Viollet, Y., Pal, P., и другие. (2020). Оптимизация системы сгорания легкового двигателя GCI с использованием CFD и машинного обучения. Технический документ SAE 2020-01-1313. doi: 10.4271 / 2020-01-1313

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бенекос, С., Фрузакис, К. Э., Яннакопулос, Г. К., Болла, М., Райт, Ю. М., и Булучос, К. (2020). Предкамерное зажигание: предварительное двухмерное DNS-исследование влияния начальной температуры и состава основной камеры. Сжигание. Пламя 215, 10–27. DOI: 10.1016 / j.combustflame.2020.01.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бисвас, С., и Цяо, Л. (2018). Зажигание сверхбедной предварительно смешанной смеси h3 / воздуха с использованием нескольких горячих турбулентных струй, генерируемых форкамерным сгоранием Заявл. Therm. Англ. 132, 102–114. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2017.11.073

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бисвас, С., и Цяо, Л. (2016). Форкамерное зажигание горячей струей ультра-бедных смесей h3 / воздух: влияние сверхзвуковых струй и нестабильность горения. SAE Int. J. Eng. 9, 1584–1592. doi: 10.4271 / 2016-01-0795

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bolla, M., Shapiro, E., Tiney, N., Kyrtatos, P., Kotzagianni, M., and Boulouchos, K. (2019). Численное моделирование предкамерного горения в оптически доступной RCEM. Технический документ SAE 2019-01-0224. doi: 10.4271 / 2019-01-0224

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брейман, Л., Фридман, Дж., Стоун, К. Дж., И Олшен, Р. А. (1984). Деревья классификации и регрессии .Бока-Ратон: CRC Press.

Google Scholar

Дамс, Р. Н., Чен, Дж. Х., Нгуен, Т., и Рит, М. (2019). «Разработка модели фундаментальных процессов сгорания», в Ежегодном собрании по оценке заслуг Министерства энергетики США.

Google Scholar

Энрайт, М. П., и Франгополь, Д. М. (1999). Прогнозирование состояния разрушения бетонных мостов с использованием байесовского обновления. J. Struct. Англ. 125, 1118–1125.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фриман, К., Эндрес, Дж., Робинсон, Дж., Парамесваран, С., Ге, Х. и Чжао, П. (2020). Разработка под руководством CFD системы форкамерного зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Внутр. J. Powertrains 11, 23–27. doi: 10.1515 / 9783486736366-027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ge, H. W., Lee, C. W., Shi, Y., Reitz, R. D., and Willems, W. (2011). Объединение законов масштабирования и вычислительной оптимизации для разработки рекомендаций по уменьшению размеров дизельного двигателя. Технический документ SAE 2011-01-0836.doi: 10.4271 / 2011-01-0836

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ge, H. W., Shi, Y., Reitz, R. D., Wickman, D., and Willems, W. (2010). Разработка двигателя с использованием многомерного CFD и компьютерной оптимизации. Технический документ SAE 2010-01-0360. doi: 10.4271 / 2010-01-0360

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ge, H. W., Shi, Y., Reitz, R. D., Wickman, D. D., and Willems, W. (2009). Оптимизация дизельного двигателя HSDI для легковых автомобилей с использованием многоцелевого генетического алгоритма и многомерного моделирования. SAE Int. J. Eng. 2, 691–713. doi: 10.4271 / 2009-01-0715

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ge, H. W., Shi, Y., Reitz, R. D., and Willems, W. (2010). Оптимизация дизельного двигателя HSDI при малой нагрузке с использованием многоцелевого генетического алгоритма и детальной химии. Proc. Inst. Мех. Англ. Часть D J. Automob. Англ. 224, 547–563. doi: 10.1243 / 09544070JAUTO1351

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gentz, G., Thelen, B., Gholamisheeri, M., Litke, P., Brown, A., Hoke, J., et al. (2015). Исследование влияния диаметра отверстия на систему зажигания турбулентной струи посредством визуализации горения и определения характеристик в машине быстрого сжатия. Заявл. Therm. Англ. 81, 399–411. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2015.02.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Генц, Г. Р., Тулсон, Э. (2016). Экспериментальные исследования турбулентного струйного воспламенителя на жидком пропане в машине быстрого сжатия. SAE Int. J. Eng. 9, 777–785. doi: 10.4271 / 2016-01-0708

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gholamisheeri, M., Wichman, I.S, and Toulson, E. (2017). Исследование поля турбулентного струйного течения в системе турбулентного струйного зажигания (TJI), работающей на метане. Сжигание. Пламя , 183, 194–206. doi: 10.1016 / j.combustflame.2017.05.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хан, З., и Райтц, Р. Д. (1995). Моделирование турбулентности двигателей внутреннего сгорания с использованием моделей ГСЧ κ – ε. Сжигание. Sci. Technol. 106, 267–295. doi: 10.1080 / 001022095082

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hlaing, P., Echeverri Marquez, M., Singh, E., Almatrafi, F., Cenker, E., Ben Houidi, M., et al. (2020). Влияние обогащения в форкамере на концепцию искрового воспламенения в предкамерной обедненной смеси с узкой горловиной. Технический документ SAE 2020-01-08 25. doi: 10.4271 / 2020-01-0825

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хуа, Дж., Чжоу, Л., Гао, К., Фэн, З., и Вэй, Х. (2021). Влияние конструкции форкамеры и параметров впрыска на характеристики двигателя и характеристики сгорания в двигателе с турбулентным реактивным зажиганием (TJI). Топливо 283, 119236. doi: 10.1016 / j.fuel.2020.119236

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карими, А., Раджагопал, М., и Налим, Р. (2014). Возгорание от горячей струи в камере сгорания постоянного объема. J. Eng. Газовые турбины Power , 136, 041506. doi: 10.1115 / 1.4025659

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kim, J., Скарчелли Р., Сом С., Шах А., Бирудуганти М. С. и Лонгман Д. Э. (2019). «Оценка моделей турбулентного горения для моделирования предкамерного воспламенения в двигателе, работающем на природном газе», на осенней технической конференции ASME ICED, стр. V001T06A12. doi: 10.1115 / ICEF2019-7278

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kodavasal, J., Abdul Moiz, A., Ameen, M., and Som, S. (2018). Использование машинного обучения для анализа факторов, определяющих межцикловые изменения в бензиновом двигателе с искровым зажиганием. J. Energy Resour. Technol. 140, 13–19. doi: 10.1115 / 1.4040062

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лаундер Б. Э. и Сполдинг Д. Б. (1974). Численный расчет турбулентных течений. Comput. Методы Прил. Мех. Англ. 3, 269–289.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lee, C. W., Ge, H. W., Reitz, R. D., Kurtz, E., and Willems, W. (2012). Вычислительная оптимизация уменьшенного дизельного двигателя, работающего в обычном режиме диффузионного горения, с использованием многоцелевого генетического алгоритма. Сжигание. Sci. Technol. 184, 78–96. doi: 10.1080 / 00102202.2011.620051

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Ф., Чжао, З., Ван, Б., и Ван, З. (2020). Экспериментальное исследование форкамерного струйного зажигания в машине быстрого сжатия и одноцилиндровом двигателе, работающем на природном газе. Внутр. J. Engine Res. 146, 47–53. doi: 10.1177 / 1468087419883783

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, И-Д., Цзя, М., Се, М-З., И Панг, Б. (2012). Усовершенствование каркасной кинетической модели окисления первичного эталонного топлива с использованием методологии полусвязки. Energy Fuels 26, 7069–7083. doi: 10.1021 / ef301242b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лу, Т., и Ло, К. К. (2008). Критерий, основанный на вычислительном сингулярном возмущении для идентификации квазистационарных видов: редуцированный механизм окисления метана с химическим составом NO. Сжигание. Пламя 154, 761–774. doi: 10.1016 / j.combustflame.2008.04.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Масторакос, Э., Эллисон, П., Джусти, А., Де Оливейра, П., Бенекос, С., Райт, Ю. и др. (2017). Фундаментальные аспекты струйного зажигания двигателей, работающих на природном газе. SAE Int. J. Eng. 10, 2429–2438. doi: 10.4271 / 2017-24-0097

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Moiz, A. A., Pal, P., Probst, D., Pei, Y., Zhang, Y., Som, S., et al. (2018). Подход на основе генетического алгоритма машинного обучения (ML-GA) для быстрой оптимизации с использованием высокопроизводительных вычислений. SAE Int. J. Comm. Veh. 11, 291–306.doi: 10.4271 / 2018-01-0190

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Muller, M., Freeman, C., Zhao, P., and Ge, H. (2018). «Численное моделирование механизма зажигания в основной камере системы турбулентного струйного зажигания», на осенней технической конференции ASME ICED. doi: 10.1115 / icef2018-9587

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Probst, D. M., Raju, M., Senecal, P. K., Kodavasal, J., Pal, P., Som, S., et al. (2019). Оценка стратегий оптимизации для моделирования двигателей с использованием эмуляторов машинного обучения. J. Eng. Газовые турбины Энергетика , 141, 124–129. doi: 10.1115 / 1.4043964

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Richards, K., Senecal, P., and Pomraning, E. (2017). CONVERGE 2.4 инструкция . Мэдисон, Висконсин: Convergent Science, Inc.

Google Scholar

Ронкетти, Э., Филд, К. и Бланшар, В. (1997). Выбор надежной линейной модели путем перекрестной проверки. J. Am. Стат. Доц. 92, 1017–1023. doi: 10.2307 / 2965566

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шах, А., Tunestal, P., and Johansson, B. (2015). Влияние объема форкамеры и диаметра сопла на зажигание форкамеры в тяжелых двигателях, работающих на природном газе. Технический документ SAE 2015-01-0867. doi: 10.4271 / 2015-01-0867

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шах, Н., Чжао, П., ДелВесково, Д., и Ге, Х. (2019). Прогнозирование свойств самовоспламенения и пламени для многокомпонентных топлив с использованием методов машинного обучения. Технический документ SAE 2019-01-1049. doi: 10.4271 / 2019-01-1049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Shi, Y., Ге, Х. В., и Райтц, Р. Д. (2011). Вычислительная оптимизация двигателей внутреннего сгорания . Лондон: Спрингер. DOI: 10.1007 / 978-0-85729-619-1

CrossRef Полный текст

Тан, К., Сампат, Р., Маркес, М.Э, Хлаинг, П., Шарма, П., Бен, М., и др. al. (2008). Одновременное негативное изображение хемилюминесценции с помощью PLIF и OH * газообмена и факела пламени из узкой форкамеры. Технический документ SAE 2020-01-2080, (2020). doi: 10.4271 / 2020-01-2080

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тинг, К.М., и Виттен, И. Х. (2020). Укладка в мешки и крестовины моделей . Новая Зеландия: Гамильтон Пресс.

Google Scholar

Toulson, E., Huisjen, A., Chen, X., Squibb, C., Zhu, G., Schock, H., et al. (2012). Визуализация искрового зажигания пропана и природного газа и турбулентного струйного зажигания. SAE Int. J. Eng. 5, 1821–1835. doi: 10.4271 / 2012-32-0002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тулсон, Э., Шок, Х. Дж. И Аттард, В.П. (2010). Обзор систем сгорания с форкамерным реактивным зажиганием. Технический документ SAE 2010-01-2263. doi: 10.4271 / 2010-01-2263

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уильямс, К. К., и Расмуссен, К. Э. (2006). Гауссовские процессы для машинного обучения . Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Google Scholar

Сюй, З., Дай, М., и Мэн, Д. (2009). Быстрые и эффективные стратегии выбора модели машины опорных векторов Гаусса. IEEE Trans Syst Man Cybern B Cybern , 39, 1292–307.doi: 10.1109 / TSMCB.2009.2015672

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, A.Q., Yu, X., Engineer, N., Zhang, Y., and Pei, Y.J. (2020). Численное исследование форкамерного реактивного горения в легком бензиновом двигателе. ASME ICEF2020-2997. doi: 10.1115 / ICEF2020-2997

CrossRef Полный текст | Google Scholar

MAHLE Powertrain получает премию Дугальда Клерка IMechE за технологию форкамерного зажигания

MJI воспламеняет разбавленную топливно-воздушную смесь с помощью горячих газовых струй, которые достигают всех частей камеры сгорания.

MAHLE Powertrain

Партнерство авторов с MAHLE Powertrain в США было признано за его работу по форкамерному зажиганию, представленную на конференции Института инженеров-механиков по двигателям внутреннего сгорания и системам трансмиссии в декабре 2019 года.

Pre- Камерное зажигание изучается с начала 1900-х годов как технология, способствующая быстрому воспламенению бедных топливных смесей. В конструкции MAHLE Jet Ignition используется очень маленькая вспомогательная камера предварительного нагрева (менее 3% от зазора основной камеры).После воспламенения эта форкамера выпускает быстро движущиеся перегретые струи через сопло с несколькими отверстиями в основную камеру сгорания, вызывая быстрое и равномерное воспламенение. MJI имеет две версии: активная система использует небольшой топливный инжектор в форкамеру, а также свечу зажигания, тогда как пассивный MJI получает заряд из основной камеры во время такта сжатия.

Четыре члена исследовательской группы MAHLE Powertrain LLC выступили соавторами доклада о результатах исследования прогресса в разработке технологии MJI.«Мы благодарны за то, что наша работа по форкамерному воспламенению была признана таким образом», — говорит один из авторов, Майк Банс, руководитель отдела исследований компании. «Это был толчок для всей исследовательской группы».

Active MJI ранее демонстрировал повышение эффективности двигателя на 20-30%. Однако предкамерное зажигание исторически сталкивалось с проблемами при низких нагрузках, особенно на холостом ходу и в условиях нагрева катализатора, включая плохую стабильность горения и сильно ограниченную способность замедлять синхронизацию зажигания.«Наше исследование показало, что это происходит из-за остановки процесса газообмена между форкамерой и цилиндром во время такта впуска, вызванного сильным дросселированием, что означает плохую продувку остаточных газов из форкамеры», — говорит Банс. «Это, в свою очередь, приводит к нестабильному сгоранию в предкамерной камере, которое затем распространяется на весь процесс горения в цилиндре».

Active MJI использует вторичный топливный инжектор для подачи в форкамеру, наряду со свечой зажигания.«Использование Active MJI с частичным разбавлением при холостых нагрузках позволяет более эффективно удалять остатки», — объясняет Банс. «В условиях нагрева катализатора дополнительная подача топлива обеспечивает более непосредственный контроль над подготовкой смеси в предкамерной камере, что приводит к снижению нестабильности процесса сгорания в предкамерной камере. Эти шаги, в сочетании с другими действиями по оптимизации, привели к тому, что наш многоцилиндровый испытательный двигатель MJI достиг производительности холостого хода и нагрева катализатора, сопоставимых с характеристиками современных двигателей SI без необходимости во вторичном воспламенителе, и результаты исследования представляют реальный прогресс в обеспечении Технология реактивного зажигания, такая как MJI, может успешно работать во всем диапазоне работы, требуемой для современных двигателей.

Американский завод MAHLE Powertrain в Плимуте, штат Мичиган, отвечал за разработку Active MJI, и эта технология продемонстрировала значительный потенциал. «Одна из проблем заключается в том, что сильно разбавленные смеси могут оказывать неблагоприятное воздействие на выбросы, такие как NOx», — говорит Банс. «Однако Active MJI выходит за рамки Lambda 1.5, где образование NOx прекращается из-за более низких температур, что снижает потребность в дополнительной обработке».

«Мы были впечатлены технологией MJI и потенциалом активной системы для снижения выбросов и экономии топлива», — говорит Стив Сапсфорд, председатель группы систем трансмиссии и топлива IMechE и член технической комиссии награды.

Сэр Дугальд Клерк разработал первый в мире успешный двухтактный двигатель в 1878 году и запатентовал его в Англии в 1881 году. Приз Дугальда Клерка ежегодно присуждается IMechE авторам оригинальной статьи, посвященной теме, с которой он был связан .

Авторами статьи являются Майк Банс, доктор Натан Петерс, Саи Кришна Потураджу Субраманьям и Хью Блэксилл. Цитата из статьи: Банс, М., Петерс, Н., Субраманьям, СКП, Блэксилл, Х., «Оценка проблемы низкой нагрузки для работы двигателя с реактивным зажиганием», Труды Института инженеров-механиков Двигатели внутреннего сгорания и силовая передача. Конференция «Системы для будущего транспорта» , декабрь 2019 г.

Патент США на пассивное форкамерное сгорание с прямым впрыском Патент (Патент № 98

, выдан 13 февраля 2018 г.) ПРЕТЕНЗИЯ НА ПРИОРИТЕТ

Настоящая заявка является продолжением и испрашивает преимущество приоритета Международной патентной заявки № PCT / US2016 / 055813, поданной 6 октября 2016 г., в которой испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 62/238 013, поданной 6 октября 2015 г., полное содержание которой включено сюда посредством ссылки.

Понятия здесь относятся к сгоранию газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Существует тенденция использования природного газа в качестве моторного топлива из-за его низкой стоимости. Например, по сравнению с дизельным топливом, природный газ является более дешевым топливом в расчете на энергию. Природный газ обычно зажигают от свечи зажигания. Однако энергия зажигания от свечи зажигания не всегда эффективно воспламеняет природный газ при высоких степенях сжатия, особенно в обедненных условиях эксплуатации.Чтобы исправить это, в некоторых системах не используются свечи зажигания и в качестве пилотного топлива используется дизельное топливо. Другими словами, эти системы впрыскивают небольшое количество дизельного топлива в качестве пилотного топлива в начале цикла сжатия, которое автоматически воспламеняется от сжатия. Затем впрыскивается природный газ и воспламеняется от сгорающего пилотного топлива. Однако для системы природного газа, использующей дизельное топливо в качестве пилотного топлива, требуются две топливные системы и связанные с ними трубопроводы, хранилище, форсунки и т. Д., Что может увеличить стоимость, размер, сложность и затруднить модернизацию.

Двигатели с воспламенением от сжатия (например, дизельные), как известно, являются стандартом эффективности — из-за высокой степени сжатия, всасывания и сжатия воздуха, а не топлива и воздуха, отсутствия дроссельной заслонки и высокого среднего эффективного давления в цилиндре при торможении (например, «BMEP» ). Однако топливо в типичном дизельном двигателе горит в диффузионном пламени, когда богатый топливом сердечник впрыскивается в воздух. Фронт пламени находится на стехиометрической границе между топливом и воздухом, а скорость горения контролируется скоростью, с которой кислород диффундирует в реакцию, а продукты сгорания диффундируют из зоны реакции.Это неоднородное сгорание приводит к (а) высоким выбросам NOx и сажи и (б) более медленному сгоранию и, следовательно, к менее эффективной фазе сгорания в целом, поскольку значительная часть сгорания происходит при расширении поршня, так что каждый грамм топлива, который ожоги после верхней мертвой точки кривошипа будут иметь все меньшую и меньшую степень расширения и, следовательно, меньшую вытяжку.

В качестве альтернативы, сжигание газообразного топлива с искровым зажиганием в рамках цикла Отто (сгорание с почти постоянным объемом) имеет высокоэффективное сгорание и хорошую фазировку сгорания для повышения эффективности, однако благодаря процессу самовоспламенения, присущему предварительно смешанным топливно-воздушным смесям, для контроля детонации и стук степень сжатия должна быть ниже; дроссель используется для управления нагрузкой; а свежий заряд воздуха и топлива является рабочей жидкостью сжатия.Однако при работе с контролируемым стехиометрическим соотношением воздух-топливо (т. Е. AFR) недорогой трехкомпонентный катализ очень эффективен для снижения выбросов до регулируемых уровней без особых сложностей.

РИС. 1 представляет собой поперечное сечение части примерной системы двигателя внутреннего сгорания.

РИС. 2 — схема контроллера, который коммуникативно связан с примерным двигателем.

РИС. 3 — иллюстрация примерного узла форкамеры и форсунки, показывающего результаты вычислений впрыска топлива в камеру сгорания.

РИС. 4 — иллюстрация примерного узла форкамеры и инжектора, показанного на фиг. 3, на котором показаны сужающиеся топливные форсунки.

РИС. 5A-C показаны поперечные сечения примерного узла инжектор-воспламенитель.

РИС. 6 — поперечное сечение параллельного узла пассивного инжектора-воспламенителя со встроенным газовым инжектором.

РИС. 7A и 7B — виды в разрезе и в перспективе, соответственно, наконечника узла инжектор-воспламенитель, показанного на фиг.5A-C, показывающий выпуск топливных каналов относительно отверстий для жиклеров.

РИС. 8A-8C — результаты расчета соотношения воздух-топливо в основной камере сгорания и внутри форкамеры для различных ориентаций выпускных топливных форсунок.

РИС. 9 — график соотношения воздух-топливо в каждой из форкамер на фиг. 8A-8C во время такта сжатия двигателя.

РИС. 10 представляет собой график кривой давления сгорания, показывающий окна, необходимые для предотвращения детонации при сохранении низкого давления впрыска.

РИС. 11А — результат расчета соотношения воздух-топливо в форкамеру и основной комбинированной камере перед зажиганием.

РИС. 11В — результат расчета температуры в форкамере и основной комбинированной камере после зажигания.

РИС. 12 — график давления в форкамере и основной камере сгорания по фиг. 11A и 11B во время события возгорания.

РИС. 13 — график скорости тепловыделения в форкамере и основной камере сгорания по фиг.11A и 11B во время события возгорания.

Идеальный цикл двигателя сочетал бы в себе лучшее от газового и дизельного двигателя и стратегий сгорания. Например, может быть выгодно иметь высокую степень сжатия для хорошей эффективности в сочетании с системой, которая нагнетает воздух в основную камеру сгорания (вместо воздушно-топливной смеси), при оптимизации выбросов за счет использования стехиометрической смеси воздух-топливо. соотношение (AFR). Также желательно, чтобы быстрое сгорание происходило вблизи верхней мертвой точки поршня.Разработка системы, реализующей вышеуказанные стратегии, сопряжена с определенными проблемами. Во-первых, системе необходим двигатель с высокой степенью сжатия без самовоспламенения и риска детонации с небольшой или ограниченной рециркуляцией выхлопных газов (т. Е. Для стехиометрического AFR) или избыточным воздухом (т. Во-вторых, система должна впускать воздух для повышения объемного КПД и, следовательно, должна быстро смешивать воздух и топливо в цилиндре, чтобы обеспечить быстрое сгорание с низким уровнем выбросов. Некоторые описанные здесь примерные системы и способы направлены на достижение вышеуказанных целей и стратегий.

Одной из специфических проблем является работа двигателя с высокой степенью сжатия при предотвращении детонации в двигателе. Под детонацией в двигателе понимается самовоспламенение смеси газообразного топлива и воздуха «перед фронтом пламени». При наличии достаточного времени, температуры и давления часть «конечного газа» подвергается сжатию во время такта сжатия, но также в результате повышения давления, вызванного процессом сгорания, который начинается в источнике воспламенения. Этот «конечный газ» воспламеняется не самим распространяющимся пламенем, а скорее из-за повышения давления и температуры в результате горения, когда пламя проходит через камеру сгорания.Процесс сгорания увеличивает давление и температуру во всей камере сгорания и, следовательно, для несгоревшей смеси «впереди пламени». С этой целью создается впечатление, что процесс сжатия двигателя просто продолжается. Нагрев сжатия от движения поршня, уменьшающий объем, плюс повышение давления при сгорании вызывают нарастание реакции самовоспламенения и «саморазогрев» до тех пор, пока зона не созреет для самовоспламенения. Если пламя доберется до него первым, оно поглотит смесь, «готовую к удару», но в противном случае зона самовозгорится.Когда зона самовоспламеняется, энергия зоны высвобождается быстро, посылая ударную волну через камеру сгорания, что имеет два вредных эффекта: во-первых, самовоспламенение заставит другие зоны, «близкие к самовоспламенению», почувствовать импульс давления и запускается также для самовоспламенения (цепная реакция). И, во-вторых, самовоспламенение увеличит теплоотдачу за счет разрушения защитного пограничного слоя. В случае продолжительного удара детонация приведет к чрезмерному нагреванию камеры сгорания, что обычно приводит к повреждению двигателя (например.g., прожигание отверстий или расширение поршня до точки заедания). Следовательно, необходимо избегать детонации, чтобы двигатели прослужили долго. Как правило, для устранения детонации в двигателях используется одно или несколько из следующего: (а) замедленное зажигание (т.е. более позднее начало сгорания), (б) более низкая степень сжатия, (в) высокое разбавление рециркуляцией отработавших газов или бедной смесью, или (d) работать на очень высоких скоростях, чтобы сократить время готовности, BMEP и температуры. На средних оборотах используются двигатели с высоким BMEP, (a), (b) и (c).

Раскрывается узел форсунки-воспламенителя, включающий параллельную пассивную форкамеру и топливную форсунку.В двигателе внутреннего сгорания топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания для смешивания с воздухом в камере сгорания. Варианты осуществления позволяют заполнять форкамеру при другом соотношении воздух-топливо, чем в камере, без непосредственного заполнения форкамеры топливом. Форкамера имеет струйные отверстия, сообщающиеся по текучей среде с камерой сгорания. Во время работы топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания через сопла, образуя облако рядом с отверстиями в форкамере. Затем смесь топлива и воздуха попадает в форкамеру из камеры сгорания и воспламеняется.Степень перемешивания перед попаданием в форкамеру можно контролировать с помощью различных конфигураций форсунок. Воспламенившееся газообразное топливо и воздух выбрасываются из форкамеры через отверстия жиклеров в камеру сгорания в виде горящей струи с сердечником из газообразного топлива.

Некоторые примеры настоящей системы включают способ сохранения преимуществ высокой степени сжатия, типичной для двигателей с воспламенением от сжатия (CI), в сочетании с быстрым сгоранием цикла Отто с искровым зажиганием (SI) при подавлении детонации.Дополнительные преимущества связаны с подачей и сжатием воздуха без топлива.

Некоторые аспекты раскрытия включают и охватывают систему прямого впрыска газа среднего давления с использованием инжектора со встроенным воспламенителем и пассивной форкамерой (пассивной, с учетом того, что топливо не впрыскивается непосредственно в форкамеру, что типично для «продуванных форкамер») и за счет точного управления синхронизацией впрыска для достижения более позднего начала впрыска с последующим более поздним началом сгорания при одновременном достижении быстрого сгорания.В некоторых аспектах вышеупомянутые реакции самовоспламенения (которые ограничивают достижение высокого BMEP и высокой степени сжатия) задерживаются за счет (а) отсутствия подачи топлива непосредственно в нагнетаемый воздушный заряд и (б) задержки впрыска топлива, что задерживает время начала реакций самовоспламенения. В общем, если в конечном газе нет топлива, реакции самовоспламенения не могут начаться. В некоторых случаях задержка подачи топлива задерживает начало детонации и отодвигает тайм-аут за критическое время, так что детонация больше не имеет достаточной величины, чтобы быть проблемой, или по существу отсутствует.

Согласно представленным здесь концепциям, топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Прямой впрыск используется для (а) управления нагрузкой двигателя и (б) для предотвращения преждевременного воспламенения топлива, поскольку процесс воспламенения от сжатия не может начаться до тех пор, пока топливо не будет впрыснуто. Этот прямой впрыск позволяет двигателю работать с высокой степенью сжатия и, таким образом, повышает эффективность.

Впрыск газа непосредственно в камеру сгорания, через некоторое время после закрытия впускного клапана и до верхней мертвой точки, позволяет оптимизировать смешивание, расслаивая заряд, так что в области конечного газа остается меньше газа и сокращается время нахождения газа в область конечного газа, которая подвергнется реакциям самовоспламенения.Таким образом, эта система может сохранять высокую степень сжатия для высокой эффективности, но устранять ограничения детонации, контролируя распределение и время сжатия для области конечного газа.

Позднее сгорание предотвращает повышение давления и температуры, обычно возникающее из-за сжатия продуктов сгорания во время такта сжатия. Из-за высокой скорости горения горение может начаться после верхней мертвой точки и все же закончиться с оптимальным расположением центра тепловыделения (например.г., СА50 — угол поворота коленчатого вала при 50% тепловыделении). Это возможно из-за ускорения струи из-за горящих струй пламени, создаваемых пассивной форкамерой.

Форкамера является пассивной форкамерой, или, возможно, ее можно было бы назвать полупассивной форкамерой, потому что — в отличие от классической форкамеры с подачей топлива (также известной как форкамера с продувкой) — топливо впрыскивается не напрямую в форкамеру, а параллельно с ней. и примыкает к форкамере. Топливо в первую очередь попадает в основную камеру сгорания, где оно частично смешивается с воздухом перед попаданием в форкамеру.Это позволяет контролировать количество топлива в форкамере независимо от заправки топливом в главную камеру. В некоторых случаях топливо впрыскивается в верхнюю мертвую точку без чрезмерного обогащения форкамеры.

По сравнению с классической форкамерой с подачей топлива — где топливо для зажигания впрыскивается в форкамеру, свеча зажигания находится в той же форкамеру, а топливо для основной камеры сгорания не проходит через форкамеру, в данной системе топливо впрыскивается не непосредственно в форкамеру, а через параллельный канал, а направляет топливо в основную камеру сгорания (не непосредственно в форкамеру).В некоторых случаях топливная форсунка может быть объединена с форкамерой в одном устройстве. В качестве альтернативы инжектор может использовать «параллельную» подачу топлива, когда основной путь впрыска направлен в основную камеру сгорания, а регулируемое спускное отверстие обеспечивает путь утечки в форкамеру, чтобы обеспечить прямую заправку топливом форкамеры, пока основная камера работает. заправлены одновременно. Отношение утечки в форкамеру по отношению к заправке топливом в главную камеру может быть оптимизировано.

Относительно систем, имеющих форкамеру с подачей топлива, в которых канал впрыска топлива и свеча зажигания находятся в форкамеру, а полное топливо для основной камеры сгорания не впрыскивается через форкамеру — здесь система отвечает за общую подача топлива в основную камеру сгорания, но топливопровод параллелен форкамере, а не напрямую подключен к форкамере.

РИС. 1 показано поперечное сечение части примерной системы двигателя внутреннего сгорания 100 .Примерная система двигателя , 100, включает двигатель внутреннего сгорания , 101, , который является поршневым двигателем, и включает в себя головку , 102, , блок , 122, и поршень , 104, . Поршень , 104, расположен внутри цилиндра, определенного внутри блока , 122, . Поршень , 104, совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра во время работы двигателя, и его движение приводит в движение кривошип (не показан), а движение кривошипа приводит в движение поршень , 104, .Основная камера сгорания , 106, представляет собой объем, расположенный внутри цилиндра между головкой 102 и поршнем 104 и ограниченный блоком 122 . ИНЖИР. 1 представляет собой поперечное сечение одного поршня 104 в цилиндре. Однако двигатель 101 может включать в себя один, два или более подобных поршня 104 в цилиндре, соединенном с кривошипом.

Примерный двигатель внутреннего сгорания 101 включает воздухозаборный канал 108 с впускным клапаном 110 и выпускной канал 112 с выпускным клапаном 114 .Проходы 108 , 112 находятся в головке 102 рядом с основной камерой сгорания 106 , а клапаны 110 , 114 образуют часть стенок основной камеры сгорания 106 . Впускной клапан , 110, открывается для впуска воздуха в основную камеру сгорания 106 . После сгорания выпускной клапан , 114, открывается для выпуска остатков сгорания из основной камеры сгорания 106 в выпускной канал 112 .Хотя концепции здесь описаны в отношении поршневого двигателя внутреннего сгорания, эти концепции могут быть применены к другим конфигурациям двигателя внутреннего сгорания.

Примерный двигатель внутреннего сгорания 101 включает в себя примерный узел топливной форсунки-воспламенителя двигателя 116 . Узел топливной форсунки-воспламенителя двигателя 116 включает в себя топливную форсунку 125 и примерную свечу воспламенителя 124 . Топливная форсунка , 125, предназначена для прямого впрыска, что означает, что форсунка 125 впрыскивает топливо непосредственно в камеру сгорания, главную камеру сгорания , 106, , а не в канал для впуска воздуха 108 или перед ним.В некоторых случаях двигатель , 101, может дополнительно включать в себя инжектор или другое заправочное устройство, не предназначенное для прямого впрыска, которое соединено с источником газообразного топлива для подачи топлива в канал 108 для забора воздуха или перед ним.

Примерный узел 116 инжектор-воспламенитель представляет собой обычно удлиненный корпус, расположенный в головке 102 и резьбовой и / или иным образом соединенный с головкой 102 . В некоторых случаях узел , 116, инжектор-воспламенитель может проходить в основную камеру сгорания 106 , находиться заподлицо со стенкой камеры сгорания , 106, или углубляться в стенку основной камеры сгорания 106 .Примерная свеча воспламенителя , 124, входит в примерный узел , 116, инжектор-воспламенитель и соединяется с узлом , 116 инжектор-воспламенитель с резьбой и / или иным образом. Узел инжектор-воспламенитель 116 образует внешнюю оболочку вокруг свечи зажигания 124 и топливной форсунки 125 .

Камера предварительного сгорания 120 включает воспламенитель 124 и окружена выпускными отверстиями форсунки 125 .ИНЖИР. 1 показана камера предварительного сгорания 120 как внешняя камера внутри узла 116 инжектор-воспламенитель, смежная с основной камерой сгорания 106 , но отдельно от нее. Однако в некоторых случаях камера предварительного сгорания , 120, может быть сформирована в самой головке , 102, , и узел инжектор-воспламенитель , 116, может быть исключен, или камера предварительного сгорания , 120, может быть объединена с свеча воспламенителя 124 (e.г., в общем или совмещенном корпусе или ограждении). Камера предварительного сгорания , 120, показана имеющей в целом симметричную цилиндрическую форму относительно центральной линии узла , 116, форсунки-воспламенителя, но в других случаях форкамера , 120, может иметь асимметричную форму. В некоторых случаях центральная линия форкамеры , 120, совпадает с центральной линией узла форсунки-воспламенителя 116 , но в других случаях форкамера смещена или под непараллельным углом относительно центральной линии форсунки-воспламенителя. Сборка 116 .

Пример узла форсунки-воспламенителя 116 включает в себя отверстия для жиклеров 118 a — c . Жиклевые отверстия , 118, , , , , c , сообщаются по текучей среде между внутренней частью форкамеры 120 и внешней частью форкамеры 120 . В этом поперечном сечении видны три отверстия для струй 118 a — c , но их может быть меньше или больше. Жиклеры 118 a — c сходятся к центральному каналу 126 , который открывается в камеру предварительного сгорания (т.е.е., «форкамера») 120 . Центральный канал 126 представляет собой осевой внутренний канал, который проходит от отверстий для струй 118 a — c вдоль центральной линии узла инжектор-воспламенитель 116 до камеры предварительного сгорания 120 . Центральный канал , 126, , каналы проходят по средней линии узла инжектор-воспламенитель 116 , и, как показано, наибольший поперечный размер канала 126 меньше, чем наибольший поперечный размер оставшейся части предварительного сгорания. камера 120 .Жиклевые отверстия 118 a — c могут иметь одно или несколько номеров, включая одно или несколько, которые ориентированы сбоку (например, отверстия для струи 118 a — b ) и / или одно или несколько ориентированы в осевом направлении (например, сопло , 118, , , ) и могут располагаться на узле 116 инжектор-воспламенитель симметрично или асимметрично. Жиклевые отверстия 118 a — c позволяют заряду, пламени и остаткам течь между узлом инжектор-воспламенитель 120 и основной камерой сгорания 106 .Как более подробно обсуждается ниже, воздушно-топливная смесь из камеры сгорания 106 попадает в камеру предварительного сгорания 120 через форсунки 118 a — c и центральный канал 126 работает. для направления потока вдоль центральной линии узла инжектор-воспламенитель 116 к свечу воспламенителя 124 . В некоторых случаях центральный канал , 126, направляет поток топливовоздушной смеси непосредственно в зазор воспламенителя свечи зажигания , 124, и / или через центральное жиклерное отверстие корпуса вокруг зазора воспламенителя свечи зажигания . 124 .Затем, после воспламенения топливовоздушной смеси в форкамере , 120, , отверстия для жиклеров , 118, , , —, c и центральный канал, , 126, , работают как струйные каналы к соплу для сжигания топливовоздушной смеси из форкамеры. 120 в расходящиеся струи пламени, которые проникают глубоко в основную камеру сгорания 106 и воспламеняют топливо в основной камере сгорания 106 .

Топливная форсунка 125 соединена с источником топлива (не показан) из одного или нескольких газообразных топлив (например,g., газообразный метан, природный газ, биогаз, свалочный газ, пропан или другое газообразное топливо или углеводороды с короткой цепью, называемые топливным газом) и выполнен с возможностью непосредственного впрыска газообразного топлива в камеру сгорания 106 .

Свеча зажигания 124 представляет собой устройство, сконфигурированное для инициирования ядра пламени для воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания 106 , такое как свеча зажигания, воспламенитель с горячей поверхностью, лазерный воспламенитель и / или другого типа. воспламенителя.В некоторых реализациях свеча зажигания , 124, включает в себя дополнительный кожух, отдельный от форкамеры , 120, , который образует камеру, ограничивающую место зажигания. Некоторые примеры запальных свечей, которые могут использоваться в качестве запальных свечей , 124, , описаны в US 2014/01^{, озаглавленном «Зажигатель горячего газа камеры покоя», и патенте США No. № 8,584,648, озаглавленный «Контролируемый поток ядра пламени с искровым зажиганием». Другие конфигурации воспламенителя также входят в рамки представленных здесь концепций.}

Примерная система двигателя 100 также включает в себя контроллер 150 , который коммуникативно связан с узлом 116 инжектор-воспламенитель. Контроллер , 150, может посылать сигналы на узел 116 инжектор-воспламенитель для впрыска топлива через топливный инжектор 125 в камеру предварительного сгорания 120 . В некоторых реализациях контроллер , 150, сигнализирует узлу , 116, инжектор-воспламенитель, чтобы впрыснуть топливо несколько раз, как несколько отдельных событий впрыска топлива.Контроллер , 150, может синхронизировать сигналы таким образом, чтобы топливо впрыскивалось в течение определенного периода времени. Контроллер , 150, может также сигнализировать свече зажигания , 124, , чтобы зажечь смесь топлива и воздуха в форкамере , 120, . Контроллер , 150, может посылать сигналы разных типов в любом порядке. Например, контроллер , 150, может посылать один или несколько сигналов для впрыска топлива и посылать один или несколько сигналов для работы воспламенителя.В некоторых реализациях контроллер , 150, одновременно отправляет сигналы для впрыска топлива и сигналы для воспламенения. Контроллер , 150, может быть включен как часть системы двигателя , 100, , или как часть узла , 116, инжектор-воспламенитель, или как часть другой системы.

В некоторых случаях свеча зажигания 124 может быть заменена любым воспламенителем, включая, например, нано-пилот (то есть небольшую каплю дизельного топлива или моторного масла), пятно лазерной искры, коронное или плазменное зажигание.

В некоторых случаях свеча накаливания работает в камере нагрева искры — это также может быть достигнуто путем добавления подачи газа — только в камеру искры — существенно уменьшая количество газа.

РИС. 2 показана схема контроллера , 150, , который коммуникативно связан с примерным двигателем 101 . Контроллер , 150, может посылать сигналы двигателю , 101, для запуска событий впрыска топлива и / или зажигания. Контроллер , 150, включает в себя память , 252, и процессор , 254, .Память , 252, — это машиночитаемый носитель, на котором хранятся инструкции, такие как инструкции для выполнения описанных здесь способов, которые могут выполняться процессором , 254, . Процессор , 254, , например, может быть компьютером, схемой, микропроцессором или другим типом устройства обработки данных. В некоторых реализациях часть или весь контроллер , 150, интегрирован с системой двигателя , 100, .

РИС.3 — иллюстрация примерной форкамеры , 310, и узла форсунки , 320, , , 300, , показывающая результаты расчетов впрыска топлива в камеру сгорания , 106, . ИНЖИР. 3 также наложено двухмерное компьютерное моделирование концентрации топлива в камере сгорания 90, 150, 106, , как показано затемнением. В показанном вычислительном моделировании топливо впрыскивается из форсунки , 320, через канал для впрыска (заштрихованный, чтобы указать 100% -ную концентрацию топлива) в основную камеру сгорания 106 .Канал топливной форсунки , 320, сообщается по текучей среде с основной камерой сгорания , 106, через множество горизонтально расположенных топливных форсунок , 321, и четыре конвергентных топливных форсунки (более четко показаны на фиг. 4). Топливные форсунки 321 вытесняют топливные форсунки 397 , 398 в основную камеру сгорания 106 в непосредственной близости от отверстий для жиклеров 311 в жидкостной связи с форкамерой 310 .В некоторых случаях топливные форсунки , 321, могут быть топливными отверстиями, отверстиями или отверстиями. Затем топливо 397 , 398 смешивается с воздухом в основной камере 106 и попадает в форкамеру 310 через отверстия 311 во время хода сжатия поршня 104 двигателя. 100 . После заглатывания воспламенение происходит в форкамере , 310, и распространяется в основную камеру сгорания 106 за счет быстрого вытеснения дымовых газов из форсунок , 311, .В некоторых случаях электроды 325 свечи зажигания 124 в форкамере 310 воспламеняют топливовоздушную смесь в форкамеру 310 , чтобы инициировать зажигание. В некоторых случаях, поскольку форкамера , 310, не полностью заполняется топливом, перед форкамерой , 310, создается обогащенная топливом смесь, так что форкамера , 310, содержит правильный общий AFR при зажигании.

В некоторых случаях заполнение пассивной форкамеры 310 означает, что перед входом в форкамеру 310 и тактом сжатия (т.е.е., движение поршня в направлении к форкамере 310 ) пассивно направляет топливо из богатой топливной зоны в форкамеру 310 .

В некоторых случаях все топливо для цикла сгорания впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания 106

РИС. 4 показан пример форкамеры 310 и инжектора 320 в сборе 300 на фиг. 3, на котором показаны сужающиеся топливные форсунки , 422, .Как подробно описано выше, форсунки топливных форсунок 321 , 422 заполняют основную камеру сгорания 106 форсунками топлива 397 , 398 . В некоторых случаях струи топлива , 397, , , 398, направлены на максимальное перемешивание в области, прилегающей к отверстиям , 311, , в форкамеру, а в некоторых случаях также направлены на целевые области верхней облицовки основная камера сгорания , 106, для охлаждения открытых компонентов, например, головки 102 , клапанов , 110, , , 114, или гильзы (не показано).Сопла периферийных топливных форсунок 321 сконфигурированы для заполнения основной камеры сгорания 106 топливом, необходимым для сгорания, и, в некоторых случаях, скомпонованы для максимального перемешивания топлива 397 , 398 в основном камера сгорания 106 . Кроме того, топливные форсунки 397 , 398 термически взаимодействуют с компонентами двигателя, открытыми в основной камере сгорания 106 , и помогают рассеивать любые горячие точки, которые образуются на открытой поверхности, путем поглощения тепловой энергии в топливе 397 , 398 .Таким образом, направляя впрыск газообразного топлива 397 к гильзе цилиндра рядом с верхней частью гильзы, топливо 397 может охлаждать гильзу и снижать или устранять скорость реакции самовоспламенения, которая в противном случае могла бы происходить в реакция на температуру гильзы (или других компонентов), вызывающая самовоспламенение в основной камере сгорания 106 .

РИС. 5A-C показаны поперечные сечения примерного узла 500 инжектор-воспламенитель, который включает в себя аспекты представленных здесь концепций.ИНЖИР. 5A показан узел 500 инжектор-воспламенитель, включающий в себя корпус 501 , расположенный в головке 102 двигателя внутреннего сгорания 100 , который, в некоторых случаях, образует рубашку водяного охлаждения 509 вокруг внешней стороны двигателя. корпус 501 узла форсунка-воспламенитель 500 . Корпус , 501, включает наконечник, проходящий от головки 102 в основную камеру сгорания , 106, (не показана на фиг.5А-5С) двигателя внутреннего сгорания 100 . Форсунка 520 и свеча зажигания 124 удерживаются в корпусе 501 узла 500 . Корпус , 501, содержит топливный канал , 528, (показан на фиг. 5B), предназначенный для подачи топлива из топливного инжектора , 520, в выпускные топливные форсунки, открывающиеся в основную камеру сгорания 106 . В некоторых случаях корпус 501 интегрирован в головку 102 двигателя.

РИС. 5B показан увеличенный вид корпуса 501 узла форсунки-воспламенителя 500 , показывающий топливный канал 528 , форкамеру 510 и группу клапанов 527 топливной форсунки 520. . Топливный канал , 528, находится вне форкамеры , 510, и принимает топливо от группы клапанов , 527, топливной форсунки , 520, . Топливный канал , 528, по текучей среде соединяет топливный инжектор 520 с множеством топливных форсунок 529 , расположенных на конце 502 корпуса 501 , что более подробно показано на фиг.7A и 7B. Продолжая обращаться к фиг. 5B, топливный канал 528 от топливной форсунки 520 объединен с корпусом 501 , который определяет центральный канал 519 между отверстиями для жиклеров 511 и форкамерой 510 . Также показано на фиг. 5B, форкамера , 510, принимает электроды , 525, свечи зажигания , 124, на одном конце, чтобы инициировать горение в форкамере.Форкамера , 510, сообщается по текучей среде с основной камерой сгорания 106 через центральный канал 519 , который проходит от форкамеры 510 до отверстий для сопел 511 на концевом конце 502 корпуса. 501 . В этой конфигурации событие воспламенения, инициированное в форкамере 510 электродами 525 свечи зажигания 124 , вызывает распространение события горения по форкамере 510 и событие горения в форкамере 510 заставляет газы сгорания проходить через центральный канал , 519, и отверстия для струй , 511, и распространяться по основной камере сгорания 106 .

РИС. 5C представляет собой поперечное сечение сборки 501 по фиг. 5B в плоскости A, показанной на фиг. 5Б. ИНЖИР. 5С показаны уплотнительные элементы между корпусом , 501, и группой клапанов , 527, газового топливного инжектора , 520, . Прокладка , 541, находится между клапанной группой , 527, и корпусом. Между первым уплотнением и уплотнением для газа сгорания 544 имеется промежуточное уплотнение , 542, .Внутри клапанной группы 527 находится динамическое газо-воздушное уплотнение 543 , а впускное отверстие для топлива 526 подает топливо в топливную форсунку 520 . В некоторых вариантах осуществления и как более подробно показано на фиг. 6, инжектор газового топлива может быть объединен с корпусом , 501, .

РИС. 6 представляет собой поперечное сечение параллельного узла 600 пассивного инжектора-воспламенителя со встроенным газовым инжектором 620 , размещенным в корпусе 601 узла 600 .Наконечник 602 корпуса 601 включает два параллельных канала для жидкости, канал для топлива 628 и центральный канал 619 в форкамеру 610 . Газовый инжектор , 620, , который в некоторых случаях представляет собой инжектор газообразного топлива 11A1, включает в себя втулку инжектора , 624, , вставленную в корпус , 501, . В некоторых случаях дальний конец 630 гильзы инжектора 624 герметично соединен с корпусом 501 с помощью сжимающей прокладки, которая герметизирует гидравлическую муфту между газовым инжектором 620 и топливным каналом 628 к корпусу основная камера сгорания 601 .Корпус 601 также включает в себя камеру воспламенителя 641 , определяющую пустоту 640 (т. Е. Розетку), где воспламенитель, такой как свеча зажигания 124 , вставляется в корпус 501 с дальним конец, закрывающий форкамеру 610 . В некоторых случаях воспламенитель представляет собой лазерный воспламенитель или свечу накаливания.

РИС. 7A и 7B — виды в разрезе и в перспективе, соответственно, концевого конца 502 корпуса 501 узла 500 инжектора-воспламенителя по фиг.5A-C, показывающие расположение топливных форсунок 721 , 722 , от топливных каналов 528 относительно отверстий для жиклеров 711 , 718 . ИНЖИР. 7A показан центральный канал , 719, форкамеры, продолжающийся до конца , 502, и разделяющийся на центральное отверстие 718 и четыре периферийных отверстия 711 для струи. В некоторых случаях канал для подачи топлива 528 (не показан) подает топливо в кольцевой коллектор 729 , окружающий центральный канал 719 форкамеры, а кольцевой коллектор 729 подает топливо в ряд радиальных выпускных топливных форсунок. 721 и четыре центральных топливных патрубка 722 .В некоторых случаях форсунки для выпуска топлива , 721, , направленные радиально или почти радиально, имеют тенденцию вызывать турбулентность в основной камере сгорания 106 для улучшения перемешивания и сгорания. В некоторых случаях центральные выпускные топливные форсунки , 722, создают облако топлива в непосредственной близости от апертуры центрального жиклера 718 , чтобы облегчить пассивное попадание обогащенной топливом воздушной смеси в форкамеру 510 во время такта сжатия. двигателя 100 .В некоторых случаях ориентация выпускных топливных форсунок , 721, , , 721, изменяет скорость заполнения форкамеры , 510, , в некоторых случаях влияя на соотношение топлива и воздуха в смеси, попадающей в форкамеру. Этот результат подробно показан на фиг. 8A-8C. На высоком уровне топливо впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания , 106, , и форкамера пассивно поглощает часть впрыснутого топлива во время сжатия основной камеры сгорания , 106, .

РИС. 7В — вид в перспективе внешних расположений выпускных топливных форсунок , 721, , , 722, и отверстий для жиклеров, , 711, , , 718, . Некоторые из выпускных топливных форсунок , 721, , , 722, направляют топливо в радиальном направлении (т.е. радиальные выпускные топливные форсунки , 721 ) или почти радиально (например, под острым углом к ​​радиальному), а некоторые (т.е. форсунки для выпуска топлива 722 ) направляют топливо так, чтобы оно сходилось перед центральным жиклером 722 .Как показано на фиг. 7B, радиальные выпускные топливные форсунки 722 выходят через серию зубцов или зубцов 750 , которые увеличивают турбулентность в радиальном потоке топлива 397 , чтобы вызвать более быстрое смешивание потока топлива 397 с воздухом в основном камера сгорания 106 . В некоторых случаях выпускные топливные форсунки , 721, , , 722, включают в себя поверхности или конструкции, генерирующие вихри или турбулентность, чтобы способствовать быстрому смешиванию газообразного топлива с воздухом в основной камере сгорания 106 .

РИС. 8A-8C — результаты расчетов, показанные после начала впрыска примерно под 90 градусами до ВМТ соотношения воздух / топливо в основной камере сгорания 106 и в форкамере 810 для различных ориентаций выпускных топливных форсунок 821 , 822 , 823 , 824 с топливом из топливной форсунки 820 . Три различных выпускных топливных сопла 821 , 822 , 823 , 824 , показанные ориентации приводят к разным схемам смешивания в основной камере сгорания 106 и различным концентрациям топлива 890 , попадающего в форкамер .На соотношение воздух / топливо в форкамере 810 влияет угол сопел 821 , 822 , 823 , 824 , и, в частности, соотношение воздух / топливо в форкамере 810 уменьшается (т. е. богаче) по мере увеличения схождения топливных форсунок 823 , 824 . ИНЖИР. 8A показаны ориентированные в осевом направлении (т.е. прямо вниз) выпускные топливные форсунки , 822, , впрыскивающие топливо в основную камеру сгорания , 106, в осевом направлении, параллельном центральному отверстию для струи , 818, .Обратите внимание, что концентрация топлива, присутствующего в форкамере 810 , аналогична концентрации основной камеры сгорания 106 вдали от прямого потока топлива 897 , что указывает на то, что на данный момент в расчетном моделировании очень мало топлива поступило через форкамеру 810 по сравнению с показанным количеством впрыснутого в основную камеру сгорания 106 .

РИС. 8B показаны сужающиеся выпускные сопла , 823, для топлива, впрыскивающие топливо в основную камеру сгорания , 106, в направлении, сходящемся в точке, находящейся непосредственно под центральным отверстием для струи 818 .Поток 891 топлива поступает в форкамеру 810 через центральное жиклерное отверстие 818 в результате сужающихся выпускных форсунок 823 , образующих богатую топливом зону, примыкающую к центральному жиклеровому отверстию 818 и сжатие основной камеры сгорания привода пассивного потока 891 .

РИС. На фиг.8С показаны ориентированные в осевом направлении выпускные сопла , 821, для топлива, впрыскивающие топливо в основную камеру сгорания , 106, в осевом направлении, параллельном центральному отверстию для струи 818 .Более существенный поток 892 топлива проиллюстрирован, входящим в форкамеру 810 через центральное отверстие 818 для струи, по сравнению с потоком 891 на фиг. 8B. Этот более значительный поток 892 топлива является результатом сужающихся выпускных форсунок 824 , вытесняющих топливо по траекториям, которые взаимодействуют ближе к отверстию центральной струи 818 , тем самым увеличивая содержание топлива в богатой топливом зоне, окружающей центральную реактивная апертура 818 по сравнению с зоной на фиг.8B.

Кроме того, на ФИГ. 8B и 8C, радиальные выпускные топливные форсунки 821 направляют горизонтальные потоки топлива 897 вдоль головки 102 , через клапаны 110 , 114 и к вкладышу, тем самым охлаждая области, которые экземпляры, в первую очередь отвечающие за обеспечение тепла, необходимого для инициирования событий самовоспламенения и, следовательно, детонации. 3 различных конфигурации отверстий, показанные на фиг. 8A-8C определяют количество топлива в форкамере.В некоторых случаях без конфигурации сужающегося отверстия может оказаться невозможным как пассивное заполнение форкамеры , 810, достаточным количеством топлива для сгорания, которое могло произойти в форкамере , 810, , так и впрыскивание топлива с достаточным давлением и скоростью полная основная камера сгорания 106 .

РИС. 9 представляет собой график 904 отношения воздух-топливо 901 , 902 , 903 в каждой из форкамер 810 на фиг.8A-8C во время такта сжатия двигателя 100 . ИНЖИР. 9 показано изменение AFR (лямбда) в форкамере 810 в зависимости от типа отверстия сопла (то есть выпускных сопел 822 , 823 , 824 на фиг. 8A-8C), а также функция отсчета времени (от -100 до -50 CA). ИНЖИР. 9 показано, что на соотношение воздух / топливо в форкамере , 810, , соответствующее каждому типу форсунок, влияет угол выпускных топливных форсунок 822 , 823 , 824 и, в частности, соотношение воздух / топливо. 901 , 902 , 903 в форкамере 801 богаче (т.е.е., нижний) по мере увеличения сходимости сопла 822 , 823 , 824 . Прямые отверстия 901 привели к тому, что топливо в форкамеру почти не попало. Отверстия 901 сходящегося 01 привели к попаданию топлива в форкамеру 801 от начала впрыска 971 до конца впрыска 972 , при этом некоторое количество топлива покидало форкамеру до времени зажигания 973 . Конвергентные 02 отверстия 901 привели к увеличению количества топлива, поступающего в форкамеру 801 с начала впрыска 971 до конца впрыска 972 и меньшему количеству топлива, покидающему форкамеру до времени зажигания 973 , по сравнению со сходящимися-01 отверстиями 901 .Повышенная сходимость отверстий сходящегося-02 увеличила количество топлива, попадающего в форкамеру, за счет увеличения конкреции топлива в отверстии центрального жиклера 818 . Результаты прямых отверстий , 901, показывают, что без конвергентных выпускных форсунок 823 , 824 форкамера , 810, остается очень бедной во время каждого цикла сгорания.

Соответственно, ФИГ. 9 показано, что можно впрыскивать топливо до ВМТ и геометрически контролировать соотношение A / F в форкамере 810 .При таком управлении форкамера 810 обеспечивает более быстрое сгорание. Другими словами, сгорание может быть инициировано близко к верхней мертвой точке или после нее, чтобы избежать повышения давления и температуры во время такта сжатия, что может привести к детонации. Как правило, примеры настоящей системы позволяют управлять AFR внутри форкамеры 810 независимо от времени впрыска 971 , 972 и, следовательно, разрешают прекращение впрыска топлива близко к ВМТ. Как правило, показано, что можно оптимизировать эффективный AFR в форкамере 810 , который можно оптимизировать с помощью (а) схемы впрыска впрыска и (b) времени впрыска для создания облака топливно-воздушной смеси за пределами форкамеры 810 , который будет загружен в форкамеру 810 .

РИС. 10 представляет собой график 1000 кривой 1001 давления сгорания, показывающий временные окна 1002 , 1003 , необходимые для предотвращения детонации при сохранении низкого давления впрыска. Если впрыск топлива начинается слишком рано, например, до первого окна 1002 , тогда реакции самовоспламенения начинаются слишком рано и работают на усиление детонационной способности двигателя. Если впрыск топлива происходит слишком поздно, например, после второго окна 1003 , то последующие увеличения кривой сжатия 1001 увеличивают давление впрыска топлива, необходимое для впрыска топлива в основную камеру сгорания 106 .Управляя этими двумя параметрами, впрыскивая между окном «предела детонации» и «окном высокого давления», можно подавать топливо, необходимое в узком временном окне (т.е. между 1002 и 1003 ), и избежать детонации, при сохранении низкого давления. Поскольку топливо впрыскивается во время такта сжатия, а не после, в некоторых случаях давление прямого впрыска газообразного топлива обычно находится в диапазоне среднего давления от 30 до 100 бар и обычно меньше, чем пиковое давление сжатия с приводом от двигателя.

В некоторых случаях двигатель 100 имеет высокую степень сжатия. В некоторых случаях степень сжатия превышает 13,5. Варианты осуществления настоящей системы работают с различными способами распределения газового топлива, включая, например, стратифицированный, импульсный и прямой впрыск. В некоторых случаях позднее начало сгорания, например, от 5 до 5 ВМТ до 5 ВМТ, в сочетании с примерами быстрого сгорания, описанными здесь, приводит к СА50 на 10 градусах после ВМТ или около 10 градусов после ВМТ без детонации и с высокой степенью сжатия, для например, 13.5: 1. Типичная степень сжатия газового двигателя может составлять около 11,5: 1 при нормальных фазах газораспределения и 12,5 при цикле Миллера, где у дизеля может быть очень высокий CR (например, выше 16,5: 1). поэтому высокая степень сжатия для газовых двигателей будет в диапазоне от 12,5: 1 до 16,0: 1.

В некоторых случаях, если возникает детонация, время впрыска или количество впрыскиваемого топлива замедляются, чтобы уменьшить время нагрева компрессии конечного газа. Быстрое сгорание в результате реализации настоящей системы позволяет достичь оптимального местоположения C50 даже при позднем начале впрыска топлива.В некоторых случаях сгорание завершается при угле поворота коленвала менее 12 градусов. В некоторых случаях управление началом впрыска топлива инициирует время начала процесса самовоспламенения. За счет точного управления началом и концом впрыска топлива достигается хорошее перемешивание, в то время как склонность к детонации подавляется в результате должного времени пребывания впрыснутого с опозданием газа.

РИС. 11A представляет собой результат расчета топливовоздушного отношения 1190 в форкамере 1110 и камере 106 основной комбинации перед зажиганием.Зеленый представляет лямбда 1,0 или стехиометрический, который подходит для хорошего инициирования горения и, в частности, промывается между электродами свечи зажигания, чтобы обеспечить хорошее распространение пламени после искры между электродами. ИНЖИР. 11A показывает топливный инжектор 1120 , обеспечивающий поток топлива 1199 в основную камеру сгорания 106 , и часть 1198 этого топлива 1199 попадает в форкамеру 1110 через центральный жиклер. отверстие 1118 и центральный канал 1119 .

РИС. 11В — результат расчета температуры в форкамере и основной комбинированной камере после зажигания. ИНЖИР. 11B иллюстрирует вычислительную установку, показанную на фиг. 11А сразу после зажигания. Обратите внимание, что поперечное сечение на фиг. 11B отличается от фиг. 11A, и радиальные топливные форсунки 1121 больше не видны, но видны периферийные отверстия для струй 1111 . Изображена температура 1191 в основной камере сгорания и в форкамере 1110 .Видны высокотемпературная струя 1189 , расширяющаяся наружу из центрального отверстия 1118 и периферийных отверстий 1111 . Высокотемпературные форсунки 1189 приводятся в движение из отверстий для жиклеров 1111 , 1118 за счет высокотемпературного (т.е. высокого давления) сгорания, видимого в форкамере 1110 после воспламенения топливовоздушной смеси, попавшей внутрь. форкамера 1110 во время хода сжатия (см. РИС.11А) поршня 104 двигателя 100 .

РИС. 12 представляет собой график 1200 давления в форкамере 1210 и давления в основной камере сгорания 1206 на фиг. 11A и 11B во время события возгорания. ИНЖИР. 12 показан большой скачок давления в форкамере 1110 давления 1210 , достигающий пика в положении ВМТ поршня 104 (то есть, угол поворота коленвала 0 ). Этот скачок давления соответствует пиковому давлению зажигания в форкамере , 1110, , и фиг.12 иллюстрирует событие воспламенения, происходящее около 6 градусов перед ВМТ, на что указывает давление 1210 в форкамеру, превышающее давление 1206 в основной камере сгорания. Поскольку при сгорании в форкамере 1110 сгорающая воздушно-топливная смесь (т.е. высокотемпературные форсунки 1189 на фиг. 11B) направляется в основную камеру сгорания 106 , давление в форкамере 1110 уменьшается и давление , 1206, в основной камере сгорания , 106, увеличивается по мере воспламенения топливно-воздушной смеси в основной камере сгорания , 106, и инициирования основного события сгорания.

РИС. 13 представляет собой график скорости тепловыделения 1310 в форкамере 1110 и скорости тепловыделения 1306 основной камеры сгорания 106 по фиг. 11A и 11B во время события возгорания. Скорость тепловыделения 1310 в форкамере 1110 увеличивается в начале зажигания (то есть примерно на 6 градусов до ВМТ), и сгорающая воздушно-топливная смесь, подаваемая в основную камеру сгорания 106 , соответствует крутому наклону увеличение скорости тепловыделения 1306 в форкамере 106 .То есть скорость распространения высокотемпературных струй , 1189, в основной камере сгорания , 106, увеличивает начальную скорость тепловыделения 1306 за счет распространения события горения быстрее, чем скорость фронта пламени.

Некоторые аспекты настоящего изобретения включают в себя способ сжигания газообразного топлива в основной камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Способ включает в себя прием газообразного топлива в основную камеру сгорания через отверстие форсунки для смешивания с воздухом в основной камере сгорания, двигатель внутреннего сгорания включает форкамеру, имеющую реактивное отверстие, сообщающееся по текучей среде между внутренней частью форкамеры и основной камерой сгорания. при этом газообразное топливо поступает в главную камеру сгорания по траектории, которая пересекает отверстие струи, течет, во время сжатия основной камеры сгорания, смешанное газообразное топливо и воздух в форкамеру через отверстие струи, при сжатии пассивно протекает смешанная газовая смесь. топливо и воздух, воспламеняющие в форкамере смешанное газообразное топливо и воздух, попавшие в форкамеру из основной камеры сгорания и вытесняющие воспламененное газообразное топливо и воздух из форкамеры через отверстие жиклера в основную камеру сгорания в виде горящей струи .

В некоторых примерах выпускной канал соединяет канал для впрыска основного топлива с форкамерой, позволяя некоторую утечку топлива одновременно подавать топливо в основную камеру сгорания и часть форкамеры.

В некоторых примерах отверстие инжектора включает в себя множество отверстий инжектора, включая первое подмножество, ориентированное для направления топлива по сходящейся траектории, и второе подмножество, ориентированное для направления топлива в радиальном направлении.

В некоторых примерах впрыск газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания через отверстие форсунки для смешивания с воздухом в основной камере сгорания включает в себя формирование облака газа, окружающего отверстие жиклера, где облако газа образует богатую топливом газовую смесь. , где сжатие пассивно направляет богатую топливом газовую смесь в форкамеру.

В некоторых примерах отверстие для струи включает в себя осевое отверстие для струи, ориентированное вдоль продольной оси, и множество периферийных отверстий для струи, ориентированных от продольной оси.

В некоторых примерах форкамера представляет собой камеру с пассивным топливом, не имеющую подачи топлива непосредственно в форкамеру.

В некоторых примерах впрыск газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания через отверстие форсунки включает прохождение газового топлива через одну или несколько зубцов, образованных в отверстии форсунки.

В некоторых примерах впрыск газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания через отверстие форсунки включает впрыск топлива под давлением от 30 до 100 бар.

В некоторых примерах впрыск газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания через отверстие форсунки начинается при 70 градусах перед ВМТ или позже, а впрыск заканчивается при 40 градусах перед ВМТ или раньше.

Некоторые примеры включают завершение сгорания в основной камере сгорания при угле поворота коленчатого вала менее 12 градусов.

Другим примером является система для воспламенения смеси в основной камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, система включает в себя несущий корпус, приспособленный для соединения с двигателем внутреннего сгорания, и включает форкамеру, определяющую открытый конец, сконфигурированный для приема воспламенителя и струйный канал, форкамера приспособлена для приема топлива из основной камеры сгорания через струйный канал, приемник топливного клапана, выполненный с возможностью приема топливного клапана, и включает топливный канал. Концевой конец определяет отверстие для струи в соединении жидкости с каналом для струи, а отверстие для струи сконфигурировано для приема топливно-воздушной смеси из основной камеры сгорания во время такта сжатия двигателя внутреннего сгорания и удаления воспламененного газообразного топлива и воздуха из форкамера через отверстие жиклера в основную камеру сгорания в виде горящей струи после воспламенения попавшей топливно-воздушной смеси воспламенителем.Наконечник также определяет отверстие форсунки, сообщающееся по текучей среде с каналом для топлива, отверстие форсунки выполнено с возможностью впрыска топлива в основную камеру сгорания из топливного клапана, расположенного в приемнике топливного клапана, и по траектории, которая пересекает отверстие для жиклера.

В некоторых примерах форкамера представляет собой камеру с пассивным топливом, не имеющую подачи топлива непосредственно в форкамеру.

В некоторых примерах отверстие форсунки включает в себя множество отверстий форсунки, включая первое подмножество, ориентированное для направления топлива по сходящимся траекториям, и второе подмножество, ориентированное для направления топлива в радиальном направлении.

В некоторых примерах отверстие для струи включает в себя осевое отверстие для струи, ориентированное вдоль продольной оси корпуса пробки, и где конец наконечника дополнительно определяет множество периферийных отверстий для струи, ориентированных от продольной оси тела пробки, периферийная струя отверстия, сообщающиеся по текучей среде со струйным каналом.

В некоторых примерах отверстие форсунки сконфигурировано для создания богатой топливом зоны в окружающей апертуру жиклера, и где жиклёрское отверстие сконфигурировано для всасывания топливно-воздушной смеси из богатой топливом зоны во время такта сжатия двигатель.

Еще одним примером настоящей системы является компонент двигателя внутреннего сгорания, компонент включает в себя форкамеру с открытым концом, сконфигурированный для приема воспламенителя, и струйный канал, соединенный по текучей среде с основной камерой сгорания двигателя внутреннего сгорания, форкамера приспособлена для приема топлива из основной камеры сгорания через струйный канал. Компонент включает в себя приемник топливного клапана, сконфигурированный для приема топливного клапана, и включает топливный канал и сегмент, который определяет часть основной камеры сгорания.Сегмент включает в себя реактивное отверстие в жидкостном сообщении с реактивным каналом, реактивное отверстие выполнено с возможностью приема топливно-воздушной смеси из основной камеры сгорания во время такта сжатия двигателя внутреннего сгорания и удаления воспламененного газообразного топлива и воздуха из форкамеры. через отверстие для жиклера и в основную камеру сгорания в виде пламенной струи после воспламенения попавшей топливно-воздушной смеси воспламенителем и через отверстие форсунки, сообщающееся по текучей среде с каналом для топлива, множество отверстий форсунок выполнено с возможностью впрыска топлива в основная камера сгорания от топливной форсунки расположена в приемнике топливной форсунки и на траектории, которая пересекает отверстие форсунки.

В некоторых примерах форкамера представляет собой камеру с пассивным топливом, которая не имеет подачи топлива непосредственно в форкамеру.

В некоторых примерах отверстие форсунки включает в себя множество отверстий форсунок, включая первое подмножество, ориентированное для направления топлива по сходящимся траекториям, и второе подмножество, ориентированное для направления топлива в радиальном направлении.