СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И АКТИВАТОР ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА Российский патент 1995 года по МПК F02M27/04 

Изобретение относится к автомобильному транспорту, в частности к сжиганию жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Известен способ сжигания смеси частиц топлива с воздухом, включающий интенсификацию процесса смешения частиц жидкого топлива с воздухом с помощью низкочастотного звукового генератора [1].

Известно также устройство для гомогенизации топливно-воздушной смеси, содержащее четырехволновой звуковой генератор, трубку для подачи топлива в воздушный кожух [1].

Основной недостаток указанных способа и устройства заключается в том, что диспергация жидкого топлива и его смешение с воздухом производится за счет увеличения кинетической энергии, подводимой от звукового генератора к молекулам жидкости, которая не может нарушить полностью межмолекулярную связь топлива, а в процессе соединения частиц жидкости с воздухом-окислителем будут действовать, в основном, ньютоновские силы взаимного притяжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ сжигания топлива путем ионизации воздуха в электростатическом поле перед его смешением с частицами топлива [2].

Устройство для получения высокореакционного окислителя, содержащее корпус, внутри которого размещены кольца и трубчатый электрод, между которыми под действием напряжения возникает коронный разряд [2].

Основным недостатком приведенных выше способа и устройства является то, что при смешивании двух фаз, газа и жидкости, газовая фаза ионизирована и носит определенный потенциал, а жидкая фаза практически нейтральна, поэтому заряд ионов газа используется частично, что не обеспечивает прочной связи окислителя с молекулами топлива и полного сгорания топлива.

Целью изобретения является повышение полноты сгорания жидкого топлива за счет его активации в электрическом поле.

Поставленная цель достигается тем, что способ сжигания жидкого топлива, включающий его диспергацию, смешение с ионизированным воздухом, гомогенизацию и воспламенение, жидкое топливо перед диспергацией активируют в электрическом поле импульсного тока, частотой 250-300 Гц и напряжением 20-25 кВ0 разделяют поток по полярности, положительно заряженный поток топлива направляют на диспергацию и смешивание с воздухом, а отрицательно заряженный поток топлива возвращают в исходную емкость, а устройство для активации жидкого топлива, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещены электроды, подключенные к источнику постоянного тока высокого напряжения, между электродами размещена полупроницаемая мембрана для разделения потока, а коpпус оснащен дополнительной трубкой для вывода отрицательно ориентированного потока.

Жидкое состояние вещества характеризуется равенством кинетической и потенциальной энергии молекул. Низкая сжимаемость жидкости свидетельствует о значительных силах межмолекулярного взаимодействия. Для сжигания жидкого топлива вначале его диспергируют в специальных форсунках или жиклерах в процессе которого увеличивают кинетическую энергию частиц с целью разрушения межмолекулярных связей. Однако кинетическая энергия жидкости достигаемая максимального значения при ее критическом истечении, оказывается недостаточной для разрушения межмолекулярных связей, поэтому иногда до диспергации жидкости ее смешивают с газом, например, с воздухом для получения эмульсии, где межмолекулярная связь жидкости несколько слабеет из-за проникновения молекул газа в эти связи, что позволяет осуществить более тонкую диспергацию жидкости. Очевидно, что чем тоньше диспергация жидкого топлива, например, до молекулярного состояния, тем интенсивнее и полнее будет происходить его соединение с газом-окислителем и тем активнее и полнее будет происходить процесс горения. Основная задача, решаемая в предполагаемом изобретении, является уменьшение межмолекулярных сил внутри жидкости за счет изменения состояния ее молекул.

При пропускании топлива через электрическое поле определенной характеристики происходит поляризация молекул топлива и образуются диполи, которые под действием того же электрического поля приобретают определенную ориентацию. Одноименные диполи отталкиваются друг от друга и тем самым снижают межмолекулярное притяжение частиц топлива. Чем выше заряд диполей, тем больше сила отталкивания молекул. Однако часть диполей, у которых электропотенциальная энергия меньше, чем силы Броунова движения, не полностью поддаются ориентации и притягиваются к электроду противоположного заряда. Проходя через полупроницаемую мембрану, они теряют часть своей кинетической энергии, аккумулируются у внешнего электрода и выводятся из зоны сориентированного потока. Ориентированные диполи направляют на диспергацию.

Ввиду уменьшения сил межмолекулярного притяжения в диполях диспергация жидкого топлива происходит почти до молекулярного состояния. Заряженные молекулы жидкого топлива активно притягивают кислород из воздуха при их смешивании, поэтому интенсивнее происходит термохимическая реакция окисления.

Эффект создания диполей жидкого топлива и их ориентация зависит от нескольких факторов: скорости движения жидкости в электрическом поле, от величины напряжения и частоты тока, расстояния между электродами, количества отводимой жидкости с устройства на слив и т.д.

Только при оптимизации этих параметров может быть достигнут желаемый максимальный эффект.

Проведенный поиск патентно-информационных материалов не выявил аналогичного технического решения, и поэтому предлагаемый способ и устройство для активации топлива обладает признаками новизны и может быть признан изобретением.

На фиг.1-2 изображена принципиальная схема активатора жидкого топлива; на фиг.3 - принципиальная схема блока питания активатора.

Активатор топлива содержит внутренний патрубок 1, герметично соединенный с внешним патрубком 2. Полость внутреннего патрубка 1 сообщается с полостью патрубка 2 через перфорацию 3, на которой размещена полупроницаемая мембрана 4.

Вдоль оси патрубка 1 установлен металлический электрод 5 на электроизолированных опорах 6. К электроду 5 подводится ток отрицательной полярности, а внутри патрубка 2 установлена металлическая втулка 7, к которой подведен ток положительной полярности. На внешнем патрубке 2 установлена трубка 8 для отвода части подаваемого в активатор топлива. Патрубок 1 на концах оснащен трубками 9, 10 меньшего диаметра для подсоединения к топливопроводу системы питания двигателя.

Блок питания активатора (см.фиг.2) содержит источник постоянного тока 11, прерыватель 12 для получения импульсного тока, индукционную катушку 13 для повышения напряжения тока до 35 кВ, выпрямитель 14 для преобразования переменного тока после катушки 13 в постоянный ток и регулятор напряжения 15 для изменения напряжения тока, подаваемого на электроды с 10 до 30 кВ.

Принцип работы устройства, состоящего из активатора и блока питания, заключается в следующем. Устройство для активации топлива устанавливается вертикально с таким расчетом, чтобы трубка 8 находилась в верхнем положении. Трубки 9 и 10 подсоединяются к линии подачи топлива после первичного топливного насоса, а трубка 8 соединяется резиновым шлангом с топливным баком для слива разделенного потока.

Включают двигатель внутреннего сгорания.

После набора оборотов и прогрева подают питание на электроды 5 и 7 с блока питания и регулятором 15 устанавливают оптимальное напряжение, в пределах 20-25 кВ определяемое частотой вращения вала двигателя. Под действием разности электропотенциала молекулы топлива, находящиеся около отрицательного электрода 5, отдают электроны электроду 5 и становятся положительно заряженными, а молекулы топлива, находящиеся около электрода 7, получая поток электронов приобретают отрицательную полярность. В результате образуются разноименные диполи и ионы, которые под действием постоянного электрического поля приобретают определенную ориентацию. Часть диполей, которые выпадают из ориентированного потока из-за высокой энергии движения, проходят через полупроницаемую мембрану к электроду 7 и через трубку 8 выводятся на слив в бак топлива. Ориентированные и положительно заряженные молекулы топлива подают на диспергирование, после этого смешивают с воздухом, гомогенизируют и направляют воздушно-топливную смесь в камеру сгорания.

П р и м е р 1. Выполнение способа на дизельном двигателе Раба-Ман (от автобуса Икарус), установленного на экспериментальном стенде. Устройство для активации топлива смонтировано в линии подачи топлива после подкачивающего насоса. Слив отводимого топлива через трубку 8 производят в отдельную емкость.

Пускают двигатель с выключенным электропитанием устройства, определяют мощность двигателя и удельный расход топлива при скорости вращения вала двигателя 1000 об/мин, затем подают напряжение на электроды 5 и 7 и вновь определяют мощность двигателя и удельный расход топлива.

При пропускании топлива через электрическое поле активатора образуются диполи, сориентированные в потоке топлива, которое легко диспергируется на более мелкие частицы и активно соединяется с кислородом воздуха, обеспечивая более высокую степень сгорания топлива, об этом можно судить по росту мощности двигателя на 5,7% и снижении удельного расхода топлива на 5% по сравнению с работой двигателя без активации топлива.

Для оптимизации предлагаемого способа сжигания топлива было проведено несколько различных опытов.

Отводимое через трубку 8 топливо смешивалось с топливом на выходе из патрубка 1 и подавалось на диспергацию, смешение с воздухом и сжигание в камерах цилиндра. Характеристики двигателя были практически аналогичны его работе без активатора.

Перекрывался слив топлива с трубки 8, мощность двигателя выросла всего на 1%, а удельный расход топлива уменьшился на 0,7%.

Изменяли напряжение, подаваемое на электроды 5 и 7 в пределах от 15 кВ до 29 кВ. При напряжении 22 кВ, подаваемого на устройство мощность двигателя возросла на 5,7%, а удельный расход топлива уменьшился на 5%, при снижении напряжения на электроды 5 и 7 до 20 кВ рост мощности составляет 5,55%, а удельный расход топлива - 5%. При напряжении 18 кВ рост мощности составил 4,8% , а удельный расход 4,7%. При увеличении напряжения до 25 кВ и выше мощность двигателя и удельный расход топлива изменяются мало, поэтому можно принять, что оптимальное значение напряжения тока находится в пределах 20-25 кВ.

Проверка частоты импульсного тока. При частоте импульсного тока 200 Гц наблюдались перебои в работе двигателя, при оборотах 2200 об/мин.

При дальнейшем повышении частоты прерывателя до 250-300 Гц двигатель работал стабильно и дальнейшее повышение частоты импульсного тока выше 300 Гц не приводила к дополнительному эффекту.

Скорость потока топлива в устройстве.

Скорость потока топлива в устройстве изменялась за счет изменения проходного сечения патрубка 1. С увеличением скорости потока топлива в устройстве уменьшается время обработки топлива в электрическом поле, и наблюдаются провалы в работе двигателя. Так было установлено, что при скорости потока топлива в устройстве 5 мм/с и более эффект обработки топлива при напряжении 22 кВ ниже оптимального значения. А при скорости потока 2-3 мм/с наблюдается максимальный эффект по росту мощности двигателя и удельного расхода топлива. Дальнейшее уменьшение скорости потока топлива нецелесообразно, так как увеличиваются размеры устройства.

Определение времени сохранения топливом активированного состояния.

В процессе работы двигателя часть топлива сливалась через трубку 8 в отдельную емкость, а затем после выдержки в течение 3 часов подавалась в систему питания двигателя при выключенном питании устройства. Было установлено, что в этом случае мощность двигателя растет на 3%, а удельный расход топлива снижается на 2,5%. Таким образом топливо сохраняет активированное состояние не менее 3 часов.

П р и м е р 2. Определение эффективности способа активации топлива на карбюраторном двигателе ГАЗ-24, установленном на экспериментальном стенде. Устройство было установлено вертикально на линии подачи топлива перед карбюратором. Измерялась мощность двигателя на различных оборотах и нагрузках при включенном и отключенном устройстве.

В результате экспериментальных исследований установлено, что при подаче импульсного тока напряжением 22 кВ на электроды устройства мощность двигателя увеличивается на 15-19% в зависимости от частоты вращения вала двигателя. При снижении напряжения тока с 22 кВ до 20 кВ мощность двигателя уменьшалась на 1-2%; по сравнению с достигнутым, при пониженном напряжении тока ниже 20 кВ мощность двигателя уменьшалась на 3-5% относительно достигнутого оптимального значения. При увеличении напряжения, подаваемого на электроды устройства более 25 кВ, мощность двигателя возрастала всего на 0,5-0,7%, поэтому можно считать, что оптимальное значение напряжения тока, при котором происходит образование диполей молекул топлива, находится в пределах 20-25 кВ.

Проведена также оптимизация частоты тока, скорости потока топлива, аналогично первому примеру. В ходе исследования было установлено, что оптимальные значения частоты тока и скорости потока в устройстве для карбюраторного двигателя составляет соответственно 250-300 Гц 3-4 мм/с, то есть идентичные дизельному двигателю.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого технического решения будет получен за счет увеличения полноты сгорания топлива и снижения расхода топлива порядка 10% при наличии одинаковой мощности двигателей внутреннего сгорания по сравнению с штатным исполнением, а также за счет снижения выбросов в атмосферу токсичных веществ.

Сущность изобретения: заключается в том, что на электроды, размещенные в корпусе, подают высокое напряжение порядка 20 - 25 кВ и поток топлива под действием электрического поля разделяется на два разноименных. Положительный поток подают на смешение с воздухом, а отрицательный выводят в бак. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И АКТИВАТОР ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА.