СПОСОБ СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02M27/02 

Изобретение относится и двигателестроению, в частности, касается процессов сгорания в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания в части влияния на химико-термический процесс конверсии водородсодержащего топлива.

Известен способ сгорания в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в подаче в камеру сгорания углеводородной топливновоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха, равном 1,1-1,15, сжатии ее и воспламенении от искрового зажигания (см. М.М. Ховах и Г.С. Маслов. "Автомобильные двигатели", М. "Машиностроение", 1971 г. стр. 76-79).

С точки зрения экологичности работы данного двигателя на таком режиме сгорания содержание окиси углерода в выхлопе (CO) снижается до десятых долей процента, так как образование CO связано в режиме нормальных температур (не выше 2000 K) с наличием недостатка окислителя (обогащенные смеси), существенно повышается процент выхода двуокиси углерода (CO₂), а количество несгоревших или частично разложившихся углеводородов (CH) при указанном коэффициенте избытка воздуха обычно не превышает 0,04 по объему.

Иначе говоря, в таком режиме сгорания топливновоздушной смеси двигатель внутреннего сгорания работает в достаточно чистом экологическом режиме. Однако, как видно из текста, на стр. 77 (последний абзац) указанной книги "азот воздуха в сгорании не участвует и удаляется из цилиндра двигателя в процессе выпуска отработавших газов". При этом содержание окислов азота в выхлопе на режимах объединенных смесей увеличивается, так как процесс образования окислов азота (NO_x) имеет термическую природу.

Однако при объединении смеси, а также при дросселировании двигателя резко усиливается неидентичность в протекании процесса сгорания в последовательных циклах. Это проявляется в увеличении колебаний длительностей начальной фазы сгорания, что в свою очередь приводит к четко выраженному уже при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,17, более позднему и замедленному сгоранию и в последующих фазах. Резко снижаются максимальные и средние индикаторные давления в отдельных циклах, что приводит к повышенному расходу топлива и снижению мощности двигателя. Этот недостаток можно уменьшить повышением степени однородности смеси и интенсивности ее турбулизации.

Если вопрос стабильной работы двигателя можно решить, то при работе двигателя на обедненных смесях не решена задача более полного использования всех компонентов, формирующих топливновоздушную смесь в части получения энергоотдачи от процесса сгорания.

Например, не использованы возможности по задействованию азота, содержание которого в воздухе составляет примерно 76
Изобретение направлено на решение технической задачи по дополнению высокотемпературной конверсии водородсодержащего топлива в камере сгорания высокотемпературной конверсией (синтезом) аммиака с выделением тепла. Получаемый при этом технический эффект заключается в повышении экологичности двигателя и его мощности.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе сгорания в двигателе внутреннего сгорания, заключающемся в подаче в камеру сгорания водородсодержащей однородной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, сжатии ее и воспламенении от искрового зажигания, воспламенение смеси осуществляют в присутствии в камере сгорания металлического промотированного катализатора на основе металлов шестой, седьмой или восьмой групп.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, достаточной для получения технического эффекта.

Так, введение в известный процесс сгорания хорошо перемешанного с воздухом водородсодержащего топлива промотированных металлических катализаторов на основе указанных металлов позволяет осуществить связь азот с водородом с получением аммиака, синтез которого при высоких температурах сгорания, присутствующих в камере сгорания, сопровождается выделением тепла и механической энергии. Данный вывод подтверждается работой "Производство аммиака" под ред. В.П. Семенова, М. 1985 г. "Химия", стр. 13-15, 138. При синтезе аммиака дебаланс энтальпий и эксгерсий как нежелательное явление покрывается за счет вывода соответствующего количества тепла, либо при одновременном выводе тепла и механической энергии.

Таким образом, камера сгорания двигателя внутреннего сгорания представляет собой реактор для осуществления двух типовых реакций: окисления водорода и углерода, если он содержится, и синтеза аммиака в неравновесных условиях в присутствии катализатора непосредственно в камере сгорания.

В режиме полного сгорания топлива при наличии достаточного кислорода в результате окисления образуется углекислый газ, а при окислении водорода - водяной пар. В случае полного сгорания топлива каждая молекула углерода соединяется с одной молекулой кислорода, в результате получается одна молекула углекислого газа.

C + O₂ CO₂
При сгорании водорода две его молекулы соединяются с одной молекулой кислорода и образуются две молекулы водяного пара
2H₂ + O₂ 2H₂O
Данный процесс идеальной реакции практически сформировать невозможно в силу того, что используется воздух, содержащий, кроме кислорода, аргон и азот, а углеводородное топливо соответствующие примеси, а процесс формирования смеси протекает приближенно к идеальному, т.е. с нарушением пропорций компонентов. В результате этого при протекании реакции окисления всегда имеют место непрореагировавшие кислород, водород и азот. На этом базируется предлагаемый способ горения.

Если в камеру сгорания ввести любым способом (напыление на стенки, вставки в поршень, в блок цилиндров и т.д.) катализатор на основе металлов шестой седьмой или восьмой групп (см. кн. "Производство аммиака", стр. 142-143), создаются условия реакции обратимого типа по синтезу аммиака
N₂+ 3H₂ ⇄ 2NH₃+ Q (тепло)
(см. стр. 138 кн. "Производство аммиака").

При избытке кислорода данная реакция в присутствии катализатора развивается в следующем виде
4NH₃ + 3O₂ 2N₂ + 6H₂O + O
Таким образом, создание условий по синтезу аммиака в камере сгорания позволяет существенно преобразовать на последней стадии сгорания реакцию окисления и получить дополнительный выход энергии и улучшить выхлоп газов, так как в этом случае решается задача связывания молекул азота и частичного погашения процесса окисления азота.

Если обратиться к кн. "Производство аммиака", стр. 138, синтез аммиака имеет место при соблюдении двух условий: давления и температуры. Причем увеличение температуры приводит к снижению равновесного содержания и ускорению реакции синтеза аммиака. Кроме того, синтез происходит при соблюдении условия содержания водорода и азоту в соотношении H₂/N₂ 2,5-2,8. Если учесть давление постоянным в момент сжатия и воспламенения смеси при наличии высокой температуры, то создаются вполне определенные условия по реагированию азота и водорода в присутствии металлического катализатора.

Каталитическую активность в процессе синтеза аммиака на сравнительно высоком уровне проявляют металлы VI, VII и VIII групп Периодической таблицы Менделеева. Ввиду дешевизны в промышленности нашли применение только железные плавленые промотированные катализаторы. Промышленный железный катализатор синтеза аммиака содержит промоторы двух типов: структурообразующие - AL₂O₃, MgO, SiO₂ и модифицирующие K₂O, CaO и др. С увеличением содержания структурных промоторов увеличивается удельная поверхность катализатора и повышается его термостойкость и устойчивость в отношении действия кислотосодержащих ядов. При увеличении количества модифицирующего промотора активность катализатора проходит через максимум. Технология изготовления катализаторов для синтеза аммиака отработана промышленностью и по своим термическим характеристикам соответствует условиям работы в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания.

Как уже указывалось, азот воздуха, не участвующий ранее в процессе сгорания, формирует организацию окислов азота в выхлопе. В отличие от всех других токсичных компонентов, рассмотренных ранее, образование окислов азота непосредственно с реакциями горения не связано, а имеет термическую природу (см. кн. А. Н. Воинов. "Сгорание в быстроходных поршневых двигателях". М. "Машиностроение", 1977 г. стр. 239, 240). В результате диссоциации молекул O₂ и N₂ на атомы при высоких температурах, достигаемых в пламени, образование окислов азота в основном может происходить в следующих цепных реакциях:

Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. Установлено, что при сгорании обедненных смесей концентрации NO стабилизируются на достигнутом уровне.

Введение катализатора позволяет связать высвобождающийся в результате цепной реакции азот с водородом с образованием аммиака.

Естественно, что прохождение реакции окисления топлива с синтезом аммиака возможно при соблюдении пропорционального соотношения компонентов на оптимальном уровне. В связи с этим возможно дополнить топливновоздушную смесь в момент сгорания отдельно подаваемым либо кислородом, либо водородом, подаваемым из внешней среды (баллоны) в соответствии с требуемым количеством для оптимального протекания реакции. Однако конкретно данный вопрос не рассматривается в части выполнения устройства подачи отдельных компонентов. Объектом изобретения является реализация синтеза аммиака непосредственно в камере сгорания с учетом наличия компонентов в смешанном с избыточным воздухом водородсодержащим топливом.

Изобретение позволяет улучшить процесс сгорания в камере развития реакции окисления компонентов топлива в синтезе аммиака и получения добавочного топлива и механической энергии в режиме использования обедненных водородсодержащих топливных смесей. Повышение экологичности выхлопа представляет собой результат усовершенствования процесса сгорания.

Данный способ не иллюстрируется конкретным исполнением двигателя внутреннего сгорания, так как последний не требует переделки. Единственным изменением является введение катализаторов в камеру сгорания.

Использование: изобретение относится к двигателестроению. Сущность: способ горения в двигателе внутреннего сгорания заключается в формировании хорошо перемешанного с воздухом водородсодержащего топлива с образованием топливной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, сжатия этой смеси и воспламенении ее от искрового зажигания в присутствии смонтированного в камере сгорания металлического промотированного катализатора на основе металлов шестой, седьмой или восьмой групп. В этом случае обеспечивается возможность выполнения в камере сгорания синтеза аммиака, что существенно повышает выходную мощность двигателя и улучшает в экологическом плане выхлоп.

Способ сгорания в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в подаче в камеру сгорания однородной, содержащей водород, топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, сжатии ее и воспламенении от искрового зажигания, отличающийся тем, что воспламенение смеси осуществляют в присутствии в камере сгорания металлического промотированного катализатора на основе металлов шестой, седьмой или восьмой групп.