СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02M27/04 F02P15/00 

Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее, к способам, обеспечивающим снижение токсичности выхлопных газов (ВГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Изобретение может быть реализовано в любых двигателях внутреннего сгорания (поршневых /с любым числом поршней и камер/, роторных и газотурбинных) и поможет в создании экологически чистого и экономичного транспорта с ДВС.

Известны химические способы и устройства по очистке выхлопных газов ДВС путем беспламенного каталитического дожига токсичных компонент ВГ на поверхности химического катализатора (платины, палладия и др.) - (Патент России 2023178, заявка Японии, 62-167721, патент России 2023176).

Недостаток данных способов состоит в сложности и дороговизне реализации, относительно низком сроке эксплуатации из-за загрязнения поверхности катализатора, сажу в выхлопе они вообще не чистят.

Известны способы и устройства механического сепарирования твердых и жидких примесей ВГ, характерных для дизельного транспорта, путем их механического сепарирования путем вращения потока ВГ с последующим накоплением сажи и частиц масла в специальных бункерах с систематическим удалением (см. например, патент России N 2023175).

Их недостаток состоит в сложности реализации, значительных энергозатратах и большой материалоемкости, поскольку объем сепарируемой сажи велик из-за ее низкой плотности. Терморазложение сажи неэкономично и приводит к увеличению объема окиси углерода.

Известны плазменные способы и устройства по дожигу ВГ путем пропускания ВГ через факел низкотемпературной плазмы (авт. св. СССР N 1460368).

Их недостаток состоит в значительных энергозатратах, в расходе дополнительного топлива, неблагоприятных температурных режимах выхлопной трубы при ее перегреве плазмой. Кроме того, возрастает объем окислителя, а значит и ВГ.

Известны способы и устройства электрофильтрования выхлопных газов ДВС (авт. св. N 1174574; N 1404664) путем воздействия электрическим полем на электрически заряженные частицы (твердые и жидкие) ВГ с их электростатическим осаждением на специальные электроды с последующим систематическим удалением осадка.

Недостаток их состоит в низкой надежности из-за трудностей обеспечения надежной электроизоляции разноименно-заряженных пластин электрофильтра в условиях осаждения сажи, копоти на внутренней поверхности пластин и высоких температур.

Известны комбинированные электрохимические способы и устройства очистки выхлопных газов ДВС (например, авт. св. N 1188343).

Им присущи все недостатки, описанные выше для каталитического дожига и электрофильтров.

Известны способы очистки ВГ от сажи путем ее электротермического разложения (авт. св. N 1815354). Однако способ весьма энергозатратен и неприемлем для автотранспорта с низкой мощностью электрогенератора.

Все перечисленные аналоги обладают одним общим признаком - снижение токсичности ВГ достигается путем непосредственной обработки данных газов уже на выходе ДВС, т. е. решается изобретательская задача "борьбы" со следствием неполного сгорания топливо-воздушной смеси в камерах ДВС, а не первопричиной - низкой интенсивностью горения.

Существует более немногочисленная группа изобретений-аналогов, улучшающих экологию ДВС путем улучшения подготовки топливо-воздушной смеси, усовершенствования дозировок топлива и окислителя, озонирования всасываемого воздуха, предварительной обработки топлива магнитными и электрическими полями (см. например, авт. св.N 1071796, патент США N 4413471; Ерохин В.И. Пути снижения токсичности отработавших газов на автомобильном транспорте (НИИАТ), М. : 1975; Егина Н. Удачные старты, Изобретатель и рационализатор, N 11/95, с. 10-11)
Согласно статьи Пугачев А. ИР N 11/95 изобретатель запатентовал топливный конвертор, позволяющий экономить 20% топлива и снижать окись углерода. Однако данные способы и устройства весьма сложны и не позволяют эффективно снизить токсичность ВГ.

В патенте RU N 2009336 предложено в качестве топлива ДВС использовать водород, который получают из воды, на самом автомобиле, посредством электролиза.

Недостаток - большие энергозатраты, взрывоопасность.

Достоинство - высокая степень экологичности выхлопных газов.

Наиболее близкими техническимм решениями, как по способу, так и по устройству эффективной очистки ВГ путем усовершенствования системы электрозажигания топливовоздушной смеси являются способы и устройства усиления искры зажигания и усовершенствования способов регулирования углов опережения зажигания, позволяющие существенно интенсифицировать процесс горения топливо-воздушной смеси в камерах сгорания ДВС (патент Великобритании N 2253372; патент США N 5074262; патент Японии N 4-67594).

В качестве прототипа изобретения выбран способ снижения токсичности выхлопных газов ДВС, известный из авт. св. СССР N 931933, кл. F 02 P 15/00, 1982.

Сущностью изобретения - способа снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, путем интенсификации сгорания топливо воздушной смеси введением в камеры сгорания сильного электрополя является то, что устанавливают напряженность поля не ниже 1 кВ/см на весь период работы двигателя от запуска до остановки, причем регулируют параметры электрополя (напряженность, частоту, форму) в зависимости от режима работы двигателя (обороты, нагрузка) и вида топлива по критерию минимума токсичности выхлопных газов при сохранении его рабочих характеристик. Упомянутое электрополе получают, например, от регулируемого высоковольтного блока электронного зажигания и вводят в камеру сгорания через надежно изолированные от корпуса двигателя удлиненные герметичные электроды, в частности - через электроизолированный электрод модернизированной электросвечи зажигания без бокового электрода, который углубляют (вворачивают) внутрь камеры на расстояние, достаточное для электропробоя его на поршень при подходе последнего к рабочей мертвой точке, причем усиливают электроизоляцию боковой поверхности электрода для устранения его электропробоя на остальную внутреннюю поверхность камеры, а другой потенциал электрополя подают на корпус двигателя.

Первоначальную настройку электрополя внутри камер двигателя могут осуществлять при выключенном двигателе, для чего включают преобразователь напряжения и контролируют его ток питания за один оборот коленвала двигателя, затем регулируют напряженность электрополя для достижения требуемой мощности электроискры, затем включают двигатель и регулируют угол опережения зажигания на холостом ходу по максимуму оборотов холостого хода и минимуму токсичности выхлопных газов.

Угол опережения зажигания топливо-воздушной смеси могут регулировать путем регулирования напряженности упомянутого электрополя внутри камер сгорания в функции оборотов двигателя, расхода смеси, потребляемого тока по условию ограничения токсичности выхлопных газов во всех рабочих режимах двигателя на требуемом уровне.

Для реализации в дизелях электрополя внутрь камер сгорания вводят через электроизолированные от корпуса двигателя топливную или/и воздушную форсунки причем второй электропотенциал электрополя подают непосредственно на корпус, либо через дополнительный электроизолированный электрод непосредственно внутрь камер сгорания. Корпус двигателя может быть надежно электроизолирован от корпуса транспортного средства.

Сущность изобретения состоит в интенсификации процесса сгорания топливо-воздушной смеси в камерах ДВС под воздействием сильного электрополя, что уже показано нами экспериментально, вследствие следующих причин:
1) данный способ позволяет обеспечить интенсивное многоискровое зажигание топливо-воздушной смеси по всему рабочему объему камер сгорания, что ускоряет процесс ее воспламенения и горения;
2) наличие сильного электрополя в камерах сгорания на этапах рабочего хода поршня и выталкивания выхлопных газов, позволяет максимально дожечь низкооктановые фракции топлива и снизить токсичность выхлопных газов, отчасти и из-за озонирования окислителя;
3) наличие электрополя в камерах сгорания на этапе всасывания топливо-воздушной смеси позволяет дополнительно озонировать окислитель (воздух), электризовать топливо и осуществлять тонкий, на молекулярном уровне распыл данной смеси в камеры, что активно подготавливает смесь к наиболее полному сгоранию в момент возникновения электропробоя и электроискры между торцами центральных электродов и поршнями соответствующих камер.

Все названные причины и механизмы воздействия элеткрополя внутри камер сгорания на топливо-водушную смесь на всех ее этапах, позволяет существенно (в несколько раз) улучшить процесс сгорания и снизить токсичность выхлопных газов.

Кроме того, благодаря оптимизации процесса горения одновременно осуществляют и экономию топлива и окислителя, резко упрощается система электрозажигания смеси и ее регуляторы, поскольку отпадает необходимость в трамблерах, автоматически решается задача синхронизации подачи импульсов зажигания в камеры и их настройки в зависимости от режима работы ДВС.

Предложенный способ может быть реализован как в однокамерных, так и в многокамерных ДВС, включая роторные и турбинные ДВС.

Способ может быть применен и в дизельных ДВС в этом случае роль центральных электродов могут выполнять специальные электроизолируемые от корпуса двигателя топливные или/и воздушные форсунки, через которые и вводят электрополе внутри камер сгорания ДВС.

Для реализации предложенного способа осуществляют значительную модернизацию системы электрозажигания существующих ДВС, а именно - ее дополняют высоковольтным регулируемым по скважности и частоте преобразователем напряжения с напряжением питания 12/24В и выходным напряжением 20 - 90 кВ, изменяют конструкцию и схемы электроподключения прежних электросвечей зажигания, а именно - устраняют вообще боковые "массовые" электроды, выполняют центральные электроды с удлиненной рабочей длиной внутри камер, при одновременном усилении электроизоляции их боковых поверхностей, причем длина и конфигурация центральных электродов внутри камер выбирается из условия надежного электропробоя и мощной электроискры с их торцов на соответствующие поршни при подходе их к рабочим "мертвым точкам" в соответствующих камерах сгорания, а толщина электроизоляции из условия недопущения электропробоя с рабочей внутрикамерной части центральных электродов на внутренние поверхности камер сгорания, в том числе и на впускной выпускной клапаны, причем один из выходов упомянутого высоковольтного преобразователя присоединяют непосредственно к корпусу двигателя, а другой - к центральным электродам модернизированных электросвечей зажигания, причем к входу управления высоковольтного преобразователя присоединяют выходы датчика скорости, датчика(ов) токсичных компонентов, выхлопных газов, а также датчик потребляемого тока упомянутого высоковольтного преобразователя напряжения.

В простейшем случае выполнения устройства, датчик токсичности выхлопных газов используют только в режиме настройки новой системы электрозажигания, а затем для поднастройки системы, при работающем двигателе используют только датчики тока и оборотов.

Также как и в обычных ДВС, модернизированные электросвечи зажигания должны быть правильно выбраны по калильному числу для устранения режима самовоспламенения топливо-воздушной смеси на перегретой поверхности "свечи" внутри камер ДВС. Торцевую поверхность поршней целесообразно покрыть термостойким антикоррозионным покрытием для снижения ее износа в режиме электропробоев на поршень.

Особенность реализации устройства для осуществления способа на дизельных ДВС состоит в совмещении функций модернизированных электросвечей с одним центральным электродом и форсунок, а именно в подключении одного из высоковольтных потенциалов электрополя к упомянутым топливным или/и воздушным форсункам дизеля, выполненным электроизолированными от корпуса снаружи и внутри камер сгорания с достаточной толщиной электроизоляции для устранения электропробоя форсунки на корпус, клапаны, и с достаточной длиной внутри камеры для надежного электропробоя на поршни дизеля на их подходе к рабочим "мертвым точкам" в камерах сгорания.

Развитием изобретения - устройства является введение устройств предварительного озонирования воздуха-окислителя и устройства электрической обработки топлива с целью их электроактивации и наилучшему сгоранию топливо-воздушной смеси в камерах сгорания.

Развитие устройства состоит и в комбинации обычной системы электрозажигания и вышеописанной модернизированной системы. В этом варианте электрополе вводится в камеры посредством дополнительных модернизированных электросвечей зажигания, однако данный варианта более сложен в реализации и не позволяет существенно упростить устройство ДВС.

Способ пояснен на примере модернизированного 4-х тактного одноцилиндрового ДВС с элекроискровым зажиганием (фиг. 1-4), показанного на всех четырех тактах его работы.

Устройство состоит из корпуса двигателя 1 с впускным патрубком 2 и выпускным патрубком 3 для выхлопных газов, из впускного и выпускного клапанов 4, 5, из поршня 6 с шатуном 7 и коленвала 8, из модернизированной электросвечи зажигания 9 без бокового "массового" электрода и с удлиненной рабочей частью 10, с покрытой боковой поверхностью электроизолятором 11, причем центральный электрод 10 электросвечи 9 присоединен к одному из выходов высоковольтного регулируемого преобразователя напряжения 12 (ВПН), второй выход которого присоединен к корпусу 1, а по цепи электропитания преобразователь ВПН 12, присоединен к бортовому источнику электроэнергии 13, например, к аккумуляторной батарее или статорным обмоткам бортового электрогенератора. В состав устройства входит также система управления 14 напряжением и частотой ВПН, датчик потребляемого тока 15, датчик оборотов коленвала 16, датчик токсичности 17 выхлопных газов (ВГ), выходы которых присоединены на управляющие входы системы управления 14 ВПН. Электрическая искра зажигания 18 показана на фиг. 3 и 4, в рабочем такте и выпускном такте работы ДВС.

На фиг. 1 топливо-воздушная смесь обозначена как Т+В. На фиг. 4 - очищенные выхлопные газы ДВС обозначены сокращенно ВГ.

Поясним подробнее реализацию в работе предложенного способа снижения токсичности выхлопных газов ДВС и устройства для его осуществления на всех этапах его работы.

На фиг. 1 показана блок-схема работы устройства, реализующего способ на такте всасывания топливо-воздушной смеси (ТВС), в камеру одноцилиндрового ДВС; а фиг. 2 - раскрыты способ на такте сжатия ТВС в камере двигателя; на фиг. 3 - пояснены особенности искрообразования и рабочего хода поршня ДВС, по предложенному способу и устройству для его осуществления; на фиг. 4 пояснены четвертый выпускной такт работы нового ДВС, обеспечивающий выпуск очищенных ВГ в атмосферу.

Рассмотрим работу устройства модернизированного двигателя внутреннего сгорания, для простоты одноцилиндрового 4-х тактного (фиг. 1-4) при реализации предложенного Способа в одном из его простых и эффективных вариантов.

На фиг. 1-4 приведена циклограмма работы ДВС на всех его 4 тактах. Вначале, до подачи топлива Т (отсоединяют топливопровод) взаимосвязанно регулируют длину рабочей части 10 модернизированной электросвечи 9 и напряжение высоковольтного преобразователя 12 при одном обороте коленвала 8 до достижения надежной электроискры 18 с торца рабочей части электросвечи 9 на поршень 6, причем контроль данного электропробоя осуществляют посредством датчика тока 15. В случае необходимости изменяют данные параметры до достижения потребляемого тока источника поля 12 заданному значению, соответствующему требуемой мощности электроискры. В связи с тем, что в различных ДВС месторасположение электросвечей зажигания 9 различно относительно впускных и выпускных клапанов 4, 5, изменяет форму рабочей части центрального электрода 10, а также усиливают электроизоляцию его боковой поверхности 11 для надежной электрозащиты и по условию недопущения электропробоя электрода 10 на внутреннюю поверхность камеры сгорания 1, но обеспечения надежной электроискры на поршень.

После этого (фиг. 1) подают топливо-воздушную смесь (Т+В) в камеру сгорания 1 и осуществляют ее электростатический тонкий распыл в электрополе, образованном между электродом 10 с внутненней поверхностью камеры 1 (1 такт - всасывание смеси (фиг. 1а) - в этом режиме впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 5 закрыт.

Затем на этапе сжатия топливо-воздушной смеси (фиг. 2) осуществляют дополнительную электризацию микрокапель топлива Т и озонирование окислителя В в связи с возрастанием напряженности электрополя в рабочем пространстве камеры 1 при приближении поршня 6 к рабочей верхней "мертвой точке".

Этап рабочего хода поршня 6 (фиг. 3) начинается в момент возникновения электропробоя и электроискры 18 между ним и концом электрода 10 при подходе поршня 6 к верхней "мертвой точке" вследствие превышения напряженности электрополя между ними выше пробивного значения.

Вследствие мощного электроискрового зажигания наэлектризованной озонированной топливо-воздушной смеси (Т+В) интенсивность ее воспламенения сгорания намного эффективней, чем в существующих двигателях и может быть повышена в несколько раз. Далее, по ходу движения поршня 6 электроискра 18 прерывается и догорание смеси эффективно осуществляется в сильном электрополе, поскольку с торца электрода 10 обеспечивается эмиссия "свежих" электронов в зону горения и электрополе осуществляют дополнительное дробление радикалов горящего топлива Т.

На 4 такте (фиг. 4) открывают выпускной клапан 5, поршень 6 начинает выталкивать горящие выхлопные газы ВГ, которые в упомянутом электрополе дополнительно эффективно дожигаются, отчасти вследствие возрастания напряженности электрополя при приближении поршня 6 к верхней "мертвой точке".

Экспериментально установлено, что начальную регулировку угла опережения зажигания смеси целесообразно осуществлять на холостом ходу, путем регулирования напряжения блока 12, по максимуму оборотов холостого хода двигателя, информацию о которых получают по датчику скорости 16.

Рассмотрим процесс регулирования угла опережения зажигания топливо-воздушной смеси (Т+В) при реализации способа в описанном устройстве.

Наиболее характерными изменениями режима ДВС являются изменение оборотов и изменение интенсивности подачи топлива и окислителя в камеры 1.

Известно, что с увеличением оборотов двигателя существующая система (трамблер) увеличивает угол опережения механическим способом, что сложно в реализации и достаточно инерционно.

В нашем случае, при увеличении оборотов коленвала 8, возрастает сигнал обратной связи по скорости с датчика 16, который поступает на вход системы управления 14 преобразователя 12. Функциональный преобразователь, входящих в состав блока 14 выдает сигнал управления блоку 12 на увеличение выходного напряжения например, с 35 кВ до 45 кВ, что приводит к повышению напряженности электрополя внутри камеры сгорания 1 с конца электрода 10. Это приводит к более раннему электропробою между ним и поршнем 6 на подходе последнего к верхней "мертвой точке", т.е. к автоматическому регулированию угла опережения зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Более точное регулирование угла опережения зажигания достигается в нашем способе благодаря дополнительной обратной связи слежения за токсичностью выхлопных газов ВГ посредством датчика токсичности 17, выход которого также присоединен на вход управления блока 14.

Рассмотрим реализацию регулирования угла опережения зажигания при форсаже (повышенной подаче топлива) двигателя.

Вследствие возрастания оборотов двигателя угол опережения зажигания начинает увеличиваться, как было описано выше.

Но уже раньше этого, и наряду с этим процессом, начнет работать обратная связь по снижению токсичности ВГ, так как с увеличенной подачей топлива Т полнота сгорания смеси (Т+В) вначале снизится, сигнал с датчика токсичности 17 возрастает, что также приведет к увеличению угла опережения зажигания вследствие повышения напряжения с выхода преобразователя 12, например, путем увеличения скважинности и частоты его импульсов, и данный процесс будет продолжаться до те пор, пока токсичность ВГ не снизиться до запрограммированного в блоке 14 уровне.

Таким образом, введение регулируемого электрополя внутрь камер сгорания существующих ДВС позволяет решить сразу несколько актуальных задач:
1) существенно, в 2-3 раза снизить токсичность выхлопных газов ДВС, без применения дорогих и ненадежных химических катализаторов;
2) резко упростить систему распределения и регулирования угла опережения зажигания топливной смеси (устраняется сложный узел - трамблер);
3) обеспечить экономию топлива и окислителя при сохранении рабочих характеристик двигателя, вследствие лучшего распыления, перемешивания, дробления и эффективного сжигания топливо-воздушной смеси в электрическом поле внутри камер сгорания.

Изобретение может быть реализовано в ДВС с любым числом поршней, а также в двигателе Ванкеля.

Изобретение может быть применено не только в ДВС с электроискровым зажиганием, но и в дизельных двигателях. В этом случае электрополе вводят внутрь камер сгорания 1, либо посредством дополнительных электроизолированных от корпуса двигателя электродов 10, либо для просторы используют в качестве них топливную и/или воздушную форсунки двигателя (не показаны), которые надежно электроизолируют от корпуса двигателя.

Естественно, реализация способа возможна и в других вариантах, например, с сохранением существующей системы электрозажигания, но дополнением ее источником электрополя 12 и описанными специальными электросвечами 9 без боковых электродов, размещенными в камерах сгорания, например, попарно на противоположных стенках камер сгорания 1 (не показано). Корпус двигателя дополнительно электроизолируют от рамы автомобиля.

Изобретение проверено экспериментально на 4-х тактном одноцилиндровом ДВС (мопед, мотоблок "Жигули"). Эксперименты показали снижение дымности ВГ в 3 раза, окиси углерода в 2 раза, углеводородов в 2,5 раза, по сравнению с первоначальным уровнем заводского ДВС.

Напряжение высоковольтного преобразователя регулировалось от 35 до 55 кВ, в качестве модернизированной свечи использовалась электросвеча фирмы "Бош" с укорочением "юбки" резьбы в 2 раза и сохранением длины центрального электрода.

Регулирование длины проникновения центрального изолированного от корпуса внутрь камеры достигалось посредством медных шайб различной толщины на ввертной части электросвечи.

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для обработки и поджига рабочей смеси, поступающей в цилиндры ДВС. Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем интенсификации сгорания топливовоздушной смеси введением в камеры сгорания сильного электрополя отличается тем, что устанавливают напряженность поля не ниже 1 кВ/см не весь период работы двигателя от запуска до остановки, причем регулируют параметры электрополя (напряженность, частоту, форму) в зависимости от режима работы (обороты, нагрузка) и вида топлива по критерию минимума токсичности выхлопных газов при сохранении рабочих характеристик двигателя. Изобретение позволяет повысить надежность поджига рабочей смеси и полному ее сгоранию. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем интенсификации сгорания топливо-воздушной смеси введением в его камеры сгорания сильного электрополя, отличающийся тем, что устанавливают напряженность поля не ниже 1 кВ/см на весь период работы двигателя от запуска до остановки, причем регулируют параметры электрополя (напряженность, частоту, форму) в зависимости от режима работы (обороты, нагрузка) и вида топлива по критерию минимума токсичности выхлопных газов при сохранении его рабочих характеристик. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое электрополе, получаемое, например, от регулируемого высоковольтного блока электронного зажигания, вводят в камеры сгорания через надежно изолированные от корпуса двигателя удлиненные герметичные электроды. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое электрополе вводят внутрь камеры сгорания через электроизолированные электрод модернизированной электросвечи зажигания без бокового электрода, углубляют (вворачивают) электрод внутрь камеры на расстояние, достаточное для электропробоя его на поршень при подходе его к рабочей "мертвой точке", причем усиливают электроизоляцию боковой поверхности электрода для устранения его электропробоя на остальную внутреннюю поверхность камеры, другой потенциал электрополя подают на корпус двигателя. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что осуществляют первоначальную настойку электрополя внутри камер двигателя при выключенном двигателе, для чего включают преобразователь направления и контролируют его ток питания за один оборот коленвала двигателя, затем регулируют напряженность электрополя до достижения требуемой мощности электроискры, затем включают двигатель и регулируют угол опережения зажигания на холостом ходу по максимуму оборотов холостого хода и минимум токсичности выхлопных газов. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что регулируют угол опережения зажигания топливовоздушной смеси путем регулирования напряженности, упомянутого электрополя внутри камер сгорания в функции оборотов двигателя, расхода смеси, потребляемого тока по условию ограничения токсичности выхлопных газов во всех рабочих режимах двигателя на требуемом уровне. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для его реализации в дизелях электрополе внутрь камер сгорания вводят через электроизолированные от корпуса двигателя топливную или(и) воздушную форсунки, причем второй электропотенциал электрополя подают непосредственно на корпус либо через дополнительный электроизолированный электрод непосредственно внутрь камер сгорания. 7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что надежно электроизолируют корпус двигателя от корпуса транспортного средства.