СПОСОБ АКТИВАЦИИ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СИСТЕМА АКТИВАЦИИ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02M27/04 F02B51/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к способам и устройствам активации топлива непосредственно перед впрыском в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания /ДВС/, преимущественно дизеля.

Известен способ обработки топливной смеси для ДВС путем подачи /впрыска/ компонентов топлива в камеру сгорания при высоких значениях температуры и давления с целью их диссоциации /см. заявку на патент Франции N 2648515 МПК⁵ F 02 B 75/00/, F 02 M 49/02 от 1990 г./.

Недостатком известного способа является необходимость нагрева компонентов топлива выше 2000 K с целью создания условий для диссоциации, что связано со значительными техническими трудностями, экономически неоправданными, так как в дизеле температура цикла не превышает 2000 K.

Известен также способ обработки топлива в ДВС /см. патент РФ N 2038506 МПК⁶ F 02 M 27/04 от 1995 г./ с помощью электромагнитного поля, под действием которого топливо дополнительно энергетизируется и дробится, что способствует увеличению поверхности окисления, топлива, приводящему к улучшению экономических и экологических характеристик ДВС. Однако известный способ не затрагивает молекулярную структуру топлива и слабо влияет на процесс активации.

Известно устройство обработки топлива в дизельном ДВС /см. патент РФ N 2011881 МПК⁶ F 02 M 53/02 от 1994 г./, в котором топливо подвергают обработке электрическим полем с целью диссоциации на водород и кислород, что улучшает процесс горения, но не влияет на молекулярную структуру топлива.

Известна топливная форсунка с электронным управлением для роторного вакуумного устройства преобразования жидкого топлива (патент США N 5343848 МПК F 02 M 31/00 от 1992 г./. Известное устройство преобразует макроскопические капли жидкости топлива в микроскопические и содержит вакуумную камеру и систему электронного управления топливной форсункой. Положительный эффект достигается в основном за счет уменьшения размеров капель топливной смеси перед ее подачей в камеру сгорания. Известная громоздкая электронная система служит для управления форсункой, но не влияет на активацию топлива.

Известен также способ обработки топлива электрическим полем /см. а.с. СССР N 1671934 МПК F 02 M 27/04 от 1991 г./ от низковольтного источника питания, например аккумулятора, путем постоянного движения топлива через низковольтное электрополе. Этот способ является наиболее близким к предлагаемому способу и принят в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является малое влияние указанного физического поля на активацию топлива.

Известно также устройство обработки топлива для ДВС электрическим путем с целью его активации /см. а.с. СССР N 1671934 МПК F 02 M 27/04 от 1991 г./, включающее корпус с подводящими и отводящими штуцерами для топлива, отрицательный и положительный электроды, источник питания, токопроводы. Это устройство является наиболее близким к заявляемой системе и принято в качестве прототипа.

Недостатком известного устройства для активации топлива является его малая эффективность вследствие слабого влияния указанных полей на физико-химическую структуру вещества.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании эффективного способа активации топлива для ДВС и соответствующей системы активации топлива для ДВС, которые обеспечивали бы высокие экономические и экологические характеристики ДВС.

Техническим результатом, который обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения является создание условий для достижения высокой активации топлива в ДВС /в частности дизелей/ путем кратковременного, но сильного физического воздействия на структуру молекул топлива и образования в нем короткоживущих радикалов, играющих большую роль в разветвленных цепных реакциях, по которым происходит горение углеводородного топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе активации топлива для ДВС физическим полем, согласно изобретению, топливо обрабатывают кратковременным высоковольтным электроразрядом в зонах концентрации напряженности высоковольтного электрического поля в колодце распылителя форсунки непосредственно перед впрыском в камеру сгорания двигателя и одновременно производят поступательно-возвратное и вращательное движение иглы, осуществляя взаимную зачистку общих контактных поверхностей запирающего конуса иглы и седла колодца распылителя форсунки.

Указанный технический результат достигается также тем, что в системе активации топлива для ДВС, выполненной в виде форсунки для подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя, содержащей коаксиально расположенные положительный и отрицательный электроды, согласно изобретению, положительный электрод подключен к телу иглы и выходит на ее штифт, отрицательный электрод подключен к массе двигателя и через форсунку выходит на колодец распылителя, причем штифт иглы и колодец установлены коаксиально относительно друг друга с постоянным зазором для прохода топлива и снабжены спиральными мини-ребрами противоположного направления, а поверхность иглы снабжена мини-пазами на уровне оси подачи топлива в карман распылителя и установлена по касательной к последней.

Проведенные патентные исследования показали, что в настоящее время неизвестны аналогичные технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованиям новизны.

В заявляемом способе обработка слоя топлива толщиной < 0,2 мм кратковременным высоковольтным электроразрядом /ВВЭР/ в зонах концентрации напряженности высоковольтного электрического поля непосредственно перед впрыском в камеру сгорания двигателя обеспечивает высокую активацию топлива. В момент ВВЭР при электронном ударе при T≈5000 K образуется высокотемпературная плазма, действие которой на топливо /воду/ приводит к сложным физико-химическим процессам, вследствие термодиссоциации. При этом образуются продукты разложения, в том числе кислород, водород и главное - короткоживущие нестабильные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью нестабильные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью и играющие большую роль при горении топлива. Указанные радикалы активируют данную реакцию горения, так как через несколько тысячных долей секунды обработанное и подготовленное предлагаемым способом топливо уже будет участвовать в рабочем процессе в камере сгорания ДВС. Таким же способом можно обрабатывать воду одновременно с топливом /водотопливную эмульсию/ также непосредственно перед каждым рабочим циклом. Таким образом достигается более полное и эффективное использование топлива, улучшение экономических и экологических характеристик двигателя. Одновременное поступательное и вращательное давление иглы обеспечивает автоматическую взаимную зачистку общих контактных поверхностей запирающего конуса иглы и седла колодца распылителя, что гарантирует надежность данного процесса обработки топлива.

В заявляемой системе активации топлива для ДВС в виде форсунки для подачи топлива в камеру сгорания двигателя использование двух коаксиальных цилиндрических электродов, положительного и отрицательного, позволяет проходить между ними высоковольтному электроразряду непосредственно через топливо в момент подачи топлива через форсунку в камеру сгорания. Подключение положительного электрода к телу иглы с выходом на ее штифт, а отрицательного электрода к массе двигателя и через форсунку на колодец распылителя, коаксиальное расположение штифта иглы и колодца относительно друг друга с постоянным зазором для прохода топлива позволяют получить ВВЭР в этом зазоре только в момент прохождения топлива через форсунку в камеру сгорания ДВС. Выполнение спиральных выступающих миниребер, идущих в разных направлениях, на поверхности штифта и колодца способствует увеличению локальной концентрации напряженности высоковольтного электрополя в этих точках зоны между штифтом и колодцем и развитию перемещающихся спиральных ВВЭР в момент движения иглы при подаче топлива в камеру сгорания. Выполнение на поверхности иглы минипазов на уровне подачи топлива, смещение оси подачи топлива относительно оси иглы и установка ее напротив минипазов, выполненных на игле, и по касательной к поверхности иглы позволяют производить постоянную и взаимную зачистку и притирку общих контактных поверхностей /КП/ между запирающим конусом иглы и седлом колодца распылителя, сто способствует равномерному износу данной пары, повышая надежность предлагаемой системы.

Заявляемое изобретение иллюстрируется одним из возможных вариантов принципиальной схемы, изображенной на фиг. 1-4, на которых показаны:
на фиг. 1 - продольный разрез форсунки по ее оси до момента подачи топлива;
на фиг. 2 - продольный разрез форсунки по ее оси в момент подачи топлива;
на фиг. 3 - поперечный разрез форсунки по оси подачи топлива;
на фиг. 4 - схема расположения ребер на штифте и колодце.

Система активации топлива для ДВС включает топливопровод высокого давления /ВД/ 1, идущий к карману 2 распылителя, а также форсунку 3, иглу 4 с запирающим конусом, фигурные минипазы 5, пружину 6, прижимающую запирающий конус иглы к седлу 7 колодца распылителя, изолятор 8. Минипазы 5 размерами ≈2х0,5 для ДВС малого литража выполнены на поверхности иглы 4 на уровне оси подачи топлива в карман 2 и расположены по касательной к оси подачи топлива. Запирающий конус иглы 4 распылителя оканчивается цилиндрическим штифтом 9, двигающимся в коаксиально расположенном цилиндрическом колодце 10. Прерыватель низкого напряжения может быть выполнен из запирающего конуса иглы 4 /+/ и седла 7 /-/ колодца, соединенных с первичной /низковольтной 10-15 В/ обмоткой высоковольтного трансформатора. Через сопловые отверстия 11 производится впрыск топлива в цилиндр. Давление иглы 4 осуществляется в направляющей гильзе 12, находящейся в изоляторе 8. Поверхность штифта 9 снабжена спиральными мини-ребрами 13, выступающими на высоту ≈0,3 δ, подобно поверхности сверла или винта/, а внутренняя поверхность колодца 10 аналогичными мини-ребрами 14, но противоположного направления, соответственно левого и правого.

Способ активации топлива для ДВС в заявляемой системе осуществляется следующим образом /см. фиг. 1-4/.

При нагнетании топливным насосом ВД топлива к форсунке 3 по топливопроводу ВД 1 и при создании давления в полости кармана 2 распылителя, необходимого для срабатывания форсунки, игла 4 поднимается, преодолевая усилие пружины 6, и прерывает низковольтный /10-15 В/ электроконтакт между запирающим конусом иглы 4 /+/ и седлом 7 /-/. С прерыванием низковольтного контакта 4 - 7 срабатывает высовольтный трансформатор аналогично катушке зажигания в бензиновом ДВС, где свеча зажигания дает высовольтную искру при размыкании контактов низковольтного прерывателя, в данном случае запирающий конус иглы 4 - седло 7 колодца 10. Тело иглы 4 играет теперь роль проводника, передающего высоковольтный положительный импульс со вторичной обмоткой высоковольтного трасформатора на цилиндрический штифт 9 /+/, расположенный коаксиально с постоянным зазором δ ≈ 0,2 мм относительно колодца 10 /-/. При этом между штифтом 9 /+/ и цилиндрическим колодцем 10 /-/ форсунки в зазоре δ возникает ВВЭР в несколько киловольт через поступающее в зазор δ топливо.

Одним из других возможных вариантов получения ВВЭР в форсунке в момент впрыска топлива в цилиндр может также использоваться стандартная система электрозажигания, применяемая в обычных бензиновых ДВС, включающая катушку зажигания и низковольтный прерыватель, но который жестко связан с топливным насосом высокого давления.

При подаче топлива и поступательном движении штифта 9 в колодце 10, в точках пересечениях мини-ребер 13 и 14 /см. фиг. 4/, т.е. при максимальном сближении их на расстояние ~0,4 δ, т.е. < 0,1 мм, происходит резкая концентрация напряженности высоковольтного электрического поля в данных точках между мини-ребрами 13 и 14 /в зоне 0,4 δ/, способствующая надежному пробою, равномерному распределению и перемещению ВВЭР по спиралям через топливо в переменном зазоре по этим точкам. Площадь усредненного сечения данного фигурного зазора с мини-ребрами немного меньше площади простого постоянного цилиндрического зазора δ = 0,2 мм, но также обеспечивает максимальный расход топлива через сопловые отверстия 11.

В момент подачи топлива в форсунку /под давлением в несколько сотен атмосфер/ и поступающего гидроудара на фигурные пазы 5 запирающий конус иглы 4, поднимаясь от седла 7, освобождается от его сопротивления и игла поворачивается на определенный угол, как минитурбина. Площадь паза, принимающего удар топлива, составляет ~1 мм² для ДВС малого литража. В это же время происходит ВВЭР в зазоре δ = 0,1 - 0,2 мм через топливо между элементами 9 /+/ и 10 /-/. С учетом силы > 1 кг гидроударов топлива в пазы 5, его движения по ним и частоты циклов, игла 4 при подъеме и опускании совершает импульсное вращение, и поэтому после каждого цикла игла 4, поворачиваясь на некоторый угол, занимает новую позицию в седле 7. При этом происходит взаимная зачистка ударом и трением общих КП запирающего конуса иглы 4 и седла 7.

При ориентировочных параметрах данной системы форсунки /зазор δ ≈ 0,2 и ⊘ штифта ≈ 3/ обеспечивается пропуск топлива через 2 - 3 сопловых отверстия 11⊘ ≈ 0,3 для ДВС малого литража, рассматриваемого в предлагаемом техническом решении. Это не исключает возможности использования предлагаемых способа и системы для ДВС любого литража при изменении параметров форсунки и ее электросхемы. Параметры ВВЭР, в том числе мощность, длительность, напряжение, задержка и т.д., выбираются с учетом конкретных технических данных форсунки.

Использование предлагаемых способа и системы позволяет в течение нескольких тысячных долей секунды производить термообработку каждой дозы топлива, проходящего через форсунку, непосредственно перед впырском в камеру сгорания через сопловые отверстия 11. Продолжительность ВВЭР, в течение которого происходит предлагаемая термообработка топлива, соответствует продолжительности процесса впрыскивания. Особо важное значение имеет предлагаемый способ термообработки /T≈5000 K/ топлива /воды/ кратковременным ВВЭР, так как он сопровождается образованием активных частиц-радикалов, которые активируют компоненты топлива в период задержки самовоспламенения и влияют на все последующие фазы работы ДВС в целом. При внедрении заявленного технического решения двигатель серьезных реконструкций не требует. Наряду с профильными заводами предлагаемая система может быть изготовлена, например, на предприятиях, имеющие высокие технологии, но ввиду сложившихся условий, подлежащих конверсии.

Использование: в двигателестроении. Достигаемый технический результат: повышение экономических и экологических характеристик двигателя. Сущность изобретения: способ включает воздействие на топливо кратковременным высоковольтным разрядом в зонах концентрации напряженности высоковольтного электрического поля непосредственно перед впрыском в камеру сгорания двигателя с одновременным движением иглы для взаимной зачистки общих контактных поверхностей. Система активации в виде форсунки содержит положительный и отрицательный коаксиальные электроды с постоянным зазором, причем штифт иглы и колодец снабжены мини-ребрами для концентрации напряженности поля, а поверхность иглы снабжена мини-пазами, обеспечивающими ее вращение с целью зачистки общих контактных поверхностей между запирающим конусом иглы и седлом колодца. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ активации топлива для двигателя внутреннего сгорания путем воздействия на топливо физическим полем, отличающийся тем, что топливо обрабатывают кратковременным высоковольтным электроразрядом в зонах концентрации напряженности высоковольтного электрического поля в колодце распылителя форсунки непосредственно перед впрыском в камеру сгорания двигателя и одновременно производят поступательно-возвратное и вращательное движение иглы, осуществляя взаимную зачистку общих контактных поверхностей запирающего конуса иглы и седла колодца распылителя форсунки. 2. Система активации топлива для двигателя внутреннего сгорания, выполненная в виде форсунки для подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя, содержащая положительный и отрицательный электроды, расположенные коаксиально, отличающаяся тем, что положительный электрод подключен к телу иглы с выходом на ее штифт, отрицательный электрод подключен к массе двигателя и с выходом через форсунку на колодец распылителя, причем штифт иглы и колодец установлены коаксиально относительно друг друга с постоянным зазором для прохода топлива и снабжены спиральными мини-ребрами противоположного направления, а поверхность иглы снабжена мини-пазами на уровне оси подачи топлива в карман распылителя и установлена по касательной к указанной оси.