СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСПЫЛА ТОПЛИВА Российский патент 2016 года по МПК F02M27/04 F02B51/04 

Предлагаемое изобретение относится к авиастроению, в частности к способам и устройствам для распыла различных видов жидкого углеводородного топлива и подготовки топливно-воздушной смеси перед ее сжиганием, и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных энергетических установках, например в горелках котельных и электростанций и других.

Известны различные способы повышения эффективности распыла топлива путем создания в топливе электрического поля и использования различных операций при подготовке топливно-воздушной смеси.

По одному из них в дизельном двигателе внутреннего сгорания дизельное топливо дополнительно подвергают обработке электрическим полем в камере, в которой испарившийся пар диссоциирует на водород и кислород, поступающие в цилиндры в смеси с топливом [патент РФ №2011881, МПК F02M 27/04, БИ №8, 1994]. Недостатками известного способа являются невысокое качество распыла, многооперационность и конструктивная сложность устройств, его реализующих.

Известен способ распыла топлива, по которому на электроды, размещенные в корпусе, подают высокое напряжение порядка 20-25 кВ и сообщают потоку топлива электрический заряд [патент РФ №2032107, МПК F02M 27/04, БИ №9, 1995]. Недостатками известного способа являются невысокое качество распыла, большие энергозатраты, использование очень высокого электрического напряжения, а также конструктивная и технологическая сложность устройств, его реализующих.

Известен способ повышения эффективности распыла топлива путем обработки жидких и/или газообразных сред, по которому в спиралевидной полости обработки создают резко неоднородное в пространстве электрическое поле с использованием высоковольтного источника напряжения и, дополнительно, посредством введения постоянных магнитов с чередующейся полярностью создают неоднородное в пространстве постоянное магнитное поле, воздействие которого усиливается применяемым магнитным экраном [патент РФ №2093699, МПК F02M 27/04, БИ №29, 1997]. Недостатками известного способа являются невысокое качество распыла, а также конструктивная и технологическая сложность устройств, его реализующих, требующая существенных конструктивных изменений применительно к существующим топливным системам транспортных средств.

Известен способ повышения эффективности распыла топлива в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что топливо и воздух предварительно обрабатывают в сильном электрическом поле с напряжением на электродах до 30000 В, топливо электростатически распыливают, подают воздух и получают топливно-воздушную смесь [патент РФ №2126094, МПК F02M 27/04, опубл. 20.09.1999 г.]. Недостатками известного способа являются невысокое качество распыла, использование очень высокого напряжения для создания сильных электрических полей, а также конструктивная и технологическая сложность устройств, его реализующих, требующая существенных конструктивных изменений в существующих топливных системах транспортных средств. Для осуществления данного способа его автор предлагает изменить конструкцию двигателя внутреннего сгорания, а именно камеру сгорания и поршень.

Наиболее близким к заявляемому материалу и принятым в качестве прототипа является способ повышения эффективности распыла углеводородного топлива [патент РФ №2469205, МПК F02M 27/04], по которому уменьшают размеры капель топлива при его распылении из форсунки путем создания в потоке топлива перед форсункой между электродами типа «сетка-сетка» продольного к потоку топлива постоянного электрического поля с высокой напряженностью 800-1500 В/мм ((8-15) 10⁵ В/м). Далее по данному способу получают подачей воздуха топливно-воздушную смесь и обеспечивают ее горение. При этом на электроды подают постоянное высоковольтное напряжение. В качестве топлива в прототипе применяли при экспериментах дизельное топливо и бензин, смешанный с 20% этилового спирта.

К недостаткам данного способа повышения эффективности распыла топлива являются невысокое качество распыла, использование очень сильных электрических полей, он требует высокой очистки топлива для исключения засорений сеток-электродов, использование вместо стандартного топлива специально приготовленного - бензина, смешанного с 20% этилового спирта, а также конструктивная и технологическая сложность устройств, его реализующих, требующая существенных конструктивных изменений в существующих топливных системах транспортных средств.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение параметров каплеобразования на выходе топливной форсунки, что в конечном итоге приведет к более полному ее сгоранию и к снижению уровня токсичности выходных продуктов горения, повышению экономичности потребления топлива при обеспечении требуемой мощности авиадвигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что создают в потоке топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой однородное электрическое поле и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха. При этом однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно, причем создают в резко неоднородном электрическом поле в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака. Кроме того, однородное в потоке топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха создают или/и постоянным, или/и переменным с изменяющейся частотой и осуществляют двухсторонний обдув закрученными потоками воздуха разбивающейся на капли вытекающей из сопла закрученной топливной пленки.

В основу предлагаемого способа положены следующие физико-технические и физико-химические явления.

Известно, что распыливание топлива играет важную роль в эффективности сгорания топливно-воздушной смеси и количестве испускания при сгорании загрязняющих веществ. В частности, более мелкодисперсная топливно-воздушная смесь обеспечивает более эффективное сгорание топлива, приводящее к увеличению отдаваемой двигателем мощности и уменьшению вредных выбросов. Это связано с тем фактом, что сгорание начинается от поверхности раздела между каплями топлива и воздухом (кислородом). Если размер капель топлива уменьшается, полная площадь поверхности до начала процесса горения увеличивается, повышая эффективность сгорания топливно-воздушной смеси и улучшая качественные характеристики выбросов продуктов сгорания (улучшая экологические показатели работы авиадвигателей).

В предлагаемом способе уменьшение размера капель на выходе форсунки достигается тем, что одновременно в однородном переменном электрическом поле с изменяющейся частотой при относительно малых (до 1 кВ) напряжениях на электродах осуществляют в форсунке непосредственно перед его закруткой молекулярную модификацию топлива путем возбуждения вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива, а в резко неоднородном электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха создают униполярный поток ионов и сообщают униполярный заряд того или иного знака как каплям разбивающейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки, так и обдуваемому потоку воздуха. При этом знак электрического заряда как на каплях, так и в потоке обдуваемого воздуха выбирают один и тот же.

На основании условий устойчивости капли под действием сил поверхностного натяжения и электростатических сил установлено, что электрический заряд уменьшает поверхностное натяжение капли на величину

где Δα=α-α_q - уменьшение коэффициента поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; α - коэффициент поверхностного натяжения незаряженной капли, Н/м; α_q - коэффициент поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; q - электрический заряд капли, Кл; - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума); ε - относительная диэлектрическая проницаемость рабочей жидкости; r - радиус капли, м.

В качестве примера на фиг. 1 показано влияние электрического заряда капель топлива на уменьшение их поверхностного натяжения в зависимости от диэлектрической проницаемости горючего. Как видно из фиг. 1, имеет место уменьшение поверхностного натяжения заряженной капли горючего по сравнению с незаряженной каплей, что способствует ее разрушению под действием аэродинамических сил. Образуются более мелкие капли. Известно, что чем меньше диаметр капли горючего и чем однородней состав горючей смеси, тем эффективнее процесс воспламенения и горения углеводородных топлив и их смесей.

Условие неустойчивого равновесия заряженной капли топлива, движущейся в потоке воздуха при отсутствии внешнего электрического поля, при котором начинается ее разрушение, имеет вид

где ν_отн - относительная скорость воздуха по отношению к скорости заряженной капли; γ_п - поверхностная плотность капли горючего, кг/м².

В результате осуществляют уменьшение поверхностного натяжения заряженных капель модифицированного в однородном электрическом поле углеводородного топлива и одновременно создают интенсивную турбулизацию среды вокруг капель топлива за счет аэрогидродинамических и кулоновских сил отталкивания (электрические заряды капель топлива и обдуваемого воздушного потока одного знака).

Как следствие, исходные капли топлива разбившейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки дробятся на более мелкие одноименно заряженные капли в двухсторонних предварительно закрученных потоках обдуваемого воздуха, что обеспечивает получение мелкодисперсной топливно-воздушной смеси.

Кроме того, заряженная закрученная пленка топлива легче разбивается на капли в потоке воздуха. Последнее обстоятельство приводит к тому, что при необходимости можно уменьшить скорости обдуваемого пленку воздуха для получения требуемых размеров капель топлива.

Поскольку получаемые по предлагаемому способу более мелкие капли имеют электрический заряд одного знака, исключается возможность их слияния в полете. Таким образом обеспечивается не только уменьшение размера капель топлива, но и увеличиваются интенсивность распыливания топлива и равномерность распределения капель топлива в создаваемой топливно-воздушной смеси.

Механизм модификации топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой в переменном однородном электрическом поле состоит в следующем.

Углеводородное топливо (в том числе и авиационное) состоит из ряда компонентов, в частности в его химический состав входит декан. Под воздействием переменного электрического поля и после его воздействия декан может дать три дочерних продукта: тетрагидрометилфуран, метилпентан и изометилпентан, которые также подвергаются деструкции, продуктами которой при сохранении атомарного состава должны быть этилен С₂Н₄ и пропилен С₃Н₆. Продукты с углеродным скелетом С₂-С₆ обладают большей теплотой сгорания, чем исходная молекула декана с углеродным скелетом С₁₀. При деструкции молекулы декана С₁₀Н₂₂ с образованием двух молекул тетрагидрометилфурана С₅Н₁₀ должны образовываться два свободных атома водорода. Свободный водород может возникнуть также при деструкции метилпентана и изометилпентана. Образование свободного водорода и перенос его вместе с жидким топливом в камеру сгорания ускоряет химическую реакцию окисления. Она протекает быстрее и полнее, так как наличие активных центров в виде атомарного водорода в зоне горения уменьшает среднее значение энергии активации. Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.

Механизмом возникновения активных частиц под действием переменного электрического поля является возбуждение колебательных уровней молекул. При возбуждении колебательных уровней С-С и С-Н связи в молекуле не разрываются, но возбужденная молекула становится активной частицей с повышенной реакционной способностью.

При молекулярной модификации углеводородного топлива скорость образования радикалов определяется напряженностью и частотой электрического поля. Напряженность поля определяет концентрацию активных частиц, возникающих при каждом импульсе, а частота определяет скорость генерации активных частиц.

Поскольку углеводородное топливо является многокомпонентной химической средой, содержащей примеси, то его можно рассматривать как слабый полярный диэлектрик.

При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации и процессов возбуждения полем вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива. Максимальному тангенсу угла диэлектрических потерь tgδ будет соответствовать круговая частота переменного напряжения на электродах, обратная времени релаксации возбужденных электрическим полем молекул в топливе. При этом tgδ имеет значения ~10^~3-10^~2 и более.

Результаты экспериментальных исследований содержания декана в обработанном в поперечном переменном электрическом поле топливе при электрическом напряжении на коаксиальных электродах 300 В при перекачке топлива приведены в таблице 1.

Здесь С_тек - текущее содержание декана в предварительно обработанном в переменном электрическом поле топливе; С_дпо - содержание декана в топливе непосредственно после обработки в электрическом топливе при перекачке топлива из заправочной емкости в дополнительную емкость.

Таким образом, экспериментально подтверждено последействие воздействия электрического поля на топливо при приложении к потоку топлива поперечного переменного электрического поля с изменяющейся частотой для достижения максимального тангенса угла диэлектрических потерь tgδ подачей низковольтного переменного напряжения на электроды с изменяющейся частотой

В свою очередь, проведены стендовые испытания влияния низковольтного (до 400 В) переменного напряжения на коаксиальных электродах, между которыми протекает дизельное топливо, на процессы смесеобразования и сгорания в дизельном двигателе. Стендовые испытания двигателей внутреннего сгорания выполнены в аттестованной уполномоченной лаборатории СДС ГСМ-FLM № РОСС. RU.04ХД.ИЛ 001 Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, уполномоченной производить работы по моторным испытаниям топлив, смазочных масел и автохимии. Испытания выполнялись в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Для анализа получаемых эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного кпд, рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров дизельного двигателя, полученных при работе на испытуемом дизельном топливе, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой, относительно эталонного. Усреднение проводилось по 20 режимам нагрузочных характеристик. Результаты испытаний дизельного двигателя приведены в таблицу 2.

Аналогичные испытания были проведены на бензиновом двигателе с впрыском топлива типа ВАЗ-2111. Для анализа полученных эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного кпд, токсичности отдельно по компонентам СО, СН, NOx, рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров двигателя, полученных при работе на испытуемом бензине А-95, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой, относительно эталонного. Усреднение проводилось по 27 режимам нагрузочных и внешней скоростной характеристик.

Результаты расчета показателей качества сгорания топливно-воздушной смеси, замеренных и рассчитанных по итогам испытаний, сведены в таблицу 3.

В таблице 2 и таблице 3 знак «минус» означает снижение соответствующего показателя (в процентах) при воздействии на поток углеводородного топлива, поперечного к потоку переменного электрического поля с изменяющейся частотой по сравнению с исходным необработанным электрическим полем топливом, а знак «плюс» - увеличение показателя.

Таким образом, теоретически и экспериментально подтверждено повышение эффективности распыла углеводородного топлива и, как следствие, увеличение эффективности сгорания топливно-воздушной смеси одновременным созданием в потоке топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой однородного электрического поля и резко неоднородного электрического поля на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха. В резко неоднородном электрическом поле создают униполярный поток ионов и сообщают униполярный заряд того или иного знака как каплям разбивающейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки, так и обдуваемому потоку воздуха. При этом создают в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака.

Изобретение относится к авиастроению, в частности к способам распыла различных видов жидкого углеводородного топлива и подготовки топливно-воздушной смеси перед ее сжиганием, и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных энергетических установках, например в горелках котельных и электростанций. По данному способу повышения эффективности распыла топлива создают в потоке топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой однородное электрическое поле и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха. При этом однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно, а в резко неоднородном электрическом поле создают в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ повышения эффективности распыла топлива путем создания в топливе электрического поля, закрутки топлива в форсунке и обдува закрученным потоком воздуха вытекающей из сопла топливной пленки, отличающийся тем, что создают в потоке топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой однородное электрическое поле и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что создают в резко неоднородном электрическом поле в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что однородное и резко неоднородное электрическое поле создают или/и постоянным, или/и переменным с изменяющейся частотой.

5. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что осуществляют двухсторонний обдув закрученными потоками воздуха разбивающейся на капли вытекающей из сопла закрученной топливной пленки.