СПОСОБ ОЧИСТКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ОТ УГЛЕРОДИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Российский патент 2025 года по МПК F02B77/04 

Настоящее изобретение относится к техническому обслуживанию двигателей внутреннего сгорания транспортных средств различного назначения, в частности, к способам аппаратной очистки двигателей внутреннего сгорания от углеродистых отложений [F02B 77/04].

Из уровня техники известны способы очистки двигателей внутреннего сгорания от углеродистых отложений, которые можно разделить на механические, химические и аппаратные.

Механическую очистку осуществляют посредством ручных инструментов, которыми в ручном режиме снимают слой отложений с деталей двигателя внутреннего сгорания после его разбора. Недостатками данной группы способов являются низкая эффективность, необходимость высокой квалификации персонала, высокие финансовые затраты и длительность проведения процедуры.

При химическом способе очистки в масло либо через специальное отверстие под свечу зажигания в бензиновом двигателе либо топливные форсунки в цилиндр в дизельном двигателе вводят специальные составы, содержащие растворители углеродистых отложений. При этом упомянутые специальные составы могут разрушить резиновые уплотнители, вызвать коррозию металлов, из которых выполнены детали двигателей внутреннего сгорания.

Группа аппаратных способов очистки двигателей внутреннего сгорания от углеродистых отложений содержит этапы, на которых посредством установки производят водородно-кислородную смесь методом электролиза и подают ее по системе забора воздуха в работающий двигатель внутреннего сгорания. Указанная группа способов является предпочтительной, так как не требует разбора двигателя внутреннего сгорания и обеспечивает низкие временные и финансовые затраты.

Так, из уровня техники известно относящееся к аппаратной очистке двигателей внутреннего сгорания УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ [RU2756721C2, опубл. 04.10.2021], раскрывающее установку для очистки силовой установки, содержащую двигатель внутреннего сгорания и систему циркуляции газов. Двигатель содержит несколько впускных отверстий, выполненных с возможностью приема горючих продуктов, и выпускное отверстие для газов. Система циркуляции газов содержит несколько труб и несколько подвижных частей, расположенных вместе для подачи подходящей газовой смеси в одно из впускных отверстий двигателя. Несколько подвижных частей содержат по меньшей мере одну подвижную часть. Очистная установка содержит устройство впрыска, приспособленное для осуществления последовательности действий по очистке силовой установки путем впрыска очищающей текучей среды в одно из впускных отверстий двигателя. Установка содержит средства диагностики, приспособленные для определения уровня загрязнения указанной силовой установки в зависимости от уровня дефектности по меньшей мере одной из подвижных частей. Установка содержит средства управления, приспособленные для предоставления на устройство впрыска параметров очистки для осуществления последовательности действий по очистке. Параметры очистки зависят от уровня загрязнения силовой установки.

Недостатком аналога является низкая эффективность очистки двигателя внутреннего сгорания, так как посредством известной установки очищают камеру сгорания и поршень, а также выпускной тракт благодаря образовавшемуся перегретому пару, но при этом не очищают детали впускного тракта.

Наиболее близкой по технической сущности является СИСТЕМА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАГАРА ИЗ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ [RU2704370C1, опубл. 28.10.2019], причем известная система содержит средства впрыска, выполненные с возможностью впрыска промывочного текучего вещества по впуску для подсоса топливной смеси в работающий двигатель, при этом система отличается тем, что также содержит средства управления, выполненные с возможностью управления открыванием и закрыванием клапана рециркуляции выхлопных газов (EGR) двигателя в соответствии с параметрами впрыскиваемого промывочного текучего вещества.

Основной технической проблемой прототипа также является низкая эффективность очистки двигателя внутреннего сгорания за счет невозможности очистки деталей впускного тракта.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения - повышение эффективности очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений, характеризующийся подачей водородно-кислородной смеси в систему забора воздуха работающего двигателя внутреннего сгорания с последующим смешением водородно-кислородной смеси с топливовоздушной смесью и поступлением упомянутой смеси в камеру сгорания, причем водородно-кислородную смесь производят посредством автономной установки путем электролиза воды, отличающийся размещением в резервуаре автономной установки чистящего раствора перед проведением очистки двигателя внутреннего сгорания, вспениванием упомянутого чистящего раствора посредством размещенного в автономной установке насоса, смешением вспененного чистящего раствора с образовавшейся в результате электролиза водородно-кислородной смесью перед подачей во впускной тракт и подачей во впускной тракт вместе с газовой смесью вспененного чистящего раствора, причем чистящий раствор представляет собой водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество, комплексообразователь, выполненный с возможностью повышения эффективности анионного поверхностно-активного вещества и снижения отложения натрия на деталях двигателя внутреннего сгорания, и присадку для снижения коррозии деталей двигателя.

В частности, электролиз воды в упомянутой автономной установке проводят в присутствии щелочи.

В частности, в качестве анионного поверхностно-активного вещества используют лауретсульфат натрия.

В частности, в качестве комплексообразователя в указанном чистящем растворе используют натрий цитрат дигидрат.

В частности, в качестве присадки для снижения коррозии деталей двигателя в указанном чистящем растворе используют натрий бензоат.

Осуществление изобретения.

Ниже описан способ очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Сущность заявленного способа очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений заключается в подаче водородно-кислородной смеси вместе с чистящим раствором в систему забора воздуха работающего двигателя внутреннего сгорания, причем упомянутую водородно-кислородную смесь производят посредством автономной установки путем электролиза воды.

В неограничивающем варианте осуществления изобретения электролиз воды в упомянутой автономной установке проводят в присутствии щелочи для обеспечения снижения сопротивления электролита и увеличения эффективности образования газовой смеси на каждый Ватт затраченной энергии. Также в неограничивающем варианте осуществления изобретения для электролиза используют дистиллированную воду.

Образовавшаяся в результате электролиза водородно-кислородная смесь представляет собой смесь, содержащую преимущественно 1/3 кислорода и 2/3 водорода.

Проходя пo впускному тракту, указанная смесь смешивается с топливовоздушной смесью и поступает в камеру сгорания. В результате воспламенения полученной смеси запускается процесс каталитического горения с повышенными температурами и образованием перегретого пара. Повышение температуры горения топливовоздушной смеси запускает процесс пиролиза, который позволяет разложить углеродистые соединения до оксидов и газообразных углеводородов. Воздействие водородно-кислородной смеси далее рассмотрено комплексно с учетом химической активности водорода, особенно в процессе горения, и эффекта диффузии в углеродистые отложения.

Химическая активность водорода проявляется в его восстановительной способности. При сгорании водород вступает в реакции с нагарами, лаками и шламами, вызывая изменение химических соединений и их молекулярной структуры при высокой температуре и давлении. Протекание реакции водородно-кислородной смеси с углеродистыми отложениями отображено в следующих уравнениях:

Описанные выше реакции зависят от условий среды, в частности от наличия высокой температуры и давления. Taк, при взаимодействии водорода с углеродистыми отложениями при каталитическом горении образовывается метан, который в дальнейшем сгорает вместе с бензином. Также с углеродосодержащими отложениями вступает в реакцию перегретый пар, который растворяет их до водорода и угарного газа.

При выходе прореагировавших компонентов из камеры сгорания и падении давления реакция продолжается под действием высокой температуры. При этом угарный газ также взаимодействует с водяным паром, водородом и кислородом и окисляется до углекислого газа. Оксид азота II при реакции с кислородом преобразовывается в оксид азота IV, а при взаимодействии с водородом - в чистый азот.

За счет малого размера молекулы водорода проникают в пористые структуры углеродистых отложений и реагируют с ними в глубине. При сгорании водорода внутри пор углеродистых отложений и в результате роста температуры и давления происходит выкрашивание нагара и его разложение в каталитическом горении.

При движении по выпускному тракту продолжается процесс пиролиза углеродистых отложений в выпускном коллекторе, корпусе турбинной части компрессора, клапане ЕГР и каталитическом нейтрализаторе или сажевом фильтре. При этом происходит дальнейшая реакция перегретого пара, полученного в результате горения водородно-кислородной смеси в камере сгорания, которые выражены в уравнениях 1, 4 с образованием угарного и

углекислого газа. Повышение температуры выхлопных газов, вызванное сгоранием водородно-кислородной смеси, запускает в каталитическом нейтрализаторе или сажевом фильтре процесс регенерации, при котором несгоревшие частицы углеродистых отложений окисляются (сгорают) и удаляются из системы.

Для решения технической проблемы, связанной с невозможностью очищения деталей впускного тракта, при реализации заявленного в соответствии с настоящим изобретением способа очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений используют чистящий раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество (ПАВ), комплексообразователь и присадку для снижения коррозии деталей двигателя.

В частности, в качестве анионного ПАВ в указанном чистящем растворе используют лауретсульфат натрия.

Комплексообразователь в указанном растворе повышает эффективность анионного ПАВ и снижает отложение натрия на деталях двигателя внутреннего сгорания.

В частности, в качестве комплексообразователя в указанном чистящем растворе используют натрий цитрат дигидрат.

В частности, в качестве присадки для снижения коррозии деталей двигателя в указанном чистящем растворе используют натрий бензоат.

В частности, в качестве основы в указанном чистящем растворе используют дистиллированную воду.

В частности, указанный чистящий раствор содержит натрий цитрат дигидрат, натрий бензоат и лауретсульфат натрия в количествах 1,5, 2,5 и 12,5 г соответственно на 1000 мл дистиллированной воды.

Указанный чистящий раствор перед проведением очистки двигателя внутреннего сгорания размещают в резервуаре упомянутой выше автономной установки и вспенивают посредством насоса, размещенного в автономной установке.

После вспенивания чистящий раствор смешивают с образовавшейся в результате электролиза водородно-кислородной смесью и подают во впускной тракт вместе с газовой смесью вспененный чистящий раствор.

При этом образовавшаяся пена за счет моющих средств растворяет углеродистые отложения во впускном тракте, которые образовались в результате поступления через систему рециркуляции отработавших газов и вентиляцию картера. Данный тип отложений имеет маслянистую структуру с мелкими частицами сажи и обычно скапливается на дроссельной заслонке, насосном колесе турбокомпрессора и впускном коллекторе. Анионное ПАВ за счет своей способности растворять масляные пленки взаимодействует с углеродистыми отложениями и удаляет их с поверхностей деталей.

За счет содержания в пузырьках образовавшейся пены водородно-кислородной смеси происходит ее сгорание в цилиндрах двигателя. В цилиндрах двигателя во время процесса удаления углеродистых отложений также происходит отделение частиц с поверхности деталей с высокой скоростью за счет повышения температуры горения, что в свою очередь повышает эффективность аппаратной очистки. Непрореагировавшие остатки ПАВ поступают из цилиндра двигателя в выпускной коллектор и далее по ходу движения реагируют с углеродистыми отложениями в клапане ЕГР, турбинном колесе компрессора, каталитическом нейтрализаторе или сажевом фильтре.

Соединение анионного ПАВ с перегретым паром повышает его моющие способности и позволяет чистить выхлопную систему после каталитического нейтрализатора или сажевого фильтра, где температура реакции снижается, перегретый пар переходит точку росы и выпадает конденсатом.

Таким образом, применение чистящего раствора позволяет очистить насосное колесо турбокомпрессора, дроссельную заслонку и впускной коллектор от углеродистых отложений, которые поступают вместе с газами из системы вентиляции картера или клапана ЕГР.

Технический результат изобретения - повышение эффективности очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений - достигается за счет размещения в резервуаре автономной установки чистящего раствора перед проведением очистки двигателя внутреннего сгорания, вспенивания упомянутого чистящего раствора посредством размещенного в автономной установке насоса, смешения вспененного чистящего раствора с образовавшейся в результате электролиза водородно-кислородной смесью перед подачей во впускной тракт и подачи во впускной тракт вместе с газовой смесью вспененного чистящего раствора, причем чистящий раствор представляет собой водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество, комплексообразователь, выполненный с возможностью повышения эффективности анионного поверхностно-активного вещества и снижения отложения натрия на деталях двигателя внутреннего сгорания, и присадку для снижения коррозии деталей двигателя.

Примеры реализации способа очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений.

Пример 1.

В октябре 2022 года на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) были произведены пилотные испытания способа очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений. Проводили очистку парка техники, состоящего из одного тепловоза ТЭМ 18, одного карьерного самосвала БелАЗ и семи грузовых машин различных марок (KAMA3, MA3, SCANIA, IVECO).

Во время испытаний производились замеры токсичности выхлопа с помощью приборов газоанализатора Vario Plus Industrial «Железнодорожная комплектация» №061445 и дымомера МЕТА-О1МП 0.43T №150 по следующим показателям:

- концентрация NO, NOx, CO, СН в миллионной доле (ppm);

- концентрация СО₂, О₂, дымность N в %;

- коэффициент избытка воздуха λ.

В таблице показаны результаты измерений до и после пилотных испытаний.

Марка NO NOx CO СО₂ СН N О₂ λ Тепловоз ТЭМ 18 193/95 203/100 94/57 0,6/0,5 3,4/0 5,7/3,8 19,72/20,21 17,05/27,58 Камаз 133/109 104/114 628/166 1,67/1,1 0/0 4,57/2,87 18,61/19,29 8,93/12,57 Камаз 359/347 371/365 259/229 1,37/1,3 0/0 4,6/2,77 18,99/18,17 10,67/9,99 МАЗ 97/93 102/100 92/89 1,2/1,1 0/0 3,67/2,17 19,35/19,46 13,01/14,03 МАЗ 166/152 174/159 174/126 1,2/1,1 0/0 5,1/3,47 19,27/19,18 11,57/12,37 БелАЗ 180/104 189/110 473/304 1,4/0,9 0/0 5,7/3,53 18,56/19,54 8,74/14,72 SCANIA 518/310 544/326 55/18 1,6/0,8 0/0 3,53/2,6 18,63/19,82 9,02/18,41 SCANIA 806/311 846/326 233/44 2,57/0,87 0/0 5,57/3,97 17,2/19,64 5,57/15,94 IVECO 345/21 363/22 411/93 1,6/0,2 0/0 4,97/2,67 18,56/19,24 8,74/12,02 Результат: снижение до 62% до 62% до 77% до 66% до 99% до 46% до 15% до 65%

Пример 2.

В декабре 2023 года на ПАО Северсталь были произведены пилотные испытания способа очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений с целью определения дальнейшего применения технологии водородной раскоксовки. Осуществляли очистку парка техники, состоящего из одного тепловоза ТГМ 6, двух грузовых самосвалов КАМАЗ и легковых автомобилей Chevrolet Niva, Skoda Octavia.

Во время испытаний производились замеры дымности выхлопа с помощью дымомера ABГ-1Д. Также были произведены замеры расхода топлива после проведенной процедуры очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений.

Марка Дымность, % Результат Расход топлива Результат Тепловоз ТГМ-6 10,3/9,27 Снижение до 10% 400 л/сут / 372 л/сут Снижение до 86% Камаз 6520 2,18/1,13 Снижение до 48% 39 л/100 км / 36 л/100 км Снижение до 69% Камаз 6520 2,67/1,4 Снижение до 47% 41 л/100 км / 37 л/100 км Снижение до 56% Chevrolet Niva - - 14 л/100 км / 12,5 л/100 км Снижение до 69% Skoda Octavia - - 13,5 л/100 км / 12,5 л/100 км Снижение до 56%

Изобретение может быть использовано при техническом обслуживании двигателей внутреннего сгорания. Способ очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений заключается в подаче водородно-кислородной смеси в систему забора воздуха работающего двигателя внутреннего сгорания с последующим смешением водородно-кислородной смеси с топливовоздушной смесью и поступлением смеси в камеру сгорания. Водородно-кислородную смесь производят посредством автономной установки путем электролиза воды. В резервуаре автономной установки размещают чистящий раствор перед проведением очистки двигателя внутреннего сгорания. Вспенивают чистящий раствор посредством размещенного в автономной установке насоса. Смешивают вспененный чистящий раствор с образовавшейся в результате электролиза водородно-кислородной смесью перед подачей во впускной тракт двигателя. Осуществляют подачу во впускной тракт вместе с газовой смесью вспененного чистящего раствора. Чистящий раствор представляет собой водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество, комплексообразователь, выполненный с возможностью повышения эффективности анионного поверхностно-активного вещества и снижения отложения натрия на деталях двигателя внутреннего сгорания, и присадку для снижения коррозии деталей двигателя. Технический результат заключается в улучшении очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений.4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ очистки двигателя внутреннего сгорания от углеродистых отложений, характеризующийся подачей водородно-кислородной смеси в систему забора воздуха работающего двигателя внутреннего сгорания с последующим смешением водородно-кислородной смеси с топливовоздушной смесью и поступлением упомянутой смеси в камеру сгорания, причем водородно-кислородную смесь производят посредством автономной установки путем электролиза воды, отличающийся размещением в резервуаре автономной установки чистящего раствора перед проведением очистки двигателя внутреннего сгорания, вспениванием упомянутого чистящего раствора посредством размещенного в автономной установке насоса, смешением вспененного чистящего раствора с образовавшейся в результате электролиза водородно-кислородной смесью перед подачей во впускной тракт и подачей во впускной тракт вместе с газовой смесью вспененного чистящего раствора, причем чистящий раствор представляет собой водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество, комплексообразователь, выполненный с возможностью повышения эффективности анионного поверхностно-активного вещества и снижения отложения натрия на деталях двигателя внутреннего сгорания, и присадку для снижения коррозии деталей двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электролиз воды в упомянутой автономной установке проводят в присутствии щелочи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве анионного поверхностно-активного вещества используют лауретсульфат натрия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве комплексообразователя в указанном чистящем растворе используют натрий цитрат дигидрат.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве присадки для снижения коррозии деталей двигателя в указанном чистящем растворе используют натрий бензоат.