Способ облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК F02N17/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а именно к способам облегчения запуска последних.

Известен способ облегчения запуска двигателя 1 путем подачи в двигатель смеси эфира с жидким спиртом. Эфир в этом способе получают разложением части спирта в электроподогреваемом пусковом реакторе. Недостатком этого способа является то, что вследствие большой массы катализатора увеличивается время и энергозатраты для разогрева реактора.

Известен способ облегчения запуска двигателя 2 с помощью пусковой жидкости на основе эфира, распыляемом во впускном трубопроводе. К недостаткам этого способа

следует отнести то, что элементы системы топливоподачи находятся под давлением, из-за чего снижается безопасность эксплуатации. Кроме того, распыление пусковой жидкости происходит во впускной трубопровод, что понижает температуру пусковой заряда, а это отрицательно влияет на пусковые характеристики двигателя.

Известен способ облегчения запуска двигателя 3, принятый за прототип, в котором часть метанола, поступающего в двигатель, преобразуется в диметиловый эфир, который смешивается с зарядом, поступает в цилиндр двигателя, где воспламеняется. Энергозатраты на электроподогрев реактора велики, так как необходимо разогреть всю массу катализатора. При работе двигаVvj VI О- CJ

СО

теля на бензометанольной смеси активность катализатора уменьшается за счет его отравления. Для преобразования метанола в эфир необходима большая теплопередаю- щая поверхность, что увеличивает габариты и массу реактора.

Целью изобретения является расширение ресурсов пусковых жидкостей и снижение энергозатрат при пуске двигателя.

Для достижения указанной цели пусковую жидкость получают смешиванием спиртового раствора метилацетата щелочного металла и жидкого галогенпроизводного метана, поступающих из отдельных капсул, с проведением экзотермической реакции. При этом выделяется газообразный димети- ловый эфир и жидкие продукты реакции, причем спиртовый растворитель и жидкие продукты реакции направляют во впускной коллектор после запуска двигателя во время его прогрева. В качестве растворителя используется метанол, а в качестве галогенпроизводного метана - йодистый метил.

Спиртовый растворитель и продукты реакции во впускном коллекторе подогревают, дегидратируют с использованием катализатора и активируют ультрафиолетовым излучением. В качестве катализатора используют оксид алюминия или смесь оксидов алюминия, меди и цинка.

На фиг. 1 приведено устройство для реализации предложенного способа, содержащее капсулы 1 и 2, смеситель 3, электромагнитный клапан 4, впускной коллектор 5, на котором крепится устройство, а также подогреватель коллектора 6, источник ультрафиолетового излучения 7, установленный после воздушного фильтра 8 двигателя и блок питания 9.

На фиг. 2 приведен вариант выполнения смесительной камеры, содержащий сердечник электромагнита с коническим клапаном 10, кулису 11, тягу 12 с шиберной заслонкой 13, каналы 14 и 15, жиклеры 16.

На фиг. 3 приведен вариант выполнения смесительном камеры, в случае соединения канала 15 для слива жидких реагентов с поплавковой камерой карбюратора 17.

В качестве компонентов пускового топлива в предложенном способе применяются спиртовый раствор метилата щелочного металла (например, раствор метилата натрия в метиловом спирте) и жидкое галоген- производное метана (например, йодистый метил) Последний, например, реагирует с метилатом натрия, образуя диметиловый эфир:

,:

СНз-0-. Na ьЗ ,-СНз-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

+ СНз - О - СНз(1)

А Нреакции A H°Na3 +

+ ЛН°(СНДОИ ДН°СН,ЭГ +

+ А Н°сн3ома (-287,9) + (-185.3) - - К-8,4) + (-238,57) -226,23 кДж/моль.

Этот расчет подтверждает, что реакция экзотермична. Поэтому в предлагаемом способе будет происходить подогрев заряда и испарение жидких компонентов пускового топлива за счет теплоты реакции, в отличие от способов в которых применяется диэтиловый эфир, у которого АНисп 26,6 кДж/моль и tKun. 35,6° С 4.

Один из компонентов пускового топлива - галоген производные углеводородов, свойства которых приведены в табл. 1,

Из таблицы видно, что в жидкой фазе при н. у. находятся СНзЗ, C2HsJ, C2HsBr. Бромистый этил имеет tio/m 38,4°C, йодистый этил соответственно Икип 72,2°С, а йодистый метил 1кип. 42,5°С. Последний наиболее подходит с точки зрения температуры кипения и получения целевого продукта - диметилового эфира, поэтому в предлагаемом способе выбран СНзЗ.

Метилат натрия представляет собой вещество, хорошо растворимое в спиртах, так же, как и полученный в результате реакции NaD, Поэтому в качестве основного растворителя принят метанол. Однако в целях экономии средств на рафинирование метанола допускается наличие в нем этанола и высших спиртов в пределах, допустимых при производстве метанола, например, 70 мас.% СНзОН, 1,5 мас.% CaHsOH; 2 мас.% СзНуОН; 10 мас.% С4НэОН; 0,5 мас,% CsHnOH; 10 мас,% СеЖзОН и C Hi5OH; 6 мас.% СвЖуОН. Совместный синтез метанола и высших спиртов позволяет снизить стоимость производства, Состав спирта находится в следующих пределах, мас.%: СНзОН 65...85; C2HsOH 1,5...2,0; СзНуОН 2...3; C-iHgOH 10...20; CsHnOH 0...1; СеЖзОН 5...10; CeHiyOH 0...5.

Общий вид реакции алкоголята металла с галогенпроизводными метана можно представить следующим уравнением:

R- ОМе + R X - R - О - R + MeX, яон

где Me - металл из ряда Li, Na, К, 1/2Mg, 1/3AI;

X - галоген из ряда CI, Вг, Л;

ROH - растворитель (спирт, эфир, ди- оксан и др.).

В качестве одного из компонентов принят в предлагаемом способе метилат натрия, что обусловлено меньшей опасностью проведения синтеза метилата натрия, связанной с более низкой активностью Na по сравнению с К. Активность же Li, Mg, Al недостаточна для проведения реакции получения алкоголята.

Наиболее активным из всех галогени- дов является R 3 5, поэтому он применяется в предлагаемом способе.

Целевым продуктом реакции является диметиловый эфир, однако благодаря наличию в растворителе других спиртов (этилового и высших) возможно образование незначительных количеств жидкого диэти- лового эфира. Возможно также образование метилэтилового эфира (C2Hs - О - СНз). Жидким продуктом реакции является также спиртовый раствор йодистого натрия. Газообразные продукты подаются во впускной коллектор при пуске, а жидкие продукты подаются после запуска двигателя.

Дегидратировать метиловый спирт можно с применением катализаторов из фторированной окиси алюминия (у AI + 0,3%F). в прототипе при t 350°C. В предлагаемом способе спиртовый раствор йодистого натрия и жидкий диэтиловый эфир из смесителя подаются на ребристую поверхность покрытую катализатором из оксида AI или смеси оксидов алюминия, меди и цинка и подогреваемую электрическим элементом. Применение смеси окислов предпочтительно, так как на них дегидратируют как метиловый, этиловый, так и высшие спирты со снижением рабочей температуры катализатора. Например:

2C2H50H- C2Hg-0-C2H5+ H20 (2)

Так как количество жидких продуктов реакции невелико, то и затраты энергии на подогрев ниже, чем в прототипе. Поскольку диэтиловый эфир, образовавшийся в смесителе как один из побочных продуктов реакции и на ребристой поверхности впускного коллектора как продукт дегидратации, имеет низкую температуру воспламенения, он дополнительно активируется УФ-облучением с образованием перекиси оксиэтила:

ноч/н

0-С-СН3

о-с-сн3 но н

№

Перекись очень неустойчива и легко воспламеняется, что способствует возникновению цепной реакции окисления топлива 6. Остаток жидких продуктов реакции или балла- стные компоненты растворителя в виде высших спиртов под воздействием УФ-из- лучения расщепляются на низкомолекулярные ПРОДУКТЫ - Н2. СО, С02, Н20, СН4, С2Н4,

С2Н2 и др.. т. е. подвергаются предварительной фотофрагментации 7.

Йодистый натрий, после пуска двигателя, в растворенном виде попадает во впускной коллектер. Температура кипения NaJ равна 1304°С, поэтому, попадая в камеру

сгорания, он испаряется, а под действием энергии реакции сгорания топлива (метанола) он атомизируется:

Na3 - Na + J

(4)

20

Атомы Na взаимодействуют с кислородом заряда или кислородом топлива (в метаноле 02 до 50 мае. %):

25

4Na+O2- 2Na20

(5)

Возможно взаимодействием Na с радикалами гидроксила с образованием гидроксида натрия. Натрий может замещать атом водорода в несгоревших молекулах метилового спирта. Следует заметить, что известен способ экономии топливной смеси 8, в котором в бензин добавляют хлористый магний, причем последний в камере сгорания переходит в окись магния.

Атомы 3 могут присоединиться к молекулам ненасыщенных углеводородов по месту разрыва двойных или тройных связей:

СНо + 3 - СН;ЈГ+ Н

23 + СН s CH

СН СН

1 i о У

(6)

(7)

45 Йодид натрия может также взаимодействовать с водой, присутствующей в продуктах сгорания метилового спирта:

NaJ+ H20 NaOH+ НЗ

(8)

50

Образующийся в результате этой реакции НЗ взаимодействует с ацетиленом:

НЗ +

(9)

Из приведенных выше реакций (4) - (9) можно видеть, что продукты реакции получения диметилового эфира из жидких компонентов в виде NaJ, попадая в камеру сгорания

двигателя, включаются в цепь окислительных реакций и уносятся из цилиндра с отработавшими газами. Свойства эфиров в сравнении с другими пусковыми жидкостями приведены в табл. 2.

Из таблицы следует, что наиболее эффективным как пусковые компоненты ДМЭ и ДЭЗ, причем последний необходимо испарять перед подачей в двигатель, Поэтому теплота реакции в предлагаемом способе расходуется также на испарение жидких компонентов как растворителя, так и продуктов реакции,

Таким образом, способ осуществляется следующим образом,

Спиртовый раствор метила га натрия из капсулы 1 и жидкий йодистый метил из капсулы 2 подают в смеситель 3 путем открытия клапана электромагнитом при включении стартера. В результате смешения в смесителе 3 между компонентами протекает химическая реакция с образованием диметилового эфира. Из смесителя 3 эфир под действием разрежения поступает во впускной коллектор, а затем в камеру сгорания двигателя. Двигатель запускается на легковоспламеняемом диметиловом эфире. После запуска и выключения стартера реле времени отключает электромагнит и каналы подвода пусковых компонентов перекрываются клапаном, а жидкие продукты реакции из смесителя 3 поступают самотеком на обогреваемую подогревателем 6 и облучаемую УФ источником 7 поверхность, где они дегидратируются до простых эфиров и активируются с образованием пероксидов. Электрический подогреватель 6 и блок питания 9 источника УФ-излучения 7 (например, безэлектродная высокочастотная лампа) питаются-от аккумулятора или от бортового генератора. Электрический подогрев впускного коллектора организуется лишь для дегидратации спирта, использованного в качестве растворителя метилаце- тата натрия. Причем он включается после отключения стартера, т. е. аккумулятор не разряжается. После прогрева двигателя подогрев и источник УФ-излучения отключаются. Образующийся при реакции NaJ окисляется в цилиндре и выводится с отработавшими газами двигателя.

Устройство для реализации способа, изображенное на фиг. 2 и 3, работает следующим образом. При подаче напряжения на стартер открывается электромагнитный клапан 4, втягивая сердечник 10, связанный с кулисой. Кулиса 11 приводит в движение тягу 12 и запирает шиберной заслонкой 13 канал 15. Жидкие компоненты топлив их капсул 1 и 2 поступают через жиклеры 16 в

смесительную камеру 3. В смесителе 3 происходит химическая реакция с выделением тепла. Газообразные продукты (диметило- вый эфир) поступают по каналу 14 во впускной коллектор двигателя, под действием разрежения в коллекторе, при прокручивании двигателя стартером. После запуска отключается питание стартера и через реле времени отключается электромагнитный

клапан 4. Сердечник электромагнита с коническим клапаном 10 запирает канал подачи жидких компонентов пускового топлива в смеситель 3. Одновременно движение сердечника передается через кулису 11 при помощи тяги 12 шиберной заслонке 13. Последняя открывается и жидкие продукты реакции и непрореагировавшие компоненты (спирты - растворители) подаются на подогреваемую поверхность впускного

коллектора, где остатки спирта дегратиру- ются на катализаторе. Образуемый эфир об- рабатывается УФ-излучением для получения пероксидов. Время открытия электроклапана 4 определяется требуемой

величиной пускового топлива в зависимости от температуры окружающего воздуха.

На фиг. 3 дан пример выполнения смесительной камеры. Принцип работы устройства тот же, что и на фиг. 2, отличие состоит

в том, что диметиловый эфир подается во впускной коллектор 5 с помощью дополнительного шланга, присоединяемого к штуцеру канала 14. Жидкие продукты реакции в этом случае по каналу 15 попадают в поплавковую камеру карбюратора 17, где смешиваются с основным топливом. Этот вариант особенно приемлем при работе двигателя на спиртовых топливах, которые являются хорошими растворителями жидких реагентов. Кроме того, в этом случае отпадает надобность в электроподогреве впускного коллектора, так как запуск осуществляется на диметиловом эфире, без дегидратации жидких реагентов.

Известно, что для одного пуска двигателя необходимо до 2 мл легковоспламеняющейся жидкости на 1 л рабочего объема двигателя при температуре окружающей среды - . Пусть за 1 цикл распылива- ется в смесителе 6,23 мл CHsJ и 6,84 мл 50%-ного раствора СНзОМа в СНзОН. При этом образуется 2,24 л (4,6 г) диметилового эфира и выделится 22,6 кДж тепла. Этого тепла вполне достаточно для испарения

5 0,117 моль СНзОН(АНис. 38,45 кДж/моль для СНзОН). Такого количества диметилового эфира вполне достаточно для пуска двигателя с рабочим объемом iVh 2,4 л (двигатель ЗМЗ-24, автомобиля ГАЗ24). Для 10 пусков понадобится объем

0

СНзЗ 62,3 мл, СНзОМа 68,4 мл. Следовательно, объем капсул для хранения пусковых компонентов не будет превышать объемов, существующих для аналогичных целей.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что позволяет повысить температуру заряда на впуске; снизить энергозатраты на получение диметилового эфира, расширить диапазон применяемых пусковых топлив.

Формула изобретения

1.Способ облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания путем подачи во впускной коллектор двигателя пусковой легковоспламеняющейся жидкости на основе диметилового эфира, смешивания эфира с зарядом, поступающим в цилиндр двигателя, и его воспламенения, отличающий- с я тем, что, с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат, пусковую жидкость получают сме- шиванием спиртового раствора метилата щелочного металла и жидкого галогенпроизводного метана, поступающих из отдельных капсул, с проведением экзотермической реакции, выделением газообразного диметилового эфира и получе- нием жидких продуктов реакции, причем спиртовой растворитель и жидкие продукты реакции направляют во впускной коллектор после запуска двигателя во время его прогрева.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют метанол с примесью этанола и высших спиртов в пределах, мас.%: СНзОН 65- 85%; С2Н5ОН 1,5-2,0%; СзНтОН - 2-3%; С4Н90Н 10-20%; СвНпОН 0-1%; СеН1зОН - 5-10%, СвНпОН 0-0,5%.

5

0

5

0

5

g

5

0

3. Способ по пп. 1и2, отличающийся тем, что в качестве метилата металла используют метилат натрия (СНз-0-Na), а в качестве галогенпроизводного метана - йодистый метил (СНз - 3).

4.Способ по пп. 1-3, отличающий- с я тем, что спиртовой растворитель и продукты реакции во впускном коллекторе подогревают, дегидратируют с использр- ванием катализатора и активируют ультрафиолетовым излучением.

5.Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют оксид алюминия или смесь оксидов алюминия, меди и цинка,

6.Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник пусковой легковоспламеняющейся жидкости на основе диметилового эфира, соединенный через запорный орган с впускным коллектором двигателя, отличающееся тем, что, с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат, оно снабжено смесительной камерой, размещенной между впускным коллектором и источником пусковой жидкости, выполненным в виде отдельных капсул, заполненных спиртовым раствором метилата щелочного металла и жидким галогенпро- изводным метана и подключенных через запорный орган к смесительной камере, связанной с впускным коллектором при пр- мощи по меньшей мере двух каналов, один из которых расположен в верхней части смесительной камеры, а другой - в ее нижней части и снабжен шиберной заслонкой.

7.Устройство по п, 6, отличающее- с я тем. что запорный орган выполнен в виде электромагнитного клапана, а шиберная заслонка снабжена приводом от электромагнитного клапана, выполненным в виде тяги и кулисы.

Сущность изобретения: с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат при пуске пусковую жидкость получают смешиванием спиртового раствора щелочного металла и жидкого галогенопроизводного метана, поступающих из отдельных капсул. При смешении протекает экзотермическая реакция с выделением газообразного диметилового эфира, который используется для облегчения запуска двигателя. Непрореагировавшие продукты химической реакции подвергаются дегидратации на подогреваемой поверхности с нанесенным катализатором, а также активируются ультрафиолетовым излучением. Устройство для реализации способа содержит смесительную камеру и механизм распределения компонентов пусковой жидкости, В качестве растворителя реагентов применяется метанол с примесью этанола и высших спиртов. 2 с. п. и 5 з. п. ф-лы, 3 ил. 2 табл. Ё

Тэблицэ t

Свойства компонентов пусковых топлив

Примечание. - в закрытом сосуде - в воздухе

Pue.i

11

7

. Фиг. 2.

Таблица 2

в

ft

3 73 5

Фиг.З