Способ подготовки топливновоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: машиностроение, конкретно двигателестроение. Может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания. Способ подготовки топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания путем получения окиси углерода и водородсодержащих газов из жидкого топлива и добавления этих газов к топливовоздушной смеси. Новым в способе является получение газов из переобогащенной топливом смеси и термическое разложение топлива на поверхности активатора, нагретого выше температуры самовоспламенения смеси, без использования катализаторов.

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к двигателестроению и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания.

Известны способы подготовки тепловоздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания путем получения водородсодержащего газа из топлива и добавления того газа к топливовоздушной смеси.

Однако реакция разложения жидкого топлива по известным способам протекает в присутствии дорогостоящих катализаторов на платиновой основе при достаточно высокой температуре. В процессе эксплуатации катализаторы периодически необходимо заменять. Присутствие в топливе антидетонационных присадок выводит катализаторы из строя.

Так, в патенте США N 4147142 предлагается производить испарение и нагревание жидкого топлива до 200^оС в теплообменнике за счет тепла выхлопных газов добавления выхлопных газов непосредственно в топливовоздушную смесь. Горячая смесь поступает в камеру с катализатором, в присутствии которого происходит расщепление жидкого топлива с образованием газов.

Использование для этой цели тепла только выхлопных газов двигателя недостаточно и не может привести к эффективному, стабильному протеканию процесса. Поэтому достижение более высокой температуры производят за счет сжигания части топлива, увеличивая его расход.

Способ, рассмотренный в патенте США N 3901197 предусматривает разделение нормальной (по составу) для горения топливовоздушной смеси на два потока. Первый из них, вспомогательный (с меньшим расходом), прожигают, и он горит открытым пламенем, проходя через теплообменник. Второй, основной, пропускают по своим каналам в теплообменнике, нагревая их, и затем смешивают с горящими газами первого потока. Нагретую таким образом смесь подают в каталитическую камеру с катализатором, а затем в двигатель.

Использование в этом способе открытого пламени для сжигания части топлива и топливовоздушной смеси, способной гореть, не только малоэффективно, но и опасно. Опасность распространения пламени и пожара возрастает при неравномерной работе двигателя и его перебоях, так как скорость распространения пламени в топливовоздушной смеси может быть больше скорости движения потока самой смеси.

При сжигании обогащенная смесь не может сгореть без остатка и поэтому содержит несгоревшие углеводороды типа C_nH_n+2, которые в виде сажи (копоти) и кокса отлагаются в порах катализатора. Катализатор выходит из строя.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, рассмотренный в патенте ФРГ N 3607007, предусматривающий формирование двух потоков топливовоздушной смеси, один из которых переобогащают ниже предела воспламенения, подвергают нагреву отработанными газами с получением окиси углерода и водородсодержащих газов и перед подачей в цилиндры смешивают со вторым потоком.

Способ предусматривает использование выхлопных газов с температурой 750^оС и нагрев обрабатываемого потока смеси до температуры 400-800^оС в теплообменнике (реакторе). В реактор поступает смесь топлива, воздуха и выхлопных газов. Предполагается, что в результате реакции окисления топлива температура повысится. Однако реакция разложения топлива идет с поглощением тепла и при температуре, превышающей температуру воспламенения смеси (> 850^оС), достижение которой патентом ФРГ N 3607007 не предусматривается.

Поэтому рассмотренный способ малоэффективен.

Предлагаемое изобретение обладает более высокими эффективностью, экономичностью и безопасностью получения водородсодержащих газов для двигателя внутреннего сгорания.

Предлагаемый способ заключается в том, что формируют два потока топливовоздушной смеси, один из которых переобогащают ниже предела воспламенения, подвергают нагреву отработанными газами с получением окиси углерода и водородсодержащих газов и перед подачей в цилиндры двигателя смешивают со вторым потоком, отличается тем, что переобогащенный поток топливовоздушной смеси перед смешиванием со вторым потоком дополнительно нагревают, пропуская через активатор, нагретый выше температуры воспламенения смеси, производят в приграничном слое последнего термический крекинг топлива путем многократного соприкосновения его с поверхностью активатора.

В изобретении не используются открытое (факельное) пламя и катализаторы.

Дополнительное повышение эффективности и экономичности двигателя получается путем введения в обрабатываемую топливовоздушную смесь в качестве добавок выхлопных газов, воды, низкооктанового топлива.

Термическому разложению могут подвергаться как высокооктановое, так и низкооктановое топливо.

Способ основан на использовании неспособности воспламеняться переробогащенной топливом смеси с коэффициентом избытка воздуха < 0,4 (нормальная топливо-воздушная смесь имеет коэфф. избытка 0,8-1,1); частичного окисления молекул углеводородной части топлива при соприкосновении ее с поверхностью активатора, нагретой выше температуры воспламенения смеси (t = 850-1100^оС); наиболее полного разложения топлива при многократно повторяющихся взаимодействия х его молекул с активатором.

Частицы смеси при попадании на активатор неоднократно соприкасаются с раскаленной поверхностью при недостатке окислителя, что ведет к повторяющемуся процессу частичного окисления молекул органического топлива (С₈H₁₈). Молекула начинает распадаться. Отделившиеся молекулы С и Н соединяются с кислородом - идет реакция частичного окисления.

C₈H₁₈ + nO₂ = nС_n H_{n + 2} + nCO + nCO₂ + nH Исходная молекула переходит в более легкое строение и выделяется СО, СО₂ и Н₂. Происходит реакция разложения с поглощением тепла.

В процессе термического разложения могут участвовать выхлопные газы и вода.

Если в подготавливаемую топливовоздушную смесь добавлять часть выхлопных газов, содержащих СО₂, то будет также протекать реакция разложения СО₂: СО₂ + С = СО + СО.

Одновременно происходит и разложение воды: Н₂О + С = СО + Н₂.

Вода может содержаться не только в отработанных газах, но и вноситься специально в топливовоздушную смесь. В результате утилизируется дополнительное количество СО и Н₂.

После обработки активатором в подготовленной смеси будут содержаться нефтяные газы: СH₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀ - продукты разложения, а также СО, Н₂, СО₂ и неиспользованная часть компонентов выхлопных газов (в случае добавки в смесь выхлопных газов до обработки активатором). Таким образом, обрабатываемое топливо переходит в более легкое фазовое газообразное состояние.

Весь поток обработанной активатором смеси добавляется к основному потоку обедненной топливовоздушной смеси и в таком виде подается в цилиндры двигателя внутреннего сгорания.

Окись углерода и водород как топливо для двигателей внутреннего сгорания обладают высокими антидетонационными свойствами (большое октановое число). Это позволяет обеднить смесь, т. е. повысить коэффициент избытка воздуха до 1,3-1,6 и тем самым сжечь более полно все подаваемое в двигатель топливо.

Соотношение обработанного и необработанного активатором топлива выбирается в зависимости от типа топлива, добавок и т. п.

Применение данного способа для двигателей транспортных средств позволяет: повысить экономичность двигателя за счет прямой экономии топлива и использования более дешевого топлива; в десятки раз уменьшить содержание СО в выхлопных газах и снизить содержание окислов азота; использовать топливо с более низким октановым числом; увеличить степень сжатия, избегая детонации, в связи с более высокой скоростью горения получаемой смеси и содержанием высокооктановых газов; снизить потери тепла через стенки цилиндров и увеличить КПД двигателя; использовать топливо без антидетонаторов; уменьшить количество вредных веществ в выхлопных газах; снизить температурный режим двигателя; увеличить ресурс цилиндро-поршневой группы за счет уменьшения количества жидкого топлива, смывающего смазку со стенок цилиндров.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа показала, что при обработке 18-20% топлива, поступающего в двигатель, экономится около 18% топлива, а содержание СО в выхлопных газах уменьшается в десятки раз (с 1,5-2,0% до 0,2-0,15% для двигателя типа ВАЗ автомобиля "Жигули"). (56) Патент ФРГ N 3607007, кл. F 02 M 27/02, опублик. 1987 г.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, заключающийся в том, что формируют два потока топливовоздушной смеси, один из которых переобогащают ниже предела воспламенения, подвергают нагреву отработанными газами с получением окиси углерода и водородсодержащих газов и перед подачей в цилиндры двигателя смешивают со вторым потоком, отличающийся тем, что переобогащенный поток топливовоздушной смеси перед смешением с вторым потоком дополнительно нагревают, пропуская через активатор, нагретый выше температуры воспламенения смеси, производят в приграничном слое последнего термический крекинг топлива путем многократного соприкосновения его с поверхностью активатора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в переобогащенный поток топливовоздушной смеси перед дополнительным нагревом добавляют выхлопные газы, или воду, или низкооктановое топливо, или их смеси.