Способ активации топлива для двигателя внутреннего сгорания и система активации топлива для двигателя внутреннего сгорания

 

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4