Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности в двигателе внутреннего сгорания

Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности в двигателе внутреннего сгорания

Реферат

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно к горюче-смазочным материалам и присадкам. Каталитически активная поверхность создается на чистых деталях двигателя внутреннего сгорания, расположенных в зоне горения, при этом двигатель должен быть новым, иметь небольшую наработку или должен выполняться по современной конструкции с малым выбросом выхлопных газов. На поверхность камеры сгорания наносится подложка или покрытие, создающее тепловой барьер, с большой удельной площадью и способное сохранять температуру поверхности на уровне не менее 450^oС. В качестве материала подложки или покрытия подходят двуокись циркония, двуокись кремния и мазутная зола. Каталитически активная составляющая, например платина или железо, наносятся в виде дисперсии в объем или на поверхность подложки зоны горения. Для этой цели подходят субмикронные частицы железа из ферроцена или субмикронные частицы платины. Каталитическая активность сохраняется путем непрерывной подачи малых концентраций продукта - предшественника катализатора в топливную смесь. Изобретение обеспечивает создание более качественной надежной и прочной каталитически активной пленки на поверхностях камеры сгорания. 14 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В основном, настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Более конкретно, настоящее изобретение относится к горюче-смазочным материалам и присадкам. Другой аспект настоящего изобретения относится в основном к горению и более конкретно к процессам управления горением, особенно к подаче присадки, модифицирующей пламя. Отдельно описан способ создания и сохранения каталитически активной поверхности на деталях двигателя внутреннего сгорания, расположенных в области горения, включая рабочую поверхность камеры сгорания, контактные поверхности клапанов и днища поршней, с целью повышения полноты сгорания и снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах. В частности, изобретение может применяться для повышения полноты сгорания в так называемых "зеленых" двигателях, например в новых двигателях, в капитально отремонтированных двигателях или в двигателях с небольшой наработкой.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Всемирное стремление уменьшить глобальное потепление и выбросы загрязняющих веществ привело к повышению полноты сгорания, что может рассматриваться как повышение экономичности топлива с уменьшением выброса загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NO_x). Из патента США 3,341,311 известен, например, ферроцен, который используется для повышения полноты сгорания в печах. Необходимо отметить, что использование ферроцена может на 10% повысить экономичность топлива. Однако такие результаты не были однородными, особенно в случае применения двигателей современной конструкции с низким выбросом загрязняющих веществ, как новых, так и с продленным сроком эксплуатации. Такие современные двигатели, т.е. двигатели, выпущенные после 1995 г., разработаны и построены так, что они потребляют меньшее количество смазочного масла. Кроме того, в них используется более чистое топливо с пониженным содержанием ароматических веществ и фосфора. Сочетание всех этих факторов минимизирует отложения в камере сгорания. Несмотря на то, что современные двигатели, работающие на современном топливе, уже обеспечили меньший выброс загрязняющих веществ в сравнении со старыми двигателями, эффективное использование ферроцена позволяет достичь еще больших преимуществ.

Согласно более ранним источникам ферроцен испытывался в дизельных двигателях и показал высокую эффективность как присадка к топливу, применяющаяся для кондиционирования двигателя с целью получения повышенной экономии топлива и снижения выброса выхлопных газов. В патенте США 4,389,220, автор Kracklauer, описан двухступенчатый способ кондиционирования дизельного двигателя, применение которого приводит к снижению выброса загрязняющих веществ и повышает полноту сгорания топлива. В соответствии с этим патентом введение в дизельное топливо изначально высокой концентрации ферроцена, соответствующей концентрации 20-30 частей на миллион, может предотвратить образование сажистых отложений в камерах сгорания и обеспечить образование слоя каталитического оксида железа на поверхностях камеры сгорания. После этого вводится более низкая концентрация ферроцена, соответствующая концентрации 10-15 частей на миллион, которая служит для сохранения покрытия из каталитического оксида железа. Считается нежелательным поддерживать высокую концентрацию ферроцена в дизельном топливе, соответствующую концентрации начального этапа, так как это может привести к нежелательным изменениям процесса сгорания, снижению или полному исключению положительного эффекта от покрытия стенки каталитическим оксидом железа.

Из более ранних источников также известно, что использование ферроцена может дать положительный эффект в бензиновых двигателях, что проявляется в повышении октанового числа обработанного топлива. Таким образом, ферроцен может снижать выброс вредных веществ и понижать расход топлива в автомашинах с бензиновым двигателем. В публикации 900154 авторов Schug K.P., Guttann H. J. , Preuss A.W., Schadlich К. - "Effect of Ferrocene as a Gasoline Additive on Exhaust Emissions and Fuel Consumption of Catalyst Equipped Vehicles" (Влияние ферроцена, используемого в качестве присадки к бензину, на выброс вредных веществ и процесс сгорания топлива в автомобилях, снабженных катализатором), SAE Technical Paper Series, 1990 г., описан способ по патенту США 4,955,331, в соответствии с которым ферроцен вводится в топливо для повышения полноты сгорания и снижения выброса вредных веществ. Недавно эта технология была проверена на новом двигателе с современным топливом. В испытаниях участвовал автомобиль марки "Dodge Intrepid" 1998 года выпуска с пробегом 29500 миль. Средняя эффективность использования топливной смеси 27,7 миль на галлон для трех топливных заправок без ферроцена, что соответствует пробегу более 882 миль. Эффективность использования топлива, обработанного ферроценом, для четырех топливных заправок, что соответствует пробегу 1170 миль, составила 26,4 миль на галлон. Эти результаты, полученные в исследованиях Schug K.P. и др., предполагают, что простое введение ферроцена в топливо не является эффективным способом повышения полноты сгорания топлива в таких современных двигателях на бензине.

В других испытаниях было показано, что ферроцен не в каждом случае приводит к улучшению процесса сгорания, особенно, если речь идет о двигателях современной конструкции. Последние испытания дизельного двигателя серии 60 фирмы Детройт, выпуска 1998 г., в соответствии со способом, описанным в патенте США 4,389,220, проводились после 350 часов приработки. В частности, в испытаниях на токсичность этот двигатель работал в течение 5 часов на топливе с добавкой ферроцена, соответствующей массовой концентрации 125 частей на миллион, которая затем была изменена на концентрацию 25 частей на миллион. Результаты испытаний показали, что при этом не наблюдалось изменений топливной экономичности или концентрации NO_x в выхлопных газах двигателя. Отсюда следует, что простое поэтапное введение ферроцена в топливо в соответствии с патентом США 4,389,220 не привело к улучшению характеристик этого дизельного двигателя современной конструкции.

Другой способ повышения полноты сгорания топлива состоит в использовании каталитического покрытия камер сгорания перед сборкой и началом работы двигателя. В работе авторов Gaffney и др. "Soot Reduction in Diesel Engine: A Chemical Approach" (химический способ снижения образования сажи в дизельном двигателе), наблюдалось снижение выброса твердых частиц на 40% в камере сгорания дизельного двигателя с платиновым покрытием. К сожалению, это каталитическое действие, оказываемое на процесс горения, полностью прекратилось через 50 часов нормальной работы двигателя.

Авторы Siegia и Plee в работе "Heterogeneous Catalysis in the Diesel Combustion Chamber" (гетерогенный катализ в камере сгорания дизельного двигателя) попытались удвоить результат, полученный в работе Gaffney и др., и для этого использовали новый двигатель с платиновым покрытием. Однако не было обнаружено никакой каталитической активности вообще, несмотря на использование того же платинового покрытия. Эта серия экспериментов выявила две из четырех нерешенных проблем с платиновым покрытием: 1) каталитическое действие длится недолго; 2) каталитическое действие не повторяется. Другие две проблемы с платиной состоят в ее высокой стоимости и токсичности содержащих платину выбросов.

Еще одна технология, связанная с использованием ферроцена, описана в патенте США 4,612,880, выданном на имя Brass и др., в котором раскрывается способ контроля за увеличением требуемого октанового числа в двигателях внутреннего сгорания. Этот способ состоит во введении растворяемых в бензине соединений железа, например дициклопентадиенила железа (ферроцен) вместе с карбоновой кислотой или производными эфира в камеру сгорания, порытую оксидом алюминия или циркония с дисперсией катализатора газообразования углеродсодержащих веществ. Однако эта технология, включающая катализ поверхности основного металла, оказалась неэффективной для способа по настоящему изобретению, что показано в испытаниях, рассмотренных в таблице 1, 5b2 настоящего документа. Кроме того, описанные каталитические соединения изготавливаются из мыла или солеобразующих продуктов и используются для получения толстых покрытий, которые приводят к снижению полноты сгорания.

В публикации SAE 910461 описано покрытие, создающее термический барьер, которое повышает полноту сгорания на 1,7%. Однако при использовании такого покрытия, создающего термический барьер, увеличивается выброс NO_x, что недопустимо для современных двигателей, которые проходят жесткий контроль на содержание выхлопных газов.

Желательно обеспечить повышенную полноту сгорания топлива с помощью способа или покрытия, которые были бы эффективными даже для совершенно нового двигателя, или для двигателя с небольшой наработкой в несколько часов, у которого поверхности камеры сгорания еще не покрыты отложениями продуктов сгорания.

К тому же, желательно использовать ранее известные преимущества от применения ферроцена в двигателях современной конструкции, т.е. в двигателях, выпущенных после 1995 г., с малым расходом смазочного масла и приспособленных для использования современных видов топлива с малым содержанием ароматических веществ и фосфора.

К тому же, желательно разработать долговечное или восстанавливаемое покрытие камеры сгорания, которое может сохранять поверхности камеры сгорания при температурах катализа, несмотря на соседство прочного изолирующего слоя на поверхностях камеры сгорания со стороны стенки, омываемой охлаждающей жидкостью.

Для обеспечения повышенной полноты сгорания желательно помимо применения каталитически активной поверхностью камеры сгорания создать еще и устройство или систему для постоянного сохранения поверхности в активном состоянии.

Для достижения обозначенных выше целей и в соответствии с целью настоящего изобретения ниже описан способ по настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Основной целью изобретения является создание более качественной, надежной и прочной каталитически активной пленки на поверхностях камеры сгорания, к которым относятся рабочая поверхность камеры сгорания, контактные поверхности клапанов и днища поршней, что способствует повышению полноты сгорания, даже если двигатель является совсем новым, имеет небольшую наработку, не превышающую несколько часов, конструкция которого предполагает пониженный расход смазочного масла или использование более чистого топлива с пониженным содержанием ароматических веществ и фосфора.

Другой целью изобретения является разработка способа образования или нанесения более качественной, надежной и стойкой каталитически активной пленки на поверхностях камеры сгорания, к которым относятся рабочая поверхность камеры сгорания, контактные поверхности клапанов и днища поршней, что способствует повышению полноты сгорания.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание каталитически активной поверхности и разработка способа образования такой поверхности в камере сгорания, который обеспечивает поддержание температуры в каталитически активной области температур, несмотря на контакт между поверхностями камеры сгорания и поверхностью стенки, омываемой охлаждающей жидкостью.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа нанесения на поверхность камеры сгорания теплоизолирующего покрытия из каталитически активного металла, который активизируется при наличии частиц углерода и окислении топлива при каталитически активных температурах поверхности.

Одной из важных целей является разработка способа и системы подачи поддерживающей дозы продукта-предшественника катализатора в топливную смесь каждого цилиндра таким образом, чтобы каталитическая активность существующего катализатора поддерживалась на постоянном уровне и постоянно восстанавливалась.

Дополнительные цели, преимущества и элементы новизны настоящего изобретения должны быть изложены частично в последующем описании, а частично станут очевидными специалистам после рассмотрения последующего описания или могут быть изучены на практике применения настоящего изобретения. Цель и преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы и достигнуты с помощью таких способов и в таких сочетаниях, которые частично отмечены в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

В соответствии со способом по настоящему изобретению повышенная полнота сгорания достигается в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением топливной смеси в зоне горения двигателя. В соответствии с этим способом на начальном этапе на поверхность двигателя в зоне горения наносится подложка, обладающая высокой тепловой инерцией. Этот начальный этап выполняется одним из двух способов: продукт-предшественник подложки может вводиться в топливную смесь во время работы двигателя; или покрытие, создающее термический барьер, может наноситься на площадь поверхности двигателя в зоне горения перед сборкой двигателя. Параллельно начальному этапу или после него выполняется другая фаза способа, во время которой на подложке создается каталитическая поверхность. Эта каталитическая поверхность является активной при наличии частиц углерода и окислении углеводорода при температурах поверхности не меньше 450^oС. Далее, при устойчивой работе двигателя внутреннего сгорания и после создания каталитической поверхности в топливную смесь постоянно подается поддерживающая доза продукта-предшественника катализатора. Таким образом, в двигателе постоянно сохраняется каталитическая активность.

Настоящий способ может применяться в таких двигателях внутреннего сгорания, как двигатель с воспламенением от сжатия или двигатель с искровым зажиганием. Подложка выполняется из материала с удельной поверхностью от 300 до 500 квадратных метров на грамм, величина которой определяется поглощением азота по методу БЭТ (Метод физической адсорбции при определении удельной поверхности веществ, разработанный Брюнауэром, Эмметом, Теллером (прим. переводчика). "Англо-русскй словарь по химии и переработке нефти", М.: Русская мысль", 1979, с.290). Толщина подложки может быть от 100 до 100000 ангстрем, и предпочтительно, чтобы она выполнялась в виде пленки толщиной менее 0,1 мм. Желательно, чтобы подложка выполнялась на выбор из диоксида циркония, диоксида кремния и мазутной золы.

В соответствии со способом по настоящему изобретению в процессе устойчивой работы двигателя в состав подложки может входить теплоизолирующий состав, обеспечивающий высокую тепловую инерцию каталитической поверхности с целью сохранения ее температуры в пределах каталитически активной области температур. В процессе устойчивой работы двигателя теплоизолирующий состав должен эффективно поддерживать температуру каталитической поверхности на уровне не менее 450^oС.

В соответствии с данным способом каталитическая поверхность может создаваться на выбор из субмикронных частиц железа, субмикронных частиц платины и из их сочетаний. Для создания покрытия из каталитического железа в двигатель во время его работы вводится топливная смесь, содержащая ферроцен соответствующей дозировки. Топливная смесь может содержать ферроцен в пределах от 25 до 120 массовых частей на миллион частей. Этап создания каталитической поверхности может выполняться одновременно с этапом нанесения подложки. Желательно, чтобы продукт-предшественник катализатора вводился в концентрации от 5 до 50 массовых частей на миллион частей топлива. В виде продукта-предшественника катализатора может применяться ферроцен. Ферроцен может вводиться в камеру сгорания с топливом или смазочным маслом или в виде пара на заборе воздуха в двигатель.

На прилагаемых чертежах приводятся примеры осуществления способа по настоящему изобретению.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ На фиг.1 показаны изменения измеренного среднего эффективного давления и измеренного удельного расхода топлива во времени в виде относительных отклонений от среднего значения переменной, которая показывает тенденцию изменений потребления топлива при использовании способа по настоящему изобретению. Слева показаны результаты для алюминиевого поршня, а справа для поршня с покрытием, создающим термический барьер.

На фиг. 2 показаны суммарные тепловыделения в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Показано увеличение скорости тепловыделений на раннем этапе процесса, которые повышают экономию топлива, которое сменяется уменьшением скорости тепловыделений на последующем этапе, что одновременно снижает как выброс аэрозолей, так и NO_x.

НАИЛУЧШИЙ РЕЖИМ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ПО НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ Способ по настоящему изобретению включает сочетание трех элементов, которые создают и сохраняют каталитически активную поверхность на деталях двигателя внутреннего сгорания, расположенных в зоне горения: 1) Стойкое, теплоизолирующее покрытие деталей камеры сгорания для повышения температуры поверхности пленки в зоне горения до области каталитически активных температур, равных примерно 450^oС. Это достигается с помощью либо тонкого (не более 0,1 мм) покрытия из диоксида циркония, либо аэрогельного покрытия из диоксида кремния. Для поддержания температуры в требуемом диапазоне при устойчивой работе двигателя, например при разогреве и во время работы двигателя при температуре, близкой к равновесной, предварительно наносится покрытие из керамики или покрытие, создающее термический барьер.

В другом варианте создается соответствующее покрытие из мазутной золы или присадок из горючих, золообразующих материалов к топливу, например тетраэтилортосиликата. Топливные присадки вводятся в камеру сгорания двигателя либо с топливом, либо с топливной смесью через клапаны, инжекторы или подобные технические устройства. Понятно, что материалы, поступающие в камеру сгорания через поршневые кольца при пропуске ими газа, не являются элементами топливной смеси. Такие материалы относятся к примесям. При обеспечении более плотной посадки поршневых колец в современных двигателях переток через поршневые кольца значительно уменьшается. Настоящее изобретение было вызвано именно такими более плотными посадками колец.

2) Каталитически активная часть, к которой относятся, например, платина или железо, диспергирована в толще, или желательно на поверхности изолирующего покрытия зоны горения, или поступает одновременно с этим покрытием. Субмикронные частицы железа из ферроцена или субмикронные частицы платины могут наносится либо одновременно с нанесением покрытия, либо вслед за ним. Эффективная доза ферроцена для кондиционирования двигателя составляет от 5 до 500 массовых частей на миллион частей топлива.

3) После сборки деталей двигателя с каталитическим покрытием или при нанесении покрытия на двигатель по месту необходимо постоянно обеспечивать содержание продукта-предшественника катализатора на низком уровне так, чтобы можно было сохранять каталитическую активность на постоянном уровне. В одном из примеров содержание продукта-предшественника (ферроцена) в топливе составляет 25 массовых частей на миллион. Поддерживающая доза ферроцена составляет от 5 до 60 массовых частей на миллион. В патентах США 5,235,936 или 5,113,804 рассмотрены различные способы подачи продукта-предшественника. Ферроцен может вводиться в двигатель через воздухозаборник путем его сублимации или выпаривания. Кроме того, ферроцен или другой металл-катализатор могут наноситься путем непрерывной обработки жидкого топлива.

Ферроцен является полезной добавкой для повышения полноты сгорания в двигателях внутреннего сгорания либо с искровым зажиганием, т.е. в бензиновых двигателях, либо с воспламенением от сжатия, т.е. в дизельных двигателях. Для получения улучшенных характеристик необходимо сравнительно продолжительное время. При дорожных испытаниях было обнаружено, что как автомобили с бензиновым двигателем, так и с дизельным двигателем нуждаются в большом количестве топлива, обработанного ферроценом. Для выхода на экономичный режим работы двигателя с экономией топлива 10% в двигателях, работающих в облегченном режиме, требуется израсходовать около 120 галлонов обработанного топлива с концентрацией ферроцена 25 частей на миллион. Для выхода на экономичный режим работы двигателя, работающего в тяжелых условиях, требуется 6000 галлонов обработанного ферроценом топлива.

Результаты этих дорожных испытаний подтверждаются программой исследований малого бензинового двигателя. Кроме того, было показано, что увеличение концентрации ферроцена в 5 раз до 125 частей на миллион приводит к пятикратному снижению количества топлива, необходимого для обеспечения абсолютной полноты сгорания. Тем не менее, при концентрации 125 частей на миллион требуется 24 галлона и не менее 10 часов работы двигателя. В этих же испытаниях было показано, что двадцатикратное увеличение концентрации ферроцена до 500 частей на миллион снижает выигрыш в экономии топлива на 75% по сравнению со стандартной концентрацией. Таким образом, применение этого способа не позволяет получить непосредственное, существенное и надежное улучшение характеристик двигателя, необходимое для сертификации по выбросам и коммерческого использования двигателя.

Для демонстрации влияния на характеристики двухэтапной ферроценовой обработки был использован маломощный, объемом 24 см³, двухтактный бензиновый двигатель водяного насоса. Повторные испытания этого двигателя в контуре циркуляции воды, обеспечивающем подачу воды расходом 6 галлонов в минуту, показали возможность получения повторяемых результатов. Точно так же разборка, очистка поверхности поршня до чистого и отшлифованного состояния, повторная сборка и повторная работа двигателя не меняют расход топлива в условиях немодифицированного и базового состояния. Расход топлива приравнивается к кпд двигателя и является единственной зависимой переменной характеристикой, которая измеряется в этих испытаниях.

Испытания двигателя показали, что применение топлива, обработанного ферроценом, обеспечивает сокращение расхода топлива на 11,3% в течение 60 минут дополнительной работы при концентрации ферроцена 25 частей на миллион частей топлива. Двигатель работал в течение 60 минут при десятикратном увеличении концентрации ферроцена, т.е. применялась концентрация, равная 250 массовых частей на миллион частей топлива, в течение 60 минут с последующим переходом на концентрацию 25 частей на миллион частей топлива для сохранения покрытия.

Последующие испытания проходили при таких же условиях и контроле с эквивалентным уровнем железа в топливе, которое составляло 75 частей на миллион частей топлива в течение 60 минут, с последующей работой при концентрации 7,5 частей железа на миллион частей топлива. В этих испытаниях использовалось железное мыло, которое не является продуктом-предшественником катализатора, применяемым в таких двигателях внутреннего сгорания. В первом испытании сразу же после 60 минут работы с высокой концентрацией применение железного мыла вызвало первое повышение расхода топлива на 7,8%. Этого следовало ожидать, так как большая площадь поверхности с покрытием из некаталитического материала привела к продлению заключительного этапа реакции нормального процесса горения на стенках камеры сгорания с понижением экономичности и повышением расхода топлива на поддержание подачи воды на циркуляцию с расходом 6 галлонов в минуту.

В одном способе осуществления настоящего изобретения поршень, который уже прошел приработку в двигателе, был очищен до алюминия, что является новшеством, и подвержен обработке по золь-гелевой технологии с нанесением содержащего платину кремниевого аэрогелевого покрытия, которое имеет следующие характеристики: A) Большая площадь поверхности, малая удельная плотность кремниевого аэрогелевого покрытия - предпочтительно от 300 до 500 квадратных метров на грамм, величина которой определяется поглощением азота по методу БЭТ.

B) Массовое содержание дисперсии субмикронных частиц платины в покрытии должно составлять от 10% до 20%.

C) Толщина покрытия должна составлять 500 или более ангстрем.

При повторной установке этого очищенного поршня с нанесенным покрытием в двигатель расход топлива сразу же снизился на 5,1%. Следует отметить, что покрытие было нанесено только на внешнюю поверхность поршня, в то время как рабочая поверхность камеры сгорания оставалась без покрытия. Площадь покрытия составляла приблизительно 50% площади поверхности камеры сгорания. Результат был такой же, как и при пост-кондиционировании, т.е. при использовании ферроцена полный каталитический эффект был получен на более раннем этапе. Это подтверждает действенность и необходимость применения первого и второго элементов настоящего изобретения. В соответствии с настоящим изобретением первый элемент обеспечивает создание поверхностного покрытия с высокой тепловой инерцией. Второй элемент обеспечивает каталитическую часть, в виде дисперсии субмикронных частиц в объеме или на поверхности покрытия.

После этого поршень с каталитическим покрытием работал еще 60 минут без введения продукта-предшественника катализатора в топливную смесь. По прошествии этих 60 минут повышенная каталитическим способом эффективность упала на 34%, что подтвердило требование постоянно использовать продукт-предшественник катализатора для сохранения каталитической активности продолжительное время. В противоположность этому предыдущие испытания с использованием ферроцена, в которых в период пост-кондиционирования еще в течение 60 минут в топливо вводился ферроцен массовой концентрацией 25 частей на миллион частей топлива, не показали снижение полноты сгорания. Этот контраст подтверждает необходимость в третьем элементе предлагаемого способа по настоящему изобретению, а именно: постоянное введение продукта-предшественника катализатора в двигатель для сохранения каталитически повышенной полноты сгорания топлива.

Каталитическая обработка внутренней поверхности двигателя внутреннего сгорания может выполняться с использованием традиционных жидкостных химических технологий или по месту путем изменения топливной композиции. Недостатком такого способа является необходимость в высоких температурах и большой тепловой поток в результате полностью развившегося процесса сгорания в двигателе для достижения преимуществ от использования катализатора. Другими известными способами нанесения тонких металлических пленок является химическое осаждение из паровой фазы, газоплазменное напыление или напыление с использованием плазменной струи. Эти процессы могут привести к получению каталитически активной поверхности, которая является аморфной в противоположность плотному или микроскопически однородному покрытию, наносимому по традиционной технологии.

Для повышения полноты сгорания желательно, чтобы покрытие было из тонкой пленки. Адекватная каталитическая активность достигается или повышается у поверхности сложной конфигурации толщиной от 10 ангстрем до приблизительно 500 микрон. Этот тип покрытия может обеспечить адекватную каталитическую активность при температурах ниже 250^oС. Покрытие может выполняться в два этапа, при этом на первом этапе наносится аморфный слой из текстурирующего материала, например из кремниевого аэрогеля, а на него уже наносится покрытие из каталитически активного металла. Эти два этапа могу сочетаться в одностадийном процессе со смешением компонентов подложки и металла. Этот тип покрытия может наноситься на поверхность зоны горения новых двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, эффективное покрытие из материалов подложки и катализатора может наноситься более быстро и с большей степенью надежности, чем покрытие, наносимое в процессе устойчивой работы двигателя, для чего обычно требуется от 10 до 600 часов работы двигателя.

В одном из примеров для получения такой подложки используется диоксид кремния с большой удельной площадью поверхности или шероховатостью. Желательно, чтобы удельная площадь поверхности составляла от 300 до 500 квадратных метров на грамм, величина которой определяется поглощением азота по методу БЭТ. Соответствующая толщина такого покрытия составляет примерно от 100 до 250 ангстрем. В состав такого покрытия из диоксида кремния могут входить металлические элементы.

Такими элементами могут быть железо или платина. Требуемая концентрация металла должна быть 20% для пленки толщиной 100 ангстрем или 10% для пленки толщиной 250 ангстрем.

ПРИМЕР 1 Общие сведения В этом примере приводится протокол испытаний, разработанный для ответа на вопрос, является ли технология обработки ферроценом эффективной для маломощного, двухтактного бензинового двигателя с введением ферроцена вместе со смазкой или с топливом для поддержания эффективной работы двигателя.

Для повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания была выполнена и оценена программа кондиционирования двигателя. Одним из аспектов изобретения является создание поверхностной каталитической активности. Для этой цели был выбран двухтактный бензиновый двигатель. Основанием для этого служили (1) более короткий рабочий цикл двухтактного двигателя, что может оказать благоприятное воздействие ввиду уменьшения замедляющего влияния охлаждения стенки на процесс горения; (2) топливные добавки, применяемые в программе для улучшения качества смазки и уменьшения выбросов аэрозолей.

В программе испытаний использовался двигатель объемом 24 см³, мощностью 1,3 лошадиной силы, применяемый в качестве привода водяного насоса. Насос обеспечивал подачу воды расходом 6 галлонов в минуту и при этом измерялся расход топлива. Для устранения разности в допусках камеры сгорания, поршня и колец приходилось регулировать давление на напоре, при этом отладка во время программы испытаний проводилась пять раз.

В результате проведения программы испытаний были получены следующие результаты: - базовый расход топлива стабилизировался после пятичасового периода приработки; - кондиционирование двигателя с помощью ферроцена может завершаться спустя 60 минут; - кондиционированному двигателю требуется на 30% меньше топлива, чтобы поддерживать подачу воды с расходом 6 галлонов в минуту; - увеличение концентрации ферроцена в четыре раза понизило выигрыш в эффективности на 50%; - замена другого железосодержащего катализатора на ферроцен не привела к существенным изменениям расхода топлива, подаваемого в двигатель, по сравнению с базовым процессом сгорания топлива без обработки катализатором.

В результате кондиционирования двигателя ферроценом на внешней поверхности поршня и головки камеры сгорания образуется каталитическое покрытие. Это каталитическое железосодержащее покрытие изменяет нормальную реакцию охлаждаемой стенки при сгорании и приводит к повышению полноты сгорания или, по крайней мере, ее нейтральной поверхности, что приводит к чистому повышению полноты сгорания.

Другие оценки этой технологии кондиционирования двигателя продемонстрировали ее эффективность как для автомобильных бензиновых двигателей, так и для дизельных. Эффективность (выраженная в %) оказалась близкой для обоих типов оборудования с двигателями разной мощности. Такое сходство результатов как в случае с предварительной подготовкой смеси (для бензинового двигателя), так и с режимом диффузионного горения (дизельный двигатель) оказало поддержку идее о том, что эффективность зависит от наличия поверхностного катализатора. Положительный результат при использовании ферроцена в бензиновом двигателе выражался в повышении октанового числа, снижении на 10% удельного расхода топлива; пониженном содержании в выхлопе НС и СО; уменьшении отложений в камере сгорания и пониженном износе клапанов.

Положительный результат при использовании ферроцена в дизельном двигателе выражался в снижении на 5-10% удельного расхода топлива; увеличении ресурса работы двигателя примерно на 40%; уменьшении отложений в камере сгорания, в канавках поршневых колец и на клапанах, пониженном расходе смазочного масла и пониженном содержании аэрозолей в выхлопе на 40%.

Методика испытаний Первоначальные испытания проводились на двигателях самой малой мощности и, по-видимому, с самым малым кпд и ограничивались исследованиями полноты сгорания при сгорании топлива в режиме постоянной нагрузки. Для испытаний был выбран двигатель водяного насоса марки Diawa GP 25. Объем рабочей камеры составляет 1,5 кубического дюйма (24,1 см³), развиваемая мощность равна 1,3 лошадиной силы при частоте вращения вала 7500 оборотов в минуту и степени сжатия 6,3:1; в двигателе использован поплавковый карбюратор. В состав испытательного стенда входила емкость с водой объемом 55 галлонов, водяной расходомер на напоре, манометр и клапан регулирования напора в зависимости от температуры топлива; при этом измерялись расход воды в линии рециркуляции, воздуха на входе в систему и выхлопного газа двигателя. Насос использовался для обеспечения перекачки воды в емкость при постоянном напоре (31-35 фунтов на квадратный дюйм), постоянном расходе (6 галлонов в минуту). С помощью расходомера постоянно измерялся расход воды, требуемый для поддержания такого режима. Насос работал устойчиво при любой настройки зазоров между поршнем, кольцами и гильзой, но между настройками наблюдались значительные колебания.

В результате двух испытаний показано, что для достижения работы двигателя на устойчивых параметрах потребовалось 5 часов работы, после чего работа двигателя оставалась устойчивой в течение 11 часов (постоянный расход топлива при постоянном расходе воды и давления на напоре). Затем этот экспериментальный стенд использовался для исследований эффективности применения ферроценовой технологии в этом двухтактном бензиновом двигателе.

План испытаний Для определения времени, необходимого двигателю и стенду для выхода на стабильное потребление топлива, было проведено два испытания с необработанным топливом. Первые испытания с ферроценом проводились при пятикратном увеличении концентрации катализатора с целью ускорения процесса кондиционирования двигателя. Эта пятикратная концентрация вводилась в течение 60 минут, затем в конце этого испытания проводились еще три испытания. В четвертом испытании оценивалось влияние двадцатикратного увеличения концентрации, которая поддерживалась в течение 5 минут, на возможность ускорения процесса кондиционирования двигателя. В пятых испытаниях исследовались два разных эффекта. Во-первых, выполнялась многократная операция сборки-разборки одной и той же камеры сгорания, поршня и колец для определения возможности воспроизведения результатов потребления топлива после разборки двигателя. Наконец, применялись различные железосодержащие ка