Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива

Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к авиастроению, машиностроению, судостроению, в частности к способам и устройствам для обработки различных видов жидкого углеводородного топлива перед его сжиганием и может найти применение в системах питания турбореактивных, газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, в двигателях Стирлинга, а также в иных энергетических установках, например в горелках котельных и электростанций и других.

Известны различные способы повышения эффективности сгорания углеводородного топлива путем его обработки перед сжиганием.

По одному из них в дизельном двигателе внутреннего сгорания дизельное топливо дополнительно подвергают вторичной обработке электрическим полем в камере, в которой испарившийся пар диссоциирует на водород и кислород, поступающие в цилиндры в смеси с топливом и улучшающие процесс его горения [патент РФ №2011881, МПК F02M 27/04, БИ №8, 1994]. Недостатками известного способа являются невысокое качество обработки, многооперационность и конструктивная сложность устройств, его реализующих.

Известен способ электрической обработки жидкого топлива, по которому на электроды, размещенные в корпусе, подают высокое напряжение порядка 20-25 кВ и поток топлива под действием электрического поля разделяют на два разноименных заряженных потока, положительный поток подают на смешение с воздухом, а отрицательный выводят в бак [патент РФ №2032107, МПК F02M 27/04, БИ №9, 1995]. Недостатками известного способа являются большие энергозатраты, использование высокого напряжения, а также конструктивная сложность устройств, его реализующих.

Известен способ повышения эффективности сгорания топлива путем обработки жидких и/или газообразных сред, по которому в полости обработки создается резко неоднородное в пространстве электрическое поле с использованием высоковольтного источника напряжения и, дополнительно, посредством введения постоянных магнитов с чередующейся полярностью создают неоднородное в пространстве постоянное магнитное поле, воздействие которого усиливается применяемым магнитным экраном [патент РФ №2093699, МПК F02M 27/04, БИ №29, 1997]. Недостатками известного способа являются недостаточная эффективность, использование высокого напряжения и сложность конструкции устройств, его реализующих.

Известен способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что топливо и окислитель предварительно обрабатывают в сильном электрическом поле с напряженностью, большей или равной 1 кВ/см (10⁵ В/м) (с напряжением на электродах до 30000 В), воспламеняют подаваемую в камеру сгорания топливовоздушную смесь и воздействуют на нее сильным электрическим полем [патент РФ №2126094, МПК F02M 27/04, опубл. 20.09.1999 г.]. Недостатками известного способа являются использование высокого напряжения для создания сильных электрических полей, а также конструктивная и технологическая сложность, требующая существенных конструктивных изменений в существующих топливных системах транспортных средств.

Известен способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива [патент РФ №2469205, МПК F02M 27/04], по которому уменьшают размеры капель топлива при его распылении из форсунки путем создания в потоке топлива перед форсункой между электродами типа «сетка-сетка» продольного к потоку топлива постоянного электрического поля с высокой напряженностью 800-1500 В/мм ((8-15) 10⁵ В/м) и с временем воздействия электрического поля на топливо 5-15 с. Далее по данному способу получают топливовоздушную смесь и обеспечивают ее горение. При этом на электроды подают постоянное высоковольтное напряжение. В качестве топлива в прототипе применяли при экспериментах дизельное топливо и бензин, смешанный с 20% этилового спирта.

Недостатком данного способа повышения эффективности сгорания углеводородного топлива является то, что он предусматривает использование очень сильных электрических полей, высоковольтного напряжения, требует высокой очистки топлива для исключения засорений сеток-электродов, сложность конструкции устройств, его реализующих, и затратность.

Наиболее близким к заявляемому материалу и принятым в качестве прототипа является техническое решение для обработки топлива в двигателе внутреннего сгорания (заявка США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г.), по которому ионизируют (по мнению авторов) топливо в однородном электрическом поле приложением электрического напряжения 12-2000 В к коаксиальным электродам с относительно большим диаметром внутреннего электрода с частотой 0,5-6,0 кГц.

Однако заявленную авторами операцию «ионизация топлива» (см. пп. 0013, 0014 в заявке США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г.) в однородном поле при таких конструктивных решениях (см. рисунок в заявке США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г.) и указанных выше напряжениях реализовать невозможно, так как из физических соображений создание ионов в углеводородном топливе требует создания резко неоднородного электрического поля и на несколько порядков больших напряженностей электрического поля, чем это возможно в противопоставленной заявке (см., например, монографию: Нагорный B.C. Электрофлюидные преобразователи. Изд-во «Судостроение», Л.: 1987 г., стр. 26, 11 строка сверху, стр. 56-58). Таким образом, это обусловливает юридическую ничтожность прототипа как способа (заявка США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г. выдана на устройство).

В свою очередь, принципиально невозможно на указанной в заявке США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г. частоте напряжения на коаксиальных электродах 0,5-6,0 кГц реализовать предложенную операцию в настоящей заявке на выдачу патента, когда выбирают частоту переменного однородного электрического поля, при которой тангенс угла диэлектрических потерь в топливе будет максимальным (см. п. 1 формулы изобретения настоящей заявки). Данная частота будет существенно большей частоты, указанной в прототипе заявке.

Таким образом, в заявке США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г невозможно реализовать задачи и операции, как декларированные авторами данной заявки США, так и сформулированные в заявленном способе повышения эффективности сгорания углеводородного топлива.

К недостаткам известного способа (см. заявку США 20110114065 А1 от 19.05.2011 г.) также относится его низкая эффективность применительно к сгоранию топлива, так как он принципиально не позволяет (в дополнение к указанному выше) выбрать оптимизированные параметры электрического напряжения на электродах применительно к конкретному виду топлива.

Для увеличения эффективности сгорания углеводородных топлив необходимо прежде всего обоснованно выбрать соответствующую частоту переменного низковольтного напряжения при выбранном (заданном) напряжении на электродах. Причем этот выбор должен базироваться на возможности измерения существующими приборами таких физических величин, которые наиболее достоверно характеризуют процессы, происходящие в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение параметров каплеобразования на выходе топливной форсунки, получение мелкодисперсной топливовоздушной смеси, интенсификация процессов горения топливовоздушной смеси, что приведет к более полному ее сгоранию и к снижению уровня токсичности выходных продуктов горения, повышению экономичности потребления топлива при обеспечении требуемой мощности двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что изменяют частоту переменного низковольтного (10-600 В) напряжения на электродах, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ в углеродном топливе и выбирают частоту переменного электрического поля, при которой tgδ и диэлектрические потери в углеводородном топливе будут максимальны. При этом обрабатывают углеводородное топливо однородным электрическим полем перед его подачей в форсунку, которое (поле) создают в топливе поперечно к направлению потока топлива.

В основу предлагаемого способа положены следующие физико-химические явления. Углеводородное топливо состоит из ряда компонентов, в частности, в его химический состав входит декан. Имеющиеся в литературе результаты исследований показывают, что после воздействия на декан слабого переменного электрического поля концентрация декана уменьшается почти вдвое, а через сутки после прекращения действия поля - еще почти вдвое. Под воздействием переменного электрического поля и после его воздействия декан может дать три дочерних продукта: тетрагидрометилфуран, метилпентан и изометилпентан, которые под воздействием на них переменного электрического поля также подвергаются деструкции, продуктами которой при сохранении атомарного состава должны быть этилен С₂Н₄ и пропилен С₃Н₆. Продукты с углеродным скелетом С₂-С₆, обладают большей теплотой сгорания, чем исходная молекула декана с углеродным скелетом С₁₀. При деструкции молекулы декана С₁₀Н₂₂ с образованием двух молекул тетрагидрометилфурана С₅Н₁₀ должны образовываться два свободных атома водорода. Свободный водород может возникнуть также при деструкции метилпентана и изометилпентана. Образование свободного водорода и перенос его вместе с жидким топливом в камеру сгорания ускоряет химическую реакцию окисления. Она протекает быстрее и полнее, так как наличие активных центров в виде атомарного водорода в зоне горения уменьшает среднее значение энергии активации. Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.

На фигуре схематически показана «потенциальная яма» С-С связи в молекуле углеводорода. Как известно, энергетические уровни в «потенциальной яме» квантуются. Механизмом возникновения активных частиц под действием переменного электрического поля является возбуждение колебательных уровней молекул. При возбуждении колебательных уровней С-С и С-Н связи в молекуле не разрываются, но возбужденная молекула становится активной частицей с повышенной реакционной способностью и длительным (исчисляемым часами) временем существования в возбужденном состоянии. Такое время существования активной частицы может объяснить длительность деструкции молекул декана после прекращения действия электрического поля.

Для молекулярной модификации углеводородных топлив не требуется значительная мощность переменного электрического поля. Электрическое поле участвует в деструкции и возбуждении различных маятниковых и валентных колебательных уровней у относительно небольшого числа молекул, превращая их в активные частицы, которые, вступая в химические реакции с исходными молекулами топлива, могут подвергать их деструкции. По мере увеличения энергии переменного электрического поля могут быть последовательно возбуждены вращательные и колебательные уровни. При этом для каждого следующего перехода электрона на вышераспложенный колебательный энергетический уровень требуется относительно небольшая энергия. Таким образом, молекула переходит из стабильного состояния с временем жизни t=∞ в метастабильное состояние и становится активной частицей, способной к самостоятельному размножению за счет химических реакций с исходными молекулами топлива.

При этом находит объяснение кратковременность существования эффекта от воздействия на углеводороды постоянного электрического поля, что имеет место в известных способах повышения эффективности сгорания углеводородных топлив. Это объясняется резонансным характером поглощения энергии молекулами. Поэтому неизменная энергия постоянного поля имеет меньшую вероятность возбуждения у молекул колебательных уровней.

Энергия переменного поля, увеличиваясь дважды за период, непрерывно проходит все значения от нуля до максимума, в том числе и резонансные значения энергии возбуждения колебательных уровней. Под воздействием постоянного электрического поля возбуждаются в основном только вращательные уровни молекул. Поэтому продолжительность эффекта увеличения теплоты сгорания топлива, подвергнутого обработке постоянным электрическим полем, составляет не более 1,5 часов, в то время как воздействие переменного сказывается в течение многих часов после прекращения его действия.

Итак, в результате деструкции молекул топлива под действием слабых переменных электрических полей возникают химические радикалы (активные частицы цепных химических реакций), обладающие большой реакционной способностью. Радикалы, взаимодействуя с молекулами, находящимися в основном состоянии, подвергают их деструкции, усиливая действие переменного электрического поля. Таким образом, для деструкции молекул топлива уже не требуется участия электрического поля, поскольку она обеспечивается цепными химическими реакциями молекул топлива с активными частицами. В свою очередь, возбуждение у молекул маятниковых и валентных колебаний переводит их в длительное метастабильное состояние. В этом состоянии молекулы также становятся активными частицами цепных химических реакций окисления с разветвлением цепей. При сгорании топлива энергия, затрачиваемая на дезинтеграцию возбужденных и подвергшихся деструкции молекул, меньше энергии, затрачиваемой на дезинтеграцию молекул в основном состоянии. Поэтому доля тепловой энергии реакции окисления топлива, превращенной в полезную работу, увеличивается. Таким образом, теплота сгорания углеводородного топлива повышается.

Чем больше концентрация молекул топлива, с которым взаимодействует переменное электрическое поле, тем большая частота поля требуется для эффективной деструкции его молекул. При уменьшении массы молекул для увеличения или поддержания постоянным этого отношения необходимо увеличить частоту генератора электрического поля, которая определяет скорость генерации активных частиц. При молекулярной модификации углеводородного топлива скорость образования радикалов определяется напряженностью и частотой электрического поля. Напряженность поля определяет концентрацию активных частиц, возникающих при каждом импульсе, а частота определяет скорость генерации активных частиц.

Для увеличения эффективности сгорания углеводородных топлив необходимо прежде всего обоснованно выбрать соответствующую частоту переменного низковольтного напряжения при выбранном (заданном) напряжении на электродах. Причем этот выбор должен базироваться на возможности измерения существующими приборами таких физических величин, которые наиболее достоверно характеризуют процессы, происходящие в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля. Такой физической величиной являются диэлектрические потери в топливе при приложении к нему переменного электрического поля, характеризующие возбуждение полем вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива. Они характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь в углеводородном топливе tgδ. Здесь δ - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи, образованной источником напряжения и электродами модификатора с размещенным между ними углеводородным топливом. Величина tgδ является важной измеряемой характеристикой диэлектриков вообще и углеводородных топлив в частности. Чем больше tgδ, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектрические потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tgδ имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03.

Поскольку углеводородное топливо является многокомпонентной химической средой, содержащей примеси, то его можно рассматривать как слабый полярный диэлектрик.

При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации и процессов возбуждения полем вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива.

Величина активной мощности Р, рассеиваемой в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля, равна P=U²ωCtgδ, где U - электрическое напряжение на электродах, между которыми находится углеводородное топливо; С - электрическая емкость конденсатора, образованного электродами с находящимся между ними топливом; ω=2πƒ - круговая частота приложенного к электродам переменного напряжения с частотой ƒ в герцах. Следовательно, величина рассеиваемой мощности (диэлектрические потери) зависит от квадрата приложенного напряжения, его частоты, емкости и tgδ топлива. Емкость С, в свою очередь, зависит от конструктивного исполнения электродной системы модификатора топлива и диэлектрической проницаемости ε углеводородного топлива, а диэлектрическая проницаемость ε и tgδ зависят от типа углеводородного топлива (его химического состава и структуры).

При этом диэлектрические потери, вызванные дипольно-релаксационными потерями и релаксационными потерями при возбуждении вращательных и колебательных энергетических уровней молекул в топливе в переменных электрических полях, характеризуются наличием четкого максимума на частотной зависимости tgδ, определяемого временем релаксации τ. Максимальное значение tgδ в топливе при реализации предложенного способа соответствует такому соотношению между периодом приложенного к топливу переменного напряжения и временем релаксации τ, при котором наблюдается наибольшая затрата энергии на преодоления диполями топлива сопротивления вязкого трения. В этом случае эффективность воздействия электрического поля на топливо будет максимальной. При этом положению максимума tgδ, обусловленного дипольно-релаксационными потерями и релаксационными потерями при возбуждении вращательных и колебательных энергетических уровней молекул, на кривых зависимости tgδ от частоты будет соответствовать круговая частота переменного напряжения на электродах, обратная времени релаксации τ, то есть ω=1/τ. Последнее не противоречит известному теоретическому положению применительно к изоляционным материалам (см., например, учебное пособие для ВУЗов [Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 223, формула (4.47)]. При этом tgδ имеет значения ~10^~3-10^~2 и более.

В предлагаемом способе повышения эффективности сгорания углеводородного топлива при его реализации осуществляют следующие операции:

- изменяют частоту переменного низковольтного напряжения на электродах;

- выбирают частоту создаваемого в топливе поперечного к потоку топлива однородного электрического поля, при которой диэлектрические потери в углеводородном топливе будут максимальны;

- измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ в углеродном топливе и выбирают частоту переменного электрического поля, при которой tgδ будет максимальным;

- обрабатывают углеводородное топливо переменным электрическим полем перед его подачей в форсунку путем изменения низковольтного переменного напряжения на электродах, между которыми находится топливо, с частотой, соответствующей максимальному tgδ.

Характерные особенности и преимущества перед прототипом предлагаемого способа

В прототипе используется ошибочная заявленная базовая операция, а именно - «ионизация топлива», которую принципиально невозможно реализовать в однородном поле при указанных в прототипе конструктивных и электрических параметрах. Это обусловливает юридическую ничтожность прототипа как способа.

В предлагаемом способе повышения эффективности сгорания углеводородного топлива используются операции, которые наиболее достоверно характеризуют физические процессы, происходящие в углеводородном топливе при приложении к нему переменного электрического поля. Такой физической величиной, неоднократно подтвержденной практикой, являются диэлектрические потери в топливе при приложении к нему переменного электрического поля (см., например, учебное пособие для ВУЗов. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 222-225).

В предлагаемом способе информативным параметром оптимальности процессов сгорания углеводородного топлива является параметр, который можно измерить существующими приборами, а именно - максимальный для выбранного (заданного) вида углеродного топлива тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Известно, что диэлектрические потери в диэлектрике (например, в изоляционных материалах) можно оценить тангенсом угла диэлектрических потерь в диэлектрике tgδ (см., например, учебное пособие для ВУЗов. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 222-225). Таким образом, в предложенном способе повышения эффективности сгорания углеводородного топлива используется известный научный результат, подтвержденный практикой (например, в изоляторах - см., например, Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, стр. 222-225), по которому диэлектрические потери в диэлектрике оцениваются по величине тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. Средства и приемы измерения тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в настоящее время разработаны и серийно выпускаются соответствующие приборы (см, например, Девкин Ф.М. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь в лабораториях серии ЛВИ HVT. Практическое пособие. Холдинговая компания «ЭМЗ». Ярославль. 2008. - 100 с.). Причем tgδ может быть измерен с высокой точностью различными приборами, в том числе с использованием персональных компьютеров (см, например, Девкин Ф.М. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь в лабораториях серии ЛВИ HVT. Практическое пособие. Холдинговая компания «ЭМЗ». Ярославль. 2008. С. 57, С. 81-83).

Данная величина tgδ соответствует определенной частоте напряжения на электродах, что дает возможность выбрать оптимальную частоту напряжения на электродах, равную максимальному значению tgδ. Это принципиально невозможно реализовать в известных способах, в том числе и в прототипе.

Пример 1. Проведены стендовые испытания влияния низковольтного (до 400 В) переменного напряжения на коаксиальных электродах, между которыми протекает дизельное топливо, на процессы смесеобразования и сгорания в дизельном двигателе. Стендовые испытания двигателей внутреннего сгорания выполнены в аттестованной уполномоченной лаборатории СДС ГСМ-FLM №РОСС. RU. 04ХД.ИЛ 001 Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, уполномоченной производить работы по моторным испытаниям топлив, смазочных масел и автохимии. Испытания выполнялись в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Для анализа получаемых эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного к.п.д., рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров дизельного двигателя, полученных при работе на испытуемом дизельном топливе, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой относительно эталонного. Усреднение проводилось по 20 режимам нагрузочных характеристик. Результаты испытаний дизельного двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1
Усредненные эффекты (%) при пропускании дизельного топлива между коаксиальными электродами, на которые подавалось низковольтное переменное напряжение (до 400 В) с изменяющейся частотой, до его подачи в камеру сгорания дизельного двигателя
	Усредненные эффекты, % относительно базы
Расход топлива	Эффективный к.п.д.	CO	CH	NOx	Дым
С низковольтным переменным напряжением на коаксиальных электродах с изменяющейся частотой	-6,2	+6,2	-5,4	-6,8	+5,3	-24,0

Пример 2. Аналогичные испытания были проведены на бензиновом двигателе с впрыском топлива типа ВАЗ-2111. Для анализа полученных эффектов были введены промежуточные баллы мощности, экономичности, эффективного к.п.д., токсичности отдельно по компонентам СО, СН, NOx, рассчитываемые как усредненные проценты отклонения параметров двигателя, полученных при работе на испытуемом бензине А-95, прошедшем обработку между электродами с подачей на них переменного низковольтного напряжения с изменяющейся частотой относительно эталонного.

Усреднение проводилось по 27 режимам нагрузочных и внешней скоростной характеристик.

Таблица 2
Усредненные эффекты (%) при пропускании бензина АИ-95 между коаксиальными электродами, на которые подавалось низковольтное переменное напряжение (до 400 В) с изменяющейся частотой, до его подачи на форсунку во впрысковом двигателе ВА3-2111
	Усредненные эффекты, % относительно базы
Расход топлива	Эффективный к.п.д.	CO	CH	NOx
С низковольтным переменным напряжением на коаксиальных электродах с изменяющейся частотой	-6,6	+5,8	-3,3	-11,5	+4,2

Результаты расчета показателей качества сгорания топливовоздушной смеси, замеренных и рассчитанных по итогам испытаний, сведены в таблицу 2.

В таблице 1 и таблице 2 знак «минус» означает снижение соответствующего показателя (в процентах) при воздействии на поток углеводородного топлива поперечного к потоку переменного электрического поля с изменяющейся частотой по сравнению с исходным необработанным электрическим полем топливом, а знак «плюс» - увеличение показателя.

Таким образом, экспериментально подтверждено увеличение эффективности сгорания углеводородного топлива при приложении к потоку топлива поперечного переменного электрического поля с изменяющейся частотой для достижения максимального тангенса угла диэлектрических потерь tgδ подачей низковольтного переменного напряжения на электроды с изменяющейся частотой.

1. Способ повышения эффективности сгорания углеводородного топлива путем создания в углеводородном топливе однородного переменного электрического поля приложением электрического напряжения к электродам, распыления топлива в форсунке и горения топливновоздушной смеси, отличающийся тем, что изменяют частоту переменного низковольтного напряжения на электродах, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ в углеродном топливе и выбирают частоту переменного электрического поля, при которой tgδ и диэлектрические потери в углеводородном топливе будут максимальны.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что однородное электрическое поле создают в топливе поперечно к направлению потока топлива.

3. Способ по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что обрабатывают углеводородное топливо электрическим полем перед его подачей в форсунку.