способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания на основе термохимической обработки топлива, заключающийся в том, что часть топлива разгоняют на паровую и жидкую фракции, подвергают термохимической обработке в нагреваемом объеме, смешивают с воздухом и подают во входной коллектор, отличающийся тем, что часть топлива разгоняют в сообщающейся с атмосферой испарительной камере на паровую и жидкую фракции, смесь испаренного топлива с воздухом подают из нее в объем, содержащий нагреваемую каталитически активную поверхность, температуру которой поддерживают на уровне, необходимом для эффективного проведения реакций неполного окисления, химический состав смеси, время пребывания и коэффициент избытка воздуха в нагреваемом объеме задают при этом соотношением расходов, меняя гидравлические сопротивления на входе и выходе испарительной камеры и на выходе нагреваемого объема, продукты химических превращений дополнительно разбавляют воздухом и подают во входной коллектор двигателя, а жидкую фракцию смешивают с топливом на входе в двигатель.

2. Устройство подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания, содержащее испарительную камеру, нагреваемый реактор, воздушный смеситель и вспомогательные элементы подачи, отличающееся тем, что испарительная камера снабжена нагревателем, устройством подачи топлива, регулятором расхода жидкости, газоотделительной камерой и регулятором расхода воздуха, реактор выполнен с системой электрообогрева каталитически активной поверхности теплоподвода, камера соединена с реактором, выход которого через регулятор и воздушный смеситель соединен с входным коллектором двигателя, смеситель сообщается с атмосферой через регулятор и фильтр, испарительная камера через газоотделительную камеру, а также через устройство подачи топлива соединена с топливной магистралью двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к автодвигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе.

Известен ряд принципов организации работы двигателей внутреннего сгорания, основанных на том, что часть топлива подвергается специальной обработке.

Так, например, в двигателе внутреннего сгорания формируют два потока топливно-воздушной смеси, один из которых, переобогащенный ниже предела воспламенения, нагревают отработанными газами, затем пропускают через активатор, где перегревают с проведением термического крекинга на развитой поверхности активатора, а затем смешивают со вторым потоком горючей смеси и подают в цилиндр двигателя. В переобогащенный поток перед дополнительным нагревом могут быть поданы продукты сгорания. При такой обработке образуются водородосодержащие газы и окись углерода (RU, A3 2008492, 1994г., F 02 M 13/08).

Известен способ приготовления горючей смеси для двигателя внутреннего сгорания и газификатор для его осуществления. Топливо в газификатор подают, дискретно распыливая его на нагретую отходящими газами или иным теплоносителем поверхность, в частности, температуру теплоносителя устанавливают в диапазоне 75 - 435^oC и в газификатор подают воздух с коэффициентом избытка 0,1 - 0,375 (RU, A3 2008491, 1994г., F 02 M 17/28).

Известен двигатель внутреннего сгорания, основанный на подаче основной и дополнительной, прошедшей термообработку, порций топлива. Массовый расход дополнительной порции топлива выдерживается в пределах 10 - 15% от расхода основной порции топлива. Испарение и газификация этой порции в смеси с водой производится при температуре, не превышающей 400^oC, и давлении, равном давлению во впускном трубопроводе (SU, A1 1545002, 1990 г., F 02 M 25/022).

Известен способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, основанные на термохимической обработке топлива в системе питания, где часть топлива подвергают разгонке на две паровые фракции и жидкий остаток, более тяжелую паровую фракцию подвергают термохимической обработке в течение времени, необходимого для термохимических превращений топлива, которые прекращают охлаждением продуктов реакции, смешивают с парами легкой фракции и жидким остатком, результирующий поток разбавляют воздухом и подают во входной коллектор двигателя внутреннего сгорания.

Устройство включает в себя испарительную камеру, нагреваемый реактор, воздушный смеситель и соединительные трубопроводы (RU, A3 2065987, 1995 г., F 02 M 31/00).

В реализациях трех первых предложений весьма вероятно засорение тракта коксом, сложны конструкция и система регулирования, высока опасность взрывов и возгорания, особенно при обогреве реактора отходящими газами. При использовании электрообогрева реактора высокие затраты энергии требуют радикального изменения системы электроснабжения двигателя.

В последнем случае указанные недостатки отсутствуют, но, как показывает опыт работы с устройством, отмечается нестабильность работы двигателя, которая обусловлена неравномерностью по времени расхода жидкого остатка через распылитель, в условиях, когда располагаемый перепад давления на распылителе не превышает нескольких килопаскалей. В результате в системе создаются условия для возникновения колебаний, которые поддерживаются двигателем. Отмечается также возникновение перекрывающих проходное сечение паровых пузырей в заполненных жидким топливом трубопроводах и каналах, обеспечивающих работу испарителя.

Цель изобретения - повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания за счет увеличения детонационной стойкости и экономичности, уменьшения вредных выбросов, умеренного энергопотребления при использовании электрообогрева реактора.

Поставленная цель достигается предлагаемым способом подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания и реализующим его устройством.

Предлагаемый способ подготовки топлива в двигателях внутреннего сгорания заключается в том, что часть топлива разгоняют в сообщающейся с атмосферой испарительной камере на паровую и жидкую фракции, смесь испаренного топлива с воздухом подают из нее в объем, образованный нагреваемой каталитически активной поверхностью, температуру которой поддерживают на уровне, необходимом для эффективного проведения реакций неполного окисления, состав смеси, время пребывания и коэффициент избытка воздуха в реакционном объеме задают при этом соотношением расходов, меняя гидравлические сопротивления на входе и выходе испарительной камеры и на выходе реакционного объема, продукты химических превращений дополнительно разбавляют воздухом и подают во входной коллектор двигателя, а жидкую фракцию смешивают с топливом на входе в двигатель.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ, испарительная камера снабжена нагревателем, устройством подачи топлива, регулятором расхода жидкости, газоотделительной камерой и регулятором расхода воздуха, реактор выполнен с системой электрообогрева и каталитически активной поверхностью теплоподвода, испарительная камера соединена обогреваемым каналом с реактором, выход которого через регулятор и воздушный смеситель соединен с входным коллектором двигателя через узел подачи, смеситель сообщается с атмосферой через регулятор и воздушный фильтр, испарительная камера через газоотделительную камеру и узел слива, а также через устройство подачи топлива и через узел забора соединена с топливной магистралью двигателя.

Жидкостные объемы устройства подачи топлива и газоотделительной камеры могут быть соединены между собой через жиклер, а паровые объемы этих узлов соединены пароотводящими трубками с испарительной камерой.

Нагреватель испарительной камеры может быть выполнен в виде многослойного пакета из тонкостенной металлической ленты, соединенной с источником тока.

Слои металлической ленты могут быть разделены электроизоляцией из капиллярно-пористого материала.

Поверхность теплоподвода реактора может быть образована соединенной с источником тока тонкой лентой из хромоникелевого сплава, сложенной в виде проницаемого для газа многослойного пакета, слои которого электрически изолированы.

Поверхность теплоподвода реактора может быть образована также металлической трубкой, нагреваемой электрическим током, пропускаемым по стенке трубки.

Топливо подвергается разгонке в испарительной камере, сообщающейся с атмосферой. Это позволяет снизить температуру разгонки и исключить нежелательное смолообразование в испарительной камере.

Вследствие тепла, излучаемого двигателем и поступающего от элементов устройства, в подводящих и отводящих жидкость каналах и трубопроводах образуются паровые пузыри. Принятая схема устройства не позволяет паровым включениям перекрывать проходные сечения.

При проведении термохимической обработки смеси испаренного топлива с воздухом образуются легкие горючие газы и тяжелые кислородсодержащие соединения в парообразном состоянии, благотворно влияющие на процесс горения в двигателе (повышение октанового числа, улучшение равномерности распределения топлива, улучшение условий воспламенения, уменьшение вредных выбросов и т.д. ). Режим термообработки смеси паров топлива с воздухом в реакторе при коэффициенте избытка воздуха, меньшем нижнего предела воспламенения, и развитая поверхность теплообмена исключают коксообразование и засорение тракта двигателя коксом. Жидкие фракции топлива, остающиеся после разгонки в испарителе, разбавляются свежим топливом в большом объеме для снижения неоднородностей состава и температуры и затем подаются в двигатель. Это позволяет исключить развитие автоколебаний при работе двигателя с устройством подготовки топлива.

Процесс термохимической обработки топлива производится в несколько этапов:

1. Разгонка топлива в сообщающемся с атмосферой объеме при температуре ниже температуры кипения.

2. Обработка смеси испаренного топлива с воздухом в объеме с развитой каталитически активной поверхностью теплообмена при температуре поверхности, обеспечивающей эффективное протекание реакций неполного окисления.

3. Охлаждение и разбавление продуктов реакции воздухом.

4. Разбавление жидкого остатка разгонки перед последующей подачей в топливную магистраль двигателя.

Предложенное устройство для реализации способа подготовки топлива позволяет избежать дополнительных затрат при его использовании, так как устанавливается на существующие технологические разъемы, не требует переделки двигателя и его агрегатов, а также изменения технологии изготовления и технического обслуживания двигателей.

На чертеже дана принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания состоит в том, что часть топлива разгоняют в сообщающейся с атмосферой испарительной камере 1 на паровую и жидкую фракции, выходящий из нее поток смеси испаренного топлива с воздухом подают в объем 2 с развитой нагреваемой каталитически активной поверхностью, температуру которой поддерживают на уровне, необходимом для эффективного проведения реакций неполного окисления. Фракционный состав смеси, время пребывания и коэффициент избытка воздуха в реакционном объеме задают при этом соотношением расходов и /или/ гидравлическими сопротивлениями на входе и выходе испарительной камеры и на выходе из реакционного объема, продукты химических превращений охлаждают, дополнительно разбавляя воздухом, и подают во входной коллектор двигателя, а жидкую фракцию смешивают в достаточно большом для подавления пульсаций объеме с топливом и подают в систему питания двигателя перед топливным насосом.

Устройство подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания содержит: испарительную камеру 1, нагреваемый реактор 2, нагреватель 3, устройство 4 подачи топлива, регулятор 5 расхода жидкости, воздушный смеситель 6, регуляторы 7 и 8 расхода воздуха, регулятор 9 расхода через реактор 2, газоотделительную камеру 10, жиклер 11 расхода топлива, пароотводящие трубки 12, обогреваемый канал 13, узел подачи 14 продуктов реакции во входной коллектор, воздушный фильтр 15, топливный насос 16 двигателя, узлы 17 и 18 забора и слива в топливную магистраль двигателя, бензобак 19.

Устройство подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом. Часть топлива отбирается из топливной магистрали двигателя за топливным насосом 16 через узел 17 забора и через устройство 4 подачи топлива подается в испарительную камеру 1 с развитой поверхностью нагревателя 3, выполненного в виде проницаемого для жидкости многослойного пакета из металлической ленты и электроизоляции (в частности, из фольги и электроизоляции из капиллярнопористого материала), погруженного в топливо, где подвергается разгонке в присутствии атмосферного воздуха, поступающего через регулятор 7.

На развитой каталитически активной поверхности реактора 2 происходят химические реакции. Состав смеси, время пребывания и коэффициент избытка воздуха в реакторе 2 определяются при этом соотношением расходов на входе и выходе испарительной камеры 1 и на выходе из реактора 2 с помощью узлов 4, 7, 5, 9.

Паровой объем устройства 4 подачи топлива соединен пароотводящей трубкой 12 с паровым объемом испарительной камеры 1. Паровой объем испарительной камеры 1 сообщается с атмосферой через регулятор расхода воздуха 7 и воздушный фильтр 15. Получаемую в испарительной камере 1 смесь паровой фракции топлива с воздухом через обогреваемый канал 13 подают в нагреваемый реактор 2, представляющий собой в рассматриваемом варианте тонкостенный канал из хромоникелевой стали. Обогрев реактора 2 частично осуществляется теплом отходящих газов. Остальное тепло подводится за счет электрообогрева. Электрическая схема подключения реактора с поверхностью теплоподвода, образованной металлической трубкой, представлена на чертеже. Выходящие из реактора 2 продукты реакции поступают далее в воздушный смеситель 6, в котором дополнительно разбавляются воздухом, расход которого определяется регулятором 8. Расход продуктов через реактор 2 задается регулятором 9. Далее смесь продуктов с воздухом через узел 14 поступает во входной коллектор двигателя. При закрытии регулятора 9 давление в испарительной камере повышается и поток паров через регулятор 7 поступает в воздушный фильтр 15 и далее с потоком воздуха во входной коллектор. Такой режим работы может быть использован при запуске двигателя.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации исключают образование кокса и смол и позволяют повысить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания за счет увеличения детонационной стойкости и экономичности, уменьшения вредных выбросов, умеренного энергопотребления при использовании электрообогрева нагреваемого реактора.

Предлагаемый способ подготовки топлива для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления опробованы на автомобилях при испытаниях на стенде беговых барабанов НАМИ.

В отличие от способов уменьшения вредных выбросов с каталитической обработкой отработанных газов предлагаемый способ может применяться в двигателях, работающих на низкосортных топливах, в том числе этилированном бензине.

Изобретение может быть использовано для улучшения характеристик как вновь изготавливаемых, так и находящихся в эксплуатации двигателей внутреннего сгорания. Установка устройства на автомобиле может осуществляться как на заводах-изготовителях, так и на станциях технического обслуживания.