способ форсирования мощности двигателей внутреннего сгорания

Формула изобретения

Способ форсирования мощности двигателей внутреннего сгорания, включающий подачу в камеру сгорания высококалорийного топлива, отличающийся тем, что в камеру сгорания дополнительно вводят в диспергированном виде водный раствор на основе нитрата аммония и водорастворимого горючего в соотношении к высококалорийному топливу от 1: 10 до 10: 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области работы двигателей внутреннего сгорания. например поршневых, газотурбинных и т.д., а именно - к техническим решениям, направленным на осуществление возможности периодического форсирования их мощности путем ввода газообразующих добавок к обычному высококалорийному топливу, например углеводородному.

В последние годы в ряде стран ведутся исследования по использованию водотопливных эмульсий, содержащих до 30-50% воды в качестве топливных композиций для двигателей внутреннего сгорания (Иванов В.Н. и др. Применение топливоводяных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания. Сб. Новые методы сжигания топлива. М. : Наука, 1965 г., с. 162). Накопленный положительный опыт показывает, что совместное применение штатного углеводородного топлива и воды снижает выход токсичных газов и, при небольшом содержании воды, может повысить термомеханический КПД рабочего цикла. Однако известный способ не может значительно повысить мощность двигателя. т.к. принципиальным недостатком его является то, что вода в составе топливных композиций является балластом, снижающим энерговооруженность двигательной установки.

Известно также промотирующее влияние органических нитратов на процессы воспламенения и сгорания топливовоздушных смесей. Добавка к основному топливу даже небольшого количества органических нитропроизводных, например нитрометана, существенно влияет на пусковые и эксплуатационные характеристики двигателя (Журнал "Мото", 2000 г. 4, с.26-27). Добавлением органических нитропроизводных к метиловому спирту удастся повысить мощность двигателей на 20% за счет роста температуры и давления в камере сгорания. Промотирующий эффект алкилнитратов объясняется созданием дополнительных активных центров и локальных повышений температуры при развитии экзотермических реакций. Сильный форсирующий эффект органических нитратов при большом содержании в топливе объясняется высокой концентрацией энергии в молекулах нитропродуктов, которая в случае использования нитрометана превышает теплоту взрыва тринитротолуола. Существенным недостатком использования в качестве добавок органических нитратов являются их высокая стоимость, токсичность и взрывоопасность.

Предложен способ форсирования двигателей внутреннего сгорания, включающий подачу в камеру сгорания базового высококалорийного топлива, например углеводородного, и форсирующей газообразующей добавки.

Отличием является то, что в качестве форсирующей добавки вводят в диспергированном виде водный раствор на основе нитрата аммония и водорастворимого горючего в соотношении к базовому высококалорийному топливу от 1:10 до 10:1.

В качестве водорастворимого горючего могут быть использованы карбамид, уротропин, аммиак, спирты, углеводы и др. с добавками для подавления детонационных процессов при сгорании воздушно-топливного заряда.

Водонитратные растворы можно использовать в качестве активной экологической присадки, т.к. продукты термораспада растворов на основе нитрата аммония, с учетом присутствия воды-растворителя, более чем на 50% состоят из водяного пара, снижающего выход токсичных продуктов базового топлива. Для форсирования мощности водонитратные растворы целесообразно использовать совместно с высококалорийным топливом или в составе топливных композиций. Полная идеальная работа окислительсодержащего энергоносителя на единицу выделяющегося тепла может быть значительно выше, т.к. степень полезного расширения продуктов сгорания воздушно-топливных зарядов для поршневых двигателей не превышает 10-21, а расширение водонитратного газогенератора начинается из объема жидкости с плотностью на 2 порядка большей (плотность молекулярной упаковки). Использование водонитратных композиций позволяет существенно форсировать мощность силовых установок при "пиковых" нагрузках, при этом снижаются токсичность выхлопа, максимальная температура цикла и температура отработавших газов.

Водонитратные композиции вводят в диспергированном состоянии, например непосредственным впрыском раствора совместно с базовым высококалорийным топливом, аналогично известному процессу использования водотопливных эмульсий. При этом величина форсирования мощности двигателя будет ограничена конструкционным запасом прочности двигателя и производительностью системы форсажного впрыска. Поскольку плотность и объемное энергосодержание растворов водонитратного энергоносителя может на 2-3 порядка превышать характеристики базовых воздушно-топливных смесей, теоретически допустимо кратковременное форсирование мощности двигателя в десятки раз. Регулирование уровня форсирования, а также содержания водяных паров в продуктах реакции достигается изменением соотношения расхода базового и водонитратного энергоносителей, а также изменением концентрации раствора газогенератора в воде.

Водонитратный энергоноситель вводят в камеру сгорания в соотношении к расходу базового топлива от 1:10 до 10:1. При соотношении компонентов менее 1: 10 форсирующий эффект является незначительным, а при увеличении соотношения более 10:1 - суммарный расход топлива чрезмерно возрастает.

Ниже приведен пример осуществления изобретения.

Пример.

Процесс сгорания углеводородного (базового) топлива и раствора газогенератора (водонитратный энергоноситель) из нитрата аммония 80 вес. ч., водорастворимого горючего, например карбамида, 20 вес. ч., и воды 5 вес. ч. с одинаковым удельным расходом по массе 1:1 обоих компонентов описывается суммарным уравнением:

2 -CH₂- + 3О₂ + 13N₂ + 0,1[3NH₄NO₄ + CO(NH₂)₂ + Н₂О] = 2,1CO₂ + 2,9H₂O + 13,4N₂

При вводе в камеру сгорания дополнительно водонитратного энергоносителя с тем же секундным расходом, что и базового топлива, тепловой эффект суммарной реакции возрастает на 8% с одновременным увеличением количества образующихся газов на 8%, что, с учетом неизменной работы на сжатие исходного объема воздуха, повысит работоспособность двигателя внутреннего сгорания примерно на 15%. Образование водяных паров относительно оксидов углерода при этом увеличится примерно в 1,4 раза.

В таблице приведены характеристики сгорания стехиометрических соотношений дешевых водорастворимых горючих с окислителем, которые можно использовать в составе водонитратного энергоносителя для форсирования мощности двигателей внутреннего сгорания.

Из таблицы следует, что энергосодержание стехиометрических водонитратных энергоносителей примерно на порядок ниже теплопроизводительности углеводородов, но выход водяных паров в продуктах реакции нитрата аммония с горючими веществами в 7-9 раз выше. Это объясняется тем, что при горении на воздухе газообразный окислитель неограниченно расходуется из окружающей атмосферы, тогда как в растворе двадцать процентов активного кислорода сопровождают выход 45% водяного пара из селитры.

В качестве дополнительного окислителя при сгорании комбинированного топлива можно использовать атмосферный воздух. В этом случае массовая доля горючих веществ в растворе окислителя увеличивается сверх стехиометрического до 30-60%, а недостающий кислород будет расходоваться из воздуха по обычному циклу работы двигателя на базовом топливе. Наиболее перспективно совместное использование водонитратного энергоносителя и углеводородов или их производных, что позволит снизить до 50-70% расход штатных нефтепродуктов. Это можно реализовать в системах совместной или раздельной подачи компонентов, например, в двигателях с воспламенением от сжатия.

Свойства нитрата аммония (аммиачной селитры) хорошо изучены в теории взрывчатых веществ: это дешевое и, при обычных условиях, безопасное в обращении азотное удобрение, хорошо растворимое в воде.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность многократного форсирования мощности двигательных установок, в частности, на транспорте, а по экологичности и стоимостным показателям превосходит известные способы.