способ создания и сохранения каталитически активной поверхности в двигателе внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ создания и сохранения такой каталитически активной поверхности в двигателе внутреннего сгорания, которая во время устойчивой работы двигателя обеспечивает зажигание топливной смеси в области с поверхностью, обращенной к зоне горения, который включает во-первых, нанесение на поверхность двигателя в зоне горения огнестойкой подложки, которая обладает большой тепловой инерцией, по способу, включающему один из следующих этапов: введение продукта-предшественника материала подложки - в состав топливной смеси во время работы двигателя; нанесение покрытия, создающего тепловой барьер, на поверхность, обращенную к зоне горения перед сборкой двигателя; сочетание методов предыдущих этапов; создание на первом этапе или после него совместно с подложкой такой каталитической поверхности, которая является активной в среде аэрозолей из сажистых веществ и при окислении топлива при температуре поверхности не менее 450С; создание после первого этапа каталитической поверхности и сохранение ее во время устойчивой работы двигателя внутреннего сгорания, введение продукта-предшественника катализатора в топливную смесь в концентрации, достаточной для сохранения активности каталитической поверхности, при этом активность каталитической поверхности должна поддерживаться постоянно.

2. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания выбирается из группы, в состав которой входит двигатель с воспламенением от сжатия и двигатель с искровым зажиганием.

3. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап нанесения подложки включает нанесение подложки с удельной поверхностью 300 - 500 квадратных метров на грамм, величина которой определяется поглощением азота по методу БЭТ.

4. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что толщина подложки составляет 100 - 100000 ангстрем.

5. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап нанесения подложки включает создание пленки толщиной менее 0,1 мм.

6. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап нанесения подложки включает нанесение слоя из термоизолирующего состава, способного сохранять каталитическую поверхность в области каталитически активной температуры во время устойчивой работы двигателя.

7. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап нанесения подложки включает нанесение слоя из термоизолирующего состава, способного сохранять каталитическую поверхность при температуре не менее 450С во время устойчивой работы двигателя.

8. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап нанесения подложки включает нанесение подложки по выбору из диоксида циркония, диоксида кремния и мазутной золы.

9. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап создания каталитической поверхности включает нанесение катализатора по выбору из субмикронных частиц железа, платины и комбинации из этих материалов.

10. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап создания каталитической поверхности выполняется во время работы двигателя путем подачи топливной смеси, содержащей ферроцен действенной концентрации для создания железосодержащего каталитического покрытия.

11. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап создания каталитической поверхности выполняется во время работы двигателя путем подачи топливной смеси, содержащей ферроцен в концентрации 25 - 125 мас.ч. на миллион частей топлива.

12. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутая каталитическая поверхность создается одновременно с упомянутым этапом нанесения подложки.

13. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что продукт-предшественник катализатора вводится в топливную смесь в концентрации 5 - 50 мас.ч. на миллион частей топлива.

14. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап подачи продукта-предшественника катализатора включает подачу ферроцена.

15. Способ создания и сохранения каталитически активной поверхности двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что упомянутый этап подачи продукта-предшественника катализатора включает ввод ферроцена в топливную смесь путем добавки ферроцена в топливо для создания топливной смеси; добавки ферроцена в смазочное масло двигателя; выпаривания ферроцена в поток воздуха на воздухозаборе двигателя для подачи в топливную смесь и сочетания упомянутых способов.

Описание изобретения к патенту

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 катализаторы для определения возможности повышения каталитической эффективности ферроцена вдвое. В табл.1 приводятся результаты испытаний (табл.1-4 приведены в конце описания).

ПРИМЕР 2

Общие сведения

В этом примере продемонстрирована эффективность введения ферроцена в топливо для образования каталитически активной поверхности в камере сгорания одноцилиндрового дизельного двигателя. Испытания проходили в две фазы, в каждой менялась конфигурация двигателя. В первой фазе оценивался двигатель с нормальными отложениями от сгорания топлива от предыдущей эксплуатации и с алюминиевым двигателем. Во второй фазе был установлен новый двигатель с покрытием из диоксида циркония толщиной 500 микрон, создающим тепловой барьер, нанесенным способом плазменного напыления. Во вторых испытаниях использовалась исходная гильза цилиндра, поршневые кольца и днище поршня. Однако все отложения продуктов сгорания были удалены, и на очищенных деталях не было покрытия, создающего тепловой барьер.

План испытаний

По первому плану двигатель должен был быть кондиционирован с помощью топлива с концентрацией ферроцена 250 частей на миллион, которая поддерживалась в течение 240 минут, затем работа двигателя продолжалась при концентрации ферроцена 25 частей на миллион. Так как двигатель охлаждался воздухом, то на днище поршня и гильзу цилиндра направлялась струя воды для снижения температуры блока до температуры водоохлаждаемого двигателя.

Для проведения предварительной оценки двигателя с целью определения базовых характеристик должны были проводиться два испытания с подводом необработанного дизельного топлива марки 2-D. Начальная обработка с высокой концентрацией ферроцена, которая составляла 250 частей на миллион, проводилась до тех пор, пока концентрация твердых частиц не упала до стабильного уровня. Затем концентрация ферроцена понижалась до 25 частей на миллион, и двигатель испытывался для определения тех же базовых характеристик, которые включали выброс выхлопных газов и интенсивность тепловыделений.

Затем двигатель подготавливался ко второй фазе испытаний. Исходный алюминиевый поршень заменялся на новый с покрытием, создающим тепловой барьер, при этом отложения продуктов сгорания и каталитическое покрытие, оставшееся после начальных испытаний, удалялись с рабочих поверхностей камеры сгорания (головка камеры сгорания и клапаны). Для определения базовых характеристик проводились повторные испытания двигателя, при этом проводилось кондиционирование двигателя с использованием ферроцена высоких концентраций; двигатель испытывался до тех пор, пока его работа на базовых характеристиках обеспечивалась ферроценом низких концентраций.

Испытания

Для определения базовых характеристик в течение 50 минут проводились испытания с алюминиевым поршнем и отложениями продуктов сгорания. На графике фиг. 1 с левой стороны от 0 до 50 на оси времени приведены данные по базовым характеристикам в области, обозначенной D2. Концентрация ферроцена в топливе составляла 250 частей на миллион, и такая концентрация поддерживалась дополнительно в течение последующих 390 минут. На следующий день двигатель работал при концентрации ферроцена 250 частей на миллион в течение 180 минут. На графике фиг. 1 с левой стороны от 50 до 620 на оси времени приведены данные по высокой концентрации ферроцена в области, обозначенной 250 ppm (частей на миллион). На третий день двигатель работал при концентрации ферроцена 25 частей на миллион в течение 132 минут. На четвертый день двигатель работал при концентрации ферроцена 25 частей на миллион в течение 85 минут. На графике фиг. 1 с левой стороны от 620 до 817 на оси времени приведены данные по низкой концентрации ферроцена в области, обозначенной 25 ppm (частей на миллион). Не связанные с основной кривой заключительные три точки графика, приблизительно в области 800 минут, скорее всего, отражают сбой в работе одного из приборов.

Во второй фазе испытаний с поршнем, имеющим покрытие, создающее тепловой барьер, и очищенной рабочей поверхностью камеры сгорания двигатель работал в течение 60-ти минут. На графике фиг.1 с правой стороны от 1000 до 1060 на оси времени приведены данные по базовым характеристикам в области, обозначенной D2. Концентрация ферроцена в топливе составляла 250 частей на миллион, и такая концентрация поддерживалась дополнительно в течение последующих 250 минут. На графике фиг. 1 с правой стороны от 1060 до 1310 на оси времени приведены данные по высокой концентрации ферроцена в области, обозначенной 250 ppm (частей на миллион). На следующий день двигатель работал при концентрации ферроцена 25 частей на миллион в течение 75 минут. На графике фиг. 1 с правой стороны от 1310 до 1385 на оси времени приведены данные по низкой концентрации ферроцена в области, обозначенной 25 ppm (частей на миллион).

Результаты испытаний

Данные, регистрируемые во время испытаний, включали выброс выхлопных газов, выброс аэрозолей, давление в цилиндре и характеристики двигателя. Определялись и сравнивались такие характеристики, как измеренный удельный расход топлива во время испытаний с алюминиевым поршнем, подача топлива по массовому расходомеру и поглощаемая мощность. Полученные данные показали стабильную нагрузку, стабильный расход топлива и стабильное соотношение компонентов топливно-воздушной смеси. На начальном этапе наблюдалось увеличение измеренного удельного расхода топлива на 3,9%, после чего следовал устойчивый спад. Такие же данные были получены по измеренному удельному расходу топлива для поршня, имеющего покрытие, создающее тепловой барьер. Измеренный удельный расход топлива увеличивался на 3,9%, при переключении с необработанного топлива на топливо, обработанное ферроценом с концентрацией 250 частей на миллион. За этим скачком идет линейное снижение расхода до остановки двигателя в конце пятого дня.

Как отмечено выше, на фиг.1 изображена временная зависимость измеренного среднего эффективного давления и измеренного удельного расхода топлива, показанных как изменения относительно среднего значения переменной. В левой части графика показаны экспериментальные значения измеренного удельного расхода топлива (10) и экспериментальные значения измеренного среднего эффективного давления (12) для алюминиевого поршня, и для данных измеренного удельного расхода топлива построена линия общей тенденции изменений (14). В правой части графика показаны экспериментальные значения измеренного удельного расхода топлива (20) и экспериментальные значения измеренного среднего эффективного давления (22) для поршня с покрытием, создающим тепловой барьер, и для данных измеренного удельного расхода топлива построена линия общей тенденции изменений (24).

Исходя из экспериментальных данных можно сделать вывод, что увеличение измеренного удельного расхода топлива на 3,9% произошло сразу же после переключения на топливо с концентрацией ферроцена 250 частей на миллион. Обе конфигурации двигателя отреагировали одинаково, что говорит о том, что высокая концентрация ферроцена однозначно приводит к повышению измеренного удельного расхода топлива в результате мгновенного равномерного охлаждения паровой фазы топлива.

На временном участке от 60 до 310 минуты работы наблюдалось линейное снижение измеренного удельного расхода топлива в испытаниях с алюминиевым поршнем. Однако не наблюдалось и не предвиделось серьезного увеличения измеренного удельного расхода топлива через 325 минут работы с поршнем, имеющим покрытие, создающее тепловой барьер. В отличие от поршня на поверхности головки и клапанов не было нанесено покрытие, создающее тепловой барьер, так как предыдущие испытания показали, что на поверхности металла камеры сгорания не было активного поверхностного катализатора. Поверхность поршня, расположенного в верхней мертвой точке, с покрытием, создающим тепловой барьер, составляет около 58% всей открытой поверхности камеры сгорания. Следовательно, ожидаемые значения измеренного удельного расхода топлива составляют 0,045х0,58х250=6,53 или меньше двух стандартных погрешностей (менее 95% значимой величины). С другой стороны, среднее значение двух пар данных (верхнего и нижнего значений), полученных во временном интервале от 85-й до 300-й минуты в испытаниях с поршнем, имеющим покрытие, создающее тепловой барьер, дает 98% значимости оценочной величины наклона линии общей тенденции изменения. Оценка наклона убывающей линии общей тенденции изменений измеренного удельного расхода топлива составляет - 0,0266 по сглаженным данным и - 0,0269 по исходным данным, которые составляют 61% наклона линии общей тенденции изменений в испытаниях с алюминиевым поршнем во время активного периода кондиционирования с концентрацией ферроцена 250 частей на миллион, продолжавшегося от 85 до 370 минуты. Поэтому покрытие, создающее тепловой барьер, нанесенное только на поршень, обеспечивает такое улучшение характеристик, которое соответствует улучшению характеристик, полученному при нанесении покрытия, создающего тепловой барьер, на 58% площади камеры сгорания. Таким образом, наклон линии общей тенденции изменения измеренного удельного расхода топлива зависит от площади поверхности, на которой находится катализатор, которая, в свою очередь, зависит от степени выгорания ферроцена. В двигателе с алюминиевым поршнем покрытие образовывалось на внешней поверхности поршня при наличии теплоизолирующих отложений, образованных продуктами сгорания, в то время как в двигателе с поршнем, имеющим покрытие, создающее тепловой барьер, покрытие образовывалось только при наличии покрытия, создающего тепловой барьер.

Такая же доля улучшений получена из данных, полученных с помощью счетчика ядер конденсации, который измерял конденсацию частиц в выхлопных газах дизеля. При использовании алюминиевого поршня и полноценной изолирующей подложки из нормального смазочного масла наблюдалось снижение числа частиц на 47%. При использовании поршня с покрытием, создающим тепловой барьер, число частиц уменьшилось на 31%, что для случая с алюминиевым поршнем соответствует снижению на 66%. Этот результат вполне хорош для ошибки измерений 13% от 58% поверхности с покрытием, создающим тепловой барьер.

Кривая концентрации частиц для испытаний с алюминиевым поршнем показала существенное увеличение числа частиц при введении ферроцена концентрацией 250 частей на миллион. Число частиц размером от 5,6 до 32 нм увеличивалось в 86 раз при высокой концентрации ферроцена и в 6,3 раза при низкой концентрации ферроцена. Такие микрочастицы образуются, скорее всего, при испарении металлических составов во время цикла сгорания, за которым следует образование активных центров в цикле расширения. Если микрочастиц мало, то они поглощаются сажей, и в этом случае образуется мало активных центров. Очевидно, ферроцен образует большое число активных центров. Масса железа составляет 30% массы ферроцена, аналогично массовая концентрация железа в топливе составляла 7,5 и 75 частей железа на миллион частей топлива. Как показали расчеты, при концентрации ферроцена 250 частей на миллион образуется 10,3 мг сульфата железа на 1 м³ выхлопных газов при стандартных условиях. В выхлопе регистрируется только 10% микрочастиц железа из ферроцена. Таким образом, оставшаяся часть, скорее всего, выводится из него по другим каналам, в частности через осаждение на поверхностях камеры сгорания.

В процессе кондиционирования двигателя число частиц аэрозолей в единице объема снижается. Такие изменения характерны для неявных изменений при тепловыделениях, вызванных непрерывной работой двигателя с введением высоких концентраций ферроцена. За время кондиционирования двигателя с введением высокой концентрации ферроцена число частиц аэрозолей в единице объема снижается и составляет 0,6 начального числа. Этот коэффициент уменьшения соответствует площади с покрытием, создающим тепловой барьер, равной 0,57 и наклону кривой измеренного удельного расхода топлива. Образование ультрамелких аэрозольных частиц сильно зависит от периода горения, поэтому существенные изменения, наблюдаемые в обоих испытаниях, дают дополнительное основание заявить, что при кондиционировании двигателя с использованием ферроцена меняются характеристики процесса горения.

В табл.3 представлены исследования повторяемости характеристик при измерении интенсивности тепловыделений. Для четырех индивидуальных базовых испытаний представлено максимальное измеренное давление и максимальная расчетная температура в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Как показали исследования, получена отличная повторяемость данных по тепловыделениям в зависимости от давления при сгорании. Разброс параметров незначителен. Так, при полноте сгорания 10% угол поворота коленчатого вала составляет от 6,4^o до 6,6^o, при полноте сгорания 30% угол поворота коленчатого вала составляет от 8,1^o до 8,3^o; при полноте сгорания 70% угол поворота коленчатого вала составляет от 12,4^o до 12,8^o.

В табл.4 показана временная последовательность, максимальная температура и давление в течение 175 минут работы двигателя с алюминиевым поршнем на второй день (5 июня) испытаний при концентрации ферроцена 250 частей на миллион.

После начального периода стабильности между 440 и 480 минутами концентрация оксидов азота резко снизилась на 3%, следующий минимум был достигнут в период между 560 и 575 минутами, после чего начался подъем кривой. Температура выхлопных газов колебалась в течение первых 85 минут (между 440 и 525 минутами). Средняя температура выхлопных газов в этот период не сильно отличалась от средней температуры первого дня. Однако между 515 и 560 минутами температура выхлопных газов значительно снизилась (855^oF в отличие от 874^oF в первый день) и затем снова возросла до 874^oF на 605 минуте. Как показала расчет, проведенный по первым пяти измерениям, значения максимальной температуры в этот промежуток времени (см. табл.4) оставались стабильными. Потом, с 545 по 590 минуту произошли серьезные изменения, и температура значительно понизилась, при этом минимальный пик температур соответствует минимальному выхлопу NO_x на 575 минуте.

На фиг. 2 изображен график тепловыделений, соответствующих испытаниям, данные о которых приведены в табл.4. На графике в виде кривой 30 показана общая тенденция изменения давления, которая представлена в виде полного расчетного относительного тепловыделения в зависимости от угла поворота коленчатого вала для базового случая без использования катализатора в соответствии с данными по 485 минуте испытаний (по графику на фиг.1) двигателя с алюминиевым поршнем. Эти данные по тепловыделению были зарегистрированы в период, когда выхлоп NO_x из двигателя был устойчивым и находился на базовом уровне. На графике в виде кривой 32 показана та же тенденция изменения давления по данным измерений, полученным на 560 минуте, в период минимального пика внутрицилиндрового давления, что соответствует минимальному выхлопу NO_x из двигателя. Следует отметить, что измеренный удельный расход топлива по табл. 4 для этой серии экспериментальных значений с использованием активного поверхностного катализатора ниже по своему значению, чем базовое значение измеренного удельного расхода топлива для экспериментальных значений вблизи 485 минут на фиг.2. Поэтому фиг.2 является графическим обоснованием новой и уникальной поверхностной каталитической активности, ускоряющей тепловыделение на ранних фазах от 5% до 60% общих тепловыделений, которые повышают выходную мощность и снижают потребление топлива, при этом одновременно снижается максимальная внутрицилиндровая температура, как показано в табл.4, что является определяющим фактором при снижении выхлопа NO_x.

Первые пять экспериментальных значений незначительно отличаются друг от друга. Следующие три экспериментальные точки (соответствующие 560-й, 757-й и 590-й минутам) показывают значительное уменьшение угла поворота коленчатого вала при полноте сгорания 30% (полнота сгорания 30%, соответствующая углу поворота коленчатого вала 9,20,08^o, на 460-й - 530-й минутах перемещается в точку, соответствующую углу поворота коленчатого вала 8,5^o на 575 минуте), при этом не наблюдается значительных изменений угла при изменении полноты сгорания от 10% до 60%. На фиг.2 показан этот сдвиг на ранней стадии тепловыделений без явного изменения времени зажигания и по измерениям второго дня испытаний представлен контраст между тепловыделениями на 485-й минуте и 560-й минуте. Развивающийся фронт огня незначительно контактирует со стенками камеры сгорания до тех пор, пока коленчатый вал не отклонится на 5^o после верхней мертвой точки. Таким образом, поверхностная каталитическая активность не изменяет характеристики зажигания, как показано на фиг.2 в точках с 3-й по 6-ю угла поворота коленчатого вала. Существенное увеличение тепловыделений, соответствующее области полноты сгорания от 30% до 40% на 560 минуте, позволяет более эффективно преобразовывать раннее повышение давления на поршне в работу. Это позволяет надеяться на улучшение значений измеренного удельного расхода топлива. Кривые экспериментальных значений, соответствующих 590-й и 605-й минутам, перемещаются назад в область средних значений профиля кривой, соответствующих участку с 460-й по 530-ю минуту. Это также согласуется с возвратом температуры выхлопных газов в область более высоких средних значений по данным первого дня измерений. Поэтому очевидно, что поверхностная каталитическая активность достигает наблюдаемого максимума на 575 минуте.

Заключения

В соответствии с программой испытаний примера 2 обработка топлива ферроценом приводит к появлению каталитически активного поверхностного покрытия, которое позволяет профилировать внутрицилиндровое тепловыделение. Применение ферроцена в виде добавок к топливу влияет на процесс сгорания в дизельном двигателе, при этом для получения полного эффекта от применения добавок требуется несколько часов.

Таким образом, для повышения полноты сгорания и улучшения качества выхлопных газов перед введением ферроцена необходимо сначала модифицировать поверхность с помощью покрытия, обладающего высокой тепловой инерцией (по данным испытаний бензинового двигателя с рабочим объемом 24 см³ для водяного насоса и дизельного двигателя с покрытием, создающим тепловой барьер), и нанести каталитически активную поверхностную структуру из субмикронных частиц. Параметры добавок строго зависят от процесса кондиционирования.

Приведенные выше примеры следует рассматривать только как иллюстрации принципа, использованного в настоящем изобретении. Кроме того, в связи со многими возможными изменениями и дополнениями нежелательно ограничивать изобретение точным описанием устройств и принципов работы, поэтому все возможные изменения и дополнения могут попадать в объем изобретения по определениям, данным в пунктах формулы изобретения.