УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно к устройствам для обработки жидкого углеводородного топлива, и может быть использована в системах питания двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных, ракетных.
Известно устройство для обработки топлива в двигателе внутреннего сгорания [1. Патент RU 2062899 С1, опубликован 27.06.1996, 6 МПК F02M 27/04]. Это устройство содержит полый корпус из электроизоляционного материала с входным и выходным штуцерами. Положительный электрод установлен по оси корпуса. Отрицательный электрод размещен концентрично положительному электроду на внешней поверхности корпуса в зоне выходного штуцера. Выходной штуцер также выполнен из электроизоляционного материала. Корпус со стороны положительного электрода снабжен диэлектрической вставкой. Отрицательный электрод размещен на корпусе с возможностью осевого перемещения и выполнен в виде подвижной спирали или в виде втулки. Это устройство за счет регулировки интенсивности электромагнитного поля позволяет повысить эффективность обработки топлива.
Известно также устройство для обработки топлива в двигателе, внутреннего сгорания [2. Патент RU 2272930 С1, опубликован 27.03.2006, МПК F02M 27/04 (2006.01)]. Это устройство отличается от предыдущего аналога [1] тем, что в стенке втулки (отрицательный электрод выполнен в виде подвижной втулки) дополнительно выполнены отверстия.. В данном устройстве как и в [1] воздействие на топливо осуществляется в камере обработки за счет создания импульсного электрического поля высокой напряженности. Это поле воздействует на проходящий поток топлива, которое частично поляризуется и активируется. Наличие дополнительных отверстий во втулке [2] позволяет создать «всплески» напряженности электрического поля вдоль продольной оси корпуса, что позволяет несколько повысить эффективность обработки топлива за счет его лучшей поляризации и более мелкого распыла. Обработанное таким образом топливо поступает на сжигание в двигатель, например в карбюратор.
Однако в аналогах для повышения эффективности работы устройства необходима регулировка зазора между электродами, поэтому наличие в [1, 2] подвижного электрода приводит к механическому усложнению устройства. Кроме того, производительность этих устройств и степень активации топлива определяется поверхностями электродов (анода и катода), которые в данном случае ограничены конструктивными размерами устройств для обработки топлива согласно [1, 2]. Топливная экономичность двигателя внутреннего сгорания при использовании аналогов [1, 2] повышается благодаря интенсификации процесса смесеобразования только за счет увеличения мелкости распыла капель топлива, что обеспечивает снижение сил поверхностного натяжения, возникающего под действием электрического поля. Отмеченные недостатки снижают эффективность обработки топлива устройствами, выполненными согласно [1, 2].
Известен также активатор для жидкого топлива, описанный в [3. Патент RU №2032107 С1, опубликован 27.03.1995 г., 6 МПК F02M 27/04], который является наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели и взят за прототип. Этот активатор содержит корпус, выполненный в виде внутреннего и внешнего патрубков, герметично соединенных и расположенных концентрично. Внутри корпуса размещены электроды, подключенные к источнику постоянного тока высокого напряжения. Внутренний патрубок имеет перфорацию, на которой размещена полупроницаемая мембрана. Вдоль оси внутреннего патрубка установлен металлический электрод, к которому подведен ток отрицательной полярности. Внутри внешнего патрубка установлена металлическая втулка, к которой подведен ток положительной полярности. На внешнем патрубке установлена дополнительная трубка для вывода части потока топлива (отрицательно ориентированного потока). Активатор для жидкого топлива [3] имеет блок питания, содержащий источник постоянного тока; прерыватель для получения импульсного тока; индукционную катушку для повышения напряжения до 35 кВ; выпрямитель для преобразования переменного тока после катушки в постоянный ток и регулятор напряжения для изменения напряжения тока, подаваемого на электроды. В активаторе происходит активация жидкого топлива в электрическом поле импульсного тока и его разделение на два потока по полярности. Такая активация жидкого топлива в электрическом поле перед его диспергацией повышает полноту сгорания жидкого топлива.
Однако в активаторе для жидкого топлива [3] площадь электродов, как и в аналогах [1, 2], ограничена размерами корпуса и мала, что приводит к необходимости подачи высокого напряжения до 20-35 кВ. Это усложняет эксплуатацию двигателя внутреннего сгорания ДВС совместно с таким активатором. Кроме того, устройство по [3] имеет низкую эффективность активации, так как часть потока топлива (неориентированный поток или отрицательно ориентированный поток) постоянно возвращается на слив в бак топлива, и снова подвергается процессу активации, что приводит к дополнительному расходу энергии и трудноконтролируемому изменению первоначального состава обрабатываемого жидкого топлива, часть которого подвергается многократной обработке. Кроме того, возврат части топлива в бак требует подключения дополнительной трубки для отвода этой части топлива, что усложняет установку (монтаж) активатора на ДВС.
Задачей полезной модели является повышение эффективности активации жидкого углеводородного топлива при одновременном упрощении эксплуатации устройства для обработки этого топлива и упрощении его установки на транспортном средстве.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в увеличении октанового числа обрабатываемого жидкого углеводородного топлива за счет комплексного (комбинированного) на него воздействия: электрокапиллярного, электрохимического и механохимического.
Для достижения поставленной задачи и технического результата устройство для обработки жидкого углеводородного топлива, как и прототип, содержит корпус с входными и выходными трубками, внутри которого размещены электроды, подключенные к источнику питания, и расположенную между электродами мембрану.
В отличие от прототипа устройство для обработки жидкого углеводородного топлива выполнено в виде электрохимической ячейки, имеющей четыре камеры: входную анодную, рабочую анодную, рабочую катодную и входную катодную. Входная анодная камера имеет входную трубку и образована стенками корпуса и анодом. Рабочая анодная камера имеет выходную трубку и образована анодом, разделительной мембраной и стенками корпуса. Рабочая катодная камера имеет выходную трубку и образована упомянутой разделительной мембраной, катодом и стенками корпуса. Входная катодная камера имеет входную трубку и образована катодом и стенками корпуса. Электроды (анод и катод) электрохимической ячейки выполнены из пористого электропроводящего материала с заданными размерами пор. Входные трубки входной анодной и входной катодной камер объединены топливопроводом и связаны с топливным баком через бензонасос. Выходные трубки рабочих анодной и катодной камер также объединены топливопроводом и соединены с магистралью подачи топлива к двигателю. Электроды: катод и анод электрохимической ячейки соединены с источником питания через преобразователь.
В частном случае преобразователь выполнен в виде инвертора, силовые входы которого соединены с источником питания. Первый силовой выход инвертора через LC-фильтр подключен к началу первичной обмотки трансформатора, а второй силовой выход инвертора подключен к концу первичной обмотки трансформатора. Трансформатор имеет три вторичные обмотки. Первая вторичная обмотка трансформатора соединена последовательно со второй вторичной обмоткой, начало которой подключено к аноду первого диода, катод которого соединен с анодом электрохимической ячейки. Конец первой вторичной обмотки подключен к катоду электрохимической ячейки. Анод электрохимической ячейки соединен также с анодом второго диода, катод которого соединен с коллектором транзистора, эмиттер которого подключен к общей точке соединения первой и второй вторичных обмоток трансформатора. Конец первой вторичной обмотки подключен к аноду третьего диода, катод которого через резистор соединен с базой транзистора и катодом четвертого диода, анод которого подключен к эмиттеру транзистора. Третья вторичная обмотка трансформатора подключена к системе управления инвертором, выход которой соединен с управляющим входом инвертора, образованным управляющими входами транзисторных ключей.
В частном случае катод и анод электрохимической ячейки выполнены из пористой нержавеющей стали с диаметром пор 10-50 мкм. Входные трубки входной анодной и входной катодной камер и выходные трубки рабочей анодной и рабочей катодной камер имеют задвижки для регулирования объема углеводородного топлива, протекающего через них. Разделительная мембрана выполнена, например, из целлофана, армированного целлофана или брезента. Источник питания выполнен в виде аккумуляторной батареи транспортного средства или электромеханического генератора.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна заявителям из уровня техники, что подтверждает новизну заявляемого устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема устройства для обработки жидкого углеводородного топлива. На фиг.2 представлена функциональная схема преобразователя подключенного к источнику питания. На фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя.
Устройство для обработки жидкого углеводородного топлива (фиг.1) содержит источник питания 1, выполненный, например, в виде аккумуляторной батареи транспортного средства. Источник питания 1 через преобразователь 2 связан с анодом 3 и катодом 4. Электрохимическая ячейка 5 содержит четыре камеры: входную анодную камеру 6, рабочую анодную камеру 7, рабочую катодную камеру 8 и входную катодную камеру 9. Входная анодная камера 6 имеет входную трубку 10 и образована стенками корпуса электрохимической ячейки 5 и анодом 3. Рабочая анодная камера 7 имеет выходную трубку 11 и образована анодом 3, разделительной мембраной 12 и стенками корпуса электрохимической ячейки 5. Рабочая катодная камера 8 имеет выходную трубку 13 и образована упомянутой разделительной мембраной 12, катодом 4 и стенками корпуса электрохимической ячейки 5. Входная катодная камера 9 имеет входную трубку 14 и образована катодом 4 и стенками корпуса электрохимической ячейки 5. Электроды (анод 3 и катод 4) электрохимической ячейки 5 выполнены из пористого электропроводящего материала, например пористой нержавеющей стали, с заданными размерами пор. Входные трубки 10, 14 входной анодной 6 и входной катодной 9 камер объединены топливопроводом 15 и связаны с топливным баком 16 через бензонасос 17. Выходные трубки 11, 13 рабочих анодной 7 и катодной 8 камер также объединены топливопроводом 18, соединенным с двигателем 19. Входные трубки 10 и 14, а также выходные трубки 11 и 13 имеют задвижки, обозначенные соответственно 10-1, 14-1 и 11-1, 13-1 для регулирования объема углеводородного топлива, протекающего через них.
На фиг.2 представлена функциональная схема преобразователя подключенного к источнику питания. В качестве источника питания использована аккумуляторная батарея АБ транспортного средства, которая подключена к силовым входам инвертора 20. Инвертор 20 выполнен на транзисторных ключах, например по мостовой схеме. Первый силовой выход инвертора 20 через LC-фильтр 21, 22 подключен к началу первичной обмотки W1 трансформатора 23. Второй силовой выход инвертора 20 подключен к концу первичной обмотки W1 трансформатора 23. Первая вторичная обмотка W2.1 трансформатора 23 соединена последовательно со второй вторичной обмоткой W2.2, начало которой подключено к аноду первого диода 24, катод которого соединен с анодом А (3 - на фиг.1) электрохимической ячейки 5 фиг.1. Конец первой вторичной обмотки W2.1 подключен к катоду К (4 - на фиг.1) электрохимической ячейки 5 фиг.1. Анод А (3 - на фиг.1) электрохимической ячейки 5 соединен также с анодом второго диода 25, катод которого соединен с коллектором транзистора 26, эмиттер которого подключен к общей точке соединения первой W2.1 и второй W2.2 вторичных обмоток трансформатора 23. Конец первой вторичной обмотки W2.1 подключен к аноду третьего диода 27, катод которого через резистор 28 соединен с базой транзистора 26 и катодом четвертого диода 29, анод которого подключен к эмиттеру транзистора 26. Третья вторичная обмотка W2.3 трансформатора 23 подключена к системе управления СУ инвертором 20, выход которой соединен с управляющем входом 30 инвертора 20. Управляющий вход 30 инвертора 20 образован управляющими входами силовых транзисторов инвертора 20. Анод 3 и катод 4 электрохимической ячейки 5 фиг.1, на фиг.2 обозначены буквами А и К соответственно.
На фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя 2, На фиг.3 показаны: а) сигнал задающего генератора системы управления СУ поступающий на управляющий вход 30 инвертора 20; б) форма выходного напряжения на силовых выходах инвертора 20; в) суммарное синусоидальное напряжение на первой W2.1 и второй W2.2 вторичных обмотках трансформатора 23; г) выходное напряжение преобразователя 2, подаваемое на анод 3 и катод 4 электрохимической ячейки 5. На фиг.3 использованы обозначения: Т - период выходного напряжения инвертора 20; U1m - амплитуда положительной полуволны выходного напряжения преобразователя 2 (фиг.1), U2m - амплитуда отрицательной полуволны выходного напряжения преобразователя 2 (фиг.1); t - временная ось.
Пример конкретного выполнения устройства для обработки жидкого углеводородного топлива, поясняющий его работу, рассмотрен на лабораторной установке с использованием бензина с октановым числом 80. Устройство установлено перед карбюратором ДВС. В устройстве электроды: анод 3 и катод 4 электрохимической ячейки 5 выполнены из нержавеющей стали с диаметром пор 40 мкм, разделительная мембрана 12 выполнена из армированного целлофана. Входные трубки 10, 14 и выходные трубки 11 и 13 имеют соответственно задвижки 10-1, 14-1 и 11-1, 13-1 для регулирования объема жидкого углеводородного топлива, протекающего через них в единицу времени.. Источник питания 1 и преобразователь 2 выполнены, как показано на фиг.2, и обеспечивают амплитуду положительного напряжения 1500 В, амплитуду отрицательного напряжения 120 В, т.е. коэффициент симметрии, равный 0,08 и частоту напряжения, соответствующую максимальной активации бензина 1850 Гц. Бензин с исходным октановым числом 80, (принятым в качестве контроля), из топливного бака 16 с помощью бензонасоса 17 по топливопроводу 15 подается одновременно через входные трубки 10, 14 соответственно во входную анодную камеру 6 и во входную катодную камеру 9 электрохимической ячейки 5. Бензин из входной анодной камеры 6 через поры анода 3 и из входной катодной камеры 9 через поры катода 4, поступает в анодную рабочую 7 и в катодную рабочую 8 камеры. На анод 3 и катод 4 фиг.1 подано переменное синусоидально асимметричное напряжение с резонансной частотой 1850 Гц, (значение которой ранее рассчитано и уточнено экспериментально авторами; на этой частоте тяжелые фракции жидкого углеводородного топлива распадаются на более мелкие), форма которого показана на фиг.3г). Под действием электрического поля, обусловленного этим напряжением с частотой 1850 Гц, бензин подвергается нескольким видам воздействия: электрокапиллярному, электрохимическому. Активированный таким образом бензин через выходные трубки 11-1 и 13-1 рабочих анодной и катодной камер 7 и 8 поступает в магистраль подачи топлива 18, смешивается в ней, подвергаясь механохимической активации, и поступает в ДВС 19. Конструкция устройства для обработки жидкого углеводородного топлива предусматривает и обеспечивает его многоступенчатую комбинированную обработку, и, как следствие, приводит к повышению октанового числа бензина до 92.
Многоступенчатая комбинированная обработка топлива состоит в следующем.
1. Электрокапиллярная активация, осуществляемая при прохождении исходного бензина через поры анода 3 и катода 4, которые находятся под потенциалом, соответственно положительным (анод), отрицательным (катод). В результате этого происходит частичная деструкция наиболее крупных макромолекул углеводородов, сопровождающаяся их деполимеризацией, ионизацией и образованием радикалов. Переменный синусоидальный асимметричный ток, с резонансной частотой 1850 Гц, протекающий через электроды 3, 4 электрохимической ячейки 5, предотвращает их пассивацию (поддержка активного рабочего состояния) и обеспечивает наиболее благоприятные условия для дальнейшей электрохимической активации топлива в рабочих камерах 7, 8. Выполнение электродов из электропроводящего пористого материала (в данном примере из нержавеющей стали) значительно увеличивает поверхность взаимодействия углеводородного топлива за счет развитой поверхности пористых электродов, что приводит к повышению интенсивности активации. Таким образом, рабочая поверхность контактного взаимодействия исходного бензина с пористыми электродами намного превосходит площадь электродов по прототипу [3]. При этом электрокапиллярная активация углеводородного топлива обеспечивает необходимую минимальную и достаточную электропроводимость топлива и является предварительной для последующей электрохимической активации, происходящей в рабочей анодной 7 и рабочей катодной 8 камерах электрохимической ячейки 5. В результате происходит дальнейшая деструкция тяжелых фракций углеводородного топлива на более легкие составляющие.
2. Наличие мембраны 12, обеспечивает раздельное протекание процессов в рабочей катодной 8 и рабочей анодной 7 камерах электрохимической ячейки 5. Активированные анодный и катодный потоки углеводородного топлива, обладающие различной полярностью, в топливопроводе 18 вновь смешиваются в любых пропорциях (за счет регулируемых задвижек 11-1, 13-1) с последующей гомогенизацией и протеканием сложных физико-химических процессов, таких, как рекомбинация зарядов, образование новых макромолекул (олигомеров) и других, что в целом обеспечивают необходимую реакционную способность топлива, и, как следствие, приводит к повышению октанового числа с 80 до 92. При этом материальный баланс обрабатываемого топлива на входе и выходе электрохимической ячейки 5 сохраняется в отличие от прототипа.
Приведенный пример конкретного выполнения устройства для обработки жидкого углеводородного топлива не ограничивает другие возможные примеры его реализации. Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована с использованием известных устройств, блоков, комплектующих и материалов. Заявляемая полезная модель может быть также использована в системах питания двигателей внутреннего сгорания различного типа, турбинных, ракетных и других двигателей.