ДВС С МАГНИТНО-КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И С УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПАРОГЕНЕРАТОРОМ И СПОСОБ ПОДАЧИ ГАЗО-ВОДОВОЗДУШНОЙ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ЭТОГО ДВС
ICE WITH MAGNETIC-CATALYTIC COMBUSTION CHAMBER AND WITH ULTRASONIC STEAM GENERATOR AND METHOD FOR SUPPLY OF GAS-WATER-AIR FUEL MIXTURE TO COMBUSTION CHAMBER OF THIS ICE

Устройство ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания и с ультразвуковым парогенератором относится к двигателестроению и может быть использовано в поршневых двигателях с искровым зажиганием.
Назначением предложенного устройства является организации рабочего процесса поршневого двигателя с искровым зажиганием для повышения мощности и экологичности двигателя за счет улучшения окисления подаваемого топлива в камеру сгорания ДВС, как карбюраторного, так и дизельного типов.
Известно изобретение «Двигатель внутреннего сгорания», патент RU 2345229, публ. 27.01.2009, МПК F02B 43/10, содержащая форсунку с кавитатором подачи и распыления электролита и выполнена с возможностью подачи и распыления смеси электролита и топлива в камеру сгорания. Обеспечивает повышение экономической и экологической эффективности двигателя. Однако электролитом служит водный раствор едкого калия и топлива, или водный раствор этилового спирта, что существенно удорожает и усложнет обслуживание ДВС, а также является агрессивной средой для двигателя. Данное устройство не обеспечивает подачу озонированной водо-воздушной смеси, поэтому качество и объем выработки синтез - газа снижены и имеют худшие характеристики топливной смеси, образуемой в камере сгорания ДВС.
Известно изобретение «Устройство для обработки воздуха топливно-воздушной смеси» патент RU 2229620, опубл 27.05.2004, МПК F02M 27/00, F02B 51/00, в котором используют пластины, образующие магнитное поле таким образом, что между ними и внешней боковой стенкой цилиндра существует зазор для свободного прохода воздуха. Позволяет повысить энергию рабочей среды и экономичности теплосиловых установок и двигателей со снижением концентрации вредных примесей. Однако при воздействии на воздух электрическим или магнитным импульсами происходит только диссоциация молекул кислорода на отрицательные ионы. При этом диссоциации молекул азота не происходит, так как энергия диссоциации молекул азота в два раза выше, чем у кислорода.
Известно изобретение «Способ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием», патент RU 2535308, опубл. 10.12.2010, МПК F02B 19/12, F02B 43/00, в соответствии с которым в камере зажигания обеспечивают температуру 500-700°С, инициируют запуск реакции комбинированной конверсии низших алканов, при этом обеспечивают реакцию комбинированной конверсии за счет давления и соответственно температуры подаваемой газовоздушной смеси. Решает задачу минимальных изменениях в конструкции дизельных двигателей. Однако при этом ограничена сфера его применения - только для дизельных двигателей. Для этого в посадочное место форсунки дизельного двигателя устанавливают адаптер в виде цилиндра, в верхней части которого располагают свечу зажигания, а нижняя часть образует камеру зажигания, соединительным каналом является отверстие под распылитель форсунки. В данном техническом решении используют формирование в камере зажигания водородно-воздушной смеси за счет реакций комбинированной конверсии компонентов газо воздушной смеси в водород и окись углерода, и осуществляют искровое зажигание водородно-воздушной смеси. Однако используют только природные углеводородные газы, в состав которых входят компоненты из группы низших алканов. В данном техническом решении подают смесь моноокиси углерода с водородом, т.е. газо-воздушную смесь, в то время как нет подачи водо-газо воздушной смеси, что приводит к недостаточно высоким показателям сгорания топлива.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Магнитно - каталитическая камера сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с подачей топлива в виде газо-воздушной смеси и способ работы магнитно-каталитической камеры сгорания ДВС» RU №2669529 от 28.09.2017 г. Все физико-химические процессы, происходящие в магнитно-каталитической камере сгорания ДВС описаны подробно в и дано дополнительное описание в случае подачи озонированной водо-воздушной смеси в камеру сгорания ДВС такого типа. Однако в данном техническом решении подают смесь моноокиси углерода с водородом, т.е. газо-воздушной смесь, в то время как нет подачи водо-газо воздушной смеси, что приводит к недостаточно высоким показателям сгорания топлива.
Решаемая задача состоит в том, чтобы с наименьшими затратами при минимальных изменениях в конструкции двигателей с искровым зажиганием получить двигатель с повышенными эксплуатационными характеристиками и простотой в изготовлении.
Сложность решения данной задачи состоит в том, что цикл сжигания топлива в камере сгорания протекает в относительно коротких интервалах времени рабочего хода поршня в камере сгорания, составляющие сотые доли секунды, а также в неодинаковости условий воспламенения смеси по объему камеры.
В настоящее время применяют интенсификацию процесса горения топливовоздушной смеси в камерах ДВС, например, за счет многоискрового, "электронного зажигания" для карбюраторных ДВС и повышение давления воздуха в камерах путем его турбонаддува в дизельных ДВС (см. книгу Якубовского "Автомобиль и охрана окружающей среды", М, 1986, с. 39). В последние годы многие западные автомобильные фирмы стали применять систему "электронного впрыска" топливовоздушной смеси в камеры ДВС, суть которого состоит в автоматическом изменении дозировок топлива и окислителя, однако это сложные и дорогие системы впрыска. Кроме того, на западных автомобилях с искровым зажиганием применяют дорогостоящие химические сотовые катализаторы с платиновым покрытием.
Такие катализаторы не пременимы на ДВС, работающих на этилированном бензине, и в принципе неприменимы для дизельного транспорта ввиду наличия сажевой компоненты, покрывающей каталитическое покрытие и разрушающей ее.
Повышение интенсивности и качества сгорания топливовоздушной смеси требуется достигать достигается в предложенном способе благодаря эффективному силовому Кулоновскому взаимодействию заряженных частиц и радикалов горящей топливовоздушной смеси в электрическом поле, а также благодаря введению "свежих" электронов и ионов что приводит к резкому увеличению центров цепных реакций горения, активному перемешиванию и дроблению частиц топлива и окислителя, многократному повышению скорости горения, и, как следствие, более полному сгоранию топливовоздушной смеси за время рабочего хода поршня.
В следствие вышесказанного изобретательской задачей является подача озонированной водо-воздушной топливной смеси, которая обеспечит более активный тип химической реакции: парокислородную конверсию углеводородов по Тропшу - Фишеру в виде экзотермической магнитно - каталитической химической реакции с образованием синтез-газа.
Технический результат, который достигается в результате предложенного технического решения является обеспечение экономии топлива и более чистого выхлопа ДВС за счет подачи в магнитно - каталитическую камеру сгорания ДВС озонированной водо - воздушной смеси, что обеспечивает увеличение качества и объема выработки синтез - газа, образуемого в камере сгорания ДВС, а камера сгорания которого работает как механический и химический реактор в процессе протекания экзотермической парокислородной магнитно-каталитической плазмохимической реакции.
Данный технический результат получают за счет того, что ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания и с ультразвуковым парогенератором содержит: магнитно-каталитическую камеру сгорания с комбинированным катализатором и постоянными магнитами и автономную топливную аппаратуру, снабженную воздушным фильтром, воздушным коллектором и парогенератором топливной смеси для подачи в камеру сгорания ДВС высоко температурных паров топлива в виде газо-воздушной смеси. Новым является то, что ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания дополнительно снабжен ультразвуковым парогенератором, состоящим из ультразвукового увлажнителя воздуха, вырабатывающего из воды «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от +1°С до +40°С и озонатора. При этом ультразвуковой увлажнитель воздуха и озонатор объединены в корпусе ультразвукового генератора в единый блок, в котором последовательно по потоку воздуха сначала размещают озонатор, а затем ультразвуковой увлажнитель воздуха, образуя ультразвуковой парогенератор. Камера сгорания соединена посредством впускного воздушного коллектора с ультразвуковым парогенераторм и парогенератором топливной смеси, обеспечивая подачу в камеру сгорания газо воздушной топливной смеси и озонированного водяного «холодного тумана» для дополнительного окисления за счет наличия озонированного водяного «холодного тумана» и газо-воздушной топливной смеси с заданной температурой и в расчетной объемной пропорции. Единый блок ультразвукового парогенератора монтируют в системе подачи газо-воздушной топливной смеси после воздушного фильтра ДВС перед воздушным коллектором по ходу газо-воздушной смеси, поступающей в камеру сгорания ДВС. Ультразвуковой увлажнитель ультразвукового парогенератора может быть выполнен различных модификаций, для маломощных ДВС с искровым зажиганием ультразвуковой увлажнитель воздуха выполнен с расходом воды менее 4,5 литров в час, для мощных ДВС - ультразвуковой увлажнитель воздуха выполнен с расходом воды более 4,5 литров в час.
Изобретение в наиболее общем виде иллюстрируется чертежом.
Конкретное конструктивное исполнение не ограничивается показанным на чертеже вариантом исполнения, а также конструктивных вариантов схемы подключения.
На фиг. 1 - показана схема двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием с магнитно-каталитической камерой сгорания и подключенным к нему моноблоком ультразвукового парогенератора состоящим из озонатора встроенного в корпус блока, представляющего ультразвуковой парогенератор и исполняющего функцию устройства по подаче воды в ДВС.
Устройство ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания и с ультразвуковым парогенератором состоит из следующих рабочих элементов, показанных на фиг. 1: воздушный фильтр (1), моноблок ультразвукового парогенератора (2), состоящий из озонатора (3) и встроенного в корпус (4) ультразвукового парогенератора (2) ультразвукового увлажнителя воздуха (5), смеситель (6), впускной воздушный коллектор (7), двигатель внутреннего сгорания (8) с искровым зажиганием, магнитно-каталитическая камера сгорания с комбинированным катализатором и постоянными магнитами (9), парогенератор топливной смеси (10).
Воздушный фильтр (1), моноблок ультразвукового парогенератора (2), смеситель (6), впускной воздушный коллектор (7), и парогенератор топливной смеси (10) являются автономной топливной аппаратурой (11). Парогенератор топливной смеси (10) может быть соединен с впускным воздушным коллектором (7) как через смеситель, так и непосредственно через самостоятельный впускной воздушный коллектор.
Устройство ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания и с ультразвуковым парогенератором работает следующим образом.
Запуск в работу осуществляют в следующей последовательности: после запуска ДВС начинают засасывать воздух в камеру сгорания (9) сначала по потоку воздуха из воздушного фильтра (1), далее по порядку в моноблок ультразвукового парогенератора (2) и одновременно из парогенератора топливной смеси (10). Из моноблока ультразвукового парогенератора (2), состоящего из озонатора (3), где вырабатывается озон, озон обогащает «холодный» туман с размером капель воды не более 1 мкм и с температурой от +1°С до +40°С, вырабатываемый из воды в ультразвуковом увлажнителе воздуха (5), они смешиваются по потоку воздуха и далее озонированная водо-воздушная смесь смешивается с газо-воздушной топливной смесью, вырабатываемой в парогенераторе топливной смеси (10). Затем полученная газо-водо-воздушная топливная смесь через впускной воздушный коллектор (7) поступает в двигатель внутреннего сгорания (8) с искровым зажиганием и магнитно-каталитической камерой сгорания (9).
На каталитической поверхности стенок камеры сгорания (9), под воздействием высокой напряженности магнитного поля, образующегося на остриях конусных поверхностей, в условиях высокого ударного давления и температуры, намного более эффективно проходят экзотермические реакции конвертации низших алканов в водород и окись углерода. Кроме того, газо-водо-воздушная топливная смесь в камере сгорания вступает в реакцию конвертации низших алканов в водород и окись углерода при участии магнитного комбинированного катализатора более равномерно. Это достигается за счет того, что озонированная водо-газо воздушная топливная смесь в камере сгорания обеспечивает увеличение однородности и объема выработки синтез - газа, за счет которого протекает экзотермическая парокислородная магнитно - каталитическая плазмохимическая реакция.
Областью применения способа подачи газо-водо-воздушной топливной смеси в камеру сгорания этого ДВС являются системы подготовки топлива для подачи его в ДВС.
Способ относится к двигателестроению и может быть использовано в поршневых двигателях с искровым зажиганием, работающих как на бедных смесях углеводородных газов, так и на смесях жидких топлив.
Известен «Способ подготовки топлива и устройство для его осуществления», патент RU 2603877, публикация от 10.11.2016, в котором повышение реакционности топлива осуществляют за счет ионизации и возбуждения молекул. Однако при этом не обеспечивают достаточной степени разрушения полимеризованных групп молекул топлива, конструкция устройств не предусматривает полной ионизации всего объема топлива, устройства имеют небольшую площадь соприкосновения топлива и электродов.
Известно изобретение «Способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания», патент RU 2126094, опубл. 10.02.1999, F02M 27/04, в котором предварительно топливо и окислитель обрабатывают в сильном электрическом поле с Е≥1 кВ/см, например, в воздушном и топливном фильтрах, затем электростатически распыляют топливо с регулируемым давлением в камеру сгорания. Позволяет уменьшить неполное сгорание топливовоздушной смеси в камерах двигателя. Однако этот способ предполагает трудные регулировки и дорогое оборудование для получения достаточно сильного электрического поля, вследствие чего получают разброс в характеристиках двигателя и не полное сгорание топлива.
Известно изобретение «Способ подготовки топливной смеси ДВС и устройство для его осуществления», патент RU 2232286, опубл. 10.07.2004, МПК F02M 27/00, F02B 51/00, в соответствии с которым осуществляют воздействие на нее магнитным полем, одновременно с воздействием магнитным полем смесь подвергают обработке катализатором, содержащим элементы 1, 7 и 8 группы Периодической системы. Обеспечивает повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания и снижение содержания токсичных веществ в выхлопных газах. Однако имеет малую эффективность, связанную с неоднородностью смеси и низким уровнем его напряженности поля (5-25 мТл), что приводит к нестабильности параметров в процессе сгорания топливной смеси.
Известна заявка «Способ сжигания топливовоздушной смеси», заявка: 96112333 17.06.1996, опубл. 10.09.1998, МПК F02M 27/04, в соответствии с которым создают воздушную зону, подвергнутую воздействию постоянного электромагнитного поля, подогреваемой до образования потока термомагнитной конвекции кислорода.
Также известен «Способ сжигания топливовоздушной смеси», заявка: 96112333 17.06.1996, опубл. 10.09.1998, МПК F02M 27/04, используемый в двигателях внутреннего сгорания и состоящий в подаче воздуха, обогащенного кислородом в цилиндр через воздухозаборник, а затем создании воздушной зоны, подвергнутой воздействию постоянного электромагнитного поля, подогреваемого до образования потока термомагнитной конвекции кислорода. Однако не используют озон, который предлагается подавать вместо кислорода. Таким образом, используют кислород, который является недостаточно активным окислителем, озон - это более активный окислитель топлива для обеспечения реакции парокислородной конверсии углеводородов в магнитно-каталитической камере сгорания ДВС.
Наиболее близким техническим решением взятым за прототип, является заявка на изобретение «Способ подачи топлива в ДВС», Заявка RU 2016151527, от 26.12.2016, в соответствии с которым осуществляют запуск реакции комбинированной конверсии низших алканов, входящих в состав газовоздушной смеси, в водород и окись углерода (синтез газ), топливо подают в парогенератор, в котором получают газо-воздушную смесь, состоящую из высокотемпературных паров, по меньшей мере, одного вида углеводородного жидкого топлива и воздуха. Однако в этом способе не используют подачу воды в виде «холодного» пара и озон.
Одновременное воздействие на топливную смесь магнитного поля и катализатора в предлагаемом способе, а также подача газо-водо-воздушной топливной смеси заданного расчетного давления и соответствующей температуры в камеру сгорания обеспечивает появление атомарного водорода в камере сгорания, вызывая более полное окисление углеводородного топлива. В устройстве для реализации данного способа необходимо выполнить два условия: - чтобы атомарный водород мог достигнуть камеры сгорания, а также чтобы в объеме камеры сгорания находилась (подавалась) стабильная и равномерно распределенная топливная взвесь. Кроме того, чтобы данная топливная взвесь образовывалась в достаточном количестве, чему также помогает большая площадь катализатора. Однако при выстраивании магнитных моментов атомов топливной смеси, требуется не только большая активная каталитическая площадь, но еще и равномерное распределение атомов топливной взвеси по всему объему камеры сгорания. Тогда рекомбинация топливной взвеси в молекулы водорода увеличится на несколько порядков.
Поскольку в основном во всех типах двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием используют способ подачи жидкого топлива в виде впрыска, то достаточно тонкой и равномерной топливной взвеси в объеме камеры сгорания не получается. И для карбюраторных двигателей и для дизельных двигателей, чем меньше капли в составе воздушно-топливной смеси, тем более однородность, поэтому стремятся повысить однородность нагнетаемого горячего пара топлива и воздуха.
Для этого необходимо получить из смеси жидких топлив паровоздушную смесь, которая является эффективным заменителем жидкого топлива или природного газа. Еще более эффективно работает паро-газо-воздушная топливная смесь. Поскольку паро-газо воздушная топливная смесь - это топливо, состоящее из высокотемпературных паров одного вида или нескольких видов топлива и воздуха, как составного газа, то смесь следует дополнять парами воды для организации частиц смеси, которые имеют разные заряды. При этом реакцию комбинированной конверсии стремятся обеспечить за счет давления и соответствующей температуры подаваемой водо-газо-воздушной смеси в камеру сгорания.
В известных конструкциях воду подают различными способами: либо впрыском под давлением, либо в виде горячего пара от различных парогенераторов. Однако при такой подаче воды капли слишком большие и не создают эффекта разно заряженных частиц.
Если подавать воду в виде «холодного» пара с температурой в пределах от плюс одного до плюс сорока градусов Цельсия, полученного в ультразвуковом парогенераторе, то образуется туман с размером капелек воды не более 1 мкм.
При образовании из воды капелек размером - 1 мкм ультразвуком, капли приобретают отрицательный заряд по аналогии с процессами, происходящими в природе. Например, испарения, исходящие от земли являются отрицательно заряженными и вода испаряется в виде тумана с отрицательным зарядом.
Капельки воды с отрицательным зарядом отталкиваются друг от друга и заряжают воздух в промежутке между этими каплями по закону электростатической индукции положительным зарядом, в результате чего получают стабильный в определенном объеме туман. Если отрицательно заряженные капли воды распределяются в каплях топлива, пар из которого получен в топливном парогенераторе, то взвесь из таких капель, поступающая в камеру сгорания будет также равномерной за счет разных зарядов капель воды и воздуха, расположенного между капель в паро-газо-воздушная топливная смеси.
Данный эффект усиливается, если до подачи в камеру сгорания ДВС «холодный» туман из воды смешать с озоном, полученным из воздуха.
В результате предложенного способа в камеру сгорания ДВС подают озонированную водо-воздушная смесь и газо-воздушную топливную смесь.
Техническим результатом, достигаемым предложенным способом является повышение полноты сгорания топлива.
Для этого используют устройство, описанное выше, с помощью которого подготавливают топливо к более полному сгоранию для повышения мощностных и экономических показателей ДВС за счет разрушения полимеризованных групп молекул топлива и поляризации молекул топлива. Это исключает подачу в камеру сгорания полимеризованных групп молекул топлива, а также повышает реакционность топлива за счет ионизации и возбуждения молекул.
Технический результат достигается за счет того, что применяют способ подачи газо-водо - воздушной топливной смеси в камеру сгорания ДВС с магнитно - каталитической камерой сгорания, состоящий в том, что топливо подают в парогенератор топливной смеси, получают газо-воздушную смесь, состоящую из высокотемпературных паров, по меньшей мере, одного вида углеводородного жидкого топлива и воздуха. Новым является то, что в камеру сгорания подают газо-воздушную смесь и озонированный водяной «холодный туман», с каплями воды не более 1 мкм, которая дополнительно обогащает газо-воздушную смесь водой с образованием водо-газо-воздушной топливной смеси. При этом «холодный» туман обеспечивает стабильный объем водо-газо-воздушной топливной смеси в камере сгорания ДВС по п. 1 за счет равномерного распределения озонированного «холодного тумана» в газо-воздушной топливной смеси посредством отталкивающихся друг от друга отрицательных зарядов всех капель «холодного тумана» и положительных зарядов воздуха в промежутках между каплями по закону электростатической индукции, которые (промежутки) расположены в газо-воздушной топливной смеси в объеме магнитно - каталитической камеры сгорания. За счет этого в камере сгорания ДВС озонированная водо-газо - воздушная топливная смесь образует равномерно распределенную топливную (детонатоционную) смесь.
С помощью предлагаемого способа достигают значительного повышения интенсивности и качества сгорания водо-газо - топливо воздушной смеси благодаря эффективному силовому Кулоновскому взаимодействию заряженных частиц и радикалов горящей топливовоздушной смеси в электрическом поле, а также благодаря обогащению озоном и дополнительных электронов и ионов в «холодном» паре, что приводит к резкому увеличению центров цепных реакций горения, активному перемешиванию и дроблению частиц топлива и окислителя, их равномерному распределению по объему и многократному повышению скорости горения, и, как следствие, более полному сгоранию топливовоздушной смеси за время рабочего хода поршня.