УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ ПЕРЕД СЖИГАНИЕМ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ

Полезная модель относится к системам питания теплоэнергетических агрегатов, преимущественно двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с карбюраторной системой питания или с системой центрального впрыска топлива, конкретнее к устройствам предварительной обработки углеводородной топливовоздушной горючей смеси (ТВГС) перед непосредственной подачей в камеру сгорания путем физического воздействия на ее компоненты электрическим и магнитным полями с целью повышения эффективности сгорания.
В основу оценки эффективности известных аналогов полезной модели и принципа ее построения положена следующая аксиома.
Наибольшая эффективность электромагнитополевых внешних физических воздействий на процесс смесеобразования будет возрастать при комплексной реализации следующих взаимосвязанных процессов: активация молекул топлива и кислорода воздуха и гомогенизация ТВГС (разрушение сгустков молекул топлива и качественное перемешивание их с воздухом). Причем в идеальном случае процессы активации и гомогенизации горючей смеси должны завершаться в очень короткие промежутки времени в ограниченном пространстве, до поступления ее в зону разветвления впускного трубопровода двигателя. Имеющийся в настоящее время широкий спектр технических решений свидетельствует о том, что даже частичное применение указанных процессов позволяет реализовать значительную долю имеющегося резерва повышения экологических и энергетических показателей двигателей за счет рациональной организации и интенсификации процессов образования ТВГС.
Известно техническое решение активации молекул кислорода воздуха ТВГС за счет физического воздействия электрическим полем на воздух, потребляемый ДВС (Патент РФ №2 464 441, МПК F02M 27/04. Ионизатор воздуха для двигателя внутреннего сгорания / Чащин Е.А., Яковлев О.А., Молокин Ю.В. дата опубл. 20.10. 2012 г), содержащее цилиндрический корпус, образующий канал для прохождения воздуха, и расположенные в нем изолированные друг от друга коронирующие электроды положительной и отрицательной полярности, подключенные к источнику высоковольтного напряжения. Ионизатор устанавливается в разрыв всасывающего воздушного патрубка ДВС до смесеобразующего устройства (карбюратор, впускной коллектор).
Известно также техническое решение активации молекул топлива ТВГС за счет физического воздействия на него магнитным полем (Патент на полезную модель РФ №:138 122, МПК F02M 27/04. Проточный магнитный активатор топлива / Дудышев В.Д. дата опубл. 27.02. 2014 г.), содержащее диэлектрический цилиндрический корпус, образующий канал для прохождения топлива, внутрь которого вставлены постоянные магниты с осевой намагниченностью одноименными магнитными полюсами навстречу друг другу. Активатор устанавливается в разрыв топливопровода ДВС до смесеобразующего устройства (карбюратор, инжектор).
Недостатком указанных технических решений является низкая эффективность, так как каждое из них не реализует в единой совокупности весь комплекс взаимосвязанных процессов формирования высокоэффективной ТВГС: активация молекул топлива и кислорода воздуха, разрушение сгустков молекул топлива и перемешивание их с воздухом. Поэтому эффективность сгорания топлива при этом возрастает незначительно.
Прототипом является устройство для активации углеводородных топливовоздушных горючих смесей путем физического воздействия на их компоненты электрическим и магнитным полями (Патент РФ №2 409 757, МПК F02M 27/04. Устройство для подготовки рабочей смеси перед ее сжиганием в двигателе внутреннего сгорания. / Лачугин В.И., Шумилин В.К., Кочетов О.С, дата опубл. 20.01.2011 г.), включающее в себя два основных блока: блок обработки (активации) топлива магнитным полем и блок обработки (активации) воздушной смеси в электрическом поле с последующим смешением активированных топливной и воздушной составляющих в камере смешения штатного карбюратора. Блок обработки (активации) топлива магнитным полем содержит диэлектрический цилиндрический корпус, образующий канал для прохождения топлива, внутри которого размещены постоянные магниты с осевой намагниченностью одноименными магнитными полюсами навстречу друг другу, и исходно монтируется в разрыв штатного топливопровода ДВС до смесеобразующего устройства (карбюратора). Блок обработки воздушной смеси в электрическом поле содержит разрядную камеру, внутри которой размещены коронирующие электроды, подключенные к источнику высоковольтного напряжения, и исходно выходом соединен с входом штатного воздушного фильтра ДВС.
Основным недостатком устройства-прототипа является невысокая эффективность дробления сгустков молекул топлива, которое происходит только за счет поляризационных деформаций молекул при их движении в полярнопеременном магнитном поле, а динамика этих деформаций слаба из-за сильных внутримолекулярных связей. Это негативно отражается на качестве гомогенизации формируемой ТВГС, так как смешивание активированных топлива и воздушной среды осуществляется традиционным способом (движущимся потоком воздуха) в штатном карбюраторе ДВС.
Указанные недостатки устройства-прототипа не позволяют в полной мере использовать потенциал улучшения основных показателей теплоэнергетических агрегатов: повышение топливной экономичности, снижение токсичности выхлопных газов за счет совершенствования смесеобразования с использованием электромагнитополевых технологий.
Кроме того, недостатком устройства-прототипа является значительная удаленность разрядной камеры блока обработки (активизации) воздушной смеси в электрическом поле от камеры смешивания активированных топлива и воздушной среды (карбюратора), а также сложность конструкции тракта прохождения активированной воздушной среды (через штатный воздушный фильтр ДВС), что приводит к существенному ослаблению ее активности со временем на пути в зону разветвления впускного трубопровода двигателя.
Задачей заявленной полезной модели является разработка устройства, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение эффективности дробления сгустков молекул топлива и их активации, улучшение гомогенности формируемой ТВГС, а также минимизация ослабления активности ее компонентов со временем на пути движения по тракту в зону разветвления впускного трубопровода двигателя и, как следствие, сокращение расхода топлива и снижение токсичности выхлопных газов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для подготовки топливовоздушной горючей смеси перед сжиганием в теплоэнергетическом агрегате, содержащем корпус, электрополевой активатор воздуха и магнитополевой активатор топлива, при этом электрополевой активатор воздуха содержит коронирующие электроды, подключенные к источнику высоковольтного напряжения, а магнитополевой активатор топлива содержит блок полярнопеременных постоянных магнитов, согласно настоящей полезной модели, электрополевой активатор воздуха и магнитополевой активатор топлива объединены в общий тракт формирования топливовоздушной горючей смеси и размещены в общем корпусе, который изготовлен из диэлектрического немагнитного термостойкого материала, при этом внутри верхней части корпуса, подключенной к выходу воздушного фильтра теплоэнергетического агрегата, расположены коронирующие электроды, средняя часть корпуса подключена к топливному дозирующему устройству теплоэнергетического агрегата, на внешней поверхности нижней части корпуса, подключенной к впускному трубопроводу теплоэнергетического агрегата, расположен блок полярнопеременных постоянных магнитов, создающих внутри корпуса полярнопеременное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению движения потока топливовоздушной горючей смеси.
Сущность заявленной полезной модели поясняется фиг. 1, на которой представлен возможный вариант реализации предлагаемого устройства.
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - электрополевой активатор воздуха,
2 - магнитополевой активатор топлива,
3- коронирующие электроды положительной и отрицательной полярности,
4 - источник высоковольтного напряжения,
5 - блок полярнопеременных пар постоянных магнитов,
6 - корпус,
7 - воздушный фильтр теплоэнергетического агрегата,
8 - топливное дозирующее устройство, например, топливная форсунка теплоэнергетического агрегата,
9 - впускной трубопровод теплоэнергетического агрегата.
Устройство для подготовки топливовоздушной горючей смеси перед сжиганием в теплоэнергетическом агрегате содержит корпус 6 электрополевой активатор воздуха 1 и магнитополевой активатор топлива 2.
Электрополевой активатор воздуха 1 содержит коронирующие электроды 3, подключенные к источнику 4 высоковольтного напряжения, а магнитополевой активатор топлива 2 содержит блок полярнопеременных пар постоянных магнитов 5.
Отличием заявленного устройства для подготовки топливовоздушной горючей смеси перед сжиганием в теплоэнергетическом агрегате является то, что электрополевой активатор воздуха 1 и магнитополевой активатор топлива 2 объединены в общий тракт формирования топливовоздушной горючей смеси и их составные элементы, создающие электрическое поле (изолированные друг от друга коронирующие электроды 3 положительной и отрицательной полярности) и магнитное поле (блок полярнопеременных пар постоянных магнитов 5), размещены в общем корпусе 6, который изготовлен из диэлектрического немагнитного термостойкого материала.
Внутри верхней части корпуса 6, подключенной к выходу воздушного фильтра 7 теплоэнергетического агрегата, расположены коронирующие электроды 3.
Средняя часть корпуса 6 подключена к топливному дозирующему устройству 8, например, к форсункее теплоэнергетического агрегата.
На внешней поверхности нижней части корпуса 6, подключенной к впускному трубопроводу 9 теплоэнергетического агрегата, расположен блок полярнопеременных пар постоянных магнитов 5, создающих внутри корпуса 6 полярнопеременное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны направлению движения потока топливовоздушной горючей смеси.
Работает устройство для подготовки топливовоздушной горючей смеси перед сжиганием в теплоэнергетическом агрегате следующим образом.
Исходно устройство монтируют между выходом воздушного фильтра 7 и впускным трубопроводом 9 теплоэнергетического агрегата. При прохождении воздуха в зоне между сетчатыми коронирующими электродами 3 отрицательной и положительной полярности под действием электрического поля высокой напряженности происходит озонирование и ионизация воздуха. Присутствие молекул озона в ТВГС снижает выход СО в процессе сгорания и, следовательно, снижает концентрацию вредных примесей в выхлопных газах, а присутствие ионов кислорода в ТВГС снижает температуру ее воспламенения и способствует ее более полному сгоранию, т.е. повышается калорийность ТВГС, что и обеспечивает уменьшение удельного расхода топлива (см. стр. 339, 436 в книге В.Н. Кондратьев, Е.Е. Никитин. Кинетика и механизм газофазных реакций. М. «Наука». 1974). Исходное неактивированное топливо подается через топливную форсунку 8 внутрь корпуса 6 и поступает на магнитную обработку в полярнопеременное магнитное поле постоянных сверхмощных неодимовых магнитов 5. При прохождении топлива через сильное полярнопеременное магнитное поле его молекулы, подвергаясь знакопеременным поляризационным деформациям, активируются, совершая при этом еще и резкие колебательные движения.
Появление возбужденных электрическим полем молекул воздушной среды и магнитным полем молекул топлива уменьшает энергию активации окисления, что способствует увеличению теплоты и качества сгорания.
Кроме того, в результате резких колебаний всех молекул топлива в сгустках, связи между молекулами рвутся, при этом топливо приобретает структуру, состоящую из отдельных, не связанных между собой молекул, к которым облегчен доступ молекул кислорода в процессе сгорания топлива.
Горение каждой отдельной молекулы происходит по всей ее поверхности, причем площадь горения всех отдельных молекул больше площади горения такого же количества молекул, но связанных между собой в сгусток.
Таким образом, при горении одного и того же количества топлива, объем продуктов сгорания будет больше у той структуры топлива, которая состоит из отдельных, не связанных между собой молекул. Горение топлива, состоящего из отдельных молекул, значительно увеличивает мощность теплоэнергетического агрегата и уменьшает токсичность отработанных газов. Однако из-за сильных внутримолекулярных связей топлива интенсивность колебаний молекул вызываемых их поляризационной деформацией слаба. Это снижает потенциал улучшения основных показателей теплоэнергетического агрегата: повышение топливной экономичности, снижение токсичности отработанных газов за счет совершенствования смесеобразования с использованием
электромагнитополевых технологий, что свойственно прототипу.
В заявленной полезной модели активированный воздух также поступает в полярнопеременное магнитное поле магнитов 5. Ионизированные молекулы кислорода воздуха, проходя через магнитополевой активатор топлива 2, подвергаются также знакопеременному силовому воздействию магнитным полем и начинают совершать более интенсивные колебательные движения, чем поляризуемые молекулы топлива.
Взаимные колебания активизированных компонентов горючей смеси приводят к их соударениям с более эффективным расщеплением сгустков молекул топлива с одновременным интенсивным перемешиванием, что способствует повышению качества смешивания активированных компонентов горючей смеси и, как следствие, к улучшению гомогенности ТВГС.При горении смеси подобного состава существенно увеличивается полнота сгорания смеси, особенно той ее части, которая без применения описываемого технического решения выбрасывалась несгоревшей из ДВС. Это принципиально отличительный признак данной полезной модели.
Таким образом, разработана новая эффективная система смесеобразования, максимально реализующая потенциал улучшения основных показателей теплоэнергетических агрегатов: повышение топливной экономичности, снижение токсичности выхлопных газов за счет совершенствования смесеобразования с использованием электромагнитнополевых технологий.
Разработанный новый смесеобразовательный тракт реализует весь комплекс взаимосвязанных процессов формирования высокоэффективной ТВГС: активирование молекул топлива и кислорода воздуха и гомогенизация горючей смеси (разрушение сгустков молекул топлива и качественное перемешивание их с воздухом) с максимальным использованием электромагнитополевых технологий и с минимальной потерей активности компонентов горючей смеси на пути ее движения по тракту в зону разветвления впускного трубопровода двигателя. Эти существенные отличия заявленной полезной модели повышают эффективность электромагнитополевых воздействий на смесеобразование и, как следствие, способствуют более полному сжиганию топлива, улучшая экологические и энергетические показатели теплоэнергетического агрегата, снабженного данным устройством.
Экспериментальный вариант устройства включал в себя корпус 6 трубчатой формы, выполненный из стеклоуглерода, изолированные друг от друга коронирующие электроды 3 положительной и отрицательной полярности, выполненные из нитей нержавеющей стали в виде «сетка-сетка», блок постоянных магнитов 5, состоящий из восьми полярнопеременных пар неодимовых магнитов прямоугольной формы с остаточной магнитной индукцией Br=1250 мТ и коэрцитивной силой Нс≥955 К.А/м., и стандартной блок электронного зажигания автомобиля, выполняющий функции источника 4 высоковольтного напряжения.
Проверка экспериментального варианта устройства проводилась на приводном двигателе бензоэлектрического агрегата АБ-2-О/230, используемого в качестве автономной станции электропитания. Устройство устанавливалось в разрез штатного тракта формирования ТВГС между воздушной и дроссельной заслонками (на фиг. 1 не показаны) двигателя.
По результатам проведенных испытаний выявлено, что при использовании экспериментального варианта устройства мощность приводного двигателя увеличилась на 3,9%, удельный расход топлива уменьшился на 6,2%, содержание углекислого газа в выхлопных газах снизилось на 13%, содержание углеводородов снизилось на 17%.
Заявленное устройство для подготовки топливовоздушной горючей смеси перед ее сжиганием обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, обеспечивает достижение усматриваемого заявителем результата и может быть с успехом применено в двигателях внутреннего сгорания с карбюраторной системой питания или с системой центрального впрыска топлива, а также в топливных горелках любых теплоэнергетических агрегатов, не требуя радикальных изменений в их конструкции.