СИСТЕМА СГОРАНИЯ И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СГОРАНИЯ
COMBUSTION SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVING INDICATORS OF COMBUSTION DEVICE

Область техники
Настоящее раскрытие относится к системе сгорания, включающей в себя устройство для сгорания и топливную композицию, добавляемую в устройство для сгорания. Данное раскрытие также относится к способу улучшения показателей устройства для сгорания при помощи топливной композиции.
Предшествующий уровень техники
Несмотря на то, что в последние годы постепенно возрастает использование топливоэффективных гибридных транспортных средств и электрических транспортных средств, о подобной тенденции сообщалось и в отношении транспортных средств с дизельными двигателями внутреннего сгорания.
x
x
Когда дизельный двигатель внутреннего сгорания работает в режиме воздействия взрывного сгорания топлива, вследствие неполного сгорания топлива неизбежно образуются и остаются в образующихся выхлопных газах сгорания токсичные загрязнители, в том числе оксиды азота (NO) и твёрдые частицы (PM), а также несгоревшие или неполностью сгоревшие углеводороды (HC). С целью уменьшения образования указанных токсичных загрязнителей во время работы дизельного двигателя в патентном документе PTL 1 раскрыто формирование плёнки катализатора (такого как никелевый) на внутренней поверхности стенки цилиндра, внутренней поверхности головки цилиндра и верхней поверхности поршня таким образом, что плёнка катализатора будет контактировать с топливом в камере сгорания внутри цилиндра. В результате взаимодействия с плёнкой катализатора, NO в выхлопном газе сгорания могут превращаться в безвредные газообразные азот и кислород, HC может превращаться в воду и диоксид углерода, а количество PM может уменьшаться.
Однако авторы данной заявки обнаружили, что в случае, когда топливом для дизельного двигателя, раскрытого в патентном документе PTL 1, служило традиционно используемое нефтяное масло (как например, лёгкое масло), количество токсичных загрязнителей в выхлопном газе являлось относительно высоким, а эффективность топлива была неудовлетворительной.
В патентном документе PTL 2 раскрыт способ удаления оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе сгорания, который включает в себя взаимодействие выхлопного газа сгорания с водой, содержащей активный водород. Активный водород образуется при использовании магния и кислоты. Было показано, что можно удалять 70
x
масс.% оксидов азота из выхлопного газа сгорания, а это указывает на то, что вода, содержащая активный водород, является эффективной для разложения NO. В патентном документе PTL 2 выхлопной газ сгорания, образующийся в камере сгорания, вводят в реакционный сосуд для взаимодействия с водой, содержащей активный водород.
Список литературы
Патентные документы
PTL 1: Выложенная заявка на патент Японии № 2004-225570
PTL 2: Выложенная заявка на патент Японии № 2013-091056
Сущность изобретения
С учётом вышесказанного, первая цель настоящего раскрытия заключается в разработке системы сгорания, которая может смягчить, по меньшей мере, один из недостатков предшествующего уровня техники.
Согласно данному раскрытию, система сгорания включает в себя устройство для сгорания и топливную композицию, добавляемую в устройство для сгорания.
Устройство для сгорания включает цилиндрический модуль, ограничивающий камеру сгорания, и покрытие, нанесённое на цилиндрический модуль и обращённое в сторону камеры сгорания. Покрытие содержит катализатор, который выбран из группы, состоящей из металла, сплава металла, композита, содержащего оксиды металла, соль металла и их сочетания, в котором металл выбран из группы, состоящей из платины, никеля, кобальта, меди, молибдена, титана и их сочетаний.
Топливная композиция, добавляемая в камеру сгорания устройства для сгорания, включает воду, топливное масло и эмульгирующий агент.
В расчёте на 100 масс.% сочетания воды и топливного масла, вода присутствует в количестве, находящемся в диапазоне от 10 масс.% до 90 масс.%, а топливное масло присутствует в количестве, находящемся в диапазоне от 90 масс.% до 10 масс.%.
Эмульгирующий агент присутствует в количестве, находящемся в диапазоне от 0,5 масс.% до 10 масс.% по отношению к 100 масс.% сочетания воды и топливного масла.
Вторая цель настоящего раскрытия состоит в разработке способа улучшения показателей устройства для сгорания, включающего в себя создание вышеупомянутого устройства для сгорания и добавление вышеуказанной топливной композиции в устройство для сгорания.
Третьей целью данного раскрытия является обеспечение применения вышеуказанной топливной композиции для улучшения показателей вышеупомянутого устройства для сгорания.
Четвёртая цель настоящего раскрытия заключается в разработке способа применения вышеуказанной топливной композиции в качестве топлива для вышеупомянутого устройства для сгорания, при этом способ включает в себя применение топливной композиции в устройстве для сгорания.
Другие признаки и преимущества данного раскрытия станут очевидными в рамках следующего ниже подробного описания варианта (вариантов) осуществления со ссылкой на сопроводительный чертёж.
Краткое описание чертежей
Фиг. l представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий вариант воплощения дизельного двигателя согласно раскрытию.
Описание вариантов осуществления
Следует понимать, что, если в настоящем документе имеется ссылка на какую-либо публикацию предшествующего уровня техники, такая ссылка не является основанием для допущения, что настоящая публикация образует часть сведений, общеизвестных в данной области техники на Тайване или любой другой стране.
Для цели данного описания будет явно понятно, что слово «содержащий» означает «включающий в себя, но не ограниченный чем-либо», и что слово «содержат (содержит)» имеет аналогичное значение.
Если не указано иного, все технические и научные термины, употребляемые в настоящем документе, имеют значение, обычно подразумеваемое специалистом в области техники, к которой относится данное изобретение. Специалист в данной области техники признает многие способы и материалы аналогичными, эквивалентными описанным в настоящем документе, которые можно использовать при практическом воплощении настоящего изобретения. Действительно, настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными способами и материалами.
В настоящем раскрытии предлагается система сгорания, включающая в себя устройство для сгорания и топливную композицию, добавляемую в устройство для сгорания, т.е. применение данной композиции в качестве топлива для устройства, предназначенного для сгорания. Топливная композиция включает воду, топливное масло и эмульгирующий агент. В определённых вариантах воплощения топливная композиция по существу состоит из воды, топливного масла и эмульгирующего агента. В приведённом в качестве примера варианте осуществления топливная композиция состоит из воды, топливного масла и эмульгирующего агента.
Топливную композицию данного раскрытия можно использовать с целью эффективного улучшения показателей устройства для сгорания. С учётом вышесказанного, в настоящем раскрытии также предлагается способ улучшения показателей устройства для сгорания, включающий в себя создание устройства для сгорания и добавление топливной композиции в устройство для сгорания.
Согласно данному раскрытию, улучшение показателей устройства для сгорания можно определять, например, по одной или нескольким характеристикам: снижение выбросов загрязнителя в выхлопном газе и повышение эффективности топлива.
x
Примеры загрязнителей могут включать в себя оксиды азота (NO), несгоревшие или неполностью сгоревшие углеводороды (HC), твёрдые частицы (PM) и их сочетания, но не ограничиваются ими.
Употребляемый в настоящем документе термин «эффективность топлива» относится к эффективности, с которой химическая потенциальная энергия, содержащаяся в топливе, преобразуется в термическую энергию (например, тепло), кинетическую энергию, электрическую энергию и/или работу в ходе химического превращения, претерпеваемого топливом, (например, при сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания для генерирования кинетической энергии и/или работы, при сгорании топлива в двигателе внешнего сгорания для производства работы и/или электричества, либо при сгорании топлива в котле, работающем на дизельным масле, с целью генерирования горячего пара для поддержания тепла). Например, эффективность топлива можно измерять способами, идентифицируемыми специалистом в данной области техники, такими как измерение количества работы или тепла, воплощаемых за счёт химического превращения топлива (например, измерение расстояний (например, в милях или километрах) пробега, который может обеспечивать двигатель внутреннего сгорания; измерение количества (например, в Дж или калориях) работы или тепла, которое может обеспечивать двигатель внешнего сгорания, или объёма горячего пара для поддержания тепла, который может генерировать котёл, работающий на дизельным масле, при сгорании данного объёма (в галлонах или литрах) топлива).
В определённых вариантах осуществления топливную композицию готовят путём добавления топливного масла в смесь воды и эмульгирующего агента. Поскольку эмульгированное топливо (т.е. эмульгированное в воде топливо) является некоррозионным водным раствором, топливная композиция данного раскрытия не будет вызывать коррозию камеры сгорания устройства для сгорания.
Согласно настоящему раскрытию, топливное масло может представлять собой обычный нефтепродукт, который может служить топливом устройства для сгорания. Примеры топливного масла, подходящего для применения в данном раскрытии, могут включать в себя тяжёлое масло, лёгкое масло, керосин, дизельное топливо и их сочетания, но не ограничиваются ими.
Согласно настоящему раскрытию, эмульгирующим агентом может являться любое вещество, способное превращать топливное масло в вещество, смешивающееся с водой. Примеры эмульгирующего агента, подходящего для применения в данном раскрытии, могут включать в себя одно или несколько из следующих веществ:
3
20
(1) амфифильные соединения, такие как органическое основание, содержащее сильные основные функциональные группы (высокая основность), например, алкилбензолсульфонат магния, содержащий C-C-алкильную группу; и
(2) композицию, включающую в себя липофильное соединение (например, сложные эфиры сорбитана (называемые также продуктами Span) и гидрофильное соединение (например, полисорбаты (известные также как продукты Tween)), как например, смесь продуктов Span 80 и Tween 80 (в массовом отношении 1:1) или смесь продуктов Span 80 и Tween 60 (в массовом отношении 1:1).
В определённых вариантах осуществления топливная композиция включает в себя от 10 масс.% до 90 масс.% воды в расчёте на 100 масс.% сочетания воды и топливного масла. В других вариантах осуществления вода присутствует в количестве, находящемся в диапазоне от 10 масс.% до 50 масс.% в расчёте на 100 масс.% сочетания воды и топливного масла.
В определённых вариантах осуществления топливная композиция включает в себя от 0,5 масс.% до 10 масс.% эмульгирующего агента по отношению к 100 масс.% сочетания воды и топливного масла. В других вариантах осуществления эмульгирующий агент присутствует в количестве, находящемся в диапазоне от 0,5 масс.% до 2 масс.% по отношению к 100 масс.% сочетания воды и топливного масла.
Согласно настоящему раскрытию, топливная композиция может дополнительно включать газообразный водород, который является эффективным для повышения эффективности топлива. В определённых вариантах осуществления концентрация газообразного водорода находится в диапазоне от 5 ч/млн до 10 ч/млн.
В определённых вариантах осуществления топливную композицию можно подвергать осцилляционной обработке с использованием, например, высокочастотных электромагнитных волн или ультразвуковых волн, для диспергирования молекулярных агрегатов топливного масла и воды, повышая за счёт этого эффективность топлива.
Устройство для сгорания включает цилиндрический модуль, ограничивающий камеру сгорания, и покрытие, нанесённое на цилиндрический модуль и обращённое в сторону камеры сгорания (т.е. нанесённое на внутреннюю поверхность цилиндрического модуля).
Примеры устройства для сгорания, подходящие для применения в данном раскрытии, могут включать в себя двигатель внутреннего сгорания (такой как дизельный двигатель, используемый в транспортном средстве, дизельный генератор и т.д.); двигатель внешнего сгорания, котёл, печь и турбину для генерирования работы и электричества, а также котёл на дизельном масле (топка) для генерирования горячего пара с целью поддержания тепла, но не ограничиваются ими.
В приведённом в качестве иллюстрации варианте осуществления используется дизельный двигатель, служащий примером устройства для сгорания. Обращаясь к фиг. 1, можно видеть, что вариант воплощения дизельного двигателя включает в себя цилиндрический модуль 1, ограничивающий камеру 3 сгорания, и покрытие 2, нанесённое на цилиндрический модуль 1 и обращённое в сторону камеры 3 сгорания (т.е. нанесённое на внутреннюю поверхность цилиндрического модуля 1).
Покрытие 2 содержит катализатор, например, металл, сплав металла, композит, содержащий оксиды металла, соль металла или их сочетания. Примеры металла включают платину, никель, кобальт, медь, молибден, титан и их сочетания.
Употребляемый в настоящем документе термин «сплав металла» относится к сплаву, содержащему платину, никель, кобальт, медь, молибден и/или титан. Примеры сплава, содержащего металл, подходящий для использования в настоящем раскрытии, включают в себя никель-кобальтовый сплав, никель-медный сплав, никель-титановый сплав и их сочетания, но не ограничиваются ими.
Употребляемый в настоящем документе термин «композит, содержащий оксиды металла» относится к композиту, содержащему оксиды платины, оксиды никеля, оксиды кобальта, оксиды меди, оксиды молибдена и/или оксиды титана. Примеры композита, содержащего оксиды металла, подходящего для использования в настоящем раскрытии, включают в себя композит, содержащий оксиды никеля и оксиды кобальта, но не ограничиваются ими.
Употребляемый в настоящем документе термин «соль металла» относится к соли платины, соли никеля, соли кобальта, соли меди, соли молибдена и/или соли титана, которая способна служить катализатором. Согласно настоящему раскрытию, соль металла может представлять собой оксид металла, сульфид металла или их сочетание. Неограничивающим примером оксида металла является монооксид никеля. Неограничивающим примером сульфида металла является сульфид никеля.
В определённых вариантах осуществления покрытие 2 дополнительно содержит сульфат-ионы. Сульфат-ионы могут быть нанесены на цилиндрический модуль 1 любым подходящим способом, таким как нанесение покрытия методом распыления, нанесение покрытия методом напыления и сжигание серосодержащих компонентов в топливном масле для образования сульфатов металлов, которые осаждаются на цилиндрическом модуле 1.
В указанном варианте осуществления цилиндрический модуль 1 включает в себя цилиндр 11, головку 12 цилиндра и поршень 13. Головка 12 цилиндра запирает верхний конец цилиндра 11. Поршень 13 смонтирован в цилиндре 11 с возможностью возвратно-поступательного движения, расположен на расстоянии от головки 12 цилиндра и запирает нижний конец цилиндра 11. Цилиндр 11, головка 12 цилиндра и поршень 13 совместно ограничивают камеру 3 сгорания.
Каждый из элементов: цилиндр 11, головка 12 цилиндра и поршень 13, имеет соответственную внутреннюю поверхность 110, 120, 130, обращённую в сторону камеры 3 сгорания, указанные поверхности являются частями внутренней поверхности цилиндрического модуля 1.
В указанном варианте осуществления покрытие 2 нанесено на внутреннюю поверхность 120 головки 12 цилиндра. Следует отметить, что расположение покрытия 2 не ограничивается раскрытым в данном варианте осуществления, и его можно изменять с целью удовлетворения фактическим требованиям. Например, покрытие 2 может быть нанесено по меньшей мере на одну из внутренних поверхностей 110, 120, 130 цилиндра 11, головки 12 цилиндра и поршня 13.
Головка 12 цилиндра включает в себя впускной клапан 121, который может открываться для введения потока внешнего воздуха в камеру 3 сгорания, форсунку 122 для впрыска топлива, предназначенное для подачи топливной композиции в камеру 3 сгорания, и выпускной клапан 123, который может открываться для обеспечения возможности выхлопным газам покидать камеру 3 сгорания.
Двигатель сгорания может работать по четырёхтактному циклу:
(1) Впуск: Выпускной клапан 123 закрыт, а впускной клапан 121 открыт. В то же самое время поршень 13 скользит вниз в направлении от головки 12 цилиндра (т. e. от верхней мёртвой точки к нижней мёртвой точке) для введения потока внешнего воздуха в камеру 3 сгорания через впускной клапан 121.
(2) Сжатие: На данной ступени закрыты и впускной, и выпускной клапаны 121, 123. Поршень 13 скользит вверх в направлении от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке для сжатия воздуха в камере 3 сгорания.
(3) Сгорание/расширение: Топливная композиция впрыскивается из форсунки 122 для впрыска топлива в камеру 3 сгорания, а затем воспламеняется под действием тепла, которое выделяется в результате сильного сжатия. На данной ступени давление в камере 3 сгорания не ниже 100 атм, а температура не ниже 2000°C. Образующиеся при этом газы сгорания принудительно возвращают поршень 13 в нижнюю мёртвую точку (т.е. в направлении от головки 22 цилиндра), вырабатывая посредством этого кинетическую энергию.
(4) Выпуск (выброс): Поршень 13 возвращается из нижней мёртвой точки в верхнюю мёртвую точку, при этом выпускной клапан 123 открывается. Газы сгорания вытесняются за пределы камеры 3 сгорания через выпускной клапан 123.
x
x
Вне желания связывать себя какой-либо теорией полагают, что на ступени сгорания топливная композиция данного раскрытия может образовывать газообразные водород и кислород по окислительно-восстановительной реакции, которая активируется катализатором покрытия 2, нанесённого на цилиндрический модуль 1. Вместе с тем, токсичные NO и HC, образующиеся в результате неполного сгорания топливной композиции, превращаются в безвредные газообразный азот, газообразный кислород, воду и диоксид углерода. В дополнение к этому, частицы PM могут реагировать с горячим паром (полученным из воды при сгорании топливной композиции) при высокой температуре (т.е. по реакции образования синтез-газа) с образованием диоксида углерода и газообразного водорода. Ввиду этого, количество указанных загрязнителей (NO, HC и PM) в газе сгорания можно существенно уменьшать. Топливное масло в топливной композиции также может почти полностью сгорать с высвобождением мощной взрывной силы и большого количества тепла в целях значительного уменьшения расхода топлива без понижения крутящего момента на валу при одинаковой скорости вращения двигателя, за счёт чего улучшается эффективность топлива.
Настоящее раскрытие будет дополнительно описано в виде следующих ниже примеров и сравнительного примера. Однако следует понимать, что следующие ниже примеры и сравнительный пример предназначены лишь для цели иллюстрации и не должны истолковываться как ограничивающие данное раскрытие на практике.
Примеры
Пример
Топливную композицию, служащую топливом, которую получают путём смешения воды, лёгкого масла и эмульгирующего агента (т.е. амфифильного соединения, имеющего высокую основность) в массовом отношении 30:70:1, добавляли в дизельный двигатель, показанный на фиг. 1, в котором катализатором покрытия 2 является никель.
x
Дизельный двигатель, заполненный топливной композицией, подвергали испытанию в рабочих условиях с использованием моторного транспортного средства с двигателем, имеющим четырёхскоростную коробку передач, при скорости вращения двигателя 2000 об/мин и коэффициенте нагрузки двигателя 60%. Определяли остаточные количества NO и HC в газе сгорания, крутящий момент на валу (кгс·м) и средний расход топлива (л/ч). Чем ниже средний расход топлива, тем выше эффективность топлива.
Сравнительный пример
Сравнительный пример проводили аналогично указанному примеру, за исключением того, что топливом для дизельного двигателя служило лёгкое масло.
Результаты
Результаты, полученные в случае примера и сравнительного примера, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Пример
Сравнительный пример
Остаточное количество NO<sub>x</sub> (ч/млн)
74
135
Остаточное количество HC (ч/млн)
0
9
Крутящий момент на валу (кгс·м)
23
22
Средний расход топлива (л/ч)
0,85
5,8
x
Из таблицы 1 можно видеть, что в сопоставлении со сравнительным примером, в представленном примере, где в качестве топлива дизельного двигателя используется топливная композиция, образуется меньше загрязнителя (такого как NO и HC) и демонстрируется более низкий расход топлива (т.е. более высокая эффективность топлива) при аналогичном крутящем моменте на валу и одинаковой скорости вращения двигателя. Это указывает на то, что топливная композиция настоящего раскрытия, которая состоит из воды, топливного масла и эмульгирующего агента, способна улучшать показатели устройства для сгорания с катализатором (таким как Ni), нанесённым в виде покрытия на его блок цилиндров.
В описании, представленном выше, в целях пояснения изложены многочисленные конкретные подробности с целью обеспечения полного понимания варианта (вариантов) осуществления. Однако для специалиста в данной области техники будет очевидно, что один или несколько других вариантов осуществления можно воплощать на практике без использования некоторых из указанных конкретных деталей. Также следует принимать во внимание, что на всём протяжении данного описания ссылка на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», вариант осуществления с указанием порядкового номера и так далее означает, что конкретный признак, структура или характеристика могут быть включены в практику применения данного раскрытия. Следует дополнительно принимать во внимание, что в данном описании различные признаки иногда сгруппированы вместе в одном варианте осуществления, фигуре или их описании с целью упрощения данного раскрытия и способствования пониманию различных аспектов изобретения, и что один или несколько признаков или конкретных деталей, взятых из одного варианта осуществления, можно применять на практике, где это целесообразно, вместе с одним или несколькими признаками или конкретными деталями, взятыми из другого варианта осуществления, в практике воплощения данного раскрытия.
Хотя настоящее раскрытие описано в связи с тем, что считается типичным вариантом осуществления, понятно, что данное раскрытие не ограничивается раскрытым вариантом осуществления, а предназначено для охвата различных схем размещения, включённых в пределы сущности и объёма самого широкого толкования, с целью объединения в себе всех таких модификаций и эквивалентных схем размещения.
Настоящая заявка основывается на тайваньской приоритетной заявке на патент № 107130483, поданной 31 августа 2018 г., всё содержание которой включено в данный документ в виде ссылки, и по ней испрашивается преимущество приоритета настоящей заявки.
Список обозначений позиций
1
блок цилиндров
2
покрытие
3
камера сгорания
11
цилиндр
12
головка цилиндра
13
поршень
110, 120, 130
внутренние поверхности