ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ ИОНИЗАТОР ТОПЛИВА
ELECTRIC PULSE IONISER OF FUEL

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для деполимеризации и ионизации жидкого топлива, поэтому может найти применение в топливных системах двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для улучшения основных показателей работы двигателя и снижения токсичности отработанных газов.
Необходимость разработки технических устройств для предварительной подготовки топлива определяется тем, что в существующих конструкциях ДВС подаваемое топливо сгорает не в полном объеме, частично оно преобразуется в нагар (отложение смол, битума и парафинов) на деталях двигателя, частично несгоревшее топливо попадает в картер двигателя через зазоры между поршнем и цилиндром, растворяется в моторном масле и снижает его смазочные свойства, наконец, несгоревшее топливо частично выбрасывается в атмосферу в виде сажи и токсичных веществ.
Известные и применяемые ныне в ДВС устройства используют различные способы предварительной подготовки топлива. Одним из наиболее известных способов является ионизация молекул топлива. Суть данного способа сводится к тому, что молекулы топлива предварительно ионизируются (поляризуются) для того, чтобы добиться эффекта отталкивания молекул друг от друга, которые, затем попадая в камеру сгорания двигателя, быстро газифицируются и активно участвуют в реакции горения, повышая в целом полноту сгорания топлива за счет ионизации (возбуждения) молекул подготовленного топлива.
Ныне известно много устройств для поляризации топлива, например, патенты на полезную модель РФ №43922, 76393, 80512, 82004, 107292, 138109 и изобретения РФ №2041367, 2066380, 2078241. Названные устройства имеют полый диэлектрический корпус, через который пропускается топливо, при этом в полости корпуса размещаются электроды, которые ионизируют подаваемое топливо. Отличаются эти устройства друг от друга формой электродов и их взаимным расположением.
Однако несмотря на получаемый эффект все эти устройства имеют недостатки. Основным недостатком данных устройств является неполная ионизация топлива, пропускаемого через диэлектрический корпус, поскольку эти устройства имеют относительно небольшую площадь соприкосновения топлива и электродов, кроме того в этих устройствах используется только незначительная часть напряженности электрического поля. Другим существенным недостатком названных устройств является то, что они не обеспечивают достаточную степень разрушения устойчивых полимеризованных групп молекул топлива, что, естественно, понижает эффективность использования способа ионизации топлива. Указанные здесь недостатки снижают степень поляризации молекул топлива, что не позволяет достигать какого-либо существенного эффекта для газификации жидкого топлива и последующего его сгорании в двигателе.
Известно также принятое за прототип устройство (патент РФ №2603877 «Способ подготовки топлива для двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления»), которое за счет воздействия на топливо резко неоднородным электрическим полем высокой напряженности позволяет разрушать устойчивые полимеризованные группы молекул топлива в одинарные молекулы, которые, проходя через зону высокой напряженности, ионизируются и возбуждаются для последующей активации процесса их сгорания. Настоящее устройство содержит полый цилиндр с двумя электродами, где первый электрод выполнен в виде ерша, ось которого совпадает с осью симметрии полости корпуса, радиально расположенные щетинки ерша представляют собой заостренные в конце металлические проволоки-иголки, а второй электрод представляет собой равноудаленную от кончиков игл электропроводную поверхность в виде металлической сетки, расположенной внутри корпуса, который выполнен из диэлектрического материала.
Однако предлагаемые этим изобретением способ и устройство подготовки топлива для ДВС имеют недостатки, поскольку данный способ деления полимеризованных групп молекул топлива на отдельные молекулы осуществляется под воздействием резко неоднородного электрического поля высокой напряженности, что в представленном устройстве реализуется неэффективно из-за относительно малого времени нахождения разделяемых групп молекул в электрическом поле высокой напряженности при движении по относительно небольшим зазорам от игл первого электрода (ерша) к отверстиям второго электрода (сетки).
При создании электрического поля высокой напряженности в зазорах между иглами первого электрода (ерша) и сеткой второго электрода возникают ионизированные и возбужденные дополнительной энергией молекулы топлива, которые понижают диэлектрические свойства (электрическое сопротивление) обрабатываемого топлива, и, как следствие, создают возможность электрического пробоя «диэлектрического» потока топлива, при котором образуются токопроводящие цепи, замыкая, при этом, оба электрода и, тем самым, резко понижая напряженность создаваемого между этими электродами электрического поля, что, в свою очередь, резко снижает возможность деления полимеризованных групп молекул топлива на отдельные молекулы. Следовательно, заявленный в данном изобретении положительный эффект от ионизации молекул топлива, напротив, ведет к нейтрализации этого эффекта (обесценивает положительные свойства изобретения).
Наконец, движущиеся от первого электрода ко второму одинарные молекулы топлива получают от первого электрода дополнительную энергию (возбуждаются), которую затем отдают второму электроду при прохождении через его калиброванные отверстия обнуляя таким образом полученную до этого дополнительную энергию и, тем самым, исключая эффект ионизации (возбуждения) молекул обрабатываемого топлива, который автором заявлен как достоинство этого изобретения.
Целью предлагаемого в заявке изобретения является устранение описанных выше недостатков с задачей подготовить топливо к более полному сгоранию для повышения мощностных, экономических и экологических показателей ДВС за счет разрушения устойчивых полимеризованных групп молекул топлива в одинарные молекулы с их последующей ионизацией (поляризацией) для активации реакции окисления при сгорании топлива.
Для реализации поставленной цели предлагается заменить представленное прототипом устройство для предварительной подготовки жидкого топлива другим устройством, содержащим электроимпульсный ионизатор топлива, который имеет полый диэлектрический корпус, представляющий собой осесимметричный цилиндр, образующий ионизационную камеру, к входу которой подведен штуцер для подачи необработанного топлива, а к противоположной стороне камеры крепится штуцер для отвода деполимезированных и возбужденных молекул топлива после их обработки в ионизационной камере, дополнительно в диэлектрическом корпусе установлен комплект электродов, которые попарно размещаются в сечениях перпендикулярных оси симметрии цилиндрической части ионизационной камеры, при этом электроды в каждой паре ориентированы диаметрально противоположно друг к другу и попарно подключены к разным полюсам импульсного преобразователя высокого напряжения.
Существенным отличительным признаком изобретения является то, что расстояния (зазоры) между парами диаметрально противоположных электродов уменьшаются по направления от штуцера подачи топлива в ионизационную камеру к штуцеру отвода обработанного топлива, что увеличивает мощность электрических полей высокой напряженности пропорционально уменьшению зазоров между электродами по ходу движения топлива, повышая резонансное разрушение устойчивых групп молекул обрабатываемого топлива в пульсирующем объемном электрическом поле высокой напряженности.
Другим отличительным признаком является и то, что для предварительной первичной подготовки топлива на входе в ионизационную камеру установлен высокочастотный электромагнит, после которого размещен ультразвуковой излучатель для разрушения устойчивых полимеризованных групп молекул подаваемого топлива в одинарные молекулы.
Существенным отличием предлагаемого устройства является также то, что воздействие на обрабатываемое топливо электромагнитных полей высокой напряженности осуществляется в виде пульсирующих электрогидравлических воздействий на движущиеся по ионизационной камере устойчивые к делению группы молекул топлива с частотой воздействия соизмеримой с частотой собственных колебаний этих молекул, что вызывает резонанс в полимеризованных группах молекул, разрушая (разделяя) эти группы на одинарные молекулы. При этом мощность пульсирующего объемного электрического поля высокой напряженности увеличивается по ходу движения потока топлива, увеличивая, таким образом, величину электрогидравлических сил, воздействующих на устойчивые в обычных условиях полимеризованные группы молекул топлива понуждая их к разрушению и делению на одинарные молекулы. Воздействие такого неоднородного пульсирующего электрического поля высокой напряженности на обрабатываемое топливо разбивает несгораемые в обычных условиях группы молекул на одинарные молекулы, ионизирует и возбуждает эти молекулы, а поляризованные и возбужденные одинарные молекулы, в свою очередь, приобретают повышенную химическую активность при последующем горении в рабочей смеси с кислородом.
Описанные выше эффекты от использования предлагаемого устройства позволяют деполимизировать устойчивые к делению в обычных условиях группы молекул топлива, активировать химическую активность топлива, что в итоге положительно сказывается на эксплуатационных свойствах топлива, увеличивает показатели мощности ДВС, улучшает его экономические и экологические параметры. Благодаря такому эффекту устраняются недостатки прототипа.
Таким образом, заявленное техническое решение благодаря наличию новой совокупности отличительных признаков подтверждает соответствие данного технического решения критерию «существенные отличия».
Изобретение иллюстрируется чертежом на фиг. 1.
Электроимпульсный ионизатор топлива содержит диэлектрический корпус 2 с ионизационной камерой 9, связанной с входным 7 и выходным 1 штуцерами для подачи и отвода топлива, комплект парных электродов 4 и 8, связанных с импульсным преобразователем высокого напряжения 3, высокочастотный магнит 6 и ультразвуковой источник 5 для предварительной обработки топлива.
Полый диэлектрический корпус 2 представляющий собой осесимметричный цилиндр, образующий ионизационную камеру 9 с внутренним конусом 10. Ионизационная камера 9 выполнена таким образом, что диаметр ее сечения больше, чем диаметры сечений входного 7 и выходного 1 штуцеров для того, чтобы скорость протекания топлива в полости ионизационной камеры 9 была меньше, чем скорость протекания топлива по штуцерам 1 и 7, что, в свою очередь, увеличивает время нахождения топлива в ионизационной камере 9, увеличивая тем самым время нахождения топлива в обрабатываемой зоне предлагаемого устройства.
Комплект электродов 4 и 8 установлен в диэлектрическом корпусе 2, они попарно размещаются в сечениях перпендикулярных оси симметрии цилиндрической ионизационной камеры 9, при этом электроды в каждой паре ориентированы диаметрально противоположно друг к другу и попарно подключены к разным полюсам импульсного преобразователя высокого напряжения 3. Расстояния (зазоры) между парами диаметрально противоположных электродов 4 и 8 уменьшаются по направления от штуцера подачи топлива 7 в ионизационную камеру 9 к штуцеру отвода обработанного топлива 1, увеличивая мощность электрических полей пропорционально этим зазорам по ходу движения топлива, повышая резонансное разрушение устойчивых групп молекул обрабатываемого топлива в пульсирующем объемном электрическом поле высокой напряженности.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через входной штуцер 7 необработанное топливо подается в ионизационную камеру 9 диэлектрического корпуса 2, где топливо предварительно активируется высокочастотным электрическим полем электромагнита 6, а затем топливо проходит первичное дробление крупных полимеризованных молекул в более мелкие, за счет динамического воздействия ультразвукового поля, создаваемого специальным источником 5.
Предварительно возбужденные и разделенные на более мелкие группы полимеризованные молекулы топлива поступают в ионизационную камеру 9, где они проходят дальнейшую обработку для последующего дробления устойчивых групп молекул на одинарные молекулы с одновременной их активацией и ионизацией в целях ускорения протекания химических реакций в процессе сжигания топлива в двигателе.
В ионизационной камере 9 между электродами 4 и 8 создаются электромагнитные поля высокой напряженности, которые ориентированы перпендикулярно направлению движения топлива. Электромагнитное поле высокой напряженности создается последовательно между каждой диаметрально противоположной парой электродов 4 и 8. Импульсный преобразователь 3 генерирует высокое напряжение, которое поочередно подается к очередной паре диаметрально противоположных электродов 4 и 8 в последовательности, которая направлена в стороны движения топлива (от входного штуцера 7 к выходному штуцеру 1). При этом частота подаваемого на электроды высокого напряжения находится в области частот собственных колебаний проходящих через эти электроды молекул топлива. Таким образом, между комплектом диаметрально противоположных электродов 4 и 8 формируется пульсирующее объемное электрическое поле высокой напряженности, состоящее из набора однородных электрических полей высокой напряженности, возникающих с частотой соизмеримой с частотами собственных колебаний группы молекул обрабатываемого топлива.
В пульсирующем объемном электрическом поле высокой напряженности возникают известные в науке и технике электрогидравлические силы, которые формируют условия для того, чтобы подаваемый объем обрабатываемого топлива проходил через зоны с резко неоднородным электрическим полем высокой напряженности. Воздействие на топливо электромагнитных полей высокой напряженности осуществляется в виде пульсирующих электрогидравлических воздействий по ходу движения топлива между соседними парами диаметрально противоположных электродов 4 и 8 с частотой пульсации соизмеримой частоте собственных колебаний молекул топлива, что вызывает резонанс в полимеризованных группах молекул, разрушая (разделяя) эти группы в одинарные молекулы (частоты собственных колебаний молекул топлива рассчитываются теоретически или находится с использованием известных ныне методов, например, электронный парамагнитный метод, двойной электронно-ядерный и параэлектрические методы).
1
2
3
4
5
Мощность пульсирующего объемного электрического поля высокой напряженности увеличивается по ходу движения потока топлива из-за того, что расстояния между диаметрально противоположными электродами 4 и 8 уменьшается по направления от входного штуцера 7 к выходному штуцеру 1 (L<L<L<L<L) и, как следствие, пропорционально этому увеличивается мощность, возникающих между диаметрально противоположными электродами 4 и 8 электрических полей высокой напряженности. Таким образом, устойчивые в обычных условиях полимеризованные группы молекул топлива подвергаются периодическому воздействию электрогидравлических сил, величина которых увеличивается по ходу движения топлива в резко неоднородном электрическом поле высокой напряженности, а частота этих воздействий соизмерима с собственными частотами колебаний устойчивых полимеризованных групп молекул топлива, вызывая их резонанс и увеличивая вероятность разрушения на одинарные молекулы.
Воздействие такого неоднородного пульсирующего электрического поля высокой напряженности на обрабатываемое топливо разбивает устойчивые в обычных условиях несгораемые группы молекул на одинарные молекулы, ионизирует и возбуждает эти молекулы, а поляризованные и возбужденные одинарные молекулы, в свою очередь, приобретают повышенную химическую активность при последующем горении в рабочей смеси с кислородом.
Предлагаемый электроимпульсный ионизатор топлива может быть использован в двигателестроении и в других отраслях техники для увеличения полноты сгорания углеводородного топлива, повышения мощностных и экономических показателей работы двигателей и снижения вредных выбросов в окружающую природную среду.
В случае применения предлагаемого электроимпульсного ионизатора топлива в двигателях внутреннего сгорания ожидается, что мощность двигателя повысится не менее чем на 3 процента, расход топлива снизится на 10-20 процентов, трение в сопрягаемых трущихся частях понизится на 30-40 процентов из-за уменьшения попадания в масло двигателя несгоревшего топлива. Особый эффект ожидается от снижения токсичности отработавших газов, так, ориентировочно количество выбросов СО должно уменьшиться на 20-30 процентов, NO - на 15-20 процентов.
Промышленная применимость предлагаемого изобретения обеспечивается за счет использования известных и широко применяемых в технике составных частей, из которых состоит электроимпульсный ионизатор топлива.