СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ, ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПОНИЖЕНИЯ ИХ ТОКСИЧНОСТИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHODS OF INCREASING ENGINE POWER AND EFFICIENCY, DECREASING THEIR TOXICITY, AND DEVICES TO THIS END

Изобретение относится к двигателестроению, авиации, энергетике, машиностроению, металлургии, химической промышленности, нефтепереработке, сварочному производству, обрабатывающей промышленности, металлообработке, производству цемента, производству строительных материалов, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, к сельскому хозяйству, текстильной промышленности, горнорудному делу, медицине, рыбоводству, к городскому хозяйству, бытовому применению.
В двигателестроении предлагаемый способ может быть использован для повышения мощности двигателей, экономии топлива (жидкого, газообразного), применения тяжелых фракций топлива, этанола, топлива с добавками метанола, биотоплива и других альтернативных видов топлива, снижения токсичности отработанных газов.
В машиностроении - для повышения стойкости режущего инструмента, которое достигается озонированием охлаждающих эмульсий, для сварки и резки металлов, ионного азотирования сталей.
В металлургии черных металлов для интенсификации металлургических доменных, мартеновских, конвекторных процессов, получения ферросплавов.
В авиации для обеспечения дыхания летчиков.
В цветной металлургии при гидрометаллургии никеля и кобальта, рекуперации ванадия, галлия, получении алюмосиликатов, обжиге рудных концентратов, бессемеровании медных штейнов, гидрометаллургии золота, обжиге цинковых концентратов.
В химической промышленности в реакциях органического и неорганического синтеза, при производстве органических полупродуктов, сернокислотном производстве, производстве диореновой кислоты, активации марганцевого катализатора, очистке нафталиевой фракции, очистке отходящих газов.
В коксохимической промышленности для окисления окиси углерода в коксовых газах.
В нефтехимической промышленности для производства азелиновой и лауриновой кислот.
В энергетике при сжигании твердого, жидкого, газообразного топлива в атмосфере, обогащенной кислородом, озоном полученного в процессе газоразделения воздуха на рабочем месте, снизит потери тепла с уходящими газами, частично позволит повысить КПД котлоагрегатов, интенсифицировать процесс горения, экономить топливо за счет устранения химической, механической неполноты горения, снизить потери тепла с уходящими газами, частично исключить попадание азота (воздушного) в зону горения с образованием оксидов азота, так как азот является теплоизолятором.
В горно-рудном деле для подземной газификации топлива. Для бурения скважин в грунте с применением термобура.
В строительстве для производства цемента.
В целлюлозно-бумажной промышленности для отбеливания бумаги и целлюлозы.
В микробиологической промышленности для стерилизации культурных жидкостей и аппаратуры, производства белково-витаминных концентратов (БВК), производства никотиновой кислоты, витамина РР.
В пищевой промышленности для хранения продуктов питания, овощей, фруктов, устранения специфических запахов.
В сельском хозяйстве для увеличения урожая сельскохозяйственных культур, стимуляции роста растений в условиях парникового выращивания, обезвреживания и обеззараживания протравленного зерна, у сельскохозяйственных животных и птиц снижения заболеваемости от сапронозных микроорганизмов, сальмонеллеза, бронхитов, пневмонии, при обработке свинарников.
В переработке сельскохозяйственных продуктов озоновая обработка предотвращает старение вина, избежать помутнения вин, позволяет задержать процесс закисания молока, обеспечивает стерилизацию помещений, сосудов, емкостей.
В рыбоводстве для подготовки воды (обезвреживания, обеззараживания) при выращивании различных гидробионтов с целью повышения их жизнеспособности, для профилактики и лечения рыб при поражении гельминтами и паразитическими простейшими, обеззараживания воды от пестицидов, гербицидов, фенолов, бензопиренов. В медицине при озонотерапии, хирургии, терапии, дерматологии, косметологии, акушерстве и гинекологии, стоматологии, анестезиологии, реанимации, интенсивной терапии, онкологии, невропатологии, кардиологии. Для лечения артритов, туберкулеза, инфекционных, глазных и сосудистых болезней.
В санитарии и эпидемиологии для санации, дезинфекции помещений цехов, складов, больничных палат, столовых, стерилизация медицинского инструмента, очистка и стерилизация воды, выведение грызунов и летающих насекомых.
Бытовое применение - для санации жилых помещений, в кондиционерах, очистки питьевой воды, озонирования ванн, бассейнов и аквариумов, санации стоков, стиральных машинах для отбеливания белья, для уничтожения и предохранения от гниения, плесени, грибка в подвалах, погребах, овощехранилищах, банях, в домашних фермах для обработки кормов, мест содержания скота, инкубаторов, парников, яиц, обработка пчел, ульев, молодняка животных.
В городском хозяйстве для очистки бытовых и промышленных стоков, рек, водоемов и воздуха. Утилизации отходов, в том числе автомобильных шин, бывших в употреблении. Очистка и доочистка питьевой воды.
Банки, архивы, библиотеки - освежение, стерилизация и дезодорация воздуха в рабочих помещениях и хранилищах. Уничтожение микроорганизмов, средой обитания которых являются поверхность денежных знаков, книги, журналы, бумажные документы и бумажная пыль.
Осушенный азот, полученный в процессе газоразделения, может быть использован для нужд пожаротушения, понижения процессов коррозионного разрушения металлов, а также для процессов осушки различных материалов, при разогреве продуктов в микроволновых печах, повышения сохранности продуктов в холодильниках.
2
2
Известна универсальная система подачи закиси азота американской компании «Nitrogen Oxide sistems», при которой для повышения мощности двигателя и его экономичности предусматривается подача закиси азота в цилиндр двигателя, перемешанной с топливовоздушной смесью. При сжатии и воспламенении закись азота под воздействием температуры до 350°С разлагается на молекулярный азот и атомарный кислород 2NO=2N+2О. Атомарный кислород, взаимодействуя с топливом, позволяет окислить дополнительное количество топлива. Известен способ интенсификации горения топлива, при котором интенсивность горения топлива в двигателе внутреннего сгорания обеспечивается подачей в камеру сгорания двигателя закиси азота, и закрепления в камере сгорания катализатора для разложения закиси азота (патент RU №2237818 на «Способ интенсификации горения топлива и двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа»).
Известен процесс интенсификации горения, связанный с применением нитрометана, который добавляется к ракетному топливу (Н.Г.Хомченко, Общая химия, с.433).
Известны также способы повышения мощности и экономичности применением турбонаддува, форкамерно-факельного зажигания, расслоенного заряда, воспламенением газовоздушной смеси горящим факелом жидкого топлива. Для обеспечения хорошей гомогенности смеси топлива с воздухом используют ультразвуковое распыление. Применяют лазерное зажигание обедненных смесей топлива с энергией 30 мДж в течение 4 нс при частоте импульсов 150 Гц. Для тонкого распыления топлива применяют систему Common Rail, при которой топливо впрыскивается в двигатель под большим давлением. В впускном воздушном тракте двигателя устанавливают газоразделительное устройство, обеспечивающее разделение воздуха по газам кислород/азот и обогащение его кислородом с дальнейшим озонированием кислорода и обеспечение последующего распада озона для выделения атомарного кислорода в двигателе (патент на изобретение RU №2128777 на «Способ уменьшения токсичности отработанных газов»).
Для снижения токсичности отработанных газов применяют дорогостоящие высокоскоростные катализаторы: платину, иридий, родий, осмий.
Недостатками известных технических решений является незначительное повышение мощности, экономичности и уменьшение токсичности двигателей.
Техническим результатом данного изобретения является повышение мощности, экономичности двигателей, снижение их токсичности. Предлагаемая схема рабочего цикла двигателя изображена на фиг.1.
Поставленная задача в части способа решается тем, что в впускном воздушном тракте двигателя для активации процесса синтеза озона производят осушку воздуха, его охлаждение, газоразделение воздуха для обогащения кислородом с последующим его озонированием, инициированием его распада для выделения атомарного кислорода и (или) образованием отрицательных озонид-ионов ионизацией и (или) одновременно проводят процесс синтеза дополнительных окислителей диоксида азота и (или) тетраоксида азота азотистой, азотной кислот, нитросоединений (свойства соединений азота от окислительных до восстановительных изменяется следующим образом ), а в топливной системе двигателя и (или) камере сгорания двигателя проводят процесс ионизации топлива. Кроме того, при форкамерно-факельном и факельном зажигании для повышения мощности факела пламени проводят предварительный пиролиз топлива с образованием ациклических соединений и их реакцию с озоном, так как скорость реакции озона, например, с двойной связью С=С в 100000 раз выше, чем с ординарной связью С-С. Для снижения токсичности отработанных газов, состоящих в том числе из 90% окиси азота и 10% диоксида азота, их направляют системой рециркуляции в реактор синтеза диоксида азота, а затем в впускной воздушный тракт и (или) отдельную форкамеру для синтеза нитросоединений. Понижение токсичности отработанных газов двигателя и одновременная экономия топлива достигаются установкой в системе рециркуляции катализаторов для синтеза неразветвленных или низкомолекулярных разветвленных углеводородов.
Поставленная задача в части устройства решается тем, что впускную воздушную систему двигателя оборудуют системой осушки, охлаждения воздуха, газоразделительным устройством, производящим газоразделение по газам азот/кислород, а озонатор расположен после газоразделительного устройства и выполнен в виде коаксиально расположенных цилиндров, причем на внутренней поверхности наружного заземленного цилиндра выполнены разрядные выступы, а внутренний цилиндр покрыт высоковольтной высокотемпературной изоляцией и соединен с одним из зажимов высоковольтного высокочастотного источника питания.
Поставленная задача в части устройства решается тем, что ионизатор топлива может быть выполнен в виде электретов, установленных на топливопровод около форсунки, инжектора и (или) на выходе канала распыления форсунки, инжектора таким образом, что обеспечивает положительный заряд частиц топлива, либо в виде кольца, снабженного высоковольтной, высокотемпературной изоляцией и установленного на выходе канала распыления топлива и (или) около форсунки, инжектора на топливопроводе, при этом кольцо (трубка) подключена к зажиму постоянного корпуса цилиндра камеры сгорания двигателя. (А.Н.Губкин «Электреты». - М.: Наука, 1978 г., с.192).
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показана предлагаемая схема рабочего цикла двигателя.
На фиг.2 показана схема установки газоразделительного устройства, озонатора.
На фиг.3 показана схема подачи продуктов пиролиза топлива и озона в форкамеру.
На фиг.4 показана схема ионизации топлива.
На фиг.5-8 показано повышение степени дисперсности капель топлива и улучшение равномерности его распределения по камере сгорания в зависимости от выпрямленного напряжения, поданного на кольцо, трубку.
На фиг.5 напряжение отсутствует.
На фиг.6 напряжение равно 5 кВ.
На фиг.7 напряжение равно 10 кВ.
На фиг.8 напряжение равно 25 кВ.
Предложенный способ реализуется в устройстве (фиг.2), которое содержит воздушный фильтр 1, газоразделительное устройство блока осушки с дополнительным устройством осушки поступающего в двигатель воздуха, например, блок осушки БО-660 для транспортных средств 2, охладитель воздуха 3 и реактор синтеза диоксида азота и (или) азотной, азотистой кислот, термостат для процесса димеризации диоксида азота (на чертеже не показаны), озонатор 4 и ионизатор топлива (на чертеже не показан), источник питания высокого выпрямленного напряжения 5, впускной воздушный тракт двигателя 6 с указанием места подвода оксидов азота, азотной, азотистой кислот.
Для повышения мощности двигателя применяют предварительный пиролиз топлива и подают продукты пиролиза в форкамеру форсунки (фиг.3), форкамеру или вихревую камеру двигателя, где проводят реакцию с озоном или озонид-ионами или атомарным кислородом.
Ионизатор топлива (фиг 4.) выполнен в виде кольца 2, снабженного высоковольтной, высокотемпературной изоляцией, и установлен на выходе канала распыления форсунки 2, инжектора, карбюратора, трубки 4, установленной на топливопроводе 5 около форсунки. Кольцо 2 и трубка 4 подключены к зажиму высоковольтного источника питания 3 постоянного тока, полярность которого противоположна полярности металлического корпуса камеры сгорания (на чертеже не показана) для зарядки капель топлива положительным зарядом.
Газоразделительное устройство выполнено с возможностью отделения кислорода и подачи его в камеру сгорания двигателя.
Ионизатор топлива выполнен в виде электретов 2, 4, создающих высокое электростатическое поле, установленных на выходе канала распыления форсунки 1, инжектора, карбюратора и (или) на топливопроводе 5, непосредственно около форсунки, причем сторона электрета, взаимодействующая с распыленным топливом, имеет положительный потенциал, а тыльная сторона - отрицательный и снабжена металлическим экраном (на чертеже не показан).
Способы повышения мощности, экономичности двигателей, понижения их токсичности и устройства для их осуществления реализуется следующим образом.
Наращивают мощность окислителя воздуха, содержащего 20,9 объемных процента кислорода, для чего проводят обогащение подаваемого в двигатель воздуха кислородом, повышая его концентрацию, затем проводят его осушку, охлаждение и озонируют путем подачи выпрямленного напряжения от источника питания 5 на цилиндры озонатора 4 (фиг.2). При этом между ними возникает барьерный электрический, в результате чего кислород преобразуется в озон и (или) в результате ионизации в отрицательный озонид-ион, поступающий в камеру сгорания и (или) в форкамеру двигателя, форсунки.
Одновременно в реакторе проводят реакции синтеза дополнительного окислителя оксида азота с возможным наращиванием мощности окислителя до диоксида азота, тетраоксида азота, азотной и азотистой кислот, при этом проводят синтез нитросоединений в форкамере двигателя. Отработанные газы двигателя через систему рециркуляции также направляют в реактор для процесса дальнейшего синтеза диоксида азота, азотной, азотистой кислот. Для подачи диоксида азота инжектором, форсункой проводят димеризацию диоксида азота в термостате. Кроме наращивания силы кислородных и азотных окислителей проводят предварительный пиролиз топлива.
В зависимости от условий эксплуатации (высокогорные условия эксплуатации, запуск двигателя в зимнее время), режимов работы двигателя комбинацию синтезированных окислителей или все окислители подают в камеру сгорания двигателя, форкамеру двигателя, форсунки.
Топливо ионизируют путем подачи высокого выпрямленного напряжения от источника питания 3 на кольцо 2, трубку 4, установленную на топливопровод 5 высокого давления. Образуемые при этом капли топлива на выходе распылителя форсунки приобретают электрический заряд, одноименный с полярностью форсунки, за счет электростатической индукции. При этом все капли впрыскиваемого топлива имеют один и тот же размер и имеют положительный заряд.
Заряженные частицы топлива, попадая в камеру сгорания, равномерно распределяются по ее объему за счет электростатических сил отталкивания, что позволяет получить гомогенную смесь топлива с синтезированными окислителями и обеспечить высокую степень полноты сгорания заряда.
Экономичность работы двигателя обеспечивают синтезом углеводородного топлива из отработанных газов двигателя, используя катализаторы, которые устанавливают в системе рециркуляции двигателя.
Понижение токсичности отработанных газов двигателя обеспечивают отдельным забором из системы рециркуляции отработанных газов, содержащих окислители оксиды азота, азотную, азотистую кислоты, нитросоединения, а из каталитической системы восстановленный из окислов азот подают в реактор синтеза диоксида азота для повышения силы окислителей и их концентрации.
Мощность двигателя в результате комплексного воздействия суммы окислителей и ионизации топлива, предварительного его пиролиза повышается до 24%. Расход топлива уменьшается до 20%. Эффективность снижения токсичности отработанных газов двигателя в зависимости от режимов работы двигателя следующая: по саже - 56-60%, окислам азота - 16-20%, оксиду углерода (2) 48-61%.