СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREPARING FUEL AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а точнее к подготовке топлива или горючей смеси электрическими средствами.
С целью более эффективного использования двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) широкое применение получили системы подготовки топлива, которые имеют своей целью повысить эффективность сжигания топлива.
Необходимость в системах подготовки топлива обусловлена тем фактом, что не весь поданный объем топлива сгорает после его подачи и частично выходит в атмосферу и/или оседает в виде нагара на частях и механизмах ДВС. Одной из причин данного явления является то, что топливо состоит не только из отдельных молекул, но и из полимеризованных групп, т.е. связанных между собой нескольких молекул топлива. Такие полимеризованные группы не могут полностью сгореть, что уменьшает эффективность использования ДВС и вредит окружающей среде. Использование систем подготовки топлива позволяет добиться более полного сгорания топлива в ДВС, что позволяет увеличить мощностные и, как следствие, экономические показатели ДВС и снизить риски для окружающей среды.
Одним из способов подготовки является ионизация молекул топлива.
Суть данного способа заключается в поляризации молекул топлива с целью добиться эффекта отталкивания молекул топлива друг от друга и тем самым достичь сжигания каждой молекулы топлива в отдельности и исключить подачу в камеру сгорания полимеризованных групп молекул топлива, а также повышение реакционности топлива за счет ионизации и возбуждения молекул.
Известно множество устройств для ионизации топлива, например патенты на полезную модель РФ №43922, 76393, 80512, 82004, 107292, 138109 и изобретения РФ №2041367, 2066380, 2078241.
Все упомянутые устройства состоят из полого диэлектрического корпуса, через который протекает топливо, электродов, размещенных в полости корпуса, каналов подачи топлива и отличаются друг от друга тем, что имеют разную форму и расположение электродов.
Однако все представленные решения имеют недостатки.
Основным недостатком представленных решений является неполная степень ионизации топлива, так как конструкция устройств не предусматривает полной ионизации всего объема топлива, устройства имеют небольшую площадь соприкосновения топлива и электродов, используется относительно небольшая напряженность электрического поля.
Эти недостатки приводят к тому, что степень ионизации топлива оказывается недостаточной.
Во-вторых, данные устройства не обеспечивают достаточной степени разрушения полимеризованных групп молекул топлива, что снижает эффект использования ионизации.
Известно изобретение РФ №2368646 «Способ улучшения качества углеводородных топлив», который заключается в поляризации молекул углеводородов путем возбуждения пульсаций и резонансной вибрации в движущемся потоке жидкости, отличающийся тем, что углеводородное топливо подают в поле центробежных сил и подвергают цепной реакции крекинга молекулы углеводородов топлива при нормальных условиях, пропуская его через электрическое поле напряженностью 2,12-7,54 кВ/мм, силой тока 1,48-3,35 А, частотой импульсов 0,46-1,0 кГц и напряжением 10-30 кВт.
Данное изобретение взято в качестве прототипа. Оно имеет следующие недостатки. Предложенный способ поляризации молекул топлива является сложным (необходимо создание поля центробежных сил) и энергетически неэффективным, так как используется электрическое поле с высоким напряжением, но способ не позволяет добиваться ионизации всего объема молекул топлива, так как не все молекулы топлива будут проходить через зоны максимальной напряженности электрического поля.
Предлагаемое изобретение устраняет недостатки, присущие прототипам, и имеет своей целью подготовить топливо к более полному сгоранию для повышения мощностных и экономических показателей ДВС за счет разрушения полимеризованных групп молекул топлива и поляризации молекул топлива.
Это достигается следующим образом. Перед сжиганием на подаваемое топливо воздействуют резко неоднородным электрическим полем высокой напряженности (подробнее о термине см. В.Ф. Важов, В.А. Лавринович, С.А. Лопаткин. «Техника высоких напряжений», Томск, 2006 г.). Униполярный поток ионов, создающий гидродинамическую силу с векторами параллельными рабочим органам первого электрода (щетинкам) и в сторону второго электрода (металлической сетки), обеспечивает, прохождение подаваемого объема топлива через зону высокой напряженности, создаваемую резко неоднородным электрическим полем, достаточной для ионизации молекул, находящихся в межэлектродных зазорах. При этом переменная во времени частота электрического поля выбирается таким образом, чтобы в этот промежуток частот укладывались частоты собственных колебаний молекул, присутствующих в топливной смеси, с целью разрушения полимеризованных групп топлива, возбуждения молекул и увеличения степени ионизации, а следовательно, и улучшения эксплуатационных характеристик.
Для реализации предложенного способа предлагается устройство для подготовки топлива, которое содержит полый корпус, входной и выходной штуцеры, первый электрод, расположенный в полости корпуса, а также второй электрод, и достигает поставленных перед ним целей за счет того, что первый электрод выполнен в виде ерша, ось которого преимущественно совпадает с осью симметрии полости корпуса, радиально расположенные щетинки которого представляют собой заостренные на конце металлические проволоки-иголки, а второй электрод представляет собой равноудаленную от кончиков игл преимущественно цилиндрическую электропроводящую поверхность и выполнен в виде металлической сетки, расположенной внутри корпуса, который выполнен из диэлектрического материала.
Данная конструкция за счет использования в качестве первого электрода электропроводящего ершика, состоящего из радиально расположенных заточенных на конце щетинок, и второго преимущественно цилиндрического электрода, выполненного в виде электропроводящей сетки, позволяет добиться за счет малых радиусов заострения и диаметров часто расположенных щетинок резко неоднородного электрического поля высокой напряженности (получается энергоэффективная электродная система игла - проницаемая плоскость) по значительному объему полости корпуса, что, в свою очередь, позволяет одновременно ионизировать большее число молекул топлива и разрушать полимеризованные группы топлива резонансной частотой, а также за счет возникающих электрогидродинамических сил добиваться однородности обработки.
Устройство, представлено на фигуре 1 и состоит из полого корпуса 1 цилиндрической формы, выполненного из диэлектрического материала, входного штуцера 2 для подачи подготавливаемого топлива и выходного штуцера 3 для выхода ионизированного топлива и двух электродов. При этом первый электрод 4 расположен по оси симметрии полости корпуса и представляет собой ерш с частыми радиально расположенными металлическими щетинами 5, которые представляют собой металлические проволоки-иголки, остро заточенные на конце и одинаково отстоящие своими иглами от второго электрода. Второй электрод представляет из себя преимущественно цилиндрическую поверхность и выполняется в виде металлической сетки 6, расположенной внутри полого диэлектрического корпуса.
На практике устройство работает следующим образом. Через входной штуцер в полость корпуса подается топливо, которое протекает между первым электродом в виде ерша, а точнее между его щетинками, и вторым электродом, который представляет собой цилиндрическую электропроводящую металлическую сетку, расположенную внутри полости корпуса. Далее электрогидродинамическая сила, направленная вдоль щетинок и в сторону проницаемого электрода-сетки, вынуждает проходить увлекаемое топливо через межэлектродный зазор и сквозь отверстия - ячейки второго электрода (сетки), после чего топливо выходит через выходной штуцер, и подается для сжигания. Таким образом, действующие внутри устройства электрогидродинамические силы, а также сама конструкция формируют условия для того, чтобы поданный объем топлива проходил через зоны с резко неоднородным электрическим полем высокой напряженности (Влияние резко неоднородных полей и форм электродов на формирование ЭГД потока подробно раскрыто в такой научной литературе, как, например, B.C. Нагорный. "Электро-флюидные преобразователи". Л.: Судостроение, 1987 г.). При этом переменную во времени частоту электрического поля выбирают из отрезка собственных частот колебаний молекул, содержащихся в топливной смеси, что способствует разрушению межмолекулярных связей за счет резонансного поглощения энергии молекулами топлива. Полевое воздействие внутри устройства ионизирует и возбуждает молекулы, а ионизированные и возбужденные молекулы обладают повышенной химической активностью. Устройство обработки топлива, находящееся в непосредственной близости от области распыления, создает условия для выноса заряда в зону распыления. И, таким образом, капли топлива в зоне распыления оказываются униполярно заряженными, а действующие Кулоновские силы заставляют их отталкиваться друг от друга, что положительно влияет на горение. Описанные факторы благотворно сказываются на эксплуатационных характеристиках топлива, оно деполимеризуется, и у него повышается реакционная способность.
Указанную частоту собственных колебаний молекул топлива находят исходя из технических возможностей, например методом спектроскопии (Электрические эффекты в радиоспектроскопии: Электронный парамагнитный, двойной электронно-ядерный и параэлектрический резонансы. Глинчук М.Д., Грачев В.Г., Дейген М.Ф., Ройцин А.Б., Суслин Л.А.. 1981 г.; Л.А. Казицына, Н.Б. Куплетская. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М., 1971, с. 264) или рассчитывают теоретически, например по методике, изложенной в: М.В. Волькенштейн. Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 3. М., 1936, с. 333.
Большее количество ионизированных и возбужденных молекул топлива и одновременное устранение полимеризованных групп, а также однородность обработки выгодно отличают предлагаемое изобретение от прототипа.
Способ подготовки топлива и устройство для его реализации могут быть использованы в двигателестроении и других отраслях техники для повышения экономических показателей работы двигателей и снижения рисков для окружающей среды.