Устройство активатора воздуха для двигателей внутреннего сгорания
AIR ACTIVATOR DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам электрической обработки воздуха в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Такие устройства называются актива торами воздуха (ионизаторами, озонаторами воздуха)
Использование технологии ионизации - активации кислорода в потоке воздуха, поступающего в камеру сгорания, позволяет качественно улучшить характеристики образовавшейся воздушно-топливной смеси и самого процесса сгорания топлива в камере сгорания (происходит более полное и качественное сгорание топлива). При этом происходит значительное снижение выброса различных углеродистых соединений (СО, НС).
Активатор (или озонатор) для двигателя предназначен для улучшения качества воздушно-топливной смеси в камере сгорания бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания путем активации кислорода воздуха высоким напряжением промышленных частот без возникновения электрического разряда вокруг электрода-активатора. Такая активация становится возможной за счет подвижной электронной связи в молекуле кислорода при воздействии электричества.
При таком воздействии образуются молекулы кислорода с разным зарядом (положительным или отрицательным), а также свободные радикалы переменного состава. При воспламенении воздушно-топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания происходит процесс расщепления атомов кислорода, в результате чего происходит выделение энергии. При воздействии на воздух электрическим током высокого напряжения, воздух разбивается на его отдельные составляющие, а потом вовлекаются в процесс горения такие вещества, как азот и озон. Все это приводит к полному сгоранию воздушно-топливной смеси. При этом результатами процесса азотного горения являются: выделение воды, частично кислорода, углерода, а также в незначительных количествах СО, NOX и других веществ.
Источником заряженных частиц ионов и свободных радикалов является рабочий электрод-активатор, который устанавливается в потоке очищенного воздуха, поступающего из фильтра очистки в камеру сгорания ДВС. Воздух приобретает свойства наэлектризованности, статичности. Становится возможным увеличение объема области разряда свечей в камере сгорания двигателя и воздушно-топливная смесь поджигается за меньшее время и в большем объеме, тем самым, улучшая общий процесс работы двигателя. Высокая реакционно-окислительная способность заряженных частиц ионов кислорода более эффективна для горения любого углеродного топлива.
Так, известно устройство (RU 2111376) для электрической обработки топлива и топливовоздушной смеси в карбюраторном двигателе внутреннего сгорания, содержащее проставку с установленными в ней металлическими вставками-электродами, расположенными параллельно друг другу и перпендикулярно оси проходных каналов. При этом вставки-электроды выполнены в виде сеток одинакового сечения, а между проходными каналами и вставками-электродами установлены диэлектрические прокладки. Недостатками данного устройства являются недостаточно эффективная электризация заряда при минимальных и средних частотах вращения коленчатого вала. Это объясняется тем, что при работе двигателя на указанных выше режимах скорость воздуха или топливовоздушной смеси во впускном тракте незначительны.
Установлено, что для повышения эффективности активации воздушного потока, поступающего из воздушного фильтра в канал смесеобразования ДВС необходимо организовать завихрение этого потока или его дробление. Завихренный активированный воздух способствует более мелкому дроблению капель топлива во впускном тракте, их электрической активации и более полному перемешиванию воздуха с раздробленными каплями топлива. В итоге, завихренная топливо-воздушная смесь становится более активированной и однородной, чем при приготовлении ее прежними устройствами, что и способствует ее более полному сгоранию и экономичному расходованию топлива при ее использовании в ДВС.
Такое устройство описано в RU 121306, F02M 27/04, опубл. 19.04.2012 г. Данное решение принято в качестве прототипа
Известный активатор содержит корпус в виде полого диэлектрического цилиндра, внутрь которого вставлены по его торцам неподвижно металлические лопастные турбины с одинаковым направлением закрутки потока воздуха обеими турбинами, центральный металлический электрод с заостренными торцами, размещенный вдоль оси вращения цилиндра и закрепленный плотно в центре первой турбины. Устройство содержит также маломощный источник высокого постоянного электрического напряжения. Этот источник выходами электрически присоединен к металлическим турбинам, причем минусовой выход напряжения присоединен электрически к входной воздушной турбине, а плюсовой его выход - к выходной турбине. Корпус активатора воздуха устанавливают в тепловом двигателе в воздушном патрубке после его воздушного фильтра.
Недостаток данного решения заключается в его конструктивной сложности, обусловленной применением двух разнесенных металлических турбин, в пространстве между которыми сформирована камера для ионизации поступающего закрученного первой турбиной воздушного потока. В результате устройство приобретает габариты и длину, которые приводят к необходимости конструктивного изменения воздушного тракта ДВС. Особенно это касается автомобильных ДВС, имеющих компактную компоновку под капотом. Так как металлические турбины представляют собой электроды, то для пробоя воздушной полости между турбинами необходим мощный источник питания (для пробоя и получения разряда необходимо примерно 15-30 кВ постоянного напряжения для получения минимально необходимой мощности около 5-10 Вт). При этом следует понимать, что высоковольтный разряд между двумя расположенными на расстоянии друг от друга электродами представляет собой искровой разряд, то есть пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов, которые образуются стримерами - тускло светящимися тонкими разветвленными каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить так называемый лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Отсюда следует, что процесс ионизации/озонирования воздуха проходит вокруг этого канала и имеет неоднородный характер по всему объему камеры для активации воздуху. Завихрение воздуха позволяет снизить неоднородность активизированного объема воздуха, но не решает полностью задачу по активации всего поступающего в это устройство воздуха.
Кроме того, важным требованием, предъявляемым к воздушным трактам ДВС, является отсутствие аэродинамических сопротивлений на пути прохождения воздушного потока. В известном решении наличие двух турбин (на входе и на выходе) как раз и образуют сопротивления, то есть являются элементами, тормозящими движение воздушного потока из-за изменения вектора его движения.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции устройства для активации воздуха, подаваемого в воздушный тракт ДВС при одновременном снижении аэродинамического сопротивления.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве активатора воздуха для двигателей внутреннего сгорания, размещаемом в воздушном тракте после воздушного фильтра, содержащем вставляемый в воздушный тракт диэлектрический цилиндрический корпус, в котором размещены металлические электроды, соединенные высоковольтными проводами с высоковольтным источником напряжения для, узел завихрения поступающего из воздушного фильтра в воздушный тракт воздуха, корпус представляет собой цилиндрическую втулку, на наружной поверхности которой расположены лопасти с наклоном вдоль образующей указанной втулки для образования между стенкой втулки и стенкой воздушного тракта каналов для прохождения воздуха и его завихрения, электроды выполнены в виде сеток или натянутых струн, размещенных внутри втулки и натянутых в плоскостях, перпендикулярных оси диэлектрического цилиндрического корпуса на расстоянии друг от друга, или один из электродов выполнен виде сетки или натянутых струн, размещенных внутри втулки в плоскостях перпендикулярной оси диэлектрического цилиндрического корпуса, а другой - в виде закрепленного внутри указанного корпуса на радиальных перемычках металлического элемента, или один из электродов представляет собой закрепленный внутри указанного корпуса на оси указанного корпуса на радиальных перемычках металлический элемент, а другой электрод представляет собой набор металлических элементов, закрепленных на внутренней поверхности стенки корпуса вокруг центрально расположенного металлического элемента.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид спереди (в плане) на устройство, первый пример исполнения;
фиг. 2 - вид сверху на диэлектрический корпус;
фиг. 3 - общий вид спереди (в плане) на устройство, первый пример исполнения;
фиг. 4 - общий вид спереди (в плане) на устройство, первый пример исполнения;
фиг. 5 - общий вид устройства, выполненного в виде изделия.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция устройства активатора воздуха для ДВС, имеющего минимизированные по длине и поперечным размерам габариты, которое позволяет эффективно ионизировать/озонировать поступающий из воздушного фильтра (после очистки от механических и грязевых компонентов) воздушный поток в полном его объеме до входа в зону топливного смесеобразования. Устройство позволяет повысить эффективность активации воздуха и экономии топлива при одновременном улучшении экологической чистоты двигателей и иных теплоэнергетических устройств, снабженных данным активатором.
Особенностью заявленного устройства является низкое аэродинамическое сопротивление встроенного в воздушный тракт устройства в целом и, в том числе, за счет оригинального решения электродов.
Устройство активатора воздуха для ДВС размещается в воздушном тракте после воздушного фильтра. Устройство содержит вставляемый в воздушный тракт диэлектрический цилиндрический корпус 1 трубчатой формы. По сути, он представляет собой по форме втулку, выполненную из диэлектрического полимерного материала (выбор конкретного полимерного диэлектрика не рассматривается). Корпус представляет собой по функции изолятор. На наружной поверхности корпуса расположены лопасти 2 с наклоном вдоль образующей указанной втулки для образования между наружной поверхностью стенки втулки и стенкой 3 воздушного тракта каналов 4 для прохождения воздуха и обеспечения его завихрения. Стенка корпуса и лопасти образуют узел завихрения поступающего из воздушного фильтра в воздушный тракт воздуха.
Важным параметром функционирования ДВС является подача очищенного воздуха из воздушного фильтра в область образования топливной смеси. Подача этого воздуха обеспечивается тем. что при работе ДВС (перемещении поршней) в воздушном тракте возникает разряжение, которое и обеспечивает захват воздуха через воздушный фильтр. Объем этого воздуха важен для подготовки качественной топливной смеси. Поэтому воздушный тракт рассматривается как канал, в котором отсутствуют сопротивление движению воздуха и его торможения.
При установке корпуса в воздушный тракт и при сохранении режима разряжения в этом тракте, захватываемый очищенный воздушный поток проходит через корпус двумя путями. Первый - это прохождение основной части ламинарного воздушного потока через центральную полость корпуса. Второй - это периферическая часть воздушного потока, проходящая вдоль стенки воздушного тракта и контактирующая с этой стенкой. Эта часть воздушного потока имеет турбулентность, обусловленную контактом со стенкой воздушного тракта. В итоге воздушный поток имеет неоднородную структуру в слоях. При прохождении через каналы 4 между лопастями 2 эта часть (периферическая) получает изменение вектора движения и приобретает завихрение или закручивание воздушных струй. В дальнейшем завихренная часть потока на выходе из корпуса 1 смешивается с ламинарной частью потока, прошедшей через полость втулки. В результате смешивания общий поток приобретает закрученность, при которой выравниваются скорости перемещения периферической и центральной частей потока.
Внутри корпуса 1 размещены металлические электроды, соединенные высоковольтными проводами с высоковольтным источником напряжения (не показан) для воздействия на воздух электрическим током высокого напряжения и его активации за счет ионизации воздуха путем создания между указанными электродами коронного разряда в виде искровых разрядов. Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе, в том числе и в воздухе, всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако число их настолько мало, что воздух, как газ, практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион. Свободный электрон при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон и свободный положительный ион. Электроны при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляет их на электроны и свободные положительные ионы и т.д. Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в воздухе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в воздухе быстро достигает достаточно большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной.
В результате ионизации воздуха, в процессе которой образует озон, повышается эффективность активатора воздуха и экономия топлива при одновременном улучшении экологической чистоты двигателей и иных теплоэнергетических устройств, снабженных данным активатором.
Рассматриваемое устройство имеет несколько примеров исполнения электродов, которые не создают сопротивления движению воздуха при входе в воздушный тракт ДВС. При этом эти электроды имеют простую конструкцию.
Согласно первому примеру исполнения электроды выполнены в виде металлических сеток 5 (фиг. 1) или натянутых металлических струн 6 (фиг. 3), размещенных внутри втулки и натянутых в плоскостях, перпендикулярных оси диэлектрического цилиндрического корпуса на расстоянии друг от друга. То есть каждый электрод выполнен в виде сетки или натянутой параллельными рядами струны. При таком исполнении электроды не создают сопротивления движению воздуха. При подаче напряжения на электроды разряды представляют собой искровые промежутки между точками пересечения нитей сеток или по струнам. При этом обеспечивается перекрытие полости корпуса полем искровых разрядов.
Как вариант электроды могут быть выполнены следующим образом. Один из электродов выполнен в виде сетки 5 или натянутых струн 6, размещенных внутри втулки в плоскостях перпендикулярной оси диэлектрического цилиндрического корпуса, а другой - в виде закрепленного внутри указанного корпуса на радиальных перемычках 7 металлического элемента 8. Такой металлический элемент, как пример, может быть выполнен в виде металлической шайбы или диска 9, желательно со сквозными отверстиями (фиг. 5) - для уменьшения площади сопротивления диска потоку воздуха. При таком исполнении искровые разряды формируются, например, на элементе 8 и, расходясь, замыкаютcя на перемычках сетки или струнах.
Как вариант исполнения один из электродов представляет собой закрепленный внутри указанного корпуса на оси указанного корпуса на радиальных перемычках металлический элемент 8 (фиг. 4), а другой электрод представляет собой набор металлических элементов 10, закрепленных на внутренней поверхности стенки корпуса 1 вокруг центрально расположенного металлического элемента 8. Принцип функционирования тот, что у ранее рассмотренного примера.
Особенностью всех примеров исполнения электродов является то, что они либо по конструкции, либо по месту расположения в корпусе не образуют сопротивления потоку воздуха.
Расстояние между электродами может быть выбрано из условия возникновения между ними устойчивого коронного электрического разряда. Внутри диэлектрического цилиндрического корпуса может быть выполнен кольцевой выступ, по обе стороны которого установлены электропроводные втулки, на которых закреплены электроды. Высоковольтный источник напряжения может быть подключен низковольтными проводами к аккумуляторной батарее. Высоковольтный источник напряжения может быть подключен к аккумуляторной батарее через выключатель. Высоковольтный источник напряжения может быть подключен к электродам через регулятор напряжения.
Источником производимых частиц является блок управления, который подключается к аккумулятору и рабочий электрод-активатор, устанавливаемый в потоке воздуха поступающего из фильтра очистки в камеру сгорания ДВС. Воздух приобретает свойства наэлектризованности и статичности.
Частицы в нужных пропорциях вырабатываемые с помощью прописанной программы в блоке управления улучшают показатели сгорания топлива и очищают воздушно-топливную систему. Вырабатываемые частицы, улучшают реакционно-окислительные способности кислорода, что дает возможность эффективно сгорать топливу.
Становится возможным увеличение объема области разряда свечей в камере сгорания двигателя и воздушно-топливная смесь поджигается за меньшее время и в большем объеме, тем самым улучшая общий процесс работы двигателя.
Воздушно-топливная смесь сгорает более эффективно, чистый катализатор не препятствует выходу выхлопного газа. Выхлопных газов и количество кислорода становится гораздо меньше, подается сигнал богатой смеси, и подача топлива и воздуха уменьшается.
Использование систем экологической безопасности (катализатор) и постоянный контроль всей системы выхлопных газов с помощью датчиков кислорода (лямбда-зонд) - это часть строгих экологических требований во всем Мире (Евро-3, Евро-4, Евро-5). Контроль этих параметров заложен в программу бортового компьютера (ЭБУ), который через данные, полученные от лямбда-зондов и других датчиков, оценивает работу двигателя автомобиля и корректирует подачу топлива в процессе работы ДВС. Использование заявленного устройства для активации кислорода в потоке воздуха, поступающего в камеру сгорания, позволяет качественно улучшить характеристики воздушно топливной смеси и самого процесса сгорания топлива в камере сгорания (происходит более полное и качественное сгорание топлива). При этом происходит значительное снижение выброса различных углеродистых соединений (СО, СН). Качественное изменение отработанных газов фиксируются бортовым компьютером по полученным данным от датчиков, который, в свою очередь начинает перестраивать циклы подачи топлива через форсунки путем изменения в сторону экономии долговременной коррекции топлива и корректирует угол опережения зажигания. Таким образом, происходит адаптация автомобиля и начинается процесс экономии расхода топлива.
Происходит устранение процесса накапливания, а в дальнейшем закипания твердых частиц углеродистых соединений в самом двигателе, на свечах в катализаторе и на датчиках лямбда-зонда, что в значительной степени улучшает показатели работы всех систем и продлевает их эксплуатационный ресурс.