УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
DEVICE FOR MAGNETIC TREATMENT OF HYDROCARBON FUEL IN HEAT POWER PLANTS

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям внутреннего сгорания, газотурбинным двигателям и котлам, работающим на углеводородных топливах. Устройство разработано с целью повышения КПД теплоэнергетических установок, снижения выбросов токсичных и парниковых газов.
Известно, что горение бензина, дизельного топлива и природного газа является цепной окислительной химической реакцией, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Скорость цепной реакции горения жидких углеводородов определяется, в том числе, кинетикой процесса расщепления взаимодействующих при реакции элементов системы. При этом первоначально идет разделение на отдельные молекулы, а затем на отдельные атомы. Процесс расщепления молекул до состояния отдельных атомов проходит через определенные стадии, на каждой из которых для ее реализации затрачивается энергия самого процесса горения. Поэтому теплота сгорания жидких углеводородов ниже, чем газообразных, у которых отсутствует необходимость предварительного этапа подготовки (расщепления) системы на отдельные молекулы и атомы (см. Браганцев В.Н. Оценка чувствительности биодизельного топлива к магнитной обработке по изменению цетанового числа. Автомобильный транспорт (Украина), №23, 2008, с. 140-141; Баталов А.А., Ларин B.C., Чернов А.Ф., Щаев О.И., Яковлев С.Г. Эффект обработки дизельного топлива униполярными магнитными импульсами. Вестник ВГАВТ, №20, 2006, с. 125-129; Изменение физико-химических свойств жидких сред методом магнитной обработки. Вестник Оренбургского государственного университета, №10, 2011 с. 199-204: Электронный pecypc: http://www.csicop.org/si/show/magnetic_water_and_fuel_treatment_myth_magic_or_mainstream_science/).
В период начального этапа развития процесса скорость горения зависит от числа «удачных соприкосновений» реагирующих элементов системы. В свою очередь, количество столкновений зависит от количества участвующих элементов, но и, что особенно важно, и от их «удачной» ориентации.
Подготовительный этап расщепления жидких углеводородных систем может заключаться либо в подогреве этой системы, либо воздействии на нее различных физических полей, направленных на получение дополнительной энергии каждым из связанных атомов углеводородной системы для повышения их энергии и обеспечения условий отрыва от общей углеводородной цепи. Одним из перспективных физических методов решения этой задачи является воздействие на атомы углеводородной системы магнитным полем. Особенность влияния магнитного поля заключается в том, что оно позволяет не только сообщать участвующим элементам дополнительную энергию, но и ориентировать элементы системы (диполи) соответствующим образом.
Известно устройство для магнитной обработки топлива двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2011880, опубл. 30.04.1994), которое содержит корпус в виде трубы с входным и выходными отверстиями, снабженное набором постоянных магнитов, закрепленных на ленточной основе и установленных на этом корпусе поочередно в зависимости от ориентации магнитных полей (параллельно и/или перпендикулярно) потоку топлива.
Недостатками аналога являются постоянная напряженность магнитного поля, формируемая постоянными магнитами, что снижает эффективность активации топлива при изменении режимов работы двигателя и соответственно изменением количества и скорости проходящего через магнитное поле топлива и не связано с режимом работы двигателя.
Также известно устройство магнитной обработки топлива для карбюраторных двигателей (патент РФ №2168052, опубл. 27.05.2001), которое содержит корпус из немагнитного материала, выполненного в виде пластины и магнитопровода, в виде двух С-образных скоб, огибающих с торцов пластину корпуса. В корпус вставлены две пары постоянных магнитов прямоугольной формы с зазорами относительно друг друга, между каждой парой магнитов расположены проточные каналы, соответствующие выходным отверстиям диффузоров карбюратора.
Недостатками второго аналога является сложность изготовления конструкции магнитопровода, односторонняя направленность линий и постоянная напряженность магнитного поля, которая не зависит от режима работы двигателя.
Известно устройство для обработки топлива карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2190118, опубл. 27.09.2002), включающее полый корпус, выполненный из неметаллической обоймы, наполненной гранулами из ферромагнитного материала, при этом внутри корпуса помещен топливопровод; обмотку, охватывающую топливопровод и соединяющую катушку зажигания с прерывателем-распределителем.
Недостатком третьего аналога является наполнение корпуса гранулами из ферромагнитного материала, которые при вибрациях транспортного средства будут дезориентировать вектор напряженности магнитного поля, ослабляя его, а также недолговечность электрической изоляции гранул ввиду их постоянного трения. Соединение обмотки с электрической цепью катушки зажигания также нельзя признать оптимальным решением, так как такое включение будет влиять на величину тока в обмотке, которая будет зависеть только от оборотов двигателя, а не от количества проходящего топлива. В свою очередь, количество проходящего топлива зависит не только от оборотов, а, в первую очередь, от необходимой мощности, которую должен развивать двигатель в конкретный момент времени.
Общими недостатками перечисленных выше устройств для магнитной обработки углеводородных топлив являются:
- постоянный уровень магнитного поля, образованный постоянными магнитами и не связанный с возможными изменениями режимов работы двигателя, различающимися как развиваемой мощностью, так и частотой вращения;
- постоянный уровень магнитного поля, образованный электромагнитами и не адаптированный к режиму запуска двигателя, реализация которого предъявляет к свойствам топлива повышенные требования, особенно в условиях низких температур;
- электрическая система питания электромагнитов не предусматривает возможность использования параметров электрической сети агрегата, изменяющихся в зависимости от режимов работы теплового двигателя, аккумулятора и навешенного генератора для изменения параметров магнитных потоков устройств для магнитной обработки топлива;
- отсутствие возможности использования параметров изменяющейся нагрузки генераторов для генераторных установок (например, дизель-генераторы) для соответствующей регулировки магнитного поля;
- предложенные устройства не предусматривают возможность их размещения на каждой отдельно взятой форсунке;
- конструкции предложенных устройств не предусматривают возможности их применения для топливных систем типа "Common rail", отличающихся значительно более высоким рабочим давлением топлива и наличием аккумулятора для него.
Указанные недостатки не позволяют обеспечить необходимый эффект магнитной обработки топлива во всем возможном диапазоне нагрузок и режимов теплоэнергетических установок, а следовательно, снизить расход топлива и выбросы токсичных и парниковых веществ в отработавших газах.
Известно устройство для магнитной обработки жидкости (УМОЖ), состоящее из электромагнита с катушкой, размещенного на топливопроводе из диамагнитного материала (Патент РФ №2077678, опубл. 20.04.1997). Обмотка катушки подключена к генератору постоянного тока объекта, на котором установлено УМОЖ.
Указанное устройство выбрано в качестве прототипа. К недостаткам известного технического решения следует отнести:
- не обеспечивается возможность регулирования тока обмоток, что обуславливает постоянство магнитного потока, в то время как количество протекающего в единицу времени топлива может изменяться в десятки и сотни раз от его количества, обеспечивающего холостой ход двигателя до его значения на полной мощности;
- постоянный уровень магнитного поля, образованный постоянными магнитами и не связанный с возможными изменениями режимов работы двигателя, различающимися как развиваемой мощностью, так и частотой вращения;
- постоянный уровень магнитного поля, образованный электромагнитами и не адаптированный к режиму запуска, уверенная реализация которого предъявляет к свойствам топлива повышенные требования, особенно в условиях низких температур;
- отсутствие возможности использования параметров изменяющейся нагрузки генераторов для генераторных установок (например, дизель-генераторы) для соответствующей регулировки магнитного поля;
- предложенное техническое решение не предусматривает возможность размещения на каждой отдельно взятой форсунке или ее трубопроводе;
- конструкции предложенных устройств не предусматривают возможности их применения для топливных систем типа "Common rail", отличающихся значительно более высоким рабочим давлением топлива и наличием аккумулятора для него.
Техническим результатом от использования изобретения является создание устройства для магнитной обработки углеводородного топлива в теплоэнергетических установках, не имеющего недостатков известных технических решений и в конечном итоге позволяющего повысить КПД теплоэнергетических установок, снизить выброс токсичных и парниковых газов.
Для получения указанного результата в устройстве для магнитной обработки углеводородного топлива в теплоэнергетических установках, содержащем, как и прототип, источник электропитания, электромагнит с обмотками, расположенный непосредственно на/в емкости с топливом, по крайней мере, одной топливной форсунки, в отличие от прототипа обмотки электромагнита выполнены разной мощности, при этом каждая из них снабжена регулятором напряжения, сопряженным с органом управления режимом работы теплоэнергетической установки. При этом источником электропитания обмоток может быть электроаккумулятор или навешенный электрогенератор, связанный механически с валом теплового двигателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве предусмотрены элементы для регулировки тока обмоток электромагнита во время работы двигателя, что позволяет получить оптимальные условия для сгорания топлива на каждом режиме работы двигателя и, соответственно, наименьшие значения токсичности выхлопных газов и расходов топлива. Кроме того реализована возможность обеспечения максимального тока в обмотках электромагнитов во время запуска двигателя. Для чего используется мощный ток обмоток стартера при стартерном запуске или подключаемым равнозначным сопротивлением при других видах запуска, что позволяет существенно увеличить полноту сгорания топлива на этом наиболее неблагоприятном режиме работы холодного двигателя и, соответственно, снизить токсичноть выхлопных газов.
Кроме того, предлагаемое техническое решение отличается:
- наличием в электромагнитах обмоток, отличающихся рабочим током;
- наличием устройств для включения обмоток стартерного тока;
- наличием устройств для регулирования тока в обмотках;
- наличием устройств для связи регуляторов тока в обмотках с регуляторами подачи топлива;
- наличием стационарного электроаккумулятора для обеспечения работы устройства во время запуска двигателя;
- наличием навешенного электрогенератора соединенного с валом двигателя для обеспечения работы устройства на всех возможных режимах теплового двигателя или использование внешнего источника тока;
- конструктивное исполнение обмоток (тор) позволяет реализовать их размещение на основных топливных элементах систем типа "Common rail", содержащих емкость с топливом под более высоким давлением и трубопроводы для каждой управляемой форсунки.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение КПД теплоэнергетических установок, снижение выбросов токсичных и парниковых газов, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна» и «существенные отличия».
Вместе с тем проведенный информационный поиск в области теплоэнергетики, в частности анализ научно-технической, производственной и рекламной информации об устройствах для магнитной обработки топлива, не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Техническое решение позволяет оптимизировать уровень магнитного поля для конкретного режима работы двигателя, что обеспечит более полное сгорание топлива, что увеличивает коэффициент полезного действия цикла и, как следствие, обеспечивает снижение удельного расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется фиг. 1.
Предложенное устройство для магнитной обработки углеводородного топлива в теплоэнергетических установках состоит из: - электрической обмотки 1 с переменным сопротивлением для создания магнитного поля вокруг топливного трубопровода, расположенной непосредственно на топливном трубопроводе каждой форсунки 2 или емкости с топливом (топливного аккумулятора для систем типа «Common Rail»); потенциометра 3 для регулировки тока обмоток; устройства сопряжения 4 с регулируемыми плечами 4а, 4б, соединяющего регулирующий орган потенциометра 5 с регулятором подачи топлива двигателя 6; дополнительной стартерной обмотки электромагнита 7, расположенного на топливном трубопроводе или емкости с топливом 14 (топливного аккумулятора для систем типа «Common Rail»); устройство для включения дополнительной пусковой обмотки 8.
В работе устройства также задействованы обычные элементы энергетической установки, к ним относятся: электроаккумулятор 9; стартер 10; генератор 11; регулятор напряжения генератора 12, топливный насос высокого давления 13.
Описанное выше устройство работает следующим образом.
Известно, что перед запуском двигателя производится подготовка всех его систем к работе, включая электросистему. При включении электросистемы маломощная обмотка электромагнита получает питание и соответственно возникает магнитное поле. Уровень этого поля будет незначителен, т.к положение регулирующего реостата обмотки определяется положением рейки топливного насоса высокого давления, устанавливаемого при запуске на минимальную подачу топлива, достаточную для надежного запуска двигателя.
Для облегчения запуска двигателя в устройстве предусмотрена более мощная обмотка электромагнита, которая включается совместно с включением электростартера, что дополнительно обеспечивает возникновение мощного магнитного поля. После отключения стартера мощная обмотка отключается и регулирование магнитного поля осуществляется только регулятором, соединенным с рейкой топливного насоса 13. При этом глубина регулирования определяется соотношением плеч рычагов 4а, 4б устройства сопряжения.
Устройство было разработано и испытано на кафедре теории и конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова». Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».