Способ облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат при пуске пусковую жидкость получают смешиванием спиртового раствора щелочного металла и жидкого галогенопроизводного метана, поступающих из отдельных капсул. При смешении протекает экзотермическая реакция с выделением газообразного диметилового эфира, который используется для облегчения запуска двигателя. Непрореагировавшие продукты химической реакции подвергаются дегидратации на подогреваемой поверхности с нанесенным катализатором, а также активируются ультрафиолетовым излучением . Устройство для реализации способа содержит смесительную камеру и механизм распределения компонентов пусковой жидкости , В качестве растворителя реагентов применяется метанол с примесью этанола и высших спиртов. 2 с. п. и 5 з. п. ф-лы, 3 ил. 2 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s F 02 N 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

В (21) 4900190/06 (22) 28.11.90 (46) 23.11.92. Бюл. ¹ 43 (71) Луганский машиностроительный институт (72) В.А. Звонов, В.А. Гречка, В.Ю. Баранов, Е.А, Симонова, В.И. Бондаренко и А.M. Сытник (73) Луганский машиностроительный институт . (56) Karpuk M,Å.. Cowley S.W. On board

dymethyl ether generation to assist methand

endine. соЫ starting, SAE ТесИп. Рар. ser., 1988, ¹ 881678,.р. 1 — 7. (54) СПОСОБ ОБЛЕГЧЕНИЯ ЗАПУСКАДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения: с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и ениИзобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, а именно к способам облегчения запуска последних.

Известен способ облегчения запуска двигателя (1) путем подачи в двигатель смеси эфира с жидким спиртом. Эфир в этом способе получают разложением части спирта в электроподогреваемом пусковом реакторе. Недостатком этого способа является то, что вследствие большой массы катализатора увеличивается время и энергозатраты для разогрева реактора..

Известен способ облегчения запуска двигателя (2) с помощью пусковой жидкости на основе эфира, распыляемом во впускном трубопроводе. К недостаткам этого способа

5U, 1777631 А3 жения энергозатрат при пуске пусковую жидкость получают смешиванием спиртового раствора щелочного металла и жидкого галогенопроизводного метана, поступающих из отдельных капсул. При смешении протекает экзотермическая реакция с выделением газообразного диметилового эфира, который используется для облегчения запуска двигателя. Непрореагировавшие продукты химической реакции подвергаются дегидратации на подогреваемой поверхности с нанесенным катализатором, а также активируются ультрафиолетовым излучением. Устройство для реализации способа содержит смесительную камеру и механизм распределения компонентов пусковой жидкости. В качестве растворителя реагентов применяется метанол с примесью этанола и высших спиртов. 2 с. и. и 5 з. и, ф-лы,3 ил. 2 табл. следует отнести то, что элементы системы топливоподачи находятся под давлением, из-за чего снижается безопасность эксплуатации. Кроме того, распыление пусковой с ) жидкости происходит во впускной трубоп- : «р ровод, что понижает температуру пускового заряда, а это отрицательно влияет на пуско° виЪ вые характеристики двигателя.

Известен способ облегчения запуска двигатаая (3), прииятии аа прототип. в кото- Ир» ром часть метанола, поступающего в двига- () тель, преобразуется в диметиловый эфир, который смешивается с зарядом, поступает в цилиндр двигателя, где воспламаняется.

Энергоэатраты на электроподогрев реактора велики, так как необходимо разогреть всю массу катализатора. При работе двига1777631

- Na3+ СНз- О - СНз г СНз — О -Яа+ Э,- СНзt теля на бензометанольной смеси .активность катализатора уменьшается за счет его отравления, Для преобразования метанола в эфир необходима большая теплопередающая поверхность, что увеличивает габариты 5 и массу реактора.

Целью изобретения является расширение ресурсов пусковых жидкостей и снижение энергозатрат при пуске двигателя.

Для достижения указанной цели пуско- 10 вую жидкость получают смешиванием спиртового раствора метилацетата щелочного металла и жидкого галогенпроизводного метана, поступающих из отдельных капсул, с проведением экзотермической реакции.

При этом выделяется газообразный диметиловый эфир и жидкие продукты реакции, причем спиртовый растворитель и жидкие продукты реакции направляют во впускной коллектор после запуска двигателя во время 20 его прогрева. В качестве растворителя используется метанол, а в качестве галогенпроизводного метана — йодистый метил.

Спиртовый растворитель и продукты реакции во впускном коллекторе подогрева- 25 ют, дегидратируют с использованием катализатора и активируют ультрафиолетовым излучением. В качестве катализатора используют оксид алюминия или смесь оксидов алюминия, меди и цинка. 30

На фиг, 1 приведено устройство.для реализации предложенного способа, содержащее капсулы 1 и 2, смеситель 3, электромагнитный клапан 4, впускной коллектор 5, на котором крепится устройство, а также подогреватель коллектора 6, источник ультрафиолетового излучения 7, установленный после воздушного фильтра 8 двигателя и блок питания 9.

На фиг. 2 приведен вариант выполнения, 40 смесительной камеры, содержащий сердечник электромагнита с коническим клапаном 10, кулису 11, тягу 12 с шиберной заслонкой

13, каналы 14 и 15, жиклеры 16.

На фиг. 3 приведен вариант выполнения 45 смвсительной камеры, в случае соединения канала 15 для слива жидких реагентов с поплавковой камерой карбюратора 17.

В качестве компонентов пускового топllMBa в предложенном способе применяются спиртовый раствор метилата щелочного металла (например, раствор метилата натрия в метиловом спирте) и жидкое галогенпроизводное метана (например, йодистый метил), Последний, например, реагирует с метилатом натрия, образуя диметиловый эфир:

Л Н реакции=. (Л H Йа3 +

+ ЛН (сн,)„о)-(ЬH ñí, +

+ Ь Н осн сна) = ((-287,9) + (-185,3))—

- ((-8,4) + (-238,57)) = -226,23 кДж/моль.

Этот расчет подтверждает, что реакция экзотермична. Поэтому в предлагаемом способе будет происходить подогрев заряда и испарение жидких компонентов пускового топлива за счет теплоты реакции, в отличие от способов в которых применяется диэтиловый эфир, у которого

Л Нисп. = 26,6 кДж/моль и скип, = 35,6 С (4).

Один из компонентов пускового топлива — галоген производные углеводородов,. свойства которых приведены в табл. 1, Из таблицы видно, что в жидкой фазе при и. у. находятся СНз5, С2Н53, C2HGBr, Бромистый этил имеет Cyan,= 38,4 С, йодистый этил соответственно скип. = 72,2 С, а йодистый метил tкип.= 42,5ОС. Последний наиболее подходит с точки зрения температуры кипения и получения целевого продукта — диметилового эфира, поэтому в предлагаемом способе выбран СНз3.

Метилат натрия представляет собой вещество, хорошо растворимое в спиртах, так же, как и полученный в результате реакции

Na3, Поэтому в качестве основного растворителя принят метанол. Однако в целях экономии средств на рафинирование метанола допускается наличие в нем этанола и высших спиртов в пределах, допустимых при производстве метанола, например, 70 мас,/ СНзОН, 1,5 мас.%

С2Н5ОН; 2 мас. СзН70Н; .10 мас.%

С4НЯОН; 0,5 мас.% G5H11OH; 10 мас. Д

СаН1зОН и С7Н150Н; 6 мас.% СвН17ОН.

Совместный синтез метанола и высших спиртов позволяет снизить стоимость производства, Состав спирта находится в следующих пределах, мас. j: СНзОН 65...85;

С2НБОН 1,5...2,0; СзН7ОН 2...3; C4HgOH

10...20; СБН11ОН 0...1; С6Н1зОН 5...10, Св I17OH 0...5.

Общий вид реакции алкоголята металла с галогенпроизводными метана можно представить следующим уравнением:

R-ОМе+ RX -+R - О - R+ MeX, lie" где Me — металл из ряда Li, Na, К, 1/2Mg, 1/3AI;

X — галоген иэ ряда Ci, Br, 3;

1777631

Na3 -«На+3 (4) 20 (5) 4Na + Oz -+ 21"чагО

30

CH4+3 СНЯ+ Н (6) 40 (7) 45

55

ROH* — растворитель (спирт, эфир, диоксан и др.).

В качестве одного из компонентов принят в предлагаемом способе метилат натрия, что обусловлено меньшей опасностью проведения синтеза метилата натрия, связанной с более низкой активностью Na no сравнению с К. Активность же Ll, Mg, Al недостаточна для проведения реакции получения алкоголята.

Наиболее активным из всех галогенидов является R 3 (5), поэтому он применяется в предлагаемом способе.

Целевым продуктом реакции является диметиловый эфир, однако благодаря валичию в растворителе других спиртов (этилового и высших) возможно образование незначительных количеств жидкого диэтилового эфира. Возможно также образование метилэтилового эфира (СгНь - О - СНз).

Жидким продуктом реакции является также спиртовый раствор йодистого натрия. Газообразные продукты подаются во впускной коллектор при пуске, а жидкие продукты подаются после запуска двигателя.

Дегидратировэть метиловый спирт можно с применением катализаторов из фторированной окиси алюминия (y Al +

0,3 F). в прототипе при t = 350 С, В предлагаемом способе спиртовый раствор йодистого натрия и жидкий диэтиловый эфир из смесителя подаются на ребристую поверхность покрытую катализатором из оксида Al или смеси оксидов алюминия, меди и цинка и подогреваемую электрическим элементом, Применение смеси окислов предпочтительно, так как на них дегидратируют как метиловый, этиловый, так и высшие спирты со снижением рабочей температуры катализатора. Например:

2CzHgOH -«СгН6- О - CzHg+ НгО (2) Так как количество жидких продуктов реакции невелико, то и затраты энергии на подогрев ниже, чем в прототипе. Поскольку диэтиловый эфир, образовавшийся в смесителе как один из побочных продуктов реакции и.на ребристой поверхности впускного коллектора как продукт дегидратации, имеет низкую температуру воспламенения, он дополнительно активируется УФ-облучением с образованием перекиси оксиэтила:

НО Н б

С К 0-С-Сн

0 + 30- (>l

С1Н 0-С-СН

НО H

Перекись очень неустойчива и легко воспламеняется, что способствует возникновению цепной реакции окисления топлива (6). Остаток жидких продуктов реакции или балластные компоненты растворителя в виде высших спиртов под воздействием УФ-излучения расщепляются на низкомолекулярные продукты — Нг, CO, COz, HzO, CH4, CzH4.

CzHz и др., т. е. подвергаются предварительной фотофрагментации (7), Йодистый натрий, после пуска двигателя, в растворенном виде попадает во впускной коллектор. Температура кипения Na3 равна 1304 С, поэтому, попадая в камеру сгорания, он испаряется, а под действием энергии реакции сгорания топлива (метанола) он атомизируется:

Атомы Na взаимодействуют с кислородом заряда или кислородом топлива (в метаноле

Oz до 50 мас. ):

Возможно взаимодействием Na с радикалами гидроксила с образованием гидроксида натрия, Натрий может замещать атом водорода в несгоревших молекулах метилового спирта. Следует заметить, что известен способ экономии топливной смеси (8), в котором в бензин добавляют хлористый магний, причем последний в камере сгорания переходит в окись магния.

Атомы 1 могут присоединиться к молекулам ненасыщенных углеводородов по месту разрыва двойных или тройных связей:

23 t СН и CH -«СН = CH

1 I

3 У

Йодид натрия может также взаимодействовать с водой, присутствующей в продуктах сгорания метилового спирта:

Na3+ НгО NaOH + H3 (8)

Образующийся в результате этой реакции

Н3 взаимодействует с ацетиленом;

НЭ + СН = СН СНг= СН (9) г

Из приведенных выше реакций (4) — (9) можно видеть, что продукты реакции получения диметилового эфира из жидких компонентов в виде NaJ, попадая в камеру сгорания

1777631 двигателя, включаются в цепь окислительных реакций и уносятся из цилиндра с отработавшими газами. Свойства эфиров в сравнении с другими пусковыми жидкостями приведены в табл. 2.

Из таблицы следует, что наиболее эффективным как пусковые компоненты ДМЭ и ДЭЭ, причем последний необходимо испарять перед подачей в двигатель. Поэтому теплота реакции в предлагаемом способе расходуется также на испарение жидких компонентов как растворителя, так и продуктов реакции, Таким образом, способ осуществляется следующим образом, Спиртовый раствор метилата натрия из капсулы 1 и жидкий йодистый метил из капсулыы 2 подают в смесител ь 3 путем открытия клапана электромагнитом при включении стартера. В результате смешения в смесителе 3 между. компонентами протекает химическая реакция с образованием диметилового эфира. Из смесителя 3 эфир под действием разрежения поступает во впускной коллектор, а затем в камеру сгорания двигателя. Двигатель запускается на легковоспламеняемом диметиловом эфире.

После запуска и выключения стартера реле времени отключает электромагнит и каналы подвода пусковых компонентов перекрываются клапаном, а жидкие продукты реакции из смесителя 3. поступают самотеком на обогреваему|о подогревателем 6 и облучаемую УФ источником 7 поверхность, где они дегидратируются до простых эфиров и активируются с образованием пероксидов, Электрический подогреватель 6 и блок питания 9 источника УФ-излучения 7 (например, безэлектродная высокочастотная лампа) питаются. от аккумулятора или от бортового генератора. Электрический подогрев впускного коллектора организуется лишь для дегидратации спирта, использованного s качестве растворителя метилацетата натрия, Причем он включается после отключения стартера, т. е. аккумулятор не разряжается, После прогрева двигателя подогрев и источник УФ-излучения отключаются. Образующийся при реакции NaJ окисляется в цилиндре и выводится с отработавшими газами двигателя.

Устройство для реализации способа, изображенное на фиг. 2 и 3, работает следующим образом. При подаче напряжения на стартер открывается электромагнитный клапан 4, втягивая сердечник 10, связанный с кулисой. Кулиса 11 приводит в движение тягу 12 и запирает шиберной заслонкой 13 канал 15. Жидкие компоненты топлив их капсул 1 и 2 поступают через жиклеры 16 в смесительную камеру 3. В смесителе 3 происходит химическая реакция с выделением тепла. Газообразные и родукты (диметиловый эфир) поступают по каналу 14 во впуск5 .ной коллектор двигателя, под действием разрежения в коллекторе, при прокручивании двигателя стартером. После запуска отключается питание стартера и через реле времени отключается электромагнитный

10 клапан 4. Сердечник электромагнита с коническим клапаном 10 запирает канал подачи жидких компонентов пускового топлива в смеситель 3. Одновременно движение сердечника передается через кулису 11 при помощи тяги 12 шиберной заслонке 13

Последняя открывается и жидкие продукты реакции и непрореагировавшие компоненты (спирты — растворители) подаются на подогреваемую поверхность впускного коллектора, где остатки спирта дегратируются на катализаторе. Образуемый эфир обрабатывается УФ-излучением для получения пероксидов. Время открытия электроклапана 4 определяется требуемой величиной пускового топлива в зависимости от температуры окружающего воздуха.

На фиг. 3 дан пример выполнения смесительной камеры. Принцип работы устройства тот же, что и на фиг. 2, отличие состоит в том, что диметиловый эфир подается во впускной коллектор 5 с помощью дополнИтельного шланга, присоединяемого к штуце1 ру канала 14. Жидкие продукты реакции в этом случае по каналу 15 попадают в по35 плавковую камеру карбюратора 17, где.смешиваются с основным топливом. Этот вариант особенно приемлем при работе двигателя на спиртовых топливах, которые являются хорошими растворителями жид40 ких реагентов. Кроме того, в этом случае отпадает надобность в электроподогреве впускного коллектора, так как запуск осуществляется на диметиловом эфире, без дегидратации жидких реагентов.

45 Известно, что для одного пуска двигателя необходимо до 2 мл легковоспламеняющейся жидкости на 1 л рабочего объема двигателя при температуре окружающей среды — 30 С Щ. Пусть за l цикл распылива0 ется в смесителе 6,23 мл СНз.3 и 6,84 мл

507ь-ного раствора СНзОйа в СНзОН. При этом образуется 2,24 л (4,6 г) диметилового эфира и выделится 22,6 кДж тепла. Этого тепла вполне достаточно для испарения

0,117 моль СНзОН (Л Нис. = 38,45 кДж/мо ь для СНзОН), Такого количества диметилового эфира вполне достаточно для пуска двигателя с рабочим обьемом 1Чь= 2,4 л (двигатель ЗМ3-24, автомобиля ГАЗ24), Для 10 пусков понадобится обьем

1777631

Таблица !

СНзз = 62,3 мл, СНзОйа = 68,4 мл. Следовательно, объем капсул для хранения пусковых компонентов не будет превышать объемов, существующих для аналогичных целей.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что позволяет повысить температуру заряда на впуске; снизить энергоэатраты на получение диметилового эфира, расширить диапазон применяемых пусковых топлив.

Формула изобретения

1. Способ облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания путем подачи во впускной коллектор двигателя пусковой легковоспламеняющейся жидкости на основе диметилового эфира, смешивания эфира с зарядом, поступающим в цилиндр двигателя, и его воспламенения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат, пусковую жидкость получают смешиванием спиртового раствора метилата щелочного металла и жидкого галогенпроизводного метана, поступающих из отдельных капсул, с проведением экзотермической реакции, выделением газообразного диметилового эфира и получением жидких продуктов реакции, причем спиртовой растворитель и жидкие продукты реакции направляют во впускной коллектор после запуска двигателя во время его прогрева.

2, Способ по и. 1, отл и ч а ю щи йс я тем, что в качестве растворителя используют метанол с примесью этанола и высших спиртов в пределах, мас.%: СНзОН = 6585%; C2HgOH = 1,5-2,0%; СзН7ОН = 2-3%;

C4HgOH = 10 — 20%; CgH1>OH = 0 — 1%;

CoH)NOH = 5 — 10%, СаН 70Н = 0-0,5%.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что в качестве метилата металла используют метилат натрия (СНэ — О-Na), а в качестве галогенпроизводного метана—

5 йодистый метил (СНз — 3).

4. Способ по пп. 1 — 3, отл и ч а ю щи йс я тем, что спиртовой растворитель и продукты реакции во впускном коллекторе подогревают, дегидратируют с использо10 ванием катализатора и активируют ультрафиолетовым излучением.

5. Способ по п.4, о тл и ч а ю щи и с я тем, что в качестве катализатора используют оксид алюминия или смесь оксидов алюминия, меди и цинка, 6. Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник пусковой легковоспламеняющейся жидкости на основе диметилового

2р эфира, соединенный через запорный орган с впускным коллектором двигателя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения ресурсов пусковых жидкостей и снижения энергозатрат, оно снабжено смесительной

25- камерой, размещенной между впускным коллектором и источником пусковой жидкости, выполненным в виде отдельных капсул, заполненных спиртовым раствором метилата щелочного металла и жидким галогенпро30 изводным метана и подключенных через запорный орган к смесительной камере, связанной с впускным коллектором при прмощи по меньшей мере двух каналов, один из которых расположен в верхней части сме35 сительной камеры, а другой — в ее нижней части и снабжен шиберной заслонкой.

7. Устройство по и. 6, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что запорный орган выполнен в виде электромагнитного клапана, а шибер40 ная заслонка снабжена приводом от электромагнитного клапана, выполненным в виде тяги и кулисы.

1777631

Таблица 2

П р и меча н и е. * — в закрытом сосуде

** — в воздухе

Свойства компонентов пусковых топлив

1777631 иг.

Составитель В.Гречка

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О,Густи

Редактор Т.Куркова

Заказ 4132 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101