Способ интенсификации горения топлива и двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к интенсификации горения топлива посредством введения в камеру сгорания дополнительного окислителя топлива. Изобретение позволяет повысить интенсивность горения топлива в двигателях внутреннего сгорания. Способ интенсификации горения топлива включает введение в камеру сгорания закиси азота. В области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания закрепляют катализатор разложения закиси азота. Катализатор разложения закиси азота закрепляют в камере сгорания. Двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа включает камеру сгорания, систему впрыска закиси азота в камеру сгорания, катализатор разложения закиси азота, закрепленный в области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания. Катализатор разложения закиси азота закреплен в камере сгорания, в местах, свободных от взаимодействия с подвижными частями двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способам интенсификации горения топлива посредством введения в камеру сгорания дополнительного окислителя топлива и может быть использовано в автомобильных двигателях внутреннего сгорания.

Известен способ интенсификации горения топлива, включающий введение в камеру сгорания закиси азота, и двигатель, включающий камеру сгорания и систему впрыска в нее закиси азота (US 2002/092290 A1, 18.07.2002). Это техническое решение рассматривает закрепление катализатора разложения закиси азота в местах взаимодействия с ней при ее поступлении в камеру сгорания. Катализатор согласно этому изобретению может быть расположен в любом месте до контакта закиси азота с топливом. Для интенсификации процесса горения топлива в этой работе обоснован выбор закиси азота как лучшего (стабильного, химически инертного, не взрыво-, пожароопасного) окислителя топлива. Показано также влияние катализатора разложения закиси азота на интенсификацию горения топлива. В качестве применения описанного технического решения изобретение рассматривает ракетный двигатель, в котором окисление топлива производится исключительно кислородом, высвободившемся в результате реакции разложения закиси азота при температурном воздействии на нее в камере сгорания. Катализатор, расположенный вне температурных воздействий ракетного двигателя, призван начать процесс разложения закиси азота до ее поступления в камеру сгорания. Что касается технического решения в соответствии с настоящим изобретением, направленным на применение в двигателях внутреннего сгорания, где основным окислителем топлива является кислород воздуха, важно расположение катализатора разложение закиси азота не вне камеры сгорания, как это выполнено в вышеописанном известном решении, а непосредственно в камере сгорания.

Технический результат, достигаемый настоящим решением, - повышение интенсивности горения топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Для достижения указанного технического результата способ по изобретению включает введение в камеру сгорания закиси азота, при этом в области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания закрепляют катализатор разложения закиси азота. Конкретной такой областью в данном техническом решении является камера сгорания. Способ реализуется в двигателе внутреннего сгорания, включающем камеру сгорания, систему впрыска закиси азота в камеру сгорания, катализатор разложения закиси азота, закрепленный в области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания, при этом катализатор закреплен в камере сгорания, в местах, свободных от взаимодействия с подвижными частями двигателя. Катализатор разложения закиси азота может быть закреплен на внутренних стенках камеры сгорания. Двигатель, камера сгорания которого представляет собой цилиндр с установленным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения поршнем, имеет катализатор разложения закиси азота, который может быть закреплен в местах, свободных от взаимодействия поршня с цилиндром, например на внутренних стенках цилиндра и/или верхней поверхности поршня, и/или свече зажигания при помощи клея и/или сетчатого каркаса, и/или напыления на означенные поверхности.

Двигатель внутреннего сгорания, работающий на топливе (бензин, пропан и пр.), обычно использует воздух, вернее кислород воздуха в качестве окислителя. Однако реакцию горения в камерах сгорания двигателя (цилиндрах) можно интенсифицировать, используя более сильный окислитель. Таковым является закись азота (N₂O). Она, разлагаясь в цилиндре, увеличивается в объеме (примерно 3 к 2-м), образуя азот и кислород. Важно отметить, что кислород в момент образования находится в более реакционной, атомарной, форме. Этот факт, а также факт увеличения его концентрации по сравнению с кислородом воздуха серьезно влияет на мощность, крутящий момент двигателя и, таким образом, на динамику автомобиля. Такой способ форсирования двигателя внутреннего сгорания часто используется в спортивных и уличных гонках.

Как правило, автомобиль, снабженный закисью азота, эксплуатируется в стандартных условиях. И лишь когда требуется дополнительная мощность, на гоночном треке или спортивной трассе, используется система впрыска закиси азота. Водитель сам или штурман активизирует систему в момент ускорения (разгона) автомобиля нажатием управляющего элемента (клавиша, кнопка, тумблер, рычаг). Обычно это делается при достижении двигателем некоей пороговой скорости вращения (обороты в минуту), когда возникает потребность в дополнительном топливе и окислителе (или просто окислителе).

Вход магистрали закиси азота в двигатель специально спроектирован до так называемого датчика массового расхода воздуха, что позволяет обеспечить учет дополнительного необходимого топлива штатным компьютером системы впрыска автомобиля. Одно это обеспечивает более-менее сбалансированную рабочую смесь, что влечет за собой стабильную работоспособность двигателя, избегая детонации, способной привести к катастрофическому снижению ресурса двигателя и его быстрому выходу из строя. Наряду с этим, важную роль в добавлении топлива играет так называемый датчик кислорода или лямбда-зонд, обеспечивающий обратную связь электронной системы впрыска двигателя в зависимости от состава выхлопных газов. То есть, при только лишь добавлении дополнительного окислителя в двигатель вместе с воздухом, компьютер инжектора старается сам добавить топливо, не допуская обеднения смеси.

Важным фактором, влияющим на динамику автомобиля, является использование катализатора в камере сгорания двигателя, понижающего температуру разложения закиси азота. А, значит, с его помощью обеспечивается ускоренное получение реагентов следующей стадии окисления топлива. Следовательно, применение катализатора увеличивает энергетический эффект суммарных реакций, протекающих в камере сгорания двигателя, увеличивая тем самым мощность (крутящий момент) двигателя. Катализатор разложения закиси азота может представлять собой кристаллический либо аморфный порошок. Химическая формула, описывающая реакцию разложения закиси азота, представлена здесь

2N₂O=2N₂+O₂+39 ккал.

Данная реакция является экзотермической, то есть идет с выделением тепла. Однако эта реакция имеет так называемый энергетический барьер. Например, в обычных условиях разложение начинается при температуре около 600°С. Но в присутствии катализатора энергетический барьер реакции снижается, и для разных катализаторов температура, при которой происходит разложение, может опускаться до 300°С, и даже до 200°С. Таким образом, использование катализатора может существенно уменьшить энергетические затраты на преодоление активационного барьера реакции разложения закиси азота, что позволит получать продукты распада закиси раньше. Следовательно, появившиеся продукты распада смогут раньше участвовать в дальнейших химических превращениях экзотермических окислительных реакций горения топлива, что приведет к значительному повышению мощности ДВС и его крутящего момента.

Энергия активации разложения закиси азота в газовой фазе равна 58 ккал/моль. Общеприменимые в химической промышленности катализаторы существенно снижают энергетический барьер этой реакции. Так, например, присутствие платины (Pt) снижает барьер активации до 33 ккал/моль, а золото - до 29 ккал/моль. С различной степенью эффективно применение соединений родия (Rh), иридия (Ir), а также кобальта (Со), магния (Mg), кальция (Са), никеля (Ni) и др.

В экспериментах применялась смесь окиси кобальта II и III валентная или смесь СoО и Сo₂O₄. Исключительным являлась тугоплавкость катализатора, так как температура в камере сгорания превышает 1000°С. Экспериментальное подтверждение действия катализатора проверялось на мощностном стенде. Когда тестировалась система примерно с одинаковыми параметрами впрыска закиси азота на автомобиле VW GOLF 1,6 16v без использования катализатора и с катализатором, нанесенным с помощью высокотемпературного клея на внутренние поверхности свечей зажигания. Прибавка мощности за счет катализатора доходила до 1/3 общей прибавки мощности двигателя.

Важно отметить, что одним из продуктов разложения закиси азота является кислород в самой его активной атомарной форме. Горение (окисление) топлива в нем происходит с большим выделением энергии. Это является главным фактором повышения мощности двигателя и крутящего момента как следствия использования закиси азота в качестве дополнительного окислителя.

Вторым, по силе воздействия, фактором повышения мощности двигателя внутреннего сгорания является увеличение объема газа в результате разложения закиси азота приблизительно в 1,5 раза, то есть из двух молекул слева от знака равенства химической формулы реакции разложения закиси азота получается 3 молекулы продуктов, а также выделение энергии в процессе разложения закиси азота.

Молекула N₂O содержит кислорода приблизительно 33% от объема всего газа, что в 1,57 раза выше, чем содержание кислорода в воздухе. Кроме того, закись азота плотнее воздуха в 1,5 раза. А значит, при том же атмосферном давлении в камеру сгорания попадет больше кислорода. Оба этих фактора позволяют оценить количество кислорода, попадающее в камеры сгорания двигателя, как в 2,38 раза больше, в сравнении с обычным способом доставки кислорода - воздухом. А если учесть, что форма кислорода, привносимая с закисью азота - атомарная, то закись азота может быть классифицирована как более сильный окислитель.

Важную роль в молекуле закиси азота играет его так называемая балластовая составляющая. Это азот, выделяющийся в результате распада закиси. Ни в каких химических превращениях он не участвует. Однако его наличие делает состав газовой смеси похожим на воздух, в котором также содержится большое, около 78%, количество азота. Такое количество балласта не требует перенастройки систем впрыска современных автомобилей, предотвращая детонацию (взрывы и микровзрывы взамен горения) топлива в более сильном окислителе.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 - камера сгорания двигателя внутреннего сгорания с местами закрепления катализатора разложения закиси азота;

на фиг.2 - схема системы впрыска в камеру сгорания закиси азота;

на фиг.3 - свеча зажигания и места закрепления на ней катализатора разложения закиси азота;

на фиг.4 - положение основных элементов камеры сгорания к моменту начала разложения закиси азота в отсутствие катализатора;

на фиг.3 - положение основных элементов камеры сгорания к моменту начала разложения закиси азота в присутствии катализатора в камере сгорания.

Способ интенсификации горения топлива согласно изобретению включает введение в камеру сгорания закиси азота, при этом в области взаимодействия с закисью азота, при ее поступлении в камеру сгорания, конкретно, в самой камере сгорания, закрепляют катализатор разложения закиси азота.

Способ реализуется в двигателе внутреннего сгорания, включающем камеру 1 сгорания, систему впрыска закиси азота в камеру сгорания, катализатор 2 разложения закиси азота. Система впрыска закиси азота состоит из баллона 3, содержащего сжиженный газ, вентиля 4 баллона, редуктора 5, понижающего давление до требуемого для впрыска в камеру сгорания. Магистраль 6 для подачи по ней закиси азота прерывается электромагнитным клапаном 7, который включается управляющим элементом 8. Как это видно из фиг.1, катализатор 2 закреплен в камере 1 сгорания, в местах, свободных от взаимодействия с подвижными частями двигателя, на внутренних стенках 9, 10 камеры 1 сгорания. Конкретно, на фиг.1 представлена камера 1 сгорания цилиндропоршневого двигателя, при этом катализатор 2 закреплен в местах, свободных от взаимодействия поршня 11 с цилиндром 12, то есть - на внутренних стенках цилиндра, на свече 13 зажигания, на верхней поверхности поршня. Катализатор закрепляется на этих поверхностях при помощи высокотемпературного клея, а также напыления на эти поверхности, с использованием сетчатого каркаса или без него.

Двигатель работает следующим образом. В камеру 1 сгорания форсунками впрыскивается топливо, которое окисляется в присутствии кислорода воздуха. При желании получения дополнительной мощности двигателя, при помощи управляющего элемента 8 открывается электромагнитный клапан 7 и из баллона 3 в магистраль 6 через вентиль 4 и редуктор 5 подается закись азота. Из магистрали 6 (на фиг.1, 3, 4, 5 помечена стрелкой) закись азота поступает в камеру 1 сгорания и взаимодействует с катализатором 2 разложения закиси азота, что приводит к интенсификации горения топлива.

Динамику работы системы впрыска закиси азота в присутствии катализатора ее разложения можно описать следующим образом. Порядок химических превращений начинается с зажигания смеси воздуха, топлива и закиси азота свечой зажигания. Горение топлива в кислороде воздуха набирает силу, температура в камере сгорания повышается. Поршень толкается расширяющимися газами, являющимися продуктами горения топлива в кислороде воздуха. В момент, когда температура достигает 600°С, начинается разложение закиси азота. Положение основных элементов камеры сгорания в этот момент приведено на фиг.4. Расстояние, которое прошел поршень к этому моменту, назовем X. Толчок поршня становится более интенсивным как в результате увеличения объема смеси, так и за счет вступления в реакцию атомарного кислорода, выделяющегося в следствие распада молекулы N₂O. Однако до начала активного процесса горения поршень прошел какое-то расстояние Х в не интенсифицированном действием введенного дополнительного окислителя режиме. Что изменяет наличие катализатора разложения закиси азота в камере сгорания. Температура, при которой начинается распад молекулы N₂O, заметно ниже. Она равна примерно 200 или 300°С в зависимости от выбранного катализатора. Ясно, что такая температура в тех же условиях достижима гораздо раньше (см. фиг.5). К моменту начала реакции распада молекулы закиси азота поршень прошел расстояние Y (меньше расстояния X, в случае отсутствия катализатора в цилиндре). Следовательно, неинтенсивное движение поршня, произошедшее до вступления в действие продуктов распада закиси азота, конкретнее атомарного кислорода, будет короче.

Причем какое-то время в процессе разложения основной массы закиси азота движение поршня, назовем его X1, также не будет интенсивным. И, понятно, что это расстояние в случае использования катализатора, назовем его Y1, будет сокращено существенно.

Объективно, разница в расстояниях хода поршня, равная разнице Х и Y, плюс разница в расстояниях X1 и Y1, умноженная на разницу в интенсивности горения топлива в обычном режиме, назовем Е, и горения в продуктах распада закиси азота, пусть будет Е1, и будет являться энергетической составляющей использования катализатора W. Итак,

Здесь W - энергетический эффект применения катализатора.

Е - Энергия горения топлива в кислороде воздуха.

E1 - Энергия горения топлива в атомарном кислороде (продукте распада N₂O).

X - Расстояние, прошедшее поршнем до начала реакции разложения закиси азота без использования катализатора.

X1 - Расстояние, которое прошел поршень до начала реакции разложения закиси азота с катализатором.

Y - Расстояние, прошедшее поршнем с момента, когда закись азота начала разлагаться до завершения этого процесса. Реакция протекает без интенсификации катализатором.

Y1 - Расстояние, прошедшее поршнем от начала разложения N₂O до завершения процесса разложения в присутствии катализатора.

Таким образом, энергетический эффект W прямо пропорционален разности энергии горения топлива в продуктах распада закиси азота (Е1) и энергии горения топлива в кислороде воздуха (Е). Энергетический эффект W пропорционален разности расстояний хода поршня до достижения температуры, когда закись азота начинает разлагаться (X), примерно 600°С, и началу каталитического разложения закиси азота (X1), около 200-300°С. Также, энергетический эффект W обратно пропорционален разности расстояний хода поршня с начала до конца распада N₂O в обычных условиях (Y) и расстоянию, прошедшему поршнем, когда закись разлагается в присутствии катализатора (Y1).

Эта энергетическая составляющая может быть более существенной в ДВС, где длина хода поршня уменьшена в силу компактности мотора или в силу каких-то других конструктивных особенностей. И, если в обычных условиях использования автомобиля, энергия, образованная вследствие использования катализатора, может показаться незначительной, то в условиях спортивных соревнований любой способ увеличения мощности двигателя может оказаться полезным.

Ввиду более интенсивного режима горения топлива в больший период времени с использованием катализатора, чем без него, целесообразно перенастроить систему впрыска ДВС на подачу большего количества топлива.

Формула изобретения

1. Способ интенсификации горения топлива, включающий введение в камеру сгорания закиси азота, при этом в области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания закрепляют катализатор разложения закиси азота, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закрепляют в камере сгорания.

2. Двигатель внутреннего сгорания, включающий камеру сгорания, систему впрыска закиси азота в камеру сгорания, катализатор разложения закиси азота, закрепленный в области взаимодействия с закисью азота при ее поступлении в камеру сгорания, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен в камере сгорания, в местах, свободных от взаимодействия с подвижными частями двигателя.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен на внутренних стенках камеры сгорания.

4. Двигатель по п.2 или 3, отличающийся тем, что камера сгорания представляет собой цилиндр с установленным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения поршнем, при этом катализатор разложения закиси азота закреплен в местах, свободных от взаимодействия поршня с цилиндром.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен на внутренних стенках цилиндра.

6. Двигатель по одному из пп.2-5, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена свечой зажигания, при этом катализатор разложения закиси азота закреплен на свече зажигания.

7. Двигатель по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен на верхней поверхности поршня.

8. Двигатель по одному из пп.2-7, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен при помощи клея.

9. Двигатель по одному из пп.2-8, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен при помощи сетчатого каркаса.

10. Двигатель по одному из пп.2-9, отличающийся тем, что катализатор разложения закиси азота закреплен при помощи напыления.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5