Методы и устройства экономии топлива в тепловых двигателях - № 02 (05) апрель 2013 - Тепловая энергетика - WWW.EPRUSSIA.RU

Необходимо создавать и повсеместно внедрять альтернативные энергосберегающие технологии экономного производства и расходования топлива, тепла и электроэнергии. На втором этапе надо создавать бестопливную альтернативную энергетику.

Для того чтобы радикально экономить топливо, нужно добиться его эффективного горения в любой теплоэнергетической установке. Чтобы полностью и экологически чисто сжечь топливо, надо качественно приготовить его и окислитель, качественно их смешать и гомогенизировать, а затем эффективно воспламенить смесь. Автором рассмотрены новые способы и устройства интенсификации всех этих стадий, в том числе:

• одновременная фильтрация и магнитоэлектрическая активация топлива;

• одновременная электроактивация и фильтрация окислителя;

• тонкое электростатическое распыление топлива;

• активизация воспламенения топливной смеси (плазматроном с вращением электродуги);

• вихревое смешивание компонентов топливной смеси;

• электрополевая активизация горения любой топливной смеси в факеле.

Рассмотрим более подробно некоторые из этих методов.

Магнитоэлектрическая активация топлива

Технология предназначена для повышения топливной экономичности ДВС и любых горелок посредством введения в топливный тракт эффективных активаторов. Для реализации этого новшества целесообразно совместить конструкцию топливного фильтра и активатора топлива. Для этого емкость топливного фильтра превращают в необычный высоковольтный электрический конденсатор с жидким диэлектриком, которым служит само топливо и в качестве одной из обкладок которого является наружный корпус топливного фильтра. Причем топливный фильтр дополнительно снабжен источником магнитного поля и источником электрического поля с напряжением 10‑20 кВ, а также двумя электродами, один из которых создан электропроводящим полым, выполняющим роль впускного патрубка для топлива, или в виде объемного электропроводящего фильтрующего элемента, и размещен внутри емкости с топливом. Другой электрод выполнен в виде кольцевого электропроводящего элемента и размещен снаружи диэлектрической емкости топливного фильтра, причем выходы этих электродов электрически присоединены к источнику электрического поля.

Топливный фильтр-активатор состоит из диэлектрической емкости, с входным и выходным патрубками для топлива, и источника электрического поля, присоединенного к двум электродам. Один из электродов коаксиально (соосно) размещен внутри диэлектрической емкости и представляет собой стержень, на который плотно, для обеспечения электрического контакта, установлен электропроводящий фильтрующий элемент, выполненный, например, из углеводородного волокна. Другой электрод установлен снаружи диэлектрической емкости с возможностью перемещения вдоль цилиндра корпуса. Снаружи диэлектрической емкости установлен, по крайней мере, один источник магнитного поля, например кольцевой постоянный магнит.

Работает топливный фильтр-активатор следующим образом. Топливо из топливного бака через нагнетатель и входной патрубок поступает в диэлектрическую емкость. Она является необычным электрическим конденсатором, первой обкладкой которого являются электропроводящий электрод и объемный электропроводящий фильтр с одной стороны и выносной кольцевой электрод – с другой. При этом стороны разделены диэлектрическим материалом корпуса. Электроды присоединены к выходам источника электрического поля. Топливо поступает во входной патрубок и через выходной патрубок в систему питания энергетической установки. Топливо в емкости одновременно очищается от примесей и активизируется электрическим полем от источника, а также магнитным полем от магнита при прохождении его через активный фильтрующий элемент, который одновременно является объемным электродом и обеспечивает электронную эмиссию в топливо.

В результате конструктивного совмещения фильтрующего элемента и электрода активатора топливо проходит одновременную тонкую очистку от посторонних механических частей и эффективную магнитоэлектрическую активацию. Причем – на атомарно-молекулярном уровне, что обеспечивает высокую степень его электрохимической активности и повышает его энергетическую калорийность. Это дает высокую степень сгорания активированного топлива в теплоэнергетической установке, экономию топлива на уровне 20‑30 процентов и получение высоких экологических показателей отходящих газов из зоны горения. Изобретение рекомендуется для широкого применения на транспорте, в двигателестроении и в любых иных огневых технологиях, например в котельных установках.

Проведенные исследования различных модификаций гибридных фильтров – активаторов топлива и окислителя убедительно показывают их эффективность, достигаемую при правильном проектировании и изготовлении применительно к заданной задаче и конкретному теплоэнергетическому объекту (например, котельной установке). Опытами показано, что при оптимальном соотношении конструктивных и прочих параметров фильтр – активатор топлива позволяет экономить до 20‑30 процентов топлива и использовать более низкосортные сорта топлива, обедненные и балластированные водой, при сохранении прежней теплотворной способности. При этом в связи с полным сгоранием топлив устраняется нагар на форсунках и в котлах, что повышает их надежность и улучшает экологию горения.

Пар – топливо и эффективный очиститель

Давно известны успешные опыты по балластированию топлива водой и паром и его сжиганию в теплоэнергетике и на автотранспорте. Водотопливные эмульсии и паротопливные аэрозоли вполне применимы как в автомоторах, так и в котельных и позволяют существенно экономить основное топливо. Однако на данном пути есть еще немало находок. С введением в горелки и автомоторы оригинальных воспламенителей – простых плазмотронов с вращением электрической дуги – появляется уникальная техническая возможность еще более забалластировать основное топливо водой (до 50‑60 процентов) и успешно и чисто сжечь его – например, в электрическом поле.

Устройство подачи влажного воздуха или пара во всасывающий коллектор теплового двигателя или через горелку в котельной весьма привлекательно не только для экономии топлива. Оно может использоваться для снятия нагара в камерах сгорания и с котла и приводит, при эффективном воспламенении, к улучшению процесса сгорания топлива, потому что водяной пар частично диссоциирует в пламени на Н₂ и О₂, особенно при одновременной электризации водяного пара и самого пламени.

Сравним расходы топлива и воды, как влаги воздуха, в автомобильных тепловых двигателях при обычном горении. Из стехиометрического соотношения 1:15 следует, что топлива потребляется примерно 7 процентов по массе от необходимого расхода воздуха. Но и в воздухе влаги содержится от 1 до 2 процентов, а с учетом коэффициента избытка воздуха – до 5‑6 процентов. То есть двигатель потребляет влаги примерно столько же, сколько и топлива. Именно поэтому дефицит влаги как донора электронов наравне с топливом зимой затрудняет пуск двигателя. Из опытов, описанных в технической литературе, известно, что добавка в топливно-воздушную смесь воды улучшает процесс горения и снижает расход топлива до 30 процентов. Кроме того, приготовление хорошей смеси 50 процентов топлива и 50 процентов воды, связанных на молекулярном уровне в виде нерасслаивающейся эмульсии, дает тот же эффект по теплотворной способности топлива, что и чистый бензин. Этот факт подтверждает идентичность работы влаги и топлива в горючей смеси, причем именно поровну.

Есть еще один, как уже упоминалось выше, немаловажный положительный эффект от введения пара в мотор. Дело в том, что, когда водяной пар взаимодействует с углеродом при температуре выше 750 градусов, он разлагается на составляющие. Так что накопленный в камерах сгорания продукт неполного горения низкосортных топлив, сажу – водяной пар активно разлагает во время вспышки и высокотемпературного горения паротопливной смеси в цилиндрах теплового мотора. Кто этого не знает – те постоянно спорят о том, что пар ничего толкового для транспортного двигателя не дает. Однако двигатель, в котором используется пар, всегда чист! Потому что пар с пользой перерабатывает всю сажу в топливный синтез – газ. В наших опытах на ДВС с добавлением водяного пара и некоторых дешевых углеводородных добавок достигнута экономия основного топлива до 40‑50 процентов. Эта радикальная экономия топлива достигнута при экологической чистоте выхлопных газов на уровне Евро-3 и 4. Но и это еще не предел, и существует реальная возможность работы моторов и горелок только на одном водяном пару! Особенно полному горению такой топливной смеси способствует электростатическое распыление балластированного водой топлива. Об этом ниже.

Электростатическое распыление водотопливных эмульсий

Электрическое поле может обеспечить кулоновскими силами отталкивания и дробления капель идеальное распыление топлива в форсунках при минимальных энергозатратах. В сочетании с вихревым смешиванием компонентов топливной смеси с окислителем это приведет к наилучшей гомогенизации топливной смеси и, как следствие, к глубокому сгоранию топлива, а также существенной его экономии.

Автором предлагается устройство электростатического распыления топливной смеси на примере инжекторного двигателя внутреннего сгорания двигателя.

Устройство приготовления топливной смеси состоит из топливного бака, топливного насоса высокого давления, присоединенного через топливопровод к топливной форсунке (инжектору двигателя). Упрощенно последняя состоит из корпуса, имеющего топливный канал и сопло. На форсунке размещена кольцевая электроизолирующая вставка, а на ней укреплен кольцевой электропроводящий электрод с внутренним диаметром отверстия, превышающим диаметр сопла. В состав устройства введен вихревой смеситель, имеющий тангенциальный ввод в него, например в виде одного или нескольких отверстий в корпусе, для интенсивного вихревого смешивания компонентов топливовоздушной смеси (а именно – атмосферного воздуха, отходящих горячих газов двигателя, пара), с последующей подачей их тангенциально в конический патрубок, в зону вихревой закрутки основного потока окислителя – воздуха. Вихревой смеситель соединен коническим патрубком с впускным отверстием рабочего цилиндра камеры сгорания двигателя. В камере сгорания двигателя также размещена штатная электрическая свеча зажигания, содержащая центральный электрод, электроизолятор и корпус с ввертной частью и боковым электродом, электрически соединенным с массой двигателя. Электроды свечи зажигания и электроды электростатического распылителя топлива присоединены соответственно к источникам знакопостоянного высоковольтного импульсного напряжения и к источнику питания, например к аккумуляторной батарее. Упрощенно можно выделить рабочую зону электростатического распыления топлива, зоны интенсивного вихревого смешивания топлива и окислителя, зону компонентов топлива и зажигания.

Устройство работает следующим образом. При подаче топлива в топливную форсунку и подаче высоковольтных импульсов напряжения на кольцевой электрод, синхронизированных с импульсами зажигания смеси на свече, топливо со среза сопла тонко и интенсивно распыляется кулоновскими силами отталкивания, вследствие зарядки струи топлива электрическим зарядом одноименного знака. Одновременно топливо активизируется в электростатическом поле. Тогда же в вихревом смесителе зоны распыления топлива происходит и интенсивное вихревое смешивание компонентов топливной смеси. Воздух, поступающий от воздушного фильтра в конический завихритель вихревого смесителя, одновременно интенсивно закручивается в вихревом сопле, размещенном во входном патрубке и зафиксированном прокладкой. Далее закрученный воздух интенсивно перемешивается с топливом, распыляемым инжекторной форсункой, а затем через конические сопла активизированная, хорошо смешанная смесь через входное отверстие, при поднятом впускном клапане, попадает внутрь камеры сгорания цилиндра двигателя. А именно – в зону концентрации и воспламенения, поскольку на центральный электрод подают второй потенциал, разноименный по отношению к электрическому потенциалу, которым заряжают топливо на срезе сопла.

Благодаря тонкому распылению топлива электрическим полем и вихревому смешиванию качество топливо-воздушной смеси намного выше, чем в аналогах.

В результате обеспечивается повышенная степень дисперсности распыла топлива, гомогенности топливной смеси, возрастает и полнота ее сгорания, т. е. существенно улучшается экология ДВС и топливная экономичность двигателя и прочих горелок.

Магнитная топливная горелка с вращающейся электродугой

Изобретение относится к горелкам для энергетических котлов, газотурбинных и парогазовых установок и любых топок промышленных печей. Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков относится горелка для сжигания топлива, содержащая корпус и топливопровод, соединенный с форсункой. При всех достоинствах существующие горелки не могут обеспечить радикальную экономию топлива, обладают пониженной надежностью из‑за явления нагара, пониженной топливной экономичностью и пониженным КПД в связи с невозможностью воспламенения обедненных топливных смесей. Как следствие, это приводит к неполному сгоранию топливной смеси, перерасходу топлива и высокой токсичности выхлопных газов.

Техническое новшество состоит в том, что горелка автора дополнительно снабжена электрическим изолятором, размещенным в корпусе горелки снаружи топливопровода и в получении эффекта вращения электрической дуги при наличии в горелке источника постоянного магнитного поля, например постоянного электромагнита или магнита.

Между соплом форсунки топливопровода и коническим диффузором корпуса горелки образуется бегущая концентричная дуга зажигания, приводящая к повышению интенсивности воспламенения и горения топливной смеси и, как следствие, к снижению расхода топлива и улучшению экологической чистоты отходящих газов. Дополнительные положительные эффекты такой универсальной горелки состоят в ее эффективном запуске и возможности работы на обедненных топливных смесях.

В известное устройство горелки, содержащей корпус и топливопровод, соединенный с форсункой, дополнительно введен электрический изолятор, размещенный в корпусе горелки снаружи топливопровода и форсунки, источник постоянного магнитного поля, выполненный в виде постоянного электромагнита или постоянного магнита, размещенного таким образом, чтобы магнитные силовые линии источника магнитного поля пересекали рабочий зазор между выходным соплом форсунки и коническим диффузором корпуса горелки. Например, магнит установлен на внешней части корпуса горелки, причем топливопровод горелки является магнитопроводом, замыкающим магнитные силовые линии в указанном выше рабочем зазоре горелки, что приводит к образованию между выходным соплом форсунки и коническим диффузором корпуса горелки вращающейся электрической дуги – плазмы.

Универсальная авторская горелка с вращением электрической дуги содержит металлический корпус, топливопровод с электроизолятором, сопло форсунки топливопровода, конический диффузор корпуса, кольцевой постоянный магнит, коаксиально размещенный с наружной части корпуса горелки, камеру сгорания. Магнитные силовые линии магнитного диполя кольцевого постоянного магнита замыкают его магнитные полюса между коническим диффузором корпуса горелки и соплом форсунки топливопровода, где и происходит электрический разряд в виде вращающейся электрической дуги.

Принцип работы магнитной топливной горелки

На топливопровод горелки от источника высокого напряжения подается регулируемый знакопостоянный электрический ток. Источник магнитного поля, например кольцевой постоянный магнит, создает в свече зажигания магнитное поле дипольного типа заданной напряженности. Магнитные силовые линии постоянного магнита замыкаются через топливопровод, сопло форсунки, электрическую дугу и конический диффузор корпуса.

Вследствие пересечения магнитными силовыми линиями электрической дуги последняя приходит во вращение в результате силового взаимодействия магнитного поля кольцевого постоянного магнита с электрическим током, протекающим в электрической искре между соплом форсунки топливопровода и коническим диффузором корпуса.

Регулирование скорости вращения электрической дуги обеспечивают изменением параметров электрического тока в дуге и величиной магнитной индукции от постоянного магнита. Реверс вращения электрической дуги обеспечивается посредством поворота постоянного кольцевого магнита на 180 градусов. В случае применения постоянного электромагнита реверс вращения электрической дуги осуществляют изменением полярности напряжения на его обмотке. Вследствие вращения электрической дуги в промежутке между коническим диффузором корпуса и соплом форсунки топливопровода образуется плазменное пятно. В результате повышается интенсивность воспламенения и улучшается горение топливной смеси в камере сгорания. Как следствие, это приводит к снижению расхода топлива и улучшению экологической чистоты отходящих газов. Дополнительные положительные эффекты такой универсальной горелки состоят в ее эффективном запуске при розжиге горелки, возможности работы горелки на обедненных топливных смесях, а также в повышении ее надежности и срока эксплуатации. Благодаря уникальным свойствам такого метода воспламенения любых топливных смесей горелка с вращением электродуги становится вне конкуренции по экономичности и экологичности.

Автором разработана и апробирована экологически чистая комплексная технология радикальной сквозной активации топлива, воспламенения и самого горения с использованием сильных электрических и магнитных полей малой мощности.

Помимо вышеперечисленных, к этой серии новых устройств относятся также разработанные автором магнитная свеча зажигания с вращением электродуги для ДВС, вихревая электрогорелка, аэродинамический завихритель, вихревой карбюратор и др.

Суммарная экономия топлива при реализации комплексной технологии в полном объеме – 40‑60 процентов при одновременном существенном улучшении экологических показателей процессов горения водотопливных эмульсий.

Предлагаемые новые электро-магнито-огневые технологии и методы активации процессов горения основаны на новых физических эффектах взаимодействия электрического и магнитного полей на вещества и пламя.

Данные технологии, изобретения и разработки в случае их массового внедрения позволят существенно снизить остроту мировых энергетических и экологических проблем, создаваемых в основном именно теплоэнергетикой и транспортом.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь: