В структуре мирового потребления углеводородов более 50 % занимает транспорт, следовательно, большая их часть используется в двигателях внутреннего сгорания. В связи с этим, любые технологии, направленные на повышение эффективности сгорания топлива являются наиболее перспективными. Известна технология растворения в жидком моторном топливе различных горючих газов, что позволяет значительно повысить характеристики топлива, в частности значительно повышается октановое, либо цетановое число. Недостатками данной технологии являются необходимость предварительного насыщения топлива газом на специальном оборудовании, с последующим хранением, срок которого невелик. Очевидным решением этой проблемы может быть включение этапа диффузии горючего газа (активации топлива) в топливную систему двигателя внутреннего сгорания и приготовление топливной смеси непосредственно перед ее подачей в камеру сгорания. Для решения этой задачи разработано устройство, которое предназначено для активирования топливной смеси различными жидкими либо газовыми компонентами и может быть встроено в топливную систему любого двигателя внутреннего сгорания.
Активирование топлива разработанным устройством имеет целью повышение октанового числа для топлива, применяемого в двигателях с искровым зажиганием, и цетанового числа для двигателей с воспламенением от сжатия. Также полезным эффектом активирования топлива является повышение его удельной теплотворной способности, что положительно сказывается на расходе топлива. Полезным эффектом можно считать и существенное расширение номенклатуры применяемых в смеси жидких и газообразных видов топлива.
Преимуществами устройства являются отсутствие этапа хранения смеси и, как следствие отсутствие потерь концентрации растворенного газа, использование как известных, так и перспективных видов топлива, использование активированного топлива без изменения конструкции двигателя внутреннего сгорания. Вещества, пригодные для использования устройством, разделяются на три группы. Первая группа, являющаяся основной, по массе представляет собой наиболее распространенные жидкие фракции углеводородов, используемые в качестве моторного топлива, такие как дизельное топливо, бензины, керосин. Вторая группа жидких углеводородов, выступающая в роли вспомогательной может включать в себя как сжиженный газ, так и более экзотические виды альтернативного топлива, например синтетический бензин, биоэтанол, растительные масла, а также топлива, которые не могут использоваться в ДВС без внесения каких либо изменений в его устройство. В этом качестве также могут быть использованы жидкости неорганического происхождения, например вода, либо смесь воды с угольной пылью. Газообразной составляющей могут быть различные горючие газы или аэрозоли из их смеси с жидкими углеводородами.
Рис. 1. Схема устройства активирования (рис. 1): 1 — корпус, 2 — гидродинамическая секция, 3 — первая фиксирующая гайка, 4 — рефлекторная часть гидродинамического интерфейса, 5 — первый рефлектор, 6 — каналы первой секции, 7 — штифт рефлекторов, 8 — фланец, 9 — вторая гидродинамическая секция, 10 — каналы второй секции, 11 — второй рефлектор, 12 — коллектор, 13 — вихревой генератор, 14 — выход, 15 — вторая фиксирующая гайка, 16 — внешний конический канал, 17 — внутренний конический канал, 18 — ввод газообразного компонента, 19 — ввод второй части жидкого компонента, 20 — коническая часть для вывода эмульсии, 21 — выход
Устройство для смешивания состоит из двух частей: гидравлической и пневматической. Гидравлическая часть предназначена для образования турбулентного потока жидкого составляющего топливной смеси и представляет собой цилиндрический канал в секции 2, переходящий в кольцевой при помощи рефлектора 5. Кольцевой канал далее разделяется на микроканалы 6, направленные по образующей цилиндра, что служит возникновению условий для появления очагов турбулентности. Из микроканалов поток поступает в коническую часть 16, где скорость потока достигает максимума. Второй жидкий компонент, либо при его отсутствии вторая часть основного топливного компонента подается через каналы 19, рассекается рефлектором 11 в кольцевой канал и поступает в микроканалы 10, аналогично первой части. После этого поток разгоняется во внутреннем коническом канале 17. Далее следует пневматическая часть в пространстве между второй гидродинамической секцией 9 и корпусом 1, в которой последовательно расположены зоны где создается вихревая турбулентность, куда подается газообразный компонент смеси с давлением, достаточным для вхождения в вихревой поток и формирования в нем пузырьков газа для последующей диффузии. Форма кольцевых каналов обеспечивает высокую скорость жидких топливных компонентов, и как следствие кавитационное разрежение в зоне ввода газообразного компонента. Благодаря этому создаются условия для смешения жидкого и газообразного компонента. Далее смесь жидкого и газообразного компонентов поступает через каналы коллектора 12 на вихревой генератор 13 где происходит окончательная гомогенизация топливной смеси. Через конический канал 20 смесь поступает в выходной патрубок устройства.
На выходе из устройства смесь содержит в себе все исходные компоненты, равномерно распределенные по объему. Давление в трубопроводе обеспечивает устойчивое состояние раствора вплоть до впрыска в камеру сгорания. Активация позволяет поднять октановое число бензина до 120, в то время как октановое число высокосортного бензина, полученного при помощи метода каталитического риформинга, составляет 90 единиц. Благодаря дополнительному эффекту гомогенизации топливной смеси увеличивается массовая скорость горения и мощность тепловыделения.
При впрыске в камеру сгорания растворенный газ, находившийся в топливном трубопроводе в равновесном состоянии, расширяется, что вызывает дополнительное дробление капель распыленного топлива и их интенсивное испарение. Это положительно сказывается на гомогенизации заряда топливовоздушной смеси. Это способствует повышению равномерности сгорания смеси и увеличивает ее удельную теплотворную способность, а также полноту сгорания топлива, особенно в двигателях с воспламенением от сжатия, что способствует снижению расхода топлива.
Литература:
- Басевич В. Я., Когарко Г. Ф. Промотирование горения // Физика горения и взрыва. — 1969. — № 1. — С. 99–105.
- Лернер М. О. Химические регуляторы горения моторных топлив. — М.: Химия, 1979. — 222 с.
- Равич М. Б. Эффективность использования топлив. — М.: Изд. Наука, 1977. — 155.
- Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович В. Б., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения и взрыва. — М.: Наука, 1980. — 480 с.
- Предварительный патент США № US 62/652,322, 04.04.2018. Динамическое растворение природного газа в жидком топливе (программа, система и метод) / Максим Зинякин.
