CC BY
38
УДК 631.3.004
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭНЕРГОНАСЫЩЕНИЯ ТОПЛИВА
А. А. Симдянкин, доктор техн. наук, профессор; Г. З. Кайкацишвили, аспирант
НОУ ВПО «Московский областной институт управления», т. 8(909) 984-88-63, e-mail: seun2006@mail.ru
Проведён анализ работ по повышению эффективности энергонасыщения топлива и на основании этого предлагается конструктивное исполнение устройства, позволяющего за счет одновременного омагничивания и снижения коэффициента поверхностного натяжения повысить полноту сгорания топлива.
Ключевые слова: омагничивание, поверхностное натяжение, полнота сгорания, топливо, энергонасыщение.
Дизельным двигателям, работающим по высокоэффективному рабочему циклу, присуща высокая экономичность, причем во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок. Кроме того, себестоимость минерального дизельного топлива ниже, чем себестоимость бензина, так как вырабатывается оно в основном прямой перегонкой, в то время как высокооктановый бензин получается в результате применения более дорогостоящих процессов: каталитического крекинга, реформинга и пр. Топливо для дизелей должно обладать определенными физико-химическими и эксплуатационными показателями, обеспечивающими их надежную работу в различных климатических условиях, высокие энергетические и экономические показатели и низкую токсичность отработавших газов [1].
Процесс горения топлива основан на реализации цепной химической реакции окислительного процесса взаимодействия атомов кислорода воздуха со свободными
атомами углеводородов. Полнота и скорость реакции горения жидких углеводородов определяются процессом их расщепления на отдельные молекулы с последующим расщеплением этих молекул на отдельные атомы [2].
Углеводороды имеют сложную структуру, при которой «прямое» окисление внутренних атомов углерода невозможно. Кроме того, воздействие температуры и влажности окружающего воздуха заставляет топливо изменять свой объем, в результате отдельные молекулы углеводорода начинают взаимодействовать друг с другом, формируя молекулярные группы. Эти группы образуют достаточно длинные цепочки, еще более затрудняя доступ кислорода к атомам углерода. Результатом будет являться неполное сгорание топлива, причем даже в случае переизбытка кислорода [3, 4].
Как видно из вышесказанного, реализовать полное сгорание топлива можно двумя путями: либо обеспечить подачу ки-
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 87
слорода внутрь цепочки, либо разделить цепочку на отдельные молекулы.
За интенсивность и полноту сгорания топлива отвечают, в первую очередь, электроны на внешней оболочке водорода, кислорода и углерода, а точнее, их количество и спин. При этом изменение спина внешней оболочки изменяет реактивность составляющих топлива. Например, перевод водородной молекулы в более возбужденное спин-состояние значительно увеличивает ее реактивность, что позволяет увеличить вероятность взаимодействия со свободным кислородом, имеющимся в камере сгорания. Таким образом, изменяя спин-состояние молекулы углеводорода в сторону увеличения её магнитного момента, можно увеличить реактивность молекулы. Результатом этого будет являться повышение качества процесса сгорания топлива.
Однако на повышение качества сгорания оказывает влияние еще и поверхностное натяжение топлива, которое должно иметь оптимальный фракционный состав и вязкость, обеспечивая необходимую дисперсность факела распыливания и испаряемость топлива. Известно, что по мере утяжеления фракционного состава, перехода от низко- к высокомолекулярным углеводородам, поверхностное натяжение топлива возрастает, что отражается на его антинагарных свойствах. Величина поверхностного натяжения зависит от химического состава топлива и, главным образом, от количества находящихся в нем поверхностно-активных веществ. Чем выше содержание полярных компонентов, тем больше поверхностное натяжение на границе с воздухом [3].
Для реализации указанных путей улучшения процесса сгорания топлива различными исследователями предлагаются некоторые достаточно эффективные варианты воздействия на топливо.
Следует разделить способы воздействия на характеристики топлива следующим образом: одни из них предполагают формирование новых свойств на этапе производства топлива, другие - на этапе непосредственно до впрыска топлива в камеру сгорания дизеля.
Формирование свойств углеводородов на этапе производства топлива [5-7] характеризуется следующими способами его обработки:
• осуществляется воздействие на углеводороды импульсным электромагнитным полем с заданными параметрами, при этом поле формируется соленоидами, установленными в емкости с углеводородами. В
результате в емкости возникает требуемое электромагнитное поле, приводящее к изменению структуры обрабатываемых углеводородов;
• жидкие углеводороды предварительно подогревают до состояния пара, затем воздействуют на полученные пары одно-полярными электромагнитными импульсами (при обеспечении их движения по спирали вдоль емкости) и охлаждают обработанные пары до состояния жидкой фазы. Данный процесс позволяет улучшить качественные характеристики жидких углеводородов (содержание смол, серы и октановое число);
• на обрабатываемую жидкость воздействуют равномерно распределенным по сечению потока жидкости звуковым полем, направленным вдоль потока жидкости и имеющим плотность мощности, практически одинаковую по всему сечению потока. При этом индивидуальным соединениям, содержащимся в нефти и нефтепродуктах, сообщают дополнительную энергию, сопоставимую с энергией разрыва межмолекулярных и химических связей, что приводит к изменению коллоидных структур и структур индивидуальных углеводородов. Это улучшает эксплуатационные характеристики продуктов переработки нефти и углеводородного сырья.
Изменение свойств углеводородов на этапе впрыска топлива [7-15] характеризуется следующими способами обработки топлива:
• топливо пропускают через участок топливопровода, выполненный в виде двух параллельно расположенных электродов, на которые подается переменное напряжение так, что в проходящем потоке возникает электромагнитное поле, под действием которого топливо дополнительно энергети-зируется и дробится на мелкодисперсные фракции. Параметры электромагнитного воздействия на топливо подбираются в зависимости от его качества, в первую очередь от электропроводности и вязкости. Участок топливопровода, на котором топливо подвергается электромагнитному воздействию, располагают в непосредственной близости от двигателя. Проводимая обработка топлива перед его сжиганием позволяет увеличить экономичность двигателя, а также снизить выбросы оксидов углерода и других остаточных фракций за счет более полного сгорания топливной смеси;
• топливо пропускают через промежуточную камеру, где на него воздействуют гранулированным наполнителем, состоящим из олова или его сплавов со свинцом,
при этом топливо нагревается до температуры 70...80°С. Затем топливо попадает во вторую промежуточную камеру, где его обрабатывают магнитным полем в присутствии олова или его сплавов. В результате в выхлопных газах снижается содержание оксида углерода, оксидов азота и ароматических соединений;
• топливо проходит по топливопроводу, выполненному из диамагнитного материала, с размещенным на нем электромагнитом и магнитопроводом. При этом магнитные силовые линии в топливопроводе совпадают с направлением потока топлива. Размеры катушки и наружного магнитопро-вода, число витков и диаметр провода электромагнита подбираются в зависимости от количества обрабатываемого топлива за единицу времени. Предполагается, что в этом случае происходит глубокое изменение молекулярных свойств топлива и более полное его сгорание в двигателе;
• топливо проходит по топливопроводу, выполненному из диамагнитного материала, и подвергается многократному воздействию магнитных полей повышенной напряженности с разрывами между ними. Повышение эффективности активации топлива, используемого в двигателях внутреннего сгорания, достигается за счет воздействия магнитными полями повышенной напряженности;
• топливо подвергают вторичной обработке электрическим полем в камере, в которой испарившийся пар диссоциирует на водород и кислород, поступающие в цилиндры в смеси с топливом и улучшающие процесс его горения;
• топливо подается между обмотками низкого напряжения, высокого напряжения и сердечником, где создается магнитное поле, силовые линии которого охватывают рабочий канал топливопровода. Воздействие электрического поля на поток топлива заключается в ослаблении молекулярных связей и оптимизации процесса воспламенения топлива и его горения;
• топливо подается в пространство между электростатическим объемным электродом из углеродного войлока и вытяжным объемным электродом из углеродного волокнистого сорбента. Применение электростатического объемного электрода обеспечивает большую площадь взаимодействия со всеми фракциями загрязнений в топливе и молекулами самого топлива для его полной электростатической обработки, что повышает эффективность обработки топлива;
• топливо отрицательно электризуется иглообразными элементами коронирующе-го электрода и поступает в отстойную полость с положительным электродом. При этом под давлением кулоновских сил вредные примеси топлива отталкиваются отрицательным электродом от центра к стенкам фильтра, а затем притягиваются положительно заряженными иглообразными элементами и проникают в пористую или волокнистую структуру фильтрующего элемента. Это значительно повышает емкость фильтра, эффективность обработки топлива и работу всего устройства.
Таким образом, предлагаются различные варианты энергонасыщения топлива за счет создания либо магнитного, либо электростатического поля. При этом предполагается, что возможно снижение коэффициента поверхностного натяжения топлива. Действительно, это возможно, однако следует иметь в виду, что увеличение напряженности, например, электростатического поля, достаточное для изменения коэффициента поверхностного натяжения топлива, может привести к воспламенению топлива еще до его попадания в камеру сгорания. Кроме того, создание такого поля связано с существенными энергозатратами.
Чтобы избежать указанных недостатков и улучшить процесс горения топлива, авторами предлагается изменить характеристики топлива за счет изменения спин-состояния молекулы углеводорода, а также снижения коэффициента его поверхностного натяжения. При реализации этого способа у предлагаемого устройства использовались три положения, которые могли существенно повлиять на энергонасыщение топлива. Первое положение заключалось в создании управляемого переменного магнитного поля, характеристики которого могли меняться в процессе омагничива-ния топлива непосредственно при его движении по топливопроводу. При этом могут учитываться фракционный состав топлива, вязкость и другие параметры. Второе положение заключалось в создании условий для интенсивного перемешивания топлива при его прохождении по топливопроводу, например, в случае применения многокомпонентного топлива (растительные масла плюс дизельное топливо). Третье положение заключалось в создании условий для возникновения присоединенной и вибрационной кавитации в полости топливопровода, результатом чего будет являться снижение коэффициента поверхностного натяжения топлива.
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 89
Разработанная конструкция для энергонасыщения жидкого топлива содержит корпус, который в продольном сечении выполнен в виде двух зеркально установленных большими основаниями друг на друга трапеций, боковые поверхности которых образуют угол 30°< в < 90° с продольной осью канала. Канал охватывается располагающимися на боковых сторонах трапеций двумя катушками индуктивности, индуцирующими магнитное поле при подаче на них управляющего сигнала. При этом внутри корпуса расположен постоянный магнит, свободно вращающийся на оси, который может быть выполнен в виде полой трубки. Длина магнита позволяет ему свободно поворачиваться внутри канала на угол 360°. Катушки индуктивности в зависимости от управляющих сигналов могут индуцировать в корпусе и постоянное, и переменное магнитные поля, вынуждающие постоянный магнит как колебаться, так и вращаться внутри него.
Рис. 1. Общая схема устройства для энергонасыщения жидкого топлива: 1 - корпус; 2 - патрубки; 3 и 4 - катушки индуктивности; 5 - ось; 6 - постоянный магнит
Работает устройство для энергонасыщения жидкого топлива следующим образом. Канал 1 (рис. 1) подсоединяется через патрубки 2 к топливопроводу двигателя автомобиля или трактора, при этом внутренний и наружный диаметры патрубков 2 соответствуют внутреннему и наружному диаметрам топливопровода. Исходно, до подачи управляющего сигнала (сигналов) на катушки индуктивности 3 и 4, постоянный магнит 5 располагается по горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции поля Земли, при этом вследствие конструктивного исполнения он не препятствует свободному течению топлива в канале 1. При подаче управляющего сигнала (сигналов) на катушки индуктивности 3 и 4 они индуцируют собственное магнитное поле, превышающее значение горизон-
тальной составляющей вектора магнитной индукции поля Земли и вынуждающее поворачиваться постоянный магнит 5 на оси
6 на угол в по вектору напряженности В или по результирующему вектору напряженности магнитного поля катушек 3 и 4, если управляющие сигналы подаются сразу на обе катушки. В зависимости от типа управляющих сигналов катушки индуктивности 3 и 4 могут индуцировать в потоке жидкости, находящемся в канале 1, и постоянное, и переменное магнитные поля, вынуждающие постоянный магнит 5 как колебаться, так и вращаться на оси 6. При этом управляющий сигнал, подаваемый на катушки 3 и 4, может формироваться, например, штатным генератором автомобиля или трактора.
Модель предлагаемого технического решения была реализована на базе фильтра тонкой очистки топлива карбюраторного двигателя.
5
Рис. 2. Общий вид устройства для энергонасыщения топлива
Устройство представляет собой цилиндрический корпус 1 (рис. 2), охватываемый сердечником 2 соленоида 3, сигнал управления на который передается с реле 4, при этом частота переключения реле 4 регулируется набором конденсаторов 5. Внутри корпуса 1 на оси размещена трубка 6, имеющая возможность совершать вращательное движение внутри него. Внутри трубки находятся магниты, расположенные таким образом, что топливо имеет возможность свободно двигаться внутри трубки. Создаваемое магнитное поле на сердечниках 2 соленоида 3 при подаче на него управляющего сигнала заставляет трубку 6 колебаться на оси. При этом в зависимости от управляющего сигнала возможно создание высокочастотных колебаний трубки 6, а также организация ее вращения на оси. Топливо, подающееся в корпус 1 в процессе работы, подвергается и омагничиванию внешним полем, и разрыву сплошности
жидкости в силу возникающей вибрационной кавитации в зоне, прилегающей к трубке 6.
Электрическая схема управления колебаниями (вращением) трубки 6 была реализована на базе стандартного соленоида (трактор John Deer), электролитических конденсаторов (в экспериментах использовались значения емкостей 33 мкФ, 100 мкФ, 220 мкФ, 4700 мкФ) и пятиконтактного реле J5.3777 (см. рис. 2).
Однако проведенные эксперименты показали недостатки данной схемы управления: низкая мощность сигнала, управляющего перемещением магнита внутри корпуса фильтра при достаточно высокой скорости движения топлива по топливопроводам системы питания двигателя. Поэтому предлагается реализовать схему управления на базе достаточно мощного высокочастотного генератора, сигнал с которого будет подаваться непосредственно на вход соленоида (соответствующие экспериментальные исследования проводятся в настоящее время на двигателе).
Литература
1. Астахов, И. В. Подача и распылива-ние топлива в дизелях / И. В. Астахов, В. И. Трусов, А. С. Хачиян, Л. Н. Голубков. - М.: Машиностроение, 1971. - 359 с.
2. Равич, М. Б. Топливо и эффективность его использования / М. Б. Равич. - М.: Наука, 1971. - 358 с.
3. Мальцев, В. М. Основные характеристики горения / В. М. Мальцев, М. И. Мальцев, Л. Я. Кашпоров. - М.: Химия, 1977. -320 с.
4. Харитонов, В. А. Риформинг бензинов электромагнитным полем / В. А. Харитонов // Научный журнал КубГАУ. - 2008. -№ 35(1).
5. Патент № 2098454 Россия, МПК F02 M27/04, F02B51/04. Способ обработки жидких углеводородов и устройство для его осуществления / Иванник В. Г., Шахова К. И., Ступников В. П., Линский В. А., Сло-вецкий Д. И., Попов В. Т. - Заяв. 25.11.93; опубл. 11.08.94, бюл. № 7.
6. Патент № 2179572 Россия, МПК F02 M27/04. Способ обработки жидких углево-
дородов и установка для его осуществления / Крымский В. В., Федотов В. А. - Заяв. 07.12.00; опубл. 20.09.01, бюл. № 9.
7. Патент № 2149886 Россия, МПК Р02 М27/04. Способ обработки нефти, нефтепродуктов, углеводородов / Быков И. Н., Бембель В. М., Колмаков ВА., Марков ГА., Санов ГА. - Заяв. 20.05.99; опубл. 19.01.00, бюл. № 1.
8. Патент № 2038506 Россия, МПК Р02 М27/04. Способ обработки топлива / Федотов А. Д., Баканов А. А., Шабордин А. В. -Заяв. 27.07.92; опубл. 21.01.93, бюл. № 1.
9. Патент № 2028491 Россия, МПК Р02 М27/04. Способ предварительной подготовки топлива и устройство для его осуществления / Адамович Б. А., Гайдадымов В. Б., Синяков В. П., Трупанов В. А., Фролов К. В. - Заяв. 26.07.91; опубл. 28.01.92, бюл. № 2.
10. Патент № 2077678 Россия, МПК Р02М27/04. Устройство для магнитной обработки жидкости / Валиев Н. Ш. - Заяв. 15.06.93; опубл. 03.03.94, бюл. № 2.
11. Патент № 2269025 Россия, МПК Р02М27/04. Устройство для магнитной обработки жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания / Харитонов В. А., Александров А. Б., Александров Б. Л. - Заяв. 17.08.04; опубл. 11.07.05, бюл. № 6.
12. Патент № 2011881 Россия, МПК Р02 М27/04. Устройство для обработки топлива в дизельном двигателе внутреннего сгорания / Захватов Е. М., Люкенков В. Н. - Заяв. 14.12.92; опубл. 21.11.93, бюл.№ 11.
13. Патент № 2184868 Россия, МПК Р02 М27/04. Устройство для обработки топлива в двигателе внутреннего сгорания / Евсти-феев Б. В., Соин Ю. В. - Заяв. 17.01.01; опубл. 19.12.01, бюл.№ 12.
14. Патент № 2293871 Россия, МПК Р02 М27/04. Устройство для электростатической обработки жидкого топлива / Татар-нов В. В., Егин Н. Л., Татарнов В. П., Дол-гиер А. Г. - Заяв. 03.09.01; опубл. 18.08.02, бюл.№ 7.
15. Патент № 2107181 Россия, МПК Р02 М27/04. Устройство для электростатической обработки жидкого топлива / Татар-нов В. В., Егин Н. Л., Борш А. А. - Заяв. 01.02.95; опубл. 19.11.95, Бюл. № 11.
Нива Поволжья № 1 (22) февраль 2012 91
