Обзор существующих конструкций
К настоящему времени существует несколько различных конструкций приборов по модификации воздуха.
Патент на изобретение № 2180051
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Современные двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: трудности запуска при низких температурах окружающей среды, недостаточно высокая полнота сгорания топлива, повышенная токсичность отходящих из камеры сгорания газов и др.
Известен способ улучшения указанных характеристик (Калашников Ю.Д., Матюшенко О.И. Патент России 2020258, патент Франции 2534635) за счет создания запрограммированных искровых разрядов в камере сгорания. Другой известный способ (Добролюбов В.А., Патент России 2046196) основан на добавлении в горючую смесь кислорода и водорода, воспламенение которых осуществляется в предварительной камере, и этот микровзрыв обеспечивает зажигание углеводородной горючей смеси в камере сгорания. Ближайшим аналогом следует считать способ обработки свежего заряда двигателя внутреннего сгорания путем добавки к горючей смеси озона, в том числе, при помощи размещенного во впускном коллекторе искрового разрядника (патент России 2135814, МПК F 02 M 27/04, опубл. 27.08.1999). Известные способы не обладают высокой эффективностью, а устройства для их реализации оказались весьма сложными.
Предлагаемое изобретение может решить эту задачу путем добавления в углеводородную горючую смесь озона, причем озон образуется непосредственно в воздушном коллекторе двигателя.
Озон является высокоактивным окислителем. Повышение его концентрации в воздушном коллекторе двигателя до 2 об.% существенно улучшает пусковые качества двигателя, повышает реакционную способность горючей смеси и, как следствие, полноту сгорания, и, соответственно, мощность двигателя. Образование озона осуществляется в воздушном коллекторе в искровом разряде при импульсном напряжении 3-10 кВ.
Импульсное напряжение создается обычной катушкой зажигания, работающей от управляющего импульсного генератора с частотой 50-60 Гц.
Опыт промышленных озонаторов показывает, что для получения 100 г озона из кислорода воздуха требуется 600 Вт-ч электроэнергии. В качестве примера возьмем 4-цилиндровый двигатель мощностью около 100 лошадиных сил.
Для получения концентрации озона в воздушном коллекторе, составляющей 2 об. %, необходимо определить потребную электрическую мощность катушки зажигания. Для этого необходимо знать часовой расход воздуха двигателя. Он равен
Lh= 30Vn*n*γ0*ηv*i,
где Vn - рабочий объем одного цилиндра, м3 (0,00035 м3),
n - число оборотов двигателя (~ 2000 об/мин),
γ0 - удельный вес воздуха на всасывании (1,25 кг/м3),
ηv - коэффициент наполнения цилиндра (0,75),
i - число цилиндров (4).
Тогда часовой расход будет равен:
Lh=30•0,00035•2000•1,25•0,75•4=78 кг/ч=63000л/ч.
Для получения 1 л в час озона требуется 13 Вт-ч, и для обеспечения 2%-ной концентрации его на всасывании необходимо озонировать 1260 л озона в час.
Тогда
потребная мощность будет составлять
Таким образом, четыре катушки зажигания, входящие в состав данного двигателя, могут выполнить эту задачу.
Принципиальная схема устройства, реализующего эту задачу, приведена на рис.1 . Устройство запитывается от аккумуляторной батареи 1 напряжением
12 В, которое с помощью первого ключа 2 и управляющего генератора импульсов 3 подается на четыре катушки зажигания 4.
Искро-разрядная часть устройства монтируется на вставке 5 воздушного коллектора двигателя. На вставке 5 размещены четыре высоковольтных ввода 6 с постоянными электродами 7. На противоположной стороне вставки 5 установлены подвижные регулируемые электроды 8, электрически связанные с массой двигателя. Выход катушки зажигания связан с постоянными электродами 7 высоковольтными проводами 9. Регулировка зазора в искровом разряднике осуществляется в пределах 1-2,5 мм. Сгорание озонированной горючей смеси происходит "мягко" без детонации.
Патент на изобретение № 2112355
Изобретение относится к средствам физической обработки воздуха перед подачей в тепловую машину, например при работе последней в условиях тепличного хозяйства.
Известны устройства для ионизации и озонации воздуха, забор которого осуществляется в тепловую машину, например при работе двигателей внутреннего сгорания при газации теплиц и аналогичных процессах. Недостатком указанных устройств является их низкая производительность.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, включающее корпус с патрубком подачи и патрубком отвода газовой смеси, причем в корпусе установлены коаксиально электроды, связанные с однополярным источником высокого напряжения, при этом внутренний электрод имеет диэлектрическое покрытие. Недостатком указанного устройства является его низкая эффективность.
Целью заявляемого технического решения является повышение эффективности работы устройства. Указанная цель достигается тем, что внутренний электрод выполнен N-секционным, где N ≥3 и каждая секция имеет вид граней равнобедренной трапеции, сочлененных с ее меньшим основанием, установленных по длине корпуса, при этом секции укреплены на держателе, имеющем в сечении вид правильного 2N-угольника с промежутками между секциями в одну его сторону, причем упомянутые грани свободны от диэлектрического покрытия.
Поиск, проведенный по патентной и научной литературе, показал, что заявленное не известно, т.е. оно соответствует критерию "новизна". Поскольку имеется необходимость в указанной продукции и устройство выполнено из известных элементов, то заявленное соответствует критерию "промышленная применимость".
Так как в результате использования этого устройства появляется новый эффект - более полное сгорание топлива и уменьшение примесей в выхлопе, то заявленное соответствует критерию "изобретательский уровень".
На рис.2 фиг.1 схематично изображено устройство; на рис.2 фиг.2 - разрез фиг.1. Устройство включает корпус 1 с патрубком подачи и отвода газовой смеси (не показаны), причем в корпусе установлены коаксиально электроды потенциальный 2 и заземленный, в частном случае его роль может играть корпус 1, но электрод может быть выполнен и самостоятельно и установлен внутри корпуса вокруг электрода 2. Оба электрода связаны с выводами однополярного источника высокого напряжения (не показан), и высокопотенциальный электрод 2 может быть связан с этим источником, например, через свечу 3. Электрод 2 выполнен в виде N - секций, каждая из секций 4 представляет собой протяженную фигуру в виде боковых сторон трапеции, соединенных с ее меньшим основанием, при этом секции 4 установлены на держателе 5, который выполнен в виде правильного 2N-угольника. Держатель 5 может быть выполнен из соответствующего диэлектрического материала и играть роль сопротивления в цепи разряда.
Устройство работает следующим образом рис. 2.
Воздух или обогащенная кислородом газовая смесь по патрубку подачи поступают в корпус 1. Между электродом 2 и, например, корпусом 1, т.е. заземленным электродом, возникает факельный разряд, причем "факелы" будут находиться на остриях секций 4, т.е. в местах с большим градиентом поля. Факельный разряд позволяет не только получить из воздуха озон, но и играет роль электрофильтра, осаждая твердые частицы, находящиеся в воздухе, на заземленный электрод, например внутреннюю часть корпуса 1. Далее по патрубку отвода озоно-воздушная смесь поступает в тепловую машину.
Применение такой смеси вместо воздуха позволит повысить эффективность сгорания топлива, уменьшить содержание вредных примесей в выхлопных газах, что является очень важным, поскольку, применяя, например, выхлопы для газирования теплиц, мы избавляемся от вредного воздействия окислов азота и серы на растения и людей.
Применение такого устройства позволяет существенно повысить эффективность работы тепловой машины, упростит очистку воздуха при подаче его в тепловую машину и уменьшит количество вредных примесей в выхлопе.
Источники информации.
1.Авторское свидетельство СССР N 1121467, 1984.
2.Авторское свидетельство СССР N 1341366, 1987.
3.Авторское свидетельство СССР N 1590607, 1990.
Патент на изобретение № 2178098
Изобретение относится к области энергетики и машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам уменьшения токсичности отработанных газов двигателей внутреннего сгорания.
Известны способы снижения токсичности отработанных газов,
предусматривающие каталитическую их очистку путем обработки в термических реакторах, или обработку газов при помощи коронного разряда, а также озонирование поступающего в двигатель воздуха или электризацию топлива.
Известен способ очистки хвостовых газов сернокислого производства от сернистого ангидрида и устройство для его осуществления, при котором газы сернокислого производства озонируют в неоднородном электрическом поле при подаче напряжения на коронирующие выступы.
Недостатками известного технического решения являются отсутствие возможности снижения токсичности газов по оксидам азота, азотной, азотистой кислотам и нитросоединениям, неоднородность распыливаемого топлива по фракционному составу, а также невозможность его использования на транспортных средствах.
Известен способ снижения токсичности отработанных газов двигателя путем озонирования кислорода воздуха и электризации (ионизации) топлива с возможностью создания униполярных электрических потенциалов стенок камеры сгорания, капель ионизированного топлива, а также озонид-ионов. Из этого же источника информации известно и устройство для озонирования воздуха и электризации (ионизации) топлива, содержащее воздушный фильтр, устройство для электризации топлива и озонатор.
Недостатками известных технических решений являются малая эффективность снижения токсичности отработанных газов.
Техническим результатом является уменьшение токсичности отработавших газов, повышение экономичности и КПД двигателей.
Поставленная задача в части способа решается тем, что производят процесс газоразделения воздуха с последующим озонированием обогащенного кислородом воздуха.
Поставленная задача в части устройства решается тем, что оно дополнительно снабжено газоразделительным устройством с возможностью газоразделения по газам азот/кислород, а озонатор расположен после газоразделительного устройства и выполнен в виде коаксиально расположенных цилиндров. Причем на внутренней поверхности наружного заземленного цилиндра выполнены разрядные выступы, а внутренний цилиндр покрыт высоковольтной изоляцией и соединен с одним из зажимов высоковольтного высокочастотного источника питания.
Поставленная задача в части устройства решается тем, что ионизатор топлива может быть выполнен в виде электретов, установленных на выходе канала распыления форсунки, причем на стороне распыления электреты имеют отрицательный потенциал, а на тыльной - положительный и снабжены металлическим экраном, либо в виде кольца, снабженного высоковольтной, высокотемпературной изоляцией и установленного на выходе канала распыления топлива форсунки, карбюратора, инжектора, при этом кольцо подключено к зажиму постоянного высоковольтного источника питания, а полярность зажима противоположна полярности металлического корпуса камеры сгорания.
Изобретение иллюстрируется чертежами рис 3.
На фиг. 1 показана схема озонатора;
на фиг. 2 - устройство для ионизации топлива;
на фиг. 3-6 показано повышение степени дисперсности капель топлива и улучшение равномерности его распределения по камере сгорания в зависимости от следующих значений выпрямленного напряжения, поданного на кольцо:
на фиг. 3 напряжение отсутствует;
на фиг. 4 напряжение равно 5 кВ;
на фиг. 5 напряжение равно 10 кВ;
на фиг. 6 напряжение равно 25 кВ.
Предложенный способ реализуется в устройстве, которое содержит воздушный фильтр (на чертежах не показан), ионизатор топлива, выполненный в виде кольца 1, снабженного высоковольтной, высокотемпературной изоляцией и установленного на выходе канала распыления топливной форсунки 2. Кольцо 1 подключено к зажиму высоковольтного источника питания 3 постоянного тока, полярность которого противоположна полярности металлического корпуса камеры сгорания (на чертежах не показана). Озонатор 4, газоразделитель (на чертежах не показан), выполненный с возможностью отделения кислорода от подаваемого в камеру сгорания воздуха. Озонатор 4 установлен после газоразделителя по ходу движения воздуха и выполнен в виде коаксиально расположенных цилиндров 5 и 6, причем на внутренней поверхности наружного заземленного цилиндра 5 выполнены разрядные выступы 7, а внутренний цилиндр 6 покрыт высоковольтной изоляцией 8 и соединен с одним из зажимов высоковольтного высокочастотного источника питания 3.
Ионизатор топлива выполнен в виде электретов (на чертежах не показаны), установленных на выходе канала распыления топливной форсунки 2, причем сторона электрета, взаимодействующая с распыленным топливом имеет отрицательный потенциал, а тыльная его сторона - положительный и снабжена металлическим экраном (на чертежах не показан).
Способ снижения токсичности отработанных газов двигателя реализуется следующим образом. От подаваемого в двигатель воздуха отделяют кислород, который затем озонируют путем подачи высокого выпрямленного напряжения от источника питания 3 на цилиндры 5 и 6. При этом между ними возникает барьерный электрический разряд, в результате чего кислород преобразуется в озон, поступающий в камеру сгорания. Топливо ионизируется путем подачи высокого выпрямленного напряжения от источника питания 3 на кольцо 1. Образуемые при этом капли топлива на выходе из распылителя форсунки 2 приобретают электрический заряд, одноименный с полярностью корпуса форсунки 2 за счет электростатической индукции. При этом все капли впрыскиваемого топлива имеют один и тот же размер. Заряженные частицы топлива, попадая в камеру сгорания равномерно распределяются по ее объему за счет электростатических сил отталкивания, что позволяет получить гомогенную смесь топлива с окислителем и обеспечить высокую степень полноты сгорания заряда.
Эффект снижения токсичности отработавших газов в зависимости от вариантов выполнения газоразделителей с разной производительностью и степенью обогащения кислородом следующий: снижение содержания в газах сажи на 25-38%, окиси углерода на 48-57%, окиси азота на 39-52%, альдегидов на 38-46%, жирных кислот на 45-52%, бенз(α)пирена на 38-45%.
Источники информации
1. SU 1699071 С1, МКИ В 01 J 7/00, опубл. 1991.
2. SU 1710810 A1, МКИ F 02 M 27/04, опубл. 1992.
Рис. 1 Патент на изобретение № 2180051
Рис. 2 Патент на изобретение № 2112355
Рис. 3 Патент на изобретение № 2178098
Продолжение рис. 3 Патент на изобретение № 2178098