UA16680U - Method for fuel combustion in combustion engines - Google Patents

Abstract

A method for combustion of fuel in combustion engines includes fuel afterburning by means of catalyst. The inner surface of the combustion chamber is completely or partially covered with layer of catalyst one covers.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель належить до двигунобудування, зокрема до двигунів внутрішнього згоряння. 2 Останнім часом стрімко росте парк двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). У камері згоряння спалюється паливо у суміші з повітрям. Процес горіння розповсюджується на весь об'єм камери згоряння. Проте горіння обривається при досягненні полум'ям холодних стінок камери, в результаті чого спалювання палива у ДВЗ не доходить до кінцевих продуктів (Но і СО»), що призводить до значного забруднення довкілля та перевитрати пального, оскільки продукт неповного згоряння - оксид вуглецю - є ефективним паливом. Для зменшення 70 токсичних викидів від ДВЗ (оксиду вуглецю, оксидів азоту, вуглеводнів, сажі) використовують різні методи - від покращення якості палива і удосконалення процесу спалювання до очищення продуктів згоряння, тобто допалювання продуктів, що не згоріли до СО» та НО. Визначилося два основних напрямки зниження токсичних викидів. Перший напрямок передбачає удосконалення робочого процесу ДВЗ і використання нетрадиційних видів палива, що спряжено з серйозною перебудовою виробництва і великими капіталовкладеннями. Другий 79 напрямок орієнтовано на каталітичне допалювання токсичних компонентів відпрацьованих газів, яке відбувається за межею камери згоряння у додатковому пристрої. По цьому енергія, яка виділяється в процесі каталітичного допалювання, без користі втрачається.The utility model belongs to engine construction, in particular to internal combustion engines. 2 Recently, the fleet of internal combustion engines (ICE) has been growing rapidly. In the combustion chamber, fuel is burned in a mixture with air. The combustion process spreads over the entire volume of the combustion chamber. However, combustion stops when the flame reaches the cold walls of the chamber, as a result of which the combustion of fuel in the internal combustion engine does not reach the final products (NOx and CO), which leads to significant pollution of the environment and excessive consumption of fuel, since the product of incomplete combustion - carbon monoxide - is efficient fuel. Various methods are used to reduce 70 toxic emissions from internal combustion engines (carbon monoxide, nitrogen oxides, hydrocarbons, soot) - from improving fuel quality and improving the combustion process to cleaning combustion products, i.e. reburning products that have not burned to CO" and NO. Two main directions of reduction of toxic emissions were determined. The first direction involves the improvement of the internal combustion engine work process and the use of non-traditional types of fuel, which is coupled with a serious restructuring of production and large capital investments. The second 79 direction is focused on the catalytic afterburning of toxic components of exhaust gases, which takes place outside the combustion chamber in an additional device. According to this, the energy released in the process of catalytic afterburning is useless.

Відомо способи каталітичної нейтралізації газів, що відходять від транспорту і стаціонарних двигунів, за допомогою гранульованого каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів, в якому гранули виконано пористими на основі мінералу цеоліт (патент ША Мо55728А, РО1М3/28, 2002); за допомогою каталітичного газоочисника ДВЗ, що складається з корпусу з вхідним та вихідним отворами та реакційною камерою, заповненою каталізатором, обмеженою вхідною і вихідною газорозподільними решітками (а.с. Мо1502861,There are known methods of catalytic neutralization of gases leaving vehicles and stationary engines, using a granular catalytic neutralizer of exhaust gases, in which the granules are made porous on the basis of the mineral zeolite (SHA patent Мо55728А, РО1М3/28, 2002); with the help of a catalytic gas cleaner of an internal combustion engine, consisting of a housing with inlet and outlet openings and a reaction chamber filled with a catalyst, limited by inlet and outlet gas distribution grids (a.s. Mo1502861,

ЕО1М3/08, 19881;EO1M3/08, 19881;

Існують способи на основі використання каталітичного ефекту металів платинової групи.There are methods based on the use of the catalytic effect of platinum group metals.

Відома каталітична система платинових спіралей з підігріванням їх та очищенням (Попова Н.М. Катализаторь пев) очистки вьіхлопньїх газов автотранспорта - Алма-Ата: Наука, 1987.A well-known catalytic system of platinum spirals with their heating and cleaning (N.M. Popova Catalyst for the purification of motor vehicle exhaust gases) - Alma-Ata: Nauka, 1987.

Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є спосіб каталітичної нейтралізації газів, що відходять від автотранспорту, на пористих носіях із збільшенням протитиску за допомогою каталізатора, нанесеного на поверхню трубок, які закріплені на проволоці в корпусі чи кульок, які зібрані в касети. Як каталізатор о використовують платину в кількості 4г на кг трубчатого пористого каталізатора і 2г на кг кулькового о каталізатора |Варшавский И.Л., Малов Р.В. Как обезвредить отработавшие газьї автомобиля - М., Транспорт, 1968, - С.78-821. ее,The closest to the useful model claimed is a method of catalytic neutralization of gases leaving vehicles on porous media with an increase in back pressure with the help of a catalyst applied to the surface of tubes that are fixed on a wire in a housing or balls that are collected in cassettes. Platinum is used as a catalyst in the amount of 4 g per kg of tubular porous catalyst and 2 g per kg of ball catalyst | Varshavsky I.L., Malov R.V. How to neutralize the exhaust gases of a car - M., Transport, 1968, - P.78-821. eh

Використання каталітичних нейтралізаторів призводить до збільшення опору вихлопної системи ії, як Ге) наслідок, до зниження потужності ДВЗ. Крім того, довга дія високих температур, при яких працює нейтралізатор 395 |і вібрації, змінює структуру носія каталізатора та стан каталітичного компонента на поверхні носія, приводячи -- до дезактивації каталітичної системи і зменшення терміну її роботи.The use of catalytic converters leads to an increase in the resistance of the exhaust system and, as a result, to a decrease in the power of the internal combustion engine. In addition, long exposure to high temperatures at which the neutralizer 395 operates and vibration changes the structure of the catalyst carrier and the state of the catalytic component on the surface of the carrier, leading to the deactivation of the catalytic system and a reduction in its service life.

Усі зазначені пристрої установлюють за межами ДВЗ, тому вони не впливають на процес горіння робочої суміші в камері згоряння ДВЗ, а лише на вже утворені в процесі згоряння токсичні викиди. До того ж, вони « мають досить складні конструкції. З 70 Основною причиною наявності у вихлопних газах токсичних окису вуглецю і органічних сполук є недосконалі с умови горіння робочої суміші у камері згоряння ДВЗ. Недопалювання обумовлено холодними стінками поверхні з» камери згоряння, на яких обриваються реакції ланцюгового процесу горіння палива.All these devices are installed outside the internal combustion engine, so they do not affect the combustion process of the working mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, but only on the toxic emissions already formed during the combustion process. In addition, they "have rather complex designs. With 70 The main reason for the presence of toxic carbon monoxide and organic compounds in the exhaust gases is the imperfect combustion conditions of the working mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine. Under-burning is due to the cold walls of the surface of the combustion chamber, on which the reactions of the chain process of fuel combustion are interrupted.

В основу корисної моделі поставлено задачу зниження токсичних викидів в атмосферу, економію пального та зменшення вимог до його якості, а також збільшення потужності та довговічності ДВЗ шляхом суміщення процесу згоряння та допалювання в одному пристрої. - Поставлену задачу вирішують тим, що у способі спалювання палива у двигунах внутрішнього згоряння, якийThe useful model is based on the task of reducing toxic emissions into the atmosphere, saving fuel and reducing requirements for its quality, as well as increasing the power and durability of the internal combustion engine by combining the combustion and afterburning processes in one device. - The problem is solved by the fact that in the method of burning fuel in internal combustion engines, which

Ге»! включає допалювання палива за допомогою каталізатора, згідно з корисною моделлю, шаром каталізатора покривають повністю або частково внутрішню поверхню камери згоряння. б Як паливо використовують бензин, дизпаливо, авіаційний гас, мазут, сиру нафту, спирти, газоподібний о 20 вуглеводень та його суміші з рідким паливом тощо.Gee! includes afterburning the fuel with the help of a catalyst, according to a useful model, the catalyst layer is completely or partially covering the inner surface of the combustion chamber. b Gasoline, diesel fuel, aviation kerosene, fuel oil, crude oil, alcohols, gaseous o20 hydrocarbons and their mixtures with liquid fuel, etc. are used as fuel.

Шаром каталізатора покривають повністю або частково всі складові частини камери згоряння - поршень, с клапани, свічки запалювання, форсунки тощо.All components of the combustion chamber - piston, c valves, spark plugs, injectors, etc. are completely or partially covered with a catalyst layer.

Шаром каталізатора покривають систему видалення продуктів згоряння.The system for removing combustion products is covered with a catalyst layer.

Шаром каталізатора покривають робочі поверхні двигуна, що контактують з продуктами згоряння палива, - 25 сопловий апарат, лопатки турбіни тощо. с Як каталізатор використовують метали восьмої групи Періодичної системи хімічних елементів в чистому вигляді і в сплавах, їх окисли, промотовані міддю, сріблом, церієм.The catalyst layer covers the working surfaces of the engine in contact with fuel combustion products - 25 nozzle apparatus, turbine blades, etc. c As a catalyst, metals of the eighth group of the Periodic System of chemical elements are used in their pure form and in alloys, their oxides promoted with copper, silver, and cerium.

Як складові каталізатора застосовують сполуки з киснем магнію, алюмінію, марганцю, хрому, ванадію тощо.Compounds with oxygen of magnesium, aluminum, manganese, chromium, vanadium, etc. are used as catalyst components.

Різні деталі двигуна або його частини можуть покривати шаром каталізатора різного складу і співвідношень. 60 Шар каталізатора можуть наносити напилюванням, хімічним або електрохімічним осадженням тощо.Different parts of the engine or its parts can be covered with a layer of catalyst of different compositions and ratios. 60 The catalyst layer can be applied by spraying, chemical or electrochemical deposition, etc.

Шар каталізатора можуть наносити товщиною від мономолекулярного шару до шару деталі із суцільного металу, сплаву або відповідної сполуки.The catalyst layer can be applied with a thickness from a monomolecular layer to a layer of parts made of solid metal, alloy or a suitable compound.

Шар каталізатора може становити від 1 до 10095 поверхні деталі, на яку його наносять.The catalyst layer can be from 1 to 10095 of the surface of the part on which it is applied.

Спосіб, що пропонується, дозволяє завдяки суміщенню в одному пристрою процесу згоряння та бо допалювання знизити токсичні викиди в атмосферу та зекономити пальне.The proposed method makes it possible to reduce toxic emissions into the atmosphere and save fuel due to the combination of combustion and afterburning in one device.

Через нанесення шару каталізатора на деталі ДВЗ знижуються вимоги до якості палива. Крім того, спосіб дозволяє збільшити потужність і довговічність ДВЗ.Due to the application of a catalyst layer on the parts of the internal combustion engine, the requirements for fuel quality are reduced. In addition, the method allows to increase the power and durability of the internal combustion engine.

Корисна модель, що заявляється, пояснюється кресленнями ДВЗ: на Фіг.1 зображено карбюраторний поршневий двигун; на Фіг.2 - дизельний поршневий двигун; на Фіг.З - газотурбінний двигун; на Фіг.4 - реактивний двигун.The claimed utility model is explained by the internal combustion engine drawings: Fig. 1 shows a carburetor piston engine; in Fig. 2 - a diesel piston engine; in Fig. 3 - a gas turbine engine; in Fig. 4 - a jet engine.

Двигун внутрішнього згоряння містить камеру згоряння 1, систему видалення продуктів згоряння 2 (Фіг.1, 2, 7/0 З, 4) внутрішні поверхні яких, а також робочі поверхні двигуна, що контактують з продуктами згоряння, повністю або частково покриті шаром каталізатора 3. Камера згоряння поршневих двигунів (Фіг.1, 2) складається з циліндру 4, головки 5, поршня 6, клапанів 7, свічі запалювання 8 (Фіг.1) або форсунки 9 (Фіг.2). Поверхні двигуна, що контактують з продуктами згоряння, крім камери згоряння, - це лопатки 10 турбіни 11 та сопловий апарат 12 (Фіг.3, 4).The internal combustion engine contains a combustion chamber 1, a system for removing combustion products 2 (Fig. 1, 2, 7/0 C, 4), the internal surfaces of which, as well as the working surfaces of the engine in contact with combustion products, are completely or partially covered with a layer of catalyst 3 The combustion chamber of piston engines (Fig. 1, 2) consists of a cylinder 4, a head 5, a piston 6, valves 7, a spark plug 8 (Fig. 1) or a nozzle 9 (Fig. 2). The surfaces of the engine in contact with combustion products, in addition to the combustion chamber, are the blades 10 of the turbine 11 and the nozzle apparatus 12 (Fig. 3, 4).

Спосіб здійснюють наступним чином.The method is carried out as follows.

Внутрішні поверхні камери згорянні 1 та її складові частини, системи видалення продуктів згоряння 2, робочі поверхні двигуна, що контактують з продуктами згоряння, - лопатки 10 турбіни, сопловий апарат 12 покривають будь-яким відомим способом (напилюванням, хімічним або електрохімічним осадженням тощо) шаром каталізатора. Товщина каталітичного шару не має суттєвого впливу на процеси, які відбуваються при 2о Ккаталітичному допалюванні продуктів згоряння, і може коливатися від мономолекулярного шару до деталі із суцільного металу, сплаву або відповідної сполуки. Товщина шару залежить від типу двигуна, його потужності і, в кінцевому підсумку, від співвідношення вартості нанесеного покриття та терміну його експлуатації без погіршення якісних характеристик.The internal surfaces of the combustion chamber 1 and its components, the combustion products removal system 2, the working surfaces of the engine in contact with the combustion products, the turbine blades 10, the nozzle device 12 are covered with a layer by any known method (spraying, chemical or electrochemical deposition, etc.) catalyst. The thickness of the catalytic layer does not have a significant effect on the processes that occur during 2o Kcatalytic afterburning of combustion products, and can vary from a monomolecular layer to a part made of solid metal, an alloy or a suitable compound. The thickness of the layer depends on the type of engine, its power and, ultimately, on the ratio of the cost of the applied coating and its service life without deterioration of quality characteristics.

Після займання палива у камері згоряння горіння розповсюджується на весь об'єм і закінчується на стінках об Камери згоряння та її складових частинах 1. При горінні палива відбуваються різні хімічні реакції. Одним з проміжних продуктів горіння є оксид вуглецю СО і чистий вуглець. При досягненні фронтом полум'я стінок, т покритих шаром каталізатора 3, процес горіння завдяки каталізатору З відбувається до кінця - вуглець, СО та вуглеводень СХНу доокислюються в СО» та Н2О. Під час видалення продуктів згоряння з камери 1 продукти згоряння контактують з клапаном 7 або сопловим апаратом 12 і лопатками 10 та поверхнею системи видалення о зо продуктів згоряння 2, що покриті шаром каталізатора З, на поверхні яких відбувається допалювання залишків не тільки СО, що утворилися в інших частинах об'єму камери згоряння 1, але й С,Ну, сажі та інших сполук. Всього со виявлено на сьогоднішній день більше 1000 недопалених сполук. Наявність каталізатора З на поверхні поршня Ге 6, головки 5 робочого циліндра 4, клапанів 7 та свічок 8 або форсунки 9 попереджує ,за коксування" (утворення нагару) на них. Двигун внутрішнього згоряння, деталі якого покрито шаром каталізатора, буде значно менше ісе) з5 ВИМОГЛИВИМ До якості палива (бензину, солярного масла). «-After ignition of the fuel in the combustion chamber, the combustion spreads over the entire volume and ends on the walls of the combustion chamber and its constituent parts 1. During fuel combustion, various chemical reactions occur. One of the intermediate products of combustion is carbon monoxide CO and pure carbon. When the flame front reaches the walls, which are covered with a layer of catalyst 3, the combustion process thanks to the catalyst Z occurs to the end - carbon, CO, and the hydrocarbon CHN are further oxidized into CO" and H2O. During the removal of combustion products from the chamber 1, the combustion products come into contact with the valve 7 or the nozzle device 12 and the vanes 10 and the surface of the combustion products removal system 2, which is covered with a layer of catalyst C, on the surface of which afterburning occurs not only of CO residues formed in other parts of the volume of combustion chamber 1, but also C, Nu, soot and other compounds. In total, more than 1,000 unburned compounds have been discovered to date. The presence of the catalyst C on the surface of the He piston 6, head 5 of the working cylinder 4, valves 7 and spark plugs 8 or nozzle 9 warns of "coking" (the formation of soot) on them. An internal combustion engine, the parts of which are covered with a layer of catalyst, will be significantly less c5 DEMANDING Regarding the quality of fuel (gasoline, solar oil). "-

Корисна модель ілюструється прикладами.A useful model is illustrated by examples.

Приклад 1.Example 1.

У лабораторному реакторі, що імітує камеру згоряння карбюраторного двигуна, були проведені досліди по спалюванню наважки бензину АЙ-92 при надлишковому тиску 12,5атм (1,25МПа) у присутності каталізатора і без «In a laboratory reactor simulating the combustion chamber of a carburetor engine, experiments were conducted on the combustion of an amount of AI-92 gasoline at an excess pressure of 12.5 atm (1.25 MPa) in the presence of a catalyst and without "

Нього. Як каталізатор використовували сітку, виготовлену з трьох грамів паладієвої проволоки. Наважку бензину шу с розміщували на дні реактора на часовому склі. Зібраний реактор нагрівали у водяній бані до 972 і через й певний час паливну суміш підпалювали за допомогою автомобільної свічки. Отримані гази аналізували на и? наявність СО. Результати дослідів наведені у таблиці 1. їв щ тю ду) овоюю 01 10000001Him A grid made of three grams of palladium wire was used as a catalyst. A weight of gasoline was placed at the bottom of the reactor on a time glass. The assembled reactor was heated in a water bath to 972 and after a certain time the fuel mixture was ignited with the help of a car spark plug. The obtained gases were analyzed for the presence of SO. The results of the experiments are shown in Table 1.

ФF

Ф 3090000 апроволю 00 завою0000сяди 00000 се о Приклад 2.Example 2.

Деталі двигуна ВАЗ-2103 об'ємом 1,5л були покриті шаром паладію. За допомогою газоаналізатора вимірювали вміст СО у викидних газах на режимах холостого ходу та під навантаженням (З300Ооб/хв.) на четвертій передачі. У таблиці 2 наведені результати цих випробувань. Для порівняння на тих же режимах вимірювали вміст СО у викидних газах двигуна ВАЗ-2103 до нанесення покриття і двигуна автомобіля Мибіга-3 с об'ємом 1,бл, що обладнаний каталітичним допалювачем.Parts of the VAZ-2103 engine with a volume of 1.5 liters were covered with a layer of palladium. With the help of a gas analyzer, the CO content in exhaust gases was measured at idle and under load (300 rpm) in fourth gear. Table 2 shows the results of these tests. For comparison, the CO content in the exhaust gases of the VAZ-2103 engine before coating and the engine of the Mybiga-3 car with a volume of 1.bl, equipped with a catalytic afterburner, were measured in the same modes.

Мо п/п Об'єкт випробування Примітка бо 1 |двиунваастюозсезподитя 1111065. 08 решт лис? бо Приклад 3.Mo n/p Object of testing Note bo 1 |dvyunvaastyuozsezpodytya 1111065. 08 rest lys? because Example 3.

Деталі двигуна ВАЗ-2103, за винятком поршнів, були покриті шаром паладію.Parts of the VAZ-2103 engine, except for the pistons, were covered with a layer of palladium.

Верхні частини поршнів були покриті шаром оксиду Со3О5. Методика іспитів така ж, як у прикладі 2. Вміст оксиду вуглецю в режимі холостого ходу складав 0,195, а під навантаженням при З0ООоб/хв. - 0,1495. Таким чином, вищенаведена система покриття виявила таку ж ефективність, як і в прикладі 2.The upper parts of the pistons were covered with a layer of CO3O5 oxide. The test method is the same as in example 2. The content of carbon monoxide in idle mode was 0.195, and under load at 3000 rpm. - 0.1495. Thus, the above coating system showed the same efficiency as in Example 2.

Claims (11)

Формула винаходу 70 1. Спосіб спалення палива у двигунах внутрішнього згоряння, що включає допалення палива за допомогою каталізатора, який відрізняється тим, що шаром каталізатора покривають повністю або частково внутрішню поверхню камери згоряння.Formula of the invention 70 1. The method of burning fuel in internal combustion engines, which includes afterburning fuel with the help of a catalyst, which is characterized by the fact that the inner surface of the combustion chamber is completely or partially covered with a catalyst layer. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як паливо використовують бензин, дизпаливо, авіаційний гас, мазут, сиру нафту, спирти, газоподібний вуглеводень та його суміші з рідким паливом тощо.2. The method according to claim 1, which differs in that gasoline, diesel fuel, aviation kerosene, fuel oil, crude oil, alcohols, gaseous hydrocarbon and its mixtures with liquid fuel, etc. are used as fuel. З. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що шаром каталізатора покривають повністю або частково всі складові частини камери згоряння - поршень, клапани, свічки запалювання, форсунки тощо.Q. The method according to claim 1, which is characterized by the fact that the catalyst layer completely or partially covers all the components of the combustion chamber - piston, valves, spark plugs, injectors, etc. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що шаром каталізатора покривають систему видалення продуктів згоряння.4. The method according to claim 1, which differs in that the system for removing combustion products is covered with a catalyst layer. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що шаром каталізатора покривають робочі поверхні двигуна, що ор контактують з продуктами згоряння палива, - сопловий апарат, лопатки турбіни тощо.5. The method according to claim 1, which is characterized by the fact that the working surfaces of the engine that come into contact with the products of fuel combustion, such as the nozzle apparatus, turbine blades, etc., are covered with a catalyst layer. б. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як каталізатор використовують метали восьмої групи Періодичної системи хімічних елементів в чистому вигляді і в сплавах, їх оксиди, промотовані міддю, сріблом, церієм.b. The method according to claim 1, which differs in that metals of the eighth group of the Periodic System of chemical elements are used as a catalyst in their pure form and in alloys, their oxides promoted with copper, silver, and cerium. 7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що як складові каталізатора застосовують сполуки з киснем магнію, алюмінію, марганцю, хрому, ванадію тощо.7. The method according to claim 6, which differs in that compounds with oxygen of magnesium, aluminum, manganese, chromium, vanadium, etc. are used as catalyst components. 8. Спосіб за п. б, який відрізняється тим, що різні деталі двигуна або його частини покривають шаром - каталізатора різного складу і співвідношень.8. The method according to point b, which differs in that different parts of the engine or its parts are covered with a layer of a catalyst of different composition and ratios. 9. Спосіб за будь-яким пунктом з п.п. 6-8, який відрізняється тим, що шар каталізатора наносять напилюванням, хімічним або електрохімічним осадженням тощо. о зо 9. The method according to any item from claim 6-8, which is characterized by the fact that the catalyst layer is applied by spraying, chemical or electrochemical deposition, etc. about zo 10. Спосіб за будь-яким з п.п. 6-9, який відрізняється тим, що шар каталізатора наносять товщиною від мономолекулярного шару до деталі із суцільного металу, сплаву або відповідної сполуки. со10. The method according to any one of claim 6-9, which is characterized by the fact that the catalyst layer is applied with a thickness from a monomolecular layer to a part made of a solid metal, alloy or a corresponding compound. co 11. Спосіб за п. 10, який відрізняється тим, що шар каталізатора становить від 1 до 10095 поверхні деталі, «о на яку його наносять. (Се) ьо11. The method according to claim 10, which is characterized by the fact that the catalyst layer is from 1 to 10095 of the surface of the part on which it is applied. (Se) oh - . и? - (о) (о) (ее) (42) 60 б5- and? - (o) (o) (ee) (42) 60 b5