СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и машиностроения и может быть использовано в системах зажигания и управления процессами горения топлива в энергетических установках различного назначения.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого способа выбран способ сжигания топлива, описанный в патенте на изобретение RU 2004835, опубл. 15.12.1993. Известный из RU 2004835 способ управляемого сжигания топлива основан на воздействии на топливо электрического заряда, подаваемого на электроды (свечи зажигания), установленные в объеме сжигаемого топлива - камере сгорания, регулируя частоту электрических импульсов, подаваемых на электроды, и соответственно параметры электромагнитного поля камеры сгорания управляют процессом сжигания топлива. Известный способ не позволяет в полной мере повысить эффективность процесса сгорания топлива: не позволяет минимизировать количество отложений в камере сгорания, не обеспечивает в необходимой мере управляемость процессом сгорания топлива из-за необходимости установки большого количества свечей зажигания в объеме камеры сгорания.

В отличие от известного решения предлагаемый способ управляемого сжигания топлива исключит образование в объеме сгорания топлива центров кавитации, что предотвратит коксообразование и перегрев энергетической установки или двигателя. Также, будет сокращен градиент температур в объеме сгорания топлива и соответственно равномерность горения без образования центров детонации, что позволит увеличить полезную мощность двигателя, снизить температуру выхлопных газов, шум, производимый двигателем, более полное сгорание смеси.

Указанный выше технический результат достигается тем, что предложен способ управляемого сжигания топлива, включающий воздействие на топливо электрического заряда. Согласно предложенному изобретению в объеме сгорания топлива генерируют, по меньшей мере, один импульс барьерного электрического разряда, обеспечивающий получение частично или полностью ионизированного газа, и воздействуют на топливо, по меньшей мере, одним потоком ионизированного газа. Импульс барьерного электрического разряда, обеспечивающий получение частично или полностью ионизированного газа, может быть подан для инициирования горения. После инициирования горения импульсом барьерного электрического разряда, обеспечивающим получение частично или полностью ионизированного газа, может быть подан, по меньшей мере, один аналогичный импульс, предпочтительно меньшей энергии, чем требуется для инициирования горения. Также, импульс барьерного электрического разряда, обеспечивающий получение частично или полностью ионизированного газа, может быть подан на этапе удаления газов из объема сгорания топлива. Импульс барьерного электрического разряда может быть генерирован в нескольких местах объема сгорания топлива.

Предложенный способ управляемого сжигания топлива осуществляется следующим образом.

Барьерным разрядом принято считать разряд, возникающий в газе под воздействием приложенного к электродам напряжения, причем хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком. Так как электроды свечей зажигания, как правило, покрыты диэлектрическим слоем нагара, разряд между этими электродами можно считать барьерным, а для описания его использовать модель плазмохимического реактора. При осуществлении предложенного способа, в объеме сгорания топлива генерируют свечой зажигания без тени от бокового электрода, по меньшей мере, один импульс барьерного электрического разряда, обеспечивающий получение частично или полностью ионизированного газа-плазмы. То есть в объеме сгорания топлива (камере сгорания или топочной камере) помимо объема топливной смеси образуется объем или несколько объемов, заполненных ионизированным газом-плазмой. Важнейшей особенностью барьерного разряда является его самоорганизация. Как только напряжение на газовом промежутке достигает определенной величины, происходит пробой газа с возникновением структуры микроразрядов, динамика формирования и развития канала микроразрядов определяется состоянием воздушной среды с продуктами горения топлива и нагара на электродах свечей зажигания, влияющим на развитие стриммера с отрицательного в данный момент электрода. Кроме того, в сильном электромагнитном поле барьерного разряда свет с длиной волны до 0,1 нм при мощности дозы порядка 10¹² эВ/см³*с ведет себя как катализатор: ускоряет процессы окисления, сохраняя свое состояние неизменным, эффект обусловлен тем, что фотон, поглощенный переходным комплексом, излучается при образовании промежуточных и конечных продуктов реакции.

В подавляющем большинстве случаев такой импульс барьерного электрического разряда будет подан для инициирования процесса горения, в части случаев горение может быть инициировано известными способами, например от искры свечи зажигания. Импульсы барьерного электрического разряда генерируются в одном или нескольких местах объема сгорания топлива в зависимости от объема и природы сжигаемого топлива. В дальнейшем потоком ионизированного газа-плазмы воздействуют на необходимые участки объема сгорания топлива, чем обеспечивают регулируемый процесс сжигания топлива. После инициирования горения импульсом барьерного электрического разряда, обеспечивающим получение частично или полностью ионизированного газа, следующие аналогичные импульсы будут характеризоваться меньшей энергией, чем требуется для инициирования горения. При подаче импульсов барьерного электрического разряда на этапе удаления газов из объема сгорания топлива - дожиге дополнительными импульсами обеспечивается более качественное сгорание топлива и исключается необходимость использования катализаторов.

Регулированием частоты и мощности импульса барьерного электрического разряда обеспечивается управление параметрами потока ионизированного газа-плазмы в привязке к состоянию топливной смеси в объеме сгорания топлива, параметрам горения топлива. Таким образом, исключается возникновение расширительных центров движения газов и провалов давления соответственно, устраняется возможность возникновения кавитационных процессов и помпажа в объеме сгорания топлива, тем самым предотвращается коксообразование и перегрев двигательной установки, соответственно снижаются требования к качеству материалов камеры сгорания или топочной камеры, выхлопного тракта и системы охлаждения двигателя. За счет исключения детонационных процессов при управляемом процессе горения возрастает полезная мощность двигателя, снижается температура выхлопных газов, шум, производимый двигателем, достигается более полное сгорание смеси. Дополнительно, использование предложенного способа обеспечит температурный режим, при котором в камере сгорания или топочной камере может быть установлено измерительное оборудование, датчики и т.п., таким образом будет повышена точность дозировки топлива в объем сгорания, как частность же можно исключить использования датчиков кислорода (λ-датчиков), устанавливаемых в выхлопных коллекторах двигателей внутреннего сгорания. Второй и, возможно, последующие импульсы меньшей энергии позволяют воспламенять новые очаги в условиях высокой концентрации несгоревшего топлива и повышающейся плотности ионизации среды. Необходимость повышения мощности очередного импульса означает падение концентрации несгоревшего топлива и достижение мощности, примерно равной первому сигналу, означает полное сгорание топлива в камере.

Предложенный способ может быть использован для управляемого сжигания топлива в камерах сгорания энергетических установок и двигателей различного типа: камерах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания, включая дизельные двигатели, камерах сгорания газотурбинных двигателей, камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, топочных камерах котлоагрегатов электрических станций, камерах сжигания топлива и т.п. и обеспечит управляемое сжигание топлива при обеспечении качества сжигания топлива и сохранности энергетической установки или двигателя.