УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ
СОСТАВА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ В ДВИГАТЕЛЯХ
Д. В. Вяткин
Повышение
стоимости автомобильного топлива определяет необходимость инновационных
разработок, позволяющих снизить себестоимость транспортных перевозок. Эта проблема
связана с решением таких задач: уменьшить расход топлива двигателя, увеличить
его мощность, снизить выбросы вредных газов в атмосферу.
Все отмеченные характеристики
непосредственно связаны с функционированием агрегатов двигателя и определяются объемом
камеры сгорания, скоростью реакции горения, теплоотдачей топлива и другими
составляющими рабочего процесса.
Мы рассмотрим
один из путей повышения коэффициента полезного действия двигателя (КПД), а
именно, увеличение скорости реакции горения топлива. На этот показатель влияют,
как правило, следующие факторы: начальные температура и давление горючей смеси
в камере сгорания, количество и расположение источников воспламенения, состав и
степень однородности горючей смеси. Мне хотелось бы заострить внимание на
последнем показателе. Известно, что реакция сгорания топлива выражается так:
С32 +
О232 = СО2; 2Н4 + О232 + 2НО2.
По этим соотношениям можно вычислить
количество необходимого кислорода для полного сгорания одного килограмма
бензина – это значение равно
Исследования проведенные «Институтом теплофизики
экстремальных состояний» «Объединённого института высоких температур РАН» в
области сжигания топлива в детонационном режиме подтверждают увеличение энерговыделения
топлива при увеличении скорости реакции горения. Представленный отделом
физической-газовой динамики №2 института график на рис.1 наглядно показывает многократное
увеличение мощности при изменении режима горения.
На рис. 2
представлен фрагмент развернутой индикаторной диаграммы фазы процесса сгорания топлива
в карбюраторных двигателях, показывающей зависимость давления газа внутри
цилиндра от угла поворота коленчатого вала. При нормальных условиях часть смеси,
не успевшая сгореть своевременно, догорает в процессе расширения.
Увеличение
скорости распространения пламени приведет к повышению максимального давления в
цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это обеспечит значительно
больший импульс, передаваемый на поршень двигателя.
Почему же до сих
пор этот резерв мощности не использовался? Считалось, что скорость нарастания
давления у карбюраторных двигателей не должна превышать 0,25 МПа на 1° поворота
вала [2]. В противном случае динамические нагрузки на кривошипно-шатунный
механизм значительно возрастали, так как возникала вибрация поршня вследствие детонации.
Если обратиться
к истории развития атомной энергетики, то мы обнаружим, что атомная реакция
считалась неуправляемой, однако настало время, когда процессы этой реакции люди
научились контролировать. И теперь используют энергию расщепления атома в энергетики.
Такую же ситуацию мы наблюдаем с процессом детонации: не сумев контролировать
этот процесс, специалисты назвали его «вредным» и предложили работать в диапазоне
характеристик, где этот процесс не наблюдается. Однако, на современном уровне
развития техники, появления электронного управления системами двигателя, появилась
возможность обеспечить стабильную работу двигателя при больших динамических
нагрузках и извлекать от этого дополнительную выгоду.
Появление
детонации обусловлено составом горючей смеси. Но степень её разрушающего
воздействия на двигатель можно устранить путем уменьшения количество подаваемого
топлива в камеру сгорания. Так, давление газов соответствующее нормальному сгоранию
(2,5-5,0 МПа) [2], при детонационном сгорании повышается до 15-20 МПа[2]. Уменьшив
количество подаваемого топлива в два раза, мы получим давление при детонационном
сгорании 7-10МПа, с учетом запаса прочности современных двигателей это более
или менее приемлемо.
Таким
образом, эксплуатация современных двигателей в режиме детонационного сгорания
топлива даст огромный ресурс энергии, заложенный в увеличении скорости реакции
горения. Увеличение эксплуатационных характеристик можно осуществить без
больших конструктивных изменений в двигателе.
На
сегодняшний день известно несколько способов и устройств, обеспечивающих изменение
содержания кислорода в горючей смеси с целью увеличения скорости реакции горения.
Все они имеют определенные недостатки, и эти недостатки противопоставлены предложенному
мной изобретению и описаны в описательной части к патенту [1].
Мной предложен способ и устройство автоматически управляемой
подачи чистого кислорода в воздушный фильтр ДВС. Если это
использовать без соответствующего уменьшения количества подаваемого в камеру
сгорания топлива это приведет к разрушению двигателя из-за резкого увеличения
давления и, как следствие, динамических нагрузок. Поэтому, мы вынуждены использовать в современных двигателях малую долю
преимуществ получаемых при увеличении скорости реакции горения, сокращая
количество насыщенной кислородом горючей смеси в камере сгорания. Это смягчить
разрушающий эффект нарастания давления, так как энергоемкость горючей смеси
«урезанного» объема снизиться. В итоге мы существенно уменьшим расход топлива и
получим небольшое увеличение мощности двигателя. Экономический эффект от этого
окупит затраты на дополнительное оборудование.
Осуществить
такую идею возможно с помощью устройства, повышающего
концентрацию кислорода в газовой смеси воздушной системы двигателя внутреннего
сгорания и имеющего систему управления подачей кислорода [1]. Устройство
подключается к воздушному фильтру ДВС и регулирует поступление добавочного
кислорода в газовую смесь. Система управления этого устройства обеспечивает
поступление в камеру сгорания газовой смеси с повышенным содержанием кислорода,
а также даёт возможность изменения его концентрации в зависимости от количества
подачи топлива и максимально допустимой частоты вращения вала ДВС. Это заметно
уменьшает расход топлива при прочих равных условиях.
Воздушная система
двигателя внутреннего сгорания, повышающая концентрацию кислорода в газовой
смеси до необходимого уровня, состоит из следующих элементов (рис. 3): кислородный
баллон с вентилем и редуктором (1); вентиль(2); система управления вентилем (3);
трубка подачи кислорода (4); воздушный фильтр (5); система управления количеством
подачи топлива (6); датчик оборотов двигателя (7); датчик количества подачи топлива
(8).
Устройство
функционирует следующим образом. При изменении оборотов двигателя в диапазоне
от режима холостого хода до максимальных оборотов датчик количества подаваемого
топлива (8) через систему управления этим параметром (6) образует сигнал для системы
управления вентилем (3). Эта система, регулируя пропускную способность вентиля (2),
изменяет количество подаваемого кислорода в воздушный фильтр (5), где происходит
формирование газовой смеси с соответствующей концентрацией кислорода.
Работа двигателя
в таком широком диапазоне обеспечивается изменением количества подаваемого
топлива при одновременном соответствующем изменении содержания кислорода в
газовой смеси. Ограничение оборотов двигателя при достижении максимального
значения производится уменьшением подачи топлива за счет сигнала с датчика
оборотов двигателя (7), посылаемого на систему управления количеством подачи
топлива (6). Такое совместное регулирование обеспечивает оптимальный расход
топлива и безопасный режим работы
ДВС.
Достигаемый
технический результат предложенного мною изобретения – работа двигателя в
режиме детонационного сгорания топлива, увеличение скорости распространения
пламени в камере сгорания, повышение давления в ней в момент сгорания горючей
смеси. Используя имеющиеся теоретические данные [2] процесса нормального
сгорания топлива и сгорания в режиме детонации был произведен расчет
промежуточных значений и получены значения расхода кислорода и топлива при
различных значениях выходных характеристик. Это позволило рассчитать
экономический эффект при сокращении расхода топлива на 30%. Если автомобиль пробегает
в месяц
Эффект снижения
выбросов вредных веществ в атмосферу подтвержден новосибирскими специалистами ЗАО
ПТ Компании «Гермес» проводившими испытание своего устройства основанное,
аналогично моему, на обеспечении увеличения
скорости сгорания. Устройство
испытывалось на автомобиле «Газель». В выписке из протокола этих испытаний значится:
в диапазоне от 550 до 650 оборотов в минуту содержание окиси углерода (СО) в выхлопе немодернизированного двигателя
составляет 1,6% (при норме по ГОСТу - 1,5%), после модернизации - 0,10%. На
повышенных оборотах двигателя (2650-2750 об/мин) до модернизации содержание СО -
1,8% (ГОСТ - 2,0%), после модернизации - 0,18%. Количество углеводородов (СН) в
выхлопных газах на низких оборотах немодернизированного двигателя составляет 1300
единиц (при норме по ГОСТу - 1200), а после модернизации - 150 единиц; на
повышенных оборотах двигателя - 800 (ГОСТ - 600) и 120 единиц, соответственно. Применительно
к моему изобретению, на основании вышеизложенных данных, можно ожидать подобных
результатов.
Для
практического подтверждения ожидаемого эффекта от использования дополнительного
кислорода провели эксперимент с использованием двухтактного двигателя мотороллера.
В пространство около воздухозаборника воздушного фильтра мотороллера, работающего
на холостых оборотах, был подан кислород из кислородного баллона. В результате
этого обороты двигателя резко увеличились.
Оснащение
производимой техники устройством, предлагаемым автором данной статьи, возможно путем
применения уже известных и изготавливаемых серийно изделий. Таким образом, минимальная
техническая доработка существующего автопарка повысит его конкурентоспособность.
При этом будет достигнут как экономический эффект (более чем на 30% снижается стоимость
расходов на топливо), так и экологический (уменьшение вредных выбросов в атмосферу).
Дополнительную
информации по этой теме вы можете прочитать на сайте www.o2plus.narod.ru.
Литература
1. Устройство
для регулирования состава горючей смеси в двигателях/ Патент Россия №2282746
Автор: Вяткин Денис Викторович; Патентообладатель: Вяткин Денис Викторович;
заявлен 22.07.2002; опубликован 27.08.2006; Бюл.№24 – 5 стр.
2. Двигатель
внутреннего сгорания (источник Интернет).
Подрисуночные
подписи:
Рис. 1. Максимальные
удельные мощности энерговыделения в камерах сгорания различных двигателей.
Рис. 2.
Диаграмма процесса сгорания топливной смеси в карбюраторном двигателе.
Рис. 3. Схема
устройства, регулирующего состав горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания:
1 - кислородный баллон с вентилем и редуктором; 2 - вентиль; 3 - система
управления вентилем; 4 - трубка подачи кислорода; 5 - воздушный фильтр; 6 - система
управления количеством подаваемого топлива; 7 - датчик оборотов двигателя; 8 - датчик
количества подаваемого топлива.
Рис. 1. Максимальные
удельные мощности энерговыделения в камерах сгорания различных двигателей.
Рис. 2.
Диаграмма процесса сгорания топливной смеси в карбюраторном двигателе.
Рис. 3. Схема
устройства, регулирующего состав горючей смеси в двигателе внутреннего
сгорания.
Автор: Денис Викторович Вяткин, инженер-проектировщик, ЗАО «Курортпроект»,
г. Москва.
Адрес: Инд.142072
Московская область, Домодедовский район, деревня
Заборье, д.58а, кв.6.
Тел.: 89096625426
O2plus@ya.ru