початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ЯК ЗМЕНШИТИ ВИТРАТИ ПАЛИВА?

Вяткін Денис Вікторович

РЕФЕРАТ

На тлі підвищення вартості автомобільного палива необхідні інноваційні рішення, що дозволяють знизити собівартість транспортних перевезень. Як без великих витрат і в мінімальні терміни досягти: зниження витрати палива на 10-25%, збільшення потужності двигуна на 5-10%, зменшення вмісту шкідливих викидів в атмосферу (СО, СН) в 7-10 разів відносно існуючого рівня?

Всі цікаві для нас характеристики безпосередньо пов'язані з роботою двигуна агрегату. Шукані нами параметри можуть залежати від декількох складових: обсягу камери згоряння, тепловіддачі палива, швидкості реакції горіння і т.д.

Тут ми розглянемо один із шляхів вирішення завдання збільшення корисної дії двигуна, а саме, збільшення швидкості реакції горіння палива. На цей показник можуть впливати наступні фактори: початкова температура горючої суміші, початковий тиск горючої суміші в камері згоряння, кількість і розташування джерел займання горючої суміші, склад і однорідність горючої суміші. На останньому показники мені б і хотілося загострити увагу.

З хімії знаємо, що реакція згоряння палива виражається як:

З цього співвідношення ми можемо обчислити кількість необхідного для реакції кисню, а знаючи в процентному співвідношенні склад сухого атмосферного повітря _(О2 - 21%; N ₂ - 79%) можемо обчислити кількість використовуваного при горінні повітря. Очевидно, що зміна процентного вмісту кисню в повітрі не призведе до зміни форми протікання реакції горіння, але, безсумнівно, збільшить її інтенсивність. Азот - не беручи участь в процесі горіння, знижує ймовірність з'єднання активних складових в малому проміжку часу. Значить, є можливість, зменшивши кількість азоту, збільшити швидкість поширення полум'я з 25-40м / с аж до 2000 м / с.

На рис. 1 представлена частина розгорнутої індикаторної діаграми фази процесу згоряння в карбюраторних двигунах, що зображає залежність тиску газу всередині циліндра від кута повороту колінчастого вала.

Запалювання проводиться в кінці такту стиснення з випередженням, що дорівнює куту φ. Моменту запалювання відповідає точка "а". Видиме підвищення тиску починається в точці "б". Точкою "в" відзначено максимальний тиск.

Рис.1 Процес згоряння палива в карбюраторному двигуні

Період від точки "б" до точки "в" називається періодом поширення полум'я, або періодом видимого згоряння. Цей період характеризується значним підвищенням тиску і зазвичай закінчується на 12-18 ° після верхньої мертвої точки (ВМТ). Після проходження поршнем точки "в", що відповідає максимальному тиску згоряння, починається процес розширення. При цьому тиск падає, а гази розширюються. При нормальних умовах, частина суміші, що не встигла згоріти своєчасно, догорає в процесі розширення.

Збільшення швидкості поширення полум'я призведе до зростання максимального тиску в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння після проходження поршнем верхньої мертвої точки, що, при розширенні продукту згоряння палива, передасть значно більший імпульс на поршень двигуна внутрішнього згоряння.

Але чому ж, до сих пір, цей резерв потужності не використовувалася? Встановлено, що швидкість наростання тиску у карбюраторних двигунів не повинна перевищувати 0,25 МПа на 1 ° повороту вала. Зі збільшенням швидкості наростання тиску динамічні навантаження на кривошипно-шатунний механізм значно зростають і виникають явища вібрації двигуна - детонація. При цьому збільшується знос сполучених вузлів, і довговічність двигуна різко скорочується. Детонаційне згоряння супроводжується падінням потужності і погіршенням економічності двигуна. При такому згорянні порушується рідинне тертя в підшипниках і деформується антифрикційний матеріал. Основними ознаками детонації є: нестійка робота і перегрів двигуна, виникнення в циліндрах різких металевих стукотів, поява чорного диму у відпрацьованих газах. Тиск газів при детонаційному згорянні підвищується до 15-20 МПа, що значно перевищує тиск, що відповідає нормальному згорянню (2,5-5,0 МПа). Поява детонації залежить від складу суміші. Зі збільшенням числа обертів двигуна і в міру прикриття дроселя (зменшення навантаження) схильність до детонації знижується, так як при цьому збільшується кількість залишкових газів в камері згоряння. Найбільша схильність до детонації спостерігається при повному навантаженні на двигун.

Невже через конструктивні і експлуатаційних характеристик сучасних двигунів ми повинні втрачати величезний ресурс енергії, закладений в збільшенні швидкості реакції горіння? На даний момент, так. Відомо, що ефективний ККД двигунів внутрішнього згоряння при повному навантаженні знаходиться в наступних межах: карбюраторні двигуни - 0.22-0.28; дизельні двигуни - 0.26-0.38. Тут є велике поле діяльності для конструкторів двигунів. Але мені б хотілося запропонувати використовувати хоча б малу частку переваги описаного ефекту в сучасних двигунах. Було б неправильним прагнення отримати великі потужності від двигуна, що не розрахованого на такі навантаження. Зате, його експлуатація в межах номінальних потужностей з істотною економією палива була б доцільною. Якщо ми зменшимо кількість насиченої киснем горючої суміші в камері згоряння, то можемо пом'якшити руйнівної шкоди наростання тиску за рахунок меншої енергоємності горючої суміші. Отримавши невелике збільшення в потужності, ми суттєво зменшимо витрата палива. І економічний ефект легко окупить додаткові витрати.

На сьогоднішній день відомі наступні способи збагачення киснем горючої суміші:

1. Спосіб і пристрій для живлення бензинових двигунів бідними сумішами / Пат. Швейцарія № 683938, 5 F02M 17/16, 17/38, F02B 51/00, 1994. /, який, для створення збідненого горючої суміші змінного складу, використовує газову суміш атмосферного повітря при максимальному тиску. Основний недолік цього пристрою - збільшення початкового тиску в газовій суміші і незмінність співвідношення кисню в складі атмосферного повітря. Останній фактор не впливає на зміну швидкості реакції горіння палива. Позитивний ефект досягається за рахунок іншого параметра.
2. Спосіб і пристрій збагачення киснем горючої суміші в двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ) / Пат. Китай № 1209504 від 03.03.1999, F02M25 / 10 /. Він порівняно з попереднім пристроєм має збільшену кількість кисню в повітрі, призначеному для створення горючої суміші, що збільшує швидкість, і ретельність її згоряння. Недоліком способу є відсутність зворотного зв'язку з вихідними характеристиками двигуна, що впливає на різку зміну режимів його роботи і не економну витрату кисню для збагачення горючої суміші.
3. Пристрій двигун внутрішнього згоряння / Пат. Японія № 62199958 від 03.09.1987, F02M33 / 00, F02M25 / 10 /. Він порівняно з попереднім пристроєм має зворотний зв'язок з елементами карбюратора ДВС, що збільшує економічність витрати додаткового кисню. Недоліком прототипу є те, що пристрій вимагає конструктивного зміни існуючого карбюратора, застосування електроклапана передбачає тільки два режими подачі кисню (електроклапан відкритий і пропускає кисень або закритий - кисень в карбюратор не надходить). При такій конструкції в результаті різкої зміни частки кисню в горючій суміші надходить в ДВС буде спостерігатися не стабільна робота двигуна (різкими пульсуючими ривками колінчастого вала), що призведе до неможливості його експлуатації в складі транспортного засобу або генератора і швидкого зносу ДВС.
4. Пристрій управління вихлопами ДВС / Пат. США № 3877450 від 15.04.1975, F02D21 / 02 /. У ньому кисень подається в камеру згоряння безпосередньо під свічку в чистому вигляді. При цьому можлива ситуація коли створене, що надходять киснем, що не насичене пальним хмара при електричній дузі свічки не призведе до реакції горіння (кисень сам по собі не горить), що призведе до нестабільної роботи ДВС. Крім того, неоднорідність горючої суміші в камері згоряння, не дасть повного позитивного ефекту на швидкість реакції горіння, а виключення зі схеми карбюратора (на шляху подачі кисню) призведе до неефективності його керуючих функцій. Так при різкому збільшенні оборотів двигуна, при вступі до нього кисню, заслінка карбюратора закриється, і в камеру згоряння буде надходити мала кількість (або зовсім припинитися) горючої суміші, що призведе до падіння оборотів і заслінка відкриється. Таким чином, буде спостерігатися пульсуюча робота двигуна, що має ті ж наслідки що і у попереднього відомого пристрою. У уст-ройстве для регулювання кількості кисню використовується механічний клапан - подає кисень рівними порціями без урахування кількості пального в камері згоряння і без зворотного зв'язку з вихідними характеристиками ДВС.
5. Мною пропонується спосіб і пристрій підвищення концентрації кисню в газовій суміші повітряної системи двигуна внутрішнього згоряння, з системою управління подачею кисню, патент №2002120004 / 6 (020830). Пристрій, призначений для підключення до повітряного фільтру ДВС, і забезпечує регулювання додаткового кисню в газовій суміші за допомогою системи управління. Ефект від вирішення поставленого завдання полягає в тому, що замість газової суміші атмосферного повітря використовується газова суміш з підвищеним вмістом кисню з можливістю зміни його концентрації в залежності від кількості подачі палива і максимально допустимої частоти обертання валу ДВС, що помітно зменшує витрату палива при інших рівних умовах .

Схема повітряної системи двигуна внутрішнього згоряння з підвищенням концентрації кисню в газовій суміші до рівня відомих функціональних елементів представлена на рис.2 .

Мал. 2 Схема пристрою для регулювання складу горючої суміші в ДВЗ.

Пристрій містить кисневий балон з вентилем і редуктором 1, трубку подачі кисню 3, вентиль 2, повітряний фільтр 4, систему управління кількості подачею палива 5, датчик обертів двигуна 6, датчик кількості подачі палива 7, система управління вентилем 8.

У пристрої використовуються вихідні параметри датчика кількості подачі палива 7, для формування сигналу через систему управління кількості подачі палива 5, який надходить на систему управління вентилем 8 і вихідні параметри з датчика оборотів двигуна 6 для формування сигналу системі управління кількості подачі палива 5.
При зміні обертів двигуна в діапазоні від режиму холостого ходу до максимальних обертів двигуна датчик кількості подачі палива 7 через систему управління кількості палива, що подається 5 формує керуючий сигнал для системи управління вентилем 8. Система управління вентилем 8, регулюючи пропускну здатність вентиля 2, змінює кількість подаваного кисню в повітряний фільтр 4, де відбувається формування газової суміші з відповідною концентрацією кисню.

Переклад пристрою в діапазоні від режиму холостого ходу до режиму максимально допустимих обертів виробляється зміною кількості подачі палива при одночасному відповідному зміні кількості подаваного кисню в газову суміш. Обмеження оборотів двигуна при досягненні його максимального значення проводиться зменшенням подачі палива шляхом подачі сигналу на систему управління кількості подачі палива 5 з датчика оборотів двигуна 6. Таке спільне регулювання забезпечує оптимальний витрата палива з киснем і безпечний режим роботи ДВС.

Для підтвердження очікуваного ефекту на практиці, було проведено експеримент. В якості двигуна внутрішнього згоряння був використаний двотактний двигун моторолера. У простір близько повітрозабірника повітряного фільтра моторолера, що працює на холостих обертах, був поданий кисень з кисневого балона, в результаті чого, обороти двигуна різко збільшилися. Відсутність кисневого датчика в системі моторолера дозволило дотримати чистоту експерименту.

Досягнутий технічний результат при збільшенні масової складової кисню в горючій суміші - зміна швидкості поширення полум'я в камері згоряння від 40 м / с до 1000 м / с, збільшення тиску в камері згоряння ДВС в момент згоряння горючої суміші від 5 МПа до 15 МПа. Очікуване скорочення витрати палива в 2 - 2,5 рази, при тих же рівних умовах. Важливе значення має ефект зменшення вмісту шкідливих викидів в атмосферу (СО, СН) в 7-10 разів відносно викидів Не модернізовані двигуна.

Очікуване зниження шкідливих викидів підтверджується випробуваннями пристрою заснованого на збільшенні швидкості згоряння і встановленого на автомобіль «Газель». Виписка з цих випробувань свідчить: при оборотах двигуна в діапазоні від 550 до 650 оборотів в хвилину фактичний зміст окису вуглецю (СО) у вихлопі двигуна без модернізації становила 1,6% (при нормі за ГОСТом - 1,5%), а після модернізації вміст СО склало 0,10%; на підвищених обертах двигуна - 2650-2750 оборотів в хвилину вміст СО склало 1,8% (при нормі за ГОСТом - 2,0%), а після модернізації вміст СО - 0,18%; в вихлопних газах двигуна без модернізації кількість вуглеводнів (СН) на низьких оборотах склало 1300 одиниць (при нормі за ГОСТом - 1200), а після модернізації зміст СН склало 150 одиниць; на підвищених обертах двигуна - зміст СН склало 800 одиниць (при нормі за ГОСТом - 600), а після модернізації зміст СН - 120 одиниць.

Оснащення продукції описуваних пристроєм можливо із застосуванням вже відомих і виготовляються серійно виробів. Таким чином, пристрій, при мінімальній доопрацювання існуючого автопарку, підвищує його конкурентоспроможність. При цьому, з позиції споживача, досягається економічний ефект розмір якого може перевищити 30% вартості витрат на паливо.

Версія для друку
Автор: Вяткін Денис Вікторович
PS Матеріал захищений.
Дата публікації 23.09.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів