НОВИ ИЗОБРЕТЕНИЯ, МОДЕЛИ И ТЕХНОЛОГИИ
На фона на нарастващата ценана автомобилното горивоса необходимииновативнирешения за намаляване на разходите за транспорт. Как да постигнем без големи разходи и в най-кратки срокове:намаляване на разхода на горивос10-25%, увеличаване на мощността на двигателя с5-10%, намаляване навредните емисиив атмосферата (СО,СН) с7-10пъти спрямо съществуващото ниво?
Всички интересуващи ни характеристики са пряко свързани с работата надвигателяна агрегата. Параметрите, които търсим, могат да зависят от няколко компонента: обем на горивната камера, топлообмен на горивото, скорост на реакцията на горене и др.
Тук ще разгледаме един от начините за решаване на проблема за повишаване на ефективността надвигателя, а именно увеличаване на скоростта на реакцияизгаряне на гориво. Този показател може да бъде повлиян от следните фактори: началната температура на горимата смес, началното налягане на горимата смес в горивната камера, броят и местоположението на източниците на запалване на горимата смес, съставът и еднородността на горимата смес. Бих искал да се спра на последните показатели.
От химията знаем, че реакцията на изгаряне на гориво се изразява като:
От това съотношение можем да изчислим количеството кислород, необходимо за реакцията, и като знаем процентния състав на сухия атмосферен въздух (O2 - 21%;N2 - 79%), можем да изчислим количеството въздух, използван при горенето. Очевидно е, че промяната в процентното съдържание на кислород във въздуха няма да доведе до промяна във формата на реакцията на горене, но несъмнено ще увеличи нейната интензивност.Азот- не участва в процеса на горене, намалява вероятността от присъединяване на активни компонентималък период от време. Това означава, че е възможно чрез намаляване на количеството азот да се увеличи скоростта на разпространение на пламъка от25-40m/sдо2000 m/s.
На фиг. 1 е показана част от разширена индикаторна диаграма на фазата на процеса на горене в карбураторни двигатели, изобразяваща зависимостта на налягането на газа в цилиндъра от ъгъла на въртене на коляновия вал.
Запалването се извършва в края на такта на компресия с изпреварване, равно на ъгълφ. Точката"а"съответства на момента на запалване. Видимото повишаване на налягането започва в точката"b". Точката"in"отбелязва максималното налягане.
Фиг.1 Процесът на изгаряне на гориво в карбураторен двигател
Периодът от точка"b"до точка"c"се нарича период на разпространение на пламъка или период на видимо горене. Този период се характеризира със значително повишаване на налягането и обикновено завършва при12–18°след горната мъртва точка (ГМТ). След като буталото премине точката"in", съответстваща на максималното налягане на горене, процесът на разширение започва. В този случай налягането пада и газовете се разширяват. При нормални условия част от сместа, която не е имала време да изгори своевременно, изгаря по време на процеса на разширяване.
Увеличаването на скоростта на разпространение на пламъка ще доведе до увеличаване на максималното налягане в цилиндъра на двигателя с вътрешно горене след преминаване на буталото през горната мъртва точка, което с разширяването на продукта от горенето на горивото ще предаде значително по-голям импулс към буталото на двигателя с вътрешно горене.
Но защо досега този резерв на мощност не е използван? Установено е, че скоростта на повишаване на налягането в карбураторните двигатели не трябва да надвишава0,25 MPaна1°въртене на вала. С увеличаване на скоростта на набираненалягане, динамичните натоварвания на коляновия механизъм се увеличават значително и възникват вибрационни явления на двигателя - детонация. Това увеличава износването на свързващите компоненти и издръжливостта на двигателя рязко намалява. Детонационното изгаряне е придружено от спад на мощността и влошаване на ефективността на двигателя. При такова изгаряне се нарушава флуидното триене в лагерите и антифрикционният материал се деформира. Основните признаци на детонация са: нестабилна работа и прегряване на двигателя, поява на резки метални удари в цилиндрите, поява на черен дим в отработените газове. Налягането на газа по време на детонационното горене се повишава до15–20 MPa, което значително надвишава налягането, съответстващо на нормалното горене (2,5–5,0 MPa). Появата на детонация зависи от състава на сместа. С увеличаване на скоростта на двигателя и при затваряне на дросела (намаляване на натоварването), склонността към детонация намалява, тъй като количеството остатъчни газове в горивната камера се увеличава. Най-голяма склонност към детонация се наблюдава при пълно натоварване на двигателя.
Наистина ли поради дизайна и експлоатационните характеристики на съвременните двигатели трябва да загубим огромен ресурс от енергия, присъщ на увеличаване на скоростта на реакцията на горене? В момента да. Известно е, че ефективниятКПДна двигателите с вътрешно горене при пълно натоварване е в следните граници: карбураторни двигатели -0,22–0,28; дизелови двигатели -0,26–0,38. Има голямо поле за дейност на конструкторите на двигатели. Но бих искал да предложа да използвате поне малка част от предимствата на описания ефект в съвременните двигатели. Не би било правилно да се стремите да получите повече мощност от двигател, за който не е предназначентакива натоварвания. От друга страна, неговата работа в границите на номиналната мощност със значителна икономия на гориво би била целесъобразна. Ако намалим количеството на наситената с кислород горима смес в горивната камера, можем да смекчим разрушителния ефект от повишаване на налягането поради по-ниското енергийно съдържание на горивната смес. Получавайки малко увеличение на мощността, ние значително ще намалимразхода на гориво. И икономическият ефект лесно ще изплати допълнителните разходи.
Към днешна дата са известни следните методи за обогатяване на горимата смес с кислород:
Метод и устройство за захранване на бензинови двигатели с бедни смеси /Pat. Швейцария No. 683938, 5 F02M 17/16, 17/38, F02B 51/00, 1994 /, който, за да създаде обеднена горима смес с променлив състав, използва газова смес от атмосферен въздух при максимално налягане. Основният недостатък на това устройство е повишаването на първоначалното налягане в газовата смес и неизменността на съотношението на кислорода в атмосферния въздух. Последният фактор не влияе върху промяната в скоростта на реакция на изгаряне на гориво. Положителен ефект се постига благодарение на друг параметър.
Устройство за двигател с вътрешно горене/ Pat. Япония № 62199958 от 09/03/1987, F02M33/00, F02M25/10 /. В сравнение с предишното устройство има обратна връзка с елементите на карбуратораICE, което увеличаваикономичния разход на допълнителен кислород. Недостатъкът на прототипа е, че устройството изисква конструктивна промяна в съществуващия карбуратор, използването на електромагнитния клапан включва само два режима на подаване на кислород (магнитният клапан е отворен и позволява преминаването на кислород или затворен - кислородът не влиза в карбуратора). С този дизайн, в резултат на рязка промяна в съотношението на кислорода в горимата смесICEще изпита нестабилна работа на двигателя (резки пулсиращи трептения на коляновия вал), което ще доведе до невъзможност за работата му като част от превозно средство или генератор и бързо износване наICE.
Устройство за контрол на емисиитеICE /пат. US № 3877450 от 15.04.1975 г., F02D21/02/. В него кислородът се подава в горивната камера директно под свещта в чист вид. В този случай е възможна ситуация, когато облак, създаден от входящ кислород, ненаситен с горим, с електрическа дъга на свещ, няма да доведе до реакция на горене (самият кислород не гори), което ще доведе до нестабилна работа наICE. В допълнение, хетерогенността на горимата смес в горивната камера няма да даде пълен положителен ефект върху скоростта на реакцията на горене, а изключването от веригата на карбуратора (по пътя на подаване на кислород) ще доведе до неефективност на неговите контролни функции. Така че, при рязко увеличаване на скоростта на двигателя, когато кислородът влезе в него, амортисьорът на карбуратора ще се затвори и малко количество (или напълно спиране) от горимата смес ще влезе в горивната камера, което ще доведе до спад на скоростта и амортисьорът ще се отвори. Така ще се наблюдава пулсираща работа на двигателя, която има същите последствия като предишното известно устройство. Устройството използва механичен клапан за контрол на количеството кислород - подава кислород на равни части, без да отчита количеството гориво в горивната камера и без обратна връзка от изходните характеристикиICE.
Диаграма на въздушната система на двигател с вътрешно горене с увеличаване на концентрацията на кислород в газовата смес до нивото на известни функционални елементи е показана на фиг.2.
Ориз. 2 Схема на устройство за контрол на състава на горимата смес в двигател с вътрешно горене.
The device contains an oxygen cylinder with a valve and a reducer1, an oxygen supply tube3, a valve2, an air filter4, a fuel supply quantity control system5, an engine speed sensor6, a fuel supply quantity sensor7, a valve control system8.
Устройството използва изходните параметри на датчика за количеството на подаденото гориво7, за да генерира сигнал през системата за контрол на количеството на подаденото гориво5, който се подава към системата за управление на клапаните8и изходните параметри от сензора за обороти на двигателя6за генериране на сигнал към системата за управление на количеството на подаденото гориво5. Когато скоростта на двигателя се промени от празен ход до максимална скорост на двигателя, сензорът за количество гориво7генерира управляващ сигнал за системата за управление на клапана8чрез системата за управление на количеството гориво5. Системата за управление на клапана8, чрез регулиране на капацитета на потока на клапана2, променя количеството кислород, подаван към въздушния филтър4, където се образува газова смес с подходяща концентрация на кислород.
Прехвърлянето на устройството в диапазона от режим на празен ход до режим на максимално допустима скорост се извършва чрез промяна на количеството на подаването на гориво с едновременна съответна промяна на количеството кислород, подаван към газовата смес. Оборотите на двигателя се ограничават, когато се достигне максималната им стойност чрез намаляване на подаването на гориво чрез изпращане на сигнал към системата за контрол на количеството подадено гориво5от сензора за обороти на двигателя6. Такова съвместно регулиране осигурява оптималенразход на горивос кислород ибезопасен режим на работаICE.
За потвърждаване на практика на очаквания ефект е проведен експеримент. Като двигател с вътрешно горене е използван двутактов скутер. Кислород от кислородна бутилка се подава в пространството в близост до въздухозаборника на въздушния филтър на работещия на празен ход скутер, в резултат на което оборотите на двигателя рязко се увеличават. Липсата на сензор за кислород в системата на скутера направи възможно поддържането на чистотата на експеримента.
Постижим технически резултат с увеличаване на масовия компонент на кислорода в горимата смес е промяна на скоростта на разпространение на пламъка в горивната камера от40 m/sдо1000 m/s, повишаване на налягането в горивната камераICEпо време на изгаряне на горивната смес от5 MPaдо15 MPa. Очаквано намаляване наразхода на горивос2 – 2,5пъти, при същите равни условия. Не по-малко важен е ефектът от намаляване на съдържанието на вредни емисии в атмосферата (СО, СН) с7-10пъти спрямо емисиите от немодернизиран двигател.
Оборудването на продуктите с описаното устройство е възможно с помощта на вече известни и масово произвеждани продукти. По този начин устройството, с минимална модификация на съществуващия парк, повишава своята конкурентоспособност. В същото време от позицията на потребителя се постига икономически ефект, чийто размер може да надхвърли30%от себестойността наразходите за гориво.