КАК УМЕНЬШИТЬ РАСХОД ТОПЛИВА? 

НОВЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, МОДЕЛИ И ТЕХНОЛОГИИ. КАК УМЕНЬШИТЬ РАСХОД ТОПЛИВА?

Вяткин Денис Викторович

РЕФЕРАТ

На фоне повышения стоимости автомобильного топлива необходимы инновационные решения, позволяющие снизить себестоимость транспортных перевозок. Как без больших затрат и в минимальные сроки достичь: снижения расхода топлива на 10-25%, увеличение мощности двигателя на 5-10% , уменьшение содержания вредных выбросов в атмосферу (СО, СН) в 7-10 раз относительно существующего уровня?

Все интересующие нас характеристики непосредственно связаны с работой двигателя агрегата. Искомые нами параметры могут зависеть от нескольких составляющих: объема камеры сгорания, теплоотдачи топлива, скорости реакции горения и т.д.

Здесь мы рассмотрим один из путей решения задачи увеличения полезного действия двигателя, а именно, увеличение скорости реакции горения топлива. На этот показатель могут влиять следующие факторы: начальная температура горючей смеси, начальное давление горючей смеси в камере сгорания, количество и расположение источников воспламенения горючей смеси, состав и однородность горючей смеси. На последнем показатели мне бы и хотелось заострить внимание.

Из химии знаем, что реакция сгорания топлива выражается как:

Из химии знаем, что реакция сгорания топлива выражается как

Из этого соотношения мы можем вычислить количество необходимого для реакции кислорода, а зная в процентном соотношении состав сухого атмосферного воздуха (О2 – 21%; N2 – 79%) можем вычислить количество используемого при горении воздуха. Очевидно, что изменение процентного содержания кислорода в воздухе не приведет к изменению формы протекания реакции горения, но, несомненно, увеличит ее интенсивность. Азот - не участвуя в процессе горения, понижает вероятность соединения активных составляющих в малом промежутке времени. Значит, есть возможность, уменьшив количество азота, увеличить скорость распространения пламени с 25-40м/с вплоть до 2000 м/с

На рис. 1 представлена часть развернутой индикаторной диаграммы фазы процесса сгорания в карбюраторных двигателях, изображающей зависимость давления газа внутри цилиндра от угла поворота коленчатого вала.

Зажигание производится в конце такта сжатия с опережением, равным углу φ. Моменту зажигания соответствует точка "а". Видимое повышение давления начинается в точке "б". Точкой "в" отмечено максимальное давление.

Процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе

Рис.1 Процесс сгорания топлива в карбюраторном двигателе

Период от точки "б" до точки "в" называется периодом распространения пламени, или периодом видимого сгорания. Этот период характеризуется значительным повышением давления и обычно заканчивается на 12–18° после верхней мертвой точки (ВМТ). После прохождения поршнем точки "в", соответствующей максимальному давлению сгорания, начинается процесс расширения. При этом давление падает, а газы расширяются. При нормальных условиях, часть смеси, не успевшая сгореть своевременно, догорает в процессе расширения.

Увеличение скорости распространения пламени приведет к возрастанию максимального давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания после прохождения поршнем верхней мертвой точки, что, при расширении продукта сгорания топлива, передаст значительно больший импульс на поршень двигателя внутреннего сгорания.

Но почему же, до сих пор, этот резерв мощности не использовался? Установлено, что скорость нарастания давления у карбюраторных двигателей не должна превышать 0,25 МПа на поворота вала. С увеличением скорости нарастания давления динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм значительно возрастают и возникают явления вибрации двигателя - детонация. При этом увеличивается износ сопряженных узлов, и долговечность двигателя резко сокращается. Детонационное сгорание сопровождается падением мощности и ухудшением экономичности двигателя. При таком сгорании нарушается жидкостное трение в подшипниках и деформируется антифрикционный материал. Основными признаками детонации являются: неустойчивая работа и перегрев двигателя, возникновение в цилиндрах резких металлических стуков, появление черного дыма в отработавших газах. Давление газов при детонационном сгорании повышается до 15–20 МПа, что значительно превышает давление, соответствующее нормальному сгоранию (2,5–5,0 МПа). Появление детонации зависит от состава смеси. С увеличением числа оборотов двигателя и по мере прикрытия дросселя (уменьшения нагрузки) склонность к детонации понижается, так как при этом увеличивается количество остаточных газов в камере сгорания. Наибольшая склонность к детонации наблюдается при полной нагрузке на двигатель.

Неужели из-за конструктивных и эксплуатационных характеристик современных двигателей мы должны терять огромный ресурс энергии, заложенный в увеличении скорости реакции горения? В настоящий момент, да. Известно, что эффективный КПД двигателей внутреннего сгорания при полной нагрузке находится в следующих пределах: карбюраторные двигатели - 0.22–0.28; дизельные двигатели - 0.26–0.38. Здесь есть большое поле деятельности для конструкторов двигателей. Но мне бы хотелось предложить использовать хотя бы малую долю преимущества описанного эффекта в современных двигателях. Было бы не правильным стремление получить большие мощности от двигателя, не рассчитанного на такие нагрузки. Зато, его эксплуатация в пределах номинальных мощностей с существенной экономией топлива была бы целесообразной. Если мы уменьшим количество насыщенной кислородом горючей смеси в камере сгорания, то можем смягчить разрушающий эффект нарастания давления за счет меньшей энергоемкости горючей смеси. Получив небольшое увеличение в мощности, мы существенно уменьшим расход топлива. И экономический эффект легко окупит дополнительные затраты.

На сегодняшний день известны следующие способы обогащения кислородом горючей смеси:

  1. Способ и устройство для питания бензиновых двигателей бедными смесями/ Пат. Швейцария № 683938, 5 F02M 17/16, 17/38, F02B 51/00, 1994 /, который, для создания обедненной горючей смеси переменного состава, использует газовую смесь атмосферного воздуха при максимальном давлении. Основной недостаток этого устройства – увеличение начального давления в газовой смеси и неизменность соотношения кислорода в составе атмосферного воздуха. Последний фактор не влияет на изменение скорости реакции горения топлива. Положительный эффект достигается за счет другого параметра.

  2. Способ и устройство обогащения кислородом горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) / Пат. Китай № 1209504 от 03.03.1999, F02M25/10 /. Он по сравнению с предыдущим устройством имеет увеличенное количество кислорода в воздухе, предназначенном для создания горючей смеси, что увеличивает скорость, и тщательность её сгорания. Недостатком способа является отсутствие обратной связи с выходными характеристиками двигателя, что влияет на резкое изменение режимов его работы и не экономный расход кислорода для обогащения горючей смеси.

  3. Устройство двигатель внутреннего сгорания / Пат. Япония № 62199958 от 03.09.1987, F02M33/00, F02M25/10 /. Он по сравнению с предыдущим устройством имеет обратную связь с элементами карбюратора ДВС, что увеличивает экономичность расхода добавочного кислорода. Недостатком прототипа является то, что устройство требует конструктивного изменения существующего карбюратора, применение электроклапана предполагает только два режима подачи кислорода (электроклапан открыт и пропускает кислород или закрыт – кислород в карбюратор не поступает). При такой конструкции в результате резкого изменения доли кислорода в горючей смеси поступающей в ДВС будет наблюдаться не стабильная работа двигателя (резкими пульсирующими рывками коленчатого вала), что приведет к невозможности его эксплуатации в составе транспортного средства или генератора и быстрому износу ДВС.

  4. Устройство управления выхлопами ДВС /Пат. США № 3877450 от 15.04.1975, F02D21/02/. В нем кислород подается в камеру сгорания непосредственно под свечу в чистом виде. При этом возможна ситуация когда созданное, поступающим кислородом, не насыщенное горючим облако при электрической дуге свечи не приведет к реакции горения (кислород сам по себе не горит), что приведет к нестабильной работе ДВС. Кроме того, неоднородность горючей смеси в камере сгорания, не даст полного положительного эффекта на скорость реакции горения, а исключение из схемы карбюратора (на пути подачи кислорода) приведет к неэффективности его управляющих функций. Так при резком увеличении оборотов двигателя, при поступлении в него кислорода, заслонка карбюратора закроется, и в камеру сгорания будет поступать малое количество (или совсем прекратиться) горючей смеси, что приведет к падению оборотов и заслонка откроется. Таким образом, будет наблюдаться пульсирующая работа двигателя, имеющая те же последствия что и у предыдущего известного устройства. В уст-ройстве для регулирования количества кислорода используется механический клапан – подающий кислород равными порциями без учета количества горючего в камере сгорания и без обратной связи с выходными характеристиками ДВС.

  5. Мною предлагается способ и устройство повышения концентрации кислорода в газовой смеси воздушной системы двигателя внутреннего сгорания, с системой управления подачей кислорода, патент №2002120004/6(020830). Устройство, предназначенное для подключения к воздушному фильтру ДВС, и обеспечивает регулирование добавочного кислорода в газовой смеси при помощи системы управления. Эффект от решения поставленной задачи заключается в том, что вместо газовой смеси атмосферного воздуха используется газовая смесь с повышенным содержанием кислорода с возможностью изменения его концентрации в зависимости от количества подачи топлива и максимально допустимой частоты вращения вала ДВС, что заметно уменьшает расход топлива при прочих равных условиях.

Схема воздушной системы двигателя внутреннего сгорания с повышением концентрации кислорода в газовой смеси до уровня известных функциональных элементов представлена на рис.2.

Схема устройства для регулирования состава горючей смеси в ДВС

Рис. 2 Схема устройства для регулирования состава горючей смеси в ДВС.

Устройство содержит кислородный баллон с вентилем и редуктором 1, трубку подачи кислорода 3, вентиль 2, воздушный фильтр 4, систему управления количества подачей топлива 5, датчик оборотов двигателя 6, датчик количества подачи топлива 7, система управления вентилем 8.

В устройстве используются выходные параметры датчика количества подачи топлива 7, для формирования сигнала через систему управления количества подачи топлива 5, который поступает на систему управления вентилем 8 и выходные параметры с датчика оборотов двигателя 6 для формирования сигнала системе управления количества подачи топлива 5.
При изменении оборотов двигателя в диапазоне от режима холостого хода до максимальных оборотов двигателя датчик количества подачи топлива 7 через систему управления количества подаваемого топлива 5 формирует управляющий сигнал для системы управления вентилем 8. Система управления вентилем 8, регулируя пропускную способность вентиля 2, изменяет количество подаваемого кислорода в воздушный фильтр 4, где происходит формирование газовой смеси с соответствующей концентрацией кислорода.

Перевод устройства в диапазоне от режима холостого хода до режима максимально допустимых оборотов производится изменением количества подачи топлива при одновременном соответствующем изменении количества подаваемого кислорода в газовую смесь. Ограничение оборотов двигателя при достижении его максимального значения производится уменьшением подачи топлива путем подачи сигнала на систему управления количества подачи топлива 5 с датчика оборотов двигателя 6. Такое совместное регулирование обеспечивает оптимальный расход топлива с кислородом и безопасный режим работы ДВС.

Для подтверждения ожидаемого эффекта на практике, был проведен опыт. В качестве двигателя внутреннего сгорания был использован двухтактный двигатель мотороллера. В пространство около воздухозаборника воздушного фильтра мотороллера, работающего на холостых оборотах, был подан кислород из кислородного баллона, в результате чего, обороты двигателя резко увеличились. Отсутствие кислородного датчика в системе мотороллера позволило соблюсти чистоту эксперимента.

Достигаемый технический результат при увеличении массовой составляющей кислорода в горючей смеси - изменение скорости распространения пламени в камере сгорания от 40 м/с до 1000 м/с, увеличения давления в камере сгорания ДВС в момент сгорания горючей смеси от 5 МПа до 15 МПа. Ожидаемое сокращение расхода топлива в 2 – 2,5 раза, при тех же равных условиях. Немаловажное значение имеет эффект уменьшения содержания вредных выбросов в атмосферу (СО, СН) в 7-10 раз относительно выбросов не модернизированного двигателя.

Ожидаемое снижение вредных выбросов подтверждается испытаниями устройства основанного на увеличении скорости сгорания и установленного на автомобиль «Газель». Выписка из этих испытаний гласит: при оборотах двигателя в диапазоне от 550 до 650 оборотов в минуту фактическое содержание окиси углеродов (СО) в выхлопе двигателя без модернизации составляла 1,6% (при норме по ГОСТу – 1,5%), а после модернизации содержание СО составило 0,10%; на повышенных оборотах двигателя – 2650-2750 оборотов в минуту содержание СО составило 1,8% (при норме по ГОСТу – 2,0%), а после модернизации содержание СО – 0,18%; в выхлопных газах двигателя без модернизации количество углеводородов (СН) на низких оборотах составило 1300 единиц (при норме по ГОСТу – 1200), а после модернизации содержание СН составило 150 единиц; на повышенных оборотах двигателя - содержание СН составило 800 единиц (при норме по ГОСТу – 600), а после модернизации содержание СН – 120 единиц.

Оснащение продукции описываемым устройством возможно с применением уже известных и изготавливаемых серийно изделий. Таким образом, устройство, при минимальной доработке существующего автопарка, повышает его конкурентоспособность. При этом, с позиции потребителя, достигается экономический эффект размер которого может превысить 30% стоимости расходов на топливо.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати
Автор: Вяткин Денис Викторович
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 23.09.2006гг


вверх