CC BY
74
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
НАНОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.А. МАКУЕВ, проф. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ, член-кор. РАЕН, д-р техн. наук,
В.С. НАЙМАН, вед. инж. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ, канд. техн. наук,
Е.Е. КЛУБНИЧКИН, доц. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ, канд. техн. наук,
В.Е. КЛУБНИЧКИН, доц. каф. колесных и гусеничных машин МГУЛ, канд. техн. наук
klubnichkin@mgul.ac. ru ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
В статье рассмотрена экологическая проблема использования двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком углеводородном топливе, при сгорании которых в атмосферу выбрасывается значительное количество вредных отравляющих веществ. В настоящее время ведется активный поиск альтернативных видов топлив, особенно биотоплива, но также ведутся разработки двигателей с использованием водорода.На кафедре колесных и гусеничных машин ФГБОУ ВПО МГУЛ проводятся поисковые работы по использованию озона, получаемого из проходящего воздуха для образования горючей смеси, позволяющего улучшить показатели процесса горения углеводородной смеси. Присутствие озона в горючей смеси улучшает полноту горения, так как озон обладает лучшими окислительными свойствами по сравнению с кислородом. По полученным четырем патентам на двигатели внутреннего сгорания можно отметить несколько положительных моментов: сгорание топлива полностью без выброса в атмосферу вместе с выхлопными газами; новое техническое решение систем образования горючей смеси из современных компонентов.В статье рассмотрена примерная конструкция с использованием нано материала, пропускающего в камеру сгорания для образования горючей смеси только чистый кислород, при этом азот не пропускается, что значительно улучшит тепловой процесс в двигателе внутреннего сгорания.
Ключевые слова: двигатель, топливо, камера сгорания, кислород, озон, горючая смесь, выхлопные газы, горение, наноматериал.
В настоящее время экологические проблемы использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), связанные со сжиганием углеводородных топлив, актуальны, как и экономия топлива и поиск новых видов альтернативных (растительных) топлив. В Московском государственном университете леса эту проблему решают на кафедре колесных и гусеничных машин.
На состав выхлопных газов ДВС большое влияние оказывает режим работы двигателя, поэтому для конкретной машины необходимы определенные условия работы и нагрузочные режимы [9]. Исследованиями установлено, что окись углерода СО в больших количествах образуется при работе бензиновых двигателей на богатых горючих смесях при коэффициенте избытка воздуха меньше единицы [1]. Однако такой недостаток является субъективным, и устранить его полностью любыми способами не удается.
У бензиновых двигателей горючая смесь, поступающая в цилиндры в готовом виде, более однородная, чем в дизельных двигателях, поэтому в выхлопных газах практически сажи не бывает. Однако много сажи выделяется с выхлопными газами в дизельных
двигателях, так как в зонах с очень богатой смесью молекулы углерода, образовавшиеся при высокой температуре, не успевают прореагировать с кислородом [2].
Сотрудниками кафедры запатентованы устройства, которые способствуют уменьшению количества расхода топлива, увеличению эффективности двигателя и решению экологической проблемы за счет уменьшения выброса вредных выхлопных газов в атмосферу. Для решения этих вопросов были использованы новые технические разработки и наноматериалы.
По патенту РФ № 85443 [3] авторами предложено в канал воздуховода смонтировать озонатор, а для контроля концентрации озона, преобразованного из кислорода воздуха, поместить озонометр. Для работы озонатора в отсеке двигателя устанавливают источник энергии. Присутствие озона в горючей смеси улучшает полноту горения, так как озон обладает лучшими окислительными свойствами по сравнению с кислородом.
По патенту РФ № 88393 [4] авторами предложено установить воздушный фильтр в виде проницаемой мономолекулярной пленки, управляемой электрическим полем, которая служит мембраной, пропускающей только
150
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2014
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рисунок. Схема устройств и агрегатов ДВС: 1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - камера сгорания; 4 - катушка зажигания; 5 - прерыватель-распределитель; 6 - свеча; 7-11 - система подачи топлива; 12 - воздушная заслонка; 13 - воздуховод; 14 - датчик вращения коленчатого вала; 15 - дополнительный источник энергии; 16 - выключатель озонатора; 17 - входной воздушный патрубок; 18 - наноматериал; 19 - озонатор Figure. Scheme devices and units of ICE: 1 - a cylinder; 2 - piston; 3 - combustion chamber; 4 - ignition coil; 5 - breaker distributor; 6 - candle; 7-11 - fuel supply system; 12 - air damper; 13 - the air; 14 - the gauge of rotation of the crankshaft; 15 - additional source of energy; 16 - switch ozonator; 17 - the air inlet pipe; 18 - nanomaterial; 19 - ozonator
кислород. На двигателе также устанавливают источник электрического поля мембраны. Поступление кислорода вместо воздуха для создания горючей смеси также улучшает процесс горения, т.е. топливо сгорает почти полностью без выброса остатков в атмосферу вместе с выхлопными газами [7, 8, 10].
Дальнейшие поиски новых решений привели к совершенствованию конструкций. Это заявлено в патентах РФ № 97169 [5] и № 97170 [6], в которых предложены новые технические решения систем образования горючей смеси из современных компонентов, например, на рис. 1 показана схема по патенту
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2014
151
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
РФ № 97170, где в цилиндр 1 под поршень 2 в камеру сгорания 3 подается горючая смесь, которая воспламеняется высоким напряжением тока от катушки 4, проходя через прерыватель-распределитель 5 разрядом на свече
6. Топливо подается через систему агрегатов 7;8;9;10 и 11. Подача воздуха происходит по воздуховоду 17 и после очистки воздушным фильтром воздух проходит через наноматериал 18, где задерживается азот, а проходит дальше только кислород, который озонатором 19 преобразуется в озон для создания горючей смеси.
Продукты сгорания топлива, которые выполняют механическую работу в цилиндрах двигателя, получаются в результате окисления углерода топлива в соответствии с химическими реакциями
С + О2 = СО2(полное сгорание топлива);
2С + О2 = 2СО (неполное сгорание топлива); а также образуется вода
2Н2 + О 2 = 2Н2О.
Количество поступающего топлива и воздуха регулируется в зависимости от режима работы ДВС. С учетом весового содержания в 1 кг топлива углерода, водорода и кислорода количество необходимого кислорода воздуха равно
8/2 х 0,854 + 8 х 0,142 - 0,003 = 3,41 кг.
Теоретически для полного сгорания 1 кг топлива требуется следующее количество воздуха L0
L0 = 1/0,23 х 3,41 = 14,83 кг.
Однако, как известно, воздух состоит из 20,95 % кислорода О2, 78,08 % азота N, остальное - инертные газы, углекислый газ, водяной пар и др.
Процессы смесеобразования и горения горючей смеси в ДВС не являются оптимальными, так как азот N не поддерживает горения. В полезных моделях по патентам, приведенным выше, предложено оснастить систему очистки и подачи воздуха дополнительно озонатором, источником питания озонатора, а также озонометром. Получение озона О3 в воздуховоде ДВС обеспечит лучшее смесеобразование и горение смеси, так как озон имеет сильные окислительные свойства. Сгорание углеводорода в камере сгорания
ДВС получается в соответствии с химическими реакциями
3С + 2О3 = 3СО2 (полное сгорание);
3С + О3 = 3СО (неполное сгорание);
3Н2 + О3 = 3Н2О.
При работе ДВС в атмосферу выбрасываются не только токсичные газы, но и двуокись углерода СО2, которая играет важную роль в атмосфере земли, поэтому не является нарушением экологических норм. Однако азотные соединения, которые образуются в процессе горения, до сих пор не учитываются и влияние азота на тепловой процесс в двигателе не рассматривался. Вопросы выброса углекислого газа и азотных соединений, а также их возможное практическое использование требуют дополнительных исследований.
Поэтому следующим решением проблемы стало дополнение к воздушному фильтру кислородопроводящей мембраны, управляемой электрическим полем [5]. Такое конструктивное решение позволяет исключить поступление азота N в камеру сгорания двигателя. Это устройство даст возможность улучшить смесеобразование и условия горения. В целом это решение позволит снизить расход топлива и увеличить эффективность ДВС без существенных конструктивных изменений.
Библиографический список
1. Ерхов, А.В. Тепловой и динамический расчет двигателей внутреннего сгорания: учебное пособие / А.В. Ерхов, В.С. Извеков. - 4-е изд. - М.: МГУЛ, 2009. - 40 с.
2. Котиков, В.М. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли (колесные и гусеничный лесные машины), Т.1. Двигатели внутреннего сгорания : учебник / В.М. Котиков [и др.]. - М.: МГУЛ,. 2007. - 353 с.
3. Пат. 85443 Российская Федерация на полезную модель, МПК F02B 1/00. Двигатель внутреннего сгорания / Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман В.С., Клубничкин В.Е.; заявитель и патентообладатель МГУЛ (RU). - № 2009105277/22; заявл. 17.02.2009; опубл. 10.08.2009 , Бюл. № 22. - 1 с.
4. Пат. 88393 Российская Федерация на полезную модель, МПК F02B 1/00. Двигатель внутреннего сгорания / Макуев В.А., Г алкин Ю.С., Клубничкин Е.Е., Найман В.С., Клубничкин В.Е.; заявитель и патентообладатель МГУЛ (RU). - № 2009111616/22;
152
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2014
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
заявл. 01.04.2009; опубл. 10.11.2009 , Бюл. № 31.
- 1 с.: ил.
5. Пат. 97169 Российская Федерация на полезную модель, МПК F02B 47/00. Двигатель внутреннего сгорания / Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман В.С., Клубничкин В.Е., Овсянников И.А.; заявитель и патентообладатель МГУЛ (RU).
- № 2010107344/06; заявл. 01.03.2010; опубл.
27.08.2010 , Бюл. № 22. - 1 с.: ил.
6. Пат. 97170 Российская Федерация на полезную модель, МПК F02B 47/00. Двигатель внутреннего сгорания / Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман В.С., Клубничкин В.Е. Овсянников И.А.; заявитель и патентообладатель МГУЛ (RU).
- № 2010107350/06; заявл. 01.03.2010; опубл.
27.08.2010 , Бюл. № 24. - 2 с.: ил.
7. Воскобойников, И.В. Многооперационные лесные машины. Монография. Том 1, / И.В. Воскобойников, В.А. Кондратюк, В.М. Крылов, Д.В. Кондратюк, Е.Е. Клубничкин. - М.: МГУЛ, 2013. - 480 с.
8. Воскобойников, И.В. Многооперационные лесные машины. Монография. Том 2, / И.В. Воскобойников, В.А. Кондратюк, В.М. Крылов, Д.В. Кондратюк, Е.Е. Клубничкин. - М.: МГУЛ, 2013. - 496 с.
9. Клубничкин, В.Е Оценка влияния внешних условий на лесозаготовительные машины/ В.Е. Клубничкин // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2010. - № 6. - С. 119-123.
10. Ксеневич, И.П. Наземные тягово-транспортные системы Том 3. / И.П. Ксеневич, В.А. Гоберман, Л.А. Гоберман. Энциклопедия. - М.: Машиностроение, 2003. - 788 с.
NANOMATERIALS AND THEIR USE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Makuev V.A., prof. Univ. wheeled and tracked vehicles MFSU, Corresponding Member. RANS, Dr. Sc. Sciences, Nayman
V.S., Lead. Ing. Univ. wheeled and tracked vehicles MFSU, PhD. tehn. Sciences, Klubnichkin E.E., Assoc. Univ. wheeled and tracked
vehicles MFSU, PhD. tehn. Sciences, Klubnichkin V.E., Assoc. Univ. wheeled and tracked vehicles MFSU, PhD. tehn. Sciences
klubnichkin@mgul.ac.ru
Moscow State Forest University (MSFU) 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow reg., Russia
The article describes the use of an environmental problem of internal combustion engines operating on liquid hydrocarbon fuels, which when burned emits a significant amount of harmful toxic substances currently under active search for alternative fuels, especially biofuels, but also being developed engines using hydrogen. At the Department of wheeled and tracked vehicles Moscow State Forest University conducted exploratory work on the use of ozone produced from the passing air to form a combustible mixture, allowing for improved performance of the process of combustion of a hydrocarbon mixture.
The presence of ozone in a combustible mixture improves the completeness of combustion, since ozone has superior oxidation properties compared to oxygen. According to the obtainedfour patents for internal combustion engines can note some positive things: completely without combustion venting with the exhaust gases; new technical solution to the education systems of the combustible mixture of modern components. The article describes an exemplary structure using nano transmissive material in the combustion chamber to form a combustible mixture only pure oxygen, wherein nitrogen is not skipped, which greatly improves the thermal process in a combustion engine.
Key words: engine, fuel, combustion chamber, oxygen, ozone, fuel mixture, exhaust fumes, burning, nanomaterial.
References
1. Erkhov A.V., Izvekov VS. Teplovoy i dinamicheskiy raschet dvigateley vnutrennego sgoraniya [Thermal and dynamic analysis of internal combustion engines]. Moscow, MGUL, 2009, p. 40.
2. Kotikov V.M., e.a. Teoriya i konstruktsiya mashin i oborudovaniya otrasli (kolesnye i gusenichnyy lesnye mashiny) [Theory and construction machinery and equipment industry (wheeled and tracked forestry machines)], T.1. Moscow, MGUL, p. 353.
3. Makuev V.A., Klubnichkin E.E., Nayman V.S., Klubnichkin V.E. Dvigatel’vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engine]. Patent RF, no. 85443, 2009.
4. Makuev V.A., Galkin Yu.S., Klubnichkin E.E., Nayman V.S., Klubnichkin V.E. Dvigatel’ vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engine]. Patent RF, no. 88393, 2009.
5. Makuev V.A., Klubnichkin E.E., Nayman V.S., Klubnichkin V.E., Ovsyannikov I.A. Dvigatel’vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engine]. Patent RF, no. 97169, 2010.
6. Makuev V.A., Klubnichkin E.E., Nayman V.S., Klubnichkin V.E., Ovsyannikov I.A. Dvigatel’vnutrennego sgoraniya [Internal combustion engine]. Patent RF, no. 97170, 2010.
7. Voskoboinikov I.V , Kondratyuk V.A., Krylov V.M., Kondratyuk D.V., Klubnichkin E.E. Mnogooperatsionnye lesnye mashiny [Multioperational forest machines]. Monograph. Volume 1. 2013. p. 480.
8. Voskoboinikov I.V. , Kondratyuk V.A., Krylov V.M., Kondratyuk D.V., Klubnichkin E.E. Mnogooperatsionnye lesnye mashiny [Multioperational forest machines]. Monograph. Volume 2. 2013. p. 496.
9. Klubnichkin V.E. Otsenka vliyaniya vneshnikh usloviy na lesozagotovitel’nye mashiny [Evaluation of the influence of external conditions on forest machines]. Moscow State Forest University Bulletin - Lesnoy vestnik. № 6, 2010 pp 119-123.
10. Ksenevich I.P., Goberman L.A., Goberman V.A. Nazemnye tyagovo-transportnye sistemy [Ground trailer transport systems]. Volume 3. Encyclopedia. - Moscow,Mashinostroenie [Engineering], 2003. p. 788.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2014
153
