CC BY
32УДК 621.43-44
СПОСОБ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
А.С. Павлюк, А.С.Фролкин
Рассмотрен обоснованный путь улучшающий воспламеняемость топливовоздушной смеси ДВС. Достигнута возможность увеличения термического коэффициента полезного действия и снижения расхода топлива. Предложена установка, использующая электрогидравлический эффект, суть которого заключается в протекании разного рода электрического разряда (искрового, кистевого и др.) высокого напряжения через объем жидкости. Результатом может быть изменнение химического состава жидкости многократная ионизация соединений и элементов, содержащихся в жидкости.
Ключевые слова: способ, воспламеняемость, термический КПД, расход топлива, установка, электрогидравлический эффект, токсичность газов.
Исследователи многих стран давно пытаются создать двигатель который совмещает положительные стороны бензинового, и дизельного двигателя. Основными недостатками двигателя с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением являются: необходимость высокой степени сжатия для обеспечения воспламенения рабочей смеси, что требует повышенной прочности деталей, увеличения их массы и ведет к снижению быстроходности двигателя, уменьшению удельных показателей, а также необходимость высокого давления впрыска до нескольких сот мегапаскалей, сложность и высокая стоимость элементов топливной аппаратуры. К числу недостатков ДВС с впрыском легкого топлива в цилиндр и воспламенением от искрового разряда относятся: низкий термический коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания в следствии ограничения степени сжатия из-за возможной детонации рабочей смеси, высокая стоимость эксплуатации двигателя, обусловленная требованием высокого октанового числа топлива во избежание детонации, сложность системы для создания электрического разряда высокого напряжения внутри цилиндра, что приводит к повышенной трудоемкости изготовления устройства, и узкий сортамент применяемых топлив [1].
Существует способ воздествия электрического разряда высокого напряжения на жидкость называемый электрогидравлическим эффектом. Суть электрогидравлического эффекта заключается в
протекании разного рода электрического разряда (искрового, кистевого и др.) высокого напряжения через объем жидкости, в результате которого возникают свервысокие давления, температура и сверхмощные магнитные поля, воздействующие на объем данной жидкости со стороны канала разряда. Результатом может быть как изменнение химического состава жидкости, так и высвобождение механической энергии вплоть до разрушения и теплового взрыва [2]. На кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» АлтГТУ разработан один из вариантов устойств позволяющий применять электрогидравлический эффект для смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания.
Рисунок 1 - Устройство для смесеобразования и воспламенения рабочей смеси
Устройство для смесеобразования и воспламенения рабочей смеси ДВС изображенное на рисунке 1 содержит корпус 1, установленный на головке цилиндра 2 двигателя внутреннего сгорания [3]. В корпусе размещен высоковольтный электрод 3 для создания электрического разряда высокого напряжения, изолированный от корпуса изолятором 4 и соединенный с источником высокого напряжения 5, а также выполнен канал 6 для подачи топлива от топливоподающего насоса
7 к цилиндру двигателя. На корпусе 1 установлен открытый токопроводящий резервуар
8 , в который поступает жидкое топливо 9 через канал 6. Высоковольтный электрод 3 образует зазор относительно резервуара 8.
Система для создания электрического разряда высокого напряжения внутри цилиндра, связанная с топливоподающим насосом 7, выполнена в виде высоковольтного электрода 3, подключенного к источнику высокого напряжения повышенной мощности 5 и размещенного внутри открытого токопроводяще-го резервуара 8.
схема ГИН - ГИТ: 1- трансформатор генератора импульсов тока, 2- гасящий конденсатор, 3- диодный мост, 4- силовой конденсатор, 5- сопротивление, 6- индуктивность, 7- формирующий разряд искровой промежуток, 8- генератор импульсов напряжений, 9- рабочий искровой промежуток
Открытый токопроводящий резервуар 8 покрыт материалом - катализатором горения, преимущественно платиной.
Система производит всасывание воздуха в цилиндр 2 ДВС, сжатие воздуха в цилиндре 2, подачу жидкого топлива 9 в цилиндр 2 под давлением. При этом топливо 9 от топ-ливо-подающего насоса 7, проходя через канал 6, накапливается в резервуаре 8, занимая пространство между резервуаром 8 и электродом 3. В конце сжатия от источника высокого напряжения повышенной мощности 5 между электродом 3 и резервуаром 8 через
объем накопившегося топлива 9 пропускают электрическую искру высокого напряжения, подвергая топливо 9 воздействию электрогидравлического эффекта.
Вследствие электрогидравлического эффекта происходит распыление топлива 9 в окружающем воздухе в камере сгорания, образование рабочей смеси топлива и воздуха и ее воспламенение. После этого происходит расширение обычным образом.
При таком смесеобразовании и воспламенении рабочей смеси, реализуемом посредством данного устройства, происходит интенсивное смешивание капель распыляемого топлива и воздуха в камере сгорания (рисунок 3,4,5).
вания и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания в момент подачи топлива
Одновременно электрический разряд высокого напряжения воспламеняет рабочую смесь в необходимый момент времени [4]. С одной стороны это приводит к устранению ограничения по величине степени сжатия из-за детонации, так как в цилиндре сжимается воздух без топлива, с другой стороны устраняет необходимость в высокой степени сжатия, для обеспечения воспламенения рабочей смеси, так как рабочая смесь воспламеняется посредством электрического разряда высокого напряжения. Вышесказанное обес-
СПОСОБ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
печивает возможность использования любых рациональных величин степени сжатия, повышающую термический коэффициент полезного действия двигателя. Так же устраняется необходимость в высоких октановых и цетановых числах топлива, что позволяет значительно расширить сортамент применяемых топлив (в том числе и рапсового масла). Также достигается упрощение и усовершенствование топливоподающей аппаратуры и системы для создания электрического разряда высокого напряжения, что приводит к снижению трудоемкости изготовления устройства, а, следовательно, и стоимости двигателя.
ния и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания в момент распыла топлива
Кроме того появляется возможность одновременного повышения топливной экономичности и снижения токсичности выхлопных газов двигателя. Благодаря пропусканию через объем топлива электрического разряда высокого напряжения, создаются сверхмощные электрические поля, способные растягивать и превращать в диполи все неполярные молекулы, а некоторые из полярных молекул разрывать на ионы, что способствует полноте сгорания топлива. Импульс тока высокого
напряжения оказывает электрогидравлический эффект и определяет тем самым масштабы разрушения молекул, а именно степень распыления топлива и воспламенения рабочей смеси. Размещение и конфигурацию электродов необходимо подбирать таким образом, чтобы процесс в объеме между электродами носил окислительный характер. Окислительный характер процесса достигается формой электродов: положительный потенциал - в виде острия, а отрицательный -в виде плоскости.
Рисунок 5 - Схема устройства для смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания в момент распыла и воспламенения рабочей смеси
Для улучшения смесеобразования и воспламенения рабочей смеси предлагается увеличить зазор рабочего искрового промежутка, что достигается добавлением летучего легкоионизируемого вещества, в частности этилового спирта [5].
В эксперименте использовались: бензин АИ-92 (рисунок 6), дизельное топливо (летнее), рапсовое масло, керосин и этиловый спирт (96,6-процентной концентрации).
В ходе эксперимента было установлено, что наибольшему увеличению зазора соот-
ветствует добавка этилового спирта в:
бензин АИ-92........................15-20%,
дизельное топливо.................5-15%,
керосин..................................~20%.
Добавка спирта в рапсовое масло не оказывает существенного воздействия. Так же следует отметить, что добавление 20% этилового спирта по объему в керосин позволяет увеличить зазор рабочего искрового промежутка более чем в 5 раз.
4,5
зазор, мм
3,5
2,5
1,5
0,5
1 / / * ! > * ( \ \ \
/» и / / / \ * * ч
'ВТ У Г у <Г Ч ч
0
5
10
15
- Л- дизельное топливо (л) —X— бензин (АИ-92) -О- рапсовое масло
20 25 30 35 этиловый спирт, %
—ы— керосин
Рисунок 6 - Зависимость пробивного зазора рабочего искрового промежутка от добавки этилового спирта
Выводы
1. Разработано устройство для смесеобразования и воспламенения рабочей смеси, позволяющее использовать широкий сортимент применяемых топлив.
2. В разработанном устройстве достигается упрощение и усовершенствование топ-ливоподающей аппаратуры и системы для создания электрического разряда с сохранением термического КПД двигателя.
3. Благодаря пропусканию через объем топлива электрического разряда высокого напряжения появляется возможность одновременного повышения топливной экономич-
ности и снижения токсичности выхлопных газов.
4. Для увеличения зазора рабочего искрового промежутка проведены исследования по добавлению летучего легкоионизируемого вещества, в частности этилового спирта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. Пособие [для вузов] / А.И. Колчин, В.П. Демидов -3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш.шк., 2008. - С. 99 - 142.
2. Юткин, Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности / Л.А. Юткин. - Л.; Машиностроение, 1986. - 253 с.
3. Патент на изобретение № 2382214 Российская Федерация, МПК51Р02Б 3/02 (2006/01). Способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст ]/ Павлюк А.С., Семкин Б.В., Стенников; заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И. И. Ползунова. -№2008112633/06; заявл. 01.04.2008; опубл.
10.10.2009, Бюл. №5 - 11с.:ил.
4. Патент на изобретение № 2397339 Российская Федерация, МПК51 Н01Т 13/54 (2006/01). Способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания [Текст]/ Павлюк А.С., Семкин Б.В., Стенников; заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И.И. Ползунова. -№2009100632/06, заявл. 11.01.2009; опубл.
20.08.2010, Бюл. №23 - 9с.:ил.
5. Патент на изобретение № 2403411 Российская Федерация, МПК51 Р020 19/08 (2006/01). Способ смесеобразования и воспламенения рабочей смеси двигателя внутреннего сгорания. [Текст]/ Павлюк А.С., Семкин Б.В., Стенников; заявитель и патентообладатель АлтГТУ им. И. И. Ползунова. -№2009117598/06, заявл. 08.05.2009; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31 - 5с.:ил.
Павлюк А.С., д.т.н., профессор, зав. каф. Автомобили и автомобильное хозяйство, e-mail: pavlukas@mail. ru
Фролкин А.С., к.т.н., старший преподаватель каф. Автомобили и автомобильное хозяйство, e-mail: kafedra. aiah@gmail. com ФГБОУ ВПО «(Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», 656038, Барнаул, просп. Ленина, 46, тел. (83852) 290890.
4
3
2
1
0
