Повышение эффективности использования системы озонирования в энергетических средствах

Введение. Одной из основных составляющих загрязнений окружающей среды населенных пунктов и городов Российской Федерации и многих стран мира являются выхлопные газы автомобильного транспорта и другой самоходной техники, которые составляют 60– 80% от общих вредных выбросов в атмосферу. Зарубежные страны, как и Россия, постоянно принимают меры по снижению токсичности выбросов посредством лучшей очистки топлива, замены его на более экологичные источники энергии, снижения токсичных веществ и элементов в добавках к бензину. В настоящее время широкое распространение получают экономичные двигатели с более полным сгоранием горючего, разработка новых технологий очистки выхлопных газов, создание зон с ограниченным движением общественного транспорта и др. Однако, несмотря на все принимаемые меры, экологическая ситуация в стране ухудшается, а загрязнение окружающей среды из года в год растет.

Цель исследований заключается в повышении эффективности сгорания топлива и снижении токсичности отработанных газов за счет использования в камере сгорания двигателя высококонцентрированной озоновоздушной смеси.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ существующих технологий снижения токсичных выбросов при сжигании углеводородного топлива показывает, что, несмотря на достаточно большое количество научно-исследовательских работ по совершенствованию технологий сжигания, в том числе и в автомобилестроении, до сих пор не появились эффективные способы, которые могли бы в корне решить данную проблему [1, 2]

Общеизвестно, что процесс горения бензина в ДВС согласно [3] описывается уравнением:

C m Hn +

n

O m CO   H O +Q

2                 2              2 ,

где m и n – соответственно число атомов углерода и водорода в молекуле;

Q – тепло, выделяемое при сгорании топлива.

Из уравнения (1) следует, что кислород, который участвует при сгорании топлива, разлагает углеводороды на простые соединения и ускоряет реакцию горения. Часть топлива с высокой концентрацией СО и CH соединений, не успевшая сгореть в процессе работы ДВС, выбрасывается вместе с потоком выхлопных газов в атмосферу. Следовательно, чтобы повысить эффективность процесса сгорания и повысить экологичность выхлопных газов, необходимо обеспечить при функционировании ДВС наибольшую полноту сгорания топлива.

Одним из приемов ускорения процесса горения топлива является использование озона [4, 5] при подаче топливной смеси в камеру сгорания ДВС на базе озонаторов. При этом повышается эффективность работы теплового двигателя [6], снижается расход топлива и уменьшается токсичность выхлопных газов [7, 8, 9, 10].

Для подачи в камеру сгорания ДВС обогащенной озоном воздушной смеси нами предлагается следующая технологическая схема (рисунок 1).

1 – воздухозаборник; 2 – воздушный фильтр; 3 – фильтрующая пластина;

4 – генератор озона; 5 – накопитель; 6 – камеры сгорания Рисунок 1 – Схема генерации озона

Из рисунка 1 следует, что воздушные массы из воздухозаборника 1 попадают в воздушный фильтр 2 двигателя и проходят через фильтрующую пластину 3. Поскольку генерация озона, который является аллотропной формой кислорода, зависит не только от забора потока воздушных масс из окружающей среды, но и от качества воздушного потока и количества кислорода, подаваемого в генератор озона 4, то последний необходимо установить после фильтрующей пластины 3 воздушного фильтра 2 двигателя. Это позволит озонировать воздушную смесь с наибольшей концентрацией озона и обеспечивать ее беспрепятственное попадание в камеры сгорания 6 двигателя. В камере сгорания озонированный воздушный поток ускорит окис- ление топлива и приведет к его более полному сгоранию. Следует заметить, что при интенсивной работе двигателя при разгоне, когда резко повышается забор воздуха, необходимо предусмотреть накопитель 5 воздушных масс, который будет выполнять функцию резервного объема и способствовать накоплению генерированного озона необходимой концентрации в воздушной смеси, поступающей в камеры сгорания.

Исходя из технологической схемы обеспечения воздушного потока озоном необходимой концентрации для подачи смеси в камеры сгорания двигателя, была разработана электрическая схема блока питания озонирующего генератора, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2 – Электрическая схема блока питания барьерного генератора озона

Схема блока питания генератора озона представляет собой двухтактный генератор, выполненный по полумостовой схеме. Два плеча моста содержат транзисторы VT1 и VT2, а два других – конденсаторы С2 и С3. В одну из диагоналей подаётся бортовое на- пряжение, выпрямленное диодным мостом, а в другую включена нагрузка. Это первичная обмотка выходного трансформатора. Для управления работой транзисторов в цепь включены обмотки I и II трансформатора обратной связи ТV1. Обмотка III осуществляет обрат- ную связь по току, и через нее подключена первичная обмотка выходного трансформатора. Управляющий трансформатор TV1 намотан на ферритовое кольцо. Обмотки I и II содержат по 3–4 витка, а обмотка обратной связи III всего один виток. Все три обмотки выполнены из проводов в разноцветной пластиковой изоляции для облегчения проведения экспериментов с генератором. На элементах R1, R2, С1, VD5, и VD6 собрана цепь запуска генератора в момент включения всего устройства в сеть. Выпрямленное входным диодным мостом напряжение сети через резистор R1 заряжает конденсатор С1. Когда напряжение на нём превысит порог срабатывания варикапа VD6, последний открывается и на базе транзистора VT2 формируется импульс тока, который запускает преобразователь. Сетевой выпрямитель выполнен на четырёх диодах с предохранителем F1.

На основании технологической и электрической схем был создан генератор озона, который представляет собой электронное устройство (рисунок 3). Оно состоит из высоковольтного блока питания с выходным напряжением 10000 В, генерирующих электродов, барьерной пластины, проводов питания 12 В и броне-проводов.

1 – провода питания 12 вольт; 2 – накопитель; 3 – болтовое крепление элементов генератора;

4 – первый генерирующий электрод; 5 – диэлектрическая пластина – барьер; 6 – второй генерирующий электрод;

7 – радиатор охлаждения барьера; 8 – кожух Рисунок 3 – Барьерный генератор озона

Генерация озона проводилась в барьерном разряде, который происходил между двумя электродами 4 и 6, разделенными диэлектрической пластиной 5, выступающей в качестве барьера. Диэлектрическая пластина 5 была выполнена из кварцевого стекла.

Первый генерирующий электрод 4 с помощью токопроводящего клея был нанесен на диэлектрическую пластину 5 в виде рисунка, напоминающего соты, для увеличения площади генерации. Второй электрод 6 располагали под диэлектрической пластиной.

1 – расход топлива двигателем без генератора озона; 2 – расход топлива двигателем с озонатором Рисунок 4 – Графики зависимостей расхода топлива

При небольших мощностях генератор озона не требует охлаждения, так как выделяющееся небольшое количество тепла выносится с потоком всасываемого через фильтр воздуха. При высокой генерации озона в конструкции генератора предусмотрен дополнительный вентилятор, закрепленный внутри кожуха 8 над зоной генерации для быстрого перемешивания озоновоздушной смеси, и радиатор охлаждения 7, который при значительном выделении тепла выполняет функцию охлаждения электродов и воздушного потока. Все перечисленные выше элементы генератора озона составлены в единый блок и скреплены с помощью болтовых соединений 1.

Для подтверждения эффективности использования озоновоздушной смеси в ДВС и снижения расхода топлива были проведены сравнительные стендовые испытания двигателя с генератором озона и без такового. На рисунке 4 представлены графики расхода топлива на 100 км в зависимости от оборотов двигателя.

Как следует из рисунка 4, эффективность применения озона в воздушной смеси для снижения расхода топлива зависит от частоты вращения коленчатого вала. В период разгона двигателя до 1500 об/мин в камеру сгорания попадает воздушная смесь, имеющая переизбыток озона, количество которого полностью окисляет поступившую порцию топлива, и требуется дополнительный расход горючего материала для протекания реакции горения. В режиме форсажа, при высокой частоте вращения коленчатого вала свыше 2600 об/мин, увеличивается подача воздушного потока в камеры сгорания, а производительность генератора озона остается постоянной, в связи с чем часть топли- ва не полностью сгорает и выбрасывается в атмосферу.

Как видно из графика на рисунке 4, наиболее оптимальным режимом работы двигателя с генератором озона является режим функционирования ДВС в пределах от 1800 об/мин до 2600 об/мин, при котором наблюдается наибольшая экономия топлива до 25%.

Следовательно, для повышения эффективности генерации озона и корректировки производительности генератора было принято решение установить регулятор напряжения, зависящий от частоты вращения коленчатого вала и позволяющий уменьшить энергетические затраты на лишнюю генерацию озона при малой частоте вращения коленчатого вала. Кроме того, чтобы уменьшить сопротивление воздушному потоку, блок питания вынесен из корпуса воздушного фильтра, а генератор озона размещен в воздушном фильтре перед отверстием забора воздуха в камеру сгорания, в форме воронки. При таком размещении генератора озона весь кислород, находящийся в потоке воздуха, преобразуется в озон перед камерой сгорания и не успевает полностью разложиться до момента окисления топливной смеси.

Для экологической оценки эффективности генератора озона были проведены на станции технического сервиса сравнительные замеры концентраций СО и СН с использованием прибора «Газоанализатор» в выхлопных газах двигателя с озонатором, в котором установлен регулятор напряжения, и без генератора озона.

На рисунках 5 и 6 представлены зависимости концентрации СО и СН от частоты вращения коленча-

1 – концентрация СО без озонатора; 2 – концентрация СО с генератором озона Рисунок 5 – График изменения концентрации СО от оборотов коленчатого вала

Анализ графических зависимостей, представленных на рисунках 5 и 6, показывает, что использование барьерного генератора озона для обогащения воздушного потока аллотропной модификацией кислорода способствует эффективному сгоранию топлива. Это приводит к снижению концентрации СО и СН в вы- хлопных газах в среднем на 44%. Следует также отметить, что установка регулятора напряжений для корректировки производительности озонатора обеспечивает постоянное снижение концентрации отработанных газов в любом диапазоне скоростей.

1 – концентрация СН без озонатора; 2 – концентрация СН с генератором озона Рисунок 6 – График изменения концентрации СН от оборотов коленчатого вала

Выводы. Разработанная и представленная технологическая схема регенерации озона для обогащения воздушного потока, поступающего в камеры сгорания ДВС, позволяет собрать и установить в воздушный фильтр двигателя барьерный генератор озона. Использование озонированной воздушной смеси в камерах сгорания двигателя обеспечивает полное сгорание углеводородного топлива. Эффективное сгорание воздушно-топливной смеси позволяет уменьшить расход топлива и снизить уровень выброса вредных веществ в атмосферу. Установка предлагаемого барьерного генератора озона в воздушный фильтр двигателя снижает в среднем расход топлива на 25%, выбросы недогоревших углеводородов СН и угарного газа СО в атмосферу уменьшаются в среднем на 44%, что улучшает экологичность выхлопных газов и повышает функционирование ДВС. Для эффективности генерации озона и корректировки производительности озонатора следует дополнительно установить регулятор напряжения, позволяющий уменьшить энергетические затраты при низких оборотах двигателя.