Результаты экспериментального исследования влияния озоно-воздушной смеси на работу бензинового двигателя внутреннего сгорания

Введение. Агропромышленный комплекс – это мощный мировой потребитель таких продуктов, как бензин и дизельное топливо. На них ежегодно затрачиваются значительные суммы, что отрицательно сказывается на себестоимости как растениеводческой, так и животноводческой продукции. Наблюдаемые негативные экономические эффекты могут быть частично снижены за счет увеличения эффективности сжигания топлива, увеличения получаемой мощности с использованной его единицы. Один из приемов, позволяющих повысить эффективность использования нефтепродуктов, это их озонирование.

Несмотря на то, что автомобиль ГАЗ-52 был разработан в ХХ веке – это настоящая легенда, которая и сегодня эксплуатируется как в сельском хозяйстве, так и в других отраслях экономики. Ввиду удорожания топлива актуальным вопросом является нахождение способов снижения его расхода. Двигатель ГАЗ-52-04 был выбран в качестве базы экспериментальных исследований, поскольку на силовых агрегатах со значительным физическим износом эффект от озонирования более нагляден и очевиден.

Озон, обладая значительным окислительным потенциалом, гипотетически способен повысить эффективность сгорания топлива в ДВС, даже при подаче малых его концентраций в камеру сгорания. У бензиновых двигателей это можно выполнить еще на стадии смешивания паров топлива с воздухом до подачи в камеру внутреннего сгорания.

У дизельных двигателей смешивание паров топлива с воздухом происходит сложнее и непосредственно в камере внутреннего сгорания, при температуре около 90 °С. Если подавать в неё озоновоздушную смесь с малой концентрацией, то за счет самораспада озона эффект будет минимальным. Если подавать в камеру внутреннего сгорания озоно-воздушную смесь с большой концентрацией, то полного самораспада озона не произойдёт, и оставшийся озон будет окислять топливо, повышая эффективность его горения [1, 2, 3, 4].

За счёт предварительного окисления озоном та часть топлива, которая не успевает сгорать в камере сгорания и удаляется с выхлопными газами, успеет сгореть, повысив КПД двигателя и снизив удельный расход топлива [4–6].

Процесс горения бензина в озоновоздушной среде достаточно сложен и в упрощенном виде представляет собой процесс отрыва от сложной молекулы углеводородного топлива, например от изооктана С 8 H 18 , углеводородного радикала СН, упрощение молекулы топлива и повышение скорости и эффективности её сгорания.

Сгорание дизельного топлива происходит аналогичным способом, только процесс горения происходит несколько дольше по сравнению с бензином.

Методика исследований. Экспериментальные исследования выполнялись по ГОСТ 14846–2020 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний (с Поправкой) / ГОСТ от 30 октября 2020 г., в котором регламентируются условия испытаний, требования к испытательным стендам и измерительной аппаратуре, методы и правила испытаний, обработка результатов и объём испытаний.

Экспериментальные исследования проводились на бензиновом карбюраторном двигателе мощностью 75 л.с., силовом агрегате автомобиля ГАЗ-52-04, который долгое время был, а в отдельных случаях остается до сих пор основой автомобильного парка сельскохозяйственных предприятий. При этом контролировались показания таких параметров, как температура двигателя, нагрузка гидротормоза, частота вращения коленчатого вала, и анализировались концентрация подаваемой озоно-воздушной смеси и её влияние на изменение часового расхода топлива [8–12].

По ГОСТ Р 52408–2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Измерения в условиях эксплуатации от 26 декабря 2014 г. оценивалось количество вредных выбросов угарного газа и углеводородного радикала в выхлопных газах испытуемого двигателя при работе с озоно-воздушной смесью с концентрацией озона до 60 мг/м3 и без неё.

Результаты исследований и их обсуждение. Первым экспериментальным исследованием необходимо было проверить изменение показателей часового расхода топлива, оксида углерода и углеводородного радикала при повышении нагрузки на бензиновый двигатель внутреннего сгорания при постоянной концентрации озоно-воздушной смеси, оборотах коленчатого вала и температуре двигателя.

На рисунке 1 приведена экспериментальная установка по исследованию параметров работы карбюраторного бензинового двигателя внутреннего сгорания ГАЗ-52-04: 1 а – без подачи в него озоно-воздушной смеси, 1 б – оснащенная генератором озона производительностью 10 г·ч по озону, установленным между воздушным фильтром автомобиля и карбюратором.

а      a

б     b

а – без использования генератора озона; б – с использованием генератора озона Рисунок 1 – Экспериментальная установка для испытания ДВС а – without using an ozone generator; b – with using an ozone generator Figure 1 – Experimental setup for testing ICE

Установка представляет собой стенд, на котором закреплен испытуемый двигатель, весовой механизм и управление гидротормозом, а также сам гидротормоз, создающий момент нагрузки на валу двигателя.

В таблицах 1 и 2 и на графиках (рисунки 2 и 3) приведены результаты экспериментальных исследований, показывающие, каким образом подача в карбюратор двигателя ОВС с концентрацией озона до 60 мг/м3 влияет на изменение часового расхода топлива, концентрацию СО и СН в выхлопных газах при изменении нагрузки на коленчатом валу испытуемого двигателя.

Таблица 1 – Результаты эксперимента без генератора озона при номинальных оборотах при изменяющейся нагрузке

Table 1 – Results of the experiment without an ozone generator at nominal speed under varying load

Р, кг	n, мин 1	CO, %	СН, млн-1 , %	t o , о C	G , кг/ ч
5	2800	0,52	350	90	7,96
7	2800	0,46	335	90	7,62
10	2800	0,37	308	90	7,13
12	2800	0,39	290	90	8,68
15	2800	0,43	249	90	11,02
20	2800	0,52	223	90	11,53
22	2800	0,66	208	90	12,3
25	2800	0,77	179	90	13,46

Анализ таблиц 1 и 2, а также зависимостей, приведенных на рисунке 2, позволяет сделать вывод, что применение озоно-воздушной смеси уменьшает расход топлива до 13,74% при нагрузке 25 кг и до

22,98% при нагрузке 5 кг по сравнению с режимом без применения генератора озона. При этом усредненное значение снижения расхода топлива составляет 19,4%.

Таблица 2 – Результаты эксперимента с генератором озона при номинальных оборотах при изменяющейся нагрузке

Table 2 – Results of an experiment with an ozone generator at nominal speed with varying load

Рисунок 2 – График зависимости изменения часового расхода топлива при различной нагрузке бензинового двигателя внутреннего сгорания

Р, кг	n, мин 1	CO, %	СН, млн-1 , %	t o , о C	G , кг/ ч
5	2800	0,48	260	90	6,13
7	2800	0,39	238	90	5,81
10	2800	0,25	206	90	5,27
12	2800	0,27	186	90	6,84
15	2800	0,38	156	90	9,19
20	2800	0,48	118	90	9,67
22	2800	0,57	103	90	10,49
25	2800	0,63	82	90	11,61

Figure 2 – Graph of the change in hourly fuel consumption under different loads of a gasoline internal combustion engine

Проанализировав данные таблиц 1 и 2 и зависимости, представленные на рисунке 3, можно сделать следующий вывод.

При использовании генератора озона после фильтра в двигателе внутреннего сгорания концентрация оксида углерода в выхлопных газах снижается на 18,2% при нагрузке 25 кг и на 7,7% при нагрузке 5 кг по сравнению с режимом без применения генератора озона. При этом усредненное значение снижения СО составляет 17,15% в сравнении с обычным режимом работы ДВС.

Рисунок 3 – График зависимости изменения концентрации угарного газа от нагрузки ДВС в обычном режиме и с применением озоно-воздушной смеси

Figure 3 – Graph of the dependence of the change in the concentration of carbon monoxide on the load of the internal combustion engine in normal mode and with the use of an ozone-air mixture

Рисунок 4 – График зависимости изменения концентрации углеводородного радикала в выхлопных газах при изменении нагрузки на валу ДВС

Figure 4 – Graph of the dependence of the change in the concentration of hydrocarbon radical in the exhaust gases with a change in the load on the internal combustion

Анализ данных, представленных на рисунке 4, позволяет сделать вывод, что при подаче озоно-воздушной смеси в ДВС наблюдается уменьшение величины углеводородного радикала в выхлопных газах на 54,2% при нагрузке 25 кг и на

25,7% при нагрузке 5 кг по сравнению с режимом без применения генератора озона. При этом усредненное значение снижения СН составляет 37% в сравнении с обычным режимом работы ДВС.

Вторым экспериментальным исследованием необходимо было проверить изменение показателей часового расхода топлива, оксида углерода и углеводородного радикала при изменении оборотов коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

При этом нагрузка на валу ДВС, его температура и концентрация подаваемой озоно-воздушной смеси должны быть постоянными.

Таблица 3 – Результаты экспериментального исследования работы ДВС без генератора озона при номинальных оборотах и различной нагрузке

Table 3 – Results of an experimental study of the operation of an internal combustion engine without an ozone generator at nominal speed and under varying load

- 1 n , мин	G , кг/ ч	CO, %	СН, млн - 1, %	t о , С
800	2,53	0,19	983	90
1000	3,09	0,22	940	90
1200	3,76	0,22	915	90
1500	4,75	0,22	900	90
1700	5,34	0,23	829	90
2000	6,23	0,24	724	90
2500	7,78	0,45	732	90
2800	8,40	0,65	612	90

Таблица 4 – Результаты экспериментального исследования работы ДВС с генератором озона при номинальных оборотах и различной нагрузке

Table 4 – Results of an experimental study of the operation of an internal combustion engine with an ozone generator at nominal speeds and under varying load

- 1 n, мин	G , кг/ ч	CO, %	СН, млн-1 , %	t о , С
800	1,93	0,18	630	90
1000	2,21	0,20	622	90
1200	2,60	0,20	603	90
1500	3,25	0,21	579	90
1700	3,75	0,21	547	90
2000	4,51	0,24	521	90
2500	6,50	0,38	507	90
2800	6,64	0,43	490	90

Анализ зависимостей, представленных на рисунке 5, позволяет сделать вывод, что при изменении оборотов двигателя также наблюдается снижение часового расхода топлива при подаче озоно-воздушной смеси в карбюратор по сравнению с обычным режимом работы. Причем, чем выше обороты двигателя, тем меньше снижение расхода топлива. Так, например, на 800 оборотах в минуту снижение расхода топлива составляет 23,7%, а на 2800 оборотах в минуту составляет 20,95%. Однако максимальное снижение расхода топлива наблюдается при частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин и составляет 31,6%. Усредненное значение снижения расхода топлива по данным таблиц 3 и 4 составляет 26,2%.

Рисунок 5 – График зависимости изменения часового расхода топлива от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя

Figure 5 – Graph of the dependence of the change in hourly fuel consumption on the change in the engine crankshaft speed

Рисунок 6 – График зависимости изменения концентрации угарного газа в выхлопных газах от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя

Figure 6 – Graph of the dependence of the change in the concentration of carbon monoxide in the exhaust gases on the change in the speed of the engine crankshaft

Рисунок 7 – График зависимости изменения концентрации углеводородного радикала в выхлопных газах от изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя

Figure 7 – Graph of the dependence of the change in the concentration of hydrocarbon radical in the exhaust gases on the change in the engine crankshaft speed

Анализ графика, представленного на рисунке 6, позволяет сделать вывод, что при увеличении оборотов двигателя также наблюдается увеличение концентрации СО в выхлопных газах. Причем, чем выше обороты двигателя, тем значительно больше концентрация угарного газа, которая возрастает по экспоненте. А применение ОВС дополнительно снижает эту концентрацию. Так, например, на 800 оборотах в минуту снижение концентрации СО составляет 5,3%, а на 2800 оборотах в минуту составляет максимальное снижение на 33,8%. Анализ этих зависимостей также позволяет сделать вывод, что если оборотов двигателя в минуту будет больше 2800, то динамика снижения концентрации угарного газа будет также увеличиваться. Усредненное значение снижения концентрации угарного газа по данным таблиц 3 и 4 составляет 10,8%.

Анализ данных, представленных на рисунке 7, позволяет сделать вывод, что при увеличении оборотов двигателя наблюдается снижение концентрации СН в выхлопных газах. И при подаче озоно-воздуш-ной смеси в ДВС также наблюдается уменьшение величины углеводородного радикала. Причем при 800 об/мин снижение составило 35,9%, а при 2800 об/мин снижение составило 19,93%. При этом усредненное значение снижения СН составляет 31,5% в сравнении с обычным режимом работы ДВС и изменением оборотов.

Выводы. На основании проведенных экспериментальных исследований по влиянию озоно-воздушной смеси на карбюраторный двигатель внутреннего сгорания было определено, что введение в топливо-воз-душную смесь озона в концентрации

60 мг/м3 положительно влияет на снижение часового расхода топлива, и в режиме постоянных оборотов и изменения нагрузки усредненное значение снижения расхода топлива достигает 19,4%, а в режиме постоянной нагрузки и изменения оборотов достигает 26,2%. Аналогичные изменения наблюдаются и с вредными выбросами в атмосферу угарного газа и углеводородного радикала. Причем усредненное снижение угарного газа при изменении нагрузки составляет 17,15%, а при изменении частоты вращения коленчатого вала 10,8%. А усредненное снижение углеводородного радикала при изменении нагрузки составляет 37%, а при изменении частоты вращения коленчатого вала 31,5%. Соответственно эффективность сгорания топлива повышается.