Результаты экспериментального исследования влияния озоновоздушной смеси на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания

Автор: Таранов Михаил Алексеевич, Гуляев Павел Владимирович, Попов Максим Юрьевич

Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science

Рубрика: Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование

Статья в выпуске: 4-1 (44), 2018 года.

Бесплатный доступ

Рассмотрен способ повышения эффективности работы дизельного двигателя за счет подачи в камеру внутреннего сгорания озоновоздушной смеси (ОВС) определённой концентрации; приведены методика проведения и результаты проведённых экспериментальных исследований; выполнен сравнительный анализ эффективности работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с ОВС и без нее. Целью исследования являлось определение влияния озоновоздушной смеси различной концентрации, подаваемой в камеру внутреннего сгорания, на работу дизельного ДВС. Определение зависимостей изменения нагрузочных характеристик и изменения часового расхода топлива ДВС от концентрации подаваемой озоновоздушной смеси. Гипотетически предполагалось, что ОВС, подаваемая в камеру сгорания дизельного ДВС, приведет к увеличению мощности двигателя, крутящего момента коленчатого вала и снижению часового расхода топлива. В процессе проведения эксперимента определено количественное изменение этих параметров. Испытания ДВС проводились согласно требованиям ГОСТ 14846-81...

Еще

Двигатель внутреннего сгорания, экономия топлива, озоновоздушная смесь, окисление топлива, дизельный двигатель, озон, расход топлива, часовой расход, гидротормоз, частота вращения, нагрузочная характеристика

Короткий адрес: https://sciup.org/140243630

IDR: 140243630

Текст научной статьи Результаты экспериментального исследования влияния озоновоздушной смеси на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания

Введение. Озон, являясь сильным окислителем, гипотетически способен улучшить процесс сгорания топлива, даже при подаче малых концентраций озона в зону горения [1]. У бензиновых двигателей это происходит еще на стадии смешивания паров топлива с воздухом до подачи в камеру внутреннего сгорания [1].

У дизельных двигателей смешивание паров топлива с воздухом происходит непосредственно в камере внутреннего сгорания, при температуре 70 °C. Если подавать в неё ОВС с малой концентрацией, то за счет самораспада озона эффект будет минимальным. Если подавать в камеру внутреннего сгорания ОВС с большой концентрацией, то полного самораспада озона не произойдёт, и оставшийся озон будет окислять топливо, повышая эффективность его горения.

За счет предварительного окисления та часть топлива, которая обычно не успевает сгорать в камере и уходит с выхлопными газами, успеет сгореть, повысив КПД двигателя и снизив удельный расход топлива. Процесс горения бензина в озоновоздушной среде достаточно полно описан в [1]. Сгорание дизельного топлива происходит аналогичным способом, только процесс горения происходит немного дольше по сравнению с бензином. Для примера отметим, что химическая формула основной составляющей бензина изооктана CsHi8, а химическая формула основной составляющей дизельного топлива гептодекана С17Н36.

Как видно по формуле, в процессе горения молекула гептодекана горит дольше, чем изооктана. Сам процесс воспламенения топлива в дизельных двигателях отличается от бензиновых. Для сравнительной оценки эффективности сгорания дизельного топлива с ОВС и без неё были проведены стендовые испытания двигателя.

1 - дизельный двигатель Д-240 (МТЗ-80 трактор); 2 - барьерный генератор озона производительностью 20 гч; 3 - пульт управления генератором озона; 4 - весы и управление гидротормозом; 5 - лопасти гидротормоза Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки с обкаточным стендом двигателя Д-240

Результаты исследований и их обсуждение. Испытания ДВС проводились согласно требованиям ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний», в котором регламентируются условия испытаний, требования к испытательным стендам и измерительной аппаратуре, методы и правила испытаний, обработка результатов и объём испытаний.

Испытания двигателей и снятие характеристик проводились на специальной установке - тормозном стенде с установленным на него ДВС Д-240, показанном на рисунке 1.

При проведении испытаний и снятии характеристик определялся ряд параметров. Наименование параметров и их обозначения, предел основной абсолютной погрешности средств измерений и рекомендуемые средства измерений приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, часовой расход топлива Ст определялся нестандартными средствами измерений. Часовой расход топлива испытуемым двигателем производится путем измерения времени расхода заданной для опыта порции топлива. Расход топлива за опыт определялся весовым способом.

Таблица 1 - Рекомендуемые средства измерения и их параметры при проведении экспериментальных исследований

Наименование параметров	Обозначение параметра	Предел основной погрешности средств измерений	Рекомендуемые средства измерений
Крутящий момент, Н м	м_к	±1%	Тензометрические и динамометрические силоизмерительные устройства для измерения крутящего момента -по ГОСТ 15077-78
Частота вращения коленчатого вала (далее - частота вращения), об/мин	п	±0,5%	Электронные тахометры типа ТЭСА по ТУ25-04.3663-78 ГОСТ 18303-72
Расход топлива, кг/ч	G_T	±0,5%	Нестандартные средства измерения
Расход воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, м³/ч	Qb	±0,02Q_HOM	Объёмные расходомеры и счетчики газов типа РГ, тургас, ЛДР по ГОСТ 14012-76, ГОСТ 12671-81
Расход картерных газов, м³/с	Q_K3	±0,05Q_re ном	Объёмные расходомеры и счетчики газов по ГОСТ 14012-76, ГОСТ 12671-81
Атмосферное давление, кПа	^окр	±0,1%	Барометры, анероиды и измерительные преобразователи давления по ГОСТ 22520-85
Давление масла в главной масляной магистрали, кПа	Рог	±0,3%	Манометры, моновакууметры по ГОСТ 2405-80

Он заключается в том, что мерный сосуд устанавливается на весах, где производится замер времени, в течение которого расходуется определенная навеска топлива.

А часовой расход топлива определяется по формуле

G_r = ^ • 3,6, кг/ч, (1) где ДС_0П - масса топлива, израсходованного за опыт, г;

т - время расхода ДС on, с.

Поскольку экспериментальные исследования проводились на дизельном двигателе Д-240 (силовом агрегате трактора МТЗ-80), то необходимо рассмотреть его основные технические характеристики.

Технические характеристики двигателя Д-240: мощность - N - 55,2 кВт; степень сжатия - Е-16, диаметр цилиндров и поршня Дх8 -110x125 мм; рабочий объём двигателя - Vh - 4,75 л; потребление топлива -q - 229 г/кВт/ч; число цилиндров - 4Р, тип двигателя -Д-240.

Приборы и оборудование гидравлического обкаточного стенда: тахометр часовой ТЧ-10, секундомер - ПВ 53-щ, весы лабораторные. Масса-К ВК-3000 (повышенной точности), комплект гидротормоза КИ-485628.

Порядок проведения наладки оборудования стенда состоит в процессе запуска дизельного двигателя, прогреве, установке нагрузки гидротормозом, корректировке частоты вращения коленчатого вала, замере расхода 50 граммов дизельного топлива.

Будут сняты показания таких параметров, как температура двигателя, нагрузка гидротормоза, частота вращения.

Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований по определению изменения часового расхода топлива при работе с ОВС и без нее

№ опыта	п, об/мин	М, Н-м	т, расх	ДС on • гр	О₃, мг/м³	т,°с	G_T, кг/ч
1	2200	32,5	13,6	50	0	60	13,24
1	2200	32,5	13,8	50	30	60	13,04
2	2200	32,5	13,4	50	0	85	13,43
2	2200	32,5	13,8	50	30	85	13,04
3	2200	32,0	13,4	50	0	90	13,43
3	2200	32,0	14,0	50	30	90	12,86
4	1800	36,0	14,2	50	0	85	12,68
4	1800	36,0	14,8	50	30	85	12,16
5	1800	35,5	14,8	50	0	95	12,16
5	1800	35,5	15,4	50	30	95	11,69
6	1800	35,5	14,8	50	0	97	12,16
6	1800	35,5	15,3	50	30	97	11,76

Изменение часового расхода топлива с использованием ОВС

■ Gt ,кг/ч (обычный режим) ■ Gt ,кг/ч

(режим с ОВС)

Рисунок 2 - Динамика изменения часового расхода топлива с использованием ОВС с концентрацией 30 мг/м3

После настройки установившихся параметров работы дизельного двигателя производится замер времени расхода 50 граммов топлива. Обрабатываются снятые параметры нагрузки и времени расхода топлива. Включение генератора озона производилось в ручном режиме сразу после обработки данных. Через 60 секунд подачи озона в воздушный фильтр двигателя опыт повторяется с установившимися параметрами.

В результате экспериментальных исследований по влиянию ОВС на экономию топлива было определено, что при концентрации всего лишь 30 мг/м3 проис ходит изменение в часовом расходе топлива, результаты этого изменения показаны в таблице 2.

Анализ графика позволяет сделать вывод, что наибольшая экономия топлива в опытах 3 и 4, которым соответствует повышенная частота вращения двигателя (3-й опыт) и повышенный момент сопротивления на валу двигателя (4-й опыт).

В таблице 3 представлены результаты экспериментальных исследований по изменению экономии часового расхода топлива от величины концентрации ОВС, подаваемой в дизельный двигатель.

Таблица 3 - Сводная таблица результатов экспериментальных исследований

№ опыта	л, об/мин	М, Нм	т, расх	AG, оптр	Оз, мг/м³	Т, °C	Gt, кг/ч
1	2200	33,5	13,9	50	0	60	12,95
	2200	33,5	14,2	50	20	60	12,68
	2200	33	13,9	50	0	70	12,95
	2200	33	14,2	50	20	70	12,68
2	2200	29	14,1	50	0	70	12,77
	2200	29	14,5	50	40	70	12,41
	2200	33,5	13,9	50	0	80	12,95
	2200	33,5	14,3	50	40	80	12,59
3	2200	35,5	14,1	50	0	85	12,77
	2200	35,5	14,6	50	60	85	12,33
	2200	34,5	13,9	50	0	90	12,95
	2200	34,5	14,3	50	60	90	12,59
4	2200	32,5	13,5	50	0	85	13,33
	2200	32,0	13,8	50	90	85	13,04
	2200	32,0	13,4	50	0	90	13,43
	2200	32,0	14,0	50	90	90	12,86
5	2200	35,5	14,8	50	0	95	12,16
	2200	35,5	15,3	50	120	95	11,76
	2200	35,5	14,8	50	0	97	12,16
	2200	35,5	15,3	50	120	97	11,76

Зависимость между экономией топлива и концентрацией ОВС с достоверностью 98,4% описывается уравнением ^Gt = 4Е — 06х² — 0,0012х² + 0,1094х + 0,1278.

Выводы. Проведенные экспериментальные исследования по влиянию ОВС на работу дизельного ДВС (Д-240) подтвердили теоретические предположения о том, что подача в камеру сгорания озоновоздушной смеси определенной концентрации может привести к предварительному окислению дизельного топлива, изменению его химического состава и соответственно к увеличению скорости и улучшению качества сгорания топлива и, как следствие, - его экономии при сохранении мощностных показателей двигателя.

При проведении экспериментальных исследований на дизельном ДВС определено, что подача ОВС в камеру сгорания с концентрацией ниже 30 мг/м3 не приводит к значительным положительным эффектам и экономии топлива практически не наблюдается. При подаче ОВС с концентрацией от 30 мг/м3 до 40 мг/м3, часовой расход топлива уменьшается на 2,2-2,7%, увеличение концентрации ОВС до 60 мг/м3 приводит к экономии топлива до 3,3%, а дальнейшее увеличение концентрации ОВС нецелесообразно, поскольку энергетические затраты на производство озона возрастают, а дальнейшего увеличения экономии топлива не происходит.

Список литературы Результаты экспериментального исследования влияния озоновоздушной смеси на работу дизельного двигателя внутреннего сгорания

Гуляев, П.В. Повышение эффективности сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания за счёт подачи в камеру сгорания озоновоздушной смеси/П.В. Гуляев, М.Ю. Попов//Молодая наука аграрного Дона: традиции, опыт, инновации. -Зерноград, 2018. -С. 5-8.
Данильченко, В.И. Разработка адаптивной системы озонирования воздуха для двигателя внутреннего сгорания/В.И. Данильченко, Н.К. Полуянович//Проблемы современной системотехники: сборник научных статей. -Таганрог, 2017. -С. 111-115.
Нагорский, Л.А. Испытание и характеристики автомобильных и тракторных двигателей: лабораторный практикум/Л.А. Нагорский. -Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008. -100 с.
ГОСТ Р 52160-2003. Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от зажигания. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния. -М.: Издательство стандартов, 2003. -6 с.
ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. -М.: Издательство стандартов,1981. -32 с.
Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1: Теория рабочих процессов: учебное пособие/В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; под. ред. В.Н. Луканина. -М.: Высшая школа, 1995. -368 с.
Проектирование адаптивной системы озонирования воздуха для двигателей внутреннего сгорания/А.Н. Притула, А.Л. Береснев, Н.К. Полуянович, М.А. Соловьев//Молодой ученый. -2013. -№ 1. -С. 14-17.
Регулируемое балластное сопротивление для двигателей с фазным ротором в обкаточных стендах/П.В. Гуляев, Д.М. Таранов, А.В. Лыткин, С.С. Белоконова//Научный журнал КубГАУ. -2015. -№ 113 (09).
Озонатор компрессорного типа/П.В. Гуляев, И.Н. Озеров, Т.В. Гуляева, П.С. Дерипаскин//Научный журнал КубГАУ. -2016. -№ 119 (05). -С. 12-16.
Гуляев, П.В. Разработка генератора озона для повышения эффективности сгорания топлива двигателей внутреннего сгорания/П.В. Гуляев, К.К. Пупенко//VII Международный молодежный форум «Образование, наука, производство». -Белгород, 2016. -С. 5.
Гуляев, П.В. Окислительный фильтр очистки ядовитых устойчивых летучих соединений/П.В. Гуляев//Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов. -Зерноград, 2007. -Т. 1. -Вып. 6. -С. 60-62.
Пат. на полезную модель 125404 РФ, МПК Н02Н 3/00. Устройство защиты озонаторов от аварийных режимов/Таранов М.М., Головинов В.В., Гуляев П.В., Максаев И.Н., Озеров И.Н., Спирин Р.А., Добровольская О.С.; патентообладатель ФГБОУ ВПО АЧГАА. -№ 20120126913/07; заявл. 27.06.2012; опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6.

Еще

Статья научная