Улучшение экологических показателей автомобилей воздействием магнитных полей на топливовоздушную смесь

Введение. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов (ОГ). Одним из актуальных, но недостаточно хорошо изученных путей улучшения экологических показателей автомобильных двигателей ученые из России, США, Франции, Германии, Японии считают обработку топлива и впускного воздуха с помощью электрических, магнитных или электромагнитных полей [1–4].

Практическое применение идеи магнитной обработки топлива впервые нашли в Германии во время Второй мировой войны. Вначале такую обработку использовали на самолетах Мессершмит, чтобы сделать менее видимыми их выхлопные газы для зенитной артиллерии. Уже тогда было установлено, что при магнитной обработке топлива мощность двигателей возрастала при сохранении расхода топлива. В конце войны в качестве трофея изобретение попало в США, где в 70-х годах использовалось в военной и гражданской авиации для экономии топлива и снижения экологического ущерба окружающей среде. В конце 80-х годов прошлого столетия автомобилисты начали делать попытки по использованию магнитной обработки топлива в виде магнитных активаторов на постоянных магнитах, вставляемых в разрезанный топливопровод [5–7].

Предложенные различными авторами методы основаны на таком явлении физики, как внутреннее изменение структуры веществ, помещенных в магнитное поле. Такое явление может способствовать дроблению сложных молекул углеводородного топлива на более простые мелкие частицы на молекулярном или атомном уровне [8].

Считается, что процесс образования горючей смеси разделяется на два этапа: первый (несомненно, главный) связан с дозированием топлива, а именно с установлением количественных отношений «воздух – топливо», второй этап – это получение однородной (гомогенной) смеси [9]. Степень гомогенизации очень сложно определить путем непосредственного наблюдения или измерения, но можно применять косвенную оценку в виде экологических показателей и возможности их корректировки.

Полнота испарения топлива зависит от скорости его испарения и условий образования гомогенной смеси. Известно, что на скорость испарения жидкости существенное влияние оказывают магнитные поля. Эффект больше зависит от градиента магнитной индукции dB / dT , чем от ее величины B [1]. Применив эту теорию к процессу смесеобразования в бензиновых двигателях, можно предположить, что однородность получаемой топливовоздушной смеси увеличится. Это в свою очередь должно привести к снижению концентрации в отработавших газах таких компонентов, как СО, НС, и, самое главное, NO x [10, 11].

В работе была поставлена задача экспериментально доказать возможность снижения образования токсичных компонентов воздействием магнитных потоков постоянных магнитов, установленных в различном сочетании [7, 8] на каналы, подводящие в камеру сгорания топливо и воздух.

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились непосредственно на легковом автомобиле класса М1 (ВАЗ 21213 «Нива») с бензиновым карбюраторным двигателем внешнего смесеобразования. Измерения токсичных компонентов отработавших газов проводились с помощью газоанализатора «АВТОТЕСТ-02.03 П» первого класса точности в режиме холостого хода, низкой частоты вращения коленчатого вала двигателя 700 мин^–1 и повышенной частоты вращения 3000 мин^–1, соответствующей режиму разгона при начале движения.

Постоянные магниты напряженностью 0,28–0,33 Тл были установлены на неметаллических элементах топливопровода полюсом « S » и на впускной патрубок воздушного фильтра полюсом « N », как показано на рис. 1 и 2. Силовые линии магнитного поля проходят сквозь топливо и воздух в перпендикулярной плоскости относительно направления потока [7, 13, 14].

В процессе исследований постоянные магниты устанавливались в различных сочетаниях: N – базовый вариант (без магнитов); A – по одному круглому магниту на топливопровод и на воздушный коллектор; B – по два круглых магнита на топливопровод и воздушный коллектор со смещением 180° в шахматном порядке; C – по три круглых магнита стопкой друг на друга на топливопровод и воздушный коллектор; D – по два призматических магнита на топливопровод и воздушный коллектор со смещением 180° в шахматном порядке (рис. 1 и 2); E – три круглых магнита стопкой друг на друга на воздушный коллектор и три круглых магнита вдоль топливопровода со смещением 120° в шахматном порядке; F – четыре призматических магнита на воздушный коллектор со смещением 90° и два призматических магнита на топливопровод со смещением 180° в шахматном порядке.

Рис. 1. Место монтажа магнитов на топливопроводе: 1 – топливопровод; 2 и 3 – призматические магниты

Рис. 2. Место монтажа магнитов на воздухопроводе: 1 – воздухопровод; 2 и 3 – призматические магниты

Указанные варианты обеспечили возможность исследования различных концентраций и интенсивностей магнитных полей. Результаты приведены в табл. 1 и 2. В таблицах Δ – процентное снижение токсичных компонентов ОГ; Ф – магнитный поток, воздействующий на воздух или топливо, Вб; K – коэффициент соотношения магнитных потоков. Эти параметры опре- делялись как

Рм - P

∆= ^{P N P i} ⋅ 100 %,

PN где PN и Pi – показатели токсичности базового и исследуемого вариантов в соответствующих единицах измерения: СО – %; НС – ppm; NOx – ppm.

Ф = m ⋅ B ⋅ S , (2) где m – количество точек установки магнитов; B – магнитная индукция соответствующего магнита, Тл; S – площадь сечения потока жидкости или воздуха, на которую воздействует магнитный поток, см²;

Ф .

.

_{K =} air

Фг 7 fuel

Таблица 1

Снижение токсичных компонентов ОГ при воздействии различных магнитных потоков на воздух и топливо на режиме 700 мин–1

Компонент ОГ	Вариант размещения магнитов
	A	B	C	D	E	F
ΔCO, %	8,8	21,8	11,2	41,3	37,8	38,9
ΔHC, %	13,1	13,2	7,6	12,6	19,7	29,2
ΔNO x , %	23,9	26,4	30,2	35,4	37,5	46,8
Ф air , × 10–4, Вб	3,7	7,4	5,0	6,6	5,0	13,2
Ф fuel , × 10–4, Вб	0,8	1,6	1,1	2,3	2,4	2,3
K	4,62	4,62	4,5	2,86	2,2	5,74

Таблица 2

Снижение токсичных компонентов ОГ при воздействии различных магнитных потоков на воздух и топливо на режиме 3000 мин–1

Компонент ОГ	Вариант размещения магнитов
	A	B	C	D	E	F
ΔCO, %	0,2	19,2	24,6	18,7	36,2	22
ΔHC, %	12	23,9	21,5	17,2	27,9	17,5
ΔNO x , %	9,95	11,5	14,9	13,9	6,04	16,7
Ф air , × 10–4, Вб	3,7	7,4	5,0	6,6	5,0	13,2
Ф fuel , × 10–4, Вб	0,8	1,6	1,1	2,3	2,3	2,3
K	4,62	4,62	4,5	2,86	2,2	5,74

На рис. 3 и 4 те же результаты представлены в графической форме.

Из представленных результатов видно, что все исследованные варианты воздействия магнитного потока на топливо и воздух обеспечивают снижение токсичных компонентов СО, НС и NO_x, но в разной степени из-за различной интенсивности используемых магнитных потоков. Так, на режиме холостого хода 700 мин^–1 наименьшее снижение имеют углеводороды, большее – оксиды углерода и наибольшее в большинстве вариантов – окислы азота (варианты А , В , С , F ). Наибольшее снижение всех трех токсичных компонентов получено у варианта F , имеющего большой магнитный поток через воздухопровод и большой коэффициент K . На режиме 3000 мин^–1 наименьшее снижение произошло по токсичному компоненту NO_x, и более высокие и соизмеримые значения имеют НС и СО, но и в этом случае вариант F является наилучшим по снижению всех трех компонентов.

Рис. 3. Снижение токсичных компонентов на режиме 700 min–1

Рис. 4. Снижение токсичных компонентов на режиме 3000 min–1

В табл. 3 представлены полученные результаты по токсичным компонентам СО, НС и NO_x, нетоксичным компонентам СО 2 , конденсату паров Н 2 О, а также коэффициенту избытка воздуха λ и температуре отработавших газов ( T_ex ) для режима 700 мин^–1 базового варианта и вариантов с магнитным воздействием, показавших лучшие результаты по компоненту NO x .

Таблица 3

Токсичные и нетоксичные компоненты ОГ при воздействии различных магнитных потоков на воздух и топливо на режиме холостого хода

Компонент ОГ	Вариант размещения магнитов
	N	B	D	E	F
CO, %	2,93	2,29	1,72	1,82	1,79
HC, ppm	552	479	482	443	401
NO x , ppm	96	71,8	62	60	51
CO 2 , %	13,6	13,7	14	13,5	13,8
H 2 O, г/мин	0,55	0,60	0,70	0,75	0,68
T ex , °С	157,1	159,6	160,8	158,7	159,5
Ф air ×10–4, Вб	–	7,4	6,6	5,0	13,2
Ф fuel ×10–4, Вб	–	1,6	2,3	2,3	2,3
λ	0,937	0,978	0,970	0,966	0,991

Из представленных вариантов видно, что при увеличении магнитного воздействия снижение токсичных компонентов сопровождается некоторым повышением образования СО2 (от 0,1 до 0,4 %), Н2О (от 0,05 до 0,2 г/мин), незначительным повышением Tex (до 1,5-3 °С), увеличением X в сторону стехиометрического сгорания.

Обсуждение результатов. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают предположительное теоретическое обоснование [15, 16] воздействия магнитных полей на топливовоздушную смесь.

Увеличенное образование СО2 и Н2О в свободном состоянии может свидетельствовать, с одной стороны, об улучшении полноты сгорания наряду с незначительным увеличением температуры Tex и X, а с другой стороны, по аналогии с процессом рециркуляции можно предположить, что повышенное образование СО2 и Н2О может способствовать уменьшению количества NOx, так как эти компоненты могут вести себя как инертные газы и при более высокой теплоемкости смеси других инертных газов с СО2 и Н2О не способствовать повышению температуры в цилиндре двигателя [17–19]. Снижение СО и НС при этом можно объяснить увеличением полно- ты сгорания.

Для определения функциональных зависимостей экологических параметров исследуемого двигателя на языке программирования FORTRAN была разработана программа аппроксимации экспериментальных данных с помощью полиномиальных зависимостей с использованием метода наименьших квадратов. С ее помощью были получены полиномиальные функции, описывающие влияние магнитных потоков на токсичные компоненты отработавших газов [20]:

C CO =- 1,93 X 1 + 0,06 X ₂ + 0,01 X 3 + 20,86 X ₄ + 0,032 X 12 0,013 X ₂ ² +

+7,041-10-7 X32 - 20,7X42 - 0,04X1X2 + 4,78 -10-5 X1 X3 +

+ 1,94 X 1 X ₄ + 7 - 10 ^{- 7} X ₂ X 3 - 0,15 X ₂ X ₄ - 0,01 X ₃ X ₄,

C HC =- 438 X 1 + 233 X ₂ + 0,2 X ₃ - 2151 X ₄ + 3,752 X 1 ² + 0,679 X ₂ ² -

-2,495 -10-6 X32 + 2752X42 - 3,24X1X2 + 0,00 1 95X1X3 +

+ 475 X 1 X ₄ - 0,003 X ₂ X ₃ - 254 X ₂ X ₄ - 0,22 X ₃ X ₄ ,

C NO =- 40,2 X 1 - 2,35 X ₂ + 0,12 X ₃ + 251,7 X ₄ + 2,572 X 1 ² - 0,09 X ₂ ² +

+1,02 -10-5 X32 -188X42 + 0,097X1X2 + 0,00 1 9X1X3 +

+25,54X1X4 - 2 -10-4 X2X3 + 2,2X2X4 - 0,14X3X4, где X1 , X2 , X3 , X4 – соответствующие значения параметров заданных уравнениями (1)–(3).

Чтобы определить оптимальные соотношения магнитных потоков воздействующих на воздух и топливо уравнения (4)–(6) были продифференцированы. Были получены выражения для топлива (7)–(9), для воздуха (10)–(12):

^CC^ = -1,93 + 0,0064X - 0,013X2 - 0,04X + 4,78 -10-5 X +1,94X, (7) дФ fuel dC^

--HC =- 43 8 + 7,5 X - 3,24 X + 0,00195 X + 475 X , 12  34

fuel

—NO- = - 40,2 + 5,14 X + 0,097 X + 0,0019 X + 25,54 X ₄,

5 Ф fuel

^ C CO = 0,06 + 0,026 X ₂ - 0,032 X 2 - 0,04 X + 7 - 10 ^{- 7} X ₃ - 0,15 X ₄, ^{д Ф} air

—HC = 233 + 1,358 X ₂ - 3,24 X - 0,003 X ₃ - 254 X ₄, 21  34

air

—NO = - 2,35 - 0,18 X ₂ + 0,097 X - 2 - 10 ^{- 4} X ₃ - 2,92 X ₄.

21  34

air

Адекватность полученных уравнений была подтверждена с помощью критерия Фишера с вероятностью совпадения результатов расчета и эксперимента не менее чем в 95 % случаев. Уравнения позволяют оценить влияние каждого из рассматриваемых факторов и их взаимодействий на параметры токсичности.

Для оценки общего токсического воздействия ОГ на здоровье человека был введен параметр суммарной токсичности, приведенной к параметрам токсичности серийного двигателя. Так как различные компоненты по разному действуют на организм человека, каждому компоненту был присвоен коэффициент, который уравнивает воздействие оцениваемого компонента с монооксидом углерода [15]. Углеводородам НС присвоен коэффициент 3,16, а оксидам азота NO x – коэффициент 41,1. В результате, после определения показателей относительной суммарной токсичности установлено, что наибольшее влияние на улучшение экологических показателей оказывает вариант установки магнитов F . Данные расчетов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Суммарная токсичность

Режим	Вариант размещения магнитов
	В	D	E	F
700 мин–1	45,26	43,91	35,42	26,97
3000 мин–1	45,26	40,70	36,04	38,11

Заключение. В результате проведенных экспериментальных исследований получены следующие результаты:

• 1)    одновременное воздействие разноименными полюсами постоянного магнитного поля на топливо и воздух бензинового двигателя одновременно снижает содержание трех токсичных компонентов СО, НС и NO x в отработавших газах двигателя;

• 2)    с помощью математической обработки экспериментальных данных установлен характер изменения содержания токсичных компонентов ОГ (СО, НС, NO x ) от конфигурации, интенсивности магнитных потоков, воздействующих на топливо и воздух и частоты вращения коленчатого вала;

• 3)    создана методика для выработки практических рекомендаций по использованию разнополюсных постоянных магнитов для улучшения экологических показателей автомобиля, позволяющая рассчитать конфигурацию, интенсивность и оптимальное расположение магнитных потоков в системе питания автомобиля категории М1 с бензиновым карбюраторным двигателем внешнего смесеобразования.