Влияние магнитного потока на экологические показатели ДВС
Автор: Морозова Вера Сергеевна, Гун Валентина Сергеевна, Поляцко Владимир Леонидович
Рубрика: Контроль и испытания
Статья в выпуске: 33 (292), 2012 года.
Бесплатный доступ
Экспериментальные исследования влияния магнитных полей на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания показали улучшение топливной экономичности и снижение содержания токсичных компонентов в отработавших газах. Рассмотрены перспективы дальнейшего снижения токсичных компонентов путем интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания магнитным полем, приведены результаты ходовых испытаний автомобиля ВАЗ-21213 «Нива» в условиях городского цикла движения.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания, отработавшие газы, токсичные компоненты отработавших газов, полнота сгорания, экологичность автомобилей, внешнее смесеобразование, магнитное поле
Короткий адрес: https://sciup.org/147151581
IDR: 147151581
Текст научной статьи Влияние магнитного потока на экологические показатели ДВС
Известно, что в двигателях с принудительным воспламенением для снижения концентрации СО, СН, а главное – NO x необходимо увеличить дисперсность распыливания топлива и его испаряемость для обеспечения однородной смеси надлежащего состава на всех режимах, включая неустановившиеся и принудительный холостой ход [1]. Для решения этой сложной технической задачи авторами предлагается усовершенствовать процесс смесеобразования.
Авторами был запатентован [2] способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания и проведено несколько серий экспериментов на двигателях с внешним смесеобразованием, с карбюратором и впрыскиванием бензина во впускной трубопровод, а также на дизеле. Была разработана методика проведения экспериментов, в результате чего постоянные магниты устанавливались на неметаллических частях снаружи топливного и воздушного трубопроводов одним полюсом к линии низкого давления топливоподачи, а другим – к подаче воздуха в камеру смесеобразования и сгорания.
На начальной стадии экспериментов магниты напряженностью 0,08–0,120 Тл устанавливались на неметаллические элементы топливозаборника топливного бака автомобиля ВАЗ 21213 «Нива». Замеры токсичности отработавших газов (ОГ) проводились пятикомпонентным газоанализатором «АВТОТЕСТ 02.03П» первого класса точности, российского производства, на режимах холостого хода, минимальной и повышенной частоты коленчатого вала двигателя (700, 3000 мин–1 соответственно). Замеры токсичности проводились в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52033–2003. Полученные результаты представлены в табл. 1, где видно, что происхо- дит одновременное снижение концентрации всех токсичных компонентов ОГ (NOx, CO и CHx), а также увеличение коэффициента избытка воздуха λ с приближением его значения к стехиометрическому.
В процессе проведения исследований было также установлено, что при одновременном воздействии магнитным полем противоположных полюсов на топливо и воздух происходит некоторое повышение в отработавших газах двуокиси углерода СО 2 , паров воды Н 2 О (часто забивается водой трубопровод, подводящий ОГ к замеряющему устройству) и снижение кислорода О 2 . Можно предположить, что ход реакций может идти в таком направлении:
2CO + O2 ^ CO2,(1)
CH4 + 2CO2 ^ 2H2O + CO2,(2)
NO2 + O ^ NO + O2,(3)
2NO + 2CO ^ N2 + 2CO2 .(4)
Таблица 1
Значение выходных компонентов ОГ двигателя с карбюраторным смесеобразованием
|
Название компонента ОГ |
Частота вращения коленчатого вала, мин–1 |
Серийная система |
Система с магнитами |
Процентное изменение компонентов |
|
СО, % |
700 |
4,88 |
2,16 |
–55,74 |
|
3000 |
6,72 |
5,60 |
–16,70 |
|
|
СН, ppm |
700 |
1354 |
447 |
–66,99 |
|
3000 |
550 |
439 |
–20,18 |
|
|
NO х , ppm |
700 |
111 |
62 |
–44,14 |
|
3000 |
205 |
181 |
–11,70 |
|
|
СO 2 , % |
700 |
12,70 |
14,20 |
+11,81 |
|
3000 |
12,00 |
12,90 |
+7,50 |
|
|
Коэффициент избытка воздуха (λ) |
700 |
0,889 |
0,982 |
+9,30 |
|
3000 |
0,850 |
0,878 |
+2,80 |
По данным, приведенным в исследованиях других авторов, основными компонентами продуктов сгорания являются следующие нетоксичные и токсичные продукты: СО 2 , Н 2 О, Н 2 , О 2 , N 2 , N, Н, О, О 3 , ОН, NО, NО 2 [3]. Наиболее массовыми компонентами из них являются азот (N, N 2 ), диоксид углерода (СО 2 ), пары воды (Н 2 О) и избыточный кислород (О, О 2 , О 3 ), составляющие по суммарному объему в ОГ до 90–95 %, в то время как на токсичные компоненты приходится 0,2–2 % объема. Около 80–95 % от общей массы токсичных компонентов приходится на долю NО х , СО, СН х , альдегидов RCHO и диоксида серы [4]. По данным этого же источника у бензиновых двигателей объемное содержание NО может достигать до 99 % от всего объема NО х , при этом монооксид азота является нестабильным компонентом и окисляется до NО 2 в период от 0,5 до 100 ч.
Монооксид углерода СО в бензиновых двигателях, работающих на режимах с низкими коэффициентами избытка воздуха (на режимах холостого хода при λ < 1), достигает концентрации в ОГ 6–12 %, что составляет значительную величину [4].
Метан СН 4 относится к группе легких газообразных углеводородов и на его долю в бензиновых двигателях приходится 14–58 % от общего содержания в ОГ несгоревших углеводородов, а при значительном содержании легких несгоревших углеводородов отработавшие газы имеют белый цвет так же, как и при содержании большого количества водяных паров.
Кроме того, имеющиеся в ОГ ДВС альдегиды являются продуктами неполного сгорания, преобладают в форме формальдегида НСНО, ацетальдегида СН 3 СНО и акролеина СН 2 СНСНО и вызывают резкий неприятный запах отработавших газов.
При одновременном воздействии на компоненты рабочего тела разноименных полюсов магнитного поля органолептическим методом было установлено, что исчезает резкий запах ОГ, серый дым меняется на белый или бесцветный и окисление альдегидов можно представить в виде:
Морозова В.С., Гун В.С., Поляцко В.Л.
2HCHO + O ^ CH 4 + CO2 , (5) CH 3 CHO + O ^ CH 4 + CO2 , (6) CH 2 CHCHO + O ^ CH 4 + CO2 . (7)
Получающийся метан затем, вероятно, окисляется дальше по реакции (2).
Проведенные исследования показали, что в результате снижается одновременно содержание токсичных компонентов СО, СН, NО х .
Так как плотности топлива и воздуха значительно различаются, то было проведено исследование по влиянию величины магнитных потоков, воздействующих на топливо Ф топл и воздух Ф возд , и их соотношений, определяемых коэффициентом К = Ф возд / Ф топл , на изменение (Δ, %) величин токсичных компонентов СО, СН и NО х , а также СО 2 , О 2 , λ для исследуемых режимов по сравнению с серийной системой без магнитного поля, что представлено в табл. 2–4.
В табл. 2 приведены данные четырех опытов при воздействии на воздух магнитным потоком Ф возд от 3,3·10–4 до 13,2·10–4 Вб, а на топливо Ф топл в пределах от 1,15·10–4 до 4,62·10–4 Вб, но при их одинаковом соотношении К = 2,85÷2,86. Из полученных данных видно, что уменьшение (Δ, % со знаком «минус») токсичных компонентов СО, СН, NО х произошло при всех значениях магнитных потоков, а величина этих изменений тем больше, чем выше величина магнитного потока (данные опыта № 4 по сравнению с данными опыта № 1).
Таблица 2
Изменение показателей токсичности (Δ, %) при различных величинах магнитных потоков и одинаковом их соотношении К
|
Параметры |
№ опыта |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|||||
|
n , мин –1 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
|
СО |
–6,6 |
–2,8 |
–8,6 |
–16,3 |
–41,3 |
–18,7 |
–42,1 |
–21,8 |
|
СН |
–20,8 |
–2,2 |
–61,5 |
–16,4 |
–1,8 |
–17,2 |
–49,8 |
–14,9 |
|
NO х |
–16,7 |
–9,2 |
–18,5 |
–24,2 |
–35,4 |
–13,2 |
–16,7 |
–18,8 |
|
СО 2 |
+6,9 |
+2,2 |
+4,6 |
–2,2 |
+2,9 |
+6,2 |
+3,8 |
–1,5 |
|
О 2 |
–16,8 |
–11,6 |
–64,5 |
–23,3 |
+47,5 |
–12,8 |
–39,2 |
–11,6 |
|
λ |
–0,5 |
+0,2 |
–3,3 |
+1,1 |
+5,1 |
+3 |
+9,5 |
+2,0 |
|
Ф возд ·10–4, Вб |
3,3 |
4,2 |
6,6 |
13,2 |
||||
|
Ф топл ·10–4, Вб |
1,2 |
1,5 |
2,3 |
4,6 |
||||
|
К = Ф возд / Ф топл |
2,9 |
2,9 |
2,9 |
2,9 |
||||
Увеличение значений СО2 (Δ, % со знаком «плюс») и уменьшение содержания О2 (Δ, % со знаком «минус») на большинстве исследуемых режимов согласуются с приведенными выше уравнениями реакции, а повышение коэффициента избытка воздуха λ может свидетельствовать о более качественных процессах смесеобразования и сгорания. В табл. 3 показаны данные семи опытов (№ эксп.) с различными величинами магнитных потоков. Так, на топливо воздействовали Ф топл в пределах от 0,12·10–4 до 4,6·10–4 Вб, а на воздух Ф возд в пределах от 3,3·10–4 до 16,5·10–4 Вб, в соотношениях К = 1÷31.
Из представленных данных видно, что при всех исследуемых значениях магнитных потоков получено снижение (Δ, %) всех токсичных компонентов, хотя на процент снижения больше влияет величина магнитных потоков Ф возд и Ф топл , а не их соотношение К. Даже при одинаковых значениях Фвозд и Фтопл (опыт № 1) на всех режимах получено уменьшение СО, СН и NО х . Сочетание магнитных потоков Ф возд и Ф топл , при которых получено минимальное и максимальное снижение каждого токсичного компонента, а также наилучшее сочетание их уменьшения одновременно для СО, СН и NО х представлены в табл. 4. Для каждого токсичного компонента минимальное и максимальное уменьшение соответствует своему сочетанию значений Ф возд и Ф топл , а более оптимальные снижения всех трех компонентов, соответствует наибольшим магнитным потокам Ф топл = 4,62·10–4 Вб и Ф возд = 16,5·10–4 Вб.
Из представленных данных видно, что на всех исследуемых режимах с обработкой магнитным полем топлива и воздуха получено снижение в отработавших газах токсичных компонентов
СО, СН и NО х и кислорода О 2 (отрицательные значения Δ, %), а также некоторое повышение диоксида углерода СО 2 (положительные значения Δ). Поскольку диоксид углерода является конечным продуктом сгорания углеводородного топлива, то повышение его концентрации в ОГ является подтверждением того, что процесс сгорания в двигателе протекает более полно.
Изменение показателей токсичности (Δ, %) при различных величинах магнитных потоков и коэффициента К
Минимальное и максимальное изменение (Δ, %) показателей токсичности с магнитной обработкой топлива и воздуха по сравнению с показателями без обработки магнитным полем
Таблица 3
|
Параметр |
№ эксперимента |
|||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
||||||||
|
–1 n , min |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
|
CO |
–51,7 |
–24,2 |
–47,8 |
–24,6 |
–66,5 |
–22 |
–58 |
–24,6 |
–21,8 |
–19,2 |
–19,6 |
–1,3 |
–16,6 |
–0,2 |
|
CH |
–6 |
–1,5 |
–12,2 |
–21,5 |
–51,4 |
–17,5 |
–13,3 |
–21,5 |
–34,5 |
–43,9 |
–46,2 |
–10,2 |
–21,9 |
–12 |
|
NO x |
–24 |
–12,4 |
–40 |
–14,9 |
–25,9 |
–16,7 |
–37,5 |
–14,9 |
–18,7 |
–11,5 |
–27,8 |
–15,1 |
–1,25 |
–9,9 |
|
CO 2 |
–0,76 |
0 |
+3 |
+3,8 |
+4,6 |
–2,9 |
+1,5 |
+3,8 |
–6,6 |
–5,4 |
+7,6 |
+2,2 |
0 |
+0,8 |
|
O 2 |
+0,9 |
–11,6 |
+25 |
–6,25 |
–33,2 |
–16,2 |
+51,7 |
–6,25 |
+20 |
–7,7 |
–43,9 |
–11,6 |
–9,4 |
–9,4 |
|
λ |
+3,5 |
+2,4 |
+5,2 |
+2,9 |
+2,7 |
–1,9 |
+5,6 |
+2,9 |
+2,9 |
+2,3 |
–3,2 |
+0,1 |
+3,6 |
+0,1 |
|
Ф возд ·10–4, Вб |
3,3 |
5,0 |
16,5 |
5,0 |
7,4 |
9,9 |
3,7 |
|||||||
|
Ф топл ·10–4, Вб |
3,4 |
2,4 |
4,6 |
1,1 |
1,6 |
1,2 |
0,1 |
|||||||
|
К = Ф возд / Ф топл |
0,9 |
2,1 |
3,6 |
4,6 |
4,7 |
8,6 |
31,5 |
|||||||
Таблица 4
|
Параметр |
СО |
СН |
NO x |
СО, СН, NO x лучшие |
|||||||||||
|
min |
max |
min |
max |
min |
max |
||||||||||
|
–1 n , min |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
700 |
3000 |
|
|
CO |
–6,6 |
–2,8 |
–58 |
–24,6 |
–51,7 |
–24,2 |
–21,8 |
–19,2 |
–16,6 |
–0,2 |
–47,8 |
–24,6 |
–66,5 |
–22 |
|
|
CH |
–20,8 |
–2,2 |
–13,3 |
–21,5 |
–6 |
–1,5 |
–34,9 |
–43,9 |
–21,9 |
–12 |
–12,2 |
–21,5 |
–51,4 |
–17,5 |
|
|
NO x |
–16,7 |
–9,2 |
–37,5 |
–14,9 |
–24 |
–12,4 |
–18,7 |
–11,5 |
–1,3 |
–9,9 |
–40 |
–14,9 |
–25,9 |
–16,7 |
|
|
CO 2 |
6,8 |
2,2 |
1,5 |
3,8 |
–0,76 |
0 |
–6,6 |
–5,4 |
0 |
0,8 |
3 |
3,8 |
4,6 |
–2,9 |
|
|
O 2 |
–16,8 |
–11,6 |
51,7 |
–6,25 |
0,9 |
–11,6 |
20 |
–7,7 |
–9,4 |
–9,4 |
25 |
–6,25 |
–33,2 |
–16,2 |
|
|
λ |
–0,5 |
0,22 |
5,6 |
2,9 |
3,5 |
2,4 |
2,9 |
2,3 |
3,6 |
0,1 |
5,2 |
2,9 |
2,7 |
–1,9 |
|
|
Ф топл ·10– |
4, Вб |
1,2 |
1,1 |
3,5 |
1,6 |
0,1 |
2,4 |
4,6 |
|||||||
|
Ф возд ·10– |
4, Вб |
3,3 |
5 |
3,3 |
7,4 |
3,7 |
5 |
16,5 |
|||||||
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
-
– одновременным воздействием разноименными полюсами постоянного магнитного поля на топливо и воздух бензинового двигателя можно одновременно снизить содержание трех токсичных компонентов СО, СН и NО х в отработавших газах двигателя;
-
– снижение токсичных компонентов при этом можно достигнуть, воздействуя даже слабыми магнитными потоками на топливо от 0,12·10–4 до 4,6·10–4 Вб; на воздух – от 3,3·10–4 до 16,5·10–4 Вб;
-
– происходит одновременное снижение токсичных компонентов СО, СН и NО х на бензиновых двигателях с карбюраторами;
-
– устройства для магнитной обработки с использованием постоянного магнитного поля просты в конструктивном исполнении, а следовательно, могут иметь малую стоимость.
Список литературы Влияние магнитного потока на экологические показатели ДВС
- Марков, В.А. Токсичность отработавших газов дизелей: моногр./В.А. Марков, Р.М. Баширов, И.И. Габитов. -М.: Изд-во МГТУ им. М.Э. Баумана, 2002. -376 с.
- Пат. 042445 Российская Федерация, МПК F 02 M 27/04, F 02 B 51/04. Способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания/В. С. Морозова, В. К. Марченков, В.Л. Поляцко, В.С. Гун, С.П. Вяткин, В.И. Рамов. -№ 2007138802/06; заявл. 18.10.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.
- Покровский, Г.П. Электронное управление автомобильными двигателями: учеб. для вузов/Г.П. Покровский, Е.А. Белов, С.Г. Драгомиров. -М.: Машиностроение, 1994. -350 с.
- Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учеб. для вузов/В.А. Звонов. -М.: Машиностроение. -160 с.
