Додаткові системи живлення карбюраторних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Додаткові системи живлення карбюраторних двигунів

Л. В. Кнауб

Запропонований новий спосіб підготовки палива до згоряння у двигунах внутрішнього згоряння за допомогою додаткових систем живлення, що дозволяє підвищити якість підготовки пальної суміші та екологічні показники роботи двигунів внаслідок утворення дрібнодисперсних фаз та реціркуляції відпрацьованих газів, а також знизити вартість експлуатації автомобілів за рахунок застосування більш дешевого альтернативного пального

Ключові слова: двигун, пальна суміш, випаровувач-змішувач, детонація, стехіометричний склад, токсичність

The new method of fuel preparation is offered to combustion in internal combustion engines by the additional power systems, that allows to improve quality of preparation offuel mixture and ecological indexes of engine performance due to formation of small-dispersible phases and exhaust gas recirculation and also to reduce the vehicle operating costs using more cheap alternative fuel

Keywords: engine, fuel mixture, vaporizer-mixer, detonation, stoichiometric composition, toxicity

Вступ

За останні десятиліття розроблений як асортимент нафтових палив, так і різні типи двигунів і стаціонарних пристроїв, у достатній мірі підходять один одному. Для кожного випадку розроблена оптимальна схема робочого процесу, що дозволяє використовувати паливо найбільш економічно і з утворенням найменшої кількості токсичних продуктів згоряння. Однак на практиці доводиться постійно зіштовхуватися з відхиленнями від ідеальних моделей, які можна пояснити обмеженими технічними і технологічними можливостями і розмаїтістю важковраховуємих факторів: від погодних умов до кваліфікації обслуговуючого персоналу.

У двигунах із запаленням від іскри використовуються палива, що легко утворюють горючі суміші з повітрям і характеризуються досить високою стійкістю до передчасного самозапалювання. У таких двигунах паливна суміш готується попередньо в карбюраторі чи утворюється при упорскуванні палива в систему паливоподачі або циліндри. При роботі двигуна на низькооктанових бензинах і в деяких несприятливих умовах спостерігається детонація, тобто вибухове горіння суміші в камері згоряння з утворенням ударних хвиль. Це приводить до підвищеного зносу деталей двигуна і небезпеки його поломки, а також до неповного згоряння палива, підвищеної димності і токсичності відпрацьованих газів. Процеси, що відбуваються в камері згоряння протягом декількох мікросекунд, вивчати досить важко, і тому природа детонації до кінця не з'ясована. Відомо, що основною причиною детонації є самозаймання окремих ділянок пальної суміші в камері згоряння, що відбувається раніш того моменту, як до них дійде фронт полум'я від свічки запалювання. Перед самозайманням компоненти палива попередньо окиснюються, чому добре сприяє висока температура, що розвивається при стиску [1, 2]. Первинні продукти окиснювання вуглеводнів - пероксиди розкладаються з вибухом, генеруючи ударну хвилю.

Для запобігання детонації бензини повинні мати достатню стійкість до самозаймання.

Аналіз літературних даних та постановка проблеми

Практично усі вимоги, встановлені до палив, важливі в екологічному відношенні, тому що забезпечують нормальне протікання процесу згоряння, при якому має місце мінімальна емісія шкідливих речовин і витрата палива.

Протікання же процесів сумішоутворення в значній мірі залежить від фізико-хімічних властивостей палива і способу його подачі [3]. Після виходу струменя палива з розпилювача карбюратора починається його розпад під впливом сил аеродинамічного опору (унаслідок різниці швидкостей руху повітря і палива). Дрібність і однорідність розпилювання залежать від швидкості повітря в дифузорі, в'язкості і поверхневого натягу палива. Під дією потоку повітря і гравітаційних сил деякі краплі осідають на стінках карбюратора і впускного трубопроводу, утворюючи паливну плівку, що, в свою чергу, негативно впливає на показники роботи двигуна [1, 2].

Відповідно до практики європейських країн щодо регулювання рівня викидів ЗР автотранспортними засобами (г/км) у нашій країні, з 2006 року, впроваджено екологічні норми Євро-2. До набуття чинності Закону України від 06.07.2005 № 2739-IV (про введення норм Євро-2) усі автомобілі українського та російського виробництва, зареєстровані в Україні, відповідали нормам Євро-0, переважна частка інших автомобілів, імпортованих в Україну, відповідала нормам Євро-0 - Євро-3. Відповідно цьому, значна частка легкових автомобілів виробництва колишнього СРСР з екологічним рівнем Євро-0 експлуатуються з карбюраторними двигунами . Так як екологічні показники цих двигунів відповідають нормам, які були актуальні на момент їх виробництва (наприклад, модельний ряд автомобілів ВАЗ починаючи з 1970 року і завершуючи випуск легкових автомобілів з такими системами в 2002 році, через введення в Росії - «Євро-2»), робить їх основним джерелом ЗР в містах [4].

Між тим поступове впровадження жорсткіших екологічних норм передбачає три основні напрями зменшення викидів шкідливих речовин автомобільним двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) [5-7]:

Удосконалення конструкції та робочого процесу двигуна.

Очищення відпрацьованих газів у системі випуску.

Використання альтернативних палив.

У зв'язку з цим автовиробники встановлюють на нові автомобілі, які раніше були в експлуатації з карбюраторним двигуном сучасні системи впорскування із системами зниження токсичності відпрацьованих газів (ВГ) для підтримання тих чи інших екологічних норм. Цей напрямок являється одним із перспективних щодо покращення показників автомобілів, які знаходяться в експлуатації з карбюраторними двигунами, але потребує високих витрат на переобладнання автомобілів.

Попередній досвід засвідчив, що заміна карбюратора електронною системою впорскування дозволяє значно покращити основні показники автомобілів в умовах експлуатації. Проведені експериментальні і розрахункові дослідження показали, що система впорскування типу LE-Jetronic, налаштована на роботу за збідненого складу суміші (а зросло від 1,0 до 1,2), сприяє покращенню паливної економічності, екологічних та енергетичних показників автомобіля ВАЗ-2106 [7]. Але таке переобладнання двигуна також досить багатокоштовне.

Відпрацьовані гази (ВГ) є складною багатокомпонентною сумішшю газів, парів, крапель рідин та дисперсних твердих часток. Для забезпечення виконання жорстких вимог нормативно-технічних документів (НТД) за другим напрямом, пропонується за допомогою застосування у випускній системі автомобілів спеціальних пристроїв для очистки ВГ - нейтралізаторів, найбільш ефективними з яких є каталітичні нейтралізатори (КН) [5]. КН відпрацьованих газів можна застосовувати для всіх типів ДВЗ, в тому числі й на автомобілях, випущених у попередні роки, двигуни яких не відповідають вимогам стандартів. Але, нажаль, закупівля і встановлення нейтралізаторів на автомобілі будь-якої частини потребує багато часу.

Використання альтернативних видів палива, що являється третім напрямком покращення економічних і екологічних показників роботи двигунів, дозволяє знизити шкідливі викиди за рахунок більш повного згоряння в результаті змін у протіканні робочого процесу ДВЗ. Альтернативне паливо повинне відповідати багатьом вимогам: мати необхідні сировинні ресурси, низьку вартість, не погіршувати роботу двигуна, сполучатися зі сформованою системою постачання паливом та ін. [7].

Останнім часом спостерігається протиставлення різних напрямів зменшення викидів шкідливих речовин ДВЗ. Так, застосування КН часто протиставляється використанню альтернативних палив. Єдиної точки зору з цього питання немає.

Виходячи з вище сказаного ми вважаємо, що розробка нових методів підвищення якості розпилювання і випаровування палива у карбюраторі являється актуальною задачею наших досліджень. До того ж ці методи повинні дозволити використання альтернативних видів палива.

Рішення вказаної задачі важливе для народного господарства України, особливо при рішенні питань енергонезалежності держави. Гострий дефіцит палив, а це не секрет, твердо зайняв свої позиції й диктує ціни майже на все (воду, хліб, тепло та ін.) і може стати головним аргументом у особливих умовах.

Шляхів і методів вирішення вказаної задачі багато, але, на наш погляд, найбільш реальним і перспективним обрано рішення з використанням додаткової системи живлення у вигляді вихрового випаро- вувача-змішувача, придатного для всіх існуючих двигунів, які роблять на будь-яких паливах, і для нормальних діапазонів зміни навантаження і частоти обертання колінчастого валу.

Ціль та задачі дослідження

Актуальність теми. Впровадження додаткової системи живлення у вигляді вихрового випаровувача-змішувача у систему живлення двигунів внутрішнього згоряння дозволить частково вирішити важливу народногосподарську задачу економії енергії та покращення довкілля. Ці пристрої працюють за замкнутим циклом та можуть використовувати альтернативні палива, такі як стабільний газоконденсат, продукти його переробки та ін.

Ціль даної роботи - обґрунтувати можливість використання вихрових додаткових систем живлення у двигунах внутрішнього згоряння, що значно покращить економічні й екологічні показники роботи автомобілів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- довести можливість підвищення якості підготовки пальної суміші у карбюраторних двигунах за допомогою додаткових систем живлення а вигляді вихрових апаратів;

- розробити схему додаткової системи живлення до карбюраторного двигуна.

живлення карбюраторний вихровий двигун

Способи підвищення якості підготовки пальної суміші до згоряння у карбюраторних двигунах

Будова, принцип роботи та призначення вихрових апаратів

Усунення причин детонаційного згоряння у карбюраторних двигунах, які знаходяться на експлуатації, за допомогою зменшення ступеня стиснення, технічно виконати неможливо. До того ж при використанні низькооктанових палив, їх відносно високий поверхневий натяг погіршує випаровування і розпилювання, які потребують додаткових систем та енергії (механічної, електричної, та ін. видів). Підігрів суміші із низькооктанових палив приводить до значного зниження коефіцієнту наповнення циліндра, який понижує ефективну потужність. Тому усунення вказаних вище недоліків пропонується нами за допомогою установки додаткових систем живлення у вигляді вихрових випаровувачів-змішувачів [8].

Вихровий випаровувач- змішувач працює на енергії відпрацьованих газів і дозволяє використання дешевих, відносно стандартних, низькооктанових палив, наприклад, бензинових фракцій стабільного газоконденсату без переробки.

Використовуючи теплову енергію відпрацьованих газів додатковою системою живлення (використовується частина теплової енергії при значному пониженні температури навколишнього середовища) для підігріву палива, і, використовуючи кінетичну енергію відпрацьованих газів для розпилення підігрітого палива, виключаються вказані вище недоліки карбюраторного двигуна. Відношення рециркуляцій- них відпрацьованих газів до свіжого повітря обирається так, щоб згоряння низькооктанових палив було бездетонаційним при високих ступенях стиснення (Ј=8-10) на всіх швидкісних та навантажених режимах роботи. Додаткова система живлення - це трубка Ранка протитечійна з вимушеним вихровим потоком у сопловому вході, в якому розміщений розпилювач низькооктанового палива. Таке оформлення даного пристрою дозволяє використовувати аеродинамічний спосіб розпилення із утворенням крапель палива діаметром 5-40 мікрон, що задовольняє режиму горіння по швидкості вигоряння та повноті при будь - якому швидкісному режимі роботи двигуна [9, 10].

Сопловий вхід протитечійної вихрової трубки Ранка 1 (рис. 1.) складається із самого входу в улітку 2 для відпрацьованих газів, оформлений по спіралі 6. На рівні максимальної енергії зміни радіальних швидкостей розташована гребінка 5 за шириною соплового входу 2 у формі краплеподібних лунок 4 з основою (найбільшим поперечним перерізом) підвідного каналу 3 низькооктанового палива, який з'єднується за допомогою штуцера 9 з паливним проводом 8. Дросельний кран 7 служить для регулювання підігрітої осьової витрати газу через трубку внаслідок ефекту Ранка, суміші низькооктанового палива і відпрацьованих газів. Розподіл суміші низькооктанового палива з відпрацьованими газами за допомогою протитечійної вихрової трубки Ранка на два потоки дозволяє отримати у гарячому потоці максимальне випаровування і направити його через дросельний кран 7 прямо в карбюратор, а холодний через діафрагму 8 по обвідному каналу 10, де відбувається додаткове змішування та випаровування, на вхід у карбюратор.

Наявність відпрацьованих рециркуляційних газів у суміші з повітрям і низькооктановим паливом понижує ймовірність появи детонаційного згоряння через присутність водяної пари і окису вуглеводню, а покращення якості підготовки низькооктанового палива шляхом аеродинамічного розпилення і випаровування в трубці Ранка підвищують швидкість і повноту згорання палива, що значно понижує викид токсичних складових в атмосферу.

Рис. 2. Випаровувач-змішувач вуглеводного палива для бездетонаційного згоряння в двигунах: 1 - улітка; 2 - кутовий зріз; 3 - вхідне сопло; 4 - канал низькосортного палива; 5 - розподільна гребінка; 6 - трубка Ранка;

7 - початкова ділянка струмини; 8 - основна ділянка струменя; 9 - жиклер

Будова та принцип роботи додаткової системи живлення автомобільних двигунів

Бездетонаційне згоряння палив можливе за допомогою пристрою у вигляді трубки Ранка (рис. 2),

яка містить паливопідвідний канал низькооктанового палива 4, на кінці якого розташована гребінка 5 для рівномірного розподілу палива при вході 3 в улітку у вигляді краплеутворювальних лунок змінного перерізу, який зменшується до нуля при вході в спіральний звід 2 за направленням вихору в улітці 1, дозволить отримати аерозольний стан суміші низькосортного палива з відпрацьованими газами двигуна з поверхні улітки у трубки Ранка 6. При цьому, частина низькосортного палива залишається на стінках трубки Ранка - випаровувача-змішувача у вигляді рідкої плівки, величина якій на окремих режимах роботи двигуна досягає до 14-16 % за об'ємом даного низькосортного палива в улітку.

Повне випаровування палива бездетонаційного згоряння у ДВЗ з високими ступенями стиснення як в карбюраторних при степенях стисненнях 8-10, так і в дизелях при степенях стиснення 16-21 і вище можна отримати шляхом відшкодування початкового основного ділянок струменя палива. Це досягається тим, що використовується кінетична і теплова енергія вихрового потоку частини відпрацьованих газів двигуна на вході в улітку вихрової трубки Ранка. Ефект повного випаровування та змішування (коли плівки рідини відсутня) отримується тоді, коли струмінь рідкого низькосортного палива підводиться до вихрового потоку так, щоб початкова ділянка струменю рідини, де відбувається розпад і розпилення суцільного струменю був вільним від твердої плівки (перша умова) і піддавався впливу газового потоку по всьому периметру паливного струменю на початковому і основному ділянках (друга умова) [5].

Випаровувач - зміщувач вуглеводного палива для бездетонаційного згоряння працює наступним чином (рис. 2).

Частина відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згорання (потік позначено індексом “В”) потрапляє через вхідне сопло 3 в улітку трубки Ранка 6, де створюється інтенсивний вихровий рух відпрацьованих газів (потік позначено індексом “С”). Через канал низькосортного палива 4 паливо потрапляє до розподільної гребінки 5, розміщеної на кутовому зрізі 2 улітки 1. Утворена початкова ділянка струменю 7 піддається завихренню потоку “В” на кутовому зрізі сопло 3 і вихровим потоком “С” в улітці.

Після цього на основі вихрового ефекту Ранка аерозольний стан суміші низькосортного палива з відпрацьованими газами розділяється на два потоки - “гарячий Д” і “холодний Е”, які потрапляють до змішування з чистим повітрям у повітроочищувачі двигуна і далі у ДВЗ. Під дією відцентрових сил, які діють на відносно великі краплі, що рухаються по трубці 6, потрапляють до гарячого потоку “Д”, де повністю випаровується, понижуючи температуру гарячого потоку. Оскільки дія потоків “B” і ”C” охоплює повністю по периметру початкової 7 і основної ділянки 8 струменю, рідка плівка в трубці відсутня повністю (якщо відсутня змушена конденсація парів палива в трубці).

Результати досліджень

Використання додаткової системи живлення забезпечує повне випаровування низькоякісного палива і повне змішування з відпрацьованими газами, що дозволяє отримати бездетонаційне згоряння отриманої суміші у стисненому з повітрям об'ємі при високих ступенях стиснення з примусовим запаленням від електричної іскри у карбюраторних двигунах. Попереднє випаровування та змішування палива з відпрацьованими газами дозволяє отримати вибухонебезпечну газову суміш, яка за нормальних умов являється пальною. При подальшому змішуванні з чистим повітрям у змішувальній камері або у всмоктувальному патрубку отримується робоча суміш, яка має найменшу ймовірність передчасного самозаймання або детонаційного згоряння.

Використання додаткових систем живлення у двигунах внутрішнього згоряння, внаслідок підвищення якості підготовки палив до згоряння, зменшить вміст у відпрацьованих газах СО на 14 %, а NOX на 8 %.

Висновки

Запропоновано, новий метод підготовки палива до згоряння за допомогою додаткової системи живлення у вигляді випаровувача- змішувача, що дозволить:

відмовитися від використання багатокоштовних високооктанових палив;

знизити вартість експлуатації за рахунок застосування більш дешевого пального;

підвищити якість підготовки пальної суміші до згоряння внаслідок утворення дрібнодисперсних (аерозольних) фаз;

покращити екологічні показники внаслідок зниження токсичності відпрацьованих газів за рахунок підвищення повноти згоряння і рециркуляції відпрацьованих газів.

Література

Анохін, В. І. Вітчизняні автомобілі [Текст] /

І. Анохін. - М.: Машинобудування, 1977. - 592 с.

Артамонов, М. Д. Основи теорії і конструювання автотракторних двигунів [Текст] / М. Д. Артамонов, М. М. Морін, Г. А. Шпаків. - М.: Вища школа, 1978. - 133 с.

Гуреев, А. А. Химмотология [Текст] / А. А. Гуре- ев, И. Г. Фукс, В. Л. Лашхи. - М.: Химия, 1986. - 368 с.

Гутаревич, Ю. Ф. Екологія автомобільного транспорту [Текст]: навч. пос. / Ю. Ф. Гутаревич, Д. В. Зерка- лов, А. Г. Говорун та ін. - К.: Основа, 2002. - 312 с.

Данилевич, Я. Б. Системні рішення проблем екологічної безпеки автотранспортного комплексу, як метод покращення екологічної ситуації у мегаполісах [Текст]: наук.-практ. конф. / Я. Б. Данилевич, В. Я. Денисов. - Автотранспорт: від екологічної політики до щоденної практики. - К.: ЦУЛ, 2005. - 200 с.

Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выбросов загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей [Текст]. - Пересмотр 4. [Введение 04.28.2011]. - (Правила ЕЭК ООН № 83). - ООН, 2011. - 311 с.

Экологизация автомобильного транспорта: передовой опыт стран Европейского Союза и России [Текст] / под ред. В. Н. Денисова. - С.-Пб: МАНЭБ, 2004. - 160 с.

Барсуков, С. И. Вихревой эффект Ранка [Текст] /

И. Барсуков, В. И. Кузнецов. - Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1983. - 121 с.

Кнауб, Л. В. Газодинамические процессы в вихревых аппаратах [Текст] / Л. В. Кнауб. - Одесса: Астропринт, 2003. - 276 с.

Кнауб, Л. В. Усовершенствование системы питания двигателей с предварительным образованием газодисперсной смеси [Текст] / Л. В. Кнауб // Автомобіль і електроніка. Сучасні технології. - 2015. - № 7. - С. 21-26.

Размещено на Allbest.ru