Исследование озонатора воздуха на двигателе автомобиля ВАЗ с целью экономии топлива

Ни для кого не секрет, что в современном мире экологические проблемы носят глобальный характер и занимают одно из ведущих мест в мире. Развитие промышленности, транспортной инфраструктуры, сосредоточение жизни в крупных городах, промышленно-культурных центрах, постепенно приводит к тому, что биосфера в мегаполисе и на близлежащих территориях сильно загрязняется. Самыми быстрыми темпами загрязняется атмосфера (это связано с тем, что значительная часть вредных веществ находится в газообразном состоянии).

Одним из источников выбросов в атмосферу в настоящее время является транспорт. Основная часть загрязняющих веществ на транспорте – это продукты горения углеводородного топлива (в основном жидкого и газообразного). В состав отработанных углеводородных газов входят порядка 137 различных соединений, однако токсичность нормируется только по некоторым из них, а именно: СО – угарный газ, СО2 – углекислый газ, СnНn – остаточные углеводороды, NxOx – оксиды азота. Существует несколько способов понижения концентрации автомобильных токсикогенов:

1) Использование чистых бензинов – обезвоженных без антидетонационных присадок;

2) Путем воздействия на внутренние процессы в двигателе:

• управление системой впрыска топлива по цепи обратной связи от датчика кислорода;
• рециркуляция части отработанных газов;
• совместный вариант;

3) Нейтрализация отработавших газов в выпускном тракте.

Предлагаю улучшать экологические показатели в транспортной сфере, применяя химическую модификацию кислорода перед вступлением в реакцию с бензином. Данная технология на современном этапе развития техники является недостаточно изученной и поэтому представляет интерес для научных изысканий.

Модификация воздуха перед процессом окисления топлива заключается во временном переводе кислорода на более высокий энергетический уровень и усилении его способности к окислению топлива. Таким образом, процесс соединения с топливом происходит более полно, что одновременно улучшает экологические показатели двигателя, и совершает дополнительную полезную работу (тем самым снижая расход топлива).

Перевод кислорода, на более высокий энергетический уровень и усиление его способности к окислению топлива, заключается, в аллотропном (от др.-греч. Αλλος — «другой», τροπος — «поворот, свойство») модификации кислорода (О2) в озон (О3).

1 Физико-химические свойства озона

Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.

В присутствии небольших количеств HNO3 озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах (—78 °С) практически не разлагается.

...

2 Способы получения озона

В промышленности озон добывают в озонаторах, в которых используются множество способов получения озона.

Наиболее предпочтительным фактором для выбора способа получения озона является: высокая КПД, простота конструкции озонатора, себестоимость изготовления самого озонатора, способность конструкции в необходимости к охлаждению.

Различают следующие способы получения озона:

1) В электрическом разряде

...

3 Обзор существующих конструкций

К настоящему времени существует несколько различных конструкций приборов по модификации воздуха.

1) Патент на изобретение № 2180051

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Современные двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков: трудности запуска при низких температурах окружающей среды, недостаточно высокая полнота сгорания топлива, повышенная токсичность отходящих из камеры сгорания газов и др.

...

4 Научная новизна

Любое топливо при хранении постоянно подвергается изменениям под влиянием температуры и влажности, и это воздействие заставляет топливо расширяться и сжиматься. В результате молекулы углеводорода начинают притягиваться друг к другу и формировать молекулярные группы (сгустки), доступ кислорода внутрь которых ограничен, что и является основной причиной неполного сгорания топлива (выхлоп).

В обычных условиях количество не сгоревшего углерода составляет до 15% от массы топлива, который превращается в нагар на свечах, форсунках, клапанах и поршнях. В выхлопном тракте недоокислившийся углерод составляет вредную часть выхлопных газов СО, СН.

...

4.2 Элементный состав топливовоздушной смеси

Элементный состав жидких топлив. Для нефтяных моторных топлив приближенно известен групповой (углеводородный) состав, который зависит от типа исходной нефти и технологического процесса нефтепереработки. По мере увеличения молярной массы топлив в них могут появляться в незначительном количестве соединения серы, азота, смолистые соединения, тяжелые металлы и др. При расчете процесса сгорания наличием этих элементов в бензинах и дизельных топливах обычно пренебрегают.

...

Таблица 1 - Физико-химических характеристик марок отечественных топлив

...

4.4 Неполное окисление (сгорание) топлива

Если количество кислорода в ТВС меньше стехиометрического, то окисление будет неполным. При неполном окислении часть углерода С окисляется до СО (оксид углерода), а часть водорода Н2 не сгорает вообще. В этом случае окисление молекулы С_х Н_y О_z идет по приведенному ниже уравнению

...

5.1 Электротехнический расчет

Задачей расчета является определение напряжения и мощности источника питания, выбор элементов схемы умножения напряжения: трансформатора, конденсатора, вентилей, резисторов.

Озон является высокоактивным окислителем. Повышение его концентрации в воздушном коллекторе двигателя до 2 об.% существенно улучшает пусковые качества двигателя, повышает реакционную способность горючей смеси и, как следствие, полноту сгорания, и, соответственно, мощность двигателя.

Образование озона осуществляется в воздушном коллекторе в искровом разряде при импульсном напряжении 10-20 кВ. Импульсное напряжение создается обычной катушкой зажигания, работающей от управляющего импульсного генератора с частотой 50-60 Гц.

...

Таблица 2 - Полученные данные при разных частотах вращения коленчатого вала при n = 2000 и n = 5000

...

Таблица 3 - Схема и формулы к расчету зарядных устройств

...

Таблица 4 - Электротехнические данные озонатора.

...

5.2 Аэродинамический расчет

Рассчитаем аэродинамическое сопротивление для воздушной системы. Возьмем для расчета расход воздуха при высоких (n2=5000, 〖L'〗_h2=189000л/ч) частотах вращения коленчатого вала. У нас имеются корпус озонатора с внутренними размерами 80х80мм и труба диаметром 70мм. Рассчитаем скорость потока для двух участков по формуле:

6 Технологическая часть

Изобретение предназначено для использования на двигателе внутреннего сгорания ВАЗ 2123 14 с целью; экономии топлива и улучшения экологических показателей. Суть заключается в том, что воздух проходит через озонатор и обрабатывается под воздействием энергетических пучков (электронов). В результате обработки молекулы кислорода диссоциируется, после чего атомы кислорода вновь объединяются в молекулы, на этот раз, образуя трехатомную молекулу озона, что позволяет лучше перемешиваться с бензином, образуя равномерную топливно-воздушную смесь.

Техническое изобретение состоит из следующих элементов:

...

Таблица 5 - Последовательность технологической сборки прибора

...

7.1 Общая характеристика безопасности озонатора, установленного на ДВС с целью экономии топлива

Раздел Безопасность жизнедеятельности будем рассматривать с точки зрения рабочего места водителя легкового автомобиля. В процессе работы в легковом автомобиле на водителя действует ряд факторов. Они оказывают влияние на его здоровье и работоспособность в процессе работы. Полная безопасность водителя легкового автомобиля определяется тремя факторами: безопасностью автомобиля, безопасностью производственного и трудового процесса. Эти три составляющие связаны между собой. Предел уровня, общей безопасности труда человека равен единице.

...

7.9 Расчёт вредных выбросов в отработавших газах автомобилей

Расчёт выбросов основных загрязняющих веществ без озонатора:

Этот расчёт выполняется отдельно при движении легковых автомобилей по территории населённых пунктов и вне населённых пунктов по формулам (23-24). Результаты расчётов сводятся в таблицу.

Массовый выброс загрязняющих веществ легковыми автомобилями с рабочим объёмом двигателя 1.7л. при движении по территории населённых пунктов, т:

...

Таблица 9 - Исходные данные

...

Таблица 10 - Результаты расчёта годового пробега

...

Таблица 11 - Пробеговый выброс загрязняющих веществ легковым автомобилем по территории населённых пунктов

...

Таблица 12 - Значения коэффициента Krri в зависимости от типа населённого пункта

...

Таблица 13 - Пробеговый выброс загрязняющих веществ легковым автомобилем при движении вне населённых пунктов

...

Таблица 14 - Суммарные выбросы вредных веществ автомобилями автотранспортного предприятия

...

Таблица 15 - Суммарные выбросы вредных веществ автомобилями автотранспортного предприятия с использованием озонатора

...

Таблица 16 - Разница суммарных выбросов вредных веществ автомобилями автотранспортного предприятия стандартного двигателя и с использованием озонатора.

...

8.3 Расчет окупаемости проекта

Теперь рассчитаем за сколько окупится наш вариант по снижению затрат на бензиновое топливо.

Установка воздушного озонатора.

Рассчитаем затраты на установку воздушного озонатора на все автомобили в парке. Имеем стоимость одного воздушного озонатора – 2400 руб. и цену за установку топливного модификатора – 400 руб. Итого суммарные затраты на установку одного двигателя составят 2800 руб. У нас в парке 100 автомобилей, тогда суммарные затраты на установку воздушных озонаторов на все автомобили составит 280000тыс. руб.

...

Таблица 19 - Окупаемость модификаторов.

...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы была изучена литература по влиянию энергетических пучков на воздух, процесс сгорания топлива. Проведен анализ существующих конструкций озонаторов, с целью выявления общих принципов работы данных устройств. На основе этих принципов был спроектирован воздушный озонатор собственной улучшенной конструкции.

На основе ранее проведенных исследований были подобраны оптимальные значения размера модификатора, который должен легко помещаться в подкапотное пространство указанного автомобиля, и напряжение тока, которое после уточненных расчетов равен 3212 В.

...