Температура – нагрев – бензин
Температура нагрева бензина в топливной системе автомобиля зависит от конструктивных особенностей системы и температуры окружающего воздуха. Температура воздуха в подкапотнсгм пространстве обычно намного выше, чем температура окружающего воздуха. Так, по данным испытаний при температуре воздуха около 40 С температура воздуха под капотом поднимается до 90 – 95 С, а бензин при этом нагревается до 70 – 75 С. Особенно высокие температуры нагрева бензина отмечены у автомобилей, эксплуатирующихся в условиях бездорожья, при езде в колоннах и с прицепами, при эксплуатации автомобилей в гористой местности. [1]
Температура нагрева бензина в топливной системе автомобиля зависит от конструктивных особенностей системы и температуры окружающего воздуха. [2]
Температура нагрева бензина в топливной системе автомобиля зависит от конструктивных особенностей системы и температуры окружающего воздуха. Температура воздуха в подкапотном пространстве обычно намного выше, чем температура окружающего воздуха. Так, по данным испытаний при температуре воздуха около 40 С температура воздуха под капотом поднимается до 90 – 95 С, а бензин при этом нагревается до 70 – 75 С. Особенно высокие температуры нагрева бензина отмечены у автомобилей, эксплуатирующихся в условиях бездорожья, при езде в колоннах и с прицепами, при эксплуатации автомобилей в гористой местности. [4]
Снижение температуры нагрева бензина может быть достигнуто простейшими конструктивными мероприятиями. [6]
Снижение температуры нагрева бензина может быть достигнуто простейшими конструктивными мероприятиями. Замеры показывают, что даже на новых отечественных автомобилях бензонасосы, как правило, устанавливаются в наиболее горячих местах подкапотного пространства. Организация хорошей вентиляции воздуха близ бензонасоса, теплоизоляция бензонасоса, увеличение диаметра трубок системы питания, сокращение их длины и ряд других конструктивных мер способствуют снижению температуры нагрева бензина в системе питания. [8]
Следует отметить, что температура нагрева бензина в системе питания двигателя может быть на 20 – 40 С выше температуры окружающего воздуха за счет нагревания бензина в подкапотном пространстве автомобиля теплоизлучением от двигателя. [10]
Решающим фактором, обусловливающим образование паровых пробок, является температура нагрева бензина . Некоторые авторы [7] излишне большую роль в образовании паровых пробок отводят воздуху, растворенному в бензине и выделяющемуся из него при нагревании. Имеющиеся данные ( рис. 4.12) свидетельствуют о том, что при нагревании бензина объем выделяющегося воздуха может составить максимально 20 – 25 % от объема бензина, тогда как объем образующихся паров в 150 – 200 раз больше объема того же количества бензина, остающегося в жидкой фазе. [11]
Решающим фактором, обусловливающим образование паровых пробок, является температура нагрева бензина . Некоторые авторы [18] излишне большую роль в образовании паровых пробок отводят воздуху, растворенному в бензине и выделяющемуся из него при нагревании. [12]
При температуре перегонки 10 % бензина выше 70 С температура нагрева бензинов до образования паровых пробок резко возрастает. В этом случае пропускная способность топливной си стемы оказывается достаточной для обеспечения бесперебойной работы двигателя при высоких температурах нагрева бензинов. Количество паров, образующихся из таких топлив, настолько мало, что поступление жидкой фазы полностью обеспечивает расход топлива на данном режиме работы двигателя. [13]
Решающим фактором, обусловливающим образование паровых пробок, является температура нагрева бензина . Некоторые авторы [18] излишне большую роль в образовании паровых пробок отводят воздуху, растворенному в бензине и выделяющемуся из него при нагревании. Имеющиеся данные ( рис. 74) свидетельствуют о том, что при нагревании бензина объем выде-ляющегося воздуха может составить максимально 20 – 25 % от объема бензина, тогда как объем образующихся паров в 150 – 200 раз больше объема того же количества бензина, остающегося в жидкой фазе. [14]
Возможные пути уменьшения эксплуатационного расхода топлива на бензиновых двигателях изучались в СССР еще в 1950—1960-е годы. Например, Д.Н. Иванов впервые применил отработавшие газы двигателя автомобиля ЗИС-5 для нагрева впускного тракта. Он экспериментально и теоретически доказал, что использование теплоты этих газов позволяет не только добиться экономии топлива в 22—27 %, но и повысить мощность двигателя за счет лучшего качества приготовления топливовоздушной смеси. Его эстафету принял Ю.Б. Свиридов, который в начале 1960-х годов работал в НАМИ, а затем продолжил начатые здесь исследования в ЦНИТА (Ленинград). Именно он стал известен как создатель обобщенной теории смесеобразования и сгорания в дизеле. Эти два человека определили целое направление в системах топливоподачи бензинового двигателя.
Основная идея данного направления — использование отработавших газов для испарения топлива. Она реализовывалась в так называемых пленочно-испарительных системах топливоподачи.
В своих трудах Д.Н. Иванов и Ю.Б. Свиридов связывали обеспечение высоких требований по экономичности и токсичности отработавших газов автомобильного двигателя с решением двух проблем — качества приготовления топливо-воздушной смеси (микросмешивание) и точности дозирования топлива по цилиндрам от цикла к циклу (макросмешивание). В частности, в 1977 г. Ю.Б. Свиридов отмечал, что вторая из них должна решаться и решается путем создания аппаратуры впрыскивания топлива, управляемой компьютером. Первая же проблема, гомогенизации топливовоздушного заряда на всех режимах двигателя, по существу им не рассматривалась. Он, как и Д.Н. Иванов, считал: попытки совершенствования смесеобразования за счет улучшения распыливания топлива в низкотемпературных условиях впускного тракта эту проблему решить не могут. Даже при некотором подогреве смеси. Другими словами, никакая топливная форсунка или карбюратор не могут дробить топливо до состояния пара. То есть ни форсунка, ни карбюратор создать гомогенную топливовоздушную смесь во впускном тракте двигателя и в цилиндре не могут: в потоке всегда будут капли топлива или пристеночная пленка, что неминуемо ухудшит рабочий процесс.
Как видим, оба исследователя очень ясно понимали, что на пути повышения экономичности двигателей лежит нежелательный, но всегда сопутствующий всякому распылению топлива эффект — пленкообразование и мелкие капли. Поэтому Ю.Б. Свиридов посвятил часть своей научной деятельности созданию пленочно-испарительных систем, которые, по его мнению, должны способствовать устранению того и другого. Так, он впервые применил принцип противотока в таких системах (распространение теплоты в испарителе навстречу движению пленки топлива), который гарантированно исключал разложение топлива, а процесс его испарения автоматически проходил в зоне оптимальных температур. Рассчитал он и длину испарителя, толщину его стенок, определил материал испарителя, лучше всего подходящий для этих целей, и многое другое. Тем не менее пленочно-испарительные системы до сих пор не применяются. Возникает вопрос: почему? Потому что, как это нередко случается в научной деятельности, результаты экспериментально-лабораторных исследований не дали ожидаемого практического результата.
Автор письма в редакцию "АП" прав. Действительно, Ю.Б. Свиридов по заказу ВАЗа провел испытания своей пленочно-испарительной системы на серийном двигателе этого завода. И оказалось, что расход топлива остается фактически тем же, что и при серийном карбюраторе. В итоге всякая работа по системам испарения была прекращена.
Этому в определенной степени способствовало и то, что тогда же был проведен эксперимент с целью выяснения, возможно ли вообще повысить экономичность двигателя, если подавать в него заранее и заведомо испаренное топливо. Было установлено: экономия топлива при этом не превышает 3—5 %.
Так окончательно сформировалось мнение: "бумажные" расчеты, показывающие, что КПД бензинового двигателя можно значительно повысить, не могут быть реализованы на практике. Между тем Ю.Б. Свиридов ошибался не в своих теоретических выводах, а в объяснении результатов экспериментов. Дело в том, что испарить топливо — это лишь необходимое условие работы пленочно-испарительной системы. Но, к сожалению, условие недостаточное. Поскольку обеспечивает лишь одну сторону процесса смесеобразования. Ведь хорошо известно, что параллельно испарению идет встречный процесс — конденсация топлива. Особенно тяжелых его фракций, имеющих температуры разгонки 400- 460 К (130-190 °С). Вот что об этом говорит теория.
Нулевое начало термодинамики гласит: "Температура как функция состояния есть равенство температур во всех точках как условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы". Для пленочно-испарительной системы — это пары топлива и воздух. С другой стороны, согласно первому началу термодинамики изолированная система, т. е. система, не обменивающаяся с окружающей средой ни энергией, ни веществом, подчиняется закону сохранения энергии. В нашем случае под внутренней энергией системы "пары топлива—воздух" понимается энергия хаотического (теплового) движения всех микроскопических систем (молекул, атомов и т. д.). Исходя из этих законов, всякая замкнутая система стремится к термодинамическому равновесию, а ее внутренняя энергия остается постоянной.
Далее. Из результатов многочисленных теоретических и экспериментальных исследований известно, что при таких перепадах температур, как в пленочно-испарительных системах, термодинамическое равновесие между парами топлива и воздухом в спокойной среде наступает за 100 мс (0,1 с). В турбулентной среде, как в случае ДВС, процесс ускоряется в 2—2,5 раза, т. е. время выравнивания температур не превышает 50 мс (0,05 с). Если это время сравнить с временем, отводимым на процессы смесеобразования и сжатия в двигателе (0,2—0,02 с), то становится ясно, что температурные поля полностью выравниваются еще до момента воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя. (Это утверждение вытекает из тех же термодинамических представлений. Если время, отводимое системе, больше или равно времени релаксации, то можно утверждать, что система будет находиться в термодинамическом равновесии.) Кроме того, испарение топлива, будь то в пленочно-испарительной системе или при барботажном испарении, идет в замкнутой системе или подается в замкнутую систему ("впускной тракт—цилиндр"). Поэтому за счет диффузионных процессов параллельно развивается, как сказано выше, конденсация паров топлива. Дело в том, что при испарении жидкости в закрытом пространстве пар становится насыщенным, т. е. находится в тепловом равновесии с испаряемой жидкостью. (При фракционировании бензина картина усложняется, но результат не меняется.) В момент же смешивания паров топлива с более холодным воздухом первые снижают свою температуру до температур конденсации. В итоге во впускном тракте и особенно в цилиндре двигателя сами молекулы оказываются центрами конденсации. А с учетом того, что впускной тракт и цилиндр не являются идеальной замкнутой системой, то процесс конденсации ускоряется, и пары топлива, конденсируясь в объеме, осаждаются на стенках.
Именно двойственность процесса (с одной стороны — испарение, с другой — конденсация) не позволяет качественно улучшить смесеобразование в бензиновом двигателе. И, следовательно, его топливную экономичность. С чем, собственно, и столкнулся Ю.Б. Свиридов (и не только он) при экспериментах с двигателями ВАЗ: он не сумел исключить процесс конденсации топлива даже подогревом впускного коллектора.
Между тем задача разрешима. Нужно выполнить лишь два условия. Во-первых, уменьшить количество чистого воздуха, проходящего по испарителю; во-вторых, создать в испарителе участок перегрева паровоздушной смеси (использовать принцип перегретого пара).
Условия очевидные. Первое резко снижает количество теплоты (энергии), отдаваемое испаренным топливом чистому воздуху в испарителе; второе позволяет не сконденсироваться ни одной из фракций топлива, в том числе самым тяжелым, за время смесеобразования и сжатия в камере сгорания двигателя.
Выполнить названные условия несложно. Для этого в штатную систему питания серийного двигателя необходимо ввести дополнительный испарительный тракт, работающий по принципу пленочно-испарительной системы и установленный параллельно основному впускному тракту. Этот тракт на одном конце должен иметь воздушную заслонку небольшого диаметра, которая работает синхронно с дроссельной, а на втором — разветвления по числу цилиндров двигателя, проложенные по выпускному коллектору точно так, как предлагал в своей системе противотока Ю.Б. Свиридов.
Такое разделение на тракты чистого воздуха и испарительный с перегревом паров позволяет эффективно решать и другие задачи: не нагревать основную часть воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, а значит, исключить влияние нагрева на коэффициент наполнения цилиндров и на детонационные процессы в них; за счет меньшего количества воздуха в дополнительном испарительном тракте устранить явления срыва капель с поверхности пленки, возникающие при больших скоростях потока; быстрее, еще до полного прогрева двигателя выходить на расчетные значения расхода топлива. Но самое главное — на режимах холостого хода и малых нагрузок экономить до 30, в движении — до 20—25 % топлива. При этом выбросы монооксида углерода, углеводородов и оксидов азота оказываются меньше самых жестких стандартов.
Владельцы патента RU 2387866:
Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ комбинированной подачи углеводородного топлива и пара в двигатель внутреннего сгорания, включающий нагрев воды и получение пара, подачу топлива и пара в камеру сгорания, согласно изобретению нагрев воды и выделение пара происходит в теплоизолированном бачке, в который предварительно заливают воду, нагревают ее при помощи установленного в бачке радиатора, через который циркулирует охлаждающая жидкость, отводимая от двигателя, и выхлопными газами, поступающими через магистраль, снабженную термоклапаном, с увеличивающейся скоростной интенсивностью, связанной с уменьшением плотности и вязкости при увеличении температуры за счет уменьшения поверхностного натяжения, вызванного разрежением, создаваемым обратным ходом поршня двигателя, перемешивают полученный пар с горячими выхлопными газами, затем смесь выхлопного газа и пара поступает в теплонакопитель, где происходит подогрев и катализ в результате контактирования с никелевым катализатором с последующим перемещением во всасывающий коллектор. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя и снижение вредных выбросов в выхлопных газах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, использующим устройства для получения и добавления пара.
При сжигании углеводородного топлива часто возникают вредные вещества, концентрация которых в воздухе в густонаселенных и промышленно развитых областях уже сегодня достигает опасных для здоровья человека величин. Внимание сосредоточивается прежде всего на окиси углерода СО, токсичных углеводородах СНx и окислах азота NOx. Содержание этих веществ в атмосфере контролируется, и поэтому существуют предписывающие максимально допустимые нормы их присутствия в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, особенно устанавливаемых на автомобилях. Эти требования к чистоте отработанных газов становятся все более жесткими, оказывают значительное влияние на дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания.
Из уровня техники известно изобретение, в котором описан способ комбинированной подачи углеводородного топлива и пара в двигатель внутреннего сгорания, включающий нагрев воды и получение пара, подачу топлива и пара в камеру сгорания (см. RU 2136942, 1999, 8 с.). К недостаткам известного изобретения следует отнести невысокий КПД двигателя.
Технической задачей изобретения является повышение КПД двигателя и снижение вредных выбросов в выхлопных газах.
Поставленная задача решается за счет того, что способ комбинированной подачи углеводородного топлива и пара в двигатель внутреннего сгорания включает нагрев воды и получение пара, подачу топлива и пара в камеру сгорания, при этом нагрев воды и выделение пара происходит в теплоизолированном бачке, в который предварительно заливают воду, нагревают ее при помощи установленного в бачке радиатора, через который циркулирует охлаждающая жидкость, отводимая от двигателя, и при помощи выхлопных газов, поступающих через магистраль, снабженную термоклапаном, перемешивают полученный пар с горячими выхлопными газами, затем смесь выхлопного газа и пара поступает в теплонакопитель, где происходит подогрев и катализ в результате контактирования с никелевым катализатором с последующим перемещением во всасывающий коллектор. Подогрев и катализ производят более одного раза. Используют недистиллированную воду.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для осуществления способа, на фиг.2 – теплонакопитель, на фиг.3 – наполнение накопителя.
К устройству предъявляются следующие свойствами: должен быть изготовлен из антикоррозийного материала;
должен быть по возможности объемным, на сколько позволяет освобожденное пространство;
как можно больше минимизировать теплоотдачу в окружающее пространство;
во внутренней полости бачка установить тепловой радиатор, по которому циркулирует охлаждающая жидкость, отводимая от двигателя.
Устройство состоит из бачка 1 с теплоизоляцией 2 (теплый коврик 5 мм, обернутый тонкой фольгой и стеклотканью, пропитан эпоксидным клеем), горловины 3 с пробкой, электропомпы 4, радиатора 5, клапана 6, электромагнитного клапана 7, теплонакопителя 8, всасывающей трубки 9, наконечника 10, сливного крана 11, магистрали 12, рабочей полости теплонакопителя 13, хомута 14, ушка 15, крепежных элементов 16, элементов 17, 18, выхлопной трубы 19, штуцера 20, горловины с пробкой и встроенным штуцером теплонакопителя 21, пластины 22, никелевых кусочков 23.
Пластины радиатора выполнены из нержавеющей стали для улучшения теплоотдачи. Каждая пластина перед сборкой была заточена по контуру обоюдоостро. Теплонакопитель 8 изготовлен из нержавеющей трубы диаметром 52 мм и длиной 120 мм, разрезан на два элемента 17 и 18. Элемент 17 подгоняется по наружному диаметру выхлопной трубы. Затем перевернув на 180°, сваривается в одно целое. Приваривают четыре ушка 15 и изготавливают два хомута 14. Вовнутрь вваривается пластина 22 с отверстиями, подогнанная по внутреннему контуру. С боков устанавливаются две пластины и завариваются (не показано). После сборки теплонакопитель 8 скрепляется крепежными элементами 16. В нижней части накопителя 8 приваривается штуцер 20, в верхней части изготавливается горловина с пробкой 21, в которую встроен штуцер, аналогичный нижнему. Теплонакопитель заполняется никилиевыми кусочками округлой формы (старые монеты) 23 и закрепляется на выхлопной трубе 19. Выхлопной коллектор подвергается переделке: врезается всасывающая трубка 9, а заслонка подогрева всасывающего коллектора «зима-лето» переводится в положение, соответствующее погодному фактору (не показано). Во всасывающем коллекторе убирается перегородка между дублирующими отверстиями рабочей и форсажной камерами карбюратора. Получается одно большое отверстие в виде эллипса. Между карбюратором и всасывающим коллектором устанавливается карболитовая прокладка, исключающая перегрев карбюратора. Вентилятор принудительного охлаждения снимается и охлаждение осуществляется электровентилятором, срабатывающим от термодатчика при повышении температуры охлаждающей жидкости выше 93°.
Способ осуществляется следующим образом.
Двигатель заводится и прогревается, желательно дисцилированная вода, предварительно залитая в бочок 1 (см. фиг.1), интенсивно нагревается радиатором 5, через который протекает охлаждающая жидкость двигателя, и выхлопными газами, идущими через магистраль 12, которая предварительно пропущена через штатный термоклапан. На конце магистрали 12 прикручивается наконечник 10 с проходным отверстием 0,5 мм. Как откроется термостат, включается электропомпа 4. После прогрева двигателя включается электромагнитный клапан 7. Присутствие пара, частично среагировавшего от контакта с никелем, определяем по резкому скачку оборотов и появляющемуся характерному низкому звуку двигателя. Заслонку открываем после скачка оборотов. Интенсивность подачи пара регулируется в двух режимах: на холостом ходу клапаном 6 и при движении автомобиля свыше 80 км/ч, т.к. при повышенных оборотах двигателя возрастает температура и разрежение внутри полости бачка 1, которые влекут повышенное образование пара, плюс пар, поступающий с выхлопными газами, через магистраль 12, а также через штатную магистраль регенерации газов. Для регулирования на повышенных оборотах применяется дополнительный электромагнитный клапан, врезанный в магистраль бензопровода. Через шток клапана просверливается отверстие диаметром 0,8 мм. В результате около 3 тыс. оборотои выше бензина не хватает. Нехватка покрывается паром.
В случае, если вода кончилась, клапан подачи бензина открывается и чуть прикрывается воздушная заслонка и передвижение осуществляется в обычном режиме. Практика показала, чем хуже бензин (высокая ламинарная скорость горения), тем устойчивее работает двигатель. Даже езда на бензине с октановым числом «59», куда эффективнее, чем на «76». При вакуумном способе нагрева и подачи воды даже зимой, когда в бачке находится лед, выделение пара начинается с небольшим опозданием по сравнению с летним временем. Крайне важна, особенно в зимнее время, просушка двигателя перед стоянкой на ночь или на более длительное время. При снятии головки обнаруживается, что камера сгорания чиста. Расход примерно 6 литров бензина и до 4 литров воды в городском режиме, учитывая, что на штатном топливе расход 12 литров на 100 км. Но показания приблизительные, т.к. езда при такой комбинации углеводородного топлива и пара, где подача последнего в зависимости от нагрузки регулируется пониженным давлением, создаваемым поршнями двигателя внутри полости бачка. Дальнейшее увеличение подачи пара из-за высокой температуры последнего приводит к уменьшению коэффициента наполнения двигателя. А также к понижению индикаторного КПД из-за уменьшения скорости сгорания бензопаровоздушной смеси. Также имеет место горение СО, начинающее гореть при температуре от 700° и выше в присутствии водяного пара, доказательством чему является то, что при отсоединении магистрали регенерации выхлопных газов и закрытии отверстия его подачи заметно снижаются обороты, визуально наблюдаемые по тахометру. Также имеет место образование метана в теплонакопителе в присутствии никелевого катализатора, доказательством тому служит, что при нехватке температуры в теплонакопителе (особенно проявляется в сильные морозы) катализ не происходит и переизбыток несреагировавшего пара и выхлопных газов во время диссоциации пара на Н2 и O2 в двигателе отнимает тепло, выделяемое основным топливом; в результате переизбытка двигатель не развивает мощность. Этот момент выравнивается поджатием пара клапаном 6 или утеплением теплонакопителя.
1. Способ комбинированной подачи углеводородного топлива и пара в двигатель внутреннего сгорания, включающий нагрев воды и получение пара, подачу топлива и пара в камеру сгорания, отличающийся тем, что нагрев воды и выделение пара происходит в теплоизолированном бачке, в который предварительно заливают воду, нагревают ее при помощи установленного в бачке радиатора, через который циркулирует охлаждающая жидкость, отводимая от двигателя, и при помощи выхлопных газов, поступающих через магистраль, снабженную термоклапаном, перемешивают полученный пар с горячими выхлопными газами, затем смесь выхлопного газа и пара поступает в теплонакопитель, где происходит подогрев и катализ в результате контактирования с никелевым катализатором с последующим перемещением во всасывающий коллектор.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев и катализ производят более одного раза.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют недистиллированную воду.
