В основе работы карбюратора лежит принцип пульверизации, т.е. диспергирование жидкости за счет потока воздуха. Со времен первого появления простейшего карбюратора этот механизм претерпел сильную модернизацию и теперь это довольно сложное устройство. Несмотря на это, не удается создать конструкцию, которая работала бы оптимально на разных режимах. Дальнейшее совершенствование конструкции карбюратора сопряжено с большими техническими сложностями. Основным сдерживающим фактором является принцип пульверизации, возможности которого практически исчерпали, так как он не может обеспечить достаточно мелкого диспергирования топлива. Поэтому карбюраторные двигатели имеют высокие показатели СО (выбросы углекислого газа и т.д.) 1-3,5%, большой расход топлива 7-8 литров на 100 км.(данные по автомобилю ВАЗ 2109) и низкий показатель КПД. Все перечисленные недостатки можно устранить, для этого необходимо более мелкое диспергирование капли топлива. Качественно измельченное горючее лучше сгорает, от этого зависят выше перечисленные характеристики двигателя внутреннего сгорания. Для того чтобы повысить качество горючей смеси необходима разработка принципиально нового метода диспергирования топлива и устройство, его реализующие.
Объясню зачем так необходимо получать каплю топлива с наименьшим диаметром. Если представим, что капля - это шар и этот шар мы дробим на n частей. В результате получаем, что при одинаковом объеме площадь поверхности увеличивается в n2/3, а так как сгорание происходит с поверхности, то сгорание будет проходить полнее.
Изучая техническую литературу, проведя патентный поиск я выявил метод ультразвукового диспергирования жидкости. Это может позволить получать горючую смесь более качественную, чем при пульверизации. В изученном мной методе в качестве излучателя использован пьезокерамический элемент. Пьезокерамический элемент - это синтетический материал (цирконат - титан свинца "ЦТС"), который обладает свойством деформироваться при прохождении через него электрического тока. Использование этого элемента позволит диспергировать жидкость до более мелких частиц.
Диспергирование капли жидкости требует приложения большой силы, т.к. сила натяжения верхнего молекулярного слоя капли жидкости велика, и для его разрушения требуются большие усилия. Но также необходимо учитывать то, что чем меньше диаметр капли, тем больше значение силы поверхностного натяжения. Поэтому измельчение капель прекратиться в тот момент когда эти силы станут равными по величине. Рассмотрим от чего зависит величина силы разрушающей каплю. По второму закону Ньютона F = ma. В моем случае m - это mкапли, а а- ускорение, а = y''. Ускорение в моем случае изменяется по закону:
Продифференцировав эту функцию два раза получим:
Для повышения качества диспергирования нужно увеличивать силу F, а для этого целесообразно увеличивать частоту , т.к. в функции она возводится в квадрат. Но при рассмотрении диспергирования при помощи пьезокерамического излучателя необходимо учитывать то, что масса элемента во много раз больше массы капли. Только при выполнении этого условия можно говорить об эффективном диспергировании.
От того, на сколько мелко диспергируется топливо, зависит уровень СО, КПД, а использование ультразвукового распылителя повысит качество рабочей смеси, следовательно, смесь будет лучше сгорать и от этого уменьшиться процентное содержание вредных веществ в выхлопных газах и повысится коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Устройство сконструированное на пьезокерамическом элементе эффективно использовать для диспергирования топлива.
Среди изученных изобретений при проведении патентного поиска не обнаружено устройств, подобных по требуемым характеристикам, но запатентованный Англией в 1980 году диспергатор на магнитострикционном преобразователе сходен по выполняемым функциям.
Магнитострикция - это процесс изменения геометрических размеров и формы ферромагнетика при намагничевании. Преобразователь относится к устройствам для тонкого измельчения твердой фазы в суспензиях и пульпах. Использование такого преобразователя с целями диспергирования жидкостей является нерациональным т.к. прибор по своим техническим данным не может работать на высоких частотах (рабочая частота магнитостриктора составляет примерно 15-20 КГц), для обеспечения достаточно мелкого диспергирования требуются высокие частоты. Поэтому характеристики прибора не дают возможности использовать данный его для диспергирования топлива и применять в системе питания двигателя внутреннего сгорания. Поэтому данное устройство можно считать только аналогом прибора конструкцию которого я предлагаю.
После проведения патентного поиска, который показал, что устройства для диспергирования топлива использующих пьезоэффект нет, я приступил к разработке конструкции прибора.
Всю работу можно распределить на три этапа:
На первом этапе была выбрана принципиальная схема генератора ультразвуковых колебаний ( см. рис. 1 ). Схема содержит два каскада: первый каскад представляет собой генератор, а второй каскад усилитель высокой частоты с повышающим трансформатором на выходе.
Для достижения поставленной цели схема генератора была модернизирована, генератор и усилитель высокой частоты были заменены принципиально новыми (см. рис.2). Здесь также как и в первом случае в качестве излучателя использован пьезокерамический элемент, обладающий большим пьезоэффектом.
Полупроводниковый генератор ультразвуковых колебаний состоит из двух каскадов: генератора и усилителя высокой частоты.
Первый каскад представляет собой генератор с положительной обратной трансформаторной связью на транзисторе КТ 807 А с последовательным питанием коллектора. Частота генерации задается колебательными контурами L1, С3.
Второй каскад представляет собой резонансный усилитель высокой частоты, собранный по схеме с общим эмитером на кремниевом транзисторе КТ 803 с последовательным питанием коллектора.
По данной схеме мной был изготовлен макет прибора на котором производились стендные испытания, которые показали, что изготовленный прибор не дает необходимой мощности, а значит силы дробления получаемая с помощью него недостаточно для получения смеси бензин - воздух. Поставленным требованиям удовлетворил только задающий генератор прибора, схема усилителя была "отметена".
Далее нами был разработан духтактный усилитель мощности собранный по схеме с общим эмитером. (см. рис. 3). В принципиальную схему задающего генератора были внесены незначительные изменения. На катушку Т1 была добавлена еще одна обмотка провода ПЭВ 0.5 содержащая 20 витков с выводом от 10го . На сопротивлениях R4 и R5 собран делитель напряжения, которое поступает на базы транзисторов в усилители. При помощи этих резисторов и конденсаторов С4 и С5 регулируется частота колебаний (она настраивается по максимуму), но при этом необходимо учитывать, что излучатель и генератор должны находиться в резонансе.
По этой схеме был изготовлен базовый макет на котором производились лабораторные опыты. Во время проведения опытов диспергировалась вода, трансформаторное масло, бензин. Как предполагалось, качество диспергирования выше чем при пульверизации. В карбюраторе диаметр капли составляет 10-30 мкм, а разработанное мной устройство позволяет получать каплю 0,5 - 1 мкм. Это доказывает утверждение, что при ультразвуковом диспергирование смесь, бензин-воздух, получается более качественная. На этом стендные испытания прибора закончены.
В дальнейшем запланирована разработка электронного устройства для подачи топлива на излучатель. Также планируется проведение испытаний устройства на двигатели "Вихрь" для моторной лодки. На основе результатов, которые будут получены после проведения опыта, можно будет судить о том, на сколько повысился КПД, экономичность и уровень СО. Предлагаемый опыт изображен на рис. 4. Здесь 1 - это динамометр, 2 - прибор измеряющий СО, 3 - часы, 4 - моторная лодка, 5 - двигатель. По показаниям этих приборов можно будет судить об изменениях в работе двигателя, также провести сравнительный анализ с характеристиками карбираторных двигателей.
Испытания на двигателе внутреннего сгорания установленного на автомобиле сопряженны с большими экономическими трудностями, поэтому мы решили остановиться на проведения эксперимента на воде.
В данный момент была оформлена заявка на изобретение и в ближайшее время все необходимые документы будут отосланы в ВНИИГПЭ.