IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

«Еслимыхотим «навестипорядокнадорогах», тонеобходимообуздатьэнтропию передвижения в «человеко-машинных системах», коими являются дорожно-транспортные инфраструктуры, - вавтомобилях, в частности. Этот фундаментальный принцип можно реализовать только системами того же класса («человеко-машинными»), но более организованнымии более быстродействующими..» (например, как «БАКСАН»)- из обращения Ростовских ученых к Президенту РФ на парламентских слушаниях в Совете Федерации РФ 7 июня 2004 г.

С каждым годом антропогенная нагрузка на окружающую среду продолжает расти, что обусловлено, во-первых, удвоением населения планеты каждые 13 лет, во-вторых, увеличением потребления каждым индивидом топливно-энергетических ресурсов, а в-третьих, и это главное – отсутствием системы подавления и компенсации указанной нагрузки техносферой, создаваемой человеком [1].

Блочная Адаптивная Коммуникационная Система Автоматизированного Надзора («БАКСАН») является частью такой системы подавления антропогенной нагрузки в транспортной инфраструктуре техносферы и представляет собой автомобильный программно-технический комплекс, включающий в себя датчики, устройства, блоки и бортовой компьютер, объединяющий их в подсистемы [2].

Подсистема ультразвукового и магнитоэлектрического подавления и контроля «топливного вреда» включает в себя [2,3]:

ДИК - двухконтурный диэлектрический индикатор качества топлива,

ДУЭТ - двухканальное устройство электрообработки топлива и кислорода,

МУЗА - модуль ультразвукового аэрозольного впрыска топлива.

Целевая функция подсистемы - обеспечение полного сгорания топлива, - реализуется, за счет поляризации молекул топлива и «отрыва» примесей при его динамической высоковольтной обработке в жидкой фазе (1-й канал ДУЭТ), с контролем возрастания его октанового (цетанового) числа (1-й канал ДИК), а также последующим ультразвуковым распылением (МУЗА) и переводом топлива в аэрозольную, а затем в парогазовую фазу в карбюраторе или в форсунках впрыска. При этом 2-й канал ДИКТ контролирует качество и количество заливаемого в бак горючего.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что такая структура подсистемы является оптимальной, т.к. более половины суммарных выбросов в атмосферу приходится на автомобильный и железнодорожный транспорт с системами впрыска топлива (дизельный, газовый и бензиновый), а основной причиной значительного содержания в выбросах СnН_m,С и СO, является неполное сгорание углеводородов [1-4].

В основе существующих систем впрыска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) лежит решение задачи Релея о неустойчивости струи жидкости, поэтому, модели карбюратора и форсунки, оптимизирующих впрыск топлива были построены на граничных решениях указанной задачи при воздействии ультразвука [3]:

- при диаметре сопла в 1 мм. можно в течение одного такта ДВС осуществить впрыск 2 г топлива, при этом минимальная частота ультразвука должна составить 73,17 КГц, а максимальная, с распадом струи на капли в 500 мкм в течение 30 нс, - 665,18 ГГц;

- «многосопловая» конструкция форсунки позволит осуществить впрыск 14 г. топлива, при этом минимальная частота ультразвука должна составить 1,8 МГц, а максимальная, с распадом струи на капли в 50 мкм в течение 3 нс., - 6651,88 ГГц.

Реализовать подобные модели пока невозможно, следовательно, дисперсность топлива следуеть изменить до впрыска с помощью ультразвука, что позволяет изначально получить капли диаметром несколько микрон в виде аэрозолей, диаметр которых составит [4]:

, (1)

где λ_k- длина капиллярной волны, σ - коэффициент поверхностного натяжения, ρ- плотность жидкости, f- частота акустических колебаний.

Существуют 2 способа получения аэрозолей с помощью ультразвука: распыление в слое и в ультразвуковом фонтане. В ультразвуковом карбюраторе (УЗК) выбран способ распыления в ультразвуковом фонтане, а для перехода в парогазовую фазу всех молекул топлива, применен «догрев» аэрозолей токами высокой частоты (ТВЧ-нагрев).

Данный принцип отработан на макете, состоявшем из камеры УЗК и электронного блока (рис.1), который содержал в себе трансформатор питания (12 в.) и ВЧ-генератор. Ультразвуковой преобразователь (УЗП), представляющий фокусирующий излучатель, закрепленный на дне емкости (рис.1), был выполнен в виде диска из пьезоматериала диаметром 20мм, толщиной 1мм с рабочей частотой 1,8мГц. При экспериментальной проверке макета «на воде» были получены следующие результаты: производительность– 1 л/час, размер капель – 3 мкм, потребляемая мощность – 60 ватт.

Рисунок 1. Схемы ультразвукового карбюратора и гиперзвуковой форсунки

Для инжекторных ДВС разработана модель гиперзвуковой форсунки (ГЗФ), которая строится на принципе «термо-распыления в слое», т.е. комбинированном воздействии ультразвука и токов высокой частоты (ТВЧ-нагрев) на предварительно дозированное количество топлива, втекающего в форсунку, что позволяет, подобрав частоты и мощности ультразвука, получить топливную аэрозоль, а затем с помощью ТВЧ «испарить» ее в форсунке за три такта работы ДВС, а в четвертом – произвести впрыск уже парогазовой фазы в цилиндры [4]. Для обеспечения стехиометрии топливной смеси, в форсунке применено сопло Лаваля, обеспечивающего сверзвуковую скорость истечения газовой струи, а клапан впрыска сделан в форме модифицированного генератора Гартмана (рис.2).

ДУЭТ сконструирован на базе 2-х устройств электростатической обработки топлива УТЭ-01 (Тула) и отличается введением ДИК – диэлектрического индикатора качества топлива, для контроля его октанового (цетанового) числа [2,4].

Рисунок 2. Индикатор качества автомобильных бензинов (ИКАБ)

Подсистема адаптивной обработки и контроля входящих и отработанных газов включает в себя [2,4,5]:

ФАНГ - фильтр-адсорбер-нейтрализатор-глушитель,

ФУМС - двухкаскадный воздушный фильтр-утилизатор с магнитоэлектрической сепарацией кислорода,

ДММБ - двухканальный манометрический блок (противодавления ФАНГ и вакуума ФУМС).

Целевая функция подсистемы - обработка и контроль входящих и отработанных газов - обеспечивается адсорбированием токсичных компонентов отработанных газов «сменными патронами» пористого алюминия в ФАНГе, и поглощением окружающего «дорожно-транспортного вреда» аналогичными патронами первого каскада ФУМСа, расположенного под днищем, превращающим автомобиль в «пылесос» дорожной пыли, с контролем противодавления (ДММБ), для своевременной замены «патронов», а также сепарацией кислорода из воздуха вторым каскадом ФУМСа, для «кислородного наддува» двигателя, что обеспечит стехиометрию смеси топлива с поляризованными молекулами кислородной смеси при их высоковольтной обработке 2-м каналом ДУЭТ.

В обоих случаях «аэрозольного впрыска» (УЗК и ГЗФ), для полного сгорания углеводородного топлива и исключения особотоксичных выбросов (NO_x и СnN_m), обусловленных использованием в существующих ДВС топливно-воздушной смеси, используется термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ) [5], позволяющий подавать в цилиндры только кислород (О₂). Опытный образец ТМСВ для карбюраторного ДВС (рис.3), устанавливается вместо воздушного фильтра ДВС. Сепаратор выполнен в виде спирали с охлаждаемым каналом прямоугольного сечения с размерами 2х10 см. и диаметром 650 мм., внутри которого помещены магниты с чередованием расположения магнитных полюсов. Такая конструкция обеспечивает экспоненциальное уменьшение величины напряженности магнитного поля и температуры по направлению к противоположной стенке канала, что позволяет получить на выходе сепаратора пространственное разделение кислорода (парамагнетика) и остальных газов, являющихся диамагнетиками.

ФАНГ - фильтр-адсорбер-нейтрализатор-глушитель реализует хемосорбцию и окклюзию токсичных компонент отработавших газов (ОГ), сажи, золы и шума ДВС. Рабочими элементами ФАНГ являются цилиндры из литого пористого алюминиевого сплава (рис.4), обладающего следующими свойствами [2,4]: пористость в пределах 50 - 70% ; удельный вес 0,7 - 1,3 г/см³; коэффициент проницаемости 10^-9-10^-11 м², грязеёмкость в 5-6 раз выше, чем у традиционных сетчатых материалов; шумопоглощающие свойства в диапазоне частот от 500 до 8000 Гц близки к значениям для поролона и минераловатной плиты; температурные нагрузки до 800ºС.

Рисунок 3. ТМСВ для УЗК

Испытания ФАНГ показали его высокую эффективность: у карбюраторных ДВС выброс оксидов углерода снизился на 15%, выбросы углеводородов - на 69,4%; у дизельных ДВС дымность в режиме холостого хода уменьшилась на 95,8%; зафиксировано уменьшение шума с 82 до 71 дБ, что эквивалентно снижению уровня звукового давления в 2 раза.

Рисунок 4. Схема фильтра-адсорбера-нейтрализатора-глушителя (ФАНГ)

Первый каскад ФУМС (совмещаемый с ФАНГ) реализует фильтрацию и поглощение пылевых компонент придорожного воздуха, благодаря применению тех же рабочих элементов, из того же высокопористого алюминия.

Проведенные исследования показали, что в пылевой нагрузке Ростова-на-Дону на долю ДВС приходится 1184 тонны топливной золы и 6795 тонн сажи в год, а всего в приземном слое воздуха образуется (от истирания шин и дорожного покрытия, продуктов дефляции почв и т.д.) 20849 тонн «транспортно-природной пыли» в год. За вычетом «дорожно-транспортного вреда», поглощаемого ФАНГ, на долю ФУМС остается 16268 тонн в год или, в среднем 82 кг. пыли в год на каждый автомобиль. Указанную массу пыли одно автотранспортное средство (АТС) может собрать за 1250 моточасов, если ФУМС составить из 10 «патронов пористого алюминия». Нетрудно представить себе каким чистым может стать любой город, улицы которого будут «убирать каждый день десятки и сотни тысяч автопылесосов»!

Возможность регенерации «патронов» пористого алюминия обработкой сжатым воздухом, паром или водой под давлением, позволили создать модель сепарации «утилизируемого ими дорожно-транспортного вреда» (таблица 1).

Таблица 1. Модельные данные утилизации и сепарации дорожно-транспортного вреда

Предварительные расчеты показывают, что применение УЗК, ГЗФ и МЭС на автомобильном транспорте позволит снизить токсичность выборосов и потребление топлива в 2-3 раза, при сохранении мощности ДВС на валу. Не исключено, что такие же параметры мы получим при использовании МЭС и доработке ГЗФ для дизельных ДВС, что позволит применить их на речных и морских судах, а также на железнодорожном транспорте.

Оценки дефицита/префицита кислорода и углекислого газа при внедрении «БАКСАН» показали (табл. 3, п.3.3 и п.3.6), что за 7 летний цикл круговорота углерода через «биоархитектуру города», можно остановить деградацию атмосферы в Ростове-на-Дону [1,2,9,10].

Литература

1. Баранов П.П., Белозеров В.В., Верещагин В.Ю., Загускин С.Л., Панич А.Е., Рыбалка А.И., Топольский Н.Г. Синергетика права, экономики и безопасности - в сб. мат. Межд.конф. "Наука и будущее: идеи, которые изменят мир" /14-16.04.2004, Москва/, М., ГГМ им. В.И.Вернадского РАН (Фонд «Наука и будущее»), 2004. С.24-27.

2. Бадалян Л.Х., Белозеров В.В., Бушкова Е.С., Доля В.К., Прус ЮВ. «БАКСАН» - система утилизации автомобильного вреда – в сб.мат-лов VI Междунар.науч.-практ.конф. «Экономика природопользования и природоохраны» /Пенза, 10-11.04.2003, ISBN 5-8356-0229-4/, Пенза, ПДЗ (МАНЭБ), 2003, с.169-173.

3. Белозеров В.В., Крамаров Ю.А., Панич А.Е. Ультразвуковая форсунка пониженной токсичности - в сб. мат. Всерос.науч.-практ.конф. "Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение" (ISBN 5-89071-036-2), Ростов н/Д: РГСУ(ЮРО РААСН), 2003. С.185-190.

4. Белозеров В.В., Бушкова Е.С., Денисенко П.Ф., Кравченко А.Н., Лыженков В.Н., Пащинская В.В. Модель сепарации и подавления токсичности автотранспортных средств - в Межвуз.сб.науч.трудов "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды" (Выпуск №5, ISBN 5-89071-065-6), Ростов н/Д, РГАСХМ, 2001, с.104-107.

5. Белозеров В.В., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Модель кислородно-азотного сепаратора - в сб. мат. Всерос.науч.-практ.конф. "Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение" (ISBN 5-89071-036-2), Ростов н/Д: РГСУ(ЮРО РААСН), 2003. С.352-362.

6. Белозеров В.В., Пащинская В.В. Компьютерное наблюдение в системе безопасности дорожного движения - в сб. мат. 9-й Межд.конф. "Системы безопасности» – СБ-2000" Междунар. Форума информатизации, ISBN 5-9229-0013-7/ - М., АГПС МВД РФ, 2000, с.175-177.

7. Летнев О.В., Тесля Э.П. Способ динамической идентификации различного рода объектов и система для его осуществления /Патент РФ № 2152076 от 27.06.2000/.

8. Азаров А.Д., Бадалян Л.Х., Белозеров В.В., Денисенко П.Ф., Пащинская В.В., Рейзенкинд Я.А., Шевчук П.С. «КАСКАД» - Адаптивная система безопасности дорожного движения – в сб. мат-лов 7-й Всерос.науч.-практ.конф. «Техносферная безопасность» /2 ч., ISBN 5-89071-036-2/ , Ростов н/Д, ЮРО РААСН (РГСУ), 2002, с.191-197.

9. Айдаркин Е.К., Белозеров В.В., Богуславский Е.И., Гарин В.М., Громова Л.А., Травин В.И., Пащинская В.В., Сухоносов Е.А., Шевчук П.С. Биотехнологии в транспортных инфраструктурах - в сб. мат-лов Всерос.науч.-практ.конф. «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» /ISBN 5-89071-036-2/, Ростов н/Д, РГСУ, 2004, с.194-201.

10. Бадалян Л.Х., Баранов П.П., Белозеров В.В., Пащинская В.В., Рыбалка А.И. «САДТЭН» - биотехническая, экономико-юридическая макросистема – в сб.мат-лов VI Междунар.науч.-практ.конф. «Экономика природопользования и природоохраны» /Пенза, 10-11.04.2003, ISBN 5-8356-0229-4/, Пенза, ПДЗ (МАНЭБ), 2003, с.163-166.

Код для цитирования: Скопировать