Библиографическое описание:

Притула А. Н., Полуянович Н. К. Управляемый импульсный источник электропитания частотно-регулируемого озонатора // Молодой ученый. — 2011. — №12. Т.1. — С. 39-45.

В статье представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований, нацеленных на преобразование кислорода в озона. Выявлена и оптимизирована зависимость горения топлива с кислородом и озоном. Разработана структурная схема системы озонирования воздуха для ДВС. Разработан адаптивный алгоритм работы автоматизированной системы. Разработан опытный образец устройства озонирования воздуха системы топливоподачи ДВС. Проведено внедрение системы в двигатель внутреннего сгорания. Проведен анализ результатов исследований концентрации отработанных газов, с использованием озонатора и без него.

Ключевые слова: Озонатор, импульсный источник, регулировочная характеристика.

Введение

Существенное увеличение количества автотранспортных средств, во всем мире приводит к необратимому загрязнению окружающей среды. Для снижения выбросов вредных веществ необходимо устанавливать на автомобили системы озонирования воздуха, т.к. озон является сильным окислителем по сравнению с кислородом. При добавлении с озона топливо сгорает полнее, следовательно увеличивается мощность и КПД ДВС. Для реализации такой системы необходимо разработать качественный и мощный источниках питания, преобразующий напряжение бортовой сети автомобиля до десятков КВ [1].

Постановка задачи

Перед авторами стояла цель – разработать импульсный источник питания системы синтеза озона, системы топливоподачи ДВС, Для ее решения были поставлены следующие задачи:

  • повысить коэффициент полезного действия существующей системы [1];

  • снизить энергопотребление установки;

  • улучшить качество преобразования электроэнергии;

  • разработать адаптивный алгоритм управления;

  • упростить конструкцию самой установки и ее монтажа;

  • снизить себестоимость системы.

Новизна работы заключается в создании управляемого микроконтроллером импульсного источника питания с высоким КПД и регулированием процесса синтеза озона.

Разработка устройства синтеза озона.

Поступающий кислород в составе воздуха во время работы двигателя внутреннего сгорания проходит через озонатор [2,3]. Озонатор представляет собой трубу в двумя сетками (рис. 1), на которые подается высокое напряжение, несколько десятков кВ для создания барьерного разряда.

Рис.1. Структурная схема озонаторной установки

Описание принципиальной схемы двухкаскадного импульсного источника питания.

На рис.2. приведена схема двухкаскадного импульсного источника. Трансформатор Т1, с помощью коммутатора, трансформирует напряжение бортовой сети автомобиля из 14В в 4500В. Такой трансформатор имеет высокий коэффициент трансформации, поэтому, паразитная емкость, искажает усиливаемый сигнал. Коммутатор реализован на транзисторе VT7 и является однотактным. Недостатки однотактного преобразовательного источника:

  1. Большой коэффициент трансформации повышающего трансформатора, приводящий к увеличению паразитных емкостей, которые искажают усиливаемый сигнал.

  2. Схемное решение преобразователя имеет следующие существенные недостатки:

  • работа с однополярными токами в обмотках трансформатора требует мер по снижению одностороннего намагничения сердечника.

  • при размыкании ключа энергия, накопленная в индуктивности намагничения трансформатора «повисают в воздухе». В этом случае возникает индуктивный выброс- повышение напряжения на силовых электродах ключевого транзистора, что может привести к его пробою.

  • короткое замыкание выходных клемм преобразователя обязательно выведет силовую часть из строя, следовательно, требуются тщательные меры по защите от КЗ.

  1. Отсутствие встречного транзистору, защитного диода;

  2. Недостаточная производительность вырабатываемого озона связанная с низким КПД источника электропитания.

Рис.2. Принципиальная схема двухкаскадной схемы преобразователя

Проведение эксперимента на определение состава выхлопных газов

На рис.3 представлены временные диаграммы содержания CH (углеводорода), CO (угарного газа), CO2 (углекислого газа), O2 (кислорода) в отработанных газах. В качестве топлива используется бензин. В выхлопной системе автомобиля не имеется катализатора. Мощность потребляемая устройством для преобразования озона равна 60 Вт.

Рис.3. Диаграммы концентрации выхлопных газов автомобиля на холостом ходу (ХХ)

Полученные зависимости содержания CH, CO, CO2, O2 в отработанных газах в результате экспериментального исследования системы воздухоподачи с объемом двигателя 1,5л на холостом ходу (ХХ) показывают, что:

  1. без применения озонатора количество CO составляет 6,4% и CH 335 ppm.;

  2. с использованием озонатора CO снизилось до 4,48% и CH до 235 ppm.

Проведен эксперимент на том же автомобиле, но на 2000 об/мин двигателя (рис.4). Без применения озонатора (данные слева) количество CO составляет 9,83% и CH 410 ppm. При включении озонатора (данные справа) CO снизилось до 8,69% и CH до 290 ppm.

Сравнив полученные результаты рис.5 видим, что в проведенных экспериментах значение СН снизилось на 30%, а СО, в первом случае (при ХХ) на 30%, во втором (при 2000 об/мин) на 22%.


Рис.4. Диаграммы концентрации выхлопных газов автомобиля на 2000 об/мин


Вывод: для снижения уровня загрязнения окружающей среды в среднем на 30% необходимы озонаторные устройства мощностью 60Вт.

Исследование мощностных характеристик устройства

На рис.5 – представлены мощностные характеристики автомобиля с объемом двигателя 1,5л. Тонкими линиями обозначены характеристики двигателя без применения озонатора, а жирными – с применением озонатора. На графике видно, что на низких оборотах двигателя (до 2400 об/мин) мощность (P-норм) и момент (М-норм) с применением озонатора возросли.

Рис.5 –Мощностные характеристики автомобиля с объемом двигателя 1,5л.


Жирная линия-эксперимент с применением озонатора;

Тонкая линия-эксперимент без применением озонатора.

Вывод: с применением озонатора мощность и момент двигателя, до 2400 об/мин больше на 20%, чем без него. Т.е при увеличении мощности озонатора увеличится мощность и момент двигателя на больших оборотах.

Разработка трехкаскадной схемы преобразователя

Разработан импульсный преобразователь напряжения, принципиальная схема которого представлена на рис.6, системы синтеза озона, обладающая следующими достоинствами:

  • высокий КПД;

  • более высокое качество преобразованной электроэнергии;

  • меньшее потребление бортовой электроэнергии автомобиля;

  • меньшие массо-габаритные размеры.

Достижение этих возможностей стало благодаря применению трех каскадного преобразования напряжения, два первых каскада реализованы на трансформаторах, а третий – на умножителе. Каждый трансформатор имеет не высокий коэффициент трансформации, поэтому, паразитная емкость, которая искажает усиливаемый сигнал становится на много меньше. В разработанном импульсном источнике напряжения используется мостовой инвертор, реализованный на транзисторах VT4,VT5,VT9,VT10, что увеличивает генерируемое напряжение в два раза. Таким образом усиливаемый сигнал не искажается, а КПД импульсного преобразователя увеличивается.

Рис.6. Принципиальная схема трехкаскадной схемы преобразователя

Регулировочные характеристики устройства

В ЭСАУ двигателем используется программно-адаптивное управление. Для реализации программного управления в ПЗУ бло­ка управления записывается зависимость длительности впры­ска (количества подаваемого топлива) от нагрузки и частоты вра­щения коленчатого вала двигателя [6]. На рис.13 представлена обобщенная регулировочная характеристика двигателя по составу смеси, горение топлива происходит с кислородом.

Рис. 13. Обобщенная регулировочная характеристика бензинового двигателя по составу смеси при горении топлива с кислородом.

При горении топлива с озоном регулировочная характеристика имеет более равномерный вид (рис. 14), что улучшает переход из одной рабочей точки в другую и улучшает динамику работы системы топливоподачи.

Рис.14. Регулировочная характеристика бензинового двигателя по составу смеси при горении топлива с озоном.


Заключение:

  1. Показана эффективность использования импульсного источника питания для диссоциации кислорода, поступающего в камеру сгорания ДВС;

  2. Представлена зависимость синтеза озона от используемого окислителя в ТВС;

  3. Выявлено влияние озонированной ТВС на концентрацию отработанных газов;

  4. Установлено, что мощность и момент ДВС зависят от используемого окислителя в ТВС.

  5. Использование системы озонирования приводит к изменению регулировочной диаграммы ПЗУ ЭБУ.


Литература:

  1. Притула А.Н., Полуянович Н.К. «Разработка и исследование системы топливоподачи на базе озонатора». Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений. Сборник трудов II Международной научно-практической конференции молодых ученых. 23 - 25 ноября 2010 г. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. — 452 с.

  2. Притула А.Н., Полуянович Н.К. «Разработка системы озонирования воздуха для двигателя внутреннего сгорания» Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления: сборник научных статей по материалам II Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию со дня основания филиала РГГМУ в городе Туапсе, 4-8 октября 2011года/Рос. фонд фундамент. Исслед., Рабочая группа «Морские берега» Совета РАН по проблемам мирового океана, Фил. Рос. гос. гидрометеорол. ун-та в городе Туапсе Краснодар. Края. – Краснодар: Издательский Дом – Юг, 2011. – 416с.

  3. Притула А.Н., Полуянович Н.К. «Устройства озонирования воздуха системы топливоподачи ДВС». Сборник работ победителя отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г.Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж. – Рос. Гос. Техн. ун-т.(НПИ). – Новочеркасск: Лик, 2011. – 575с.

  4. Притула А.Н., Полуянович Н.К. «Проектирование и реализация системы озонирования воздуха для ДВС». Президиум центрального совета Российского Научно-Технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова. 2011г.

  5. Цифровые интегральные микросхемы: Справ. / М. И. Богданович, И. Н. Грель, В. А. Прохоренко, В. В. Шалимов. - Мн.: Беларусь, 1991.- 493с.;

  6. Утин В. Варианты блока питания "Люстры Чижевского". - Радио, 1997, №10, с. 42, 43

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle