Лазерная модификация бензина

ЛАЗЕРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕНЗИНА
А.Д. Хороших, А.Н. Малов, А.В. Неупокоева
МБОУ Лицей №1(664043, Иркутск, ул. Воронежская, 2)
e-mail: [email protected]
АННОТАЦИЯ
Экспериментально исследовано влияние лазерного облучения бензина
на
эффективность
работы
двигателя
внутреннего
сгорания
электрогенератора. Выявлено что действие лазерного излучения с длиной
волны 0,65мкм увеличивает время работы при заданной порции горючего
примерно на 8% по сравнению с немодифицированным бензином .
1. ВВЕДЕНИЕ
Быстрое возрастание количества автомобилей с двигателями
внутреннего сгорания (ДВС) ведет к отрицательным экологическим, а
значит, и экономическим последствиям. Массовое применение в машинах
«альтернативных» двигателей (электродвигателей, на спиртах, водородных
и др.) пока еще далеко от реальности, поэтому проблемы экономии
горючего и снижения токсичности выхлопных газов ДВС являются
актуальными.
Снижение расхода горючего на единицу пути может достигаться
разными способами. Один из них - добавление специальных химических
присадок, повышающих, например, октановое число бензина. Другой –
совершенствование самого процесса сгорания топлива в ДВС: введение
дополнительных
свечей,
совершенствование
аэродинамических
характеристик форсунок для впускания рабочей смеси в цилиндр. Все эти
способы накладывают определенные требования на саму конструкцию
ДВС и требуют обеспечения постоянства химического состава бензина. На
практике, однако, бензин по своему составу не так однороден, его состав
зависит от особенностей нефтяного месторождения и способа переработки
исходной нефти.
Целью настоящей работы было экспериментальное исследование
воздействия лазерного излучения на процесс сгорания бензина в ДВС.
Основными преимуществами такого способа являются
 отсутствие необходимости в конструктивных изменениях ДВС и его
системы питания;
 пониженные требования к качеству и составу бензина;
 доступность реализации способа – полупроводниковые лазерные
модули имеются в широком ассортименте на сайтах Интернет - магазинов.
2. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на
эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании
топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в
цилиндре.
Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый
рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает
четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск; сжатие; рабочий ход;
выпуск.
В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий
цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный
двигатель).
На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают
образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции
смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный
впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания
(непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных
двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного
механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения,
возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.
На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливновоздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.
Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливновоздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате
возгорания образуется большое количество газов, которые давят на
поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через
кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное
движение коленчатого вала, которое затем используется для движения
автомобиля.
При
такте
выпуск
открываются
выпускные
клапаны
газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из
цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка,
охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.
Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания
позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного
действия - порядка 40%. В конкретный момент времени, как правило,
только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных –
обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.[1, 2]
Рис.1. Четыре такта работы ДВС
3. ЛАЗЕРНАЯ НАНОКЛАСТЕРИЗАЦИЯ
Хорошо изучено явление лазерной модификации крови при ее
внутривенном облучении- при этом снижается ее вязкость. С другой
стороны, известно, что различные взаимодействия в жидкостях –
полярные, гидрофобные – приводят к возникновению в жидкостях
неоднородностей, которые по своим макроскопическим параметрам
(плотности, теплоемкости и т.п.) могут существенно отличаться от
жидкости в целом. В настоящее время доказано, что даже
низкомолекулярные жидкости, такие как вода, образуют сложную
структуру кластерного типа, которая может меняться под действием
лазерного облучения [3]. Поэтому можно предположить, что лазерное
облучение топлива (бензина) способно изменять состояния его
макромолекул и вызывать различные эффекты, что в свою очередь
способно изменять макроскопические параметры жидкого топлива. Таким
образом, лазерная модификация бензина является перспективным
направлением и имеет целый ряд преимуществ, т.к. не требует
громоздкого и дорогостоящего оборудования, не меняет химический
состав топлива и не влияет на его чистоту.
Современное топливо представляет собой сложную совокупность
веществ с различными физическими и химическими свойствами. Бензин –
это смесь различных углеводородов (парафиновых, олефиновых,
нафтеновых и ароматических). В обычном состоянии бензин представляет
собой взвесь: т.е. крупные кластеры (группы молекул, объединенные
слабыми связями не химического типа) «плавают» среди молекул, не
связанных в единую структуру. В связи с этим неминуемо возникают
неоднородности макроскопических свойств жидкости. В идеале, лазерное
излучение должно поглощаться в основном сгустками молекул –
кластерами – и приводить к их разрушению (распаду на более мелкие
конгломераты). Измельчение кластеров будет приводить к большей
однородности (гомогенности) микроструктуры жидкости, что, в свою
очередь, повлечет выравнивание макроскопических свойств. Если
рассматривать в качестве примера жидкое топливо типа бензина, то
неоднородность свойств должна в существенной мере влиять на процесс
сгорания и, в частности, приводить к неполному сгоранию и образованию
промежуточных продуктов. Гомогезация топлива путем лазерной
фотомодификации в этом случае позволит увеличить эффективность
работы двигателя и уменьшить вероятность образования промежуточных
продуктов окисления.
Известно [4], что молекула в жидкости может находиться в трех
состояниях:
 в свободном состоянии, когда молекула не принадлежит
какому-либо кластеру;
 в условно жидком состоянии, когда молекула принадлежит
кластеру, но энергия ее связи невелика и она обладает способностью
свободно перемещаться по поверхности кластера;
 в связанном состоянии, когда энергия связи молекулы с
другими частицами кластера велика, а подвижность в значительной
степени ограничена.
Из общих соображений понятно, что в процессе испарения легче всего
оторвать от массы жидкости молекулу, находящуюся в свободном
состоянии. На втором месте по энергозатратам на испарение стоят
молекулы, которые находятся в условно жидком состоянии на поверхности
кластера. Поэтому для увеличения испаряемости важно, чтобы кластеры
были как можно мельче, суммарная площадь их поверхности – как можно
больше.
Эффективность работы любого двигателя внутреннего сгорания
(ДВС) определяется в первую очередь составом и качеством рабочей
смеси, впрыскиваемой в камеру сгорания (цилиндр) мотора. В идеальном
случае рабочая смесь является взвесью капель горючего одного,
минимально возможного, размера, такого чтобы весь бензин успевал
полностью сгорать за время рабочего хода поршня. Чем меньше диаметр
капли, тем больше ее поверхность по отношению к ее массе, и тем быстрее
и полнее сгорает топливо, обеспечивая максимальный КПД двигателя.
Реально, однако, при впрыске бензина не удается добиться хотя бы
примерно одинакового размера капель – всегда есть большой разброс по
диаметрам, и поэтому крупные капли сгорают не полностью, давая свой
вклад как в нагар на деталях, так и в токсичность выхлопных газов. Это
связано с тем, что в самом бензине молекулы не находятся в
изолированном, отдельном, состоянии, а объединяются в группы
различных размеров, называемые кластерами (или ассоциатами молекул).
Размеры кластеров, хоть непрерывно и меняющихся, лежат в диапазоне от
нанометров до микронов и более. В кластерах связь между молекулами
довольно слабая и для ее разрыва достаточно энергии кванта лазерного
света. Нанокластеризация бензина при его облучении лазером перед
впрыском в камеру сгорания разрушает в первую очередь самые крупные
кластеры и приводит к повышению однородности кластеров по диаметру
(с одновременным их уменьшением до нанометров), что позволяет затем
получать в рабочей смеси капли бензина одинакового и минимального
диаметра. Именно это обстоятельство и позволяет уменьшить расход
бензина на единицу вырабатываемой мощности, снизить токсичность
выхлопных газов, уменьшить износ деталей двигателя и т.п.
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Эксперимент выполнялся по измерению времени сгорания бензина в
бензиновом электрогенераторе «HONDA Geko GX 270», мощностью 1Квт
(рис. 2, 3). Заливали 200мл бензина в трех вариациях:
1)
без какого-либо воздействия;
2)
все время работы генератора бензин облучался лазерным
излучением с длиной волны 0,65 мкм (количество источников излучения,
закрепленных на корпусе топливного фильтра, варьировалось от 3 до 8);
3)
все время работы генератора бензин облучался лазерным
излучением с длиной волны 0,53 мкм.
Затем предварительно прогретый электрогенератор включали в
режиме холостого хода (без внешней нагрузки) и измеряли время, за
которое весь бензин израсходуется, т.е. пока генератор не отключится.
Рис.
1.
Внешний
вид
Рис. 2. Внешний вид моторного
модификатора
бензина на стенда с модификатором бензина на
основе топливного фильтра
основе топливного фильтра
4. РЕЗУЛЬТАТЫ
На основании экспериментов, выполненных на моторном стенде,
путем измерения времени выработки малого объема бензина (0,2 л), можно
сказать, что даже минимальное время сгорания модифицированного
топлива превышает время сгорания немодифицированного (рис. 4). Время
сгорания 200 мл бензина без лазерной модификации составляло 297 сек.
Среднее время сгорания 200 мл бензина, модифицированного различными
способами, составляет 320±11 сек. В среднем, увеличение времени
сгорания составило около 23 сек или около 8%.
Рис. 4. Время сгорания 200 мл бензина АИ 92. 1 –немодифицированный
бензин, 2-6 – бензин при модификации излучением с длиной волны 0,65 мкм,
7 – бензин при модификации излучением с длиной волны 0,53 мкм.
5. ВЫВОДЫ
Экспериментально показано, что воздействие лазерным излучением
на бензин через стенку топливного фильтра позволяет увеличить время
сгорания бензина в двигателе в среднем на 8%. Выявленные изменения
также указывают на то, что под действием лазерного излучения изменяется
микроструктура бензина, что открывает новые перспективы для
использования полупроводниковых лазеров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://vankel.narod.ru/principle.html
2. Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki ДВС
3. Малов А.Н., Неупокоева А.В., Бородин А.Н. Лазерная нанокластеризация
бензинов // В кн.: «Физика: Фундаментальные и прикладные исследования,
образование: Материалы VIII региональной научной конференции» Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2009. – с. 289 – 293.
4. Malov A.N., Neupokoeva A.V., Borodin A.N. Laser nanoclusterization of
gasolines // In «Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and
Microelectronics, workshop/ Abstracts» Vladivostok, September, 14 – 17, 2009
- p. 1-3.
5. Малов А.Н., Неупокоева А.В., Бородин А.Н. Исследование динамики
микроструктуры жидкости при лазерном воздействии // В кн.: «Научная
сессия НИЯУ МИФИ-2010. Сб. научных трудов. Секция ФОТОНИКА И
ИНФОРМАЦИОННАЯ ОПТИКА» - М.: МИФИ, 2010. – стр. 101-102.