5. Конструкторская часть

   1. Электротехнический расчет

Задачей расчета является определение напряжения и мощности источника питания, выбор элементов схемы умножения напряжения: трансформатора, конденсатора, вентилей, резисторов.

Озон является высокоактивным окислителем. Повышение его концентрации в воздушном коллекторе двигателя до 2 об.% существенно улучшает пусковые качества двигателя, повышает реакционную способность горючей смеси и, как следствие, полноту сгорания, и, соответственно, мощность двигателя.

Образование озона осуществляется в воздушном коллекторе в искровом разряде при импульсном напряжении 10-20 кВ. Импульсное напряжение создается обычной катушкой зажигания, работающей от управляющего импульсного генератора с частотой 50-60 Гц.

Опыт промышленных озонаторов показывает, что для получения 100 г озона из кислорода воздуха требуется 600 Вт-ч электроэнергии. В качестве расчета берем двигатель ВАЗ 2123 14, это 4-цилиндровый двигатель мощностью около 80 лошадиных сил.

Для получения концентрации озона в воздушном коллекторе, составляющей 2 об, %, необходимо определить потребную электрическую мощность катушки зажигания. Для этого необходимо знать часовой расход воздуха двигателя. Он равен

(1)

где V_n - рабочий объем одного цилиндра, м³ ,

n - число оборотов двигателя (~ об/мин),

γ₀ - удельный вес воздуха на всасывании (1,225 кг/м³),

η_v - коэффициент наполнения цилиндра (0,75),

i - число цилиндров (4).

Для определения рабочего объема одного цилиндра применили следующую формулу:

(2)

где V-рабочий объем двигателя ВАЗ 2123 14 (V =0,001690 м³ )

Для расчетов выбрано два режима работы двигателя при средних оборотах n=2000об/мин и при работе двигателя на высоких оборотах n=5000 об/мин.

При n₁=2000об/мин

Для начала определено рабочий объем одного цилиндра по формуле (2)

Тогда часовой расход, формула (1), будет равен:

L_h1=30*0,00042*2000*1,225*0,75*4=92,61 кг/ч

Найдем значение часового расхода воздуха в литрах/ час. Для этого воспользуемся формулой (3).

(3)

где L'_h - часовой расход воздуха двигателя в литрах (л/ч).

Для обеспечения 2%-ной концентрации озона на всасывании, необходимо найти количество озонируемого воздуха для этого воспользуемся следующей формулой

(4)

Количество озонируемого воздуха во впускном тракте для обеспечении 2% концентрации

ч

Далее нам необходимо определить потребную мощность блока питания озонатора.

Для определения потребной мощности блока питания озонатора воспользуемся следующей формулой

(5)

Тогда потребная мощность P будет составлять  

Полученные данные сведены в таблицу 2

При n₂=5000об/мин

Тогда часовой расход будет равен:

L_h2=30*0,00042*5000*1,225*0,75*4=231,5 кг/ч

Определено значение часового расхода воздуха в литрах/ час. Для этого воспользуемся формулой (2).

Количество озонируемого воздуха во впускном тракте для обеспечении 2% концентрации

Полученные данные сведем в таблицу 2

Таблица 2. Полученные данные при разных частотах вращения коленчатого вала при n=2000 и n=5000

Частота оборотов n, об/мин	Рабочий объем двигателя V, м3	Часовой расход воздуха	Количество озонируемого воздуха Q1,2, л/ч
при n1=2000	0,001690
при n2=5000

Напряжение, необходимое для создания требуемой концентрации озона определим по следующим формулам:

(6)

где n' – концентрация озона, ион/м3,

е=1,6·10^-19 Кл – заряд аэроиона, принять равным заряду электрона, ε₀=8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная,

U_з–напряжение зажигания короны (табл.3)

Из таблицы 3. Выбрано конструктивное исполнение разрядного устройства и расчетную схему «Игла–плоскость» таким образом, формулы для нахождения напряжения зажигания и тока короны будут следующими:

(7)

(8)

где r – радиусы коронирующего и осадительного электрода, принимаем равным (0,00075) м;

h – расстояние между коронирующими и осадительным электродами (плоскостью), принимаем равным (0,004)м,

r3 – радиус закругления иглы, принимаем равным (0,0001) м,

k₃=1,1…1,2 – коэффициент, учитывающий понижение напряжения в сети.

Для определения количества разрядных игл К_и воспользуемся следующей формулой:

(9)

где – средняя продолжительность жизни аэроиона τ=10 с (0,0028ч),

N_i – Поток озонированного воздуха, озон/ (м с) или озон/с:

Для определения потока озонированного воздуха применяют следующую формулу:

(10)

Таблица 3. Схема и формулы к расчету зарядных устройств

Схема расположения коронирующих электродов	Напряжение зажигания короны, В, при атмосферном давлении 1,013·103Па и 200С	Ток короны А/м
1. Коаксиальные цилиндры
2. Провод – плоскость
3. Провод между плоскостями
4.Провод между плоскостями
5. Игла – плоскость

Далее необходимо определить мощность источника питания .

(11)

где – η=0,1…0,2 – КПД источника питания и линии, соединяющий источник с разрядным устройством,

– мощность разрядной линии, которая в свою очередь определяется по следующей формуле:

(12)

где – ток разрядных игл, который в свою очередь определяется по следующей формуле:

(13)

Далее произведено все необходимые расчеты, и полученные данные сведены в таблицу 4.

Напряжение зажигания короны:

Напряжение необходимое для создания необходимой концентрации озона:

Сила тока :

Потока озонированного воздуха (молекул):

При n₁ =2000 об/мин.

Количества разрядных игл:

Ток разрядных игл:

Мощность разрядной линии:

Мощность источника питания:

При n₂ =5000 об/мин.

Количества разрядных игл:

Ток разрядных игл:

Мощность разрядной линии:

Мощность источника питания:

Таблица 4. Электротехнические данные озонатора.

Частота оборотов n, об/мин	Напряжение зажигания короны В.	Напряжение для создания необходимой концентрации	Сила тока	Количества разрядных игл .	Ток разрядных игл	Мощность источника питания
n1=2000	3212	3212	12*10-6	720	0,00864	305,3
n2=5000				1800	0,0216	763