Model development of adiabatic internal combustion engine – compressor and experimental research of key elements of the model (Project 2007-6-1.6-32-03-058 under the authority of S. I. Bosyi)

Bosyi Sergei Ivanovich PhD in Technical Science  Chief Technologist, Scientific Technological Production Organization of Space Instrument-Engineering “Kvant” 344090, Russia, Rostov-on-Don, Milchakova Street 7 kvant51@list.ru Other publications by this author

Belozerov Valerii Vladimirovich Doctor of Technical Science General Director at LLC “Scientific Technological Production Center OKTAEDR”; Professor at the department of Automation of Production Processes, Don State Technical University 344091, Russia, Rostov-on-Don, ul. Kashirskaya, 22-41 safeting@mail.ru Other publications by this author

Резюме проекта 2007-6-1.6-32-03 «Разработка модели адиабатного двигателя внутреннего сгорания-компрессора и экспериментальные исследования основных элементов модели»

Цель работы - разработка модели адиабатного двигателя внутреннего сгорания-компрессора (АДВСК) и экспериментальные исследования элементов «гибридизации» существующих ДВС с компрессором, для создания на следующем этапе АДВСК для автомобилей «скорой пожарной помощи» и для самоходных установок пожаротушения атмосферным азотом с разработкой ТЗ на проектирование опытно-промышленных образцов.

Описание поставленной научной задачи и предлагаемых подходов к ее решению

Как известно ^[1], атмосферный воздух, используемый транспортом для сжигания углеводородных топлив, имеет следующий объемно-массовый состав: азот (N2) – 78,08% (28,01 a.e.); кислород (О2) – 20,95% (31,99 a.e.); аргон (Ar) - 0,93% (39,94 a.e.); оксиды углерода (CO, СО2) – 0,03% (28-44 a.e.); водород и гелий (Н2,Не)– 0,01% (2-4 a.e.); остальные компоненты (СН4, Н2О) – 0,01% (17-18 а.е.).

Таким образом, в реакции сгорания топливно-воздушных смесей, около 80% воздуха является «балластом», повышающим вред окружающей среде в результате физико-химических процессов с ним (появление в отработанных газах NOx, NH3, HCN), а также мешающим полному сгоранию топлива (появление в отработавших газах С, СО, СnHm). Поэтому очевидным путем сокращения токсичности выбросов и достижения норм Евро-5, является создание и реализация моделей двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающих на топливно-кислородной смеси ^[2].

Известны способы обогащения кислородом и воздуха ^[3], и других газовых смесей ^[4], в т.ч. для двигателей ^[5] и транспортных средств ^[6], которые построены на разных принципах (ректификации, вихревом, мембранном и т.д.), а также устройства, реализующие такое обогащение ^[7]. Известны также аналоги, использующие парамагнитные свойства кислорода и центробежную силу для его отделения с помощью вращающихся плоскостей с магнитными зазорами ^[8].

Однако такая простая идея, порождает сразу несколько проблем, которые на первый взгляд кажутся неразрешимыми.

Во-первых -замена воздуха на кислород приведет к повышению температуры и давления в цилиндрах в 1,5-2 раза, что потребует применения термобаростойких материалов с рабочим диапазоном температур от -50 до 2500ºС и давлений от 0,01 до 5 МПа ^[2];

Во-вторых – применение кислорода, видимо, окончательно «поставит крест» на карбюраторных системах смесеобразования, и усложнит задачу впрыска в инжекторных и дизельных ДВС, из-за бифуркационного характера самовоспламенения топливно-кислородных смесей ^[9];

В-третьих – повышение температуры рабочих процессов усложнит задачи теплообмена и газообмена, включая выбросы, а также процессов управления ими ^[2];

В-четвертых – указанный комплекс проблем потребует непростых конструкторских и технологических решений, включая получение, хранение и использование кислорода, который является сильнейшим окислителем, приводящим к горению, коррозии и т.д., т.к. в химическом отношении считается самым активным после фтора неметаллом ^[1,9].

В настоящем проекте планируется найти решение указанных проблем следующим образом.

Первую проблему из перечисленных (материаловедческую) планируется решить, путем разработки моделей и создания керамических и металлокерамических деталей и узлов ДВС с применением нитридной или циркониевой керамики ^[10]. При этом испытания керамических образцов и металлокерамических элементов планируется провести на термо-баро-электро-акусто-эмиссионном дериватографе («ОКТАЭДР»), макет которого разработан (госконтракт № 3428р/5823 от 18.08.2005) в рамках программы «СТАРТ-05» ^[11], и в настоящее время в «НПТЦ ОКТАЭДР» идет подготовка к постановке на производство (совместно с предприятиями оборонно-космического комплекса - ФГУП НПП «Геофизика-Космос», ФГУП ОНПП «Технология» и НПП космического приборостроения «Квант») установочной серии первого отечественного дериватографа ^[12]. Именно «ОКТАЭДР» (рис.1) позволит определить необходимые параметры материалов для этих целей (таб.1), включая новый параметр – термобаростойкость ^[13], т.к. в нём уже реализованы режимы адаптивных термобароударов в термокриостате Пельтье в диапазонах ±50ºС и 0,001-0,1 МПа, и адаптивного термобаронагружения в электропечи до +1200ºС и 0,001-0,1 МПа, позволяющие «ускоренно состарить» образец, диапазоны которых в дериватографах установочной серии планируется расширить: в термокриостате - до ±80ºС и 0,0001-1,0 МПа, в электропечи - до +2000ºС и 0,0001-1,0 МПа ^[14].

Рисунок 1. Схема «ОКТАЭДРа»

1 – термокриостат; 2 – тигель-дилатометр эталона; 3 – тигель-дилатометр образца; 4 – термопара; 5 – шток-волновод; 6 – датчики АЭ; 7 – аналитические весы; 8 – нижняя обкладка емкостного датчика (дна); 9 – средняя обкладка емкостного датчика (поверхности); 10 – верхняя обкладка емкостного датчика (крышки); 11 – магнит; 12 – катушка (датчик Холла); 13 – электропечь; 14 – лазерный интерферометр; 15 – лазер с модулятором длительности; 16 – отраженный луч в фотоприемник; 17 – лазерный импульс в образец; 18 – отражающая часть обкладки; 19 – измерители иммитанса Е7-20; 20 – модуль управления лазерами; 21 – контроллер; 22 – АЭ-модуль АLine-32DPC8; 23 – РС «Pentium-IV».

Таблица 1. Способы термического анализа и параметры материалов

Вторую проблему из перечисленных (распыления и впрыска топлива), как для инжекторных, так и для дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), намечено решить с помощью подсистемы, модель которой будет включать в себя три устройства, управляемых бортовым компьютером ^[2,15-18]:

МУЗА - модуль ультразвукового аэрозольного впрыска топлива,

ДУЭТ - двухканальное устройство электрообработки топлива и кислорода,

ДИКТ - двухконтурный диэлектрический индикатор качества топлива.

Целевая функция подсистемы - обеспечение полного сгорания топлива, - будет реализована, за счет кластеризации и поляризации молекул топлива (1-й канал ДУЭТ), а также «отрыва осколков-примесей» при его динамической высоковольтной обработке в жидкой фазе, с контролем возрастания октанового (цетанового) числа (1-й канал ДИКТ), а также последующим (МУЗА) ультразвуковым распылением контролируемой порции топлива в аэрозольное состояние и переводом его в парогазовую фазу в форсунках впрыска с помощью СВЧ-догрева (рис.2), с дальнейшим сверхзвуковым впрыском в цилиндры. При этом 2-й канал ДУЭТ должен обеспечить поляризацию контролируемой порции кислорода, а 2-й канал ДИКТ - контролировать качество и количество заливаемого в бак горючего.

Рисунок 2. Схемы ультразвукового карбюратора и сверхзвуковой форсунки

Несмотря на то, что принцип и устройство электрообработки топлив давно защищены патентами РФ ^[19,20], а индикатор качества автомобильных бензинов выпускается, как «наливной прибор» (рис.3), который придется сделать «проточным», исследовать и «добавить в него» дизтопливо ^[17], на все указанные устройства, в связи с их доработкой, изменением или расширением функций, будут поданы заявки на изобретения.

Рисунок 3. Индикатор качества автомобильных бензинов (ИКАБ)

Третью и четвертую проблемы из перечисленных (теплофизические и физико-химические) планируется решить переводом ДВС в адиабатный режим (например, путем изготовления гильз цилиндров из керамики, а поршней и головки блока цилиндров – из металлокерамики), включая применение впрыска в цилиндры водяных аэрозолей во время «рабочего хода», а также с помощью подсистемы, модель которой будет состоять из трёх устройств, управляемых бортовым компьютером ^[2,21-23]:

ФАНГ - фильтр-адсорбер-нейтрализатор-глушитель,

ФУМС - двухкаскадный воздушный фильтр-утилизатор с термомагнитной сепарацией воздуха на кислород (парамагнетик) и остальные газы (диамагнетики),

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

Целевая функция подсистемы - обработка и контроль входящих и отработавших газов - обеспечивается адсорбированием токсичных и пылевых компонент выхлопных газов «сменными патронами» пористого алюминия в ФАНГе, и поглощением окружающего «дорожно-транспортного вреда» аналогичными патронами первого каскада ФУМСа (рис.4), с соответствующим контролем противодавления и вакуума (ДММБ), для своевременной замены «патронов», а также сепарацией кислорода из воздуха вторым каскадом ФУМСа (рис.5), для «кислородного наддува» двигателя, что должно обеспечить полную стехиометрию поляризованных молекул парогазовой фазы топлива с поляризованными молекулами кислорода 2-м каналом ДУЭТа.

Рисунок 4. Схемы «патронов из пористого алюминия»,ФАНГ и 1-го каскада ФУМС

ФАНГ - реализует хемосорбцию и окклюзию токсичных компонент отработавших газов, сажи, золы и шума ДВС. Рабочими элементами ФАНГ являются цилиндры из литого пористого алюминиевого сплава (рис.4), обладающего следующими свойствами ^[2,21]: 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 900ºС.

Испытания ФАНГ ^[21] показали его высокую эффективность: у карбюраторных ДВС выброс оксидов углерода снижался на 15%, выбросы углеводородов - на 69,4%; у дизельных ДВС дымность в режиме холостого хода уменьшалась на 95,8%; зафиксировано уменьшение шума с 82 до 71 дБ, что эквивалентно снижению звукового давления в 2 раза.

Первый каскад ФУМС (аналогичный ФАНГ) будет осуществлять фильтрацию и поглощение пылевых компонент придорожного воздуха, благодаря применению тех же рабочих элементов, из того же высокопористого алюминия. При этом возможность регенерации «патронов» пористого алюминия обработкой сжатым воздухом, паром или водой под давлением, позволят применять их многократно ^[2,21].

Рисунок 5. Термомагнитный сепаратор воздуха под карбюратор

Второй каскад ФУМСа (рис.5) представляет собой термомагнитный сепаратор воздуха (ТМСВ), устанавливаемый, например, вместо воздушного фильтра ДВС, выполненный в виде спирали, с охлаждаемым элементами Пельтье каналом прямоугольного сечения с размерами 2х10 см. и внешним диаметром 650 мм., внутри которого помещены магниты с чередованием расположения магнитных полюсов. Такая конструкция, разработанная в ходе НИР по программам и грантам Минобразования РФ ^[2,24] и, защищенный в последствии заявкой на изобретение «витковый» вариант с «наноперегородкой-мембраной» ^[25], обеспечивает уменьшение величины напряженности магнитного поля и температуры по направлению к противоположной стенке канала, что позволяет получить на выходе сепаратора пространственное разделение кислорода (парамагнетика) и азота с остальными газами, являющимися диамагнетиками.

В этом случае, в пренебрежении диссипации энергии в газовом потоке, вызванного силами вязкого трения, уравнение движения газа (уравнение Эйлера), через - поле вектора скоростей газа, p - давление газа, - магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н - напряженность магнитного поля, можно записать в следующем виде ^[22,23]:

(1)

Считая движение стационарным и безвихревым (потенциальным), т.е. при и

, в силу известного векторного соотношения ,

имеем

(2)

Используя уравнение состояния идеального газа , выразим плотность газа через его давление , откуда следует

(3)

или, в эквивалентном виде

(4)

Считая скорость движения газа в канале сепаратора постоянной величиной

(5)

запишем выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

(6)

где - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Для смеси газов с различными магнитными свойствами, в силу принципа детального равновесия, все сказанное выше справедливо для каждой отдельной компоненты смеси, т.е. распределению плотности каждой отдельной компоненты в смеси газов соответствует свое собственное распределение Больцмана, в которое входит магнитная поляризуемость отдельной молекулы определенной компоненты смеси газов, потенциальная энергия которой зависит от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора.

Таким образом, плотность молекул газа, обладающего парамагнитными свойствами, т.е. кислорода (O2), магнитная поляризуемость молекул которого положительна, будет увеличиваться в области сильного магнитного поля, а плотность азота (N2) и остальных атмосферных газов, обладающих диамагнитными свойствами, магнитная поляризуемость молекул которых отрицательна, будет уменьшаться (с «мешающим» восстановлением за счет диффузии). Следовательно, оставалось найти и изготовить такую конфигурацию расположения магнитов в цепочке, чтобы обеспечить независимость квадрата напряженности магнитного поля от x - координаты, изменяющейся вдоль трубы, что и было реализовано в макете ТМВС (рис.5).

В дальнейшем, для повышения эффективности сепарации, в т.ч. для уменьшения нормальной диффузии, мешающей полному разделению, был разработан «витковый» вариант с «наноперегородкой-мембраной» из того же пористого алюминия ^[25], устанавливаемой вдоль канала на расстоянии, соответствующем объемным концентрациям кислорода (21%) и азота с остальными газами (79%), которая к тому же «ускоряла» сепарацию за счет кнудсеновской диффузии (рис.6).

Рисунок 6. Витковый вариант термомагнитного сепаратора воздуха

Как показали исследования ^[2,22-28], схема сепарации кислорода из воздуха (а не хранение и использование его в специальных баллонах и т.д.), является наиболее эффективной, т.к., во-первых, реализует режим «бесконечного» источника кислорода, т.е. сепарирующей из воздуха такое количество молекул кислорода, какое необходимо для полного сгорания топлива, а во-вторых, реализует режим «бесконечного» источника охлажденного азота (до температуры ниже 0ºС, в зависимости от сезона и метода охлаждения стенки канала), который, являясь инертным и отличным огнетушащим составом, может быть использован в системе охлаждения ДВС, а также может накапливаться и использоваться (после отделения от остальных диамагнетиков мембранной системой) во многих основных и вспомогательных подсистемах автомобиля (например, в газовой подсистеме тормозов, в автоматической подсистеме накачивания и контроля давления в шинах, в автоматической подсистеме газовых амортизаторов с их подкачкой и выравниваем клиренса в зависимости от нагрузки, в автоматической подсистеме пожаротушения и т.д.), что повысит безопасность его эксплуатации ^[24,26,28].

В качестве бортового компьютера подойдет любой из отечественных БК (например, БК 11 - 22, «Омега», «Гамма»), который сможет обеспечить и управление сепаратором, и управление всеми другими разрабатываемыми устройствами и блоками.

Моделирование использования ТМСВ привело к новой схеме ДВС, совмещающего в себе функции двигателя и компрессора для сепарации воздуха ^[2] – компрессора-двигателя с «блуждающими» рабочими цилиндрами (КДВС-БРЦ).

Принцип работы КДВС-БРЦ можно представить на 6-ти цилиндровом U-образном ДВС, у которого все поршни работают синфазно со сдвигом рабочего цикла между «тройками цилиндров» на 360 градусов. У каждой «тройки» цилиндров два своих распредвала («компрессорный» и «рабочий») и у каждого цилиндра четыре клапана (два «компрессорных» и два «рабочих»), а входные и выходные коллекторы двойные («компрессорные» и «рабочие»). При этом входной коллектор присоединен к ТМСВ: («компрессорный» к «азотному» выходу сепаратора, а «рабочий» - к «кислородному»), «рабочий» выходной коллектор присоединен к подсистеме обработки выхлопа (ФАНГ-ДММБ), а «компрессорный» выходной коллектор – к подсистеме очистки и накапливания азота (мембранный фильтр-ресивер).

Тогда циклограмму работы КДВС-БРЦ (пусть для определенности это дизель) можно описать следующим образом, начиная с верхней мертвой точки (ВМТ) 1-го цилиндра «нечетной тройки».

Пусть в ВМТ 1-го цилиндра произошло воспламенение топлива, т.е происходит «рабочий ход» поршня вниз в течение 180 градусов поворота коленвала, тогда у остальных 5-ти цилиндров при их синфазном движении вниз происходит «всасывание»: во 2-м цилиндре - кислорода из «рабочего» входного коллектора, а у 3,4,5 и 6 – холодной азотной компоненты из «компрессорного» входного коллектора, охлаждающей указанные цилиндры.

Так как «компрессорный» распредвал 2-х кулачковый, то в течение следующих 180 градусов поворота коленвала в 3,4,5 и 6 цилиндрах происходит выпуск азотной компоненты в «компрессорный» выходной коллектор, в 1-м цилиндре – выпуск отработавших газов в «рабочий» выходной коллектор, а во 2-м цилиндре происходит сжатие кислорода.

Далее в ВМТ 2-го цилиндра происходит впрыск и самовоспламенение дизтоплива т.е. происходит «рабочий ход» поршня вниз в течение следующих 180 градусов поворота коленвала, тогда у остальных 5-ти цилиндров при их движении вниз происходит «всасывание»: в 3-м цилиндре - кислорода из «рабочего» входного коллектора, а у 1,4,5 и 6 – холодной азотной компоненты из «компрессорного» входного коллектора, охлаждающей указанные цилиндры и так далее. То есть происходит «перемещение» рабочего цилиндра от цикла к циклу. Иными словами, 6-ти цилиндровый КДВС-БРЦ работает как 2-х цилиндровый четырехтактный ДВС, с «блужданием рабочего цилиндра» в любой последовательной комбинации. Для исключения ситуации одновременного срабатывания «рабочих» и «компрессорных» клапанов, коромысла последних «оттягиваются электромагнитами в сторону» на время «рабочего цикла» и кулачки «компрессорного» распредвала проходят без зацепления с ними, не открывая «компрессорные» клапана.

Приближенная модель оценки предполагаемых характеристик показала ^[2], что при сохранении мощности на валу, в сравнении с обычным 4-х цилиндровым аналогом, КДВС-БРЦ должен потреблять в 2-3 раза меньше топлива, а его выбросы будут значительно ниже норм Евро-5.

Многократное охлаждение гильз, поршней и головки блока цилиндров «холодным» азотом в «компрессорном» режиме позволит, не дожидаясь создания «металлокерамического» макета АДВСК, провести экспериментальные исследования разрабатываемых моделей и макетов устройств, ТМСВ в частности, на существующем 4-х цилиндровом дизельном ДВС, с соответствующими переделками коленвала, распредвалов и коллекторов, для реализации КДВС-БРЦ.

Это даст возможность, помимо уточнения термодинамических характеристик КДВС-БРЦ при регулируемом изменении концентрации кислорода в топливно-воздушной смеси (от 21 до 100%), исследовать предлагаемый принцип до температур и давлений, которые смогут выдержать существующие элементы ДВС (цилиндры, поршни, клапана и т.д.).

Проектирование опытных образцов АДВСК, а также постановку их в дальнейшем на производство планируется осуществить на ЗМЗ «Северсталь-Авто», совместно с предприятиями оборонно-космического комплекса: ФГУП НПП «Геофизика-Космос» (Москва), ФГУП ОНПП «Технология» (Обнинск), НПП космического приборостроения «Квант» (Ростов н/Д) – участников разработки ТМСВ и других устройств, автомобиля «скорой пожарной помощи» в частности ^{[22, 23,27,31]}.

Характеристики ожидаемых результатов.

В ходе выполнения проекта предполагается доказать эффективность использования в любых ДВС кислорода вместо воздуха, в т.ч. для достижения норм Евро-5 (а может быть и превосходства над ними), т.к. при этом потребление топлива при той же мощности на валу должно уменьшиться в 2 раза, а токсичность выбросов – на порядок ^[2,27].

В ходе выполнения проекта предполагается отработать схему и конструкцию макета термомагнитного сепаратора воздуха (ТМСВ), который, во-первых, реализует режим «бесконечного» источника кислорода, необходимого для полного сгорания топлива, а во-вторых, режим «бесконечного» источника охлажденного азота, который, являясь инертным и отличным огнетушащим составом, может быть использован в системе охлаждения ДВС, а также в основных и вспомогательных подсистемах автомобиля (в газовой подсистеме тормозов, подкачки шин, пожаротушения и т.д.), что повысит безопасность эксплуатации транспортных средств ^[24-28], оснащенных им.

В ходе выполнения проекта предполагается разработать схемы «гибридизации» поршневых ДВС (карбюраторных, инжекторных, дизельных) в компрессоры-двигатели внутреннего сгорания с блуждающими рабочими цилиндрами и, на специально изготовленном стенде с существующим ДВС, получить необходимые параметры такой «гибридизации».

В ходе выполнения проекта предполагается разработать, изготовить и испытать на стенде с дизельным ДВС макет ТБМГСВ, необходимый для реализации разработанных моделей тушения пожаров атмосферным азотом, а также для обеспечения кислородного наддува ДВС локомотивов, речных и морских судов.

В ходе выполнения проекта предполагается разработать модель и ТЗ на проектирование АДВСК для автомобилей «скорой пожарной помощи» и самоходных установок пожаротушения в сельской местности.

В ходе выполнения проекта предполагается изготовить и испытать образцы основных элементов из керамики и металлокерамики (гильза цилиндра, металлокерамический поршень),которые изготовит ОНПП «Технология» (Обнинск), на термобаростойкость и «старение» с помощью макета первого отечественного дериватографа «ОКТАЭДР».

Перспективность вновь создаваемой интеллектуальной собственности в части патентоспособности будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей очевидна. А вот признание со стороны научного сообщества будет зависеть от уровня реализации предлагаемых моделей, методов и средств отечественной промышленностью, в первую очередь ЗМЗ ОАО «Северсталь-Авто» в части изготовления экспериментального стенда с дизельным ДВС, который используется на автомобилях УАЗ.

Полагаем, что условием успешного внедрения результатов настоящего проекта и вхождения в Российский рынок полученной НТП, является ориентация в первую очередь на промышленное освоение разработанных ранее мехатронных систем с БК (МУЗА, ДУЭТ, ДИКТ, ФАНГ и ДММБ), повышающих эффективность и снижающих токсичность существующих ДВС. После чего во вторую очередь – доукомплектование, модернизированных таким образом ДВС, подсистемой ФУМС в виде ТБМГСВ с отдельным мини-компрессором и режимом регулируемого «кислородного обогащения» топливо-воздушных смесей. А параллельно с этим – разработка и освоение АДВСК, в т.ч. с созданием принципиально новой продукции: автомобилей «скорой пожарной помощи» на автомобилях УАЗ ^[29-31] и самоходных установок пожаротушения атмосферным азотом для сельской местности ^[32].

Оценка социально-экономических эффектов от использования НТП, созданной в результате данного исследования по предлагаемой в п.6.7. схеме основывается на том, что «не дожидаясь нового ДВС», в режиме тьюнинга, можно организовать модернизацию ДВС уже «бегающих» автомобилей и сократить токсичность выбросов и потребление топлива. При этом, возможность регенерации «патронов» пористого алюминия обработкой сжатым воздухом, паром или водой под давлением, позволит реализовать, разработанную в рамках указанных грантов и Программ Минобразования РФ ^[2,24,28], модель сепарации «утилизируемого ими дорожно-транспортного вреда» и вернуть в обращение тонны ценных металлов и химических элементов (таб.2 – данные по г.Ростову н/Д).

Таблица 2. Модельные данные утилизации и сепарации дорожно-транспортного вреда

В качестве оценки перспектив постановки прикладных НИР или ОКР (ОТР), на основе экспериментально подтвержденных результатов предлагаемого исследования, считаем возможным, использовать, полученные результаты [9-23, 25-34] и выводы, проведенных НИР по данному направлению ^{[2, 24]}:

а) дальнейшая разработка метода ультразвукового-аэрозольного с СВЧ-догревом распыления топлива, путем поиска и применения каталитического покрытия сопла Лаваля в форсунках впрыска, снижающего энергию активации разрыва межмолекулярных связей, позволит с помощью мощного ультразвука (если клапан впрыска выполнить в виде генератора Гартмана) разрывать молекулы парогазовой фазы топлива до предельных углеводородов, т.е. реализовать газовый ДВС при любом исходном углеводородном топливе;

б) дальнейшее повышение эффективности АДВСК, путем ультразвукового-аэрозольного впрыска воды в цилиндры во время рабочего хода, позволит понизить температуру рабочих газов, а также повысит КПД за счет дополнительного давления от полученного таким образом «водяного пара»;

в) дальнейшая оптимизация метода термомагнитной сепарации воздуха, путем охлаждения канала сепаратора, например, вихревыми модулями Азарова, и создания градиента давления между «кислородным» и «азотным» отсеками канала сепаратора, позволяющим повысить его производительность, даст возможность применить его на локомотивах, морских и речных судах, чем снизить потребление ими углеводородного топлива и токсичность выбросов, а сепарированный азот применить в системе их противопожарной защиты;

г) создание АДВСК позволит реализовать модель автомобиля «скорой пожарной помощи» с «бесконечным» источником огнетушащего состава в виде атмосферного азота и самоходные установки с АДВСК – для села, что может принципиально изменить всю существующую систему противопожарной защиты городов и сельских населенных пунктов, построенную на использовании противопожарного водопровода и других водоисточников, т.к. более 70% всех пожаров, которые происходят в жилом секторе, могут быть локализованы и ликвидированы азотом, который, в отличие от воды, не повреждает ни имущество, ни электробытовые приборы и радиоэлектронику, ни драгоценности и вещи, в т.ч. в «соседних с пожаром» помещениях и квартирах.

Достижение полного соответствия содержания планируемых работ требованиям Заказчика обеспечит конкурентоспособность отечественных разработок в рамках приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ «Энергетика и энергосбережение», «Рациональное природопользование» и частично «Индустрия наносистем и материалов», в т.ч. в 9-ти критических технологиях (1,7,11,14,17,19,21,24,32), из 34-х, утвержденных Президентом РФ 21 мая 2006 г. (№ Пр-842 и Пр-843).

Характеристики НТП будут иметь неконкурируемое качество, т.к. значительно превышают мировой уровень.

По основным направлениям уже поданы 3 заявки на изобретения, по отдельным частям имеются 4 патента РФ и один – США, и планируется подать ещё 2, в т.ч. 1 – за рубежом.

Планируется опубликовать около 5 статей в ведущих научных журналах и выступить на международных конференциях.

Результаты работы будут использованы в 2-х диссертациях.

Социальная значимость применения НТП очевидна, т.к. предполагает снижение потребления углеводородного топлива и социально-экономических потерь от автомобильных выбросов, а также снижение в дальнейшем ущерба от пожаров, в связи с применением автомобилей «скорой пожарной помощи» и самоходных установок пожаротушения атмосферным азотом в сельской местности.

Таблица 3. Структура цены проекта

Предлагаемая цена за счет средств бюджета составляет 3,0 млн.руб., что на 2,0 млн.руб. (40,0%) ниже конкурсной.

В выполнение проекта участники вкладывают собственные и привлеченные средства в размере 0,75 млн.руб. материальных и нематериальных активов, путем оснащения проекта макетом «ОКТАЭДР» и программным обеспечением к нему, что составит 20,0% от общего объема финансирования (3,75 млн.руб.).

Структура цены (таб.3) соответствует условиям конкурса.

Головной исполнитель проекта – Научный производственно-технологический центр ОКТАЭДР, созданный в рамках программы «СТАРТ-05», разработал и (совместно с НПП космического приборостроения «Квант» и ОНПП «Технология») изготовил макет первого отечественного дериватографа «ОКТАЭДР», на котором будут испытываться керамические и металлокерамические элементы ДВС, а также является одним из разработчиков ТМСВ.

Соисполнитель проекта – Южный федеральный университет является разработчиком моделей ТМСВ, ультразвукового карбюратора, ультразвуковой форсунки, индикатора качества автомобильных бензинов и др. моделей, которые будут использоваться в проекте.

НИР выполняется консорциумом, состоящим из научной организации («Научного производственно-технологического центра ОКТАЭДР») и ВУЗа (Южного федерального университета), с привлечением молодых ученых, преподавателей, специалистов, аспирантов, докторантов и студентов.

Научно-технический потенциал и квалификация конкретных исполнителей обеспечивает выполнение всего объема работ с требуемым качеством.

Экспериментальная база и опыт работы на ней позволяют выполнить запланированный объем работ по теме с требуемым качеством.

Приведенный в библиографии перечень публикаций и прилагаемые копии документов, характеризующие профессиональные достижения, позволяют утверждать, что участники конкурсного проекта имеют достаточный задел, для его успешного осуществления.

Патентная чистота отдельных частей и проекта в целом обеспечивается:

3-мя заявками на изобретения «ОКТАЭДРа» и ТМВС (уведомление ФИПС от 17.07.2006 рег. .№ 2006125486, от 19.07.2006 рег.№ 2006126287 и от 11.09.06 № 2054678675);

патентом РФ № 2277222 от 27.05.2006 на интерферометр;

патентами РФ № 92011766 от 20.08.1995 и № 92007417 от 20.02.1998, использование которых в части электрообработки топлива согласовано с патентообладателем ЗАО «Автосервис-Дигзал» (Тула);

патентом РФ № 2057779 от 10.04.1996 и патентом США № 6.153.117 от 28.10.2000, использование которых в термокриостате «ОКТАЭДРа» и для охлаждения ТМСВ и ДВС, согласовано с патентообладателем - «НИПК Элегаз» (Москва), который участвовал в создании макета комплекса «ОКТАЭДР» и изготовит систему охлаждения ДВС на «Хладоне-510».

Реальность получения предполагаемых результатов обосновывается следующими заделами фундаментальных исследований в области технических наук:

- по грантам Минобразования РФ (№ ТОО-13.0-2500 «Модель адаптивной системы безопасности дорожного движения с пассивной локацией транспортных средств - рук., д.ф.-м.н., проф. Денисенко П.Ф., РГУ, соисполнитель: РЮИ МВД РФ, № ТОО-13.0-2501 «Модель подсистемы экологической безопасности дорожного движения - рук., д.т.н., проф. Гапонов В.Е., РГАСХМ, соисполнители: РГУ и РЮИ МВД РФ);

- по Межотраслевой Программе сотрудничества Минобразования РФ и АО «АВТОВАЗ» 2002-2003 г.г. (проект рег.№ 02.06.004, шифр «БАКСАН»: «Модель оценки и утилизации дорожно-транспортного вреда и система реализации её в автомобиле - рук., д.т.н., акад. РИА Панич А.Е., РГУ, соисполнители: АГПС МЧС РФ, РЮИ МВД РФ и РГАСХМ).;:

во-первых, успешным созданием и испытанием макета секции ультразвукового аэрозольного карбюратора (рис.2) состоявшей из камеры и электронного блока, который содержал в себе трансформатор питания (12 в.) и ВЧ-генератор с ультразвуковым преобразователем, представляющий фокусирующий излучатель, закрепленный на дне емкости, выполненный в виде диска из пьезоматериала диаметром 20 мм, толщиной 1мм с рабочей частотой 1,8 МГц. (при экспериментальной проверке макета «на воде» были получены следующие результаты: производительность– 1 л/час, размер капель – 3 мкм, потребляемая мощность – 60 ватт),

во-вторых, успешным созданием и испытанием «патронов» из пористого алюминия, из которых собирается ФАНГ и первый каскад ФУМС (рис.4),

в-третьих, успешным созданием макета ТМСВ (в отличие от первоначальной модели – рис.5) в виде единичного витка, сопряжением которых будет формироваться сепаратор требуемой производительности виде «трубы» (рис.6), «тора» или «спирали»,

в-четвертых, и это – главное, успешным созданием макета первого отечественного дериватографа «ОКТАЭДР» (рис.1), не имеющего мировых аналогов, реализующего термобароденсиметрию синхронно-сопряженную с электрометрией и акустико-эмиссионным анализом, испытания на котором керамики и металлокерамических элементов ДВС, позволят в дальнейшем синтезировать термобароустойчивые конструкции, необходимые для создания АДВСК, т.к. «ОКТАЭДР», реализуя термобароциклы, дает возможность ускоренно «состарить» испытываемый образец и получить модель его «жизненного цикла», т.е. количественные параметры его ресурса, долговечности и безопасности в реальных условиях эксплуатации, которые до настоящего времени определялись, в основном, качественно и статистически.

В связи созданием «Консорциума» и реорганизацией Ростовского госуниверситета в Южный федеральный университет, в состав которого вошел Таганрогский радиотехнический университет, а общая численность профессорско-преподавательского превысила 8000 тысяч сотрудников, можно утверждать, что участники имеют кадровый потенциал необходимого уровня и возможность привлечения молодых ученых.

Аналогичная уверенность – в наличии достаточной приборно-аналитической, лабораторной и экспериментальной базы.

В связи с отсутствием на момент подачи заявки гарантийных писем от ОАО «Северсталь-авто», ОАО «Ульяновский автозавод» и ОАО «Заволжский моторный завод», существует риск невыполнения ими «обещаний» поставить безвозмездно для выполнения экспериментальных работ по данному проекту автомобиль Huntor с 16-ти клапанным 4-х цилиндровым дизельным двигателем. В этом случае придется довольствоваться имеющимся в наличии б/у дизелем от «Форда», что может оказать негативное воздействие на ход и выполнение экспериментальных работ в полном объеме.

В выполнении проекта, в лице ИФ СО РАН, участвует коллектив ведущей научной школы № НШ-6612.2006.3, во главе с её руководителем академиком РАН В.Ф. Шабановым.

Возможность получения охраноспособных результатов налицо, что подтверждается положительными решениями экспертизы по указанным заявкам и имеющимися патентами.

Возможность проведения предлагаемых работ в рамках международного научного сотрудничества существует, но на данном этапе это нецелесообразно из-за большого объема оригинальных решений, которые ещё не защищены за рубежом.

Таблица 4. Календарный план выполнения проекта

Стоимость работ на 2,0 млн.руб. меньше заявленной цены лота, а объем собственных и привлеченных (0,75 млн.руб.) средств в сумме - больше установленного минимума на 5,0% (таб.5).

Таблица 5. Средства на выполнение проекта