CC BY
45
УДК 621.43:62-631.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА БЕНЗОЭТАНОЛЕ
А.М. Левтеров, ст. научн. сотр., к.т.н., В.П. Мараховский, научн. сотр., В.Н. Бганцев, ст. научн. сотр., к.т.н., М.В. Сарапина, аспирант, ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины
Аннотация. Приведены результаты сравнительных стендовых испытаний автомобильного двигателя ВАЗ-2106, работающего на бензине А-92 и бензоэтаноле с 10 %-м содержанием этанола в бензине А-76. Получены и проанализированы внешние скоростные характеристики двигателя.
Ключевые слова: двигатель с искровым зажиганием, бензоэтанол, мощность, удельный эффективный расход топлива, токсичность, детонация.
Введение
Адаптация двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с искровым зажиганием к бензоэта-нольному топливу обязательно включает в себя экспериментальные исследования рабочего процесса, в том числе определение энерго-экологических характеристик, ресурса и других показателей двигателя в условиях стендовых испытаний. Детальный анализ характеристик и показателей ДВС при работе на бензоэтанольном топливе различного состава в сочетании с технологическими и экономическими возможностями производителей бензоспиртового топлива, позволит сформулировать требования к наиболее рациональному составу такого топлива для масштабного использования на автомобильном транспорте.
Анализ публикаций
Опыт стран, использующих бензоспиртовое топливо, свидетельствует о том, что суммарная токсичность отработавших газов (ОГ) автомобилей на таком топливе снижается, а также экономится нефтяная составляющая топлива [1].
Эксплуатационные, стендовые и дорожные испытания показали, что 8 % высокооктановой кислородосодержащей добавки к бензину А-76 повышает его октановое число (ОЧ)
до уровня ОЧ бензина А-92, а концентрация вредных веществ в отработавших газах, особенно на холостом ходу и малых нагрузках, значительно снижается [2].
Низшая теплота сгорания бензоэтанола несколько ниже базового бензина, а октановое число повышается в зависимости от увеличения содержания в нем этанола [3].
Для адаптации к бензоэтанолу двигателя с рабочим объемом 1,8 л, мощностью 92 кВт, устанавливаемого на Ford - Focus, используется программа автоматического управления зажиганием, которая обеспечивает оптимизированный рабочий цикл двигателя при любом соотношении спирта и бензина [4]. Автомобиль оборудуется дополнительно электроподогревателем для пуска двигателя при отрицательных температурах. Таким образом, применение электронных систем управления позволило увеличить содержание этанола в бензоэтанольном топливе, производимом для автотранспорта, до 85 % (биоэтанол Е 85) [4]. Такое топливо можно использовать только в адаптивных системах питания, например, с измененным блоком управления двигателем, датчиком, контролирующим состав топлива и т. д. На рис. 1 показана многотопливная система питания двигателя автомобиля Volvo S40 1.8F, которая позволяет заправлять топливный бак как бензином, так и смесью Е 85 [5]. Применение
Рис. 1. Многотопливная система питания Уо1уо S40 1^ [4]
топлива Е 85 в неадаптированном двигателе может привести к разрушению резинотехнических изделий, коррозии элементов топливной системы из сплавов цветных металлов, снижению мощности и ухудшению пусковых качеств двигателя [4].
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - экспериментальное определение и сравнение энерго-экологи-ческих показателей автомобильного двигателя, работающего на бензине А-92 и бензоэтаноле с 10 %-м содержанием этанола в бензине А-76.
Экспериментальные исследования
Сравнительные испытания проводились на стенде с двигателем легкового автомобиля ВАЗ-2106, оборудованным карбюратором «Озон» 2107 - 1107010. Этот двигатель является типичным представителем семейства двигателей автомобилей типа «классики», которых еще очень много эксплуатируется на дорогах Украины. Вероятно, что именно они и будут в числе основных потребителей более дешевого бензоэтанольного топлива. При испытаниях измеряли крутящий момент двигателя с помощью балансирного динамометра DS 926-4/У, частоту вращения колен-
чатого вала, расход топлива, температуры охлаждающей жидкости, топлива, масла и отработавших газов, угол опережения зажигания (ОЗ), давление в системе смазки и атмосферное давление. Вначале определили все показатели работы двигателя по внешней скоростной характеристике на бензине А-92. На следующем этапе были получены аналогичные показатели при работе двигателя на бензоэтаноле. Бензоэтанол получен путем смешения в специальной установке-кавита-торе бензина А-76 с этиловым спиртом в соответствующей пропорции. ОЧ полученного топлива составило более 80 единиц по моторному методу. Причем, от времени приготовления смеси прошло шесть месяцев и на момент проведения испытаний бензоэтанол представлял собой гомогенную смесь, без признаков стратификации. В качестве энер-го-экологических показателей выбраны мощность двигателя, крутящий момент, удельный эффективный расход топлива, показатели токсичности ОГ по трем составляющим (СО, СпНт и N0,0 при работе по внешней скоростной характеристике.
В процессе испытаний была возможность изменять угол ОЗ с помощью электронного октан-корректора для обеспечения бездето-национной работы двигателя. Полученные внешние скоростные характеристики двига-
теля приведены на рис. 2 - 7. Изменение крутящего момента (Мк) и мощности (Де) двигателя представлены на рис. 2. Как видно достигнутые максимальные значения крутящего момента при бездетонационной работе на бензине и бензоэтаноле практически одинаковы ~ 125 Нм и располагаются на характеристике вблизи частоты вращения п = 3000 мин-1. Одинакова также в обоих случаях и максимальная мощность, которая составила ~ 58 кВт при п=5400 мин-1.
1 - Мк, бензоэтанол 2 - Мк, бензин А-92
3 - N бензоэтанол 4 - N бензин А-92
Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика
Мало отличаются и часовые расходы бензина и бензоэтанола ^т) на режиме максимальной мощности: 18,5 кг/ч и 18,25 кг/ч соответственно и расход воздуха ^в) (рис. 3). То же самое относится и к удельному эффективному расходу топлива (£е) (рис. 4).
1 - Gв, бензоэтанол 2 - Gв, бензин А-92
3 - Gт, бензоэтанол 4 - Gт, бензин А-92
Рис. 3. Внешняя скоростная характеристика (расход топлива и воздуха)
1000 2000 3000 4000 5000 п. мин
1 - gе, бензоэтанол 2 - gе, бензин А-92
Рис. 4. Внешняя скоростная характеристика (удельный эффективный расход топлив)
В области малых частот вращения этот показатель примерно на 12 % лучше при работе
на бензоэтаноле, что можно объяснить несколько более высокими значениями коэффициента избытка воздуха (а) в сравнении с бензиновым вариантом (рис. 5). Температура отработавших газов (ґог) монотонно возрастала с 381 °С до 650 °С на бензине и с 404 °С до 663 °С на бензоэтаноле. Во всем диапазоне внешней скоростной характеристики превышение этого показателя на бензоэтаноле составило примерно 10 - 20 °С в сравнении с работой на бензине.
а
1
0,8
0,6
1000 2000 3000 4000 5000 п, мин -1
1 - бензоэтанол 2 - бензин А-92
Рис. 5. Внешняя скоростная характеристика (коэффициент избытка воздуха)
Особо следует остановиться на характере изменения угла ОЗ в рассматриваемых случаях. Известно, что качество бензина, реализуемого через сеть автозаправочных станций (АЗС), не всегда соответствует сертификатам. Поэтому на отдельных режимах работы двигатели автомобилей начинают детонировать. Так произошло и при испытаниях, когда двигатель со штатными регулировками, работая на бензине на частотах вращения больше 3000 мин-1, устойчиво детонировал. В связи с этим на этих режимах с помощью электронного октан-корректора угол ОЗ был уменьшен на 3° п.к.в., что обеспечило безде-тонационную работу двигателя. В данном случае штатный центробежный регулятор не обеспечивал подходящую под используемый бензин характеристику изменения угла ОЗ. При работе на бензоэтаноле угол ОЗ (0) не изменяли только в крайних точках внешней скоростной характеристики (рис. 6). На всех остальных режимах его значение пришлось уменьшить на 3 - 7 ° п.к.в., для исключения детонации.
Одним из наиболее важных показателей работы испытуемого двигателя была токсичность при работе на бензине и бензоэтаноле. Сравнительная оценка проводилась по трем показателям - содержание СО, СпНт и NOx в ОГ. Внешний вид полученных характеристик представлен на рис. 7. Как видно по содержанию СО и СпНт в ОГ двигатель имеет лучшие показатели при работе на бензоэтаноле. По содержанию N0,, в ОГ на бензоэта-
ноле получены наоборот несколько худшие показатели, чем на бензине. Минимальное расхождение по этому показателю для двух видов топлив наблюдалось в области максимального крутящего момента двигателя. Основная причина роста содержания N0, в ОГ при работе двигателя на бензоэтаноле связана с приближением состава топливовоздушной смеси к стехиометрическому, как это видно по изменению кривой коэффициента избытка воздуха на рис. 5.
1 - ОЗ, бензоэтанол 3 - 1ог, бензоэтанол
2 - ОЗ, бензин А-92 4 - 1ог, бензин А-92
Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика (угол ОЗ и температура ОГ)
Ж)х,
СпНт,
млн -1
2500
1000
5 6
/ /
4 /
\ 1 ■■■' /
\ / / /
К/ / \ "Г--/ .»•-
1 1 2 / -— —♦
.Л
1 1 1 Т «
1000
2000
4000
5000
1 - СпНт, бензоэтанол 3 - NОx, бензоэтанол 5 - СО, бензоэтанол
2 - СпНт, бензин А-92 4 - NОx, бензин А-92 6 - СО, бензин А-92
Рис. 7. Внешняя скоростная характеристика (токсичность ОГ)
Выводы
Анализ результатов сравнительных стендовых испытаний двигателя ВАЗ-2106 показал, что при работе двигателя на бензоэтаноль-ном топливе с 10 %-й добавкой этанола к бензину А-76 необходима регулировка угла ОЗ для получения его наивыгоднейшего значения при отсутствии детонации.
Мощностные характеристики двигателя при работе на бензоэтаноле практически не отличаются от базовых.
Усредненный удельный эффективный расход бензоэтанола по сравнению с бензином А-92 за цикл испытаний по внешней скоростной характеристике снижается на 3,8 %.
Токсичность ОГ по содержанию СО и СпНт при работе на бензоэтаноле по внешней скоростной характеристике снижается. Снизить содержание N0, в ОГ для данного типа двигателя возможно при одновременном увеличении проходных сечений топливных жиклёров и регулировке угла ОЗ.
При существующей стоимости бензина и этанола использование бензоэтанола может значительно снизить эксплуатационные расходы на топливо и уменьшить потребление нефтяных топлив.
Благодарность
Авторы выражают признательность сотрудникам ОАО «УкрНИИхиммаш» к.т.н. Щербакову П.М., Скоблику П.И., сотрудникам ИПМаш НАН Украины д.т.н Канило П.М., Семикину В.М., Бицюре А.И., Карасичен-ко Н.М., Костенко К.В., Терновой Л.В., Гладковой Н.Ю. за помощь при проведении испытаний и подготовке материалов статьи.
Литература
1. Лєвтєров А.М. Альтернативні палива біо-
логічного походження - баланс енергії і екології / А.М. Лєвтєров, В.П. Марахов-ський, В.М. Бганцев // Матер.ІУ Між-нар. наук.-практ. конф. - Харків, 2006, Ч. II. - С.119 - 123.
2. Желєзна Т.А. Стан розвитку та перспекти-
ви виробництва і застосування рідких палив з біомаси. Ч. 1 // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2004. - № 2. -С. 3 - 8.
3. Мараховский В.П. Перспективы использо-
вания бензоспиртовых топлив в Украине / В.П. Мараховский, В.Н. Бганцев // Автомобильный транспорт: Сб. научн. тр. - 2007. - Вып. 20. - С. 92 - 94.
4. Ну, за экологию // За рулем - Украина. -
2005. - № 9. - С. 140.
5. И то, что не горит // За рулем - Украина. -
2007. - № 11. - С. 128 - 132.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
0
п, мин
Статья поступила в редакцию 14 ноября 2007 г.
