CC BY
158
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2016 Теаш^ские науки 73
УДК 656.135/656.137
В. Н. Карнаухов, О. В. Карнаухов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ДЛЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ПЛОТНОСТИ, ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
V. N. Karnaukhov, O. V. Karnaukhov DETERMINATION OF EFFECTIVE SPECIFIC FUEL USAGE FOR DIFFERENT TYPES OF ENGINES TAKING INTO ACCOUNT DENSITY,
PRESSURE AND AIR TEMPERATURE
FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «TYUMEN STATE OIL AND GAS UNIVERSITY»
Аннотация. Большое внимание уделяется проблемам снижения потребления топлива и существенному сокращению выбросов углеводородов при сохранении высокой удельной мощности двигателей внутреннего сгорания. Использование современных методов позволяет расчетным путем оценивать экономические и экологические показатели. В статье рассмотрен вопрос влияния изменения плотности, давления и температуры воздуха на работу двигателя внутреннего сгорания и определен эффективный удельный расход топлива при изменении данных параметров.
Ключевые слова: эффективный удельный расход; топливная экономичность двигателя; плотность воздуха; давление воздуха; температура воздуха.
Summary. Much attention is paid to problems of decrease in fuel usage and essential reduction of hydrocarbons emissions during preservation high specific power of internal combustion engines. Use of modern methods allows to estimate by calculation way economic and ecological indicators. In article the question of influence of density, pressure and air temperature change on the internal combustion engine's operation is considered and effective specific fuel usage during change of these parameters is defined.
Keywords: effective specific usage; fuel profitability of the engine; air density; air pressure; air temperature.
Владимир Николаевич Карнаухов
Vladimir Nikolaevich Karnaukhov доктор технических наук, профессор
Олег Владимирович Карнаухов
01ед У1асН|тпгоую11 КагпаикЬюу кандидат социологических наук, доцент
Введение. Двигатели различных типов характеризуется экономическими показателями. Важно, чтобы двигатель имел большую литровую мощность и расходовал возможно меньшее количество топлива на литровую мощность. Для характеристики вышеперечисленных параметров служат эффективный коэффициент полезного действия (КПД) и эффективный удельный расход топлива.
С изменением нагрузки двигателя, частоты вращения коленчатого вала изменяется и коэффициент полезного действия. Удельный расход топлива при постоянной частоте вращения имеет минимум при эффективном давлении, при котором эффективный КПД достигает максимума.
В области минимальных значений частоты вращения смесеобразование ухудшается из-за возраста-
ния количества теплоты, отводимой в систему охлаждения, что уменьшает эффективный КПД и увеличивает удельный расход топлива. Часовой расход топлива снижается с понижением частоты вращения, так как уменьшается частота рабочих циклов. При исследованиях, проведенных на кафедре эксплуатации автомобильного транспорта Тюменского нефтегазового университета (далее - кафедра ЭАТ ТюмГНГУ) на двигателе КАМАЗ-740, установлено, что номинальная мощность двигателя увеличивается в 1,4-1,5 раза при установке турбокомпрессора. При этом удельный расход топлива остается на уровне 232-240 г/(л.с.ч), но мощность двигателя с наддувом снижается более интенсивно, чем мощность двигателя без наддува, с изменением частоты вращения коленчатого вала. Все вышеперечисленное при работе в режиме внешней скоростной
Научный журнал
Вестник Курганской ГСХА
характеристики для дизеля с наддувом приводит к повышению удельного расхода топлива. Так, у двигателя КАМАЗ-740 при п=1000 об/мин с наддувом удельный расход топлива составляет 227 г/(л.с.ч), а у дизеля без наддува - 211 г/(л.с.ч).
Удельный эффективный расход топлива при понижении частоты вращения сначала уменьшается, достигая минимума при п=0,85п , а затем увеличивается.
1 г ' ном' 1
Таким образом, эффективный расход топлива имеет наименьшее значение при максимальной нагрузке двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Минимальный расход топлива для двигателя КАМАЗ-740 без турбонадду-ва достигается при 0,7-0,85 от эффективной мощности.
Оптимальным экономическим режимом двигателя называют сочетание коэффициента наполнения воздуха, угла опережения зажигания и подачи топлива, при которых любое значение нагрузки ДВС достигается при максимально возможной топливной экономичности данного ДВС. Эффективный удельный расход топлива достигает минимального значения при соответствующих условиях наибольшего эффективного обеднения смеси, то есть а>1. При снижении нагрузки эффективный КПД уменьшается гораздо больше, чем при работе двигателя на обедненной смеси.
В зоне больших нагрузок наблюдается некоторое ухудшение процесса сгорания, поэтому эффективный КПД и удельный расход топлива имеют оптимальное значение при нагрузке 0,70-0,85, что и подтверждено в процессе испытаний на двигателе КАМАЗ-740. Из рисунка 1 видно, что мощность ДВС и эффективный расход топлива зависят от плотности топливно-воздушной смеси.
При эксплуатации автомобиля в различных условиях, когда меняется температура и давление, эффективные показатели двигателя изменяются.
Наилучшей экономичности двигателя соответствует частота вращения при максимальных значениях коэффициента избытка воздуха а, соответствующего пределу эффективного объединения смеси. Избыток воздуха в камере сгорания ДВС можно обеспечить, увеличивая плотность воздуха, что достигают установкой на ДВС различного типа нагнетателей.
Количество теплоты, выделяемой топливом, возрастает по мере повышения плотности нагнетаемого в цилиндр воздуха. Однако в результате исследований установлено, что при номинальном скоростном режиме двигателей удельный расход топлива наименьший при работе без наддува. Поэтому в 2014 году фирмы «Су-бару» и «Тойота» выпустили новый оппозитный мотор «атмосферник», объявляя, что только такой двигатель может обеспечивать моментальные (мгновенные) реакции (отклики) при нажатии на педаль акселератора.
Проведенные исследования показывают, что в современных быстроходных двигателях максимальная мощность достигается при выделении 45-60 % теплоты сгорания в пределах до 15о угла поворота коленчатого вала. Повышение степени сжатия в современных двигателях позволяет более эффективно использовать в двигателе обедненные смеси, но это дает в большей степени выигрыш в топливной экономичности, чем выигрыш мощности ДВС.
Эффективный удельный расход топлива, а соответственно устойчивая работа ДВС, оказывается возможным лишь при обогащении смеси до а<0,9 и ниже. Это связано с тем, что образующаяся в цилиндрах ДВС смесь разбавляется в этом случае продуктами неполного сгорания топлива, которые содержат большие концентрации прекрасно горящих окиси углерода СО и водорода Н2.
Методика. Методика испытаний разработана в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.
Результаты. Удельный расход топлива является параметром аддитивным. Зависимость эффективного удельного расхода топлива от температуры смеси (воздуха) имеет и-образный вид, следовательно, данная математическая модель является квадратичной:
де=9+з-а-д2,
(1)
где де - удельный эффективный расход топлива, г/(л.с.ч), део - оптимальный (минимальный) расход топлива, г/(л.с.ч),
Б - параметр чувствительности двигателя к изменению температуры воздуха по удельному эффективному расходу топлива, г/(л.с. ч °С)2);
^ - фактическая температура воздуха, °С, ^ - оптимальная температура воздуха, °С.
Путем математических преобразований была получена формула зависимости эффективного удельного расхода топлива от температуры, плотности и давления воздуха:
Рк
ge =270000- "
АтРЛТо ( +1)
+
+ £
РТ
Ч\
273рД
- 273
\2
- ?
(2)
где Иу - коэффициент наполнения (Иу =0,72 при п>5000 об/мин),
Лм - механический КПД (Лм =0,8 при п>5000 об/мин), Р| - давление воздуха, Па,
К - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК),
То - оптимальная температура, К, а - коэффициент избытка воздуха; 1о - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг углеводородного топлива (1о = 14,5 кг).
В результате экспериментов по топливной экономичности, проведенных на кафедре ЭАТ ТюмГНГУ, установлено, что температура, давление и влажность воздуха значительно влияют на расход топлива вместе с изменением барометрического давления. Для бензиновых ДВС оптимальная температура, соответствующая оптимальному (минимальному) расходу топлива, находится в интервале температуры от +10 до +40 °С и давления от 720 до 790 мм рт. ст. При подогреве воздуха во впускном коллекторе ДВС электронагревателем
Вестник Курганской ГСХА № 4, 2016 Теаш^аше науки 75
расход топлива увеличивается в среднем на 10 % при топлива достигает 25 %, поэтому в целях экономии то-температуре 67 °С и на 15 % при температуре 100 °С. плива необходимо подогревать воздух во впускных кол-При низких температурах воздуха увеличение расхода лекторах ДВС до +67 °С.
Рисунок 1 - Влияние температуры воздуха на удельный эффективный расход топлива двигателя КАМАЗ-740 автомобиля КАМАЗ-5410
Установлено, что при низких температурах воздуха перепад барометрического давления меньше влияет на расход топлива, чем при высоких. Данная закономерность объясняется низкой плотностью воздуха при высоких температурах. Эффективный удельный расход топлива при низких температурах и перепадах барометрического давления для дизельных двигателей увеличивается в пределах 9 %, при высоких - от 8 % до 15 %. Поэтому подогрев воздуха во впускных коллекторах двигателей до температуры более 67 °С в любое время года увеличивает расход топлива.
Выводы. Таким образом, давление и температура воздуха на входе существенно влияют на удельный эффективный расход топлива дизельных двигателей как атмосферных, так и двигателей с наддувом. Подогрев воздуха на входе в двигатель целесообразно выполнять только при низких температурах окружающего воздуха, так как в других случаях это ведет к снижению его плотности, обогащению топливно-воздушной смеси и увеличению расхода топлива.
Список литературы
1 Автомобильные двигатели / В. М. Архангельский [и др.] / отв. ред. М. С. Ховах. - М. : Машиностроение, 1977. - 591 с.
2 ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. [Электронный ресурс]. URL: http://www.gostinfo.ru/catalog/Details/?id=4117199 (дата обращения 15.08.2015).
3 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых двигателей / Д. Н. Вырубов [и др.]. - М. : Машиностроение, 1983. - 387 с.
4 Карнаухов В. Н., Карнаухова И. В. Определение оптимального расхода топлива для двигателей // Проектирование и управление автомобильными дорогами: реформирование учебных программ в РФ. Разработка и внедрение магистерских программ в России : сб. статей междунар. науч.-практ. конф. - Оренбург : ООО «ИПК «Университет», 2014. - С. 73-76.
5 Карнаухов В. Н., Карнаухова И. В. Топливная экономичность двигателей внутреннего сгорания // Вестник ИРГТУ. - 2014. - № 6. - С. 142-146.
