CC BY
73
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
УДК 621.43:62-631.4
ПОКАЗНИКИ РОБОТИ АВТОМОБІЛЬНОГО ДВИГУНА НА БЕНЗОЕТАНОЛІ РІЗНОГО СКЛАДУ В.П. Мараховський, наук. співр., А.М. Авраменко, наук. співр., к.т.н., ІПМаш імені А.М. Підгорного НАН України, м. Харків
Анотація. Наведено результати порівняльних стендових випробувань автомобільного двигуна з електронним блоком керування на бензині та бензоетанолі різних марок.
Ключові слова: двигун внутрішнього згоряння, бензин, бензоетанол, біоетанол, економічні та екологічні показники, адаптація.
ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА БЕНЗОЭТАНОЛЕ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА В.П. Мараховский, научн. сотр., А.Н. Авраменко, научн. сотр., к.т.н., ИПМаш имени А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков
Аннотация. Приведены результаты сравнительных стендовых испытаний автомобильного двигателя с электронным блоком управления на бензине и бензоэтаноле разных марок.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, бензин, бензоэтанол, биоэтанол, экономические и экологические показатели, адаптация.
PERFORMANCE INDICATORS OF THE AUTOMOBILE ENGINE USING DIFFERENT COMPOSITION OF BIOETHANOL V. Marakhovsky, researcher, A. Avramenko, researcher, Candidate of Technical Science, IPMash after A. Podgorny of NAS of Ukraine, Kharkiv
Abstract. The results of comparative bench testing of the electronically controlled automobile engim which uses gasoline and bioethanol of different brands are given.
Key words: internal combustion engine, bioethanol, economic and environmental performance, adaptation.
Вступ
Починаючи з 2014 року, бензин в Україні має вміщувати 5 % біоетанолу, а з 2016 року - не менш ніж 7 % [1]. Національним стандартом [2] вже встановлено в бензині максимальну об’ємну частку біоетанолу 5 %.
До 2020 р. в бензин, який буде продаватись в Євросоюзі, буде додаватись не менш ніж 10 % біоетанолу [3]. Вже сьогодні на ринках країн Європи та Америки наявні палива, які
містять від 10 до 95 % біоетанолу, та випускаються адаптовані до біоетанолу автомобілі [4]. В Україні у 2011 р. та 2012 р. у роздрібній торгівлі з’явилися такі види палива (у своєму складі містять біоетанол): INNOVATIV-95, А-92-е40, А-92-е40 turbo, A-95-e40, A95A, Aб-92е40EXTRA, Аб-95е85 EXTRA. На жаль, їх маркування не відповідає загальноприйнятому, а визначити вміст біоетанолу з марки палива не завжди можливо. Основними виробниками зазначеного палива є такі компанії як ТОВ «Техінсервіс»,
ТОВ «БІОХІМГРУП», ІIIІ «МФ Інтеркрайт», ЗАТ «Еко-Енергія» та ін. [5].
Основні переваги застосування бензину з біоетанолом відомі [4]. Для України це, в першу чергу, зменшення імпорту світлих нафтопродуктів, зменшення викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами двигунів автомобілів, підйом сільгоспвиробництва, нові робочі місця та ін. Більша частина автомобілів раніше виготовлялась тільки для роботи на бензині, тому визначення показників роботи автомобільного двигуна на бензоета-нолі та обрання для кожного типу двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) найбільш ефективного складу бензоетанолу є актуальним завданням.
Аналіз публікацій
Відмінність роботи двигуна на бензоетанолі полягає у тому, що через зменшення теплотворної здатності бензоетанолу (ßH.n.) та за рахунок зменшення теоретично необхідної кількості повітря (L0) двигун працює на бідній суміші. Отже зменшується його номінальна потужність та максимальний крутний момент. Таким чином, для роботи двигуна на бензоетанолі електронний блок керування (ЕБК) повинен скоригувати циклову подачу палива у бік збільшення, відповідно до витрати повітря на кожному режимі роботи двигуна. А для отримання максимально ефективних показників двигуна необхідно забезпечити найбільш вигідний кут випередження запалювання паливо-повітряної суміші.
У порівняльних експериментальних дослідженнях, проведених Центром автомобільних досліджень (MnCAR) у штаті Міннесота, США, проаналізовано паливну економічність та токсичність відпрацьованих газів чотирьох легкових автомобілів, які працювали на бен-зоетанолі різного складу [6]. Випробуваня показали, що систему електронного керування кожного конкретного типу двигуна необхідно адаптувати до бензоетанолу визначеного складу тими чи іншими методами. Тільки в цьому випадку можна очікувати значного поліпшення показників двигуна.
При переведенні автомобільного двигуна на бензоетанол застосовують як апаратні, так і програмні методи адаптації, залежно від удосконаленості ЕБК двигуна. Для більш ранніх
моделей ЕБК необхідна додаткова програма керування двигуном, що працює на бензое-танолі, або коригування базової. Для більш пізніх моделей ЕБК двигуна, які комплектуються датчиком детонації з програмою вибору найбільш вигідного кута випередження на кожному режимі, можливо застосувати адаптери для роботи двигуна на бензоетанолі або додаткову програму керування паливопода-чею [7].
На сьогодні майже всі відомі виробники автомобілів вже при виготовленні адаптують двигуни своїх автомобілів до бензоетанолу з низьким вмістом біоетанолу (5-15 %) (Low Blend Fuel) та виробляють автомобілі Flex Fuel, BioFlex, Tri-Flex, двигуни яких працюють і на бензоетанолі з високим вмістом біо-етанолу (20-95 %) (High Blend Fuel) [7]. Програмно адаптований до бензоетанолу ЕБК двигуна сучасного автомобіля Flex Fuel за сигналом датчика, який вимірює вміст етанолу в бензоетанолі, автоматично налаштовує та коригує роботу двигуна з максимальною ефективністю.
Автомобілі з двигунами, програмно не пристосованими виробником до бензоетанолу, адаптують пристроями, які забезпечують досить ефективне його використання [8]. Основна перевага таких пристроїв полягає в тому, що вони не змінюють програми ЕБК, легко і швидко монтуються на автомобіль і також демонтуються без будь-яких наслідків. Для переводу двигуна на бензоетанол адаптер підключається послідовно між ЕБК і паливними форсунками та обирається режим його роботи відповідно до складу бензоетанолу.
Недоліки адаптерів полягають в тому, що тільки сучасні ЕБК, обладнані датчиком детонації з програмою оптимізації кута випередження запалювання суміші, можуть з ними ефективно працювати. Для всіх інших ЕБК потрібно програмно адаптувати кут випередження запалювання суміші для кожного обраного складу бензоетанолу, або обладнати ЕБК варіатором зміни кута випередження запалювання суміші [9]. Інші апаратні методи адаптування ДВЗ до роботи на бензоета-нолі є індивідуальними і застосовуються вибірково. До них можна віднести заміну інжекторів з більш високою витратною характеристикою залежно від складу бензо-етанолу.
Мета і постановка задачі
Метою роботи є визначення показників автомобільного ДВЗ, що працює на бензоетанолі, для вибору найбільш вигідного складу бензоетанолу та ефективного методу адаптації двигуна.
Експериментальні дослідження параметрів ДВЗ на бензоетанолі
Порівняльні випробування вітчизняного двигуна МеМЗ-307.1 з ЕБК, який має версію програмного забезпечення МІКАС-7.6, на бензині А-95 та бензоетанолі проводились у стендових умовах. Основні параметри технічної характеристики двигуна наведено в [10]. Загальний вигляд моторного стенда і його систем з досліджуваним двигуном показано на рис. 1.
Рис. 1. Загальний вигляд моторного стенда
Дослідні зразки бензоетанолу Е20, Е40, Е60 та Е85 було виготовлено Інститутом біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України. Склад бензоетанолу при його приготуванні та об’ємні частки компонентів наведено в табл. 1.
Таблиця 1 Складові бензоетанолу
Розрахункове визначення октанового числа зразків бензоетанолу проведено за розробленою методикою [11].
Для приготування бензоетанолу використовувались бензин газовий стабільний А-92 та бензин А-95 у рівних об’ємних частках та компонент палива альтернативний (етанол зневоднений 99,98 %). Після виготовлення зразків бензоетанолу було проведено їх хроматографічний аналіз (табл. 2).
Таблиця 2 Результати хроматографічного аналізу бензоетанолу
Компонент Вміст компонента у пробах, % мас.
Е20 Е40 Е60 Е85
Метанол 0,4 0,9 1,7 3,1
Етанол 17,4 35,2 54,2 85,0
Бензол 4,5 2,9 1,6 1,2
Толуол 6,0 4,4 2,1 1,7
Етилбензол 1,2 0,9 0,4 0,4
м-, п-ксилоли 14,4 11,0 4,0 4,4
о-ксилол 3,0 2,3 0,8 0,9
Стирол 3,2 2,5 0,8 0,9
Алкілбензоли 1,0 0,5 0,3 0,3
Сумарний вміст ароматичних вуглеводнів 33,3 24,5 10,0 9,8
Як видно із хроматографічного аналізу, вміст етанолу в бензоетанолі вкладається у значення зазначених показників Е20-Е85.
Враховуючи обмежену кількість кожного зразка бензоетанолу, моторні випробування було проведено на двох режимах: економічному режимі, який відповідає руху автомобіля з двигуном МеМЗ-307.1 зі швидкістю 90 км/год, та на режимі максимального крут-ного моменту. Розрахована частота обертання колінчастого вала двигуна на економічному режимі дорівнює 2800 хв-1 [12]. Розраховане значення крутного моменту, що при цьому вимірюється, становить 43 Нм [13].
При проведенні порівняльних моторних досліджень за допомогою серії ітерацій обирався оптимальний кут випередження запалювання для кожної марки бензоетанолу та режиму роботи ДВЗ, який би забезпечував ефективну роботу ДВЗ без детонації. Ні програмно, ні апаратно двигун до бензоетанолу не адаптувався. Обробка результатів випробувань двигуна проводилася відповідно до ГОСТ 14846-81 [13].
Марка бензоетанолу Об’ємна частка спирту Е, % Об’ємна частка бензину, % Октанове число за дослідницьким методом (ОЧД)А) Октанове число за моторним методом (очмЯ
Е20 20 80 97,5 87,5
Е40 40 60 99 89
Е60 60 40 100 89,9
Е85 85 15 101 90,62
Результати досліджень та їх аналіз
На економічному режимі роботи, як видно з рис. 2, двигун на бензоетанолі Е20 має показник годинної витрати палива (Єп), на 2,7 % менший порівняно з бензином А-95. А вже на бензоетанолі Е40, Е60 та Е85 годинні витрати палива, порівняно з бензином А-95, зростають відповідно на 7; 21; 41 %. Питомі ефективні витрати палива ^) аналогічно відповідно збільшуються на 4; 19,5; 40 %, але темп їх зростання за рахунок підвищення ефективного ККД (пе) двигуна на бензоета-нолі, відносно годинних витрат, дещо загальмовується. Про кращу ефективність роботи двигуна на бензоетанолі, відносно бензину, свідчить крива питомого ефективного використання теплоти (де). На бензоетанолі від Е20 до Е85 включно зростає пе за рахунок найбільш вигідного кута випередження запалювання (0), повноти згоряння суміші, зменшення тепловідводу та ін. ЕБК двигуна при роботі на бензоетанолі на економічному режимі включно до Е60 за сигналом датчика кисню автоматично забезпечує збільшення витрати палива, що ілюструє крива коефіці-
єнта надлишку повітря (а) (рис. 2). А вже при роботі двигуна на бензоетанолі Е85 суміш збіднюється до а = 1,43, незважаючи на збільшення годинної витрати бензоетанолу на 41 % у порівнянні з бензином А-95. Це говорить про те, що ЕБК вже не може пристосовуватись до бензоетанолу Е85 з надто високим вмістом етанолу. Щоб забезпечити більшу циклову дозу палива Е85 для збереження крутного моменту, необхідно збільшити кут відкриття дросельної заслінки, що збільшує ще й витрату повітря. Разом зі зменшенням теоретично необхідної кількості повітря для Е85 це призводить до різкого зростання коефіцієнта надлишку повітря. Як видно з рис. 2, у всьому діапазоні використання бензоетанолу від Е20 до Е85 необхідно збільшувати кут випередження запалювання суміші до його оптимального значення. На жаль, ЕБК не має програми встановлення найбільш вигідного кута випередження. Датчик детонації, задіяний у ЕБК, тільки фіксує порушення роботи двигуна за наявності детонації. На рис. 3 наведено показники токсичності відпрацьованих газів двигуна МеМЗ-307.1 без нейтралізатора.
Рис. 2. Вплив складу бензоетанолу на показники (економічний режим)
Рис. 3. Вплив складу бензоетанолу на токсичність відпрацьованих газів (економічний режим)
Концентрація монооксиду (СО) та діоксиду вуглецю (СО2) у відпрацьованих газах при роботі двигуна на бензоетанолі зменшується, вміст вуглеводнів (СпНт), що не згоріли, зростає, а вміст оксидів азоту (N0,0 спочатку незначною мірою зростає, а на паливі Е85 значно зменшується.
На режимі максимального крутного моменту (рис. 4) найкращі потужнісно-економічні показники двигуна МеМЗ-307.1 проявляються при роботі на бензоетанолі Е20 та Е40 у порівнянні з бензином А-95. Слід зазначити, що на паливі Е20 двигун працював на штатно запрограмованому куті випередження
Gп
(кВт год)
експеримент;
прогноз
Рис. 4. Вплив складу бензоетанолу на показники (режим максимального крутного моменту п = 3200 хв-1)
запалювання, з коефіцієнтом надлишку повітря а = 0,96. Незначне покращання економічності на Е20 досягається тільки за рахунок підвищення пе. Максимальний крутний момент на цих паливах знаходиться на рівні моменту на А-95, а питома ефективна витрата палива зменшується відповідно на ~ 2 та ~ 8 %.
Це пояснюється зростанням пе за рахунок підвищення а та встановленням найвигідні-шого кута випередження запалювання суміші
на Е40, оскільки на Е20 кут випередження залишався без змін. Як видно з рис. 4, годинні витрати палива практично не змінюються, тому що корекції циклових подач палива ЕБК за коефіцієнтом надлишку повітря за сигналом датчика кисню на цьому режимі програмно не відбувається (криві Сп та а).
Максимум на кривій (Мк) при живленні ДВЗ Е40 пояснюється встановленням у ході випробувань досить вигідного, але дуже раннього кута випередження запалювання.
Рис. 5. Вплив складу бензоетанолу на токсичність відпрацьованих газів (режим максимального крутного моменту п = 3200 хв1)
Крива (0), оскільки ОЧД Е40 становить майже 100 одиниць (табл.1) і ознак детонації на цьому паливі не спостерігається. Таким чином, прогнозований вигляд кривих за всіма показниками двигуна повинен бути близьким до показаного пунктиром на рис. 4. На бензо-етанолі Е60 та Е85 коефіцієнт надлишку повітря (а) відповідно зростає до значень 1,15 та 1,3, а за рахунок значного зменшення теплотворної здатності бензоетанолу (крива 2н.п.) максимальний крутний момент знижується (крива Мко) у порівнянні з роботою на бензині А-95 (рис. 4). Як видно з рис. 5, токсичність відпрацьованих газів на режимі максимального крутного моменту при роботі двигуна на бензоетанолі підпорядковується класичній залежності. Найвищою є емісія NOx на паливі Е40, коли коефіцієнт надлишку повітря досягає рівня а = 1,05. Рівень СО при роботі на бензоетанолі, відносно бензину, значно знижується. Поряд зі співвідношенням повітря-паливо та а на рівень токси-
чності значно впливає і кут випередження запалювання суміші.
Емісія СО2 визначається витратою палива. При більш ранньому куті запалювання підвищується емісія СпНт та N0^ Рівень СО практично не залежить від кута випередження. З іншого боку, ранній кут запалювання -це підвищений крутний момент та менша витрата палива.
Висновки
Проведені дослідження показників автомобільного двигуна МеМЗ-307.1 на бензині А-95 та бензоетанолі без його адаптації показали, що ЕБК, маючи певні межі керування, забезпечує збільшення циклової подачі палива на економічному режимі роботи двигуна на бен-зоетанолі Е20, Е40 та Е60. Ефективна робота двигуна МеМЗ-307.1 на економічному режимі при використанні бензоетанолу Е20, Е40,
Е60 потребує зміни у програмі ЕБК кута випередження запалювання, а на бензоетанолі Е85 - ще й у програмі паливоподачі.
Двигуни, не адаптовані до бензоетанолу, але із сучасним поколінням ЕБК зі зворотним зв’язком корекції кута випередження запалювання, можуть ефективно працювати на економічному режимі при використанні бен-зоетанолу до Е60 включно.
На режимі максимального крутного моменту при використанні бензоетанолу необхідна адаптація двигуна за характеристикою тривалості впорскування палива і регулювання кута випередження запалювання.
В цілому робота двигуна на бензоетанолі характеризується більш високим ефективним ККД, нижчим рівнем температури та токсичності відпрацьованих газів.
Для найбільш вигідного компромісу між потужністю, економічністю двигуна та токсичністю відпрацьованих газів при використанні бензоетанолу необхідно більш складне регулювання кута випередження запалювання залежно від коефіцієнта надлишку повітря.
Література
1. Про внесення змін до деяких законів Укра-
їни щодо виробництва та використання моторних палив з вмістом біокомпонен-тів: Закон України № 4970-VI від 19 червня 2012 р. // Голос України. - К., 2012. - 20 липня. - № 131.
2. Бензини автомобільні підвищеної якості.
Технічні умови: ДСТУ 4839:2007. -Уведено вперше; діє з 01.01.2008. - К.: Держспоживстандарт України, 2007. -14 с.
3. Перспективы [Электронный ресурс] / Рос-
сийская Биотопливная Ассоциация. -
2012 - Ржим доступа: http://www.bioetha nol.ru/Legislation/ Germany/prospects/.
4. Александров А.А. Альтернативные топли-
ва для двигателей внутреннего сгорания: монография / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.В. Багров и др. - М.: ООО НИЦ «Инженер», 2012. - 790 с.
5. Сорокопуд В. Украина намерена произво-
дить биотопливо, а готова ли? [Элект-
ронный ресурс] / В. Сорокопуд // АПК-Информ. - 2012. - Режим доступа: http://www.apkinform.com/ru/exlusive/topi c/1006235.
6. Optimal Ethanol Blend-Level Investigation
[Электронный ресурс] // Richard E. Shockey, Ted R. Aulich, Bruce Jones, Gary Mead, Paul Steevens - 2007. - Режим доступа: http://www.ethanol.org/pdf/content mgmt/ACE_Optimal_Ethanol_Blend_Leve l_Study_final_ 12507.pdf.
7. Fuel Economy of 2013 Flex-Fuel (E85) Vehi-
cles [Електронний ресурс] / U.S. Department of Energy. - 2012. -Режим доступу: http://www.fueleconomy. gov/feg/byfuel/ FFV2013.html.
8. ADAPTER E85 [Електронний ресурс] /
GREEN-BUTTON ECOTECHNICS. -2011. - Режим доступу: http://green-button.org/ru/adapter-85.html
9. Процесор кута випередження запалювання
STAG-TAP-01-02 [Електронний ресурс] / AC Spotka Akcyjna. - 2011. - Режим доступу: http://www.ac.com.pl/ru/produkt/ 317/tap-01.
10. Погребной С.Н. Таврия, Таврия Нова,
Славута: руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту / С.Н. Погребной, А.А. Владимиров, С.Ю. Петров. - М.: Издательский Дом «Третий Рим», 2008. - 256 с.
11. Мараховський В.П. Розрахунковий метод
визначення октанового числа бензоета-нолу / В.П. Мараховський // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2011. -Вып. 28. - С. 54-57.
12. Бортницкий П.И. Тягово-скоростные ка-
чества автомобилей: справочник /
П.И. Бортницкий. - К.: Вища школа, 1978. - 176 с.
13. Двигатели автомобильные. Методы стен-
довых испытаний: ГОСТ 14846-81. -Взамен ГОСТ 14846-69; действует с 01.01.1982. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 40 с.
Рецензент: Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 27 травня
2013 р.
