CC BY
57
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БЕНЗОЭТАНОЛЬНЫХ
СМЕСЕЙ
А.М. Левтеров, доцент, к.т.н., ХНАДУ, В.П. Мараховский, научн. сотр., Л.И. Левтерова, вед. инженер, Н.Ю. Гладкова, вед. инженер, ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины
Аннотация. Подводится итог комплексного исследования использования этилового спирта и его добавок к основному топливу автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: расчет, цикл, эксперимент, характеристика, сравнение, параметры, токсичность, достоверность.
Введение
Появление и использование новых топлив в качестве основного топлива энергоустановок или в виде добавок и присадок к традиционному нефтяному топливу ставит задачу прогнозирования физико-химических свойств используемых топлив, технико-экономических и экологических показателей энергоустановок, использующих эти топлива. Постановка задачи влечет за собой необходимость исследования способов смешения и растворения топлив, их возможного агрессивного влияния на элементы конструкций и, главное, характеристик и условий организации рабочих процессов двигателя на новых топливах.
Анализ публикаций
Наиболее вероятными альтернативными моторными топливами могут служить легкие спирты, как этиловый, так и метиловый, биогаз, эфиры растительных масел. Предлагаемая статья подводит итог исследования использования в качестве топлива для автомобильного двигателя с искровым зажиганием этилового спирта и его добавок к основному топливу.
В первую очередь, было проведено исследование моторных свойств топлива [1, 2, 3],
затем, в соответствии с квазимерной термодинамической моделью рабочего цикла двигателя, базирующейся на двухзонной модели процесса сгорания, проведен численный эксперимент по прогнозированию основных характеристик двигателя ВАЗ (4Ч 7,9/8,0) при использовании этилового спирта в качестве основного топлива и добавок к бензину [4].
Исследования проводились в широком диапазоне изменения конструктивных (в - степень сжатия), режимных (а - коэффициент избытка воздуха, п - число оборотов коленчатого вала) и регулировочных (ф - угол опережения зажигания) параметров двигателя для различных концентраций смесевого топлива. В результате были получены характеристики рабочего цикла двигателя, его индикаторные показатели, эмиссия вредных составляющих отработавших газов (ОГ) на стадии завершения процесса расширения, отражающие качественное влияние изменения управляющих воздействий (а, в, п, ф, нагрузка). Варьирование величиной угла опережения зажигания позволило определить оптимальную его величину для исследуемого двигателя по критериям величины коэффициента полезного действия (КПД) и эмиссии монооксида азота N0.
Учитывая, что использование топливных композиций с содержанием спирта более
20 % оказывает отрицательное влияние на некоторые материалы элементов конструкции двигателя, для серии натурных стендовых испытаний было выбрано топливо с 10% содержанием этанола (по объему) в смеси с бензином. В результате проведенных экспериментальных исследований были сняты основные характеристики двигателя, в том числе содержание вредных компонентов в отработавших газах по внешней скоростной характеристике двигателя: СтНп, СО, NOx [5].
Анализ результатов эксперимента и расчетной модели
Следующий этап исследований использования бензоэтанольного топлива заключался в проверке соответствия данных, получаемых по расчетной модели и в результате эксперимента. Для этого, по условиям эксперимента, по его исходным параметрам (в, а, ф, п) были сделаны соответствующие расчеты полного рабочего цикла двигателя для каждого варианта эксперимента. Результаты сравнения представлены на рис. 1, 2 и свидетельствуют, что в зависимости от скоростного режима двигателя отклонения результатов эксперимента и расчета находятся в пределах от 4 % до 19 % (кроме показателей токсичности) по всем сравниваемым показателям: эффективной мощности (N¡5), часовому расходу топлива (&т), удельному эффективному расходу топлива (£е) и эффективному КПД (пе). Удовлетворительное сближение кривых (4 - 9) % отмечается при частоте оборотов коленчатого вала двигателя от 2500 мин-1 до 4000 мин-1 внешней скоростной характеристики (режиме, близком к условиям реальной эксплуатации легкового автомобиля). На концах характеристик результаты разнятся на 13 -19 %. Из общей картины сравнения выпадают характеристики эффективного КПД, где близость результатов до (5 - 9) % наблюдается на скоростном режиме (3500 -
4500) мин-1.
Так как математическая модель рабочего цикла двигателя представляет значения индикаторных показателей цикла, необходимые для сравнения эффективные показатели получались в соответствии с зависимостью
Ле Лi Пмех ,
определяемый в соответствии с эмпирической зависимостью, в которой пмех является функцией оборотов и типа двигателя.
экспериментальная характеристика; расчетная характеристика
Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика двигателя на бензоэтаноле с 10 % содержанием этанола (основные энергоэкономические показатели)
N0, млн-1
1500
1000
500
I- ->
\
Л "А
/1 і
N0 / \а > СО
// г ► — ( » — •
А-
150
2500
350
550
7
СО, % 5 4 3 2 1 0
экспериментальная характеристика; расчетная характеристика
Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика, содержание этанола в топливе 10 % (токсичность ОГ)
При сравнении показателей токсичности (к сожалению, в расчете не учитывалось содержание в отработавших газах компонентов СтНп и сравнение по ним провести невозможно) наблюдается довольно большая разница в показателях эмиссии монооксида азота, что можно объяснить, прежде всего, условиями протекания химических реакций в реагирующем потоке, которые моделью не предусмотрены. Кроме того, на результатах эксперимента сказываются организация рабочего цикла, особенности конструкции и техническое состояние испытываемого двигателя.
п, мин
На экспериментальной кривой эмиссия мо-где Ле - эффективный параметр; Лi - индика- нооксида азота находится в диапазоне значе-
торный параметр; пмех - механический КПД, ний от 1250 до 3250 млн. \ при этом значе-
ния коэффициента избытка воздуха, в соответствии с планом эксперимента, кроме одного случая (а = 1,03, п = 2000 мин-1), не превышают единицу. Теоретически монооксиды азота N0 при горении богатой топливовоздушной смеси (а < 1) принимают минимальные, близкие нулю значения. Общеизвестен как теоретический, так и экспериментальный вид зависимости образования монооксида азота от коэффициента избытка воздуха. Ранее в расчетах такая зависимость рассматривалась (рис. 3) [4]. Оксиды азота образуются из атомов азота N2 и кислорода О2 воздуха, количество которого в обогащенной смеси ограничено. Кроме того, при а < 1 температура, способствующая образованию N0, не достигает максимума, и рост образования N0 начинается вблизи а = 1, когда заметно возрастает максимальная температура цикла и увеличивается содержание воздуха в горючей смеси.
600 N0, млн-1
400
300
200
100
0
1 Gэ 1 — =100 %
\ 70 % 0; 0 %
\*Х 5 и; 30; 1
V*.
0,8 1 1,2 1,4 1,6 а 2
Рис. 3. Влияние коэффициента избытка воздуха на эмиссию монооксида азота
Для эмиссии СО наблюдается совпадение вида кривой и вполне допустимая разница значений, если учитывать, что при термодинамических расчетах рассматриваются процессы с идеальным газом.
Таким образом, анализ сравнения экспериментальных и расчетных характеристик дает возможность утверждать, что расчетная модель достаточно достоверна. В связи с этим была решена еще одна задача: рассмотрены зависимости основных показателей двигателя от увеличения содержания этанола в сме-севом топливе. Для этого для фиксированных значений коэффициента избытка воздуха (а = 1,05, а = 0,9, а = 0,8) получены основные расчетные показатели полного цикла двигателя (рис. 4) и показатели выбросов монооксидов азота в зависимости от про-
центного содержания этанола в топливовоздушной смеси GЭ/G^ (рис. 5).
0,9
0,8
Рис. 4. Основные характеристики цикла двигателя для различных бензоэтанольных топливных композиций
410"
N0,
цикл
3,5-10-
3-10-
а = 1,0 є = 8,5
п = 3000, мин-1
СИ ежі сш
50
75
100
Содержание этанола в бензоэтанольной смеси,
<Зэ/Оь %
Рис. 5. Влияние содержания этанола в топливовоздушной смеси на эмиссию монооксида азота
Анализируя полученные зависимости, следует отметить, что с увеличением содержания этанола в бензоэтанольном топливе для а < 1 наблюдается небольшой рост индикаторного КПД, который является основным критерием качества рабочего цикла двигателя. Умеренное снижение максимальных значений давления и температуры цикла и, как следствие, снижение индикаторной мощности указывают на возможность работы двигателя с меньшими тепловыми и механическими нагрузками. Картина незначительно меняется для а = 1,05: при почти неизменных значениях индикаторного КПД, максимальных значениях давления и температуры цикла наблюдается умеренный рост индикаторной мощности. Что касается показателей эмиссии монооксидов азота - они уверенно растут с
К
г
ростом доли этанола в бензоэтанольной смеси (рис. 5).
Вообще, если рассматривать внешнюю скоростную характеристику по показателям выбросов СО и N0 (рис. 6), их рост связан как с интенсивностью скоростного режима, так и с увеличением в топливе доли этанола. Значения выбросов С02 незначительно уменьшаются в зависимости от концентрации этанола в топливе и роста числа оборотов коленчатого вала двигателя.
4 1510-5 к и
"й 1010-5 ,0
2^ 5-10-5 ,О
О 0
2000 3000 4000 п, мин-1 6000
......... - Gэ/Gz=100 %
----------- 50, 30, 10, 0 %
Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика (токсичность ОГ)
Выводы
Опираясь на вывод о достаточной достоверности математической модели рабочего цикла двигателя и на проведенный выше анализ, можно полагать, что результаты экспериментальных исследований двигателя ВАЗ (4Ч 7,9/8,0) на смесевом топливе с 10 % добавкой этанола к бензину можно распространить с помощью математического моделирования полного рабочего цикла ДВС на весь ряд возможных топливных бензоэта-нольных композиций с учетом оптимизационных вариаций в каждом рассматриваемом случае при использовании двигателя конкретного типа. Благодаря такому способу решения поставленной задачи удалось сократить временные и материальные затраты на натурные испытания. Использование добавки этанола к основному топливу не вызывает резких изменений в основных показателях двигателя. Это подтверждается, прежде всего, экспериментально [5].
Смесевые топлива на основе легких спиртов, в частности этанола, ведут к росту эмиссии N0 (по разным источникам от 10 до 15%); для таких топлив характерны наличие кислорода в молекулах топлива, большая величина
0,1
о
и
0
энергии парообразования, более высокое значение энергии активации окисления топлива.
Увеличение доли этанола в бензоэтанольном топливе способствует росту октанового числа смесевого топлива, появляется возможность увеличения степени сжатия, что является эффективным средством повышения экономичности и снижения по некоторым компонентам уровня токсичности ОГ на режимах частичных нагрузок, которые составляют большую часть эксплуатационных режимов автомобильных двигателей.
В целом использование этанола и его добавок к основному топливу вполне реально. К одному из его достоинств можно отнести обширную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость получения.
Литература
1. Мараховский В.П. Перспективы использо-
вания бензоспиртовых топлив в Украине / В.П. Мараховский, В.Н. Бганцев // Автомобильный транспорт. - 2007. -Вып. 20.- С. 92 - 94.
2. Макаров В.В. Спирты как добавки к бензи-
нам / В.В. Макаров, А.А. Петрыкин, В.Е. Емельянов и др. // Автомоб. пром-сть. -2005. - №8. - С. 22 - 23.
3. Ильницкая А. Стратегический выбор:
энергия будущего. Этанол как гарантия энергетической безопасности Украины // Товарищ. - 2006. - 28 - 30 нояб. -№95(885). - С.3.
4. Левтеров А.М. Исследования характери-
стик двигателя с искровым зажиганием, работающего на бензоэтанольных топливных композициях / А.М. Левтеров, Л.И. Левтерова, Н.Ю. Гладкова // Двигатели внутреннего сгорания. - 2008. -№1. - С. 52 - 57.
5. Левтеров А.М. Экспериментальная оценка
энерго-экологических показателей автомобильного двигателя на бензоэтаноле / А.М. Левтеров, В.П. Мараховский,
B.Н. Бганцев, М.В. Сарапина // Автомобильный транспорт. - 2008. - Вып. 22. -
C. 98 - 101.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 июня 2008 г.
