CC BY
29
УДК 621.436:665.75
ВПЛИВ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ФАКТОР1В НА ПОКАЗНИКИ АВТОМОБ1ЛЯ
ПРИ ВИКОРИСТАНН1 БЮПАЛИВА
А.О. Корпач, проф., к.т.н., Нацюнальний транспортний ушверситет, м. Кшв, О.О. Левк1вський, спещалкт вщдшу управлшня автопарками, к. т.н., ТОВ «Порше Мобшт», м. Кшв
Анотац1я. Подано результаты розрахунку еитрати палиеа та euKudie шюдливих речоеин дизелем автомобыя, що працюе на б1опалив1. Розрахунки еиконано для автомобыя, що рухаетъся в режимах MicbK0Z0 гздового циклу, ерахоеуючи змту стану та npoфiлю дорожнъого покриття, що характеризуются коефщентом опору коченню i кутом нахилу поездоежнъого npoфiлю дороги.
Ключов1 слова: б1опаливо, МЕРО, математична модель, палиена економ^чтстъ, еикиди шюдливих речоеин.
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БИОТОПЛИВА
А.А. Корпач, проф., к.т.н., Национальный транспортный университет, г. Киев, А.А. Левковский, специалист отдела управления автопарками, к.т.н., ООО «Порше Мобилити», г. Киев
Аннотация. Представлены результаты расчета расхода топлива и выбросов вредных веществ автомобильным дизелем, работающим на биотопливе. Расчеты выполнены при движении автомобиля в режимах городского ездового цикла, с учетом изменения состояния и профиля дорожного покрытия, характеризующихся коэффициентом сопротивления качению и углом наклона продольного профиля дороги.
Ключевые слова: биотопливо, МЕРМ, математическая модель, топливная экономичность, выбросы вредных веществ.
EFFECT OF OPERATING FACTORS ON THE VEHICLE PERFORMANCE WHEN
USING BIOFUEL
A. Korpach, Prof., Ph. D. (Eng.), National Transport University, Kyiv, O. Levkivskyi, Fleet Service Expert, Ph. D. (Eng.), «Porsche Mobility» l. l. C., Kyiv
Abstract. The results of fuel consumption calculation and pollutant emissions produced by a diesel engine running on biofuel are presented. The calculations were made for the car moving in the urban driving cycle mode given the changing status and the profile of pavement characterized by the gradient coefficient of rolling resistance and the angle of the longitudinal profile of the road are performed.
Key words: biofuel, MERO, mathematical model, fuel economy, pollutant emissions.
Вступ
На сьогодш застосування бюпалива в авто-мобшьних двигунах розглядаеться як один з основних напрям1в зниження споживання
палив нафтового походження i покращення еколопчних показниюв. Актуальнють ще! задач! зумовлена поступовим виснаженням свггових запас1в нафти та постшним шдви-щенням вимог щодо токсичноси вщпрацьо-
ваних газ1в автомобшьних двигушв, у зв'язку з1 значним забрудненням навколишнього се-редовища шюдливими речовинами та парниковыми газами. Таким чином, дослщження, спрямоваш на визначення можливостей та ефективносп застосування бюпалива у дви-гунах сершних автомобшв, е актуальними, а окрем1 питания потребують всеб1чного роз-гляду.
Анал1з публжацш
Для автомобшьних дизел1в найбшьш перспе-ктивним бюпаливом вважаеться МЕРО (метилов! еф1ри ршаково! олп). Широкому роз-повсюдженню МЕРО сприяе доступна сировинна база та под1бш до дизельного па-лива (ДП) ф1зико-х1м1чш властивосп [1].
Ефектившсть застосування МЕРО в автомобшьних дизелях розглянуто в роботах [2, 3]. Виконаш дослщження спрямоваш на ви-вчення впливу бюпалива на робочий процес автомобшьних двигушв. Встановлено мож-ливють використання бюпалива у двигунах сершних автомобшв - як у сумш1 з дизель-ним паливом, так 1 в чистому видг
Пор1вняльш дослщження, виконаш шд час роботи автомобшьних дизел1в на дизельному палив1 та МЕРО, свщчать про змшу паливно! економ1чносп й токсичних показниюв вщ-працьованих газ1в при переход! з одного па-лива на шше. Законом1ршсть змши витрати палива та викид1в шкщливих речовин, у свою чергу, залежить вщ режим1в роботи двигуна.
Мета 1 постановка завдання
Пщвищення ефективносп застосування бю-палива, з точки зору змши паливно! економь чносп й токсичносп вщпрацьованих газ1в автомобшьних двигушв, потребуе проведения всеб1чних дослщжень в умовах експлуатацп. Визначення викид1в шкщливих речовин в умовах експлуатацп е техшчно складною та трудомюткою задачею. Бшьш доцшьно виконати розрахунок витрати палива та викид1в шкщливих речовин з вщпра-цьованими газами автомобшя за допомогою математично! модел1 та перев1рити адекват-шсть одержаних результата, виконавши де-кшька експериментальних за!зд1в.
Таким чином, метою роботи е визначення, шляхом математичного моделювання, витрати палива та викид1в шкщливих речовин ав-
томобшем з дизелем, що працюе на МЕРО, враховуючи змшу експлуатацшних фактор1в.
Методика проведения дослщжень
У робот1 [4] уточнено математичну модель, що дозволяе визначити змшу експлуатацшних показниюв вантажного автомобшя з дизелем, що працюе на бюпалив1, в систем! «водш-автомобшь-дорога». Змшу режим1в роботи дизеля та вщповщну змшу режим1в руху автомобшя, що задано операцшною картою 13дового циклу, описано рядом алгебра-1чних та диференщальних р1внянь.
Вхщш даш для математично! модел1 одержано за результатами експериментальних стен-дових дослщжень дизеля 4411,0/12,5 (Д-241)
[5]. Щд час стендових дослщжень визначено оптимальний кут випередження впорскуван-ня палива пщ час роботи дизеля на МЕРО. За результатами дослщжень встановлено, що оптимальний кут випередження впорскуван-ня бюпалива на 2 град п.к.в. менше, шж для дизельного палива, 1 становить 24 град п. к. в.
[6]. Подальш1 розрахунки виконано для дизеля, що працюе на бюпалив1 з кутом випередження впорскування 24 град. п.к.в., в по-р1внянш з дизелем, що працюе на дизельному палив1 з1 штатним кутом випередження впорскування.
За допомогою навантажувальних характеристик дизеля пщ час роботи на дизельному палив1 3-0,2-(-25) (ДСТУ 3868-99) та МЕРО (ДСТУ 6081:2009) визначено полшомш за-лежносп, що дозволяють описати змшу витрати палива та викид1в шкщливих речовин у широкому д1апазош швидюсних та навантажувальних режим1в роботи двигуна.
В умовах експлуатацп витрата палива та ви-киди шкщливих речовин залежать вщ режиму роботи двигуна, що змшюеться залежно вщ змши умов експлуатацп. Найбшьш сутте-во на роботу двигуна впливають стан та про-фшь дорожнього покриття, що характеризу-ються коефщентом опору коченню (/0) та кутом нахилу повздовжнього профшю дороги (а).
Комплексне дослщження впливу умов експлуатацп на витрату палива та викиди шкщ-ливих речовин дизелем вантажного автомобшя виконано пщ час руху автомобшя на фрагмент! мюького !здового циклу для ван-тажних автомобшв загальною масою понад 3,5 т згщно з ГОСТ 20306-90 (рис. 1).
V, км/год
60
50 40
30
20 10 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 S, м
Рис. 1. Фрагмент мюького !здового циклу для ДТЗ повною масою понад 3,5 т
За результатами дослщжень визначено таю паливно-економ1чш та еколопчш показники: Gním - масова витрата палива на 1 км npo6iry; QnaM — витрата палива в тепловому екв1вален-tí на 1 км npo6iry;
GC0 — MacoBi викиди оксиду вуглецю на 1 км npo6iry;
Таблиця 1 Результаты розрахунку
Анал1з результата розрахунку свщчить про зростання витрати бюпалива на 46,7 % з1 зростанням коефщента опору коченню в за-даному д1апазош Викиди шкщливих речо-вин з вщпрацьованими газами пщвищуються таким чином: викиди оксид1в вуглецю - на 36,9 %, вуглеводшв - на 13,8 %, оксид1в азоту - на 64,3 %, саж1 - на 56,3 %. Сумарш ма-сов1 викиди, приведен! до СО, пщвищуються на 60,9 %.
У пор1внянш з дизельним паливом, масова витрата бюпалива в середньому е вищою на 12 %, однак у тепловому екв1валент1 витрата бюпалива на 2,4 % нижча, шж витрата дизельного. Викиди основних шкщливих речовин е нижчими при використанш бюпалива на: вуглеводшв - на 14 %, оксид1в азоту - на 8 %, саж1 - на 21 %. Лише викиди оксиду вуглецю на 20 % вищг Сумарш масов1 викиди шкщливих речовин, приведен! до СО, е
Gcн - масов1 викиди вуглеводшв на 1 км пробку;
G10x - масов1 викиди оксид1в азоту на 1 км пробку;
Gc - масов1 викиди саш на 1 км пробку; 0-£Со - сумарш масов1 викиди, приведен! до СО на 1 км пробку.
Результати розрахунку за змши коефщ1ента опору коченню
Розрахунки на математичнш модел1 викона-но за змши коефщента опору коченню в д1а-пазош значень:
П0=0,016 - яюсне асфальтобетонне покриття;
П0=0,021 - асфальтобетонне покриття задовь
льно! якостц
П0=0,025 - гравш;
П0=0,032 - суха грунтова дорога;
П>=0,040 - волога грунтова дорога.
Результати розрахунку наведено в табл. 1.
нижчими на 10,8 % при використанш бюпалива.
Результати розрахунку за змши кута нахилу повздовжнього профшю дороги
Змша кута нахилу повздовжнього профшю дороги бшьш значущо впливае на витрату палива та викиди шкщливих речовин з вщпрацьованими газами автомобшьного дизеля. В умовах експлуатацп кут нахилу повздовжнього профшю дороги може змшюватись у широкому д1апазош
Вщповщно до вимог СНиП 2.05.02-85, техш-чних характеристик автомобшя та параметр1в заданого !здового циклу, для розрахунюв об-рано кут нахилу повздовжнього профшю дороги в д1апазош -20-20 %. Пщ час розрахунку було взято, що /0 = 0,016.
Результати розрахунку наведено в табл. 2.
за 3míhh коефвдента опору коченню
fo 0,016 0,021 0,025 0,032 0,040
дп МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО
GnajI, кг/км 0,131 0,146 0,143 0,160 0,152 0,171 0,169 0,190 0,189 0,214
бпал, МДж/км 5,576 5,397 6,075 5,909 6,479 6,320 7,200 7,049 8,047 7,919
GC0, г/км 10,888 13,207 11,526 14,051 12,064 14,695 13,160 15,858 15,272 18,074
Gch, г/км 0,074 0,065 0,075 0,066 0,077 0,067 0,082 0,069 0,091 0,074
GNOx, г/км 5,487 5,033 6,261 5,740 6,873 6,312 7,894 7,282 8,928 8,267
GC, г/км 0,494 0,397 0,538 0,427 0,579 0,456 0,665 0,521 0,789 0,620
Gyp, г/км 335,44 299,679 376,75 335,56 410,61 365,567 470,80 419,597 540,23 482,200
Таблиця 2 Результаты розрахунку за змши кута нахилу повздовжнього профию дороги
а, %о -20 -10 0 10 20
ДП МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО ДП МЕРО
GnajI, кг/км 0,101 0,110 0,120 0,132 0,143 0,160 0,167 0,187 0,192 0,217
бпал, МДж/км 4,273 4,055 5,085 4,884 6,076 5,909 7,091 6,938 8,145 8,020
GC0, г/км 9,169 10,436 10,311 12,321 11,557 14,051 13,011 15,674 15,522 18,294
Gch, г/км 0,072 0,067 0,073 0,065 0,075 0,066 0,081 0,069 0,092 0,075
GNOx, г/км 3,486 3,279 4,731 4,371 6,257 5,740 7,743 7,142 9,030 8,369
GC, г/км 0,391 0,336 0,456 0,373 0,539 0,427 0,651 0,510 0,805 0,633
GXC, г/км 230,96 212,707 296,19 266,797 376,69 335,558 461,67 411,437 547,95 489,182
Анал1з результата розрахунку виявив зрос-тання витрати бюпалива 3i збшьшенням кута нахилу повздовжнього профшю дороги вщ 0 до 20 % (рух автомобшя на пщйом) на 35,7%, а за зменшення кута вщ 0 до 20 %о (рух автомобшя на спуск) зниження витрати палива на 31,4 %. Викиди шкщливих речовин пщ час руху автомобшя на пщйом пщвищуються таким чином: викиди оксид1в вуглецю - на 30,2 %, вуглеводшв - на 14,0 %, оксид1в азоту - на 45,8 %, саж1 - на 48,3 %. Сумарш ма-coBi викиди, приведен! до СО, пщвищуються на 45,8 %. У випадку руху автомобшя на спуск викиди шкщливих речовин знижують-ся: оксид1в вуглецю - на 25,7 %, вуглеводшв - на 1 %, оксид1в азоту - на 42,9 %, саж1 - на 21,2 %. Сумарш масов1 викиди, приведен! до СО, знижуються на 36,6 %.
У пор1внянш з дизельним паливом, масова витрата бюпалива пщ час руху автомобшя на пщйом вища на 12,0-13,0 %. Витрата палива в тепловому екв1валент1 е нижчою на 1,52 %. Пщ час руху автомобшя на спуск масова витрата бюпалива е вищою, в пор1внянш з дизельним паливом, на 9-10 %, а в тепловому екв1валеш! - нижчою на 4-5 %.
Викиди СО при використанш бюпалива ви-щ1, в пор1внянш з дизельним паливом, на 18,0-20,5 % пщ час руху на пщйом i на 14,019,5 % - пщ час руху на спуск.
Викиди CH, NOx i саж1 е нижчими при використанш бюпалива, в пор1внянш з дизельним паливом. Пщ час руху на пщйом викиди на CH знижуються на 15,0-18,0 %, NOx - на 7,5 %, саш - на 21,5 %. Пщ час руху на спуск викиди CH знижуються на 7,6-11,0 %, NOx -на 6-7,5 %, саш - на 7,9-10 %.
Сумарш масов1 викиди шкщливих речовин, приведен! до СО, при використанш бюпали-
ва е нижчими, в пор1внянш з дизельним паливом, в середньому на 10,9 % пщ час руху на пщйом I на 8,5 % пщ час руху на спуск.
Перев1рка адекватное™ одержаних результате
Адекватнють одержаних результата перевь рено в ход1 дорожшх випробувань вантажного автомобшя ГАЗ-53-12 з дизелем 4411,0/12,5 (Д-241). В ход1 експериментальних дослщжень визначено витрату палива пщ час руху вантажного автомобшя в режимах мюького 13дового циклу для автомобшв повною масою понад 3,5 т. Експерименталь-ш дослщження виконано на прямолшшнш дшянщ шляху з горизонтальним профшем та асфальтобетонним покриттям, довжиною 1000 м. Випробувальш за!зди на дороз1 здш-снювались у протилежних напрямках - по два за!зди в кожному напрямку на дизельному палив1 та МЕРО [7]. За результатами експериментальних та розрахункових досль джень встановлено, що розб1жнють результата не перевищуе 5 %. Таким чином, одержа-ш результати можна вважати адекватними.
Висновки
За результатами дослщжень встановлено, що для автомобшя з дизелем, який працюе на бюпалив1, законом1рнють змши витрати палива та викид1в шкщливих речовин за змши умов дорожнього руху под1бна до автомобь ля, що працюе на дизельному паливг
Масова витрата палива для вс1х режим1в руху е вищою при використанш бюпалива, але при перерахунку в тепловий екв1валент спо-стер1гаеться зниження. Викиди основних шкщливих речовин з вщпрацьованими газами е нижчими для вс1х режим1в руху при використанш бюпалива.
Лггература
1. Забарний Г.М. Термодинам1чна ефекти-вн1сть та ресурси рщкого бюпалива Украши / Г.М. Забарний, С.О. Кудря, Г.Г. Кондратюк, Г.О. Четверик. - К.: 1н-ститут вщновлювано! енергетики HAH Украши. Вщдш вщновлюваних оргашч-них енергоноспв, 2006. - 226 с.
2. Марков В. А. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях: монография / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. - М.: ООО «НИЦ инженер» (Союз НИО), 2011. - 536 с.
3. Васильев И. П. Влияние топлив растительного происхождения на экологические и экономические показатели дизеля: монография / И.П. Васильев. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2009. - 240 с.
4. Гутаревич Ю.Ф. Уточнена модель руху вантажного автомобшя з дизелем в режимах 13дового циклу при робот1 на дизельному та бюдизельному паливах / Ю.Ф. Гутаревич, АО. Корпач, О.О. Лев-ювський // Управлшня проектами, сис-темний анал1з i лопстика: науковий журнал. - 2012. - № 9. - С. 46-51.
5. Корпач А.О. Результати стендових ви-пробувань автотракторного дизеля за роботи на дизельному та бюдизельному паливах / А.О. Корпач, О.О. Левювський // Systems and means of motor transport. Selected problems. - 2010. - №1. -C.115-118.
6 Корпач А.О. Bn6ip оптимального кута випередження впорскування для автотракторного дизеля за роботи на бюдизельному палив1 / А.О. Корпач, О.О. Ле-вювський // В1сник СевНТУ. Сер1я: Ма-шиноприладобудування та транспорт. -2011. - № 121. - С. 118-120.
7. Гутаревич Ю.Ф. Перев1рка адекватносп математично! модел1 руху вантажного автомобшя в режимах мюького !здового циклу за роботи на дизельному та бюдизельному паливах / Ю.Ф. Гутаревич, А.О. Корпач, О.О. Левювський // Systems and means of motor transport. Selected problems. - 2012. - №3. - С. 8792.
Рецензент: Ф.1. Абрамчук, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 22 кв1тня 2016 р.
