Покращення паливної економічності та екологічних показників автомобілів раціональним використанням бензинів з добавками біоетанолу

22

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Захарченко Олексій Миколайович

УДК 629.113

Покращення паливної економічності та екологічних показників автомобілів раціональним використанням бензинів з добавками біоетанолу

Спеціальність 05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У зв'язку із зменшенням природних запасів нафти та суттєвим зростанням вартості традиційних моторних палив надзвичайно актуальним є розширення використання біопалив, які отримують з відновлюваної рослинної сировини, зокрема біоетанолу, що зменшує залежність України від нафти як джерела енергії. Проведеним аналізом підтверджено перспективність використання добавок біоетанолу до бензину для живлення автомобільних двигунів, що знаходяться в експлуатації. Разом з тим, використання бензинів з добавками біоетанолу потребує проведення додаткових, більш детальних досліджень щодо оптимізації параметрів двигунів автомобілів, зокрема визначення оптимальних значень встановлювального кута випередження запалювання (ВКВЗ).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт Національного транспортного університету (НТУ) на 2006 та 2007 роки за темою "Покращення показників дорожніх транспортних засобів удосконаленням двигунів та їх систем", державна реєстрація №0107U002832, згідно плану науково-дослідної роботи держбюджетної теми №48 "Покращення експлуатаційних показників автотракторних двигунів оптимізацією показників систем живлення та регулювання" на 2006-2008 роки, державна реєстрація №0106U000694.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є покращення паливної економічності та екологічних показників автомобілів раціональним використанням бензинів з добавками біоетанолу, що передбачає оптимізацію ВКВЗ.

Для досягнення мети вирішуються такі задачі:

-- Розробка методики проведення досліджень щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу шляхом покращення робочого процесу оптимізацією регулювальних параметрів системи запалювання.

-- Уточнення математичної моделі руху автомобіля за Європейським міським їздовим циклом, розробка програми для визначення оптимальних значень ВКВЗ та дослідження його впливу на паливну економічність та екологічні показники автомобіля при живленні двигуна бензинами з добавками біоетанолу.

-- Проведення експериментальних стендових досліджень бензинового двигуна для дослідження впливу ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники при живленні бензинами з добавками біоетанолу.

-- Складання та перевірка адекватності математичних моделей двигуна, що описують його як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища.

-- Перевірка адекватності математичної моделі руху автомобіля за режимами Європейського міського їздового циклу.

-- Проведення розрахункових досліджень із застосуванням математичної моделі руху автомобіля за режимами Європейського міського їздового циклу для визначення оптимальних значень ВКВЗ та його впливу на паливну економічність та екологічні показники при живленні бензинами з добавками біоетанолу.

-- Проведення дорожніх випробувань автомобіля для визначення впливу ВКВЗ на паливну економічність автомобіля при живленні двигуна бензинами з добавками біоетанолу.

-- Розробка рекомендацій щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу при живленні двигунів автомобілів в умовах експлуатації.

Об'єкт дослідження - вплив добавок біоетанолу до бензину на паливну економічність та екологічні показники автомобільних двигунів в умовах експлуатації.

Предмет дослідження - визначення доцільних величин ВКВЗ при використанні бензинів з добавками біоетанолу для покращення паливної економічності та екологічних показників автомобільних двигунів.

Методи дослідження. Для визначення оптимальних значень ВКВЗ та його впливу на паливну економічність та екологічні показники автомобіля при живленні бензинами з добавками біоетанолу використано розрахунково-експериментальний метод.

Експериментальним методом визначено вплив ВКВЗ на енергетичні, екологічні показники та паливну економічність двигуна МеМЗ-245 при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу в режимі, найбільш характерному для умов експлуатації; отримано поліноміальні залежності двигуна МеМЗ-245 як споживача палива, повітря, джерела енергії та викидів забруднюючих речовин (ЗР); досліджено робочий процес в циліндрі двигуна МеМЗ-245 при живленні бензином А-95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу; отримано паливні характеристики автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при живленні його двигуна бензином А-95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу та поведені дорожні випробування в реальних умовах експлуатації; розроблено рекомендації щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу застосуванням електронного приладу для встановлення оптимальних значень ВКВЗ в умовах експлуатації.

Розрахунковим методом із застосуванням уточненої математичної моделі визначено оптимальні значення ВКВЗ та його вплив на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" під час його руху за режимами Європейського їздового циклу при живленні його двигуна бензином А-95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що при використанні бензинів з добавками біоетанолу для покращення паливної економічності та екологічних показників автомобільних двигунів в умовах експлуатації необхідно змінювати регулювальні параметри, зокрема ВКВЗ.

Розроблено методику визначення оптимальних значень ВКВЗ при використанні бензинів з добавками біоетанолу із застосуванням уточненої математичної моделі руху автомобіля за режимами Європейського міського їздового циклу.

Вперше встановлено, що раціональною зміною ВКВЗ можна покращити паливну економічність та екологічні показники автомобілів в умовах експлуатації при використанні бензинів з добавками біоетанолу.

Практичне значення одержаних результатів. Визначено числові значення оптимальних ВКВЗ при живленні двигуна МеМЗ-245 бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Отримано числові значення коефіцієнтів поліноміальних залежностей двигуна МеМЗ-245, що описують його як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища при живленні штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

На основі уточненої математичної моделі в середовищі MathCAD розроблено програму для проведення розрахункових досліджень щодо визначення оптимальних значень ВКВЗ та його впливу на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при живленні штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу при русі за режимами Європейського міського їздового циклу.

Визначено витрати палива та викиди ЗР автомобілем ЗАЗ-1102 "Таврія" з двигуном МеМЗ-245 при його русі за режимами Європейського міського їздового циклу згідно з ГОСТ 20306-90 при використанні бензинів з добавками біоетанолу.

Отримано паливні характеристики автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при живленні його двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Визначено витрати палива автомобілем ЗАЗ-1102 "Таврія" в реальних умовах експлуатації в місті при живленні його двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Розроблено рекомендації щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу застосуванням електронного приладу для встановлення оптимальних значень ВКВЗ в умовах експлуатації.

Результати роботи прийняті до використання в Державному підприємстві "Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості "МАСМА" Міністерства палива та енергетики України (м. Київ) та в ТОВ "Науково-виробничий комерційний центр "ОДІС-W" (м. Одеса).

Особистий внесок здобувача. Здобувачем уточнено математичну модель руху автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при русі за режимами Європейського міського їздового циклу щодо визначення оптимальних значень ВКВЗ при живленні двигуна МеМЗ-245 бензинами з добавками біоетанолу; на основі уточненої математичної моделі розроблено програму в середовищі MathCAD для дослідження впливу ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники легкового автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія при живленні двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу; проведено розрахункові дослідження із застосуванням математичної моделі щодо визначення оптимальних значень ВКВЗ та його впливу на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при використанні бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу; з участю здобувача проведено експериментальні стендові дослідження бензинового двигуна МеМЗ-245 і дорожні випробування легкового автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія".

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та схвалені на 61-63-й наукових конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та структурних підрозділів НТУ в 2005-2007 рр. (м. Київ); на Всеукраїнській науково-технічної конференції "Транспорт. Дорожні та будівельні машини" в Кременчуцькому державному політехнічному університеті в 2005 р. (м. Кременчук); на Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми конструювання та експлуатації сільськогосподарської техніки" в Дніпропетровському державному аграрному університеті в 2005 р (м. Дніпропетровськ); на IV Українсько-Польській науково-технічній конференції молодих науковців "Механіка та інформатика" в Хмельницькому національному університеті в 2006 р. (м. Хмельницький); на Міжнародних конференціях "Покращення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і машин" в Національному транспортному університеті в 2006-2007 рр. (м. Київ); на XVIІ- XVIІІ Міжнародних конференціях ”Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarz№dzanie i marketing w motoryzacji” в Жешувській політехніці в 2006-2007 рр. (м. Жешув (Польща); на Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва" в Полтавській державній аграрній академії в 2006 р. (м. Полтава); на Всеукраїнській науково-технічній конференції "Альтернативні екологічно чисті та відновлювальні джерела енергії" в Вінницькому національному технічному університеті в 2007 р. (м. Вінниця); на Х Міжнародній науково-технічній конференції "Автомобільний транспорт: проблеми та перспективи" в 2007 г. (м. Севастополь).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано: в чотирнадцяти статтях, дванадцять з яких в фахових виданнях. Три статті в науково-технічному збірнику "Вісник Національного транспортного університету" м. Київ; чотири статті в журналі "Автошляховик України", дві з них в окремих випусках журналу: "Вісник Північного наукового центру ТАУ" м. Київ; одна стаття у науковому журналі "Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету" м. Кременчук; одна стаття у науковому журналі "Вісник Хмельницького національного університету" м. Хмельницький; дві статті в матеріалах міжнародної конференції ”Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarz№dzanie i marketing w motoryzacji” SAKON м. Жешув (Польща); одна стаття у науково-виробничому журналі "Вісник Полтавської державної аграрної академії" м. Полтава; одна стаття в збірнику наукових праць НТУ "Проблеми транспорту" м. Київ; одна стаття у науковому журналі "Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля" м. Луганськ; в трьох збірниках тез доповідей 61-63-ї наукових конференцій професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та структурних підрозділів НТУ 2005-2007 рр.

Отримано свідоцтво про внесення суб'єкта підприємницької діяльності до Реєстру виробників та розповсюджувачів програмного забезпечення "Математична модель для оптимізації використання спиртових добавок до бензину" (серія В №00685) та патент на винахід "Двопаливна система живлення для двигунів внутрішнього згоряння" (№78076) (Україна).

Обсяг і структура дисертації. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 261 сторінку, з них ілюстрації та таблиці, які повністю займають площу сторінки, - 18 сторінок; дев'ять додатків - 90 сторінок; список використаних джерел (98 найменувань) - 11 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано вибір теми, її актуальність, сформульовано мету, задачі, наукову новизну та практичне значення дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження.

У першому розділі наведено загальну характеристику основних видів альтернативних палив як замінників традиційних моторних палив, з яких виділено спирти - метанол і етанол. Проаналізовано використання метилового та етилового спиртів порівняно з автомобільним бензином як палива в двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ). Зазначено переваги і недоліки використання спиртів, зокрема показано вплив на коефіцієнт надміру повітря та концентрації ЗР відпрацьованих газів (ВГ) двигуна.

В результаті аналізу встановлено перспективність використання біоетанолу як добавки до автомобільного бензину. Зроблено висновок про необхідність зміни регулювальних параметрів автомобільних двигунів, зокрема ВКВЗ, та проведення досліджень щодо його впливу на паливну економічність та екологічні показники при використанні бензинів з добавками біоетанолу.

Другий розділ присвячений розробці методики проведення дослідження (рис. 1).



Рис. 1. Блок-схема методики проведення дослідження

Дослідження щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу проведено експериментально-розрахунковим методом.

Експериментально при живленні автомобільного двигуна штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу: визначено вплив ВКВЗ на показники двигуна МеМЗ-245 в режимі, найбільш характерному для умов експлуатації; отримано коефіцієнти поліноміальних залежностей, що описують двигун МеМЗ-245 як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища; зроблено індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна МеМЗ_245; проведено стендові випробування щодо розробки рекомендацій розширення використання добавок біоетанолу на автотранспорті; проведено дорожні випробування автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія".

Розрахунковим методом із застосуванням математичної моделі визначено оптимальні значення ВКВЗ з точки зору мінімальної питомої витрати палива та проведено дослідження щодо впливу завантаження, коефіцієнта опору коченню коліс автомобіля та ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при русі за режимами Європейського міського їздового циклу і живленні автомобільного двигуна штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Обґрунтовано величину добавки біоетанолу до бензину для проведення дослідження, яка становить 10 та 20%. Одержані результати дослідження при використанні бензинів з добавками біоетанолу порівнюються з отриманими результатами під час випробування двигуна при живленні штатним бензином А-95.

Критеріями оптимізації ВКВЗ при використанні як палива бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу є мінімальна питома витрата палива та максимальна потужність двигуна.

У третьому розділі представлено уточнену математичну модель руху автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" за режимами Європейського міського їздового циклу. Особливістю математичної моделі при русі автомобіля за Європейським міським їздовим циклом є те, що режими руху задано умовною величиною прискорення, сповільнення, постійною швидкістю і тривалістю режимів на стенді з біговими барабанами згідно з Правилами ЄЕК ООН №83 (елементарний міський їздовий цикл - EUDC) та ГОСТ 30306-90.

Математичну модель руху автомобіля за їздовим циклом описано диференціальними рівняннями, які встановлюють залежності зміни крутного моменту від швидкості руху автомобіля або його прискорення (сповільнення). При складанні математичної моделі вважається, що крутний момент витрачається на подолання сил опору коченню, опору повітря і сил інерції рухомих мас.

Для складання математичної моделі двигуна і автомобіля при його випробуванні за Європейським міським їздовим циклом розділено режими руху за видами їх однотипного математичного опису: робота двигуна в режимі холостого ходу за мінімальної частоти обертання колінчатого вала; розгін двигуна в режимі холостого ходу; режим розгону автомобіля з місця на першій передачі з пробуксовуванням зчеплення; режим розгону автомобіля з постійним прискоренням при блокованому зчепленні; режим руху автомобіля з постійною швидкістю; сповільнення автомобіля в режимі примусового холостого ходу при блокованому зчепленні; переключення передач з нижчої на підвищену і з вищої на понижену; режим сповільнення двигуна з вимкнутим зчепленням.

Наприклад, режим розгону автомобіля з місця з пробуксовуванням зчеплення описано диференціальним рівнянням

, (1)

тобто крутний момент та кінетична енергія мас, що обертаються, двигуна в період сповільнення колінчатого вала передаються на збільшення кутового прискорення веденої частини зчеплення,

де - крутний момент двигуна, Нм;

- момент інерції двигуна, кгм²;

- кутове сповільнення колінчатого вала двигуна, с^-2;

- коефіцієнт корисної дії трансмісії;

- приведений до зчеплення момент інерції рухомих мас автомобіля, кгм²;

- прискорення веденої частини зчеплення, с^-2;

- власна маса автомобіля, кг;

- маса вантажу, кг;

- коефіцієнт опору коченню автомобіля;

g - прискорення вільного падіння, м/с²;

- фактор обтічності автомобіля, Н·с²/м²;

- швидкість автомобіля, км/год;

- динамічний радіус колеса, м;

, - передаточні числа коробки передач і головної передачі відповідно.

Для математичного описання показників двигуна використано поліноміальні залежності другого та третього степеня.

В навантажувальних режимах показники двигуна визначено як функції від трьох незалежних змінних: ВКВЗ (), частоти обертання колінчастого вала двигуна () і навантаження двигуна (). Показники двигуна при цьому визначено для випадків: за живлення штатним бензином, бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу. Наприклад, витрата штатного бензину описано поліноміальною залежністю

. (2)

В режимах холостого ходу показники двигуна визначено як функції від ВКВЗ, частоти обертання колінчастого вала двигуна і відсоткового вмісту біоетанолу в бензині, введення якого в математичну модель двигуна в режимах холостого ходу дозволяє зменшити обсяг експерименту.

В режимах примусового холостого ходу показники двигуна представлені як функція від частоти обертання колінчастого вала двигуна.

Додаткове паливо , що впорскується прискорювальним насосом, рівномірно надходить в циліндри двигуна в стані пари, у вигляді крапель та паливної плівки. Час переміщення паливної плівки від карбюратора до циліндрів при уточненні математичної моделі двигуна прийнято рівним 2 с.

Час надходження додаткового палива в циліндри двигуна становить

, (3)

де - тривалість процесу відкриття дросельних заслінок.

З цей період годинна витрата палива по відношенню до схожого усталеного режиму збільшується на величину ·3,6/. При цьому в період відкриття дросельних заслінок визначають з урахуванням залежності переміщення штока діафрагми прискорювального насоса від відкриття заслінок

, (4)

де - густина палива, г/см³;

- об'єм камери прискорювального насосу, см³;

- відкриття дросельних заслінок.

Кількість повітря, що поступає у циліндри двигуна в процесі розгону прийнято таким як в усталеному режимі роботи.

В четвертому розділі наведено мету, задачі, програму експериментальних досліджень та необхідне обладнання для проведення стендових досліджень двигуна МеМЗ-245 та дорожніх випробувань автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія".

Мета експериментальних досліджень - визначення впливу ВКВЗ на енергетичні, екологічні показники, паливну економічність двигуна МеМЗ-245 та на паливну економічність автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при використанні бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу.

Програма стендових випробувань двигуна МеМЗ-245 включала:

1) отримання серії регулювальних характеристик за кутом випередження запалювання при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1 та розрідженні у впускному трубопроводі Др_к = 35 кПа при живленні двигуна бензином А-95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу і визначення оптимальних значень ВКВЗ для даного режиму;

2) отримання навантажувальних характеристик при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1 при живленні двигуна бензином А-95 з ВКВЗ 5 градусів повороту колінчатого вала (град. п.к.в.), що рекомендовано заводом-виробником; бензином з 10% добавкою біоетанолу з ВКВЗ 5 град. п.к.в. та оптимальним, що визначений за регулювальною характеристикою; бензином з 20% добавкою біоетанолу з ВКВЗ 5 град. п.к.в. та оптимальним, що визначений за регулювальною характеристикою;

3) отримання показників двигуна МеМЗ-245 за планом факторного експерименту в навантажувальних режимах в діапазоні зміни Др_к = 3…67 кПа в швидкісному діапазоні n_д = 1200…3600 хв^-1 та діапазоні зміни ВКВЗ и_вст = 0…20 град. п.к.в. при живленні двигуна бензином А-95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу;

4) отримання показників двигуна МеМЗ-245 за планом факторного експерименту в режимах холостого ходу в діапазоні зміни n_д = 850…3600 хв^-1 та ВКВЗ и_вст = 0…20 град. п.к.в. при живленні двигуна бензином А-95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу;

5) отримання характеристик примусового холостого ходу двигуна МеМЗ-245 в діапазоні n_д = 850…4000 хв^-1;

6) проведення індицирування робочого процесу при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1: з розрідженням у впускному трубопроводі Др_к = 35 кПа та повному відкритті дросельних заслінок при живленні двигуна МеМЗ_245 штатним бензином і бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу з різними значеннями ВКВЗ.

Програма дорожніх випробувань автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" включала:

1) визначення паливних характеристик автомобіля згідно з ГОСТ 20306-90 при живленні двигуна бензином А-95 з штатним ВКВЗ 5 град. п.к.в.; бензином з 10% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ; бензином з 20% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ;

2) визначення витрати палива в реальних умовах руху автомобіля міським маршрутом при живленні бензином А-95 з штатним ВКВЗ; бензином з 10% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ; бензином з 20% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ.

Стендові випробування двигуна МеМЗ-245 проведено на гальмівному стенді SAK-670. Під час випробувань визначено: ефективний крутний момент, частоту обертання колінчатого вала, витрати палива та повітря, кут випередження запалювання, розрідження у впускному трубопроводі, положення дросельних заслінок, концентрації ЗР, також проведено індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна.

Для визначення паливної характеристики усталеного руху автомобіля ЗАЗ_1102 "Таврія" було обрано ділянку дороги довжиною 1 км по вул. Столичне шосе м. Києва з новим асфальтобетонним покриттям та чотирма смугами руху в одному напрямку. Дорожні випробування автомобіля в реальних умовах експлуатації проведено за маршрутом вул. Січневого повстання - вул. Цитадельна - вул. Московська - вул. Суворова, довжина якого становить 2,6 км.

У п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники двигуна МеМЗ-245 і паливну економічність автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.

На рис. 2 показано регулювальні характеристики за кутом випередження запалювання двигуна МеМЗ-245, з яких видно, що оптимальний кут випередження запалювання для даного режиму роботи при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу збільшився відносно штатного значення на 5 та 9 град. п.к.в. відповідно.

На концентрації оксиду (CO) та діоксиду вуглецю (CO₂) у ВГ двигуна кут випередження запалювання практично не впливає. Концентрації оксидів азоту (NO_x) та вуглеводнів (C_mH_n) (за гексаном) із збільшенням ВКВЗ зростають, але вони за оптимальних ВКВЗ для бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу не перевищують значень при живленні бензином А-95.

Для визначення впливу ВКВЗ на показники двигуна МеМЗ-245 було отримано порівняльні навантажувальні характеристики за частоти обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1, при живленні двигуна бензином А-95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу з штатним ВКВЗ (5 град. п.к.в.) та оптимальними ВКВЗ - 10 та 14 град. п.к.в. відповідно.

Аналіз характеристик показав, що оптимізація кута випередження запалювання в навантажувальних режимах при живленні двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу зміною ВКВЗ в сторону збільшення при одночасному збідненні складу горючої суміші, зумовленого використанням добавок біоетанолу, забезпечує збільшення ефективного к.к.д., відповідно, до 2,0 та 8,4% порівняно з штатним бензином. При цьому питома витрата палива g_e практично залишається однаковою як за роботи двигуна на штатному бензині так і на бензинах з добавками біоетанолу, різниця при цьому не перевищує можливої похибки вимірювань.

Енергетичні показники двигуна за його роботи на бензинах з добавками біоетанолу практично такі ж, як і при роботі на штатному бензині.

Коефіцієнти поліноміальних залежностей двигуна МеМЗ-245, що описують його як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища отримано із застосуванням методів планування факторного експерименту. Адекватність поліноміальних залежностей перевірено за F-критерієм (критерієм Фішера) для рівня значущості 0,05.

Метою індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна є визначення впливу ВКВЗ на жорсткість роботи двигуна (dp/dц), величину максимального тиску в циліндрі двигуна (p_z), які підвищують навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму та утворення детонаційного згоряння робочої суміші при живленні двигуна бензинами з добавками біоетанолу.

Дослідження проводились в середніх і повних режимах навантаження при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1. Для отримання надійних статистичних даних при обробці індикаторних діаграм використовували дані 40 послідовних циклів.

На рис. 3 показано індикаторні діаграми двигуна МеМЗ-245 при живленні штатним бензином і бензинами з 10 і 20% добавками біоетанолу (n_д = 3000 хв^-1, Др_к = 35 кПа з штатним и_вст = 5 град. п.к.в. та оптимальними - 10 та 14 град. п.к.в.).

При використанні бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу при встановленні штатного ВКВЗ максимальний тиск в циліндрі двигуна відносно роботи при живленні штатним бензином зменшується пропорційно зменшенню теплоти згоряння суміші. За живленні двигуна штатним бензином та бензинами з 10 і 20% добавками біоетанолу на середніх швидкісних і навантажувальних режимах з оптимальними ВКВЗ індикаторні діаграми мають типовий вид.

На рис. 4а показано індикаторні діаграми двигуна МеМЗ-245 на штатному бензині і бензинах з 10 і 20% добавками біоетанолу при повному навантаженні (ц_др = 100%, n_д = 3000 хв^-1).

Аналіз індикаторних діаграм показав, що при 20% добавці біоетанолу має місце зростання жорсткості згоряння відносно штатного бензину. Крім того, точка максимуму тиску в циліндрі двигуна зміщена ближче до ВМТ. Щоб позбутися цього, доцільно збільшувати ВКВЗ не на 9, а на 7 град. п.к.в. (и_вст = 12 град. п.к.в.). На рис. 4б показано суміщені індикаторні діаграми двигуна при живленні штатним бензином з штатним ВКВЗ і бензином з 20% добавкою біоетанолу із скоригованим ВКВЗ и_вст = 12 град. п.к.в.

З рис. 4б видно, що встановлення и_вст = 12 град. п.к.в. знижує жорсткість згоряння dp/dц до значень таких як при живленні двигуна штатним бензином.

Для зміни ВКВЗ при використанні бензинів з добавками біоетанолу в умовах експлуатації в даній роботі запропоновано використання електронного оптимізатора моменту іскроутворення ОМИ-012. Для перевірки можливості застосування оптимізатора ОМИ-012 з метою підтримання оптимальних ВКВЗ при використанні штатного бензину і бензинів з добавками біоетанолу проведено випробування двигуна МеМЗ-245, за результатами яких зроблено висновок щодо рекомендацій використання електронних пристроїв для зміни ВКВЗ на оптимальні значення при живленні автомобільних двигунів бензинами з добавками біоетанолу в умовах експлуатації.

Для підтвердження розрахункових досліджень проведено дорожні випробування автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" - отримання паливних характеристик та випробування в реальних умовах експлуатації. На рис. 5 показано паливні характеристики автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія”.



Рис. 5. Паливні характеристики усталеного руху автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія”

Аналіз паливних характеристик (рис. 5) показав, що при живленні автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія” бензином з 10% добавкою біоетанолу при штатному ВКВЗ перевитрата палива по відношенню до штатного бензину склала 2…9,3% залежно від швидкісного режиму. При використанні бензину з 20% добавкою біоетанолу при штатному ВКВЗ перевитрата склала 4…10,5%, викликана зменшенням теплоти згоряння бензину додаванням біоетанолу та погіршенням процесу згоряння горючої суміші.

Оптимізація ВКВЗ збільшенням значень на 5 та 9 град. п.к.в. відносно штатного значення за умови живлення двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу, відповідно, покращує паливну економічність з наближенням значень витрати бензинів з добавками біоетанолу до витрати штатного бензину, відмінність не перебільшує точності вимірювань.

Шостий розділ присвячений розрахунковим дослідженням з використанням уточненої математичної моделі руху автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" за режимами Європейського міського їздового циклу. Для проведення таких досліджень було розроблено програму розрахунку в середовищі MathCAD.

Перевірку адекватності математичної моделі руху автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" за режимами Європейського міського їздового циклу виконано порівнянням значень витрати палива, отриманої в результаті розрахунку із застосуванням математичної моделі, з експериментальними та розрахунковими даними, отриманими в НАМИ. Розбіжність не перевищує 1,6%.

Розрахунки із застосуванням математичної моделі щодо визначення оптимальних значень ВКВЗ та його впливу на паливну економічність та екологічні показники виконано при живленні двигуна бензином А-95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу. При розрахунку маса вантажу складала 100 кг, а коефіцієнт опору коченню коліс f₀ = 0,014. На рис. 6 показано вплив ВКВЗ на витрату палива за результатами розрахунку.

З рис. 6 видно, що мінімальна витрата бензину А-95 відповідає ВКВЗ близько 5 град. п.к.в., що рекомендовано заводом-виробником. Мінімальна витрата бензину з 10% добавкою біоетанолу має місце при ВКВЗ близько 10 град. п.к.в., з 20% - близько 14 град. п.к.в., що було підтверджено результатами стендових випробувань двигуна МеМЗ-245.

Рис. 6. Витрата палива автомобілем ЗАЗ-1102 залежно від ВКВЗ при русі за режимами Європейського міського їздового циклу

У табл. 1 наведено результати розрахунків впливу величини ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при використанні бензинів з добавками біоетанолу. Екологічні показники оцінено за масовими викидами оксиду СО та діоксиду СО₂ вуглецю, вуглеводнів C_mH_n, оксидів азоту NO_x та сумарними масовими викидами, зведеними до СО.

Враховуючи, що біоетанол має приблизно в 1,7 разів меншу теплоту згоряння ніж бензин, то очікуване збільшення витрати бензину з 10 та 20% добавками біоетанолу порівняно із штатним бензином повинна становити 4,1 та 8,2% відповідно.

Таблиця 1. Вплив величини ВКВЗ на витрату палива та екологічні показники автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" при русі за режимами Європейського міського їздового циклу згідно з ГОСТ 20306-90

Паливо	А-95	10% біоетанолу	10% біоетанолу	20% біоетанолу	20% біоетанолу
ВКВЗ	5 град. п.к.в.	5 град. п.к.в.	10 град. п.к.в.	5 град. п.к.в.	14 град. п.к.в.
Витрата палива	г/цикл	50,60	52,49	51,85	54,88	52,56
	л/100 км	6,57	6,80	6,71	7,08	6,78
	МДж/100 км	219,8	218,8	216,1	219,1	209,8
Масові викиди, г/цикл	СО	4,98	3,63	3,51	3,23	2,91
	СmHn	0,504	0,398	0,415	0,411	0,466
	NОx	0,877	0,577	0,782	0,309	0,575
	СО2	208,2	201,9	195,9	205,8	195,8
Масові викиди зведені, до СО, г/цикл	42,64	28,58	36,96	17,25	28,02

Аналіз результатів (див. табл. 1) показує, що у разі встановлення штатного ВКВЗ 5 град. п.к.в. за живлення бензином з 10% добавкою біоетанолу збільшення витрати палива відносно штатного бензину склало 3,7%, з 20% - 8,5%.

При оптимальному значенні ВКВЗ - и_вст = 10 град. п.к.в. за умови живлення автомобіля бензином з 10% добавкою біоетанолу перевитрата палива порівняно з штатним бензином склала 2,5%.

При використанні бензину з 20% добавкою біоетанолу і оптимальним ВКВЗ и_вст = 14 град. п.к.в. збільшення витрати палива порівняно з штатним бензином склало 3,9%.

При використанні бензинів з добавками біоетанолу оцінку паливної економічності автомобіля доцільно виконувати в тепловому еквіваленті - МДж/100 км. Результати, наведені в табл. 1, показують, що при додаванні 10 і 20% біоетанолу значення витрати палива в МДж/100 км за умови штатного ВКВЗ наближені до значень при живленні двигуна штатним бензином. Витрата бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу за оптимізації ВКВЗ, тобто встановлення значень 10 та 14 град. п.к.в., відповідно, на 1,7 і 4,5% менша відносно витрати штатного бензину внаслідок більш ефективного згоряння палива і збільшення ефективного к.к.д. при збідненні горючої суміші.

Масові викиди оксиду СО і діоксиду СО₂ вуглецю за оптимального ВКВЗ при живленні автомобіля бензином з 10% добавкою біоетанолу зменшились, відповідно, на 3,3 і 3,0% порівняно із штатним ВКВЗ, бензином з 20% добавкою біоетанолу - на 9,9 і 4,9%, відповідно.

Відомо, що збільшення ВКВЗ до оптимальних значень при живленні двигуна автомобіля бензинами з добавками біоетанолу покращує процес згоряння паливоповітряної суміші (збільшення температури в циліндрі двигуна), що призводить до збільшення вмісту оксидів азоту NO_x на 35,5% при 10% добавці біоетанолу і 86,1% - при 20%, на 4,3 і 13,4% вуглеводнів C_mH_n. Але масові викиди C_mH_n та NO_x за роботи на оптимальних ВКВЗ не перевищують значень при живленні штатним бензином. При цьому сумарні масові викиди, зведені до СО, при живленні бензином з 10% добавкою біоетанолу менші порівняно з штатним бензином на 13,3% і на 34,3% - з 20% добавкою біоетанолу.

ВИСНОВКИ

1. У зв'язку із зменшенням природних запасів нафти та суттєвим зростанням вартості традиційних моторних палив, надзвичайно актуальним є розширення використання біопалив з відновлюваної рослинної сировини, зокрема біоетанолу. Проведений аналіз підтвердив перспективність використання бензинів з добавками біоетанолу для живлення автомобільних двигунів з іскровим запалюванням, що знаходяться в експлуатації. Разом з тим, біоетанол як моторне паливо має дещо інші властивості порівняно з бензином, тому при використанні бензинів з добавками біоетанолу необхідно змінити регулювальні параметри автомобільних двигунів, зокрема встановлювального кута випередження запалювання (ВКВЗ). Дослідження впливу ВКВЗ на показники роботи двигунів з іскровим запалюванням і визначення його оптимальних значень, з точки зору покращення паливної економічності та екологічних показників, складають суть дисертаційної роботи.

2. Уточнено математичну модель руху автомобіля за режимами Європейського міського їздового циклу, із застосуванням якої можна визначити оптимальні значення ВКВЗ при використанні бензинів з добавками біоетанолу; розроблено програму для дослідження впливу ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники легкового автомобіля при живленні його двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу; експериментальними дослідженнями автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" з двигуном МеМЗ-245 підтверджено адекватність математичної моделі - похибка не перевищує 1,6%.

3. За результатами експериментальних стендових випробувань двигуна МеМЗ-245 в режимі, характерному для умов експлуатації, встановлено, що при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу за оптимізації ВКВЗ енергетичні показники співпадають з показниками при живленні штатним бензином; питома витрата палива порівняно з штатним бензином більша, в середньому, на 5,6 та 7,7% відповідно.

4. Проведеними розрахунковими дослідженнями із застосуванням математичної моделі визначено оптимальні значення ВКВЗ, з точки зору мінімальної питомої витрати палива при русі автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" за режимами Європейського міського їздового циклу при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу, які становлять 10 та 14 град. п.к.в відповідно.

5. За результатами індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна МеМЗ_245 скореговано оптимальні значення ВКВЗ, з точки зору жорсткості згоряння горючої суміші при живленні двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу, які становлять 10 та 12 град. п.к.в. відповідно.

6. За результатами розрахункових досліджень із застосуванням математичної моделі встановлено, що при живленні автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" бензином з 10% добавкою біоетанолу з оптимальним ВКВЗ 10 град. п.к.в. порівняно з бензином А-95 з штатним ВКВЗ 5 град. п.к.в. в середньому за цикл витрата палива більша на 2,4%; в тепловому еквіваленті вона менша на 1,4%; масові викиди забруднюючих речовин (ЗР), зведені до СО, менші на 13,22%; при живленні бензином з 20% добавкою біоетанолу з оптимальним ВКВЗ 14 град. п.к.в., визначеним за мінімальною питомою витратою палива, - витрата палива більша на 3,4%; витрата палива в тепловому еквіваленті менша на 4,4%; масові викиди ЗР, зведені до СО, менші на 36,8%; з оптимальним ВКВЗ 12 град. п.к.в., скорегованим з огляду зниження жорсткості згоряння, - витрата палива більша на 3,8%; витрата палива в тепловому еквіваленті менша на 4,0%; масові викиди ЗР, зведені до СО, менші на 43,9%.

7. Проведеними дорожніми випробуваннями автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" підтверджено, що при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу за умови штатного ВКВЗ витрата палива порівняно з витратою штатного бензину більша, відповідно, на 3,5 та 8,1%; за умови оптимальних ВКВЗ 10 та 14 град. п.к.в. перевитрата становить 1,2 та 2,1%. Порівняння витрати палива в тепловому еквіваленті за живлення автомобіля ЗАЗ-1102 "Таврія" бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу з оптимальними ВКВЗ 10 та 14 град. п.к.в. свідчить про економію палива, відносно штатного бензину на 2,6 та 5,7% відповідно, завдяки більш ефективному згорянню палива і збільшенню ефективного к.к.д. при збідненні горючої суміші.

8. Для встановлення оптимальних значень ВКВЗ в залежності від величини добавки біоетанолу в бензині в умовах експлуатації доцільно застосовувати електронний пристрій, зокрема ОМИ-012, можливість застосування якого доведено стендовими випробуваннями двигуна МеМЗ-245.

9. Результати роботи прийняті до використання в Державному підприємстві "Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості "МАСМА" Міністерства палива та енергетики України (м. Київ) та в ТОВ "Науково-виробничий комерційний центр "ОДІС-W" (м. Одеса).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Корпач А.О., Говорун А.Г., Захарченко О.М. Визначення масових викидів забруднюючих речовин при роботі двигуна на суміші бензину і етилового спирту // Вісник Національного транспортного університету. - К.: НТУ. - 2004. - Вип. 9. - С. 71-74.

2. Корпач А.О., Говорун А.Г., Захарченко О.М. До використання спиртових сполук як палива для двигунів внутрішнього згоряння дорожніх транспортних засобів // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ. - К. - 2005. - Вип. 8. - С. 31-33.

3. Гутаревич Ю.Ф., Корпач А.О., Говорун А.Г., Захарченко О.М. Вплив кута випередження запалювання на показники двигуна за роботи на сумішевих паливах з різним вмістом спиртових сполук // Автошляховик України. - 2006. - №1. - С. 19-21.

4. Корпач А.О., Говорун А.Г., Захарченко О.М. До визначення оптимальних регулювальних параметрів двигуна при живленні сумішевим бензином з різним вмістом високооктанової кисневмісної добавки // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2006. - Вип. 2, ч. 1. - С. 60-61.

5. Корпач А.О., Захарченко О.М. Результати дорожніх випробувань автомобіля при живленні двигуна сумішами бензину і спиртових сполук // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ. - 2006. - №2, т. 2. - С. 98-100.

6. Корпач А.О., Захарченко О.М. Визначення оптимального кута випередження запалювання двигуна з іскровим запалюванням за роботи на сумішевих паливах // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ. - К. - 2006. - Вип. 9. - С. 47-49.

7. Говорун А.Г., Корпач А.О., Захарченко О.М., Попов Д.В. Математичне моделювання руху автомобіля за міським їздовим циклом при живленні двигуна спиртовими сполуками // Вісник Національного транспортного університету. - К.: НТУ. - 2006. - Вип. 12. - С. 109-114.

8. Захарченко О.М. Перевірка адекватності математичних моделей енергетичних, екологічних і економічних показників двигуна МеМЗ-245 за живлення спиртовими сполуками // Вісник Полтавської державної аграрної академії. - Полтава: ПДАА. - 2006. - №4. - С. 52-54.

9. Корпач А.О., Захарченко О.М. Вплив кута випередження запалювання на показники двигуна за роботи на сумішевих паливах // Проблеми транспорту: Зб. наук. пр. - К.: НТУ. - 2007. - Вип. 4. - С. 99-102.

10. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О. Захарченко О.М. Вплив добавок біоетанолу до бензину на протікання робочого процесу в двигуні з іскровим запалюванням // Вісник Національного транспортного університету. - К.: НТУ. - 2007. - Вип. 14. - С. 98-103.

11. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О. Захарченко О.М. Результати індиціювання робочого процесу в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння при живленні сумішами бензину і біоетанолу // Автошляховик України. -2007. - №3. - С. 16-19.

12. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О. Захарченко О.М. Вплив оптимізації встановлювального кута випередження запалювання на показники автомобіля при живленні сумішами бензину з різною величиною добавки біоетанолу // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. - Луганськ: СНУ. - 2007. - №8. - С. 36-38.

13. Свідоцтво про внесення суб'єкта підприємницької діяльності до Реєстру виробників та розповсюджувачів програмного забезпечення В №00685. Україна. Математична модель для оптимізації використання спиртових добавок до бензину / Ю.Ф. Гутаревич, А.Г. Говорун, А.О. Корпач, О.М. Захарченко, Д.В. Попов (Україна). - 2 с.; 13.12.2006.

14. Пат. на винахід №78076. Україна. МПК (2007) F02М 13/00. Двопаливна система живлення для двигунів внутрішнього згоряння / А.Г. Говорун, А.О. Корпач, О.М. Захарченко (Україна); Національний транспортний університет (Україна). - Заяв. 15.12.2006, Бюл. №12; Опубл. 15.02.2007, Бюл. №2; Пріоритет 09.02.2005, №а200501179 (Україна). - 7 с.: фіг.

15. Гутаревич Ю., Корпач А., Говорун А., Захарченко О. Вимірювальний комплекс для індиціювання робочого процесу в циліндрах двигуна внутрішнього згоряння // Materiaіy XVII konferencji miкdzynarodowej ”Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarz№dzanie i marketing w motoryzacji” SAKON'06. - Rzeszуw: Politehnika Rzeszowska. - 2006. - С. 85-88.

16. Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О. Захарченко О.М. Математичне моделювання руху автомобіля за міським їздовим циклом при використанні добавок біоетанолу до бензину // Materiaіy XVIII konferencji miкdzynarodowej ”Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Zarz№dzanie i marketing w motoryzacji” SAKON'07. - Rzeszуw: Politehnika Rzeszowska. - 2007. - С. 85-88.

17. Захарченко О.М. До використання спиртових сполук як палива для двигунів внутрішнього згоряння дорожніх транспортних засобів // Тези доповідей 61 наук. конф. професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. - К.: НТУ. - 2005. - С. 23.

18. Корпач А.О., Захарченко О.М. Вплив регулювальних параметрів на показники роботи двигуна МеМЗ-245 при живленні сумішами бензину і етилового спирту // Тези доповідей 62 наук. конф. професорсько-викладацького складу, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2006. - С. 19.

19. Говорун А.Г., Корпач А.О., Захарченко О.М. Результати індиціювання робочого процесу в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння при живленні спиртовими сполуками // Тези доповідей 63 наук.-практ. конф. науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2007. - С. 20-21.