Покращення екологічних показників автомобілів з нейтралізаторами при використанні бензинів з добавками біоетанолу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК 629.331

Покращення екологічних показників автомобілів з нейтралізаторами при використанні бензинів з добавками біоетанолу

спеціальність: 05.22.20 -- експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Попов Дмитро Володимирович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті (НТУ) Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться «24» червня 2008 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м.Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий «20» травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Грищук О.К.

АНОТАЦІЯ

Попов Д.В. Покращення екологічних показників автомобілів з нейтралізаторами при використанні бензинів з добавками біоетанолу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - «Експлуатація та ремонт засобів транспорту». - Національний транспортний університет, Київ, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню можливості використання біоетанолу як добавки до штатних бензинів в двигунах із системою впорскування та каталітичним нейтралізатором.

Отримані експериментальні характеристики, що визначають досліджуваний двигун як джерело енергії, шкідливих викидів та споживача палива і повітря та визначена витрата палива автомобілем з двигуном С30NE за режимами Європейського міського та позаміського їздових циклів.

Уточнена математична модель руху автомобіля за режимами Європейського міського та позаміського їздових циклів для дослідження екологічних та паливно-економічних показників бензинового двигуна із впорскуванням та каталітичним нейтралізатором за роботи на бензині з додаванням біоетанолу.

Проведено теоретичні дослідження на математичній моделі впливу добавки біоетанолу до бензину на екологічні показники та паливну економічність двигуна при русі за їздовими циклами та в умовах інтенсивного розгону.

Доведена технічна можливість та економічна ефективність використання бензину з добавкою до 22% біоетанолу.

Ключові слова: біоетанол, бензиновий двигун, система впорскування, каталітичний нейтралізатор, їздовий цикл, математична модель, паливна економічність, шкідливі викиди, екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Попов Д.В. Улучшение экологических показателей автомобилей с нейтрализаторами при использовании бензинов с добавками биоэтанола.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - «Эксплуатация и ремонт средств транспорта». - Национальный транспортный университет, Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию возможности использования биоэтанола в качестве добавки к штатному бензину в двигателях с системой впрыска и каталитическим нейтрализатором.

Разработана методика проведения исследований влияния количества биоэтанола на экологические показатели и топливную экономичность автомобиля в условиях эксплуатации. Исследования выполнялись расчетно-аналитическим методом с использованием экспериментальных данных, полученных при стендовых испытаниях двигателя с системой впрыска и каталитическим нейтрализатором.

Уточнена математическая модель движения автомобиля в режимах Европейского городского и загородного ездовых циклов, которая учитывает особенности работы двигателя с системой впрыска, при работе на бензине с добавлением разного количества биоэтанола. Модель позволяет определять энергетические, экологические показатели и топливную экономичность автомобиля с двигателем C30NE в условиях эксплуатации. Адекватность математической модели проверена по расхождению результатов расчетов на математической модели и данных завода-изготовителя.

Проведенные экспериментальные стендовые испытания двигателя C30NE позволили определить исходные данные для математической модели движения автомобиля в условиях ездовых циклов. Программа испытаний составлена таким образом, чтобы они максимально охватывали весь нагрузочный и скоростной диапазон работы двигателя. Испытания проведены при работе двигателя на бензине с добавлением 10 и 20% биоэтанола. Установлено, что эффективная работа каталитического нейтрализатора возможно при добавлении до 20 % биоэтанола. Добавка большего количества биоэтонола требует подогрева свежего заряда даже в условиях положительных температур окружающей среды.

Установлено, что добавка биоэтанола вызывает повышение расхода топлива из-за снижения низшей теплоты сгорания бензина. Однако, расход топлива в энергетическом эквиваленте остается неизменным. По экологическим показателям при работе с добавлением до 20 % биоэтанола удовлетворяет нормам «Евро-4»

При испытании автомобиля на стенде величина скорости и ускорения задается условиями ездового цикла. В реальных условиях водитель определяет ускорение, а значит и скорость открытия дроссельной заслонки в зависимости от дорожной ситуации. Чтобы учесть расход топлива в этом случае, были проведены экспериментальные и теоретические исследования зависимости топливной экономичности и экологических показателей автомобиля в зависимости от скорости открытия дроссельной заслонки. Установлено, что при скорости открытия дроссельной заслонки до 2 град/с не происходит обогащения топливной смеси. При интенсивном разгоне при скорости перемещения дроссельной заслонки более 6,7 град/с происходит обогащение топливно-воздушной смеси, что приводит к ухудшению экологических показателей и снижению эффективности работы каталитического нейтрализатора.

Определена коммерческая и народнохозяйственная эффективность использования биоэтанола. Народнохозяйственный эффект сохраняется при добавлении до 22% биоэтанола.

Ключевые слова: биоэтанол, бензиновый двигатель, система впрыска, каталитический нейтрализатор, ездовой цикл, математическая модель, топливная экономичность, вредные выбросы, экологические показатели.

SUMMARY

Dmitriy V. Popov. Improving ecological characteristics of automobiles with neutralizers at use of petrol with bioethanol additive. - the Manuscript.

The dissertation for additives the degree of Candidate of Technical Science Speciality 05.22.20 - “Operation and Repair of Automobiles”. - National Transport University, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to the research of using bioethanol as an additive to regular petrol in engines with injection and a catalyst neutralizers.

The experimental characteristics which define the engine under investigation as a source of energy, harmful emissions and a fuel expense are obtained and the fuel consumption by automobile with the engine С30NE is defined at driving according to the modes of the European City and Country Drive Cycles.

The mathematical model of automobile motion by the modes of the European City and Country Drive Cycles for research of ecological and economic characteristics of the petrol engine with injection and a catalyst neutralizers using petrol with bioethanol additive is improved. The theoretical research with mathematical model of the effect of the bioethanol additive to petrol on the ecological characteristics and fuel efficiency of the engine are carried out by drive cycles and in conditions of intensive acceleration.

The technical possibility and economic efficiency of using petrol with 22% bioethanol additive is proved.

Key words: bioethanol, petrol engine, injection, catalyst converter, drive cycle, mathematical model, fuel efficiency, harmful emissions, ecological characteristics.

біоетанол паливний двигун впорскування

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для покращення екологічних показників автомобілів необхідно забезпечити виконання вимог нормативних документів системним поетапним переходом з живлення двигунів бензином на живлення альтернативними видами палив. Формування такої системи повинно відбуватися на підставі наукових досягнень і наявного досвіду щодо використання альтеративного палива. Найбільш доступним та поширеним на сьогодні серед рідких видів палива для двигунів з впорскуванням та каталітичним нейтралізатором є біопаливо, зокрема біоетанол.

В наукових розробках, які почали проводити ще з 30-х років минулого сторіччя, в різних країнах розглядали можливості застосування сумішевих палив на базі біоетанолу.

Вибір оптимального співвідношення “бензин-біоетанол” у сумішевому паливі з метою більш ефективного його використання на сучасних автомобілях, дозволяє досягти зменшення екологічної шкоди, яку завдає навколишньому середовищу автомобіль, та зменшити частку рідких палив нафтового походження для споживання автотранспортом. З урахуванням цього актуальним є питання щодо досліджень впливу добавок біоетанолу до бензину на екологічні та енергетичні показники сучасних транспортних засобів із системою живлення з впорскуванням та каталітичним нейтралізатором у системі випуску відпрацьованих газів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках науково-дослідницької роботи кафедри «Двигуни та теплотехніка» Національного транспортного університету за темою «Покращення показників дорожніх транспортних засобів удосконаленням двигунів та їх систем», державна реєстрація № 0107U002832, та в рамках науково-дослідницької роботи кафедри «Автомобілі та автомобільне господарство» Донбаської національної академії будівництва і архітектури в 2006 - 2010 роках за темою № К-2-11-06 «Удосконалення мобільної техніки та її технології з метою підвищення економічності та покращення екологічних показників», державна реєстрація № 0107U000096.

Мета та задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у покращенні екологічних показників двигунів сучасних автомобілів з каталітичним нейтралізатором раціональним використанням бензинів із різними за величиною добавками біоетанолу.

Поставлена мета визначила наступні задачі дослідження:

- розроблення загальної методики дослідження впливу добавок біоетанолу на екологічні показники та паливну економічність двигуна з системою впорскування та каталітичним нейтралізатором у системі випуску;

- уточнення математичної моделі руху автомобіля за режимами їздового циклу для дослідження екологічних показників та паливної економічності бензинового двигуна за роботи на бензині з добавками біоетанолу;

- проведення комплексу експериментальних стендових досліджень за роботи двигуна на штатному бензині та бензинах з додаванням різної кількості біоетанолу в усталених та неусталених режимах, а також розробка математичної моделі двигуна;

- перевірка адекватності математичної моделі двигуна, як джерела енергії, шкідливих викидів та споживача палива та повітря;

- перевірка адекватності математичної моделі руху автомобіля за режимами Європейського їздового циклу;

- проведення розрахункового дослідження впливу добавок біоетанолу до бензину на екологічні показники та паливну економічність роботи автомобіля;

- проведення досліджень щодо впливу несправностей елементів системи живлення та управління подачею палива, які можуть мати місце в умовах експлуатації, на показники двигуна за використання бензинів з добавками біоетанолу.

Об'єкт дослідження - зміна екологічних показників та паливної економічності автомобілів з двигунами, обладнаними системами впорскування та каталітичними нейтралізаторами, при роботі на бензині з добавками біоетанолу.

Предмет дослідження - екологічні та паливно-економічні показники автомобілів з двигунами, обладнаними системою впорскування палива та каталітичним нейтралізатором, при різних добавках біоетанолу до бензину.

Методи дослідження Експериментальним методом досліджували екологічні та енергетичні показники двигуна при живленні паливами із додаванням різної кількості біоетанолу до бензину в різних швидкісних та навантажувальних режимах. Отримані дані є вихідними для математичних моделей, які є сукупністю поліноміальних залежностей, алгебраїчних та диференціальних рівнянь. Експериментальним методом також досліджували вплив несправностей елементів системи живлення та управління подачею палива, які можуть мати місце в умовах експлуатації, на показники двигуна.

Розрахунковим методом за допомогою математичної моделі визначали екологічні показники та паливну економічність автомобіля при живленні штатним бензином та з добавками біоетанолу при русі за режимами Європейського їздового циклу, а також комерційну і народногосподарську ефективність використання бензинів з добавками біоетанолу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропонована методика визначення впливу добавки біоетанолу до бензину на показники автомобілів, обладнаних системою впорскування та трикомпонентним каталітичним нейтралізатором, з використанням уточненої математичної моделі руху автомобіля за їздовими циклами.

2. Встановлено, що ефективна нейтралізація шкідливих речовин двигунів із штатною системою впорскування можлива за роботи на бензині з добавками до 20% біоетанолу, а також, що при додаванні біоетанолу більше 20% до штатного бензину для ефективної роботи каталітичного нейтралізатора потрібен підігрів свіжого заряду.

3. Вперше встановлені функціональні залежності впливу швидкості відкриття дросельної заслінки на склад горючої суміші при неусталених режимах роботи автомобіля, обладнаного двигуном з системою впорскування при роботі двигуна на штатному бензині та на бензині з добавками біоетанолу.

4. Отримані розрахункові залежності для визначення масових викидів шкідливих речовин при стехіометричному складі паливо-повітряної суміші, які дозволили обґрунтувати обмеження вмісту біоетанолу в сумішевому паливі з урахуванням екологічних показників та паливної економічності.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність одержаних результатів становлять:

- числові значення екологічних показників та паливної економічності двигуна із системою впорскування та каталітичним нейтралізатором при живленні бензином з додаванням різної кількості біоетанолу, які дозволили обґрунтувати обмеження вмісту біоетанолу в бензині;

- математичні моделі, які описують енергетичні і екологічні показники та паливну економічність двигуна із системою впорскування та каталітичним нейтралізатором в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів;

- результати досліджень режимів розгону, які дозволили обґрунтувати оптимальну швидкість відкриття дросельної заслінки з точки зору економії палива та зменшення викидів ШР під час розгону автомобілів з переключенням передач.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем уточнено математичну модель руху автомобіля за режимами Європейського міського та позаміського їздових циклів для дослідження екологічних та паливно-економічних показників бензинового двигуна із впорскуванням та каталітичним нейтралізатором за роботи на сумішевих паливах. На математичній моделі проведено дослідження впливу добавки біоетанолу до бензину на екологічні показники та паливну економічність двигуна і автомобіля при русі за їздовими циклами та в умовах інтенсивного розгону. Розроблено методику і проведено стендові випробування двигуна в усталених режимах, в режимі розгону з різною інтенсивністю та при роботі з несправними елементами системи живлення та управління подачею палива.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені та схвалені на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ в 2006_2007 рр. м. Київ; на Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми конструювання та експлуатації сільськогосподарської техніки» в 2005 р. м. Дніпропетровськ; на Міжнародній конференції «Metody obliezeniowe i badawcze w pozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych» м. Жешув, 2005 р.; на 9 Міжнародній науково-технічній конференції «Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы» в м. Севастополі в 2006 р.; на Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва» в 2006 р. в м. Полтава.

Результати дисертаційної роботи використано Українським науково-дослідним інститутом нафтопереробної промисловості «Масма» Мінпаливенерго України, державним підприємством «Науково-технічний центр проблем енергозбереження», відділом транспорту та зв'язку Донецької міської ради, в навчальному процесі Донбаської національної академії будівництва і архітектури, що підтверджено довідками про використання.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 робіт, у тому числі: 11 - у спеціалізованих наукових збірниках, включених до переліку ВАК України, 2 - у матеріалах наукових конференцій, 1 - деклараційний патент на корисну модель, 1 - свідоцтво на інтелектуальну власність. Три роботи виконано без співавторів.

Структура дисертації. Дисертаційну роботу складають вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел та 12 додатків. Дисертація має загальний обсяг 220 сторінок машинописного тексту, включаючи 111 сторінок основного тексту, 28 таблиць, 47 рисунків, список використаних джерел з 98 найменувань на 11 сторінках і 54 сторінки додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об'єкт і предмет дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення, інформація про апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі відзначено широке практичне значення використання альтернативних видів палив для двигунів на сьогоднішній день, а також застосування останнім часом біоетанолу, як найбільш застосованого виду альтернативного палива.

Розглянуто світове виробництво біоетанолу. Виявлено, що на сьогодні світовими лідерами виробництва біоетанолу є США та Бразилія. Розглянуто умови необхідні для збільшення виробництва та ефективного використання біоетанолу в Україні як добавки до товарних бензинів.

Проведено аналіз наукових досліджень з питань використання біоетанолу як автомобільного палива. Показано, що добавка біоетанолу до штатних бензинів дозволяє покращити екологічні показники роботи двигуна, але разом з тим не досліджено ефективність нейтралізації шкідливих речовин каталітичним нейтралізатором при роботі двигуна на бензині з додаванням різної кількості біоетанолу.

Другий розділ присвячений розробці загальної методики проведення досліджень впливу кількості біоетанолу в бензині на показники автомобілів в умовах експлуатації, яка передбачає певний обсяг теоретичних та експериментальних досліджень. Через те, що в Україні ще відсутнє необхідне обладнання для проведення випробувань автомобілів за чинними стандартами, дослідження на паливну економічність та токсичність відпрацьованих газів в цій роботі виконано розрахунково-аналітичним методом в декілька етапів з використанням експериментальних даних, отриманих при стендових випробовуваннях двигуна.

Одним з питань, яке вирішували при розробці методики, був вибір їздового циклу, який в повній мірі імітує режими руху легкових автомобілів з бензиновими двигунами з каталітичними нейтралізаторами в умовах експлуатації. Для проведення дослідження в цій роботі обрали їздовий цикл, який включає чотири міських та позаміський їздові цикли. Цей цикл обрано для дослідження паливної економічності та шкідливих викидів автомобіля з двигуном із системою впорскування та каталітичним нейтралізатором при живленні штатним бензином та бензином з додаванням різної кількості біоетанолу. Необхідно зазначити, що при випробуваннях легкових автомобілів режими цього циклу аналогічні режимам міського циклу, який регламентовано ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний», а позаміського циклу -правилами R-83-03 ЄЕК ООН.

Третій розділ присвячено уточненню математичної моделі для визначення паливно-економічних і екологічних показників автомобіля з двигуном із системою впорскування та каталітичним нейтралізатором при відтворенні його руху за режимами міського та позаміського їздових циклів. Уточнення полягає у внесенні в математичну модель руху автомобіля за режимами Європейського їздового циклу моделей бензинового двигуна C30NE, що описують його як джерело шкідливих викидів та споживач палива та повітря, отримані в результаті опрацювання експериментальних даних. Вплив біоетанолу враховано при визначенні витрати палива та розрахунку масових викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах (ВГ).

Основні особливості математичної моделі двигуна з системою впорскування палива полягають в особливостях опису роботи його системи живлення, а саме:

- на основних навантажувальних режимах роботи двигуна склад горючої суміші підтримується практично постійним (б ? 1);

- на режимах примусового холостого ходу відбувається обов'язкове відключення подачі палива з одночасним відкриттям байпасного каналу подачі повітря в циліндри двигуна, який зменшує насосні втрати в двигуні;

- на режимах прискорення відбувається збагачення горючої суміші, яке залежить від швидкості відкриття дросельної заслінки; тому при складанні математичної моделі розгону двигуна, окрім кута відкриття дросельної заслінки, необхідно зважати і на швидкість її відкриття;

- у разі виникнення позаштатної ситуації (вихід з ладу основних датчиків керування складом горючої суміші, витрати повітря та палива, форсунок і т.і.) блок управління системою живлення переходить в аварійний режим роботи, при якому підтримується приблизно однаковий склад горючої суміші б ? 0,9.

Двигун - споживач палива і повітря та джерело шкідливих викидів - описано математичними залежностями, які визначають частоту обертання колінчастого вала (умовну швидкість руху автомобіля) і навантаження двигуна у вигляді крутного моменту від параметрів, які задаються програмою їздового циклу.

Математичну модель руху автомобіля за режимами їздового циклу представлено як систему рівнянь тягового балансу, які встановлюють залежності зміни крутного моменту від умовної швидкості руху автомобіля або прискорення (сповільнення) колінчастого вала двигуна . При складанні математичної моделі виходили з того, що створюваний крутний момент має долати силу опору коченню на стенді з біговими барабанами, та умовний опір повітря і сили інерції рухомих мас автомобіля.

Наприклад, для випадку розгону автомобіля з місця на першій передачі з буксуванням зчеплення крутний момент визначали з рівняння:

, (1)

де - кутове сповільнення колінчастого вала двигуна, с-2; - момент інерції двигуна, кгм2; - момент опору руху автомобіля, зведений до колінчастого вала, Нм;

, (2)

- власна маса автомобіля; - маса вантажу; f - коефіцієнт опору коченню автомобіля; rД-динамічний радіус колеса; g - прискорення вільного падіння; Va - швидкість автомобіля; Ui, Up - передаточні числа і-тої передачі коробки передач і головної передачі; - коефіцієнт корисної дії трансмісії; Сх - коефіцієнт обтічності автомобіля; сп - густина повітря; F -площа міделевого перерізу автомобіля; - прискорення веденої частини зчеплення; - зведений до зчеплення момент інерції рухомих мас автомобіля.

З використанням значень крутного моменту Мк та частоти обертання nд розраховували витрату палива та повітря, концентрації шкідливих речовин у відпрацьованих газах до та після нейтралізатора у навантажувальних режимах за залежностями виду:

, (3)

де Y - витрата палива або повітря, концентрації шкідливих речовин до та після нейтралізатора; , , , , , , - постійні коефіцієнти, отримані під час обробки експериментальних даних.

На режимах активного та примусового холостого ходу, а також при роботі двигуна за зовнішньою швидкісною характеристикою ця залежність має вигляд:

(4)

Зміну годинної витрати палива в режимах розгону двигуна, коли дросельна заслінка переміщується в бік збільшення подачі палива, визначали за залежністю:

, (5)

де б - коефіцієнт надміру повітря на усталеному режимі, б 1; бМ - коефіцієнт надміру повітря на режимах розгону, бМ = 0,85…0,86,

бМ = б - ДбМ; (6)

ДбМ - зміна складу горючої суміші в режимах розгону.

Концентрації шкідливих речовин у відпрацьованих газах на режимах інтенсивного розгону двигуна описуються емпіричними залежностями, отриманими на основі експериментальних даних:

,

, (7)

,

де Kі - концентрації і-тої шкідливої речовини на усталених режимах;

, - постійні коефіцієнти для і-тої шкідливої речовини.

Масові викиди шкідливих речовин у відпрацьованих газах при б = 1 з урахуванням того, що у ВГ містяться СО2, СО, Н2О, О2, Н2 та N2, визначали за виразом

кг/год, (7)

де Кі - концентрація і-тої шкідливої речовини, %; мі - молярна маса і-тої шкідливої речовини, кг/кмоль.

При роботі двигуна в режимах розгону горюча суміш автоматично збагачується, в результаті двигун працює на збагачених сумішах б<1. В цьому випадку масові викиди шкідливих речовин визначаються за залежністю:

, (8)

де Gпов - витрата повітря; Gп - витрата палива.

Четвертий розділ розкриває мету, методику, програму, об'єкти та результати експериментальних досліджень.

Метою експериментальних досліджень було визначення впливу добавок біоетанолу до штатного бензину на енергетичні і екологічні показники та паливну економічність автомобілів з бензиновими двигунами, обладнаними системою впорскування, а також визначення технічних можливостей знешкодження шкідливих речовин, що містяться у відпрацьованих газах, каталітичним нейтралізатором та оцінка його ефективності за роботи двигуна на штатному бензині та бензині з додаванням біоетанолу при різних швидкісних і навантажувальних режимах.

Програма експериментальних досліджень включала: визначення серії навантажувальних, швидкісних характеристик активного і примусового холостого ходу бензинового двигуна при його живленні штатним бензином та з додаванням різної кількості біоетанолу; визначення впливу швидкості відкриття дросельної заслінки на витрату палива в перехідних процесах розгону двигуна під навантаженням за його роботи на штатному бензині з нейтралізацією відпрацьованих газів; визначення витрати палива та екологічних показників двигуна в нештатних режимах його роботи, які спричинено несправностями елементів системи живлення та управління подачею палива; визначення впливу підігріву свіжого заряду на ефективність роботи каталітичного нейтралізатора при живленні двигуна бензином із додаванням біоетанолу.

Об'єктом стендових досліджень був шестициліндровий рядний двигун внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням 6Ч 95/69,8 (C30NE) (серійний номер 0013324) із груповою системою впорскування палива Bosch “Motronik ML4.1”. У випускну систему трьох циліндрів двигуна встановлено моноблочний каталітичний трикомпонентний нейтралізатор, призначений для двигуна об'ємом 1,5 л виробництва фірми Arvin Tefh.

Методика проведення експериментальних досліджень. Швидкісні і навантажувальні характеристики двигуна C30NE визначали згідно ГОСТ 14846-81 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”.

Розрахунком визначали: ефективну потужність Ne, витрати палива Gп і повітря Gпов, коефіцієнт надлишку повітря б, питому витрату палива ge, масові викиди шкідливих речовин , , та коефіцієнти ефективності нейтралізації Еі основних трьох шкідливих речовин: оксиду вуглецю (CO), вуглеводнів (CmHn), оксидів азоту (NOx).

Серію навантажувальних характеристик двигуна визначали в режимах з частотами обертання nд = 1800, 2250, 2700, 3150 та 3600 хв-1 і розрідженням у впускному трубопроводі в діапазоні 0…72 кПа.

Наявність кисневого датчика в системі випуску ВГ двигуна забезпечує автоматичне підтримування, практично постійного складу горючої суміші (б ? 1) в усьому навантажувальному діапазоні роботи двигуна (рис. 1а) до моменту початку роботи збагачувального пристрою.

Суттєвої зміни концентрації оксиду вуглецю СО у ВГ двигуна за роботи на бензині і сумішевому паливі практично не спостерігається (рис.1 б, в). Концентрації оксиду вуглецю СО після нейтралізатора на усіх режимах роботи двигуна і на різних паливах залишаються практично однаковими. Концентрація вуглеводнів CmHn за роботи двигуна на сумішевих паливах має загальну тенденцію незначного зниження, а оксидів азоту NOx -збільшення в режимах, близьких до початку збагачення горючої суміші відносно роботи двигуна на бензині.

Ефективність знешкодження основних шкідливих речовин (ШР) при роботі двигуна в середньому навантажувальному діапазоні на бензині і суміші бензину з 10 і 20 % добавкою біоетанолу практично однакова (рис. 1г) ? 90…98 %, ? 70…83 %, ? 80…85 %, хоча має місце загальна тенденція збільшення ефективності роботи каталітичного нейтралізатора щодо знешкодження вуглеводнів за роботи двигуна на сумішевих паливах (з 70 % до 80…83 %). Але при цьому має місце зниження ефективності знешкодження СО, , на режимі холостого ходу з 66 ч70% за роботи на бензині до 60ч63 % за роботи на суміші бензину з 10, 20 % добавками біоетанолу.

При роботі двигуна з 30 % добавкою біоетанолу спостерігалось суттєве зниження зведеної до СО сумарної ефективності нейтралізації (рис.2). Причиною зниження ефективності роботи нейтралізатора, є зменшення температури ВГ, викликане більш низькою температурою свіжого заряду через більш високу приховану теплоту пароутворення біоетанолу. Додаткове підігрівання повітря, що надходить до двигуна, на 7…10 °С відносно температури оточуючого середовища (21…22 °С під час випробувань) відновлює ефективність нейтралізації NOx до попередніх значень.

При випробуванні автомобілів на стенді з біговими барабанами величини швидкостей відкриття дросельної заслінки задаються програмою їздових циклів. В реальних умовах експлуатації водій визначає цю величину залежно від дорожньої ситуації.

Для визначення впливу швидкості переміщення дросельної заслінки на склад горючої суміші були проведені випробування при розгоні двигуна на гальмівному стенді під навантаженням з різними швидкостями переміщення дросельної заслінки. При цьому були виявлені найбільш характерні режими зміни складу горючої суміші двигуна від швидкості відкриття дросельної заслінки (рис.3): інтенсивний розгін при швидкості переміщення дросельної заслінки більше 6,7 град/с, час впорскування палива відповідає збагаченому складу суміші, при 2-6,7 град/с, час впорскування палива зростає ступінчасто (після кожного електричного імпульсу на збільшення часу впорскування палива, починається процес адаптації системи на його зменшення), при ? 2 град/с, час впорскування палива відповідає стехіометричному складу суміші. За результатами проведених випробувань була отримана графічна залежність зміни від швидкості переміщення дросельної заслінки. Враховуючи це, можливо визначити витрату палива в режимах розгону за наступними залежностями:

при швидкості до 2град/с :

; (9)

в діапазоні зміни від 2 град/с до 6,7 град/с:

; (10)

при швидкості переміщення > 6,7 град/с витрата палива визначається за залежністю (5).

З метою визначення впливу несправностей датчиків системи живлення та управління подачею палива на витрату палива Gп, склад горючої суміші, а також концентрації шкідливих речовин до та після нейтралізатора, були проведені випробування з імітацією зазначених умов експлуатації.

Наприклад, при несправному датчику температури охолодної рідини показники двигуна за навантажувальними характеристиками погіршуються лише в початковий момент виникнення несправностей. Через деякий час, електронний блок управління нормалізує склад горючої суміші, який практично не відрізняється від складу суміші при роботі двигуна в штатному режимі.

При несправностях основних елементів системи регулювання та управління подачі палива система переходить в аварійний режим роботи, що призводить до збільшення витрати палива, концентрації оксиду вуглецю СО та вуглеводнів СmНn у ВГ та зменшення концентрацій NOx. Ефективність нейтралізації в цьому випадку для оксидів вуглецю СО та вуглеводнів СmНn майже однакова та не перевищує відповідно 18% та 20%. Ступінь відновлення оксидів азоту досягає в середньому 42%.

В п'ятому розділі наведено результати перевірки достовірності теоретичних висновків щодо зміни паливо-економічних та екологічних показників роботи ДВЗ та ефективності роботи каталітичного нейтралізатора при використанні бензинів з додаванням біоетанолу.

Перевірка адекватності поліноміальних моделей двигуна, як джерела енергії та шкідливих викидів та споживача палива та повітря при живленні його штатним бензином, проводилась за F-критерієм Фішера. Адекватність моделей двигуна за роботи на бензині з додаванням 10 та 20% біоетанолу оцінювали за величиною середньоквадратичного відхилення та коефіцієнтом множинної кореляції. Адекватність перевірена з достовірністю 95 %.

Адекватність математичної моделі бензинового двигуна з системою впорскування і каталітичним нейтралізатором при русі автомобіля за режимами міського їздового циклу підтверджена порівнянням розрахункових значень витрати палива з даними заводських випробувань автомобіля з двигуном С30NE. Відхилення отриманих значень від заводських склало не більше 5 %.

За допомогою математичної моделі були виконані розрахунки витрати палива, масових викидів оксиду вуглецю , вуглеводнів , оксидів азоту до і після нейтралізатора при роботі двигуна на штатному бензині і сумішах, що складаються з штатного бензину з 10, 20% добавками біоетанолу, також визначена ефективність роботи каталітичного нейтралізатора при імітуванні руху автомобіля за міським (Правила № 15) і міським + позаміським (Правила № 83) їздовими циклами (табл. 1).

З табл. 1 видно, що витрата бензинів з добавками біоетанолу відносно витрати штатного бензину збільшується практично пропорційно зниженню їх теплоти згоряння. В тепловому еквіваленті (МДж/км) витрата теплоти, що міститься в паливі, на одиницю пройденого шляху як у міському їздовому циклі, так і в змішаному циклі, практично постійна величина для бензинів із різною кількістю біоетанолу.

Таблиця 1 Витрата палива при імітуванні руху автомобіля за їздовими циклами

Паливо	Витрата палива	Питомі витрати теплоти на 1км шляху при русі автомобіля за змішаним циклом, МДж/км
	, г/цикл	, г/км
	за міським циклом	за чотирма міськими циклами та позаміським циклом	за міським циклом	за чотирма міськими циклами та позаміським циклом
Бензин	122,9	915,6	121,4	83,18	3,66
Бензин + 10% біоетанолу	128,53	955,7	126,88	86,86	3,67
Бензин + 20% біоетанолу	132,99	987,8	131,28	89,74	3,63

Аналіз результатів розрахунків при імітуванні руху автомобіля за режимами міського їздового циклу показує, що при роботі двигуна на сумішах бензину і біоетанолу масові викиди оксиду вуглецю , вуглеводнів , оксидів азоту до нейтралізатора менші ніж при роботі на штатному бензині. При 10% добавці біоетанолу зменшуються на 0,2%, а при 20% його добавці - знижуються на 0,7%; при 20% його добавці відносно масових викидів на бензині, зменшуються на 7,2% і 18,2%, - на 5,5% і 14,8% відповідно при 10% і 20% добавках біоетанолу.

В цілому це позитивний факт, оскільки в експлуатації перебуває велика кількість автомобілів не обладнаних каталітичними нейтралізаторами, і тому добавки біоетанолу до бензину дадуть позитивний екологічний ефект для такої групи автомобілів.

Масові викиди після нейтралізатора при роботі двигуна на бензині з додаванням 10 і 20% біоетанолу менші, ніж їх масові викиди на бензині відповідно на 1,1 і 7,4%. Масові викиди після нейтралізатора збільшуються на 10,3% і 4,8% по відношенню до роботи на бензині. Масові викиди ШР збільшується на 13,9% і 21,5%.

Із збільшенням добавки біоетанолу в бензині ефективність очистки продуктів неповного згоряння палива СО практично залишається постійною, а постійно зменшується з 57,9 до 52,3 %. Ефективність очистки оксидів азоту також незначно знижується з 94,2 відповідно до 93,0 і 91,7 %, тобто з підвищенням кількості біоетанолу в паливі спостерігається тенденція зниження ефективності роботи каталітичного нейтралізатора, але вона не перевищує 2 % за оксидами азоту та 3% за оксидом вуглецю.

Такий характер зміни ефективності роботи нейтралізатора пояснюється, з одного боку, зміною складу вуглеводневих сполук в паливі, з іншого боку - зниженням температури в циклі і ВГ за більшої прихованої теплоти пароутворення біоетанолу.

Закономірності зміни масових викидів оксиду вуглецю, вуглеводнів і оксидів азоту у ВГ до і після нейтралізатора (табл. 2), а також характер зміни ефективності їх нейтралізації в змішаному циклі такі ж, як і в міському циклі. Але величини масових викидів , і в змішаному циклі значно (в 1,5…2,0 рази) менші, ніж в міському циклі, а ефективність їх нейтралізації - збільшується на 1,5…6%.

Зведені до CО з урахуванням коефіцієнтів відносної агресивності маси викидів основних шкідливих речовин , , , враховуючи вміст свинцю та сірки в паливах, із збільшенням долі біоетанолу в бензині зменшуються як до, так і після нейтралізатора на 4,5…11%.

Таблиця 2 Масові викиди оксиду вуглецю, вуглеводнів і оксиду азоту при імітуванні руху автомобіля за міським та позаміським їздовими циклами

Паливо	Масові викиди шкідливих речовин,
Бензин	144,36	30,26	4,275	1,617	13,43	0,564
	13,12	2,75	0,388	0,147	1,22	0,051
Бензин + 10% біоетанолу	142,8	32,06	4,042	1,619	12,833	0,611
	12,98	2,81	0,367	0,147	1,166	0,055
Бензин + 20% біоетанолу	141,9	30,0	3,419	1,439	11,946	0,658
	12,89	2,826	0,318	0,131	1,085	0,06

Масові викиди оксиду вуглецю після нейтралізатора збільшуються з 2,75 г/км до 2,81 г/км та 2,83 г/км, відповідно, при нормі для даної категорії автомобіля 4,17 г/км за "Євро-3". Масові викиди оксиду азоту після нейтралізатора зростають з 0,051 г/км до 0,055 г/км та 0,06 г/км при нормі навіть за "Євро-4" 0,08 г/км, що становить близько 75% встановленої норми.

Для визначення впливу швидкості відкриття дросельної заслінки на паливну економічність та екологічні показники двигуна було проведено розрахунки за допомогою математичної моделі для двох випадків розгону. В першому випадку час, за який здійснюється розгін, сталий, змінюється лише швидкість відкриття дросельної заслінки, а значить і кінцева швидкість автомобіля. В другому випадку змінювали час розгону та швидкість відкриття дросельної заслінки до однакової кінцевої швидкості.

Витрата палива за період розгону із збільшенням швидкості відкриття дросельної заслінки зменшується. Зменшення витрати палива в періоді розгону пояснюється тим, що в цьому випадку автомобіль проходить менший шлях, проте витрата палива на одиницю шляху в цьому випадку неперервно зростає (рис.4а). З моменту початку роботи прискорювального пристрою (>2 град/с) витрата палива незначно зростає. В цьому випадку масові викиди продуктів неповного згоряння палива GСО та GCH підвищуються завдяки збагаченню горючої суміші, а масові викиди GNO зменшуються. При цьому ефективність нейтралізації СО та СmНn різко знижується, а ефективність нейтралізації NOX залишається достатньо високою (рис. 4б).

Народногосподарську ефективність від додавання біоетанолу до бензину оцінювали за роздрібними цінами на бензин та біоетанол з урахуванням соціально-економічного збитку, спричиненого викидами шкідливих речовин у атмосферне повітря з ВГ двигуна. Розрахунок збитку здійснено на прикладі роботи двигуна Opel C30NE в режимах змішаного їздового циклу. Збиток визначено при коефіцієнті надміру повітря б=1 для товарного бензину та з додаванням різної кількості біоетанолу до бензину. Збиток склав 238 грн. за умовну тону шкідливих речовин для штатного бензину. Із збільшенням вмісту біоетанолу в бензині зменшуються сумарні викиди шкідливих речовин, а отже, й зменшуються величини соціальних збитків.

Народногосподарська ефективність ?Е використання біоетанолу визначається в гривнях з урахуванням соціального збитку з виразу:

?Е = Цб+ Зб-(Цб•qб+Цсп•qсп)•k-ЗСМ, (12)

де - роздрібні ціни бензину і суміші бензину і біоетанолу, грн.; ЗБ ,ЗСП - збиток завданий довкіллю викидами ШР у атмосферне повітря з ВГ при роботі двигуна відповідно на товарному бензині та сумішевому паливі, грн/ум.т; і - масові частки бензину і біоетанолу в сумішевому паливі.

Для визначення народно-господарської ефективності використання біоетанолу як добавки до бензину було побудовано залежність зміни суми ціни і збитку від величини вмісту біоетанолу (рис. 5).

Розрахунки виконано для палива, що складено з бензину та біоетанолу, яке має октанове число (за моторним методом) 85, які порівнювались з результатами розрахунків для товарного бензину А95. Вони показали, що максимальний вміст біоетанолу, за якого ще зберігається комерційна ефективність використання (?Е=0) складає близько 21%, а народногосподарська - 22%.

ВИСНОВКИ

1. Нафтові моторні палива на найближчу перспективу будуть залишатися основою енергозабезпечення автомобілів, хоча їх частка в сумарному енергетичному балансі постійно зменшується. Крім того, постійно зростають вимоги до екологічних показників автомобілів. Останнім часом прогнозується використання альтернативних видів палив рослинного походження. Одним з перспективних альтернативних видів палива для рухомого складу автомобільного транспорту є біоетанол. Біоетанол, як моторне паливо, має як позитивні так і негативні властивості, тому на першому етапі доцільно його використовувати як добавку до бензину. Дослідження впливу добавок біоетанолу до бензину на екологічні показники та паливну економічність автомобілів, обладнаних двигунами з системою впорскування бензину та нейтралізаторами відпрацьованих газів, та раціонального використання бензинів з різними за величиною добавками біоетанолу складають суть дисертаційної роботи.

2. Для дослідження впливу добавок біоетанолу до бензину на показники автомобіля а умовах експлуатації уточнено математичну модель руху автомобіля за їздовими циклами, яка враховує особливості роботи двигуна з системою впорскування та каталітичним нейтралізатором та експериментально визначені характеристики двигуна при живленні штатним бензином та бензином з додаванням біоетанолу. Адекватність математичної моделі перевірена за розбіжностями результатів розрахунку та технічних даних заводу-виробника, які становлять близько 3% за умов руху автомобіля за режимами Європейського їздового циклу та 5% при русі автомобіля зі швидкістю 90 км/год.

3. Випробування двигуна С30NE при його живленні бензином з додаванням біоетанолу показали, що добавка біоетанолу до бензину до 20% зі штатною системою живлення забезпечує технічну можливість експлуатації двигуна, обладнаного каталітичним нейтралізатором, зі збереженням його основних екологічних показників за викидами в навколишнє середовище оксидів азоту, оксиду вуглецю і вуглеводнів. При додаванні біоетанолу в кількості більше 20% для забезпечення ефективної роботи нейтралізатора необхідний підігрів свіжого заряду, навіть за умов додатних температур повітря оточуючого середовища.

4. Розрахунки на математичній моделі, що імітує рух за режимами їздового циклу при роботі на різних видах палива, показали, що витрата бензину з добавками біоетанолу відносно витрати штатного бензину зростає, пропорційно зниженню його теплоти згоряння. В тепловому еквіваленті (МДж/км) витрата теплоти, що міститься в паливі, на одиницю пройденого шляху, як у міському їздовому циклі, так і в змішаному циклі, залишається практично однаковою для бензину з добавками біоетанолу та штатного бензину.

5. При роботі двигуна без нейтралізатора на бензині з 10% добавкою біоетанолу масові викиди оксиду вуглецю, вуглеводнів, оксидів азоту порівняно з показниками на бензині зменшуються на 0,2%, 7,2% та 5,5%. При 20% добавці біоетанолу ці величини відповідно становлять 0,7, 18,2 і 14,8%.

6. При роботі двигуна з каталітичним нейтралізатором, масові викиди вуглеводнів при живленні бензином з 10 та 20% добавками біоетанолу менші ніж при живленні штатним бензином відповідно на 1,1 та 7,4%, а масові викиди оксиду вуглецю збільшуються на 10,3 та 4,8%, оксидів азоту - на 13,9 та 21,5%. Разом з цим, сумарні масові викиди шкідливих речовин, зведені до СО, з урахуванням зменшення в бензині з добавками біоетанолу свинцю та сірки, зменшуються як до, так і після нейтралізатора на 4,5…11%.

7. В разі виникнення в умовах експлуатації несправностей в системі живлення та керування двигуном при його роботі на бензині з добавками біоетанолу витрата палива при русі за режимами їздового циклу збільшується приблизно на 15%, а ефективність очистки основних шкідливих речовин знижується: оксиду вуглецю з 85% до нуля, вуглеводнів з 80% до нуля, оксидів азоту з 97% до 50%. Тому особлива увага повинна приділятися системі контролю технічного стану окремих елементів двигуна при його експлуатації.

8. Комерційна ефективність використання бензинів з добавками біоетанолу забезпечується за умов вмісту в них біоетанолу в межах 0…21%. Народногосподарський ефект має місце у разі вмісту біоетанолу в межах 0…22%.

9. Результати теоретичних та експериментальних досліджень прийняті до запровадження в Українському науково-дослідному інституті нафтопереробної промисловості «Масма», державному підприємстві «Науково-технічний центр проблем енергозбереження», відділом транспорту та зв'язку Донецької міської ради, в навчальному процесі Донбаської національної академії будівництва і архітектури.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Говорун А.Г. Корпач А.О. Мержиєвська Л.П., Попов Д.В. Особливості методики розрахунку масових викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами двигунів зі стехеометричним складом суміші// Metody oblizeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. Materialy XVI miedzynarodowej konferencji 14-17 wrzesien 2005 - Politechnika Rzeszowska,2005 - c.109-112.

2. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В. Оцінка ефективності роботи каталітичного нейтралізатора в двигуні з впорскуванням палива // Вісник НТУ: Зб. наук. праць. - К, 2006 -№11, - С. 29-32.

3. Говорун А.Г. Корпач А.О., Попов Д.В. Оцінка ефективності роботи каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів двигуна за роботи на суміші бензину і паливного етанолу // Вісник Північного наукового центру транспортної академії України: Зб. наук. праць. - Випуск 9.-К.: Автошляховик України, 2006. - Окремий випуск, с.40-43.

4. Говорун А. Г., Корпач А.О., Попов Д.В., Захарченко О.М. Визначення витрати палива на процес буксування при рушанні автомобіля // Вісник Хмельницького національного університету: Зб. наук. праць. - 2006. - Вип.2, Т.2. - С. 151 - 154.

5. Говорун А.Г. Корпач А.О. Попов Д.В. Розрахунок масових викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами двигунів з іскровим запалюванням за роботи на стереометричному складі паливоповітряної суміші.// Управління проектами, системний аналіз і логістика: науковий журнал. Вип.3.- К.: НТУ, 2006. С. 42-45.

6. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В., Захарченко О.М. Математичне моделювання руху автомобіля за міським їздовим циклом при живлення двигуна спиртовими сполуками. // Вісник НТУ: Зб. наук. праць. - К, 2006 р. - №12.-С. 109-114.

7. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В., Оцінка ефективності використання добавок етилового спирту в двигунах внутрішнього згоряння з різними ступенями стиснення // Вісник НТУ: Зб. наук. праць. - К, 2006 -№12, - С.126 - 129.

8. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В., Захарченко О.М. Оцінка ефективності трикомпонентного каталітичного нейтралізатора двигуна з системою впорскування за роботи на сумішевих паливах // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля: науковий журнал. - Луганськ, 2006 - №7 (101), - С. 81 - 83.

9. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В. Вплив неусталених режимів на вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах двигуна з впорскуванням палива // Вісник Національного транспортного університету: Зб. наук. праць 2006.- Випуск 13. С.62 - 67.

10. Попов Д.В. Оцінка впливу неполадок системи живлення і управління двигуном на його економічні та екологічні показники / Вісник НТУ: Зб. наук. праць.- К.: НТУ, 2007.- №14.-С 142-144.

11. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В. Результати розрахунку на математичній моделі викидів шкідливих речовин автомобілем із системою впорскування палива та каталітичним нейтралізатором при русі за режимами їздових циклів // Вісник центрального наукового центру транспортної академії України: Зб. наук. праць.- Випуск 10.-К.: Автошляховик України, 2007. - Окремий випуск, С.63-66.

12. Попов Д.В. Результати експериментальних досліджень роботи на сумішевих паливах двигуна С30NE з каталітичним нейтралізатором // Вісник вінницького політехнічного інституту: науковий журнал - Вінниця, 2007 - №4, С. 147 - 148.

13. Говорун А.Г., Корпач А.О., Попов Д.В. Система живлення для двигунів внутрішнього згоряння. Деклараційний патент на корисну модель. UA №17913, A, F02M13/00 опубл. 16.10.2006, Бюл. №10.- 2006.

14. 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.

15. Попов Д.В. Оцінка ефективності роботи каталітичного нейтралізатора при русі автомобіля за міським та позаміським циклами. // 63 науково-практична конференція науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та співробітників структурних підрозділів університету. Тези доповідей. - К.: НТУ, 2007 - с.21.

Размещено на Allbest.ru

...