РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ І ТОКСИЧНОСТІ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ БЕНЗИНОВОГО ДВИГУНА
2.1. Зміна паливної економічності двигуна при використанні палив з високооктановими кисневмісними добавками
Оцінити витрату палива можна на основі методичного підходу, що запропонований професором М.Я. Говорущенком [25], модифікованого до автомобілів, які працюють на паливах з ВКД. Основне рівняння витрати палива у разі роботи на бензині, л/100 км:
, (2.1)
де ?iБ - індикаторний ККД двигуна;
АК, ВК, С - коефіцієнти;
iк - передавальне число коробки передач;
Va - швидкість автомобіля, км/год;
Ga - вага автомобіля, Н;
? - сумарний опір дороги;
k - коефіцієнт обтічності, Н*с2/м4;
F - лобова площа автомобіля, м2.
Значення коефіцієнтів для карбюраторного двигуна:
(2.2)
де Vh - робочий об'єм циліндрів двигуна, л;
i0 - передавальне число головної передачі;
НН - нижча теплота згоряння палива, кДж/кг;
?Т - густина палива;
rK - радіус кочення колеса, м;
SП - хід поршня, м;
?ТР - ККД трансмісії.
При русі на різних передачах в різних дорожніх умовах iK та ? в (2.1) можуть прийматися як середньозважене передавальне число і середній сумарний опір дороги, які зв'язані рівнянням [25]:
, (2.3)
де МДВ - максимальний момент двигуна, Н*м;
Ке - коефіцієнт експлуатаційного зниження моменту (для середніх умов експлуатації складає 0,38-0,4).
Зростання добутку НН*?Т в (2.2) призводить до зменшення витрати палива за гіперболічним законом, тому представляється необхідним дослідження його поведінки у бензинах з ВКД.
Нижча теплота згоряння може бути визначена за формулою Д.І. Мендєлєєва, кДж/кг:
, (2.4)
де C, H, O, S, H2O - вміст в паливі, відповідно, вуглецю, водню, кисню, сірки, води, %.
В практичних розрахунках для бензину можна прийняти ННБ = 43,6 МДж/кг.
Якщо врахувати, що молекула ВКД містить С2 = 24 г/моль, Н6 = 6 г/моль і О = 16 г/моль та знехтувати вмістом води, масова частка вуглецю, водню та кисню буде дорівнювати 52,17 %, 13,04 %, 34,8 %, відповідно.
Тоді, в 1 кг ВКД міститься С=0,522 кг, Н=0,13 кг та О=0,348 кг. Для ВКД нижча теплота згоряння буде дорівнювати ННС = 25,1 мДж/кг [42]. А для бензину з концентрацією ВКД К нижча теплота згоряння:
(2.5)
Густина палива з ВКД:
,(2.6)
де ?С - густина ВКД.
Густина ВКД незначно перевищує густину бензину, за рахунок цього можна очікувати невелике зростання знаменнику (2.2) та, відповідно, зниження витрати палива. Прийнявши до уваги незначну різницю густин ВКД і бензину:
(2.7)
Індикаторний ККД двигуна, що працює на бензині:
,(2.8)
де R - універсальна газова стала, Дж/(моль*К);
Рi - середній індикаторний тиск, МПа;
L0Б - кількість повітря в суміші за стехіометричним складом на 1 кг бензину, кмоль;
Т - температура, К;
Р - тиск, МПа;
?V - коефіцієнт наповнювання;
? - коефіцієнт надміру повітря.
Кількість повітря в суміші стехіометричного складу на 1 кг бензину, кмоль:
,(2.9)
де С, Н, О - вміст вуглецю, водню, кисеню в 1 кг бензину, кг (С=0,855 кг, Н=0,145 кг).
Аналогічно можна визначити стехіометричну кількість повітря на 1 кг ВКД.
Середній індикаторний тиск може бути визначений за допомогою відомих приладів, наприклад, пристрою для діагностування двигунів внутрішнього згоряння [106], який дозволяє автоматизувати процес виміру. За неможливістю підключення приладу до циліндра двигуна може бути використаний спосіб визначення індикаторного ККД виміром питомої індикаторної витрати палива.
Зміна швидкісного та навантажувального режимів роботи двигуна призводить до незначної зміни Рi /?V. Це пояснюється тим, що за умови зниження ?V знижується також Рi. Коефіцієнт наповнення зменшується при зростанні розрядження у впускному тракті, а зі зростанням відсотка використання потужності двигуна, він зростає приблизно за лінійним законом. При використанні палива з ВКД відношення Т/Р в (2.8) також незмінне. Індикаторний ККД двигуна, що працює на бензині з ВКД:
,(2.10)
де L0ВКД - стехіометрична кількість повітря в суміші на 1 кг бензину з ВКД концентрації К, кмоль.
За допомогою (2.9) можна визначити, що стехіометрична кількість повітря на 1 кг ВКД дорівнює 0,31 кмоль. З підвищенням концентрації ВКД в бензині відбувається зменшення стехіометричної кількості повітря на 1 кг палива, внаслідок чого слід очікувати зменшення індикаторного ККД двигуна.
Стехіометрична кількість повітря на 1 кг суміші бензину з ВКД концентрації К, кмоль:
(2.11)
де L0С - стехіометрична кількість повітря в суміші на 1 кг ВКД, кмоль.
Рівняння (2.10) з урахуванням (2.5) і (2.11) можна представити у вигляді:
(2.12)
Аналіз (2.12) дозволяє зробити висновок, що при використанні в якості палива бензину з ВКД, за умови незмінного коефіцієнту надміру повітря (без проведення додаткових регулювань системи живлення двигуна), теоретично можливо збільшення ККД двигуна на величину до 5,1 %.
З урахуванням (2.7) та (2.12) основне рівняння витрати палива можна представити, л/100 км:
(2.13)
За допомогою (2.13) можна встановлювати норми витрати палива автомобіля, що працює на бензині з будь-якою концентрацією ВКД. Наприклад, використання бензину з 6 % ВКД збільшує витрату палива на 2,4 %, а використання в якості палива тільки ВКД - на 64 %.
В (2.13) коефіцієнт, що враховує концентрацію ВКД в бензині, збільшується нелінійно зі зростанням її концентрації. Він характеризує зміну нижчої теплоти згоряння і теоретичної кількості повітря на 1 кг суміші бензину з ВКД концентрації К. Наявність води у ВКД зменшує нижчу теплоту згоряння палива, але вплив води на витрату палива неоднозначний і не призводить до суттевої зміни його витрати [43].
2.2.