Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, обоснование концепции и задачи исследования . 11
1.1. Эксплуатационные свойства автомобильных топлив. 11
1.2. Эффективные, топливно-экономические и экологические показатели работы бензиновых двигателей . 16
1.3. Присадки, улучшающие эффективные, топливно-экономические и экологические показатели бензиновых двигателей. 20
1.4. Научная концепция и задачи исследования. 33
Глава 2. Расчётно-теоретическое обоснование применения модификатора горения в бензиновых двигателях . 36
2.1. Расчётно-теоретическое обоснование рабочего процесса бензинового двигателя, работающего на топливе с модификатором горения. 3?
2.2. Оптимизация концентрации модификатора горения для бензинов . 46
Глава 3. Методика экспериментальных исследований эффективных, топливно-экономических и экологических показателей бензиновых двигателей, работающих на топливе с модификатором горения . 54
3.1. Общие положения. 53-
3.2. Программа испытания бензинового двигателя, работающего на топливе с модификатором горения. 5
3.3. Методика исследования влияния модификатора горения на поверхностное натяжение топлива. 58
3.4. Методика определения оптимальной концентрации модификатора горения в топливе . 60
3.5. Методика стендовых исследований бензинового двигателя, работающего на топливе с модификатором горения. 61
3.6. Методика эксплуатационных испытаний бензиновых двигателей, работающих на топливе с модификатором горения. 68
3.7. Экспериментальная установка, применяемая аппаратура и погреш ость измерений. 6
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований бензиновых дви ателей с применением модификатора горения . 75
4.1. Результаты экспериментальных исследований влияния модификатора горения на поверхностное натяжение топлива. 75
4.2. Результаты экспериментальных исследований оптимальной концентрации модификатора горения в топливах. 76
4.3. Результаты стендовых исследований бензинового двигателя, ботающего на топливе с модификатором горения . 77
4.4. Результаты эксплуатационных исследований бензиновых двигателей, работающих на топливе с модификатором горения. 84
4.5. Экологическая эффективность применения модификатора горения в топливе бензиновых двигателей в условиях эксплуатации. 87
4.6. Экономическая эффективность применения модификатора горения в топливе бензинового двигателя. 90
- Эффективные, топливно-экономические и экологические показатели работы бензиновых двигателей
- Оптимизация концентрации модификатора горения для бензинов
- Методика определения оптимальной концентрации модификатора горения в топливе
- Результаты стендовых исследований бензинового двигателя, ботающего на топливе с модификатором горения
Введение к работе
Современная автотракторная техника предъявляет всё более жёсткие требования к мощностным, экономическим и экологическим показателям двигателей.
Процессы сгорания уже с момента появления двигателя стали предметом непрерывных исследований. В трудах многих учёных, как российских, так и зарубежных, высказаны идеи о применении химической кинетики для изучения процессов воспламенения и горения в двигателях, построена рационатьная теория распространения пламени, разработан комплекс вопросов химической кинетики и гидродинамики, теплопередачи и диффузии. Несмотря на достигнутые успехи в развитии наших представлений о горении топлива в двигателях, решение задач, связанных с созданием эффективных процессов, пока ещё требует напряжённого труда.
Экспериментатьные исследования и анализ процессов в камерах сгорания двигателей с различными термодинамическими циклами показывают, что внутрикамерный процесс не протекает совершенно равномерно.
Даже при тщательно отработанном процессе двигатель с искровым зажиганием на многих режимах полностью не использует энергетические ресурсы топлива, и во многих случаях потери от процесса превращения топлива в конечные продукты реакции достигают 10-15%.
Решение возникающих проблем осуществляется различными путями: усовершенствованием конструкции двигателей, применением процесса гидроочистки для облагораживания топлив, использованием присадок, позволяющих, улучшить те или иные свойства топлив, а также сочетанием селективной гидроочистки топлив с последующим вовлечением в них присадок.
Применение присадок, как правило, наиболее экономично. Некогорые типы присадок, например антидетонаторы, широко применяются в течение нескольких десятилетий. Другие появились или приобрели большое значение в последнее время, например депрессорные и моющие присадки. Быстрыми темпами развиваются исследования в области присадок, улучшающих воспла-
мененис и сгорание топлив, что связано со стремлением добиться определенной экономии топлив за счет более полного их сгорания.
Отдельным видам присадок к топливам посвящен ряд обзоров, вышедших в РФ в последнее время. Рассмотрены антиоксиданты для реактивных топлив [17], моющие [62] и антиобледенительные [63] присадки к автобензинам, де-прессорные присадки [34]. В 1980 г. в СССР вышел общий обзор, охватывающий литературу и патенгные данные за 1973-1979 гг. [75].
Усиленно ведутся исследования в области снижения токсичности выхлопных газов, так как загрязнение воздуха в городах во многих странах становится национальным бедствием.
Разработаны новые инженерные решения для конструирования камер сгорания и подбора эффективных топлив и присадок к ним.
Несмотря на эти достижения, необходимость в изучении внутрикамерных процессов продолжает оставаться весьма актуальной.
Исследования осуществляются двумя путями. Один путь состоит в детальном описании процесса таким образом, чтобы, систематизировав экспериментальные данные, получить некоторые качественные выводы. Второй путь заключается в том, что можно, воспользовавшись имеющимися представлениями о процессе горения, поставить перед собой следующие задачи:
установить механизмы, вызывающие неустойчивое горение в двигателях на химическом топливе;
для некоторых из них дать количественные решения;
проанализировать результаты и сравнить их с экспериментом;
показать лути использования результатов теоретического анализа, а также накопленных физико-химических средств для регулирования процесса горения;
описать инженерные мегоды для исследования процесса горения.
Главной тенденцией в области производства жидких топлив является поиск возможностей увеличения их ресурсов. Эта задача решается двумя путями. Один из них — расширение производства дефицитных топлив за счет других,
б главным образом мазутов. Последние могут вовлекаться в состав светлых топлив как непосредственно (при повышении конца кипения дизельных топлив на 20-40С), так и через процессы вторичной переработки. Вследствие этого потребление самих мазутов как топлив во многих странах за последние 25 лет резко упало [36].
Мощности вторичных процессов быстро растут в тех странах, где общий объем переработки нефти сокращается. Так, например, в течение 1983 г. мощности по прямой переработке нефти уменьшились в США на 2% (11,4 млн. т) и Японии на 10% (27,9 млн. т). В то же время вторичные мощности (в основном по гидрокрекингу и каталитическому крекингу) увеличились в США на 4% (43 млн. т) и Японии на 3,2% (0,9 млн. т) [36]. Развитие вторичных процессов переработки нефти, за исключением гидроочистки, приводит к изменению качества нефтяных дистиллятов в худшую сторону. Предполагается увеличение в них олефинов, фенолов, сернистых соединений.
Экономия топлива на транспорте также позволяет увеличить его ресурсы. Эта проблема решается, прежде всего, улучшением конструкции двигателя, транспортного средства и рациональной системой перевозок. В этом направлении имеются большие резервы. Так, в течение десятилетия 1972-1982 гг. в основных капиталистических странах годовое потребление бензина на автомобиль снизилось на 21,4% - в среднем на 2,25 л [36]. В США поставлена задача уменьшить расход топлива автомобилем до 3-5,5 л/100 км [36].
Наряду с конструктивными улучшениями дополнительный эффект может быть достигнут при помощи присадок, которым в последнее время уделяется
*
большое внимание со стороны исследователей и потребителей [36].
Ужесточение требований к токсичности топлив и продуктов их сгорания вызывает сокращение выпуска этилированных бензинов. В США законодательно полностью запретили этилированный бензин в 1988 г., в странах Западной Европы переход на «чистый бензин» был осуществлён на год позже, в 1989 г. [36]. В РФ применение этилированного бензина до 01.01.2003 г. было запрещено в некоторых городах и курортных зонах (городах-курортах Кавказских Минеральных Вод, Теберда и Домбай, городах черноморского
Минеральных Вод, Теберда и Домбай, городах черноморского побережья Кавказа). В качестве основных заменителей свинцовых антидетонаторов рассмат- ривают кислородсодержащие компоненты (спирты и эфиры). Некоторые страны в настоящее время располагают достаточными ресурсами метилового и этилового спиртов и применяют их в качестве добавок к топливам для бензиновых двигателей. В частности, в Бразилии, где собственные запасы нефти удовлетворяют потребности страны только на 15%, уже в середине 70-х г.г. 60% всех автомобилей в качестве топлива использовали технический спирт, вырабатываемый из отходов пищевой промышленности (отходы после переработки сахарного тростника). Кислородсодержащие соединения не только решают проблему детонационной стойкости топлив, но и позволяют заметно увеличить их ресурсы. При этом их добавка к топливу до 10% по отдельным сообщениям не оказывает отрицательного влияния на работу двигателя. Продолжаются также поиски беззольных антидетонаторов.
Большое внимание уделяется уменьшению токсичности отработавших газов (ОГ) автомобилей. Так, в 1985 г. правительства девяти стран ЕЭС одобрили введение единых норм на содержание вредных веществ в ОГ. В результате введения этих норм количество выбросов сократилось на 50-90% [363.
Для уменьшения выбросов СО, образование которого в значительной мере обусловлено осмолением карбюратора, широко применяют моющие присадки, обеспечивающие его чистоту, и, как следствие этого — более полное сгорание углеводородов топлива.
Роль присадок в производстве и потреблении топлив велика и в перспективе заметно возрастет. В течение десятилетия 1982-1992 гг. потребление присадок к топливам в США увеличивалось в среднем на 2,5-3% в год [36]. Наиболее быстрые темпы роеіа ожидаются для присадок, повышающих химическую и термическую стабильность средних дисгилляшь, низкотемпературные свойства дизельных шплив и мазушв, а іакжс ашионеиданюв и ингибиторов кор-роз«к.
Снижение токсичности отработавших і азов автомобилей является одной из актуальных задач экологии, так как каждый автомобиль за год выбрасы-ваег в атмосферу более 800 кг СО, 115 кг углеводородов и 38 кг оксидов азота. Важное значение имеет содержание твердых частиц и полициклических ароматических углеводородов, так как с ними связывают повышение онкологических заболеваний в промышленных странах. При оценке опасности отработавших газов особо следует выделить бензины, содержащие алкилпроиз-
водные свинца.
Как показывает анализ, загрязнения атмосферы весьма дорого обходятся человеку не только за счет стоимости санитарно-очистных сооружений, но и за счет потерь несгоревших топлив и косвенных потерь, связанных с ущербом для людей, животных и растений.
В отработавших газах содержится большое количество органических и неорганических соединений, причем составы газов от двигателей с воспламенением от искры и от двигателей с воспламенением от сжатия резко различаются. Содержание оксида углерода в отработавших газах при работе двигателей с воспламенением от искры на порядок выше, чем при работе двигателей с воспламенением от сжатия; в газах значительно больше углеводородов и альдегидов, но меньше твердых частиц. Загрязнения атмосферы за счет автомобильного іранспорта распределяются примерно так: 70% от ОГ, 25% от картерных газов, 5% от топлива, испарившегося из баков.
Следует также отметить, что солнечная радиация вызывает фотохимические реакции между углеводородами и оксидами азота, поступающими в атмосферу с ОГ. В результате лих реакций образуются летучие и весьма опасные для здоровья людей и окружающей среды нитропроизводные.
Большое значение приобретет процесс превращения Ж? в N02. Диоксид азота содействует образованию азотной кислоты и стабильных иероксид-ных соединений. При этом создаются условия для разрушения покрытий улиц и площадей. Превращение NO в N02 имеет существенное значение в
проблеме смога. Это плотный туман, содержащий серный и сернистый ангидриды, оксиды углерода и азота Смог вызывает бронхиальные поражения.
В крупных городах, где имеется большое число автомобилей, могут возникнуть концентрации токсичных веществ, представляющие опасность для людей. Исследования атмосферного воздуха часто бывают очень неутешитель-ны. Например, в Софии в воздухе содержится 10,88 мг СО в I м , а средняя концентрация свинца равна 4,25 мкг/м .
Увеличение заболеваемости раком многие ученые связывают с воздействием на человека канцерогенных соединений, присутствующих в окружающей среде. Наиболее активны многоядерные ароматические углеводороды, в нервую очередь бензпирен. Одним из источников загрязнения атмосферы канцерогенными соединениями как раз и являются ОГ автомобильного транспорта, причем при работе двигателей с воспламенением от искры в саже отработавших газов содержится значительно больше бензпирена, чем при работе дизельных двигателей.
В СССР определяли содержание бензпирена в ОГ и в саже, снятой с внутренней поверхности выхлопных іруб автомобилей [7]. Содержание смолисгых веществ в саже от карбюраторного двигателя составляло 19,5-30%, в саже от дизельного двигателя 4-10%. Спектральнофотометрическим анализом этих образцов было обнаружено 200 мкг бензпирена в 1 г сажи.
Процесс образования бензпирена связан с изменениями условий в камере сгорании, при ошимаяьномутле опережения зажигания выделение бензпирена составило 7,6 мкг на 1 л топлива, при раннем зажигании 10,8 мкг, при позднем 29,2 мкг.
Природа топлива и присадок тоже влияет на концентрацию бензпирена в отработавших газах бензиновых и дизельных двигателей. Показано, что наибольшее количество этого углеводорода содержится в бензине жесткого каталитическою риформиш а. Добавка ЦТМ снижает содержание бензпирена в бензине. Выброс канцерогенных веществ значительно уменьшается и при добавлении в топливо барпйеодержащих присадок. Установлено также
наличие большого количества бензпирена в саже выхлопных газов ГТД и поршневых авиационных двигателей.
В научно-технические журналы разных стран идет непрерывный поток информации о токсичности офаботавших газов. Разрабатываются стандарты для оценки токсичности отработавших газов различных двигателей и специальные ездовые циклы.
Официальными ездовыми циклами, по которым оценивают токсичность отработавших газов за рубежом, являются калифорнийский (США), японский и европейский. Эти циклы различаются по продолжительности работы двигателя и по режимным параметрам. Токсичность оценивают по объемному (% об., млн"1) или массовому (% масс.) содержанию токсичных компонентов за время испытания, а также по количеству токсичных веществ, выделяющихся на единицу пути (г/км, г/миля). Объемная концентрация и количество на единицу пути связаны следующими соотношениями: для NOx 1 г/км = 432 млн"1, для СпНт 1 г/км =131 млн"1, для СО 1 г/км=0,07% (об.).
В Советском Союзе проблеме снижения токсичных выбросов в атмосферу уделялось самое серьезное внимание. В России вопросами охраны окружающей среды занимается ряд учёных ведущих ВУЗов и КИИ страны.
Улучшение эффективных, Юнливно-ЭкОнОмичсСких и отологических показателей современных двигателей внутреннего сгорания связано х, дальнейшим совершенствованием и развитием номенклатуры присадок и добавок в топливо, с их правильным и рациональным применением.
Эффективные, топливно-экономические и экологические показатели работы бензиновых двигателей
Улучшение эффективных, тошшвно-экономических и экологических показателей ДВС сложный, многоплановый процесс, так как их использование сопряжено с применением различных ресурсов: топливных, материально-технических и трудовых.
Исследованию проблемы улучшения эффективных, тошшвно-экономических и экологических показателей ДВС посвящено значительное количество работ отечественных учёных, в частности, научные основы теории ДВС в эксплуатационных условиях созданы трудами В.Н. Болтинского, Н.С. Ждановского, А.В. Николаенко и др.
На основе выполненных ими работ созданы теоретические и практические предпосылки для дальнейшего решения проблемы улучшения эффективных, топливно-экономических и экологических показателей ДВС.
Анализируя выполненные ранее исследования по решению данной проблемы, видим, что основными показателями, оказывающими влияние на повышение эффективности использования ДВС в промышленности и сельском хозяйстве, являются: безотказность в работе, износостойкость, ремонтопригодность, эксплуатационная мощность, часовой и удельный расход топлива, угар масла, токсичность выхлопных газов и так далее. Причём с точки зрения ряда исследователей [7, 71, 72, 75, 80, 81] основными из них являются: износостойкость, топливная экономичность и экологическая безопасность.
Как показывает анализ ряда источников [2, 3, 4, 9,10, 42, 66], основными направлениями улучшения эффективных, топливно-экономических и экологических показателей являются: констр тсгивно-технологические мероприятия; адаптация ДВС к природно-климатическим условиям; совершенствование управления эксплуатационными режимами работы двигателей; повышение технологии и организации ТО и ремонта машин; разработка принципиально новых конструкций двигателей; трибохимические и триботехнические мероприятия и так далее. Как показывает анализ литературы [10, 42] наибольшее влияние на работу ДВС оказывает температура окружающей среды. При этом в случае отрицательных температур резко ухудшаются пусковые качества двигателей [53], возрастают пусковые и эксплуатационные износы [42], нарушается нормальный тепловой режим работы, при этом возрастают потери на трение, увеличивается расход топлива и ухудшаются экологические показатели. В условиях повышенных температур происходит перегрев двигателя, что приводит к снижению технико-экономических показателей (ТЭП) на 13-15%, увеличению износов из-за нарушения гидродинамического режима трения, а также наблюдается ухудшение экологических показателей (дымление ДВС).
Большое влияние на эффективные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС оказывает запылённость воздуха. Так по данным исследований [20, 25, 26] наличие в бензине ныли в количестве 0,004 % увеличивает износ ЦПГ в 20 раз и более, а при попадании в дизельное топливо в количестве 0,02 % вызывает увеличение износа КШМ и топливной аппаратуры в 150 раз [12, 24, 25, 26, 42, 53, 69].
Однако почти все эти факторы и их влияние на работу ДВС могут быть устранены путём совершенствования конструкции, правильным использованием ТСМ, проведением комплекса триботехнических мероприятий [87, 88, 89, 92], а также путём надлежащего контроля за правильным и своевременным соблюдением ТО [1,5, 20].
К числу следующих эксплуатационных факторов, оказывающих влияние на показатели двигателей, необходимо отнести режимы работы, в частности, нагрузочный, скоростной и тепловой. В процессе эксплуатации автотранспортных средств (АТС) происходит постоянное изменение этих режимов. Особенно это характерно для сельскохозяйственной техники, сгрошельных машин и автотранспорта, эксплуатируемого в городских условиях. Всё это обусловлено неустановившимся характером рабочего процесса и низкой степенью загрузки ДВС, что также приводит к ухудшению ряда их показателей. Так, в условиях реальной эксплуатации, при работе двигателя ЗИЛ-130 на неустановившихся режимах износ компрессионных колец увеличивается в 2,6-3,4 раза, поршней - в 1,2-2,5 раза [65].
С повышением скоростного режима работа трения увеличиваегся, в результате чего повышается температура поверхности трения, что приводит к нарушению гидродинамического режима смазки, а, следовательно, к увеличению износа и расхода топлива [6, 27, 38,40].
Полученные данные [49, 50] о влиянии нагрузочного режима показывают, что при изменении нагрузки — интенсивность износа ЦПГ увеличивается в 1,3-1,7 раза из-за роста температуры в зоне трения, что приводит к снижению вязкости и уменьшению толщины несущего масляного слоя.
Однако рядом исследований [6, 13, 39,40] установлено, что износ в ДВС с увеличением нагрузки (при постоянном скоростном режиме) может снижаться, что связано с возрастанием количества теплоты отводимой в систему охлаждения, из-за уменьшения толщины масляного слоя и его термического сопротивления.
Установлено [42, 53, 54, 63], что значительное влияние на износ и топливную экономичность ДВС оказывает тепловой режим. Так понижение температуры охлаждающей жидкости с 85С до 60С приводит к перерасходу топлива на 8-10%, а износ увеличивается в 2-3 раза.
Существенное влияние режимы работы оказывают и на экологические показатели ДВС. Так с увеличением нагрузочного режима работы двигателя ГАЗ-21 [66] содержание окиси углерода уменьшается при переходе с режима холостого хода на режим средних нагрузок,.а затем резко возрастает на высоких частотах.
Оптимизация концентрации модификатора горения для бензинов
Применение предельного термодинамического цикла для расчета параметров рабочего процесса двигателя имеет ряд ограничений.
Расчёт не позволяет определить границы устойчивости процесса и построить область изменений его режимных и конструктивных параметров. Это объясняется в первую очередь тем, что вдоль камеры сгорания имеется не только химическая неоднородность смеси, но также физическая, так как малая температуропроводность рабочего тела приводит к тому, что в условиях двигателя в различных местах камеры сгорания возникают большие температурные градиенты. Ввиду термодинамической необратимости во фронте пламени и другах нестационарных явлений, протекающих в нём, в топливной смеси происходят неконтролируемые предпламенные реакции, которые иногда приводят к стуку.
Физико-математическая модель процесса горения в бензиновых двигателях с искровым зажиганием даёт возможность изучать условия появления стука в камере сгорания. Она позволяет определить динамику тепловыделения, выяснить влияние отдельных конструктивных и топливных параметров на процесс горения, а также найти общие показатели рабочего процесса.
Как известно, индикаторная диаграмма рабочего процесса без учета потерь описывается на основе первого закона термодинамики следующими уравнениями:
Уравнения (2.54) и (2.55) в общем виде определяют не только индикаторную диаграмму процесса, но и влияние формы кривой тепловыделения на протекание процесса в двигателях. В теории рабочих процессов в двигателях для перехода от теоретических индикаторных диаграмм к действительным необходимо учесіь потери теплагтві на теплопередачу и на диссоциацию продуктов сгорания. Если допустить, как это сделано [46], что сумма потерь на любом участке процесса горения меняется в узком диапазоне, то тогда доля сгоревшего топлива, соответствующая тому .колиЧСmb% : теплбпсоторое идёт на повышение внутренней энергии и совершения работы, будет:
Величина ц/ в ряде работ названа коэффициентом использования теплсгв реальном процессе. Величина у колеблется в пределах 0,88-0,95. Подставляя соотношение (2.56) в уравнение (2.55), получим:
В дальнейшем для расчётов будем пользоваться удельной теплотой сгорания, и тогда уравнение (2.1) можно представить в виде:
Как видно из дифференциальных уравнений, скорость подвода теплотиі-ределяет характер протекания давления во времени. Если количество теплб выделяющееся в процессе горения, определяется только превращением исходных продуктов в каждый элемент времени, то уравнение (2.57) и (2.58) огражают действительный закон сгорания. Это, по-видимому, будет верным и в случае промежуточных процессов, так как они идут с незначительными тепловыми эффектами. Поэтому уравнение (2.2) с достаточной степенью точности может быть принято в качестве закона сгорания.
Однако скорость тепловыделения записана в неявной форме и не отра-жаег развития процесса во времени. Для того, чтобы установить связь между скоростями горения и тепловыделения, рассмотрим широко применяемый метод оценки скорости горения с помощью суммарных временных характеристик.
Процесс горения в бензиновом двигателе с искровым зажиганием можно рассматривать как процесс, протекающий в двух стадиях: 1. стадия воспламенения и рождения объёмного очага пламени; 2. стадия турбулентного распространения пламени по заряду.
Первая стадия процесса определяется физико-химическими свойствами топливной смеси, а вторая - диффузией и теплообменом. В зависимости от соотношения скоростей стадий различают две предельные области. В первой из них — кинетической — скорость реакции гораздо меньше скорости диффузии реагирующих компонентов и наблюдаемая скорость процесса совпадает с истинной скоростью химических реакций. Во второй области диффузионная скорость процесса всецело определяется переносом вещества в зоне горения, и она лимитируется фактором гидродинамической природы — в первую очередь смешением.
Это явление лежит в основе исследований, в которых ведущую роль играют временные характеристики. Представим это в виде временного равенства: где ту, т3, гк, Тд и тдог — характеристические масштабы времени полного горения, периода задержки воспламенения, времени протекания химических реакций, времени протекания диффузионных процессов и времени догорания
Методика определения оптимальной концентрации модификатора горения в топливе
Определение оптимальной концентрации МГ в топливе находилось экспериментально. Методика определения зависимости удельного расхода топлива, эффективной мощности и крутящего момента двигателя от концентрации присадки в топливе. Так как эффективная мощность Ne, удельный расход топлива ge и крутящий момент Мкр являются эффективными показателями работы ДВС и имеют прямую зависимость от индикаторных показателей работы двигателя, то их определение регламентируется ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Методика определения зависимости токсичности отработавших газов от концентрации присадки в топливе. Исследование отработавших газов на СО и СН осуществлялось на приборе «Инфралит» (Германия). Перед проведением исследований прибор тарировали в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации, разработанной заводом изготовителем. Полученные результаты СО и СН заносили в протокол испытаний. 3.5. Методика стендовых исследований бензинового двигателя, работающего на топливе с модификатором горения.
Целью исследования являлось определение влияния модификатора горения на эффективные, топливно-экономические и экологические показатели ДВС и оценка целесообразности применения его в бензиновых двигателях. Объектом исследования являлся бензиновый двигатель 24Д. В качестве топлива был применён бензин АИ-93 ГОСТ Р 51313-99, в который вводили модификатор горения из расчёта 0,01% масс, объёма.
Испытание двигателя проводилось в стендовых условиях на тормозной установке. В состав экспериментальной установки входил тормозной стенд, оснащённый в соответствии с ГОСТ 18509-88 контрольно-измерительными приборами и устройствами для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, часового расхода топлива, давления масла в главной масленой магистрали, температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры отработавших газов и воздуха, барометрическое давление.
Приборы контроля: мегомметр тип Ml 101 (№35625) - для определения шунтового сопротивления; прибор для определения искрообразования свечей зажигания - Э208.
Эксплуатационные исследования проходили на базе государственного унитарного предприятия Предгорное дорожное ремонтно-строительного управления (ДРСУ) Ставропольского края и муниципального унитарного предприятия Комбинат Благоустройства Города (КБГ) г. Ессентуки. Цель испытаний: 1. Определить степень снижения концентрации вредных веществ (СО, СН) в выхлопных газах двигателей при постоянном использовании МГ в бензинах. 2. Определение экономии топлива в городских условиях работы транспорта с использованием МГ в бензинах. 3. Определение возможности очистки камеры сгорания и выхлопного тракта двигателя с использованием МГ в бензинах. 4. Определение рациональности постоянного использования МГ на автотранспорте в городских условиях.
В качестве объектов исследования были приняты: 1. автомобили ЗИЛ-43360 и ЗИЛ Ш362 серийного исполнения, эксплуатирующиеся в условиях городов-курортов Кавказских Минеральных Вод; 2. бензины АИ-93, по ГОСТ Р 51313-99 и А-76, по ГОСТ 2084-77; 3. присадка к бензинам автомобильным по ТУ 025729 - 01 - 23103174 - 93; 4. моторное масло М8ВЬ по ГОСТ 10541-78.
Приборы контроля: 1. газоанализатор СО - Инфралит - 1100; 2. газоанализатор СН - ГЛ - 1122; 3. газоанализатор «BEAR»; 4. стробоскоп автомобильный СТБ 04.01 «Луч»; 5. расходомер топлива К-427. 1. Перед началом испытаний 23.03.04 г. часть испытуемых автомобилей прошла контроль в УГАИ ГУВД г. Ессентуки на содержание вредных примесей в выхлопных газах, таких как СО, СН на газоанализализаторе фирмы BEAR № 06S0265. 2. С 01.04.04 г. все автомобили проходили ежедневную контрольную проверку состава выхлопных газов на приборах газоанализаторах СО и СИ, принадлежащих автопарку предприятий. После проведения контрольного измерения СО и СН в выхлопных газах автомобилей, при двух нагрузках - холостой ход и средних оборотах, в бензобаки автомобилей был залит МГ к бензину в количестве 0,02% от объема топлива в баке. Контроль количества топлива в баке определялся щупом на ОТК. После заливки присадки, автомобили вышли на линию. В дальнейшем, ежедневно, перед выходом на линию, во всех контрольных и испытуемых автомобилях проводился замер СО и СН на участке ОТК автопарков. В испытываемые автомобили дополнительно контролировался пробег и дозаправка топлива. 3. Начиная со второго дня испытаний в бензобаки испытуемых машин вводился МГ из расчета 0,01% к объему заправляемого топлива. Результаты замеров содержания СО и СН в выхлопных газах контрольных и испытуемых машин приведены на графиках 4.9-4.12. 4. Для проверки влияния МГ на очистку камеры сгорания, клапанов, свечей и цилиндров, двигатель автомобиля № 341 был разобран на участке ремонта двигателей в присутствии членов комиссии. После последнего ка питального ремонта двигатель прошел 317000 км. После вскрытия в камере сгорания следов нагара не обнаружено. 6. Для проверки влияния модификатора горения на изменение состава выхлопных газов в течении дня, в бензобак контрольного автомобиля № 321 была влита присадка в количестве 0,02% к объему бензина в бензобаке.
После прекращения доливки присадки в бензобак, 3 автомобиля прошли контроль на содержание вредных примесей. Наблюдается общая тен
Результаты стендовых исследований бензинового двигателя, ботающего на топливе с модификатором горения
Эксплуатационные испытания проводились на 6 контрольных и 6 опытных (испытываемых) автомобилях. На всех опытных автомобилях зафиксировано снижение СО и СН (в 2 - 4 раза) в зависимости от степени износа двигателя.
На рис. 4.9-4.12 в графической форме показаны изменения концентрации СО и СН в выхлопных газах во время испытаний с добавкой МГ в бензин.
Характер протекания зависимостей на этих графиках свидетельствует о монотонном снижении содержания вредных веществ в ОГ во время всего периода работы на бензине с МГ. После перехода на штатное топливо без добавления МГ при работе двигателя наблюдается в течение первых нескольких дней продолжение снижения содержания вредных веществ в ОГ, либо концентрация СО и СН остается на прежнем низком уровне.
По результатам эксплуатационных испытаний можно заметить, что при более длительной (постоянной) эксплуатации двигателей с добавлением МГ в концентрации 0,01% содержание СО и СН в выхлопных газах существенно снижается.
Наблюдаемое снижение концентрации СО и СН в выхлопных газах имеет очень большой разброс из-за различного технического состояния двигателей (пробег от 42000 до 460000 км после капитального ремонта). Однако общая тенденция к снижению вредных веществ в выхлопных газах прослеживается во всех испытуемых двигателях.
В представленной ниже таблице (табл. 4.5) даны обобщенные данные по расходу топлива и пробег автомобилей при работе двигателей на товарном бензине без МГ с 01 апреля по 23 апреля включительно и данные при работе двигателя на том же бензине с добавлением МГ с 24 апреля по 30 апреля включительно. В ней даны фактический расход топлива и пробег автомобилей по данным автопарка при работе двигателя на бензине без МГ и то же при работе двигателя на бензине с МГ и средние расходы топлива на 100 км в том и другом случае:
На рис. 4.9-4.12 в качестве иллюстрации в графической форме ноказано уменьшение концентрации СО и СН в ОГ двигателей автомобилей ЗИЛ 43362 и ЗИЛ 43360, работающих на бензине А-76 и АИ-93 с добавлением МГ. на холостом ходу и на частичных оборотах. Графики показывают усреднённые значения в % для окиси углерода и миллионных долях (pmm) для углеводородов. Характер протекания зависимостей дают представление о том, какой из токсических компонентов содержится в меньшей концентрации в ОГ двигателей автомобилей, работающих на различных марках бензина с добавлением МГ, в зависимости от километража пробега (в среднем около 2 тыс. км для каждого автомобиля).
На основании проведенных испытаний следует, что при работе двигателя на топливе с МГ в концентрации 0.01%, экономия бензина составляет 5.65%. СО уменьшается на 4,7% при холостых оборотах и 5,2% при частичных нагрузках. СН уменьшается на 1,3% при холостых оборотах и на 2,7% при частичных нагрузках. 4.5. Экологическая эффективность применения модификатора горении в бензиновых двигателях в условиях эксплуатации.
Основными токсическими веществами, выделяемыми ДВС, являются: окись углерода (СО), углеводороды (СН), окислы азота (NOx), соединения свинца, бенз(а)пирена, альдегиды. Для нас интерес представляют прежде всего те токсические компоненты, вьщеляемые ДВС, на которые уже введены ограничительные стандарты или намечено их введение.
В настоящее время нормирование распространяется на выброс двигателем окиси углерода, углеводородов, окислов азота, поэтому ниже рассматриваются именно эти {СО и СН) токсические компоненты.
Источниками токсических веществ в ДВС являются: отработавшие газы, картерные газы (при вентиляции в атмосферу) и пары топлива из системы питания. Относительные величины выделения токсических веществ этими источниками для бензинового двигателя приведены в Приложении 1, табл.3. Основным источником загрязнения воздуха являются отработавшие газы, однако, вместе с тем необходимо учитывать, что при испарении углеводородов из топливной системы и вьщелении их с картерными газами в атмосферу поступает 45% общего количества выделяемого бензиновым двигателем углеводородов и 5,3% расходуемого топлива [45]. Содержание других токсических компонентов в картерных газах этих двигателей незначительно. Как источник загрязнения двигатель целесообразно испытывать в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации.
Ниже приведена сводная таблица по изменению токсичности выхлопных газов по всем испытанным двигателям, где уменьшение изменения показаны в количество раз от первоначальных (так как СО изначально измеряется в %). Таким образом получились ряды, показывающие общую тенденцию снижения, готовые для выводов среднестатистических значений
