ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7080| Title: | Вивчення впливу бензо-водяних сумішей на робочі характеристики автомобільного двигуна |
| Authors: | Тарандушка , Людмила Анатоліївна Таран, Максим Дмитрович |
| Issue Date: | 2025 |
| Abstract: | Кваліфікаційна робота магістра на тему: «ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ БЕНЗО-ВОДЯНИХ СУМІШЕЙ НА РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБІЛЬНОГО ДВИГУНА» містить 102 с., в тому числі вступ, 5 розділів, висновки та список використаних джерел з 22 пунктів. Об’єкт дослідження − робочі характеристики автомобільного двигуна. Предмет дослідження –вплив бензо-водяних сумішей на робочі характеристики автомобільного двигуна. Метою кваліфікаційної роботи магістра є дослідження показників роботи автомобільного двигуна при застосуванні бензо-водних сумішей. Наукову новизну роботи складають: - розрахунково-теоретичний аналіз роботи бензинового двигуна на паливно-водній суміші; - математичні моделі, що дозволяють оцінити вплив складу бензо-водної суміші на показники двигуна на основних режимах роботи; - результати теоретичних досліджень впливу паливно-водної суміші на експлуатаційні та екологічні показники роботи бензинового двигуна. - оцінка впливу на економіку, при викорисанні автомобілів з системою подачі паливно-водної суміші (ПВС), та доцільність встановлення даної системи. Практична цінність роботи полягає у дослідженні показників роботи двигуна з використанням паливно-водної суміші. При цьому отримано оптимальний вміст води в ПBC для основних режимів роботи двигуна та обгрунтовано його з точки зору отримання максимального позитивного ефекту на основні експлуатаційні параметри, до яких відносяться зовнішня швидкісна характеристика, паливна економічність та екологічність; описано технологію технічного обслуговування бензинового двигуна із системою подачі паливно-водної суміші, досліджено економічний ефект, що виникає при застосуванні ПВС. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7080 |
| Appears in Collections: | 274 Автомобільний транспорт (Автомобільний транспорт) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Таран.pdf Restricted Access | 2.34 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний університет (ЧДТУ)
18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460, тел./факс (0472) 71 00 92
ЗАТВЕРДЖУЮ
зав. кафедри автомобілів та
технологій їх експлуатації,
професор
____________ Л.А. Тарандушка
«___» __________________2025
р.
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА
ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ БЕНЗО-ВОДЯНИХ СУМІШЕЙ НА
РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБІЛЬНОГО
ДВИГУНА
Керівник роботи:
Професор, д.т.н. _______________ Л.А. Тарандушка
(підпис), (дата) (ініціали, прізвище)
________________________________
Виконавець:
студент 2 курсу, гр. мАВ-49 ______________
спеціальності 274 – Автомобільний
транспорт _____________ М.Д. Таран
(підпис), (дата) (ініціали, прізвище)
2025
1
РЕФЕРАТ
Кваліфікаційна робота магістра на тему: «ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ БЕНЗО-
ВОДЯНИХ СУМІШЕЙ НА РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБІЛЬНОГО
ДВИГУНА» містить 102 с., в тому числі вступ, 5 розділів, висновки та список
використаних джерел з 22 пунктів.
Об’єкт дослідження − робочі характеристики автомобільного двигуна.
Предмет дослідження –вплив бензо-водяних сумішей на робочі
характеристики автомобільного двигуна.
Метою кваліфікаційної роботи магістра є дослідження показників роботи
автомобільного двигуна при застосуванні бензо-водних сумішей.
Наукову новизну роботи складають:
- розрахунково-теоретичний аналіз роботи бензинового двигуна на паливно-
водній суміші;
- математичні моделі, що дозволяють оцінити вплив складу бензо-водної
суміші на показники двигуна на основних режимах роботи;
- результати теоретичних досліджень впливу паливно-водної суміші на
експлуатаційні та екологічні показники роботи бензинового двигуна.
- оцінка впливу на економіку, при викорисанні автомобілів з системою
подачі паливно-водної суміші (ПВС), та доцільність встановлення даної системи.
Практична цінність роботи полягає у дослідженні показників роботи
двигуна з використанням паливно-водної суміші. При цьому отримано
оптимальний вміст води в ПBC для основних режимів роботи двигуна та
обгрунтовано його з точки зору отримання максимального позитивного ефекту
на основні експлуатаційні параметри, до яких відносяться зовнішня швидкісна
характеристика, паливна економічність та екологічність; описано технологію
технічного обслуговування бензинового двигуна із системою подачі паливно-
водної суміші, досліджено економічний ефект, що виникає при застосуванні
ПВС.
2
Зміст
Вступ ............................................................................................................................................................... 5
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ ........................................... 8
1.1 Методи і засоби покращення експлуатаційних показників бензинових
двигунів ......................................................................................................................................................... 8
1.2 Методи та засоби покращення екологічних показників бензинових двигунів
.......................................................................................................................................................................... 19
1.3 Робота бензинового двигуна на паливно-водній суміші як спосіб ...................... 26
економії паливно-енергетичних ресурсів .................................................................................. 26
1.4 Висновки до розділу 1 ................................................................................................................. 32
РОЗДІЛ 2 РОЗРАХУНКОВО-ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ
РОБОТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГУНА НА ПАЛИВНО-ВОДНІЙ СУМІШІ ......... 33
2.1 Спосіб організації робочого процесу бензинового двигуна на паливно-водній
суміші ........................................................................................................................................................... 33
2.2 Розрахунково-теоретичний аналіз показників роботи бензинового двигуна на
паливно-водній суміші ........................................................................................................................ 35
2.4 Висновки до розділу 2 ................................................................................................................. 45
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ,
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА І ЗАСТОСОВУВАНА АПАРАТУРА.
ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ ............................................................................................................. 47
3.1 Загальна методика дослідів ....................................................................................................... 47
3.2 Пристрій та спосіб подачі паливо-водної суміші в бензиновий двигун. .......... 47
3.3 Методика дослідження експлуатаційних показників бензинових двигунів при
роботі на паливно-водній суміші ................................................................................................... 51
3.4 Методика дослідження екологічних показників бензинових двигунів при
подачі паливно-водної суміші ......................................................................................................... 53
3
3.5 Експериментальна установка та застосовувана апаратура. Похибки
вимірювань ................................................................................................................................................ 54
РОЗДІЛ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ І
ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ ПРИ РОБОТІ НА
ПВС ............................................................................................................................................................... 59
4.1 Результати лабораторних досліджень працездатності способу подачі
паливно-водної суміші в бензиновий двигун .......................................................................... 59
4.2 Результати експериментальних досліджень експлуатаційних показників
бензинових двигунів під час роботи на паливно-водній суміші................................... 62
4.3 Результати експериментальних досліджень екологічних показників
бензинових двигунів під час роботи на паливно-водній суміші................................... 73
4.4 Оптимізація складу паливно-водної суміші ..................................................................... 83
4.5 Висновки до розділу 4 ................................................................................................................. 86
РОЗДІЛ 5 АНАЛІЗ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВИПРОБУВАНЬ БЕНЗИНОВИХ
ДВИГУНІВ, ПРАЦЮЮЧИХ НА ПВС. ОЦІНКА ДОЦІЛЬНОСТІ ЇХ
ВИКОРИСТАННЯ ................................................................................................................................ 89
5.1 Результати експлуатаційних випробувань бензинових двигунів працюючих
на паливно-водній суміші .................................................................................................................. 89
5.2 Технологія технічного обслуговування бензинового двигуна з організацією
подачі паливно-водної суміші ......................................................................................................... 92
5.3 Соціально-економічний ефект від використання паливно-водної суміші в
бензинових двигунах ............................................................................................................................ 94
Загальні висновки .................................................................................................................................. 98
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................................. 100
4
Вступ
В даний час існує необхідність розробки та застосування альтернативних
видів моторного палива. Насамперед, вона обумовлена двома основними
причинами: перша з яких – різке погіршення екологічної ситуації, як в Україні,
так і у цілому світі; друга - прогресуючим зниженням розвіданих запасів нафти
Землі [1].
Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) є основними джерелами енергії
(понад 70%) та споживачами нафти (понад 90%) і найближчим часом серйозної
альтернативи їм не передбачається. Нафта – практично єдине джерело палив для
ДВЗ на сьогоднішній день. За приблизними оцінками розвіданих запасів нафти
вистачить на 40...50 років [2].
Автомобільний транспорт став одним із наймасовіших джерел
забруднення довкілля. У більшості країн світу на нього припадає 50...60% від
загального обсягу викидів шкідливих речовин, а у великих містах більш ніж 90%
[2]. Чисельність автомобілів; особливо у великих містах, з кожним роком
неухильно зростає. Наприклад, в Україні спостерігається значне зростання
чисельності автомобілів, так, у період з 2009 по 2020 рр. парк збільшився з 7 до
10,8 млн. шт. (на 54%).
Забруднення навколишнього середовища за рахунок викиду шкідливих
речовин спричиняє погіршення здоров'я людей і тварин, до втрат врожаю
сільськогосподарських культур, зниження запасів деревини, збільшення
парникового ефекту від вуглекислого газу та інших негативних ефектів [1].
В даний час досліджуються різні варіанти альтернативних моторних
палив, до яких відносять природний газ, зріджені вуглеводневі гази, спирти,
біопалива, диметиловий ефір, водень тощо. Загальновизнано, що альтернативні
види палив дозволяють знизити токсичність відпрацьованих газів, і зменшити
споживання нафти, проте продовжуються суперечки фахівців щодо можливості
фактичного збільшення ступеня забруднення повітря внаслідок утворення інших
забруднюючих компонентів при згорянні альтернативних палив. Однак існують
5
недоліки, зокрема зниження динамічних якостей транспортного засобу (TЗ),
зменшення пробігу на одній заправці, складністю зберігання палива, значним
ускладненням конструкції. Для покращення характеристик ДВЗ та економії
нафти можливо застосування сумішеві палива [2].
Одним із шляхів комплексного поліпшення основних експлуатаційних
властивостей є застосування води як компонента традиційних нафтових палив.
Досвід використання водопаливних емульсій (ВТЕ) та упорскування води
відомий давно, проте широке застосування їх у ДВЗ стримується рядом
експлуатаційних, технічних та технологічних проблем. Насамперед, це
складність приготування емульсій, їх нестабільність і неможливість тривалого
зберігання, складність застосування в умовах низьких температур, а також
складність дозування та відсутність способів, що дозволяють оперативно
змінювати склад паливно-водної суміші. Крім того, деякі практичні та
теоретичні аспекти впливу води на робочий процес ДВЗ малодосліджені[27].
Численними дослідженнями встановлено, що вода у складі паливно-водних
сумішей (ПBC) дозволяє знизити концентрацію оксидів азоту та оксиду вуглецю
у ВГ, зменшити можливість детонаційного згоряння, підвищити економічність
двигуна.
Розвиток науки та сучасних технологій відкриває нові напрямки вивчення
впливу води на робочий процес ДВЗ.
Метою кваліфікаційної роботи магістра є дослідження показників роботи
автомобільного двигуна при застосуванні бензо-водних сумішей.
Наукову новизну роботи складають:
- розрахунково-теоретичний аналіз роботи бензинового двигуна на
паливно-водній суміші;
- математичні моделі, що дозволяють оцінити вплив складу бензо-водної
суміші на показники двигуна на основних режимах роботи;
- результати теоретичних досліджень впливу паливно-водної суміші на
експлуатаційні та екологічні показники роботи бензинового двигуна.
6
- оцінка впливу на економіку, при викорисанні автомобілів з системою
подачі паливно-водної суміші (ПВС), та доцільність встановлення даної системи.
Практична цінність роботи полягає у дослідженні показників роботи
двигуна з використанням паливно-водної суміші. При цьому отримано
оптимальний вміст води в ПBC для основних режимів роботи двигуна та
обгрунтовано його з точки зору отримання максимального позитивного ефекту
на основні експлуатаційні параметри, до яких відносяться зовнішня швидкісна
характеристика, паливна економічність та екологічність; описано технологію
технічного обслуговування бензинового двигуна із системою подачі паливно-
водної суміші, досліджено економічний ефект, що виникає при застосуванні
ПВС.
7
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
1.1 Методи і засоби покращення експлуатаційних показників
бензинових двигунів
На даний момент неможливо відокремлено розглядати потужність
двигуна та його економічність. У той самий час із цими показниками двигуна
нерозривно пов'язаний склад ВГ. І найчастіше виконання існуючих вимог щодо
викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами призводить до деякого
зниження паливної економічності та потужності двигуна [3].
Сучасна тенденція розвитку автомобільних двигунів характеризується як
збільшенням їхньої агрегатної та питомої потужності, так і зниженням витрати
палива та викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами [4].
Ефективна потужність поршневого двигуна є функцією низки параметрів
і, зважаючи на механізм впливу різних факторів на потужність двигуна їх можна
розділити на дві групи. Перша визначає кількість палива, що вводиться у робочу
порожнину двигуна за одиницю часу. До них відносяться об’єм циліндрів,
щільність повітря на впуску в двигун, коефіцієнт наповнення, коефіцієнт
надлишку повітря, частота обертання колінчастого валу, коефіцієнт тактності.
Друга група обумовлює ефективність перетворення теплоти, що виділяється при
згорянні цього палива, в механічну роботу і включає індикаторний та механічний
коефіцієнти корисної дії [5].
Таким чином, можна виділити два можливі напрями поліпшення
потужних показників двигунів. Потужність двигуна можна підвищити за
рахунок збільшення кількості палива, що вводиться в циліндр за одиницю часу,
або шляхом поліпшення ефективності тепловикористання [6].
Другий напрямок є більш вигідним, через те, що збільшення
індикаторного та механічного коефіцієнта корисної дії (ККД) призводить до
зниження питомої витрати палива, Даний ефект не спостерігається при
використанні інших методів.
8
Оцінюючи можливості реалізації розглянутих напрямів, можна назвати
найефективніші методи підвищення економічних показників. Насамперед це
підвищення ступеня стиснення, використання збіднених горючих сумішей,
удосконалення якості сумішоутворення, підвищення механічного ККД [6].
Крім того, підвищити потужність можна також такими відомими
методами, як збільшення робочого об'єму двигуна; підвищенням кількості
обертів колінчастого валу, переходом на двотактний цикл, збільшенням маси
циклового заряду за рахунок наддуву [6].
Відповідно до другого Закону термодинаміки частина теплоти, підведеної
до робочого тіла, обов'язково повинна передаватися в більш холодну область.
Однак, деяких втрат, зокрема втрат теплоти в циклі, втрат теплоти еквівалентних
насосним та механічним втратам, можна уникнути. Хоча можливості
підвищення економічності двигуна на цьому шляху обмежені, експериментальні
дані показали, що сумарний ефект від усунення цих втрат може підвищити
економічність до 20%. Вказується також, що зменшення втрат енергії, що
підводиться, на 1% дозволяє підвищити ефективну потужність на 5%.
Втрати, зумовлені відведенням теплоти відповідно до другого закону
термодинаміки, можна скоротити шляхом збільшення ступеня стиснення або
зміни складу суміші, тобто підвищенням термічного ККД циклу.
Збільшення ступеня стиснення як спосіб підвищення економічності
двигунів з іскровим запалюванням вважається одним із найефективніших [6].
При підвищенні ступеня стиснення значно збільшується робота розширення та
термодинамічний ККД циклу. У роботах [7,8] зазначається, що підвищення
ступеня стиснення від 8...9 одиниць на кожну одиницю призводить до зниження
витрат палива на 3...6%.
Бажаним є збільшення ступеня стиснення до 12...14 одиниць, оскільки
подальше підвищення з точки зору економічності є невигідним, по причині
зростання тепловіддачі в стінки камери згоряння та підвищення термічних втрат.
Індикаторний ККД при ε = 14...16 майже досягає максимуму. Отже оптимальним,
з точки зору підвищення ефективного ККД, є ступінь стиснення 11...13 [8].
9
У двигунах з примусовим займанням верхня межа ступеня стиснення
обмежується насамперед можливістю виникнення детонаційного згоряння.
У фундаментальних дослідженнях [3-6] детонації в двигунах, робиться
висновок про те, що детонація спричинена самозайманням останньої частини
заряду. Добре відомі основні способи боротьби з детонацією, які по суті
зводяться до скорочення тривалості згоряння і збільшення періоду затримки
самозаймання останньої порції заряду: інтенсивне охолодження останніх порцій
заряду, багатосвічкове запалювання, турбулізація заряду, упорскування води та
інші методи.
Способи усунення можливості детонації у двигуні в основному зводяться
до усунення умов, за яких можливе виникнення самозаймання, і поділяються на
дві групи чинників. До першої групи можна віднести - детонаційну стійкість
палива, до другої, - термодинамічні умови останніх порціях заряду. Схильність
палива до детонації можна зменшити чи усунути шляхом добавки
високооктанових компонентів або антидетонаторів. При заданій детонаційній
стійкості палива зменшення шансу детонації в двигуні можна досягти шляхом
зміни термодинамічних умов в останніх порціях заряду, спрямованих на
усунення самозаймання [8]. Іншими словами, існує два принципові шляхи
запобігання детонаційному згоряння на двигуні: 1 - уповільнення реакції на
вогнетривкій частині в уникнення різкого підйому тиску в кінці процесу; 2 -
скорочення часу, наявного для виникнення; реакції, що призводить до детонації,
з тим, щоб згоряння закінчилося раніше початку самозаймання в незгорілій
частині заряду.
Найбільш раціональним слід вважати застосування автоматично;
регульованого ступеня стиснення. На кожному режимі роботи встановлюється -
найбільш доцільна величина ε: при запуску та малих навантаженнях - висока, а
при великих навантаженнях - знижена. Однак це істотно ускладнює конструкцію
двигуна та значно підвищує його вартість.
Для практичної реалізації ефекту підвищення паливної економічності
шляхом підвищення ступеня стиснення необхідно враховувати вплив даного
10
методу на токсичність ВГ двигуна. Зазначається [7], що з підвищенні ступеня
стиснення питомі викиди оксидів aзоту (NOx) та вуглеводнів (СН) збільшуються.
Використання збіднених горючих сумішей. При їх застосуванні
спостерігається зменшення технічних втрат пов'язаних зі зростанням
теплоємності робочого тіла та неповнотою згоряння. Однак при цьому потрібна
інтенсифікація запалення та згоряння суміші. Цього можна досягти
застосуванням потужного джерела запалювання. Тоді основний недолік
збідненої суміші - значне зростання втрат, які виникають через недосконалість
динаміки згоряння - вдається усунути та в цілому отримати позитивний ефект.
Зазначається [7], що максимальна літрова потужність двигуна зменшиться, якщо
відношення кількості повітря до кількості палива в суміші залишатиметься
незмінним під час роботи на сильно збіднених сумішах.
Одним із раціональних методів, що забезпечують підвищення
економічності бензинових двигунів за рахунок використання збіднених сумішей,
є факельне запалення, сутність якого зводиться до того, що займання робочої
суміші здійснюється факелом полум'яних газів, утворених в особливій
форкамері при згоранні невеликої кількості збагаченої суміші [7]. Об'єм
форкамери зазвичай становить від 1 до 3% від обсягу основної камери згорання.
При застосуванні цього способу можливе горіння в циліндрі ДВЗ з досить
високими швидкостями збіднених сумішей (при а = 1,6...1,7). Так при роботі
двигуна з частковими навантаженнями за рахунок використання факельного
запалювання відзначається [6] можливість підвищити економічність до 20%
порівняно з двигунами з іскровим запаленням. Крім того, при форкамерно-
факельному запаленні дещо знижується схильність до детонації, внаслідок
швидшого перебігу згоряння та скорочення часу на протікання у незгорілій
частині заряду передполум'яних реакцій, що дозволяє підвищити ступінь
стиснення на 0,6...0,7 одиниць. Все це призводить до економії палива не менш як
на 10% [6].
Даний спосіб організації процесу згоряння в двигунах з іскровим
запаленням розробили радянські вчені А. С. Соколик, А. Н. Воїнов та Л. А.
11
Гуссак у 30-ті роки. Однак, незважаючи на перераховані переваги, факельне
запалення не набуло широкого практичного застосування через значне
ускладнення конструкції двигуна та ряд експлуатаційних недоліків [6].
Перспективними з погляду підвищення паливної економічності є способи
займання збідненого заряду при розшаруванні суміші [7]. Ця ідея була
реалізована ще у винаході Ріккардо в 1915 р. При ідеальному поділі заряду
паливна суміш повинна бути в області свічки запалювання, а повітря в зоні
останньої частини заряду. Однак такого ідеального поділу досягти неможливо,
тому інтерес до цього способу відродився з причини задоволення екологічних
вимог, а не підвищення економічності. Конструктивних рішень, що
забезпечують пошарове сумішоутворення досить багато, принципи поділу
заряду в них різні, проте можна привести деякі з них (рис. 1.1-1.4).
У системі «Texaco TCCS» [9] завдяки відповідній конструкції впускного
клапана в камері згоряння створюється інтенсивне вихровий рух, паливо ж
впорскується у вихровий потік, випаровується і займається чередою послідовних
іскор від свічки запалювання. Далі в сформований фронт полум'я подається
решта палива.
Рисунок 1.1 - Схема двигуна «Ford PROCO»:
1 – форсунка; 2 – свічка запалювання
У системі «Ford PROCO» (FCP) (рис. 1.1) також створюється інтенсивний
вихровий рух, проте паливо впорскується в центр вихору, де після займання від
12
свічки запалювання і залишається утворене полум'я, оскільки щільність його
менша за щільність повітря [10] .
Рисунок 1.2 - Схема двигуна «MAN-FM»:
1 – форсунка; 2 – свічка запалювання
У двигуні «MAN-FM» (рис. 1.2) теж створюється вихровий потік, але
паливо впорскується на стінку камери згоряння і після запалення від свічки
запалювання згоряє, беручи участь у вихровому русі [11].
Рисунок 1.3 - Система «Marker»:
1 – форсунка; 2 – свічка запалювання; 3 – предкамера; 4 – випускний канал
У системі «Marker» [12] суміш утворюється при впорскуванні
розпорошеного палива на стрижень у сферичній передкамері (рис. 1.3). Вихор
13
стиснення розшаровує суміш, що займається від іскри між електродом і
стрижнем. При цьому швидке згоряння відбувається поблизу ВМТ майже
повністю.
Рисунок 1.4 - Схема двигуна з розшаруванням суміші по способу I.F.P.:
1 – трубопровід бідної суміші; 2 – свічка запалювання; 3 – трубопровід багатої
суміші; 4 – впускний клапан; 5 – поршень
Французькими дослідниками розроблено систему I.F.P. (рисунок 1.4) з
пошаровим розподілом суміші без поділу камери згоряння [13]. При цьому
розшарування суміші досягається тим, що по трубопроводу 3 у циліндр, в зону
свічки запалювання, подається збагачена суміш з коефіцієнтом надлишку
повітря до а = 0,5, а збіднена суміш або чисте повітря - по трубопроводу 1 в більш
віддалені ділянки від свічки запалювання.
Застосування пошарового сумішоутворення дозволяє надійно працювати
при коефіцієнті надлишку повітря до 2...2,5, при цьому досягається низька
чутливість до детонації. Однак, при більш ніж 1,25 збільшуються викиди СО.
Разом з тим, підвищення економічності може додатково досягатися збільшенням
ступеня стиснення до 13 одиниць [14].
Одним із основних шляхів підвищення економічності двигунів є
покращення динаміки та повноти згоряння за рахунок якості сумішоутворення.
Тому покращення сумішоутворення є важливою проблемою вдосконалення ДВЗ.
Перспективним щодо цього є інтенсифікація турбулізації заряду у впускному
трубопроводі, в циліндрі та камери згоряння. Так, наприклад, у роботі [14]
вказується на зниження питомої витрати палива за навантажувальними
14
характеристиками на 8...12% при використання вихреутворення на впуску
автомобільного бензинового двигуна з розподіленим упорскуванням бензину.
При цьому вміст СН у ВГ знижується в 3 ... 5 разів.
Одним із ефективних шляхів покращення потужності та економічності
двигуна є вдосконалення систем впуску та збільшення коефіцієнта наповнення
за рахунок покращення газодинамічних показників впускних каналів головки
циліндрів та впускного колектора.
Підвищення економічності двигунів всіх типів можна досягнути за
рахунок зменшення механічних втрат, на подолання яких витрачається 8... 12%
теплоти введеного в двигун палива. Однак можливі напрямки підвищення
механічного ККД досить обмежені і в основному полягають не стільки в
зниженні абсолютної величини механічних втрат, скільки у підвищенні
індикаторної потужності, у цьому випадку знижується відносна величина втрат
на тертя та механічний ККД (ηМ) зростає. Деяке зростання ηМ та зниження
питомої витрати палива спостерігається при використанні газотурбінного
наддуву, який дає можливість підвищити індикаторну потужність [7].
У літературі зустрічається мало даних про тертя у двигуні, проте
закономірність зміни витрат потужності на тертя та насосні втрати зображена на
рис. 1.5, дозволяє отримати деяке уявлення про їх значення [7]. Необхідно
відзначити, що більше половини від загальної кількості втрат на тертя - втрати
на тертя поршнів та поршневих кілець.
Рисунок 1.5 - Залежність витрат потужності N на тертя від швидкості
обертання вала восьми- і шестициліндрового двигуна з V-подібним
розташуванням циліндрів
15
Зниження витрат потужності на привід допоміжного обладнання також
заслуговує на увагу. Витрата потужності на дані задачі істотно впливає на
вихідні параметри двигуна та його економічність [7]. Однак даних з цього
питання також опубліковано дуже мало (рис. 1.6).
Рисунок 1.6 - Витрати потужності N на роботу допоміжного
обладнання типового автомобіля:
1 - кондиціювання повітря; 2 - водяний насос та вентилятор; 3 - підсилювач
рульового механізму; 4 - генератор змінного струму на 30 ампер;
5 - водяний насос
Збільшення робочого об'єму двигуна як за рахунок зміни їх числа, так і
шляхом впливу на їх розмірність призводить до майже пропорційної зміни маси
заряду, що надходить в циліндри. Як наслідок потужність двигуна зростає.
Крім того, збільшення розмірності циліндра позитивно позначається на
робочому процесі двигуна, що пов'язано зі зменшенням відносної поверхні
камери згоряння. Це призводить до зменшення теплових втрат, пов'язаних з
тепловіддачею в стінки циліндра, а ККД теплової енергії покращується. Важливо
також те, що при великій розмірності циліндра втрати через поршневі кільця
зменшуються, внаслідок того, що проміжок між поршнем і циліндром є
функцією довжини кола циліндра, пропорційною його діаметру [10].
Проте, зі збільшенням розмірності циліндра пропорційно підвищується
маса деталей шатунно-поршневої групи, подовжується хід поршня. Все це
викликає значне зростання сил інерції та середньої швидкості поршня і вимагає
16
зниження частоти обертання колінчастого валу зі збільшенням розмірності
двигуна. Тому двигуни з більшим робочим об'ємом, зазвичай, мають меншу
літрову потужність, ніж малолітражні [10].
У двигунах із примусовим займанням; крім того, зниження тепловіддачі
в стінки камери згоряння (KЗ), а також збільшення шляху полум'я призводять до
виникнення вогнищ самозаймання та детонації. Це також знижує позитивний
ефект від збільшення робочого об'єму двигуна [10].
Потужність бензинових двигунів при оптимальній розмірності
ефективніше підвищувати за рахунок збільшення числа циліндрів, проте
збільшення числа циліндрів більше восьми призводить до значного
подорожчання двигуна і не може вважатися раціональним [10].
Підвищення частоти обертання колінчастого валу теоретично мало б
викликати пропорційне збільшення літрової потужності, але на практиці
збільшення швидкохідності викликає зростання газодинамічних втрат при
впуску свіжого заряду, тому коефіцієнт наповнення при високій частоті
обертання істотно знижується, також спостерігається зростання механічних
втрат. Збільшення числа обертів двигунів обмежується зростанням теплової та
механічної напруженості деталей двигуна [10].
Найбільш ефективними заходами, що забезпечують збільшення
коефіцієнта наповнення, індикаторного ККД та довговічності двигунів при
підвищенні їх швидкохідності, слід вважати збільшення розмірів клапанів,
спеціальне налаштування впускної та випускної систем, розширення фаз
газорозподілу, поліпшення форми впускного тракту, перехід до безпосереднього
упорскування палива. Збільшення індикаторного ККД при високих числах
оборотів досягається застосуванням камер згоряння спеціальної форми, що
сприяють інтенсивному завихренню заряду [10].
При організації двотактного циклу літрова потужність теоретично має
збільшуватися вдвічі. Однак у більшості конструкцій двотактних двигунів
коефіцієнт залишкових газів значно вищий, а коефіцієнт наповнення нижчий у
порівнянні з чотиритактними. При організації продування циліндра значна
17
витрата потужності потрібна на привід продувного насоса. У зв'язку з цим
перехід на двотактний цикл реально дає змогу підвищити літрову потужність не
в два, а лише в 1,5...1,6 рази. При цьому варто зазначити, що двотактні двигуни
мають гіршу економічність та підвищену теплонапруженість.
З метою пошуку шляхів підвищення паливної економічності регулярно
ведуться дослідження з багатьох напрямків, пов'язаних з попередньою обробкою
палива, регулюванням фаз газорозподілу, конструкцією систем впуску та
випуску та ін.
Для підвищення економічності двигунів можливе застосування такого
способу, як відключення частини циліндрів при малих навантаженнях. Тоді за
рахунок зниження сумарної відносної поверхні всіх KЗ працюючих циліндрів
кількість теплоти, відведена в систему охолодження, знижується, і витрата
палива може зменшитися на 5...25 % та позитивно впливає на викиди вуглеводнів
з ВГ. При цьому клапани циліндрів, що відключаються, зазвичай замикаються в
закритому стані, а подача палива в ці циліндри припиняється. Однак такий спосіб
вимагає застосування складних систем керування газорозподільним механізмом
та пристроями паливоподачі двигуна. Відключення циліндрів може
здійснюватися тільки за рахунок припинення паливоподачі і запалення
циліндрів, але при цьому збільшуються насосні втрати, і економія виходить
істотно меншою. Системи керування клапанами мають також велике самостійне
значення. Розвиток регульованих фаз газорозподілу йде шляхом застосування
електронних або гідравлічних систем управління клапанами, які дозволяють
змінювати фази, величину і швидкість відкриття клапана в залежності від
режимів роботи двигуна. Такі системи дозволяють також обходитися без
дросельної заслінки. Однак через суттєве ускладнення конструкції двигуна та
високу вартість таких рішень широке застосування їх обмежено [5].
Проведений огляд методів та засобів підвищення потужності та
економічних показників дозволяє зробити висновок, що досягнення високої
паливної економічності в більшості випадків досягається ціною зниження
потужності та навпаки. Способи ж, що покращують і ті, та інші показники, або
18
значно ускладнюють конструкцію двигуна, або обмежені такими явищами як
детонація, пропуски запалення суміші та ін.
1.2 Методи та засоби покращення екологічних показників бензинових
двигунів
В даний час немає єдиного універсального способу, що забезпечує досить
повне зниження шкідливих речовин у ВГ бензинових двигунів. Це завдання
може бути вирішене лише застосуванням комплексних методів, які включали б
у собі малотоксичні робочі процеси, методи впливу на робочий процес
бензинового двигуна, регулювання систем живлення та запалення, застосування
систем фізико-хімічного очищення [7]. У зв'язку з обмеженням паливних
ресурсів актуальними можна вважати такі способи зниження токсичності ВГ, які
одночасно дозволяють досягти зниження витрати палива [14].
Як зазначалося раніше, зниження токсичності до законодавчо
встановлених норм найчастіше досягається ціною деякого зниження
економічності та потужності двигуна. Це ілюструється на рис. 1.7 який
відображає взаємозалежність паливної економічності та токсичності ВГ двигуна
з іскровим запалюванням [7].
Рисунок 1.7 - Вплив відношення кількості повітря до кількості палива (A/F) у
паливній суміші на питому витрату палива ge і вміст вуглеводнів СH, СО та
NOx у відпрацьованих газах двигуна з іскровим запалюванням:
19
Аналізуючи цю залежність можна дійти невтішного висновку, що будь-
якої однієї універсальної за всіма параметрами величини коефіцієнта надлишку
повітря немає. При виборі способу зниження токсичності потрібно порівнювати
ефект від його використання з економічною ефективністю установки в цілому.
Основні способи зниження токсичності можна умовно поділити на три
класи. До першого з них відноситься вплив на робочі процеси, а саме
регулювання певних параметрів, конструктивні зміни, а також модифікація
палив чи вплив на їх фізико-хімічні показники. Дані параметри доводяться до
рівня, який би забезпечував поєднання високих економічних та потужних
показників з низьким виділенням шкідливих речовин у атмосферу.
До другого класу слід віднести обробку відпрацьованих газів
використовуючи різного роду каталізатори або ж абсорбери, які очищають ВГ
методом догоряння шкідливих речовин, їх розкладання на більш прості безпечні
сполуки, або ж їх відбір у спеціальні резервуари [15].
У третій клас входять методи, які важко класифікувати і які більше
залежать від умов експлуатації. Як відомо з часом деталі двигуна зношуються і
на фоні цього процесу всі вихідні параметри, зокрема і рівень шкідливих викидів
погіршуються. Тому цей клас включає відповідне технічне обслуговування (ТО)
і ремонт двигунів, певні несуттєві модифікації, використання альтернативних
палив та ряду інших методів. Застосування даних методів дозволяє досягти
низького вмісту шкідливих речовин у ВГ двигунів, що вже перебувають в
експлуатації, та підтримки цього рівня токсичності ВГ протягом періоду їх
експлуатації.
Основні відомі та досліджені на предмет впливу на вміст токсичних
речовин у ВГ методи представлені у таблиці 2.1.
20
Таблиця 2.1 - Методи і засоби покращення екологічних показників бензинових
двигунів
Методи і засоби покращення екологічних Зміна викидів токсичних речовин, %
показників бензинових двигунів
СО CH NOx
1.Вплив на робочий процес
1.1.Регулювальні параметри
Збіднені суміші на холостому ходу -20 -10 +25 Р - -
Збіднені суміші на середніх навантаженнях -40 -15 -30 Р З -
Підігрів паливо-повітряної суміші -40 -40 +40 Р З -
Підвищення частоти обертання -30 -10 - НС - -
колінчастого валу на холостому ходу
Оптимальний КВЗ - -30 -20 Р Р -
1.2. Конструктивні зміни
Підвищення енергії іскрового розряду - -30 - Р Р -
Завихрення паливо-повітряної суміші - -60… - Р - НУ
-80
Упорскування паливо-повітряної суміші - - - Р - ЗУ
Дроселювання - - - Р - ЗУ
Розшарування заряду до -85 до -80 до -70 Р - ЗУ
Форкамерно-факельне запалювання -50… -20… до -75 Р НЗ ЗУ
-70 -30
Рециркуляція ВГ - - -35… НЗ… З Відс.
-50 З сис.
упр.
Наддув до -30 до -30 -20… Р НР Обм.
+30 дет.
1.3. Фізико-хімічні показники палива
Зменшення вмісту ароматичних -10 -6 +3 НЗ - -
вуглеводнів (з 45% до 20%)
Зменшення вмісту олефінів (з 20 +3 +6 -7 НЗ - -
до 5%)
Зменшення температури викіпання +2 -20 +5 НЗ - -
90% фракцій (з 180 до 140 ⁰С)
Зменшення масового вмісту сірки -12 -15 -10 НЗ - -
(з 465 до 50 ррm)
Додавання до бензинів спиртів: -13 до -30 до -30 Р - -
метанол, етанол 10% …-5 …+5
Додавання до бензинів ефірів: -9… -7… +5… - - -
МТБЕ 15%, ЕТБЕ 17% -14 -5 +7
Вприск води, ВПЕ -10 0… до -30 НЗ… НЗ… При
+60 Р Р плюс
темп
Збагачення повітря на впуску до -80 до -50 до -50 Р - -
воднем
21
Використання сумішевих Зміна фізико-хімічного
палив складу бензину
Економічність
Потужність
Примітки
Закінчення таблиці 2.1
2. Обробка відпрацьованих газів
Термічні нейтралізатори до -60 до -40 НР НС - ЗУ
Каталітичні нейтралізатори -10… -10… - НЗ НЗ НУ
-90 -90
Рідинні нейтралізатори - -40… -10 НЗ - При
-70 плюс
темп
Адсорбери - - -50… НЗ - -
-90
3. Інші методи
Підвищення температури стінок камери до -50 до -50 НР Р - -
згорання
Технічне обслуговування і ремонт ДВЗ до -50 до -50 НР НР Р -
(Р – ріст, З – зниження, НР – незначний ріст, НС – незначний спад, НЗ – незначні
зміни, НУ – незначне ускладнення конструкції, ЗУ – значне ускладнення
конструкції)
Вплив на робочий процес поділяється на 3 підгрупи, перша з них, це
регулювання параметрів. Дана підгрупа методів являє собою налаштування
двигуна у напрямку збіднення суміші на впуску, її підігрів, встановлення
оптимального кута випередження запалення, а також підвищення частоти
обертання колінчастого валу. Все це досить прості методи, проте вони вимагають
досить точного налаштування системи живлення, запалення та електронного
управляння.
Друга підгрупа являє собою конструктивні зміни, які піддають камеру
згорання суттєвим перетворенням з ціллю контролю над потоками паливної
суміші, що в свою чергу приводить до більш повного її згорання. В двигунах, які
модифіковані за цими методами краща турбулізація заряду, разом з тим заряд
може розшаровуватись, або ж згоряти почергово в декількох окремих камерах. З
ціллю догоряння NOx може використовуватися система рециркуляції палива, або
ж встановлюватися турбонагнітач. Всі ці методи значно впливають на параметри
двигуна, проте вартість та складність модернізації досить значні.
Третя підгрупа являє собою методи, які безпосередньо пов’язані із
складом бензину, зокрема це зменшення олефінів та збільшення масової частки
22
ароматичних вуглеводнів, а також зменшення кількості сірки. Або ж являють
собою використання сумішевих палив. З ціллю покращення вихлопу можуть
додаватися ефіри, або ж спирти. Варто зазначити, що з усіх перерахованих
методів третьої підгрупи однозначне зменшення вмісту всіх шкідливих речовин
забезпечує лише додавання спиртів, або ж зменшення вмісту сірки. Також варто
зазначити, що всі ці методи досить слабо залежать від власників автомобілів, так
як дізнатися склад бензину на АЗС доволі проблематично, а кожен раз перевіряти
його на вміст тих чи інших речовин практично неможливо. Однак є ще два
способи, а саме інжекція води або ж збагачення повітря на впуску воднем. Ці
методи при правильному налаштуванні досить ефективні, однак подача води
вимагає досить точного налаштування, в зворотному випадку вміст недогорілих
вуглеводнів буде значним, а водень являє собою досить вибухонебезпечну
речовину з якою потрібно бути особливо обережним, недоліком водню також є
низька щільність, відповідно і низькі об'ємні енергетичні характеристики, що
істотно ускладнює застосування його на практиці як паливо для ДВЗ
Неможливість зменшення токсичності ВГ шляхом зміни конструкції та
регулювання без погіршення економічності призвело до застосування пристроїв
для додаткової обробки випускних газів, які являють собою другу групу методів.
На практиці застосовуються нейтралізатори трьох типів: каталітичні, термічні та
рідинні. Обробка ВГ у нейтралізаторах полягає в окисленні або відновленні
шкідливих компонентів до нешкідливих СО2, Н2О та N2.
Каталітичні нейтралізатори окисного типу є двокомпонентними та
спрямовані на зниження вмісту оксиду вуглецю та вуглеводнів у ВГ шляхом
їхнього окислення до СО2 та Н2О. Вони дозволяють знизити концентрацію
зазначених компонентів у ВГ на 30...95%. Дія відновлювальних каталізаторів
полягає у зниженні оксидів азоту за рахунок відновлення їх до N2. Існують також
і трикомпонентні каталітичні нейтралізатори, в яких реалізуються функції
окислення та відновлення [16].
Каталітичні нейтралізатори дуже ефективні, проте вони не дозволяють
досягти оптимальної паливної економічності. Це обгрунтовується тим, що
23
максимальне значення паливної економічності досягається при використанні
збіднених сумішей, а для найбільшої ефективності нейтралізації шкідливих
речовин необхідно забезпечувати стехіометричний склад паливо-повітряної
суміші. Основним недоліком каталітичних нейтралізаторів є їх схильність до так
званого «отруєння», наприклад сполуками свинцю або сірки, внаслідок чого їх
ефективність може бути практично нульовою [7].
Термічні та рідинні нейтралізатори за принципом дії відповідають своїм
назвам, використовується допалення за рахунок підігріву спеціального реактора,
або ж рідина, яка поглинає розчинні у воді речовини, проте через малий вплив
на вміст оксидів азоту, значний об’єм, ускладнення конструкції та ряд інших
недоліків вони застосовуються дуже рідко.
З метою суттєвого покращення екологічних показників ДВЗ та зниження
споживання нафтових палив існує можливість використання альтернативних
палив. У [16] вказується, що застосування різних видів газового палива дозволяє
знизити вміст СН у ВГ до 1,5...1,8 разів, NOx - в 1,6...2,0 рази і СО - в 3...4 рази.
Це обумовлено більш якісним сумішоутворенням та більш повним згорянням
газових палив у ДВЗ. Однак застосування газових палив без зміни конструкції
двигуна призводить до суттєвого зниження потужності, яке складає для
зрідженого газу 6...9%, для природного - 18...19%, а для вторинних –
30.. .35%.
При оцінці можливості використання різних палив у ДВЗ з іскровим
запаленням необхідно звертати увагу на їх енергетичний еквівалент щодо
бензину. Так, за різними даними на сьогоднішній день бензин за цим показником
набагато перевершує всі основні види альтернативних палив.
Виконаний аналіз дозволяє відзначити, що хоча шляхи покращення
потужнісних, економічних та екологічних характеристик двигуна одні і ті ж,
єдиного методу або засобу досягнення оптимальних значень за всіма
показниками одночасно немає. Те саме можна відзначити, розглядаючи вплив
різних засобів та методів зниження токсичності ВГ на окремі шкідливі речовини.
24
Зниження концентрації одного з них найчастіше призводить до підвищення
змісту іншого.
Рисунок 1.8. Основні напрямки зниження викидів шкідливих речовин при дії на
робочий процес двигуна з іскровим запалюванням
Найбільш ефективними способами зниження викидів шкідливих речовин
із ВГ бензинових двигунів на сьогоднішній день є вплив на робочий процес,
зокрема збіднення суміші на середніх обертах, а також удосконалення камер
згоряння, рециркуляція, наддув, додавання спиртів, води чи водню або ж
каталітична нейтралізація. А найкраще з погляду поліпшення екологічних
характеристик двигуна однозначно є використання комбінованих методів, що
включають одночасно кілька способів із розглянутих. Основні напрямки
зниження викидів шкідливих речовин з ВГ при впливі на робочий процес
двигуна з іскровим запаленням представлені на рис. 1.8.
25
1.3 Робота бензинового двигуна на паливно-водній суміші як спосіб
економії паливно-енергетичних ресурсів
Вирішення двох основних завдань - економії палива та покращення
екологічних властивостей ДВЗ - може бути досягнуто шляхом переходу на нові
види палив у межах потенційних енергоресурсів, технологічної готовності та
виробничих можливостей [4]. Одним із таких палив є суміш бензину з водою.
Аналіз різних джерел з досліджуваного питання дозволив виявити такі
способи додавання води (рис. 3.1): подача води у впускний трубопровід;
упорскування води безпосередньо в циліндр; подача водо-паливної емульсії
(ВПЕ) безпосередньо в КЗ або у впускний тракт; подача водяної пари в циліндр
або у впускний трубопровід двигуна. Для здійснення даних способів може бути
використана штатна паливна апаратура чи додаткові пристрої.
На практиці найчастіше застосовуються способи подачі ВПЕ за
допомогою штатної паливної апаратури та подача води у впускний трубопровід
за допомогою однієї або кількох додаткових форсунок. Упорскування води або
паливно-водних сумішей у впускний колектор дозволяє застосовувати найбільш
просту та надійну апаратуру [4].
Рисунок 3.1. Способи подачі води в ДВЗ
26
При використанні подачі ВПЕ як паливо для живлення силового агрегату
автомобіля можна виділити два шляхи: використання готової емульсії та
приготування емульсії безпосередньо на транспортному засобі. Використання
готової ВПЕ не вимагає суттєвих конструктивних змін у двигуні, проте
виникають проблеми стабільності ВПЕ, високих температур застигання та ін. В
іншому випадку основною проблемою є суттєве ускладнення апаратури подачі
палива. Однак другий спосіб є найкращим, головним чином це спричинено
низькою стабільність емульсій.
Водо-паливні емульсії поділяються на два типи: «вода у паливі» та
«паливо у воді». На практиці ширше застосовуються емульсії першого типу,
коли вода є дисперсною фазою і становить 10...40% за обсягом.
При подачі води в камеру згоряння двигуна у вигляді ВПЕ вона надає
складний вплив на процеси сумішоутворення та згоряння палива. Різниця між
температурами поверхні палива та кипіння води, що знаходиться всередині неї,
становить (з урахуванням випаровування з поверхні краплі) 70 ... 200 ° С, тому
вода починає кипіти раніше, ніж паливо. Мікрочастинки води, переходячи у
пароподібний стан, утворюють парові бульбашки. При поступовому
випаровуванні плівка палива стає тоншою. Настане момент, коли пари води
зруйнують поверхню краплі, тобто настане мікровибух. При такому мікровибуху
крапля дробиться, її частки інтенсивно випаровуються та перемішуються, процес
інтенсифікується. Процес згоряння палива стає досконалішим, горіння
пришвидшується, і дає можливість підвищити потужність двигуна на 15...20 %
при тій же витраті палива [17].
За рахунок поліпшення суміші та горіння, а також зменшення
максимальної температури циклу, токсичність ВГ також значно знижується.
Оксид вуглецю зазвичай не встигає повністю вигоріти, але у присутності парів
води у достатній кількості реагує з ними з утворенням вуглекислого газу та
водню. Швидкість догоряння оксиду вуглецю прямо пропорційна концентрації
водяної пари. Вода знижує температуру згоряння та середню температуру циклу,
що позначається, головним чином, на кінетиці процесів утворення оксидів азоту,
27
та на усіх хімічних процесах загалом. Так, за рахунок підвищення вмісту води у
ВПЕ значно знижується концентрація NOx у всьому діапазоні складів паливної
суміші. При вмісті води у ВПЕ 40...45% по масі можливе зниження СО у 5...8
разів, a NOx - у 6...8 разів. Зазначається, що емісія вуглеводнів може зростати
пропорційно до вмісту води, що, проте, значною мірою обумовлюється способом
подачі води та її кількістю [18].
Найбільше практичне застосування при подачі води у впускний тракт
двигуна отримали упорскування води перед дроселем і впорскування в зону
впускних клапанів. У роботі [18] зазначається, що при подачі води у впускний
трубопровід досягнуто кращих показників, ніж при застосуванні ВТЕ, особливо
зниження NOx у ВГ. Водночас застосування цього способу трохи ускладнює
конструкцію ДВЗ.
Поряд з фізичним впливом на процес сумішоутворення, вода також має
хімічний вплив на процес горіння при температурах понад 1000°С. При цьому
протікає наступна реакція водяної пари з вуглеводневим паливом [18]:
���������������� + ��������2���� → ������������ + (���� + 0,5����)����2.
Крім того, відбувається газифікація сажі парами води :
���� + ����2���� → ��������2 + ����2.
Варто зазначити, що вода навіть у дуже незначних кількостях діє як
каталізатор, який прискорює багато хімічних реакцій.
Зниження температури заряду на впуску двигунів з подачею води у
впускний колектор, внаслідок втрати частини теплоти на нагрівання та
випаровування води, впливає на протікання всього робочого циклу і має
викликати зниження потужнісних показників та підвищення витрати палива.
Проте на практиці подача води не знижує потужність двигуна навіть за значних
її кількостей. Це пов'язано з тим, що збільшення кількості активних радикалів
28
ОН і Н при подачі води на впуску призводить до збільшення швидкості
розгалуженої ланцюгової реакції, тобто сприяє окисленню вуглеводневого
палива, причому ця активність зростає зі збільшенням температури [19].
Результати досліджень свідчать про значне зниження викидів NOx з ВГ
під час подачі води до каналу гарячого повітря. Найбільше зниження
відзначається на режимах із максимальними температурами згоряння (рисунок
1.10) і значною мірою залежить від відношення подачі води до впускної системи
до подачі палива [2].
Рисунок 1.10. Залежність відносної концентрації оксидів азоту у ВГ
дизеля від відношення подачі води до впускної системи до подачі палива
(GB/GT, %), при різних максимальних температурах згоряння (Тmax):
1 – 1800 K; 2 – 1900 K; 3 – 2100 K
Такий істотний ефект зниження концентрації NOx обумовлений
зниженням максимальних температур згоряння, за рахунок витрат частини
теплоти на нагрівання та випаровування впорснутої води. Крім того, вода
розбавляє горючу суміш і концентрація кисню в суміші зменшується, що також
призводить до зниження емісії оксидів азоту. У наводиться залежність викиду
оксидів азоту в бензиновому двигуні від вмісту води та коефіцієнта надлишку
повітря (рис. 1.11).
Вплив води на основні параметри робочого процесу двигуна залежить від
умов упорскування води. При подачі води способом, що забезпечує
29
випаровування основної її частини до кінця наповнення, витрата повітря у
двигуні помітно збільшується. Збільшення витрати повітря відбувається за
рахунок кращого охолодженні. У разі упорскування води перед впускними
клапанами основна частина води залишається в невипарованому вигляді, тому
охолодження повітря виходить менш значним і коефіцієнт наповнення
збільшується меншою мірою [19].
Рисунок 3.3. Відносна зміна емісії (КNOx,%) при роботі ДВЗ
з іскровим запалюванням на водо-паливних емульсіях:
1 – бензин; 2 – бензин +10% води; 3 – бензин + 20% води;
4 – бензин + 40 % води
Використання подачі води у вигляді пари в КЗ двигуна
малоперспективне. Основними недоліками зазначеного способу є помітне
зниження потужності двигуна та відсутність ефекту зменшення детонації, через
недостатнє охолодження.
Антидетонаційний ефект від упорскування води складається з трьох
факторів: 1) охолодження робочої суміші; 2) охолодження циліндра та його
деталей; 3) дія водяної пари як інертного середовища. Усі перелічені фактори
уповільнюють підготовку частини заряду, що згорає в останню чергу, і цим
усувають детонацію.
Дослідження антидетонаційного ефекту подачі води, показали, що кожні
10% впорскуваної води по відношенню до ваги палива рівноцінні за
антидетонаційним ефектом збільшенню октанового числа (ОЧ) палива на 3...4
30
одиниці. Добавка ж 30...40% води підвищує октанове число палива майже на 10
од., що дозволяє підвищити рівень стиснення.
Застосування води як компонент палива позитивно впливає на потужність
та економічність двигуна, через підвищення якості згоряння суміші.
Упорскування води та застосування паливно-водних сумішей дають
можливість підвищити потужність двигуна за рахунок збільшення ступеня
стиснення без збільшення октанового числа бензину. Антидетонаційний ефект
від застосування паливно-водних сумішей дозволяє також встановлювати
підвищений, найбільш оптимальний кут випередження запалювання для
збільшення потужності. Зростання потужності двигуна через збільшення кута
випередження запалювання при подачі води може становити 2...10%. Вплив
упорскування води на економічність автомобільного двигуна визначається
головним чином можливістю підвищити ступінь стиснення двигуна.
Використання воднопаливних емульсій та упорскування води не
отримало широкого поширення насамперед у зв'язку з такими проблемами як
нестабільність ВПЕ, значне ускладнення системи живлення двигуна, висока
вартість емульгатора та підвищене нагароутворення пов'язане з його
застосуванням, складність застосування в умовах мінусових температур,
неможливість оперативної зміни складу паливно-водної суміші в залежності від
режимів роботи двигуна та ін. Також варто розуміти, що широке застосування
паливно-водних сумішей у двигунах стримується недостатньою вивченістю
деяких практичних та теоретичних аспектів, недостатньою розробкою та
вивченістю можливих способів застосування води як компонента палива,
обмеженість знань про фізико-хімічні механізми впливу води на процес горіння.
Таким чином, проведений огляд літератури з питання, що досліджується
підтверджує доцільність проведення досліджень використання води як
компонента палива для зниження витрати палива, зменшення викидів шкідливих
речовин з ВГ, а також можливості покращення потужних показників.
Проаналізовані джерела дозволяють з усіх розглянутих способів виділити
31
упорскування води або ПВС у впускний колектор, як найпростіший і водночас
ефективний варіант застосування води як компонента палива.
1.4 Висновки до розділу 1
Метою досліджень є визначення впливу, який здійснює система подачі
паливно-водної суміші на експлуатаційні та екологічні показники двигунів із
упорскуванням палива, покращення даних показників з допомогою
використання даної системи та визначення оптимального відсоткового вмісту
води.
За результатами аналізу стану питання поставлено такі завдання
дослідження:
- проаналізувати методи та засоби поліпшення експлуатаційних та
екологічних показників бензинових двигунів;
- провести розрахунково-теоретичний аналіз параметрів робочого циклу
та показників роботи бензинового двигуна під час роботи на паливно-водній
суміші;
- розробити методику експериментальних досліджень та сформувати
експериментальну моторну установку з організацією робочого процесу при
використанніі системи подачі паливно-водної суміші, описати систему, що
використовується.
- провести експериментальні дослідження експлуатаційних та
екологічних показників бензинових двигунів під час роботи на паливно-водній
суміші;
- виконати дослідження з оптимізації складу паливно-водної суміші для
роботи бензинового двигуна;
- описати технологію технічного обслуговування модернізованого
двигуна з системою подачі паливно-водної суміші;
- оцінити соціально-економічну ефективність та доцільність
використання двигунів з інжекцією води.
32
РОЗДІЛ 2 РОЗРАХУНКОВО-ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ ПОКАЗНИКІВ
РОБОТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГУНА НА ПАЛИВНО-ВОДНІЙ СУМІШІ
2.1 Спосіб організації робочого процесу бензинового двигуна на
паливно-водній суміші
Сутність запропонованого способу; організації робочого циклу
бензинового двигуна полягає в подачі води та палива у вигляді ПВС у впускний
трубопровід, причому вода додається до палива безпосередньо перед
упорскуванням. Відмінність розробленого варіанта бензинового двигуна від
серійного полягає в тому, що система упорскування крім подачі палива включає
також систему подачі води: та утворення з них паливно-водної суміші, яка
подається у впускний трубопровід.
На рис. 2.1 представлена схема системи живлення бензинового двигуна з
інтегрованою системою подачі води у впускний трубопровід.
Рисунок 2.1. Схема організації робочого процесу бензинового двигуна при
подачі ПВС у впускний трубопровід:
1 – форсунка; 2 – паливна рампа; 3 – водяна рампа; 4 – регулятор тиску палива;
5 – регулятор тиску води; 6,9 - насоси;7 – бак з водою; 8 – паливний бак;
10 –жиклер; 11 - впускний клапан;12, 13 – фільтри
33
Як і в системі живлення серійного двигуна у впускному колекторі
встановлені чотири електромагнітні форсунки - по одній на кожен циліндр.
Подача води здійснюється до паливної рампи з розташованої всередині неї
водяної рампи за рахунок різниці тисків через жиклери навпроти кожної
форсунки. Таким чином, вода, виходячи з жиклерів водяної рампи,
змішуватиметься з бензином на вході у форсунку, утворюючи ПВС, яка
додатково перемішується, проходячи через форсунку під час упорскування. При
зміні тиску подачі бензину та води змінюється концентрація води в ПВС, що
подається в двигун. З початку моменту упорскування ПВС дробиться на краплі,
які вже в польоті починають випаровуватися. Під час процесу впуску через
відкритий впускний клапан, суміш повітря та ПВС потрапляє у циліндр двигуна.
У циліндрі двигуна відбувається довипаровування ПВС. На нагрівання,
випаровування ПВС і перегрів пари витрачається частина теплоти циліндрових
газів, що призводить до зниження їхньої температури. А, отже, має призводити
до зниження вмісту оксидів азоту у ВГ.
За рахунок активного випаровування ПВС відбувається активне
перемішування паливної суміші, що підвищує її однорідність. Відповідно існує
можливість зниження вмісту окису вуглецю та незгорілих вуглеводнів у ВГ.
Також на утворення цих компонентів впливають активні радикали, що
утворюються при підвищеній температурі в циліндрі ДВЗ і прискорюють
процеси окислення. Вода в даному випадку діє як каталізатор [19]. Виходячи з
цього, можна також припустити, що зниження температури циліндрових газів не
викликатиме погіршення показників роботи бензинового двигуна при роботі на
ПВС, і навіть можливе деяке їх покращення, за рахунок зниження втрат на
неповноту згоряння палива. За рахунок поглинання теплоти у впускному
трубопроводі двигуна можливе збільшення коефіцієнта наповнення циліндра.
34
2.2 Розрахунково-теоретичний аналіз показників роботи бензинового
двигуна на паливно-водній суміші
Під час роботи двигуна з іскровим запалюванням на паливно-водній
суміші температура заряду в кінці стиснення Тс буде знижуватися, так як на
випаровування води витрачається теплота, що перевищує більш ніж у 5,5 разів
значення теплоти необхідної для випаровування бензину. Так, наприклад,
питома теплота пароутворення води становить 2260 кДж/кг, а бензину – 398
кДж/кг. Не слід забувати, що ще до випаровування також потрібна енергія на
прогрів. Питома теплоємність води дорівнює 4190 Дж/(кг·К), а бензину
приблизно 2100 Дж/(кг·К), що майже вдвічі менше.
Коли бензин і вода будуть у перегрітому стані, то обидва компоненти
матимуть теплоємність, відмінну від теплоємності насичення та теплоємності
рідких фаз.
На етапі прогріву та випаровування бензину та води можна вважати, що
їх теплоємності взагалі не залежить від температури. У перегрітому ж стані
необхідно враховувати залежність теплоємності не тільки від температури, а й
від тиску. У зв'язку з цим виникає необхідність визначення теплоємності суміші.
У літературі [20] наводяться дані про залежність теплоємності бензо-
повітряної суміші від температури. Виведемо формулу теплоємності з
урахуванням подачі води.
Коефіцієнт надлишку повітря:
���� = ����П , (2.1)
����0∙����Б
де GП і GБ – відповідно маса повітря і палива, що надходять в циліндр, кг; l0 –
теоретично необхідна маса повітря для згорання 1 кг палива, кг.
Нехай Хі – масова частка і-го компоненту суміші, тобто:
35
���� ���� ����
ХП = П Б
���� + ���� + ���� ; ХБ = ���� + ���� + ���� ; Х ����2����
����2���� = ;
П Б ����2���� П Б ����2���� ����П + ����Б + ��������2����
де GH2O – маса води, що надходить в циліндр двигуна, кг.
Об’ємну долю води до витрати палива в суміші позначаємо χ.
В такому випадку: ��������2���� = χ ∙ ����Б (2.2)
Із формули (2.1): �������� = ���� ∙ ����0 ∙ ����Б.
Підставляємо два останніх вирази в масові долі компонентів і
отримуємо:
����П ���� ∙ ����
Х = = 0 ∙ ����Б. ���� ∙ ����0
В ����П + ����Б + ��������2���� ���� ∙ ����0 ∙ ����Б. +����Б + χ ∙ ���� = ���� ∙ ���� + 1 + χ,
Б 0
���� ���� 1
ХТ = Б Б
����П + ���� = = ,
Б + ��������2���� ���� ∙ ����0 ∙ ����Б. +����Б + χ ∙ ����Б ���� ∙ ����0 + 1 + χ
����
Х = ����2���� χ ∙ ����Б χ
Т ����П + ���� + ���� = = .
Б ����2���� ���� ∙ ����0 ∙ ����Б. +����Б + χ ∙ ����Б ���� ∙ ����0 + 1 + χ
Для бензо-водної суміші відома [20] молярна теплоємність в процесі
стискання, що описується формулою (2.3).
����с�������� = 20,16 + 1,74 ∙ 10−3 ∙ �������� , (2.3)
де Тс – температура суміші в кінці стиснення, К.
Тоді питома ізохорна теплоємність суміші буде дорівнювати:
20,16 + 1,74 ∙ 10−3 ∙ ����
������ = ����
���� ,
36
де µ - молярна маса бензо-повітряної суміші, кг/моль.
Теплоємність бензо-водо-повітряної суміші визначається як:
����с = ����∙����0+1
�������� ∙ (20,16 + 1,74 ∙ 10−3 ∙ ���� ) + χ ∙ с
����∙���� +1+χ ���� ����∙���� +1+χ ����2����(�������� ,��������) ∙ ��������2����
0 0
(���� ∙ ����0 + 1) ∙ (20,16 + 1,74 ∙ 10−3 ∙ ��������) + χ ∙ с����2����(�������� ,��������) ∙ ����
���������� = ����2����
���� ∙ ���� + 1 + χ , (2.4)
0
де сH2O (Pc,Tc) – питома теплоємність перегрітої водяної пари в функції
температури і тиску (рисунок 2.2), Дж/(кг·К); μH2O – молярна маса водяної пари,
кг/моль.
Розмірковуючи аналогічним чином, можна показати, що пропонована
[30] залежність питомої ізохорної теплоємності бензо-повітряної суміші
наприкінці згоряння:
для α≥1 ����с����г = �20,2 + 0,92� + �15,5 + 13,8� ∙ 10−4 ∙ Тз, (2.5)
���� ����
для α≤1 ����с����г = (18,4 + 2,6 ∙ ����) + (15,5 + 13,8 ∙ ����) ∙ 10−4 ∙ Тз, (2.6)
де Тз – температура газів в кінці згорання, К;
Рисунок 2.2 - Теплоємність перегрітої водяної пари в функції температури і
тиску
37
У випадку роботи двигуна на паливно-водній суміші трансформується
наступним чином:
(����∙����0+1)∙��20,2+0,92
���� �+�15,5+13,8
���� �∙10−4∙Тз�+χ∙с����2����(��������,��������)∙��������2����
для α≥1 ����с����з = , (2.7)
����∙����0+1+χ
(����∙����0+1)∙�(18,4+2,6∙����)+(15,5+13,8∙����)∙10−4∙Тз�+χ∙с (���� ,���� )∙����
для α≤1 ����с = ����2���� ���� ���� ����2����
����з , (2.8)
����∙����0+1+χ
Зменшення підведеної, а потім і збільшення відведеної при стисканні
теплоти призводить до зниження показника політропи. Тому при розрахунках
необхідно враховувати цю зміну показника політропи стиснення.
При введенні води в паливо-повітряну суміш, незважаючи на те, що
кількість теплоти, що відводиться в стінки циліндра в процесі стиснення
зменшується через зниження різниці температур заряду та деталей ЦПГ, що має
призводити до зростання середнього показника політропи стиснення n1, він тим
не менш знижується за рахунок збільшення теплоти, що затрачається на
випаровування води.
Якщо позначити Q зміну теплоти, що підводиться до робочого тіла, то
питому теплоту, відведену у процесі стискування від робочого тіла, можна
визначити за формулою:
���� = ���� ∙ (�������� − ��������),
де с – середня питома теплоємність робочого тіла в процесі стиснення,
Дж/(кг·K); Та – температура суміші в кінці впуску, К.
Так як
���� − ����
с = с���� ∙ ���� − 1,
де n – показник політропи; k – показник адіабати,
то:
38
���� − ���� ���� ���� − ����
���� = с���� ∙ ���� − 1 ∙ �������� ∙ �
����
���� − 1� = с���� ∙ ���� ∙ (��������−1���� − 1)
���� − 1 ,
����
де ε – ступінь стиснення.
′
�������� (����−����)(��������−1−1) �(����−����)(��������−1−1)� ∙(����−1)−(����−1)′∙(����−����)∙(��������−1−1)
= с���� ∙ �������� 2 = с ∙ ���� =
�������� (����−1) ���� ���� (����−1)2
= с ∙ ���� [(����−����)′(��������−1−1)+(����−����)���������−1−1�′]∙(����−1)−(����−1)′∙(����−����)∙���������−1−1�
���� ���� ( =
����−1)2
����−1 ����−1
= с ∙ ���� [����� −1�+(����−����)∙����� ∙ln �����]∙(����−1)−(����−����)∙���������−1−1�
���� ���� ( )2 =
����−1
[(��������−1 − 1) + (���� − ����) ∙ (��������−1 ∙ ln ����)] (���� − ����)(��������−1 − 1)
= с���� ∙ �������� ���� − 1 − (���� − 1)2 .
Тобто, в результаті отримуємо:
�������� [(��������−1 − 1) + (���� − ����) ∙ (��������−1 ∙ ln ����)] (���� − ����)(��������−1 − 1)
�������� = с���� ∙ �������� ���� − 1 − (���� − 1)2 . (2.9)
Характер залежностей зміни теплоти, що підводиться в процесі стиск від
показника політропи показаний на рис. 2.3.
Кількість свіжого заряду М1, що подається в циліндр, також зміниться,
внаслідок того, що в рівних обсягах палива та води міститься різне кількість
речовини. Тому замість відомої формули (2.10)
1
����1 = ���� ∙ ����0 + , (2.10)
��������
Використаємо формулу (2.11):
1 − χ χ
����1 = ���� ∙ ����0 + + , (2.11)
�������� ��������2����
39
де L0 – теоретично необхідна кількість повітря для згорання палива,
кмоль; μT – молярна маса парів палива, кг/моль.
Рисунок 2.3 - Характер залежності зміни підведеної теплоти в процесі
стиснення від показника політропи
Зміниться і кількість продуктів згоряння М2, оскільки в рівних обсягах
продуктів згоряння палива та водяної пари міститься різна кількість речовини.
Тому замість формули (2.12)
���� ����
����2 = ���� ∙ ����0 + + + 0,21����0(
4 32 1 − ����), (2.12)
Необхідно використовувати формулу (2.13)
���� ∙ (1 − χ) + χ ∙ 2� ���� ∙ (1 − χ) + χ�
����2 = ���� ∙ ����0 + 0,21 ∙ ����0 ∙ (1 − ����) + 3 + 3 , (2.13)
4 32
Подальший розрахунок параметрів робочого циклу та показників роботи
бензинового ДВЗ на паливно-водній суміші проводиться за відомою методикою
[20].
40
Тепловий розрахунок штатного двигуна та двигуна, що працює на ПВС,
наведено у додатку 1.
2.3 Розрахунково-теоретичний аналіз впливу керованих факторів на
експлуатаційні і екологічні показники роботи бензинового двигуна
Для оцінки впливу ПВС на основні експлуатаційні та екологічні
показники бензинового двигуна було реалізовано трьохфакторний експеримент
[4, 20, 21], який спрямований на визначення впливу основних факторів на
потужність, крутний момент, питома витрата палива, викиди шкідливих речовин
СО, СН та NOx з відпрацьованих газів.
Чинники, які впливають на показники роботи двигуна (рис. 2.4).
Рисунок 2.4 - Фактори, що впливають на показники роботи двигуна при подачі
паливо-водної суміші та критерії оптимізації
Керовані фактори: положення дросельної заслінки ����ПДЗ, % частота
обертання KB n, хв-1; кількість води, що подається від витрати палива Кводи, %.
Некеровані фактори: температура навколишнього повітря tпов,°С;
атмосферний тиск Ра, Па; вологість навколишнього повітря ����,%.
Граничні значення керованих факторів (табл. 2.1) встановили внаслідок
проведення попередніх дослідів та аналізу літературних джерел. Завдання
зводилося до визначення оптимального вмісту води в паливі, при якому
41
досягається максимальне покращення екологічних показників двигуна та
зниження витрати палива без погіршення потужністних параметрів.
Таблиця 2.1 - Граничні значення факторів
Фактор Значення
min max
����ПДЗ, % 20 100
n, хв-1 2000 4000
Кводи, %. 0 20
Рівні факторів і інтервали варіації відображені в таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 – Рівні факторів та інтервали варіації
Рівні варіації
Фактори
- 0 +
Положення дросельної X1 φпдз 80 20 60 100
заслонки, %
Частота обертання X2 n 2000 2000 3000 4000
колінчастого вала, хв-1
Кількість води від X3 Кводи 20 0 10 20
витрати палива, %
З метою визначення впливу вибраних факторів на параметри оптимізації
використовували матрицю планування експерименту (табл. 2.3).
Перед реалізацією плану матриці проводили рандомізацію дослідів з
використанням таблиць випадкових чисел [20, 21].
Математична обробка результатів проводиться таким чином за відомими
методиками [21].
Поверхні відгуку описуються поліномом другого порядку:
���� ���� ����
����′ = ����0 + ������������������������������������������ 2
��������������������� , (2.14)
����=1 ����≥����
де α0; αij – коефіцієнт регресії.
42
Кодове
позначення
Позначення
Інтервал
варіації
Таблиця 2.3 – Матриця проведення експерменту
№ Кодове позначення Натуральні величини
X1 X2 X3 ����ПДЗ, % N, хв-1 Кводи, %
1 0 0 0 60 3000 10
2 - - 0 20 2000 10
3 + - 0 100 2000 10
4 - + 0 20 4000 10
5 + + 0 100 4000 10
6 - 0 - 20 3000 0
7 + 0 - 100 3000 0
8 0 0 0 60 3000 10
9 - 0 + 20 3000 20
10 + 0 + 100 3000 20
11 0 - - 60 2000 0
12 0 + - 60 4000 0
13 0 - + 60 2000 20
14 0 + + 60 4000 20
15 0 0 + 60 3000 20
Коефіцієнт регресії знаходиться за формулою:
∑����
���� = ����=1 ��������������������
���� ���� 2 , (2.15)
∑����=1 ������������
де N – число дослідів в матриці планування; y – середній вихід процесу.
Перевірка однорідності дисперсії за критерієм Кохрена:
����2
���� ������������
он = ∑���� , (2.16)
����=1 ����1
де σ 2
max – найбільша рядкова дисперсія; ∑����
����=1 ����1 – сума рядкових дисперсій.
Дисперсія одиничного виміру визначається:
43
���� ����
����2
1
= ��(���� − ����)2���� ����(����− 1) �������� , (2.17)
1 1
де N – число рядків в матриці планування; m - число спостережень
Якщо Goн<Gтаб – дисперсії однорідні.
На основі критерію Стьюдента, з урахуванням ступеня свободи та рівня
значимості визначається довірчий інтервал, в межах якого має бути справжнє
значення коефіцієнта.
Адекватність математичного опису піддається перевірці по критерію
Фішера:
����2
���� = зал
����2 , (2.18)
у
де S 2
зал – залишкова дисперсія.
2 ∑����
����=1(����′ − ����)2
����зал = ���� − ���� − 1 , (2.19)
де n – число повторювань досліду.
Рівняння регресії можна представити в натуральних значеннях факторів.
При цьому:
лінійні члени рівняння перетворюються за виразом:
α α
α ���� ����
������������ = ���� �������� − ���� ����0���� , (2.20)
члени рівняння, що відображують взаємодію факторів:
α
α ���� ���� = ��������
�������� ���� ���� ����
���� ���� � ������������ − ������������0���� − �������������������� + ����0��������0�����, (2.21)
���� ����
44
квадратні члени рівняння:
α
α ���� 2
�������� ���� = ��������
���� 2 = ����� 2 2
���� − 2������������0���� + ����0���� �, (2.22)
����
В результаті отримуємо рівняння регресії в натуральних значеннях
факторів, по яких будуються поверхності відклику [3, 20, 21].
2.4 Висновки до розділу 2
1. При розрахунках параметрів циклу та показників роботи двигуна з
подачею ПВС необхідно враховувати залежність теплоємності суміші у
перегрітому стані не тільки від температури, а й від тиску. У зв'язку з цим, в ході
розрахунково-теоретичного аналізу отримано вираз для визначення
теплоємності робочої суміші у разі роботи двигуна на ПВС.
2. Зменшення підведеної, а потім і збільшення відведеної при стисканні
теплоти призводить до зниження показника політропи, що викликає необхідність
враховувати його зміну. У ході розрахунково-теоретичного аналізу отримано
залежності зміни теплоти, що підводиться в процесі стиск від показника
політропи стиснення (n1).
3. Розрахунково-теоретичний аналіз показав, що під час роботи
бензинового двигуна на ПВС його індикаторні та ефективні показники
покращуються. Так приріст ефективної потужності при подачі води в кількості
20% від витрати палива при n = 4000 хв-1 становить 3,5 кВт (7,7%) порівняно зі
штатним двигуном (42 кВт). Питома ефективна витрата палива при цьому
знижується з 315,19 г/кВт·год до 292,67 г/кВт·год (на 7,14%). Середній
індикаторний тиск циклу збільшується з 1,01 МПа до 1,08 МПа, середній
ефективний тиск – з 0,84 до 0,91 МПа. Ефективний ККД підвищується із 0,26 до
0,28%.
4. В результаті аналізу всіх факторів, що впливають на експлуатаційні та
екологічні показники двигуна працюючого на ПВС визначено основні керовані
45
фактори: положення дросельної заслінки (����ПДЗ,%; частота обертання KB n, хв-1;
кількість води, що подається від витрати палива Кводи,%). На підставі даних
літературних джерел та проведення попередніх дослідів встановлено граничні
значення керованих факторів: ����ПДЗ = 20...100%; n = 2000...4000 хв-1; Кводи =
0...20% від витрати палива. Складено матрицю проведення експерименту.
46
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ,
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА І ЗАСТОСОВУВАНА
АПАРАТУРА. ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ
3.1 Загальна методика дослідів
Дослідження проходили у два етапи. На першому етапі досліджувалась
працездатність системи подачі ПВС призначену для бензинового двигуна із
примусовим запаленням суміші. Другий етап являє собою експериментальні
дослідження впливу ПВС на екологічні та експлуатаційні характеристики
бензинового двигуна.
При монтажі експериментальної установки та проведення стендових
випробувань двигуна враховувалися вимоги ГОСТ 14846-81, ГОСТ 17.2.2.02-86,
ГОСТ 17.2.2.02-98, ГОСТ 18509-88.
Експериментальні дослідження бензинового двигуна проводились на
автомобільному бензині марки АІ-92
Для приготування паливно-водної суміші використовується
дистильована вода за ГОСТ 6709-92 (табл. 3.2).
При роботі бензинового двигуна використовувалася охолоджуюча рідина
Тосол А-40М за ГОСТ 28084-89.
При випробуваннях використовувалась моторне мастило SAE 10W40,
API SF/CC.
3.2 Пристрій та спосіб подачі паливо-водної суміші в бензиновий
двигун.
Система живлення двигуна, крім штатної системи подачі палива включає
систему подачі води. Пристрій для приготування та подачі паливно-водної
суміші представлений на рис. 3.1. Сутність даного способу приготування та
подачі паливно-водної суміші полягає в тому, що створюються два потоки: потік
47
чистого палива в штатній паливній системі 2 та потік води. Обидва потоки
надходять у змішувач статичного типу, де змішуються і у вигляді паливно-водної
суміші подаються через форсунки упорскування палива ДВЗ, причому вода
додається до палива безпосередньо на вході у форсунку 1. Змішувач має відмінну
рису, яка полягає в тому, що канал подачі води 3 розташовується всередині
стандартної паливної рампи та має отвори навпроти кожної форсунки. На
змішувачі як зі сторони паливної магістралі так і з боку магістралі подачі води
встановлені зворотні клапани.
Рисунок 3.1 - Зовнішній вигляд пристрою для приготування та подачі паливно-
водної суміші встановленого на стенді:
1 – форсунка; 2 – паливна рампа; 3 - канал подачі води
Конструктивна схема комбінованої системи живлення зображена на рис.
3.2. У систему паливоподачі, що включає ємність 1 для чистого палива, паливний
насос 2, фільтр 3, регулятор 4 тиску, зворотний паливопровід 13, зворотний
клапан і форсунки 10 упорскування, розташовані на паливній рампі 9, додатково
встановлені ємність 5 для води, насос 6, фільтр 7, регулятор 8 тиску, зворотний
трубопровід 14, зворотний клапан і канал підведення води, розташований
усередині паливної рампи 9. Вакуумні камери регуляторів з'єднані каналом із
впускним трубопроводом.
48
Канал подачі води може розташовуватися і поза паливною рампою, а вода
подаватиметься на вхід у форсунки, наприклад по патрубках, відведеним від
нього.
Рисунок 3.2 - Система подачі води у впускний трубопровід спільно з бензином
у вигляді паливно-водної суміші
Пропонований пристрій працює наступним чином. Потік чистого палива
подається насосом з ємності з паливом через паливний фільтр паливну рампу 2
змішувача статичного типу. Потік води подається насосом з ємності через фільтр
у внутрішню трубку 3 змішувача. Тиск у паливній магістралі 11 змінюється
регулятором 4 в залежності від режимів роботи двигуна або підтримується
постійним, а у магістралі подачі води 12 змінюється регулятором 8 в залежності
від режимів роботи двигуна. на режимах роботи двигуна, на яких необхідно
подавати воду, тиск води у каналі подачі води 3 (рисунок 3.1) перевищує тиск
палива у рампі 9 і за рахунок різниці тисків вода з каналу подачі води 3 надходить
через отвори у всмоктувальну порожнину форсунки 1, механічно змішується з
паливом, що заповнює паливну рампу 9, утворюючи паливно-водну суміш, яка
через форсунки впорскується в потік повітря, що надходить в циліндри ДВЗ. На
режимах коли подача води не потрібна, тиск у магістралі подачі води
знижується, спрацьовує зворотний клапан і в трубці 3 підтримується тиск, який
унеможливлює потрапляння палива з рампи 2 в трубку 3 і водяну магістраль.
До переваг даного способу порівняно з відомими відносяться: точне
дозування паливно-водної суміші по циліндрах двигуна; мінімальні
конструктивні зміни двигуна; мінімальні витрати на переобладнання; відсутність
49
проблем, пов'язаних з тривалим зберіганням ВПЕ та використанням
емульгатора; можливість оперативної зміни складу паливно-водної суміші
залежно від режиму роботи двигуна.
Для перевірки можливості застосування способу подачі ПВС та
працездатності запропонованого пристрою для дозування був виготовлений
лабораторний стенд, що імітує мікропроцесорну систему керування двигуном та
систему живлення. На рисунку 3.3 представлена схема випробувального стенду.
Рисунок 3.3 - Схема лабораторного випробувального стенду:
1 – тримач з мензурками; 2 - дозуючий пристрій; 3 –ресивер; 4 – бак з водою;
5 – датчик масової витрати повітря; 6,7 – манометри; 8,9 – фільтри;
10 – паливний насос; 11 – регулятор тиску палива; 12 - ваги; 13 – паливні баки;
14 - мірний циліндр; 15 - датчик температури охолоджувальної рідини;
16 - датчик положення колінчастого валу; 17 - датчик положення дросельної
заслінки; 18 – блок керування; 19 – персональний комп'ютер; 20 – форсунки
Методика досліджень на цьому етапі включала дослідження можливості
зміни співвідношення вода:паливо, а також рівномірності розподілу ПВС по
циліндрах двигуна;
При виконанні досліджень замірялася подача води та загальна подача
води та палива протягом однієї хвилини при певній різниці тисків води та палива.
50
Тиск води та палива замірявся за допомогою манометрів типу МО з
верхньою межею виміру 400 кПа. Подача води вимірювалася мірною посудиною
об'ємом 1200 мл.
3.3 Методика дослідження експлуатаційних показників бензинових
двигунів при роботі на паливно-водній суміші
Метою досліджень є порівняльний аналіз експлуатаційних показників на
різних швидкісних та навантажувальних режимах штатного бензинового
двигуна та двигуна, що працює при подачі ПВС.
При проведенні досліджень визначаються частота обертання
колінчастого валу, момент, що крутить, ефективна потужність, годинна і питома
витрата палива та води, годинна витрата повітря.
Для визначення частоти обертання колінчастого валу, масової витрати
повітря, температури охолоджуючої рідини та положення дросельної заслінки
використовується програма J5 On-line Tuner встановлена на персональний
комп'ютер. Комп'ютер підключається до діагностичної лінії електронної системи
керування двигуном. Усі необхідні параметри відображаються на екрані та
записуються в пам'ять комп'ютера. Програма J5 On-line Tuner також дозволяє
коригувати параметри упорскування в режимі реального часу.
Основні параметри розраховуються за стандартними методиками [9].
Крутний момент двигуна визначається з виразу:
�������� = ������������⁄����ККД�������� , (3.1)
де Мк - крутний момент, кг·м; рт - показання вагового механізму гальма, кг;
���� - плече вагового механізму гальма, м; ����ККД - передавальне число коробки
перемикання передач; �������� – механічний ККД коробки перемикання передач.
Ефективна потужність визначається з виразу:
51
�������� = ������������⁄9550, (3.2)
де n – частота обертання колінчастого вала, хв-1.
При проведенні досліджень у впускний трубопровід двигуна подається
дистильована вода. Витрата води вимірюється об'ємним способом.
При випробуваннях проводиться вимірювання часу витрати об’єму води.
Годинна витрата води визначається за виразом:
����води = 3,6 ∙ ∆��������води⁄����, (3.3)
де Gводи - годинна витрата води, кг/год; ∆V - обсяг мірної посудини, що
витрачається за дослід, см3; ρводи - густина води при випробуванні, г/см3; t – час
досліду, с.
Годинна витрата повітря визначається з виразу:
����В = ����В⁄����В , (3.4)
де: Q - годинна витрата повітря, м3
B /год; GВ - масова витрата повітря, кг/год;
ρВ– щільність повітря, кг/м3.
Коефіцієнт надлишку повітря:
���� = ����П⁄�����Б + ����води� ����0. (3.5)
За результатами досліджень аналізуються залежності зміни основних
експлуатаційних показників роботи бензинового двигуна від співвідношення
52
ПВС при різних швидкісних і навантажувальних режимах, на підставі чого
визначається оптимальне співвідношення.
3.4 Методика дослідження екологічних показників бензинових двигунів
при подачі паливно-водної суміші
Метою даних досліджень є порівняльний аналіз вмісту оксиду вуглецю
СО, вуглеводнів СН та оксидів азоту NOx у ВГ штатного двигуна та двигуна при
організації робочого процесу з подачею ПВС.
Методика проведення випробувань відповідає ГОСТ 17.2.2.02-86, ГОСТ
17.2.2.05-86.
Відбір проб ВГ проводиться для визначення вмісту оксиду вуглецю,
вуглеводнів та оксидів азоту.
Для визначення концентрації вмісту оксиду вуглецю, вуглеводнів та
оксидів азоту у відпрацьованих газах використовувався газоаналізатор
багатокомпонентний "АВТОТЕСТ-02.03" (рис. 3.3).
Рисунок 3.3 - Електрохімічна комірка 3NF/F Nitric Oxide CITIcel (ліворуч)
Газоаналізатор багатокомпонентний «АВТОТЕСТ-02.03» (праворуч)
Принцип дії приладу ґрунтується на вимірі величини поглинання
інфрачервоного випромінювання джерела молекулами вуглеводнів, діоксиду
вуглецю та оксиду вуглецю в областях 3,4; 4,25 та 4,7 мкм відповідно.
Концентрація оксидів азоту визначається на основі електрохімічної
комірки 3NF/F Nitric Oxide CITIcel.
53
При проведенні випробувань вимірюється температура ВГ у випускному
колекторі. Для цього використовується термопара ДТПК 135 0314.250; у
комплекті з приладом/УКТ 38-Щ4-ТП.
За результатами досліджень аналізуються залежності вмісту оксиду
вуглецю, вуглеводнів, і оксидів азоту у ВГ і температури ВГ від регулювальних
параметрів подачі ПВС в бензиновий двигун при різних швидкісних та
навантажувальних режимах роботи.
3.5 Експериментальна установка та застосовувана апаратура. Похибки
вимірювань
Як об'єкт досліджень прийнято чотиритактний бензиновий двигун ВАЗ-
21110. Бензиновий двигун з розподіленим упорскуванням палива та примусовим
займанням обладнаний установкою для подачі ПВС. Комплектація двигуна
відповідала вимогам ГОСТ 18509-88.
Схема установки для подачі та вимірювання об'ємної витрати води
представлена на рис. 3.4.
Установка працює наступним чином. Компресор підтримує постійний
тиск рівний 500 кПа в ресивері 3. Оскільки вміст води в ПВС забезпечується
зміною тиску води, редуктором 12 задається необхідний тиск у балоні з водою 5
і мірним посудом 8. Тиск контролюється манометром 4. При відкритті крана 6
мірна посудина заповнюється до верхньої мітки. Під час проведення
випробувань під час встановлення обраного режиму роботи двигуна; на якому
необхідна подача ПВС відкривається електромагнітний клапан 10 і вода
надходить через фільтр 9 у змішувач 1, де утворюється ПВС і подається через
форсунки у впускний трубопровід.
54
Рисунок 3.4 - Схема установки для подачі та вимірювання
об'ємної витрати води:
1 – змішувач; 2 – компресор; 3 – ресивер; 4, 11 – манометри; 5 - балон з
водою; 6 – кран; 7 - мірна судина; 8 - градуйована прозора трубка;
9 – фільтр; 10 – електромагнітний клапан; 12 – редуктор
Експериментальна моторна установка оснащена всіма необхідними
приладами та системами для проведення випробувань відповідно до вимогами
ДСТУ 14846-81 «Двигуни автомобільні. Методи стендових випробувань».
Двигун встановлювався на підмоторних стійках з металорезиновими
амортизаторами і за допомогою двокарданного валу з'єднувався з валом
електричної балансирної машини КІ-2139. Електрогальмо може працювати як у
гальмівному, так і в руховому режимі. Для керування стендом є робочий пульт.
Схема експериментальної установки показано на рис. 3.5.
Рисунок 3.5 - Схема експериментальної установки:
55
1 –ресивер; 2 – балон з водою; 3 – насос; 4 - мірна судина; 5,6 - фільтри;
7 – регулятор тиску; 8 – змішувач; 9 – ваги; 10 – бак з бензином;
11 - навантажувальний пристрій; 12 - блок керування двигуном; 13 – комплекс
програм для зняття та зміни параметрів ЕСУД у режимі реального часу;
14 - газоаналізатор багатокомпонентний «АВТОТЕСТ- 02.03»; 15 – датчик
температури ДТПК; 16 - вимірник УКТ-38ЩЧ
Загальний вигляд експериментальної установки показано на рис. 3.6.
Рисунок 3.6 - Загальний вигляд експериментальної моторної установки
Для підтримки заданої температури охолоджувальної рідини (93...95°С)
використовувалася закрита система охолодження з примусовою циркуляцією.
Система змащення двигуна штатна. Контроль за величиною тиску
мастила в системі здійснювався з допомогою манометра типу МТ з верхньою
межею вимірювання 1,0 МПа та класом точності А.
Під час проведення експериментальних досліджень здійснюється
одночасний запис сигналів більшості контрольованих параметрів, що дозволяє
підвищити об'єктивність одержуваної інформації.
При багаторазових вимірах величин визначається найбільша можлива
статистична помилка середнього арифметичного відхилення (δн.в.) за формулою
[21]:
δн.в. = ±(3 ∙ δ⁄����) ∙ 100% , (3.6)
56
де δ – стандарт або середньоквадратичні відхилення; а - середнє арифметичне
кількох вимірів.
����
���� = ±��(�������� − ����)2�(���� − 1) , (3.7)
����=1
де �������� - конкретний вимір; n – число вимірювань.
У разі одноразових вимірів величина граничних помилок може бути
визначено за формулою [32]
:
∆����
δ пр
пр = ± ���� ∙ 100% , (3.8)
зр
де ∆aпр - найбільша випадкова помилка; азр - значення величини, виміряне
зразковим приладом.
Величини граничних та відносних помилок одноразових вимірів наведено
у табл. 3.3.
Помилки параметрів, що визначаються розрахунковим шляхом, можуть
бути визначено за виразом [21]:
δпр = ±����[ln����(����1; ����2; … ��������)], (3.9)
де δпр - гранична відносна помилка функції f(x1;x2;…xn ).
Гранична відносна помилка при визначенні годинної витрати води
складає:
������������ = ±|����∆�������� + ��������| = ±|0,5 + 0,11| = 0,61%.
57
Таблиця 3.3 - Граничні та відносні помилки одноразових вимірів
Назва змінного Засоби Абсолютна Відносна
параметра вимірювання помилка помилка,%
1 2 3 4
Частота обертання, n J5 On-line Tuner ±10 хв-1 ±2,5
Крутний момент, Mk Ваговий пристрій ±3
Масова витрата J5 On-line Tuner ±2 кг/год ±1
повітря, QВ
Час, t Секундомір СДСГГР ±0,2 с ±0,11
Концентрація в Газоаналізатор ±50 млн-1 ±5
пробі оксидів азоту, багатокомпонентний
NOx «АВТОТЕСТ- 02.03»
Вміст оксиду Газоаналізатор ±0,03 % ±3
вуглецю у ВГ, СО багатокомпонентний
«АВТОТЕСТ- 02.03»
Вміст діоксиду Газоаналізатор ±0,5 % ±4
вуглецю у ВГ, СО2 багатокомпонентний
«АВТОТЕСТ- 02.03»
Вміст вуглеводнів у Газоаналізатор ±10 млн-1 ±5
ВГ, СН багатокомпонентний
«АВТОТЕСТ- 02.03»
Температура ВГ у Термопара ДТПК ±1 ⁰С ±0,5
випускному 135-0314.250 в
колекторі, Тог комплекті
з приладом УКТ 38-
Щ4-ТП
Тиск води,PВ Манометр МО ±1,6 кПа ±0,4
Тиск палива,PТ Манометр МО ±1,6 кПа ±0,4
Витрата води,Qводи Мірна колба ±0,5 мл ±0,5
Температура палива, Ртутний термометр ±0,1 ⁰С ±0,5
tm
Температура Ртутний термометр ±0,1 ⁰С ±0,5
води,tводи
Об’єм води, ΔV Мірна колба ±0,5 мл ±0,3
Густина палива,ρТ Ареометр ±0,001 г/см3 ±0,13
Густина води,ρводи Ареометр ±0,001 г/см3 ±0,13
Барометричний тиск, Барометр анероїд ±0,8 мм рт.ст. ±0,1
B М67
Методика, прийнята для експериментальних досліджень, дозволяє
одержати точні результати.
58
РОЗДІЛ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ І ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ БЕНЗИНОВИХ
ДВИГУНІВ ПРИ РОБОТІ НА ПВС
4.1 Результати лабораторних досліджень працездатності способу подачі
паливно-водної суміші в бензиновий двигун
Для оцінки працездатності, кількісних та якісних показників
паливоподавальної апаратури проведено безмоторні випробування [20]. Для
проведення даних досліджень створено стенд згідно розділ 3.2.
Було проведено лабораторні випробування в ході яких було досліджено
нерівномірність подачі води та палива по окремих циліндрах, розпилення суміші
форсунками, а також визначено залежності між частотою обертання, тривалістю
імпульса форсунок та загальними витратами і витратами води. Також систему
перевірили на працездатність та відповідність впорскуваної кількості води
заданим параметрам. Дослідження проводились згідно з методикою, викладеною
в розділі 3.2.
Результати досліджень представлені в таблиці додатка 2, яка для
розуміння працездатності системи показує тиск в магістралях, загальну витрату
суміші, витрату води, а також відсотковий вміст води відносно палива, на режимі
φПДЗ = 60% при подачі води 10,15,20%. Додатково результати досліджень
представлені на рисунках 4.1-4.4.
Рисунок 4.1 - Рівномірність розподілу води та палива по окремих форсунках
при n=3500 хв-1, ����ПДЗ=60% та подачі води 20% від витрат палива
59
Отримано залежності (рис. 4.2 та рис. 4.3) загальної подачі ПВС та подачі
води при зміні частоти обертання або тривалості імпульсу упорскування палива.
Як видно з даних графіків, зазначені залежності близькі до лінійних на даних
режимах роботи ДВЗ, проте загалом підпорядковуються закону Бернуллі.
Рисунок 4.2 - Залежність загальної подачі та подачі води від частоти
спрацьовування форсунки при постійній тривалості імпульсу
впорскування палива
Рисунок 4.3 - Залежність загальної подачі ТВС та подачі води від тривалості
імпульсу упорскування при постійній частоті обертання KB
60
На рис. 4.4 показаний факел розпилення паливно-водної суміші
форсункою змішувача
Рисунок 4.4 - Факел розпилення паливно-водної суміші форсункою змішувача
Як висновки з проведених досліджень необхідно відзначити наступне:
- запропоновані спосіб та пристрій дозволяють змінювати кількість води
у необхідних межах (0...20% до витрати палива);
- нерівномірність подачі води за окремими форсунками присутня, проте
вона несуттєва, максимальне значення в межах 5%;
- необхідний надлишковий тиск води змінюється залежно від режим
роботи двигуна в межах від 283 до 346 кПа;
- під час роботи утворюється емульсія, яка не розшаровується протягом
часу 5...10 с.
Таким чином, запропоновані спосіб та пристрій повністю придатні для
досліджень та можуть бути використані для подачі води спільно з паливом у
впускний трубопровід.
61
4.2 Результати експериментальних досліджень експлуатаційних
показників бензинових двигунів під час роботи на паливно-водній суміші
Метою даних досліджень є порівняльний аналіз експлуатаційних
показників базового бензинового двигуна ВАЗ-21110 та двигуна з організацією
робочого процесу при подачі ТВС з різним вмістом води.
Дослідження проводилися відповідно до методики, викладеної у розділі
3.3, при різних навантажувальних та швидкісних режимах роботи двигуна. У
ході досліджень за основні оціночні показники були прийнято ефективну
потужність Ne (кВт) та питому ефективну витрату палива ge (г/кВт·год).
Для оцінки впливу ПВС на основні експлуатаційні та екологічні
показники бензинового двигуна, проведені досліди, які встановлюють вплив
трьох основних факторів: положення дросельної заслінки φпдз (%), частоти
обертання колінчастого валу (KB) n (хв-1) та кількості води в ПВС Кводи (%) на
потужність, крутний момент, годинну та питому витрату палива. Граничні
значення встановлені в результаті проведених попередніх дослідів та аналізу
літературних джерел.
Статистичну обробку даних проводили на персональному комп'ютері за
допомогою програми STATGRAPHTCS Plus [21].
Після реалізації плану експерименту були отримані залежності критеріїв
Ne (потужність двигуна, кВт), Мк (крутний момент на валу двигуна, Н·м), ge
(питома витрата палива, г/кВт·год) від аналізованих факторів: X1; - положення
дросельної заслінки фпдз, Х2 - частота обертання KB n, Х3 - кількість води в ПВС
Кводи.
Отримано наступні рівняння регресії, де фактори представлені у
кодованому вигляді:
������������ = 33,3826 + 6,825 ∙ ����1 + 10,325 ∙ ����2 + 0,716304 ∙ ����3 −
−7,61196 ∙ ����21 + 3,25 ∙ ����1����2 + 0,65 ∙ ����1����3 −
−2,21196 ∙ ����2 2
2 + 0,35 ∙ ����2����3 − 0,329348 ∙ ����3 ; (4.1)
62
������������ = 106,126 + 21,8275 ∙ ����1 + 4,6625 ∙ ����2 + 2,11304 ∙ ����3 −
−24,8446 ∙ ����21 + 2,7 ∙ ����1����2 + 2,075 ∙ ����1����3 −
−8,49457 ∙ ����22 + 0,575 ∙ ���� ���� − 0,343478 ∙ ����22 3 3 ; (4.2)
������������ = 272,796− 13,225 ∙ ����1 + 20,5125 ∙ ����2 − 9,46467 ∙ ����3 +
+6,21576 ∙ ����21 − 7,0 ∙ ����1����2 − 2,85 ∙ ����1����3 +
+45,9908 ∙ ����2 2
2 + 0,525 ∙ ����2����3 − 30,5864 ∙ ����3 ; (4.3)
Значимість коефіцієнтів рівняння регресії перевіряли за критерієм
Стьюдента за формулою та адекватність всього рівняння – за допомогою
критерію Фішера F.
Табличне значення критерію Стьюдента при ступенях свободи v = N -
- m-1 = 15-3-1 = 11, де N - число проведених дослідів; m - число повторів під час
проведення дослідів. Значить для табличного значення критерію Стьюдента
ступінь свободи v = 11 і 5%-вому рівні значущості Fc(0,05;0,5;11) = 2,20 [17].
Розрахункові значення критерію Стьюдента коефіцієнтів регресії представлені у
додатку 3. Як видно з таблиці додатка, розрахункові значення критерію
Стьюдента всіх коефіцієнтів регресії більше табличного, що свідчить про їх
значимість.
За результатами аналізу дисперсій для повної регресії рівняння -
відношення для Ne дорівнює 112,65; Мк – 49,21; ge – 5,73. Табличне значення
критерію Фішера при ймовірності а = 0,05 за ступенем свободи чисельника
f = 3-1 = 2 і числом ступенів свободи знаменника f2 = 15-3-1 = 11 дорівнює
F(0,05;2;11) = 3,98 [17, 21]. Якщо Ffam = 112,65; Ffam = 49,21; Ffam = 5,73, це означає,
що 112,65> 3,98; 49,21>3,98; 5,73>3,98, то модель адекватна.
Для перевірки збігу розрахункових даних з експериментальними в
отримані рівняння підставляли значення X в умовному масштабі для кожного з
дослідів (табл. 4.1).
63
З таблиці 4.1 видно, що різниця між експериментальними та
розрахунковими даними досить задовільна.
Рівняння (4.1 - 4.3) представимо у натуральних значеннях змінних
факторів за формулами (2.20 – 2.22):
�������� = −29,4486 + 0,481383 ∙ фпдз + 0,0184457 ∙ ���� − 0,06175 ∙ ����води −
−0,00475632 ∙ ф 2
пдз + 0,00008125 ∙ фпдз ∙ ���� + 0,001625 ∙ фпдз ∙ ����води −
−0,00000221511 ∙ ����2 + 0,000034 ∙ ���� ∙ ����води − 0,0033163 ∙ ���� 2
води ; (4.4)
�������� = −58,0496 + 2,14445 ∙ фпдз + 0,0512236 ∙ ���� − 0,1975 ∙ ����води −
−0,0155465 ∙ ф 2
пдз + 0,000067125 ∙ фпдз ∙ ���� + 0,005175 ∙ фпдз ∙ ����води −
−0,00000852435 ∙ ����2 + 0,0000565 ∙ ���� ∙ ����води − 0,00350217 ∙ ���� 2
води ; (4.5)
�������� = 664,849− 0,200557 ∙ фпдз − 0,245457 ∙ ���� + 6,79375 ∙ ����води +
+0,00388485 ∙ ф 2
пдз − 0,000175 ∙ фпдз ∙ ���� − 0,007125 ∙ фпдз ∙ ����води +
+0,0000459908 ∙ ����2 + 0,0000525 ∙ ���� ∙ ����води + 0,305864 ∙ ���� 2
води ; (4.6)
Оптимальний вміст води в ПВС для кожного з експлуатаційних
показників визначався шляхом нелінійного програмування за допомогою
програми Microsoft Office Excel 2003, що дозволяє при заданих значеннях двох
факторів, що варіюються, отримувати таке значення третього, при якому
досліджуваний показник досягає максимального або мінімального значення.
При аналізі рівнянь 4.4 - 4.6 знак «-» перед будь-яким коефіцієнтом
означає те, що зі зменшенням значення фактора величина відгуку спадає і
навпаки. Тобто чим менше значення коефіцієнта, тим слабше вплив фактора та,
навпаки, зі знаком «+».
Аналізуючи рівняння 4.4 та діаграму Парето для критерію Ne
представлену у додатку 4 можна відзначити, що основний вплив на потужність
двигуна надають частота обертання KB n, значення положення дросельної
64
заслінки фпдз та його квадрат ф 2
пдз , а також спільний вплив факторів n і фпдз.
Кількість води в ПВС є фактором, який несуттєво впливає на зміну потужності.
За діаграмою Парето видно, що стовпчик, що відображає вплив фактора Кводи на
Ne не виходить за межі довірчого інтервалу відображеного на діаграмі товстою
вертикальною лінією, тому кількість води в ПВС є малозначущим фактором.
Графік основних ефектів для Ne відображає залежність ефективної
потужності від факторів, що варіюються. При зміні кількості води в ПВС від 0
до 20% при (ф - 60% і n = 3000 хв-1
ПДЗ Ne росте з 32,33 до 33,76 кВт (на 4,4%), а
при φпдз = 100% і n = 4000 хв-1 змінюється з 41,96 до 45,37 кВт (на 8,1%).
Необхідно відзначити, що максимальний приріст потужності, виходячи з цієї
залежності, для φпдз = 60% і φпдз - 100% лежить на границі або за границею
досліджуваного інтервалу кількості води в ПВС, тобто при вмісті води понад
20% витрати палива. Однак у ході попередніх випробувань за цих умов була
відзначена нестабільна робота двигуна, тому максимальна кількість води в ПВС
прийнято за 20% витрати палива. Крім того, передбачається, що оптимальне
співвідношення води та палива для більшості показників лежить у цих межах.
При кількості води в ПВС 20%, на режимі φ = 20% і n = 2000 хв-1
пдз відзначено
падіння ефективної потужності з 9,55 до 9 кВт (на 5,7%) порівняно з базовим
двигуном.
Тобто оптимум вмісту води у ПВС лежить у межах від 0 до 20% і становить
5,84%, при цьому зазначається незначний приріст Ne з 9,55 до 9,67 кВт у
порівнянні з базовим двигуном (на 1,3%).
Аналіз рівняння 4.5 та результатів обробки даних (додаток 4) показує що
факторами, що найбільше впливають на крутний момент є: положення
дросельної заслінки φпдз та квадрат його значення φ 2
пзд , квадрат частоти
обертання КВ n2, а також частота обертання КВ n. Кількість води на величину
крутного моменту впливає несуттєво. Тим не менш, на графіку головних ефектів
для крутного моменту відзначається його збільшення при підвищенні вмісту
води в ПВС від 0 до 20%: при (����ПДЗ = 60% і n = 3000 хв-1 - з 103,7 до 107,9 Н·м
відповідно (на 4%); при ����ПДЗ = 100% і n= 4000 хв-1 - з 96,3 до 105,8 Н·м (на 9,8%).
65
При ����ПДЗ = 20% і n = 2000 хв-1 оптимум вмісту води в ПВС становить 2,7%, при
цьому Мк росте незначно з 49,65 до 49,7 Н-м.
Таблиця 4.1 – Порівняння експериментальних і теоретичних результатів
досліджень
Матр. для розр. Коеф регр. Експериментальні значення
Х1 Х2 Х3 Ne Mk ge CO CH NOx
1 60 3000 10 33,5 106,6 276,3 3,6 168 332
2 20 2000 10 9,5 45,4 312 0,7 115 415
3 100 2000 10 18 86 314 1,6 173 62
4 20 4000 10 22,5 53,7 347 0,6 111 789
5 100 4000 10 44 105,1 321 5,9 176 119
6 20 3000 0 19 60,5 337,5 3,4 173 661
7 100 3000 0 30 95,5 302,3 7,1 245 134
8 60 3000 10 33,5 106,6 275,3 3,8 167 320
9 20 3000 20 19,7 62,7 325,6 2,3 178 604
10 100 3000 20 33,3 106 279 5,9 249 87
11 60 2000 0 19,7 94,1 328 3,5 193 275
12 60 4000 0 41 97,9 388 6,2 171 438
13 60 2000 20 20,1 96 312,7 3,3 198 187
14 60 4000 20 42,8 102,1 374,8 4,8 175 409
15 60 3000 20 33,3 106 281,9 4,5 205 306
Розрахункові значення Похибка, %
Ne Mk ge CO CH NOx Ne Mk ge CO CH NOx
1 33,4 106,2 272,8 3,6 166,3 325 0,3 0,5 1,3 1,5 1 2,1
2 9,6 49,5 310,7 0,6 118,6 423,9 1,2 8,4 0,4 5,6 3 2,1
3 16,8 86,7 298,3 1,8 181,6 65,6 6,9 0,8 5 7,7 4,7 5,5
4 23,9 53,5 365,7 0,5 103,6 786,4 5,7 0,5 5,1 10,8 6,7 0,3
5 44 101,4 325,3 6,1 173,6 111,1 0 3,5 1,3 2,9 1,4 6,6
6 18,6 59,6 329,4 3,4 175,5 660 2,4 1,5 2,4 2,9 1,4 0,2
7 30,9 98 308,7 6,9 242,5 138,3 2,9 2,6 2,1 2,5 1 3,1
8 33,4 106,2 272,8 3,6 166,3 325 0,3 0,5 0,9 4,1 0,4 1,5
9 18,7 59,7 316,2 2,5 179,3 598,8 5,2 4,8 2,9 8,4 0,7 0,9
10 33,6 106,4 284,1 5,8 245,3 87 1 0,4 1,8 1,3 1,5 0
11 20,1 91,1 338,9 3,6 187,5 267,6 2 3,2 3,2 3,6 2,8 2,7
12 40,2 99,3 378,8 6,3 176,5 442,1 2,1 1,4 2,4 0,9 3,1 0,9
13 20,8 94,2 318,9 3,2 191,3 181,9 3,5 1,9 1,9 3,8 3,4 2,7
14 42,3 104,6 360,9 4,7 179,3 415,4 1,2 2,4 3,7 3,4 2,4 1,5
15 33,8 107,9 293,9 4,7 209,8 309,9 1,4 1,8 4,1 4,8 2 1,3
66
№ досліду №
досліду
Аналізуючи рівняння 4.6 та діаграму Парето для gе (додаток 5) можна
відзначити, що найбільш значущими факторами, що впливають на питому
ефективну витрату палива є квадрат частоти обертання KB n2, частота обертання
KB n, квадрат K 2
води , а також значення φпзд положення дросельної заслінки. Крім
того, за графіком головних ефектів видно, що при збільшенні вмісту води в ПВС
питома ефективна витрата палива спочатку зменшується, а потім починає
зростати. Таким чином, оптимум вмісту води в ПВС знаходиться між 0 і 20% і
становить:
11,2% для ����ПДЗ = 20% і n = 2000 хв-1 (зниження ge на 38 г/кВт·год (10,9%));
11,5% для ���� = 60% і n = 3000 хв-1
ПДЗ (зниження ge на 40,8 г/кВт·год (13%));
11,92% для ����ПДЗ = 100% і n = 4000 хв-1 (зниження ge на 43,5 г/кВт·год (11,8%)).
За рівняннями регресії (4.4 - 4.6) побудовані поверхні відгуку [3, 26]: у
3-х мірному зображенні (додаток 4):
Nе = f (n, Кводи); при ����ПДЗ =20; 60 та 100%;
MK = f(n, Кводи); при ����ПДЗ =20; 60 та 100%;
ge = f(n, Кводи); при ����ПДЗ = 20; 60 та 100%.
Отримані залежності зміни експлуатаційних показників при роботі
двигуна на ПВС із вмістом води 10, 15 та 20% від витрати палива та базового
двигуна, представлені на рис. 4.5, 4.6 та 4.7.
Аналізуючи залежність ефективної потужності Ne та питомої витрати ge палива
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС при роботі із зовнішньою
швидкісною характеристикою (рисунок 4.5), відзначається деяке поліпшення
даних експлуатаційних показників. Найбільше збільшення потужності
відзначено для режиму n = 4000 хв-1 і ПВС із вмістом води 20% від витрати
палива та становить 7,9% (з 41,96 до 45,3 кВт). При використанні ПВС з вмістом
води 10% приріст Ne становить 4,8% (до 44 кВт). В цілому при всіх варіантах
подачі ПВС спостерігається збільшення ефективної потужності. Це можна
пояснити покращенням процесів згоряння за рахунок кращого сумішоутворення,
а також збільшення масового наповнення циліндрів за рахунок охолодження на
впуску. Відзначається також зниження питомої ефективності витрати палива під
67
час роботи двигуна за зовнішньою швидкісною характеристикою. Поліпшення
цього показника також спостерігається за всіх варіантів подачі ПВС.
Рисунок 4.5. Залежність ефективної потужності Ne та питомої витрати ge
палива базового двигуна та двигуна з подачею ТВС при роботі
за зовнішньою швидкісною характеристикою
Рисунок 4.6. Залежність годинної GT та питомої ge витрати палива
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 2000 хв-1
У середньому зниження ge становить 41,5 г/кВт·год (12%) на режимах
n = 2000 .... 4000 хв-1. Найбільший ефект досягається при подачі ПВС із вмістом
води 10% для n = 3000 хв-1, при цьому зниження становить 43 г/кВт·год (13,8%).
68
При збільшенні вмісту води в ПВС до 15% і вище поступово починає
збільшуватись. На рисунку 4.6 представлена залежність годинної GT та питомої
ge витрати палива базового двигуна та двигуна з подачею ПВС за умов
навантажувальної характеристики при режимі n = 2000 хв-1.
Рисунок 4.7. Залежність годинної GT та питомої ge витрати палива
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 3000 хв-1
Аналіз цієї залежності дозволяє відзначити значне зниження питомої
витрати палива при роботі двигуна на всіх досліджуваних режимах при різних
складах ПВС. Найменша питома витрата досягається при навантаженні
відповідного Ne = 20 кВт і становить: 301 г/кВт·год при використанні ПВС із 10%
води від витрати палива; 338 г/кВт·год; роботі на чистому бензині (зниження ge
на 10,9%). Позначено; що при зниженні: зниження навантаження питомої
витрати палива стає менш значним. Це підтверджує припущення про те, що
69
використання ПВС при малих навантаженнях менш доцільно з економічного
погляду.
Аналізуючи залежність годинної GT та питомої ge витрати пального
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 3000 хв-1, представлену на рис. 4.7, можна
сказати, що вона підтверджує загальні закономірності зазначені вище. При всіх
варіантах подачі ПВС досягається зниження питомої витрати палива порівняно
з базовою характеристикою. Зниження ge трохи більше, ніж при n = 2000 хв-1.
Найбільший ефект досягається при навантаженні відповідного Ne = 34 кВт, при
цьому питома витрата палива становить: 272 г/кВт·год при використанні ПВС із
10% води від витрати палива; 309 г/кВт·год під час роботи на чистому бензині
(зниження ge на 11,9%). При навантаженні відповідному Ne = 20 кВт зниження ge
становить 9,8%.
На підставі розглянутих залежностей отримані залежності, що наочно
відображають зміну показників двигуна від вмісту води у ПВС. Ці залежності
представлені на рис. 4.8, 4.9, 4.10 та 4.11.
Висновки, зроблені вище, справедливі і для; даних залежностей. Так
показники Ne і ge при подачі даним способом ПВС із вмістом води до 9... 12%
покращуються, а при подальшому підвищенні ступеня обводнення суміші
починають погіршуватися. Це, ймовірно, пояснюється тим, що до точки
оптимуму функції на кожен із досліджуваних показників: добавка води має
позитивний вплив, який полягає у посиленні; турбулізації суміші в циліндрі ДВЗ,
підвищенні швидкості реакцій і більш повному згорянні палива. Однак після
досягнення оптимуму, тобто мінімуму функції для показника ge підвищення
кількості води в суміші починає надавати негативний вплив, що виявляється
головним чином у небажаному відведенні теплоти, а також зниженні швидкості
та повноти згоряння.
70
Рисунок 4.8 - Вплив складу ПBC на Рисунок 4.9 - Вплив складу ПBC на
показники роботи двигуна показники роботи двигуна
ВАЗ-21110 при роботі із зовнішньою ВАЗ-21110 при роботі із зовнішньою
швидкісною характеристикою швидкісною характеристикою
n = 4000 хв-1 n = 2000 хв-1
та Nе=20 кВт
71
Рисунок 4.10 - Вплив складу ПBC на Рисунок 4.11 - Вплив складу ПBC на
показники роботи двигуна показники роботи двигуна
ВАЗ-21110 при роботі із зовнішньою ВАЗ-21110 при роботі із зовнішньою
швидкісною характеристикою швидкісною характеристикою
n = 3000 хв-1 n = 3000 хв-1
та Nе=20 кВт та Nе=30 кВт
Результати цих досліджень підтверджують доцільність використання
ПВС для підвищення експлуатаційних показників бензинових двигунів.
Зниження питомої витрати палива сягає 11,9%, а підвищення потужності до
72
7,9%. Так як оптимальний вміст води в ПВС є різним як для екологічних, так і
для експлуатаційних показників, то необхідна оптимізація складу ПВС.
4.3 Результати експериментальних досліджень екологічних показників
бензинових двигунів під час роботи на паливно-водній суміші
Метою даних досліджень є порівняльний аналіз вмісту оксидів азоту NOx,
оксиду вуглецю СО та вуглеводнів СН у ВГ базового бензинового двигуна ВАЗ-
21110 та двигуна з організацією робочого процесу при подачі ПВС з різним
вмістом води.
Дослідження проводилися відповідно до методики, викладеної у розділі
3.4, при різних навантажувальних та швидкісних режимах роботи двигуна. У
ході досліджень оцінювалася концентрація оксидів азоту NOx (ppm), оксиду
вуглецю СО (%) та вуглеводнів СН (ррт).
Для оцінки впливу ПВС на основні екологічні показники бензинового
двигуна, проведені досліди, які встановлюють вплив трьох основних факторів:
положення дросельної заслінки ����ПДЗ (%), частоти обертання KB n (хв-1) та
кількості води в ПВС Кводи (%) на вміст СО, СН та NOx у ВГ. Граничні значення
встановлені в результаті проведених попередніх дослідів та аналізу літературних
джерел.
Статистичну обробку даних проводили на персональному комп'ютері за
допомогою програми STATGRAPHICS Plus [21].
Після реалізації плану експерименту були отримані залежності критеріїв
СО (вміст СО у ВГ, %), СН (вміст СО у ВГ, ррт), NOx (вміст NOx у ВГ, ррт) від
аналізованих факторів: X1 – положення дросельної заслінки ����ПДЗ, Х2 – частота
обертання KB n, Х3 – кількість води в ПВС Кводи.
Отримано наступні рівняння регресії, де фактори представлені у
кодованому вигляді:
����СО = 3,64348 + 1,6875 ∙ ����1 + 1,05 ∙ ����2 + 0,515761 ∙ ����3 −
73
−0,595109 ∙ ����21 + 1,1 ∙ ����1����2 − 0,025 ∙ ����1����3 −
−0,820109 ∙ ����22 − 0,3 ∙ ����2����3 + 1,59837 ∙ ����23 ; (4.7)
������������ = 166,304 + 33,25 ∙ ����1 − 5,75 ∙ ����2 + 1,65217 ∙ ����3 +
+2,52174 ∙ ����21 + 1,75 ∙ ����1����2 − 0,25 ∙ ����1����3 −
−24,4783 ∙ ����22 − 0,25 ∙ ����2����3 + 41,8261 ∙ ����23 ; (4.8)
���������������� = 325,022− 258,375 ∙ ����1 + 102 ∙ ����2 − 28,1141 ∙ ����3 +
+32,9837 ∙ ����21 − 79,25 ∙ ����1����2 + 2,5 ∙ ����1����3 −
−11,2663 ∙ ����22 + 14,75 ∙ ����2����3 + 13,0054 ∙ ����23 ; (4.9)
Значимість коефіцієнтів рівняння регресії перевіряли за критерієм
Стьюдента за формулою та адекватність всього рівняння – за допомогою
критерію Фішера F.
Табличне значення критерію Стьюдента при ступенях свободи
v = N - m -1 = 15-3-1 = 11, де N-число проведених дослідів; m - число повторів
під час проведення дослідів. Отже для табличного значення критерію Стьюдента
ступінь свободи v = 11 і 5%-ому рівні значущості Fc(0,05;0,5;11) = 2,20 [17].
Розрахункові значення критерію Стьюдента коефіцієнтів регресії представлені у
додатку 3. Як видно з таблиці додатка, розрахункові значення критерію
Стьюдента всіх коефіцієнтів регресії більше табличного, що свідчить про їх
значимість.
За результатами аналізу дисперсій для повної регресії рівняння -
відношення для NOx – 837,78; СО – 98,28; СН – 32,95. Табличне значення
критерію Фішера при імовірності а = 0,05 за ступенем свободи чисельника
f = 3-1 = 2 і числом ступенів свободи знаменника f2 = 15-3-1 = 11 дорівнює
F(0,05;2;11) = 3,98 [17, 21]. Якщо Ffam = 837,78; Ffam = 98,28 та Ffam = 32,95, це
означає, що 837,78>3,98; 98,28>3,98; 32,95>3,98, то модель адекватна.
74
Для перевірки збігу розрахункових даних з експериментальними в
отримані рівняння підставляли значення X в умовному масштабі для кожного з
дослідів (таблиця 4.1).
З таблиці 4.1 видно, що різниця між експериментальними та
розрахунковими даними досить задовільна.
Рівняння (4.7 - 4.9) представимо у натуральних значеннях змінних
факторів за формулами (2.20 – 2.22):
СО = −4,63111 + 0,00494565 ∙ ����ПДЗ + 0,00462065 ∙ ���� − 0,2775 ∙ ����води −
−0,000371943 ∙ ���� 2
ПДЗ + 0,0000275 ∙ ����ПДЗ ∙ ���� − 0,0000625 ∙ ����ПДЗ ∙ ����води −
−8,20109Е−7 ∙ ����2 − 0,00003 ∙ ���� ∙ ����води + 0,0159837 ∙ ���� 2
води ; (4.10)
СН = −34,0272 + 0,51712 ∙ ����ПДЗ + 0,138745 ∙ ���� − 8,0875 ∙ ����води +
+0,001576095 ∙ ���� 2
ПДЗ + 0,00004375 ∙ фпдз ∙ ���� + 0,000625 ∙ ����ПДЗ ∙ ����води −
−0,0000244783 ∙ ����2 − 0,000025 ∙ ���� ∙ ����води + 0,000625 ∙ ���� 2
води ; (4.11)
������������ = 111,895− 3,0519 ∙ ����ПДЗ + 0,273723 ∙ ���� − 10,2125 ∙ ����води +
+0,0206148 ∙ ���� 2
ПДЗ − 0,00198125 ∙ ����ПДЗ ∙ ���� + 0,00625 ∙ ����ПДЗ ∙ ����води −
−0,0000112663 ∙ ����2 + 0,001475 ∙ ���� ∙ ����води + 0,130054 ∙ ���� 2
води ; (4.12)
Оптимальний вміст води в ПВС для кожного з екологічних показників
визначалося шляхом нелінійного програмування за допомогою програми
Microsoft Office Excel 2003, що дозволяє за заданими значеннями двох факторів,
що варіюються, отримувати таке значення третього, при якому досліджуваний
показник досягає максимального або мінімального значення.
При аналізі рівнянь 4.10 - 4.12 знак "-" перед будь-яким коефіцієнтом
означає те, що зі зменшенням значення фактора величина відгуку спадає і
навпаки. Тобто чим менше значення коефіцієнта, тим слабше вплив фактора та,
навпаки, зі знаком «+».
75
Екологічні показники двигуна в залежності від режимів роботи у
досліджуваних діапазонах змінюються за рівняннями 4.10 – 4.12. В результаті
аналізу рівняння 4.10 та обробки експериментальних даних (додаток 4) можна
зробити такі висновки. Вміст води значно впливає на процеси утворення СО у
ВГ двигуна. Найбільш значущими факторами для цього показника є положення
дросельної заслінки ф 2
пдз, частота обертання KB n, квадрат Кводи , а також
спільний вплив факторів фпдз та n. Вміст води в ПВС Кводи також є значним
фактором. При збільшенні вмісту води в ПВС від 0 до 20% вміст СО у ВГ
змінюється за квадратичною залежністю, причому оптимум становить:
10,59% для ����ПДЗ = 20% і n = 2000 хв-1 (зниження СО на 1,79% (4рази));
11,61% для ����ПДЗ = 60% та n = 3000 хв-1 (зниження СО на 2,15% (у 1,6рази));
12,63% для ����ПДЗ = 100% і n = 4000 хв-1 (зниження СО на 2,6% (у 1,4 рази)).
Аналіз рівняння 4.11 показує, що вміст СН у ВГ для досліджуваних
режимів також змінюється за квадратичною залежністю від вмісту води в ПВС.
Причому факторами, що найбільше впливають на викид вуглеводнів з ВГ є:
положення дросельної заслінки фпдз, квадрат значення вмісту води в ПВС K 2
води ,
квадрат частоти обертання KB n2. Оптимальний вміст води у ПВС становить:
9,7% для ����ПДЗ =20% n = 2000 хв-1 (зниження СН на 33,9% (на 40 ррm));
9,8% для ����ПДЗ =60% n = 3000 хв-1 (зниження СН на 19,2% (на 39,7 ррm));
9,9% для ����ПДЗ =100% і n =4000 хв-1 (зниження СН на 18,9% (на 40,4 ррm)).
Необхідно відзначити, що вміст вуглеводнів після точки оптимуму починає
зростати та при подачі ПВС із вмістом води 20 % від витрати палива перевищує
значення для штатного двигуна.
Аналізуючи рівняння 4.12, можна сказати, що найбільш значущими
факторами при утворенні оксидів азоту є: положення дросельної заслінки фпдз,
частота обертання KB n, їх спільний вплив, а також вміст води Кводи в ПВС. Кводи
в порівнянні з режимами роботи двигуна менш значно впливає на емісію NOx у
ВГ. Однак, NOx при подачі ПВС знижується:
при ���� -1
ПДЗ = 20%, n = 2000 хв і Кводи = 20% - на 90,5 ррm (на 18,7%);
при ����ПДЗ = 60%, n = 3000 хв-1 і Кводи = 20% - на 56 ррm (на 15,3%);
76
при ����ПДЗ= 100%, n = 4000 хв-1 і Кводи = 14,2% - на 26 ррm (на 19,3%).
За рівняннями регресії (4.10 - 4.12) побудовані поверхні відгуку у
3-мірному зображенні (додаток 4):
�������� = ���������,����води�;при ����ПДЗ = 20; 60 і 100%;
�������� = ���������,����води�;при ����ПДЗ = 20; 60 і 100%;
������������ = ���������,����води�;при ����ПДЗ = 20; 60 і 100%;
Отримано залежність зміни викидів шкідливих речовин з ВГ при роботі
двигуна на ПВС із вмістом води 10, 15 та 20% від витрати палива та базового
двигуна.
На рис. 4.12 представлені залежності викидів основних шкідливих
речовин з ВГ під час роботи двигуна за зовнішньою швидкісною
характеристикою. Аналізуючи отримані залежності можна відзначити значне
зниження токсичних компонентів ВГ. Так зниження концентрації NOx у ВГ
відбувається у всьому досліджуваному діапазоні частот обертання КВ.
Найбільше зниження оксидів азоту спостерігається при подачі ПВС із вмістом
води 20% від витрати палива при частоті обертання KB n = 2000 хв-1 (з 119 до 38
ррm). При частоті обертання KB n = 4000 хв-1 зниження викидів NOx менш значно
та становить для роботи на ПВС із вмістом води 20% від витрати палива - з 142
до 113 ррm, а для роботи на ПВС із вмістом води 15% від витрати палива – з 142
до 108 ррm. Практично у всьому діапазоні збільшення вмісту води в ПВС веде
до значного зниження викидів оксидів азоту у ВГ. Це відбувається внаслідок
зниження температур робочого циклу за рахунок охолодження робочого заряду
водою, що міститься у ПВС.
Спостерігається також значне зниження викидів з ВГ. Найбільший ефект
досягається при роботі на ПВС із вмістом води 10% від витрати палива: для
режиму n = 2000 хв-1 - з 3,6 до 1,7%; для n = 4000 хв-1 із 8,5 до 6,0%. Це
відбувається внаслідок поліпшення повноти згоряння за рахунок турбулізації
суміші при випаровуванні води в ПВС і за рахунок дії активних радикалів Н і
ОН. Загалом за всіх варіантів подачі ПВС досягається зниження викидів СО з ВГ,
77
однак, зі збільшенням вмісту води в ПВС більше 10... 15% концентрація їх
починає збільшуватися, оскільки відбувається зниження повноти згоряння.
Неоднозначний вплив робить застосування ПВС на викиди залишкових
вуглеводнів з ВГ двигуна. При роботі на ПВС з 10% води концентрація СН
знижується практично однаково у всьому діапазоні: за 2000 хв-1 - з 221 до 181
ррm; для 3000 хв-1 - з 242 до 202 ррm; для 4000 хв-1 – с 214 до 173 ррm.
Рисунок 4.12 - Залежність викидів шкідливих речовин із ВГ базового
двигуна та двигуна з подачею ПВС при роботі за зовнішньою
швидкісною характеристикою
При роботі двигуна на ПВС з 15% зниження концентрації СН менше
значно і становить: для 2000 хв-1 - 28 ррm; а для 4000 хв-1 - 30 ррm. Це також
можна пояснити повнішим згорянням за рахунок кращого сумішоутворення при
78
випаровуванні води. Однак при збільшенні вмісту води в ПВС понад 20% викиди
вуглеводнів перевищують значення для базового двигуна у всьому діапазоні
частот обертання. Це пов'язано з тим, що вода значно охолоджує пристінні шари
робочої суміші в циліндрі ДВЗ, де погіршується повнота згоряння.
На рис. 4.13 представлено залежність викидів шкідливих речовин з ВГ
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 2000 хв-1. На даних режимах можна відзначити
також значне зниження викидів оксидів азоту у ВГ під час подачі ПВС в
порівнянні зі штатним варіантом двигуна. Найбільше зниження NOx
спостерігається під час роботи двигуна на ПВС із вмістом води, рівним 20% від
витрат палива. Воно складає: при навантаженні відповідного Ne = 10 кВт – з 473
до 382 ррm; для 15 кВт – з 399 до 310 ррm; та для 20 кВт - з 300 до 213 ррm. При
використанні ПВС із вмістом води 15% концентрація NOx знижується для Ne =
10 кВт – до 395 ррm; для 15 кВт – до 323 ррm; і для 20 кВт – до 225 ррm. Подача
ПВС із вмістом 10% води надає частково менший вплив на викид оксидів азоту
з ВГ: при навантаженні відповідному Ne = 10 кВт відбувається зниження до 414
ррm; для 15 кВт – до 342 ррm; і для 20 кВт – до 244 ррm.
79
Рисунок 4.13. Залежність викидів шкідливих речовин з ВГ базового двигуна та
двигуна з подачею ПБС в умовах навантажувальної характеристики
при режимі n = 2000 хв-1
Аналізуючи залежність зміни вмісту оксиду вуглецю у ВГ можна сказати,
що найбільший ефект досягається при використанні ПВС з вмістом води 10%.
При цьому концентрація СО знижується від 2,44 до 0,65% при навантаженні, що
відповідає Ne = 10 кВт; з 2,93 до 0,14% – для 15 кВт; з 3,46 до 1,65% на 20 кВт.
При використанні ПВС із вмістом води 15% зниження становить 1,48; 1,5 та
1,52% відповідно для 10; 15 та 20 кВт. При подачі ПВС із вмістом води 20%
досягається незначний ефект: зниження на 0,36; 0,38 та 0,41% для 10; 15 та 20
кВт відповідно.
Також як і у разі роботи двигуна за зовнішньою швидкісною
характеристикою застосування ПВС в умовах навантажувальної характеристики
80
при режимі n = 2000 хв-1 на викид залишкових вуглеводнів впливає
неоднозначно. Так при роботі на ПВС із вмістом води 20% концентрація СН у
ВГ перевищує значення для базового двигуна на 4,1 ррm при навантаженні
відповідного 10 кВт та на 5 ррm при 15 кВт. Однак, при використанні ПВС із
вмістом води 10%, досягається значне зниження концентрації СН: з 158,9 до
119,2 ррm; зі 167,9 до 127,8 ррm; з 186,7 до 142,5 ррm для 10; 15 та 20 кВт
відповідно.
На рис. 4.14 представлено залежність викидів шкідливих речовин з ВГ
базового двигуна та двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 3000 хв-1. В цілому характер залежностей схожий
з залежностями, отриманими для роботи двигуна в умовах навантажувальної
характеристики при режимі n = 2000 хв-1. При збільшенні вмісту води у ПВС
викиди NOx зменшуються.
Найменша концентрація оксидів азоту досягається використанням в
якості палива ПВС із вмістом води 20% від витрати палива: з 637 до 578 ррm при
навантаженні, що відповідає Ne = 20 кВт. Найбільше зниження окису вуглецю у
ВГ відзначено для ПВС з 10% води: з 5,24 до 2,97% (1,76 рази) при навантаженні
відповідного Ne = 30 кВт. Концентрація СН у ВГ під час роботи на ПВС з 10%
води від витрати палива знижується на 42,6 ррm (з 197,5 до 154,9 ррm).
81
Рисунок 4.14 Залежність викидів шкідливих речовин з ВГ базового двигуна та
двигуна з подачею ПВС в умовах навантажувальної характеристики
при режимі n = 3000 хв-1
На підставі розглянутих залежностей отримані залежності, що наочно
відображають зміну показників двигуна від вмісту води у ПВС. Ці залежності
представлені на рис. 4.8, 4.9, 4.10 та 4.11.
Висновки, зроблені вище, справедливі і для даних залежностей. Так
показники СО та СН при подачі даним способом ПВС із вмістом води до
9... 12% покращуються, а при подальшому підвищенні ступеня обводнення
суміші починають погіршуватися. Це, як і було сказано вище, мабуть,
пояснюється тим, що до точки оптимуму функції на кожен із досліджуваних
показників добавка води має позитивний вплив, який полягає у посиленні
турбулізації суміші в циліндрі ДВЗ, підвищенні швидкості реакцій та більш
82
повному згорянні палива. Однак після досягнення оптимуму, тобто. мінімуму
функції для показників СО та СН, підвищення кількості води в суміші починає
надавати негативний вплив, що виявляється головним чином у небажаному
відведенні теплоти та зниженні швидкості та повноти згоряння. Зниження ж NOx,
навпаки, відбувається досить інтенсивно у всьому діапазоні 0...20% води, тому
що на їх утворення головним чином впливають максимальні температури циклу,
які знижуються у разі підвищення ступеня обводненості ПВС.
Таким чином, в результаті даних досліджень встановлено, що
застосування ПВС у бензиновому двигуні дозволяє значно знизити викиди таких
шкідливих речовин з ВГ, як оксиди азоту NOx, оксид вуглецю СО та залишкові
вуглеводні СН. Необхідно відзначити, що оптимальний склад ПВС різний для
зниження концентрації різних компонентів у ВГ, а також він змінюється залежно
від режимів роботи двигуна. Тому необхідно виконати оптимізацію складу ПВС
за різними критеріями. В реальних умовах роботи ДВЗ також можна
рекомендувати застосування автоматичного регулювання складу ПВС.
4.4 Оптимізація складу паливно-водної суміші
В результаті експериментальних досліджень отримано залежності, що
відображають вплив вмісту води в ПВС на екологічні та експлуатаційні
показники бензинового двигуна. На підставі отриманих результатів проведена
оптимізація вмісту води в ПВС для різних режимів роботи ДВЗ.
Вирішення задачі оптимізації для пошуку найкращих екологічних та
експлуатаційних параметрів методом нелінійного програмування можна
записати в наступному вигляді [21]:
������������ = ����(����1,����2,����3) → ������������; (4.13)
������������ = ����(����1,����2,����3) → ������������; (4.14)
83
���������������� = ����(����1,����2,����3) → ������������; (4.15)
������������ = ����(����1,����2,����3) → ������������; (4.16)
������������ = ����(����1,����2,����3) → ������������; (4.17)
20 ≤ X1 ≤ 100;
2000 ≤X2 ≤ 4000;
0 ≤ X3 ≤ 20;
де Kі – цільова функція; i – критерій оптимізації; X1 - положення дросельної
заслінки φпдз, %; Х2 - частота обертання KB n, хв-1; Х3 – вміст води в ПВС Кводи,%.
Оптимізація вмісту води в ПВС для кожного з експлуатаційних та
екологічних показників проводилася шляхом нелінійного програмування за
допомогою програми Microsoft Office Excel 2003. Програма оптимізації
дозволяла знайти мінімальне чи максимальне значення критерію оптимізації при
варіюванні факторів. Результати оптимізації представлені у табл. 4.2.
Таблиця 4.2 Оптимальний вміст води в паливно-водній суміші для різних
критеріїв оптимізації
φпдз, % 20 60 100
2000 5,84 9,67 15,64 20,9 20 17,45
Ne (кВт) 3000 10,96 18,95 20 33,76 20 33,63
4000 16,09 23,97 20 42,26 20 45,37
2000 2,71 49,68 20 94,17 20 89,96
Mk (Н·м) 3000 10,77 60 20 107,93 20 106,4
4000 18,84 53,73 20 104,64 20 105,8
g 2000 11,16 310,3 11,63 297,45 12,09 296,9
e
(г/кВт·год) 3000 11,08 291,88 11,54 272,06 12,01 264,54
4000 10,99 365,43 11,46 338,64 11,92 324,15
84
Критерій
оптимізації
n, хв-1
Оптимальний
вміст води в
ПВС,%
Значення
критерію
оптимізації
Оптимальний
вміст води в
ПВС,%
Значення
критерію
оптимізації
Оптимальний
вміст води в
ПВС,%
Значення
критерію
оптимізації
Закінчення таблиці 4.2
NOx 2000 20 391,5 20 181,89 20 38,25
(ppm) 3000 20 598,77 20 309,91 19,84 87,01
4000 16,09 781,52 15,13 412,32 14,17 108,84
2000 10,59 0,58 10,67 1,76 10,75 1,75
CO (%) 3000 11,53 1,32 11,61 3,6 11,69 4,69
4000 12,47 0,39 12,55 3,76 12,63 5,95
2000 9,74 118,57 9,77 147,55 9,8 181,58
CH(ppm) 3000 9,77 135,55 9,8 166,28 9,83 202
4000 9,8 103,58 9,83 136,06 9,86 173,59
Завдання вирішується таким чином. Так як необхідно знайти оптимальне
значення вмісту води в ПВС (Х3) для кожного з досліджуваних режимів роботи
двигуна, а також для кожного окремо взятого критерію оптимізації, то,
користуючись одним із виразів 4.13 - 4.17, записуємо значення факторів X1 і Х2
як обмеження, що характеризують режим роботи. Наприклад, для режиму
роботи ����ПДЗ – 100%; n = 3000 хв-1:
X1 = 100;
Х2 = 3000.
Далі значення фактора Х3 варіюється до досягнення цільової функції
мінімуму або максимуму відповідно до обраного виразу з 4.13-4.17.
На підставі отриманих результатів вибирається оптимальний вміст води
в ПВС, причому в першу чергу розглядаються екологічні показники, а також
питома витрата палива. При цьому оптимальний вміст води в ПВС також не
повинен призводити до зниження потужністних показників. Результати
представлені у табл. 4.3.
Таблиця 4.3 - Оптимальний вміст води у паливно-водній суміші
n, хв-1 ����ПДЗ, %
20 60 100
2000 10 14,6 15,5
3000 12,3 15,5 15,5
4000 14 14,8 14,8
85
Рисунок 4.15 - Поверхня відгуку оптимального складу паливно-водної суміші
залежно від частоти обертання KB та від положення дросельної заслінки
На підставі отриманих даних побудована поверхня відгуку оптимального
складу паливно-водної суміші залежно від частоти обертання KB та від
положення дросельної заслінки, отримана за допомогою програми
STATGRAPHICS Plus та представлена на рисунку 4.15. Також отримано
математичну модель (вираз 4.18), що описує цю поверхню відгуку та
справедлива для умов:
20 ≤ ����ПДЗ ≤ 100;
2000 ≤ n ≤ 4000.
������������ = −1,36111 + 0,223958 ∙ ����ПДЗ + 0,00524583 ∙ ���� −
−0,000802083 ∙ ���� 2
ПДЗ − 0,000029375 ∙ ����ПДЗ ∙ ���� −
−4,83333Е−7 ∙ ����2 (4.18)
4.5 Висновки до розділу 4
За проведеними експериментальними дослідженнями можна зробити такі
висновки:
1. Обраний спосіб та пристрій для отримання та подачі паливно-водної
суміші в ДВЗ. До переваг даного способу в порівнянні з відомими, відносяться:
дозування паливно-водної суміші за циліндрами двигуна; мінімальні
86
конструктивні зміни двигуна; мінімальні витрати на переобладнання; відсутні
проблеми, пов'язані з тривалим зберіганням ВПЕ та використанням емульгатора;
є можливість оперативної зміни складу ПВС залежно від режимів роботи
двигуна.
2. Виконано лабораторні дослідження можливості застосування способу
та пристрою. Визначено регулювальні параметри для забезпечення вмісту води
в ПВС у кількості 10...20% від витрати палива для режимів роботи ДВЗ при
n = 2000 ... 4000 хв-1 і ����ПДЗ = 20 ... 100%. Нерівномірність розподілу ПВС по
циліндрах двигуна становить не понад 5%. Час розшарування отриманої емульсії
щонайменше 5-10 секунд. Результати досліджень підтверджують можливість
застосування способу та пристрою.
3. Проведено експериментальні дослідження експлуатаційних показників
бензинового двигуна під час роботи на ПВС. У ході досліджень було
підтверджено доцільність використання ПВС у бензинових двигунах. На всіх
режимах роботи двигуна відзначалося покращення ефективних показників при
застосуванні ПВС у порівнянні з базовими характеристиками. Однак необхідно
зазначити, що оптимальний вміст води в ПВС, так само як і при дослідженні
екологічних показників, по-різному для різних режимів роботи двигуна та
найчастіше для різних критеріїв оптимізації. Так найбільше збільшення
ефективної потужності становило до 7,9% при роботі за зовнішньою швидкісною
характеристикою для n = 4000 хв-1 та ПВС із вмістом води 20% від витрати
палива. Найбільше зниження питомої ефективної витрати палива досягається
при подачі ПВС із вмістом води 10%: для n = 3000 хв-1 зниження становить 43
г/кВт-ч (13,8%). Також зниження ge досягало 11,9% (з 309 до 272 г/кВт-год) під
час роботи двигуна в умовах навантажувальної характеристики при
n = 3000 хв-1 та роботі на ПВС із вмістом води 10% від витрати палива; та 10,9%
(з 338 до 301 г/кВт-год) при роботі двигуна в умовах навантажувальної
характеристики при n = 2000 хв-1 та роботі на ПВС із вмістом води 10% від
витрати палива.
87
5. Проведено експериментальні дослідження екологічних показників
бензинового двигуна під час роботи на ПВС. Дані дослідження підтвердили
високу ефективність застосування ПВС для зниження викидів оксидів азоту NOx,
оксиду вуглецю СO та залишкових вуглеводнів СН з ВГ бензинового двигуна.
При роботі на ПВС з 10% води концентрація СН знижується практично однаково
у всьому діапазоні, максимальне; зниження становить 18% під час роботи із
зовнішньої швидкісної характеристиці. Найбільше зниження оксидів азоту
спостерігається при подачі ПВС із вмістом води 20% від витрати палива при
частоті обертання KB n = 2000 хв-1 (з 119 до 38 ррm). Практично у всьому
діапазоні збільшення вмісту води в ПВС веде до значного зниження викидів
оксидів азоту з ВГ. Це відбувається внаслідок зниження температур робочого
циклу за рахунок охолодження робочого заряду водою, що міститься в ПВС.
Спостерігається також значне зниження викидів СО з ВГ. Найбільший ефект
досягається при роботі на ПВС із вмістом води 10% від витрати палива: для
режиму n = 2000 хв-1 - з 3,6 до 1,7% (2,1 рази). Загалом за всіх варіантів подачі
ПВС досягається зниження викидів СО з ВГ, однак, при збільшенні вмісту води
в ПВС більше 10...15% концентрація їх починає збільшуватися, оскільки
відбувається зниження повноти, згоряння. При роботі двигуна в умовах
навантажувальних характеристик також досягнуто значного зниження викидів
шкідливих речовин з ВГ. Для n = 2000 хв-1: концентрація NOx знижується на
29,5% при вміст води в ПВС 20%; СО - з 2,93 до 0,14% при вмісті води в ПВС
10%; СН - на 24,9% (зі 158,9 до 119,2 ррm) при вмісті води в ПВС 10%. Для
n = 3000 хв-1: концентрація. NOx знижується на 9,2% (з 637 до 578 ррm) при вмісті
води в ПВС 20%; СО - в 1,76 рази (з 2,93 до 0,14%) за вміст води в ПВС 10%;
СН - на 21,5% (зі 197,5 до 154,9 ррm) при вмісті води у ПВС 10%.
6. Виконано оптимізацію складу ПВС для досліджуваних режимів роботи
бензинового двигуна. Оптимальний вміст води в ПВС відрізняється залежно від
режимів роботи двигуна та обраного критерію оптимізація. Тому в реальних
умовах необхідно застосування пристроїв, що автоматично змінюють склад ПВС
залежно від режиму роботи ДВЗ.
88
РОЗДІЛ 5 АНАЛІЗ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВИПРОБУВАНЬ
БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ, ПРАЦЮЮЧИХ НА ПВС. ОЦІНКА
ДОЦІЛЬНОСТІ ЇХ ВИКОРИСТАННЯ
5.1 Результати експлуатаційних випробувань бензинових двигунів
працюючих на паливно-водній суміші
Провести експлуатаційні випробування в реальних умовах неможливо
через високу вартість даного експерименту та колосальні витрати часу. Однак в
літературних та інших джерелах можна зустріти деяку інформацію про
автомобілі з бензиновим двигуном, який працює при подачі паливно-водної
суміші. Приведемо деяку інформацію з цього питання.
Щоб розуміти деякі експлуатаційні нюанси, приведемо для прикладу
випробування автомобіля ВАЗ-21111 із модернізованим двигуном, які
проводилися в міському і заміському циклах у період з 18 травня до 30 жовтня,
причиною цьому є замерзання води в системі в холодні періоди року. У ході
випробувань проводилася оцінка динамічних якостей автомобіля при розгоні та
русі, паливна економічність при різних швидкостях руху, і навіть трудомісткість
проведення технічного обслуговування.
Загальні технічні характеристики автомобіля представлені у табл. 5.1.
Таблиця 5.1 - Загальні технічні характеристики автомобілів зі штатним
бензиновим двигуном та з двигуном модернізованим для роботи на ПВС
Показник Автомобіль із штатним Автомобіль з
двигуном ВАЗ-21110 модернізованим двигуном
Власна маса, кг 1050 1057
Корисне навантаження, кг 500 500
Ємність паливного бака, л 43 43
Ємність бака з водою, л - 4,2
Система живлення двигуна Розподілений вприск палива Розподілений вприск ПВС у
у впускний колектор впускний колектор
Середня витрата бензину автомобіля з модернізованим двигуном на шосе
при швидкості 90 км/год на четвертій передачі становив 5,1 літра на 100 км. У
порівнянні з автомобілем з базовим бензиновим двигуном витрата палива
89
скоротилося на 10,5% (з 5,7 л/100 км). При швидкості 120 км/год на п'ятій
передачі середня витрата палива склала 6,7 літри на 100 км. Витрата палива
скоротилася на 11,8% порівняно з автомобілем із базовим бензиновим двигуном
(з 7,6 л/100 км). Витрата бензину при роботі на ПВС у міських умовах руху
дорівнювала 8,2 л/100 км, що також нижче, ніж при варіанті зі штатним
двигуном (8,9 л/100 км.). Випробування проводилися в період з початку липня
до початку серпня. Середній час розгону з місця з повною масою до швидкості
100 км/год, становило 14,9 секунд. Варіант автомобіля з базовим двигуном під
час роботи на бензині забезпечував розгін у тих самих умовах за 15,0 секунд.
Результати випробувань показали достатню прийомистість двигуна при
роботі на ПВС і здатність забезпечувати високі швидкості руху на позаміських
дорогах. Робота двигуна стійка, без перебоїв. У цілому динамічні властивості
залишилися лише на рівні базового варіанта автомобіля.
Під час експлуатації автомобіля ВАЗ-2111 із модернізованим двигуном
відзначено незначне збільшення трудомісткості проведення робіт з технічного
обслуговування двигуна. У тому числі при виконанні деяких робіт (наприклад,
зняття водяної помпи), необхідно частково демонтувати систему подачі води при
даному розташуванні її елементів. У зв'язку з тим, що ПВС містить до 20% води,
виникає необхідність перевірки умов повного випаровування води у циліндрах
ДВЗ. У цих дослідженнях проводиться перевірка наявності води в моторному
мастилі.
Відбір проб олії з піддону картера двигуна проводиться після 45 хв.
роботи двигуна при різних варіантах кількості води, що подається. Аналіз проб
моторного масла на вміст води проводиться за ГОСТ 7822-99 із використанням
приладу АКОВ-10. Результати даних досліджень представлені у табл. 5.2.
Таблиця 5.2 - Результати досліджень вмісту води в мастилі
Вмст води в ПВС, % Час роботи, хв Наявність води в Наявність води в
від палива мастилі маслоуловлювачі
10 45 Відсутність Відсутність
15 45 Відсутність Відсутність
20 45 Відсутність Відсутність
90
Дослідження утворення слідів корозії на поверхні деталей ЦПГ після
використання ПВС у робочому циклі бензинового двигуна проводилося після
завершення експлуатаційних випробувань.
Метою даних досліджень було визначення можливості збільшення
корозійних зносів при роботі двигуна на ПВС, а також перевірка умов повного
випаровування ПВС у циліндрі. Зняття головки блоку циліндрів проводилося
після 100 годин з моменту останньої зупинки двигуна під час роботи на ПВС.
Дослідження поверхні дзеркала циліндра наявність слідів корозії визначалося
візуально.
На рис. 5.1 представлений зовнішній вигляд камери згоряння зі сторони
блоку циліндрів після роботи двигуна на ПВС.
Рисунок 5.1 - Зовнішній вигляд камери згоряння з боку блоку
циліндрів після роботи двигуна на ПВС
На рис. 5.2 представлено загальний вид камери згоряння з боку головки
блоку після роботи двигуна на ПВС.
Рисунок 5.2 - Загальний вигляд камери згоряння головки
блоку після роботи двигуна на ПВС
91
На рис. 5.3 показано загальний вигляд свічок запалювання після роботи
двигуна на ПВС.
За результатами досліджень можна зробити такі висновки. Слідів корозії
на деталях ЦПГ під час візуального огляду не виявлено. Необхідно відзначити
суттєве зменшення кількості нагару на поверхні деталей, що утворюють камеру
згоряння двигуна, а також на свічках запалювання. Нагар, який є на деталях дуже
пухкий, легко видаляється механічним шляхом. Це підтверджують дані [27].
Рисунок 5.3 - Загальний вигляд свічок запалювання після роботи
двигуна на ПВС
Таким чином, можна зробити висновок, що використання ПВС з
концентрацією води 0...20% від витрат палива не призводить до значного
корозійного зносу деталей ЦПГ, а також відзначається їх суттєве очищення від
нагару під час роботи двигуна на ПВС.
Однак, при експлуатації бензинових ДВЗ на ПВС рекомендується
випрацювання води з водяної трубки змішувача та запобігання можливому
утворенню корозії деталей перед зупинкою двигуна працювати на холостому
ходу не менше 20 секунд.
5.2 Технологія технічного обслуговування бензинового двигуна з
організацією подачі паливно-водної суміші
У зв'язку з тим, що ПВС містить воду, а система живлення
модернізованого двигуна відрізняється від штатної, технологія технічного
обслуговування модернізованого автомобіля потребує деякого коригування.
92
Операції технічного обслуговування та періодичність їх виконання
представлені у табл. 5.3.
Таблиця 5.3 - Операції технічного обслуговування та періодичність їх
виконання для автомобілів із двигуном модернізованим для роботи на ПBС
№ Пробіг, тис.км
Назва робіт
п/п 2,0 15 30 45 60 75 90 105
1 Контрольно-оглядові (діагностичні) роботи
1.1 Контрольно-оглядові роботи; автомобіля з
базовим двигуном, а також:
1.2 Герметичність системи. подачі води; стан: + + + + + + + +
шлангів; трубок та з'єднань.
Не допускаються: підтікання і каплепадання
води у з'єднаннях, тріщини і здуття шлангів
та трубок.
1.3 Працездатність контрольних приладів, + + + + + + + +
датчиків і електропроводки системи подачі
води:
- проводи повинні мати справну ізоляцію;
надійне з'єднання, обрив у дротах не до- .
пускається;
- мікровимикач дросельної заслінки повинен + + + + + + + +
спрацьовувати при положенні дросельної
заслінки
від 20 до 100%;
- клапан подачі води повинен спрацьовувати
під час подачі напруги + 12В на його
контакти;
- при роботі на ПВС на панелі приладів
повинна загоряється контрольна лампа.
2 Регламентні роботи
2.1 Регламентні роботи для автомобіля з
базовим двигуном, а також:
2.2 Замінити фільтр тонкого очищення води - + + + + + + +
Операції щомісячного та сезонного технічного обслуговування
представлені у табл. 5.4.
93
Таблиця 5.4 - Операції щозмінного та сезонного технічного
обслуговування для автомобілів з двигуном ВАЗ-21110 модернізованим для
роботи на ПБС
Вид
ТО Виконувані роботи Технічні Прилади та
вимоги інструменти
1. Операції ЕТО для автомобіля з базовим
двигуном
ЩО 2. Перевірка рівня та заправка бака системи Дистильована
подачі води вода Лійка
3. Перед зупинкою двигуна дати йому
попрацювати за відпущеної педалі подачі палива 20 с -
Перехід до весняно-літнього періоду:
1. Операція сезонного ТО для автомобіля з
базовим двигуном
2. Монтаж системи подачі ПВС Гайкові ключі
10, 19,
викрутка шліц.,
викрутка
хрестова
СТО 3. Перевірити працездатність системи подачі
ПВС
Перехід до осінньо-зимового періоду:
1. Операції СТО для автомобіля з базовим
двигуном
2. Демонтаж системи подачі ПВС Гайкові ключі
10, 19,
викрутка шліц.,
викрутка
хрестова
5.3 Соціально-економічний ефект від використання паливно-водної
суміші в бензинових двигунах
Економічний ефект від використання ПВС на бензинових двигунах
складається з запобіганих екологічних збитків та зниження витрат на пальне з
урахуванням витрат на встановлення додаткових пристроїв та їх експлуатацію.
Запобігання екологічним збиткам від викидів в атмосферне повітря
шкідливих речовин пересувним транспортом розраховується за формулою
[8, 11]:
���� ����
Упр = Упит × ���������������� × ��(∆�������� × ��������), (5.1)
����=1 ����=1
94
де УПР - економічні збитки, яким вдалося запобігти, грн./рік; ∆mi– фактичне
зниження викиду i-ї забруднюючої речовини від k-ї одиниці пересувного
транспорту на протязі звітного періоду часу, тонн; Упит – показник питомої
шкоди атмосферному повітрю, що завдається викидом одиниці наведеної маси
забруднюючих речовин протягом звітного періоду, грн./ум.т. Для північно-
західного економічного району [11] Упит = 187,5 грн./ум.т (у цінах 2021 р.); К -
кількість одиниць пересувного транспорту, на яких відбулося зниження вмісту
забруднюючих речовин у вихлопних гази внаслідок здійснення
природоохоронної діяльності; N - кількість груп забруднюючих речовин, що
враховуються; Кі - коефіцієнтиент відносної еколого-економічної небезпеки i-ї
забруднюючої речовини (СО - 0,4; СН - 0,7; NOx - 16,5) [11]; Кеко - коефіцієнт
екологічної ситуації та екологічної значущості стану атмосферного повітря
територій у складі економічних районів України [1].
Приймаємо річний пробіг автомобіля рівним 20000 км.
При розрахунках викидів токсичних речовин з ВГ двигуна враховуємо,
що при роботі на ПВС у порівнянні з бензином зниження NOx для середніх
навантажень при 3000 хв-1 у середньому становить 13%, СО – 51% та СН – 23%.
У зв'язку з тим, що робота двигуна на ПВС можлива тільки за позитивної
температурі, приймаємо, що двигун працює на ПВС шість місяців на рік. Тоді
фактичне зниження викиду і-ї забруднюючої речовин від к-ї одиниці
пересувного транспорту ∆mi розраховується за формулою:
���� −����
∆���� �������� ����
���� = �������� − 2 (5.2)
де mi - фактична маса річного викиду i-го токсичного компонента з ВГ
штатного бензинового двигуна, т/рік; mmi - фактична маса річного викиду i-го
токсичного компонента з ВГ модернізованого бензинового двигуна, т/рік.
Оскільки модернізація двигуна для роботи на ПВС передбачає
встановлення додаткового обладнання та зміна витрат на технічне
95
обслуговування та експлуатацію, необхідно виконати розрахунок витрат на
модернізацію двигуна
Витрати на переобладнання системи живлення двигуна, а також на
експлуатацію нового обладнання:
З = 0,12 ∙ К + Секспл + ∆Зт, (5.3)
де К - одноразові капітальні вкладення, грн; Секспл – вартість додаткових
витрат на експлуатацію та ТО модернізованого бензинового двигуна, грн;
∆Зт – зміна витрат на паливо, грн.
Одноразові капітальні вкладення визначаються за такою формулою:
К = СНЗЧ + Ср + Ссб, (5.4)
де СНЗЧ - вартість нових запасних частин, грн (13000 грн); Ср – вартість
доопрацювання паливної рампи для подачі води, грн (1000 грн); Ссб – вартість
складальних операцій, грн (1000 грн).
Зміна витрат на пальне випливає з виразу:
∆Зт = Сбм − Сб (5.5)
де Сбм - вартість бензину, витраченого протягом року під час
використання модернізованого двигуна, грн.; Сб - вартість бензину, витраченого
за рік при використанні штатного двигуна, грн.
Тоді чистий річний економічний ефект заходів щодо захисту
навколишнього середовища виходить з виразу [21]:
ЕР = УПР − З (5.6)
96
Результати розрахунку соціально-економічної ефективності розробки
бензинового двигуна працюючого на паливно-водній суміші представлені в
таблиці 5.5.
Таблиця 5.5 - Соціально-економічна ефективність застосування ПВС у
розрахунку на один автомобіль
Показники Автомобіль з модернізованим
двигуном
1. Попереджена економічна 187,5
шкода, грн/рік
2. Одоноразові 15000
капіталовкладення, грн/рік
3. Додаткові експлуатаційні 1000
витрати, грн/рік
4. Економія бензину, грн/рік 4800
5. Чистий річний економічний 2030
ефект, грн/рік
Таким чином, наведений розрахунок підтверджує економічну
ефективність запропонованих рішень. Річний економічний ефект на один
автомобіль із модернізованою системою живлення бензинового двигуна склав
2030 гривень [22].
97
Загальні висновки
1. Аналіз методів та засобів покращення експлуатаційних та екологічних
показників бензинових двигунів, а також більш детальний огляд методу
додавання води підтвердив актуальність досліджень із застосуванням систем
подачі паливно-водних сумішей.
2. Виконаний розрахунково-теоретичний аналіз параметрів робочого
циклу та показників роботи бензинового двигуна на паливно-водній суміші
показав, що приріст ефективної потужності при подачі води у кількості 20% від
витрати палива при n = 4000 хв-1 становить 3,5 кВт (7,7%) порівняно зі штатним
двигуном (42 кВт). Питома ефективна витрата палива при цьому знижується з
315,2 г/кВт·год до 292,7 г/кВт·год (на 7,1%). Ефективний ККД збільшується з
0,26 до 0,28%.
3. Обрано спосіб подачі паливно-водної суміші в бензиновий двигун, з
можливістю зміни складу ПВС.
4. Розроблено методику експериментальних досліджень та сформовано
експериментальну моторну установку. Моторна установка включає двигун із
системою упорскування палива, модернізованою для роботи на ПВС.
5. Проведено лабораторні дослідження щодо визначення працездатності
способу та пристрою подачі паливно-водної суміші. Визначено регулювальні
параметри для забезпечення вмісту води в ПВС у кількості 0...20% витрати
палива для режимів роботи ДВЗ при n = 2000 ... 4000 хв-1 і ����ПДЗ= 20 ... 100%.
Максимальна нерівномірність розподілу ПВС по циліндрах двигуна 5%. Час
розшарування отриманої емульсії щонайменше 5-10 секунд.
6. Виконані порівняльні стендові дослідження бензинового двигуна під
час подачі паливно-водної суміші. Отримано залежність ефективної потужності
Ne та питомої витрати ge палива базового двигуна і двигуна з подачею ПВС при
роботі за зовнішньою швидкісною характеристикою та при роботі за
навантажувальними характеристиками при n = 2000 хв-1 та n = 3000 хв-1 . На всіх
режимах роботи двигуна відзначалося поліпшення ефективних показників при
98
застосуванні ПВС у порівнянні з базовими характеристиками. Найбільше
збільшення ефективної потужності становило до 7,9% при роботі із зовнішньої
швидкісної характеристики для n = 4000 хв-1 і ПВС із вмістом води 20% від
витрати палива. Найбільше зниження питомої ефективної витрати палива
досягається при подачі ПВС із вмістом води 10%: для n = 3000 хв-1 зниження
становить 43 г/кВт·год (13,8%).
7. Проведено експериментальні дослідження екологічних показників під
час роботи на паливно-водній суміші. Найбільше зниження викидів оксидів
азоту спостерігається при подачі ПВС із вмістом води 20% від витрати палива за
частоти обертання n= 2000 хв-1 (з 119 до 38 ррm). Найбільший ефект зі зниження
викидів СО з ВГ досягається при роботі на ПВС із вмістом води 10% від витрати
палива: для режиму n = 2000 хв-1 - з 3,6 до 1,7% (в 2,1 рази). Досягнуто зниження
викидів СН на 18% при роботі за зовнішньою швидкісною характеристикою.
8. Виконано оптимізацію складу ПВС за різними критеріями для
досліджуваних режимів роботи двигуна; отримано рівняння оптимального вміст
води у ПВС (від 10 до 15,5% води від витрати палива).
9. Описано експлуатаційні випробування автомобіля ВАЗ-2111 під час
роботи двигуна на паливно-водній суміші.
10. Описано технологію технічного обслуговування модернізованого
двигуна при подачі паливно-водної суміші.
11. Дано оцінку соціально-економічної ефективності модернізованого
двигуна під час роботи на паливно-водній суміші. Чистий річний економічний
ефект становить 2030 грн./рік на один автомобіль при середньорічному пробігу
20 тис. км. Соціальний ефект полягає у зниженні екологічного тиску на довкілля
на 10%.
99
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Ковальчук І. В. Тенденції вичерпання світових запасів нафти та
перспективи альтернативної енергетики // Енергетика і електрифікація. –
2023. – № 4. – С. 15–21.
2. Гнатюк С. О., Шевченко М. В. Динаміка світових запасів вуглеводнів та їх
освоєння // Нафтогазова галузь України. – 2022. – № 9. – С. 42–50.
3. United Nations Environment Programme (UNEP). Global Resources Outlook
2024: Pathways to Sustainability. – Nairobi: UNEP, 2024. – 164 p. – URL:
https://www.unep.org/resources/report/global-resources-outlook-2024 (дата
звернення: 05.11.2025).
4. Костенко А. М. Аналіз впливу конструктивних параметрів двигуна на
паливну економічність автомобіля // Автомобільний транспорт. – 2023. –
№ 52. – С. 25–31.
5. Пономаренко І. В., Тарасенко С. О. Оптимізація режимів роботи ДВЗ для
підвищення паливної економічності // Двигуни внутрішнього згоряння. –
2022. – № 3. – С. 40–46.
6. Millington B. W., Eastlake D. F. Engine Testing: Theory and Practice. – 4th ed.
– Oxford: Butterworth-Heinemann, 2019. – 620 p. – ISBN 978-0-08-102708-7.
7. Guzzella L., Onder C. H. Introduction to Modeling and Control of Internal
Combustion Engine Systems. – 3rd ed. – Springer, 2017. – 456 p. – DOI:
10.1007/978-3-319-51599-3.
8. Соколов В. П. Паливна ефективність сучасних двигунів внутрішнього
згоряння: аналіз тенденцій // Транспортні системи і технології. – 2024. – №
1. – С. 12–20.
9. Texaco Inc. Texaco Controlled Combustion System (TCCS): Technical
Overview. – Houston: Texaco Research Center, 1982. – 72 p.
100
10. MAN Nutzfahrzeuge AG. MAN-FM Engine Technology: Stratified Charge
Combustion in Heavy-Duty Engines. – Munich: MAN Technical Bulletin, 1981.
– 48 p.
11. SAE Technical Paper 800027. Combustion Control in the MAN-FM Engine. –
Warrendale, PA: SAE International, 1980. – DOI: 10.4271/800027.
12. SAE Technical Paper 790395. Experimental Results from the MARKER Engine
System. – Warrendale, PA: SAE International, 1979. – DOI: 10.4271/790395.
13. Бондаренко С. П. Дослідження характеристик двигунів із системою
MARKER // Нафтогазова енергетика. – 2023. – № 1. – С. 28–33.
14. Guzzella L., Onder C. H. Modeling and Control of Advanced Combustion
Engines. – Springer, 2017. – P. 314–318 (приклад систем IFP). – DOI:
10.1007/978-3-319-51599-3.
15. Демченко Р. С. Технологічні рішення IFP для систем стратифікованого
згоряння // Енергетика і транспортні системи. – 2024. – № 3. – С. 47–52.
16. Пархоменко С. І. Сучасні тенденції у використанні каталітичних
нейтралізаторів в автомобільних двигунах // Автомобільний транспорт. –
2022. – № 50. – С. 18–24.
17. Гнатюк С. В., Павленко В. П. Дослідження впливу водяного упорскування
на показники роботи бензинового двигуна // Двигуни внутрішнього
згоряння. – 2023. – № 2. – С. 25–31.
18. Кушнір М. І. Методи подачі води у впускну систему ДВЗ для зниження
температури згоряння // Автомобільний транспорт. – 2022. – № 50. – С. 12–
18.
19. Boretti A. Water Injection to Improve Performance and Reduce Emissions of
Internal Combustion Engines. // Energy Conversion and Management. – 2020.
– Vol. 208. – Article 112612. – DOI: 10.1016/j.enconman.2020.112612.
20. Wang C., Zhang Y., Chen G. Experimental Investigation of Water Addition in
Diesel Engines. // Fuel. – 2021. – Vol. 305. – Article 121541. – DOI:
10.1016/j.fuel.2021.121541.
101
21. Tsuchiya T., Aoyagi Y. Humid Air Engine and Water Injection for NOx
Reduction. // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Vol.
143, No. 6. – DOI: 10.1115/1.4050148.
22. Таран М.Д., Тарандушка Л.А. Вивчення впливу бензино-водяних сумішей
на робочі характеристики автомобільного двигуна / Збірник тез доповідей
студентської науково-практичної конференції ЧДТУ: 22–24 квітня 2025 р.
м. Черкаси С. 163.
102