Поліпшення енергетичних показників і паливної економічності бензинового двигуна в режимах повних навантажень - Автореферат

НАЦІОНАЛЬНИЙ транспортний університет удк 621.43.18 спеціальність: 05.05.03 - двигуни та енергетичні установкиРобота виконана в Національному транспортному університеті (НТУ) Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гутаревич Юрій Феодосійович, Національний транспортний університет, м. Захист відбудеться 26.11.2010 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м.Актуальність теми полягає у тому, що теоретичними та експериментальними дослідженнями показано, як добавкою закису азоту до повітряного заряду можна одночасно покращити енергетичні показники і паливну економічність та створити сприятливі умови для роботи каталітичних нейтралізаторів. Експериментальним методом досліджувались енергетичні та екологічні показники, паливна економічність при надходженні в циліндри повітря та повітря з добавкою закису азоту. Індицируванням визначались показники робочого циклу бензинового двигуна при надходженні в циліндри повітря та повітря з добавкою закису азоту. Розрахунковим методом на уточненій математичній моделі визначались індикаторні показники робочого циклу бензинового двигуна при різних за величиною добавках закису азоту до повітряного заряду. Показано, що при добавці закису азоту до повітряного заряду викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами бензинового двигуна в режимі повних навантажень змінюються по різному: викиди продуктів неповного згоряння оксиду вуглецю та вуглеводнів знижуються, а викиди оксидів азоту зростають.При добавці закису азоту до повітряного заряду, яка має місце при повних відкриттях дросельної заслінки, тобто при незначних насосних втратах, доцільно проаналізувати зміну індикаторного крутного моменту та індикаторного к.к.д. і за характером цієї зміни в залежності від розміру добавки закису азоту можна оцінити очікувані енергетичні показники двигуна і його паливну економічність. Відомо, що індикаторний крутний момент можна визначити за залежністю: , (1) де - густина повітряного заряду, кг/м3; ?0 - теоретично необхідна кількість повітряного заряду для згоряння 1кг палива, кг повітря/кг палива; ?i-індикаторний к.к.д.; ? - коефіцієнт надміру повітря; - коефіцієнт наповнення двигуна повітрям; D - показник, який характеризує групу параметрів і сталих величин. Коефіцієнт наповнення може бути введений в групу сталих величин, позначених D, тому, що при добавці закису азоту до повітря змінюються параметри повітряного заряду на впуску в двигун, зокрема , це впливає на масове наповнення двигуна, а обєм повітряного заряду в момент закриття впускного клапана залишиться без змін. Отримано залежність для визначення коефіцієнта надміру повітря за обємною часткою закису азоту в суміші повітря і N2O: ,(2) де і - густини повітря і закису азоту при умовах на впуску, кг/м3; і - обємні частки цих компонентів в повітряному заряді, м3/м3; та - масові частки кисню в повітрі та закису азоту, кг/кг; і - молекулярні маси повітря і закису азоту, кг/кмоль; Vk - обєм повітряного заряду використаного за годину, зведеного до умов на впуску, м3; Gп - годинна витрата бензину, кг/год; С, Н, О - масові частки елементів в паливі, кг/кг. Питома ефективна витрата палива: 1 - серійна система; 2 - з добавкою закису азоту Аналіз експериментальних даних (рис.5 та 6) показує, що разом із збідненням суміші добавкою закису азоту до повітряного заряду має місце зростання енергетичних показників та поліпшення паливної економічності.В дисертаційній роботі досліджується вплив добавки закису азоту до повітряного заряду на енергетичні та екологічні показники і паливну економічність бензинових двигунів в режимах повних навантажень. Теоретичними дослідженнями робочого циклу двигуна ВАЗ-2103 з використанням уточненої моделі показано, що за добавки закису азоту до повітряного заряду в кількості 12% за обємом середній індикаторний тиск зростає на 9,3 %, індикаторний к.к.д. Експериментальні дослідження двигуна ВАЗ-2103 в швидкісному режимі двигуна n = 2850хв-1 показали, що додавання закису азоту до повітря в кількості 12 % по обєму збільшує ефективну потужність двигуна на 6,6 % та зменшує ефективну питому витрату палива на 6,3%. Розрахунковими дослідженнями з використанням експериментально визначених концентрацій показано, що викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами бензинового двигуна в режимі повних навантажень при добавці закису азоту до повітряного заряду змінюються по різному: викиди продуктів неповного згоряння (СО і CMHN) знижуються, а викиди оксидів азоту (NOX) зростають. При додаванні закису азоту до повітряного заряду в кількості 10% по обєму за роботи в економайзерному режимі з ? = 0,9 (n = 2700хв-1) питомі масові викиди СО зменшуються в 1,72 раза, CMHN - в 1,12 раза, а викиди NOX зростають в 1,24 раза.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Основними енергоустановками легкових автомобілів є бензинові двигуни. Поліпшення енергетичних показників цих двигунів є важливою задачею. Відомі декілька методів такого поліпшення. Найбільш розповсюдженим є збагачення паливоповітряної суміші в режимах повних навантажень збільшенням подачі бензину з допомогою різних пристроїв. Як відомо, цьому методу притаманні такі недоліки як погіршення паливної економічності, зростання викидів продуктів неповного згоряння з відпрацьованими газами та незадовільна робота каталітичних нейтралізаторів. Цих недоліків можна уникнути збідненням суміші при незмінній подачі бензину шляхом добавки до повітряного заряду газів з підвищеним вмістом кисню, зокрема закису азоту. В дисертаційній роботі досліджується вплив добавки закису азоту до повітряного заряду на енергетичні та екологічні показники і паливну економічність бензинових двигунів в режимах повних навантажень.

2. З використанням основних положень теорії поршневих двигунів та результатів експериментальних досліджень, проведених на серійних бензинових двигунах, на початковому етапі досліджень обґрунтована можливість одночасного покращення енергетичних показників та паливної економічності бензинових двигунів в режимах повних навантажень добавкою закису азоту до повітряного заряду. Для двигуна 8Ч10/9,5 (ЗИЛ-130) очікуване поліпшення енергетичних показників складає близько 6,0 %, підвищення індикаторного к.к.д. і зниження індикаторної питомої витрати бензину - близько 8,0 %.

3. Теоретичними дослідженнями робочого циклу двигуна ВАЗ-2103 з використанням уточненої моделі показано, що за добавки закису азоту до повітряного заряду в кількості 12% за обємом середній індикаторний тиск зростає на 9,3 %, індикаторний к.к.д. - на 15,1 %.

4. Експериментальні дослідження двигуна ВАЗ-2103 в швидкісному режимі двигуна n = 2850хв-1 показали, що додавання закису азоту до повітря в кількості 12 % по обєму збільшує ефективну потужність двигуна на 6,6 % та зменшує ефективну питому витрату палива на 6,3%.

5. Розрахунковими дослідженнями з використанням експериментально визначених концентрацій показано, що викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами бензинового двигуна в режимі повних навантажень при добавці закису азоту до повітряного заряду змінюються по різному: викиди продуктів неповного згоряння (СО і CMHN) знижуються, а викиди оксидів азоту (NOX) зростають. При додаванні закису азоту до повітряного заряду в кількості 10% по обєму за роботи в економайзерному режимі з ? = 0,9 (n = 2700хв-1) питомі масові викиди СО зменшуються в 1,72 раза, CMHN - в 1,12 раза, а викиди NOX зростають в 1,24 раза.

6. При використанні в системі випуску окисного каталітичного нейтралізатора встановлено зниження питомих масових викидів шкідливих речовин за добавки закису азоту, яке складає за СО в 4,9 рази, за CMHN - в 1,54 раза, але при цьому зростають питомі масові викиди NOX в 1,66 раза. Із встановленням в систему трикомпонентного каталітичного нейтралізатора можна очікувати зниження викидів продуктів неповного згоряння при переході зі збагаченої паливоповітряної суміші до стехіометричної з добавкою закису азоту до повітря за СО в 10,6 раза, за CMHN - в 3,7 раза, а також очікувати зростання NOX в 1,26 раза. При цьому розраховані питомі сумарні масові викиди шкідливих речовин, зведені до СО, складають 266,84 г/КВТ?год за збагаченої паливоповітряної суміші та 121,66 г/КВТ?год за стехіометричної суміші в разі добавки закису азоту до повітряного заряду двигуна, тобто знижуються в 2,2 раза.

7. Індицирування робочого процесу бензинового двигуна показало, що при добавці закису азоту до повітряного заряду в кількості 12 % по обєму (n = 2850 хв-1) максимальний тиск в циліндрі двигуна зростає на 11,5 %. За результатами обробки експериментальних індикаторних діаграм показано, що показник характеру згоряння при добавці закису азоту не змінюється і дорівнює m = 5, а тривалість процесу згоряння збільшується на 5,8 %.

8. У разі перерегулювання карбюратора для роботи двигуна на збагаченій паливоповітряній суміші при добавці закису азоту до повітря в кількості 11% за обємом (при n = 2900 хв-1) крутний момент і ефективна потужність двигуна збільшилися на 14,4%, що підтверджує можливість значного підвищення енергетичних показників двигунів при добавці закису азоту та відповідного додаткового штучного збагачення суміші.

9. З використанням результатів досліджень розроблена система добавки закису азоту до повітряного заряду двигунів внутрішнього згоряння, на яку отримано патент України № 45697 на корисну модель. Результати теоретичних та експериментальних досліджень прийняті для використання ДП “ДЕРЖАВТОТРАНСНДІПРОЕКТ” та підприємством ЦК ТСО України „Автодром Чайка”.

1. Гутаревич Ю.Ф. Покращення показників роботи двигуна з іскровим запалюванням шляхом хімічного наддуву / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В., Приходько А. М. // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Центрального наукового центру ТАУ. - 2006. - Вип. 9. - С. 44 - 46.

2. Гутаревич Ю.Ф. Вплив добавки кисневмісного газу N2O на склад паливоповітряної суміші двигуна з іскровим запалюванням / / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В. // Вісник НТУ. - 2006. - №12.- с.122-125.

3. Гаркуша Ю.В. Вплив добавки кисневмісного газу N2O на роботу двигуна з іскровим запалюванням / Юхим Гаркуша // Вісник НТУ.Ч.2. - 2007. - № 15.- с. 38-40.

4. Гутаревич Ю.Ф. Вплив добавки закису азоту до повітря на показники робочого циклу двигуна / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В. // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Центрального наукового центру ТАУ. - 2008. - Вип. 11. - С. 104 - 107.

5. Гутаревич Ю.Ф. Покращення індикаторних показників бензинового двигуна добавкою закису азоту до повітря / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В., Мержиєвська Л.П. // Вісник НТУ. - 2008. - № 16.- с. 50-53.

6. Гутаревич Ю.Ф. Обґрунтування можливості одночасного поліпшення енергетичних показників та паливної економічності бензинових двигунів додаванням закису азоту до повітряного заряду / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В., Мержиєвська Л.П. // Вісник НТУ. - 2009. - № 18.- с. 10-16

7. Пат. 45697 Україна, МПК (2009) F02B 29/00. Система добавки закису азоту до повітряного заряду двигунів внутрішнього згорання / Гутаревич Ю.Ф., Гаркуша Ю.В.; заявник і власник Національний Транспортний Університет. - № u 2009 04760; заявлений 15.05.09; опублікований 25.11.09, Бюл. № 22.

8. Гаркуша Е.В. Способы организации рабочих процессов двигателей инженерной спецтехники / Гаркуша Е.В., Загоруля М.О., Валенкович А.В. // Міжнародна науково-практична конференція „Наука в інформаційному просторі”: Збірник наукових праць. - Т.1. - Д.: ПДАБА. - 2007, - с.70-72.

9. Приходько В.М. Теоретические исследования химического наддува двигателя Отто / Приходько В.М., Гаркуша Е.В., Приходько А.М. // Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников - СПБ.: ИПЦ СПГУВК, Т.1, - 2005. - с.155-162.

10. Гаркуша Ю.В. Покращення енергетичних властивостей двигуна з іскровим запалюванням методом хімічного наддуву // Тези доповідей 62 наук. конф. професорсько-викладацького складу, працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2006. - С. 22.

11. Гаркуша Ю.В. Покращення екологічних показників та паливної економічності автомобіля з бензиновим двигуном за допомогою добавки кисневмісного газу N2O // Тези доповідей 63 наук.-практ. конф. науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2007. - С. 29.

12. Гаркуша Ю.В. Покращення енергетичних показників двигуна з іскровим запалюванням шляхом хімічного наддуву // Тези доповідей 64 наук.-практ. конф. науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2008. - С. 28.

13. Гаркуша Ю.В. Покращення індикаторних показників бензинового двигуна добавкою закису азоту до повітря // Тези доповідей 65 наук.-практ. конф. науково-педагогічних працівників, аспірантів, студентів та структурних підрозділів університету. - К.: НТУ, 2009. - С. 25.