Введение 4
1 Альтернативное топливо Е85, его свойства и перспективы 8
1.1 Спирты как топливо для двигателей внутреннего сгорания 8
1.2 Экспериментальное сравнительное исследование
производительности и выбросов E85 с использованием различных подходов к впрыску в двигателе PFI SI с турбонаддувом 10
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 24
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного
механизма двигателя 41
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
двигателя 41
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 43
4 Анализ влияния вида топлива на рабочий процесс ДВС 55
4.1 Влияния вида топлива на максимальную температуру и давление
цикла 55
4.2 Влияния вида топлива на эффективные показатели цикла 63
Заключение 68
Список используемых источников 70
Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки органических удобрений. Существуют даже проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и сахарного тростника, но эти технологии находятся в ранней стадии коммерциализации. Различают жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, к примеру этанол, метанол, биодизель), твердое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).
Биоэтанол - обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Мировое производство биоэтанола в 2010 году составило 44,3 млрд литров, из которых 45% пришлось на Бразилию и 44,7% - на США. По Российской Федераций обработанных статистических данных нет.
Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США - из кукурузы. Производство этанола из тростника экономически более выгодно, чем из кукурузы. Интересно, что правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон этанола. Бразильский этанол дешевле из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.
Этанол можно считать подходящим альтернативным топливом для двигателей с искровым зажиганием (SI), поскольку он демонстрирует некоторые физические свойства и свойства горения, аналогичные бензину, и его можно производить из возобновляемых источников энергии. В то время как большая часть этанола сегодня производится из зернового крахмала (в США), сахарного тростника (в Бразилии) и рапсового масла (Европа) [1], промышленность внедряет новые технологии для переработки различных видов отходов биомассы, кукурузы и ячменя. для производства новых видов биотоплива с низким содержанием углерода, которые могут достичь целевых показателей использования возобновляемых источников энергии для транспортного сектора.
В Европейском Союзе рыночный бензин может содержать до 10% этанола по объему (E10). До сих пор бензин E10 был представлен только в Финляндии, Франции, Германии и Бельгии, тогда как в других странах по- прежнему используется E5. Одна из целей ЕС состоит в том, чтобы к 2020 году 10% транспортного топлива обеспечивалось из возобновляемых источников. Биотопливо нового поколения требуется для снижения интенсивности парниковых газов, образующихся в результате использования топлива; по этой причине ЕС устанавливает строгие критерии устойчивости, чтобы избежать процесса косвенного изменения землепользования (Директива 2018/2001).
Этанол в двигателях SI увеличивает эффективность сгорания, в основном за счет более высокой скорости пламени и содержания кислорода. Скрытая теплота испарения этанола в 2-3 раза выше, чем у бензина; это охлаждает воздух, поступающий в двигатель, и увеличивает объемную эффективность и удельную мощность.
Более того, более высокая температура самовоспламенения, скрытая теплота парообразования и исследовательское октановое число этанола могут снизить склонность двигателя к детонации [2].
Несмотря на эти выгодные характеристики, чистый этанол нелегко использовать в качестве транспортного топлива, главным образом потому, что его низкая теплотворная способность и низкая летучесть затрудняют холодный пуск, особенно в холодном климате.
Самый распространенный способ решить эту проблему — смешать этанол с гораздо более летучим топливом, таким как бензин.
Смеси этанола и бензина широко изучались в исследованиях двигателей [3,4], результаты показали, что смеси этанола и бензина обеспечивают более высокий КПД двигателя по сравнению с чистым бензином.
Однако низкие уровни этанола могут способствовать более легкому испарению бензина, поэтому смеси с низким содержанием этанола могут увеличить выбросы в результате испарения в транспортных средствах.
По этой причине производители автомобилей разработали автомобили с гибким топливом, способные работать с уровнями этанола в диапазоне от 0% до 85%. Эти транспортные средства в настоящее время очень популярны в Бразилии и Швеции, и их будущая популярность в основном будет зависеть от стратегии, принятой для увеличения доли биотоплива на рынке.
Более высокие процентные содержания этанола обычно используются в Бразилии и США с целью снижения зависимости от ископаемого топлива и улучшения характеристик двигателя [5]. E85 (15% бензина плюс 85% этанола по объему) обычно представляет собой смесь с наибольшим количеством биоэтанола, которую можно найти в Соединенных Штатах с более чем 3000 заправочными станциями [6]. E85 имеет октановое число 106, что значительно ниже, чем у чистого этанола, но все же выше, чем у бензина (95).
Такая смесь бензина и этанола с высоким содержанием этанола менее летучая, чем смеси бензина и этанола с низким содержанием этанола, и приводит к более низким выбросам в результате испарения. С другой стороны, по сравнению с бензином, этанолу требуется более высокое соотношение топливо/воздух для стехиометрического сгорания, и он имеет более низкую низшую теплотворную способность.
Это означает, что топливу на основе этанола требуется более высокий массовый расход топлива и, следовательно, большая длительность импульса впрыска, что приводит к большей склонности к смачиванию стенок цилиндра и поршня.
Обычно бензин и этанол смешивают снаружи в определенном соотношении перед использованием в качестве топлива. Однако новая стратегия двойного впрыска через порт может обеспечить большую гибкость: разные количества двух разных видов топлива могут по отдельности и одновременно впрыскиваться во впускной коллектор, что позволяет использовать разные соотношения смешивания. Соотношение альтернативных и ископаемых видов топлива в смеси может быть мгновенно изменено в зависимости от потребности двигателя и наличия топлива в автомобиле. Таким образом, стратегия двойного впрыска в порт предлагает альтернативный подход для достижения строгих целей по выбросам и будущего законодательства о биотопливе [7,8].
В настоящее время нет информации о влиянии смесеобразования на производительность, сгорание и выбросы. По этой причине в этой статье для E85 сравнивались предварительно смешанная стратегия PFI и эквивалентная двойная инъекция через порт.
Рабочие характеристики и выбросы были изучены в различных двигателях SI, работающих на E85, с точки зрения теплового КПД, оксида углерода (CO), оксидов азота (NOx), диоксида углерода (CO2) и несгоревших углеводородов (HC) [9,10]. Многие исследователи сообщили, что смешанное этанольное топливо в двигателе SI значительно снизило содержание HC и CO. Однако изменения содержания CO2и NOxсильно зависели от типа двигателя и условий эксплуатации. Общепризнано, что топливо со смесью этанола имеет более высокие выбросы массы твердых частиц (PM) и числа частиц (PN), чем бензин в двигателях с непосредственным впрыском (DI) SI, в основном из-за более низких характеристик испарения этанола при температуре окружающей среды ниже 300 K.
Выполнено сравнение протекания процесса сгорания при работе на альтернативном топливе Е85 и базовом топливе бензине. Выполнен обзор литературы по поставленной проблеме, тепловой, динамический и кинематический расчет двигателя, а также анализ влияния нового топлива на характеристики работы двигателя. Получены основные выводы по работе:
1. Переход на E85 позволил увеличить угол опережения зажигания и устранить перерасход топлива, при этом увеличение угла опережения зажигания привело к небольшому увеличению теплового КПД без снижения нагрузки на двигатель.
2. Комбинированный эффект содержания кислорода в этаноле и обеднения заряда привел к более полному процессу окисления отработавших газов с уменьшением выбросов CO и HC. Напротив, выбросы NO увеличились из-за более высокого соотношения воздух-топливо и повышения пикового давления и температуры из-за увеличения времени воспламенения.
Выводы по 1-му разделу
Проведенный обзор показал значительный интерес к смесевому топливу Е85, которое в будущем может стать серьезной альтернативой бензину. Многими исследователями отмечено, что работа на Е85 позволяет повысить детонационные пределы, что позволит снизить эффект снижения мощности из-за меньшей объемной теплотворной способности спиртового топлива. Также отмечается большая полнота сгорания, позволяющая снизить токсичность по продуктам неполного окисления СО и СН. Большие температуры сгорания повысили токсичность по NOx.
Выводы по 2-му разделу
Переход на E85 позволил увеличить угол опережения зажигания и устранить перерасход топлива, при этом увеличение угла опережения зажигания привело к небольшому увеличению теплового КПД без снижения нагрузки на двигатель.
Выводы по 3-му разделу
Применение топлива Е85 привело к незначительному снижению нагрузок на КШМ, примерно на 8%. Снижение нагрузки при большей детонационной устойчивости позволяет рекомендовать работать на таких топливах на степенях сжатия 14-17. Это повысит несколько нагрузки на элементы КШМ, но их увеличение будет в рамках запаса прочности. Либо же необходимо применять наддув для эффективного использования заложенного с топливом потенциала.
Выводы по 4-му разделу
Комбинированный эффект содержания кислорода в этаноле и обеднения заряда привел к более полному процессу окисления отработавших газов с уменьшением выбросов CO и HC. Напротив, выбросы NO увеличились из-за более высокого соотношения воздух-топливо и повышения пикового давления и температуры из-за увеличения времени воспламенения.
1. Вибе, И.И. Уточненный тепловой расчет двигателя / И.И. Вибе// М. Машиностроение, 1971. - с.282
2. ГОСТ 7.1-2003. Библиографическая запись. Общие требования и правила составления. - Москва: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 47 с.
3. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей /
A. И. Колчин, В.П. Демидов // Учебное пособие для вузов - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Высшая школа 1980. - с.496.
4. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. - М.: «Машиностроение», 1983.
5. Смоленский, В.В. Автомобильные двигатели: курс лекций /
B. В. Смоленский. - Тольятти: ТГУ, 2009. - 183 с.
6. Akmandor, I.S. Novel Thermodynamic Cycle / I.S. Akmandor, N. Ersoz// PTC, WO, 2004. 022919 AI. (March 18th 2004)
7. Alamia, A.; Magnusson, I.; Johnsson, F.; Thunman, H.Well-to-wheel analysis of bio-methane via gasification, in heavy duty engines within the transport sector of the European Union. Appl. Energy 2016, 170, 445-454.
8. Alfredas Rimkus, Tadas Vipartas, Donatas Kriauciunas, Jonas Matijosius and Tadas Ragauskas «The Effect of Intake Valve Timing on Spark-Ignition Engine Performances Fueled by Natural Gas at Low Power» / Energies 2022, 15, 398. doi.org/10.3390/en15020398
9. Ammenberg, J.; Anderberg, S.; Lonnqvist, T.; Gronkvist, S.; Sandberg, T. Biogas in the transport sector: Actor and policy analysis focusing on the demand side in the Stockholm region. Resour. Conserv. Recycl. 2018, 129, 70.
10. Baumeister, T. Mark's Standard Handbook for M. Engineer / T Baumeister // McGraw- Hill Inc., New York, 1966.
11. Beran, R. Entwicklung des H17/24G - Demerstenkoreanischen Gasmotor / R. Beran, T. Baufeld, H. Philipp, J. T. Kim, J. S.Kim // in: 11. Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors. Graz. 2007
12. Beran, R., Baufeld, T., Philipp, H., Kim, J. T., Kim, J. S.: Entwicklung des
H17/24G - Dem ersten koreanischen Gasmotor. in: 11. Tagung Der
Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors. Graz. 2007
13. Bonnevie-Svendsen, A. Double-Vibe-Model for heat release in lean burn gas engines with prechamber ignition /A. Bonnevie-Svendsen, K. Boulouchos, Ch. Lammle, I. Vlakos // in: 6. Dessauer Gasmotoren-Konferenz. Dessau- RoBlau. 2009
14. Bonnevie-Svendsen, A., Boulouchos, K., Lammle, Ch., Vlakos, I.: Double-Vibe-Model for heat release in lean burn gas engines with prechamber ignition. in: 6. Dessauer Gasmotoren-Konferenz. Dessau-RoBlau. 2009
15. Carbot-Rojas, D. A survey on modeling, biofuels, control and supervision systems applied in internal combustion engines /D.A. Carbot-Rojas , R.F. Escobar-Jimenez, J.F. Gomez-Aguilar, A.C. Tellez-Anguiano // Instituto Tecnologico de Morelia, Morelia, Michoacan, CP 58120, Mexico 2017-PP.21-26
16. Cinzia Tornatore, Luca Marchitto, Maria Antonietta Costagliola and Gerardo
Valentino « Experimental Comparative Study on Performance and Emissions of E85 Adopting Di erent Injection Approaches in a Turbocharged PFI SI Engine» / Energies 2019, 12, 1555;
doi:10.3390/en12081555
17. Clarke, J. M. Thermodynamic Cycle Requirements for Very High Rotational Efficiencies / J. M. Clarke // J. Mech. Eng. Sci. 1974
18. Defu, Z., Qingping, Z. Investigation on the Combustion Characteristics of the Compression Ignition Divided Chamber Combustion System of the Natural Gas Engine. in: CIMAC Congress. Wien. 2007.
19. Duranti, A. Ethnography of Speaking: Toward a Linguistics of praxis / A. Duranti // Linguistics: The Cambridge Survey. - Cambridge, 1988. - PP. 210-228.
20. Fuller, D.D. Theory and Practice of Lubrication for Engineers / D.D. Fuller // John Wiley & Sons Inc., New York, 1966
21. Haywood, R.W. A Critical Review of Theorems of Thermodynamics Availability // R.W. Haywood / J. Mech. Eng. Sci. vol.16 MIT Press, 1970.
22. Heinz, C. Mittermayer, F., Sattelmayer, T.: Investigation of a Novel Pre-Chamber-Concept for Lean Premixed Combustion in Large Bore Gas Motors. Projektplakat. Technische Universitat Munchen. 2005
23. Huan,L.Study of air fuel ratio on engine performance of direct injection hydrogen fueled engine / L. Huan //Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Malaysia Pahang, 26600 Pekan, Pahang, Malaysia 2016-PP.13-21
24. Jensen, S.S.; Winther, M.; Jorgensen, U.; Moller, H.B. Scenarios for Use of Biogas for Heavy-Duty Vehicles in Denmark and Related GHG Emission Impacts; Trafikdage: Aalborg, Denmark, 2017.
25. Lonnqvist, T.; Sanches-Pereira, A.; Sandberg, T. Biogas potential for sustainable transport-a Swedish regional case. J. Clean. Prod. 2015, 108, 1105-1114.
26. Lyng, K.A.; Brekke, A. Environmental Life Cycle Assessment of Biogas as a Fuel for Transport Compared with Alternative Fuels. Energies 2019, 12, 532.
27. Moteki K, Aoyama S, Ushijima K, Hiyoshi R, Takemura S, Fujimoto H, et al. A study of a variable compression ratio system with amulti- linkmechanism. SAE Paper No. 2003-01-0921.Warrendale PA, USA: SAE International; 2003
28. Osama H. Ghazal, Gabriel Borowski « Use of Water Injection Technique to Improve the Combustion Efficiency of the Spark-Ignition Engine: A Model Study»/ Journal of Ecological Engineering Vol. 20(2), 2019. - 226-233. - doi.org/10.12911/22998993/99689
29. Paolo lodice, Amedeo Amoresano, Giuseppe Langella «A review on the
effects of ethanol/gasoline fuel blends on NOX emissions in spark-ignition engines» / Biofuel Research Journal 32 (2021) 1465-1480. DOI:
10.18331/BRJ2021.8.4.2
30. Renegar, D.C. The Quasiturbine / D.C. Renegar // USA Patent No:6629065 September 12th 2003
31. Rory, R. D. The Ball Piston Engine: A New Concept in High Efficient Power Machines / R. D. Rory // Convergence Eng. Corporation.
32. Shaik A, Shenbaga Vinayaga Moorthi N, Rudramoorthy R. Variable compression ratio engine: A future power plant for automobiles—An overview. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (IMechE); Part D: Journal of Automobile Engineering. 2007;221(D9): 1159-1168
33. Stephen, R. T. An Introduction to Combustion / R.T.Stephen // McGraw-Hill Series in Mech. Eng. 1996.
34. Thomasson, A. Co-Surge in Bi-Turbo Engines - Measurements, Analysis
and Control / Thomasson A, Eriksson L. // Control Engineering Practice, (32) 2014, 113-122. http://dx.doi.org/10.1016/j.conengprac.2014.08.001
Copyright: Elsevier
35. Verhelst, S. A critical review of experimental research on hydrogen fueled SI engines / S. Verhelst, R. Sierens, S. Verstraeten // SAE. - 2006. - №2006¬01-0430.
36. Wonjae Choi, Han Ho Song «Composition-considered Woschni heat transfer correlation: Findings from the analysis of over-expected engine heat losses in a solid oxide fuel cell-internal combustion engine hybrid system» / Energy 203 (2020) 117851: doi.org/10.1016/j.energy.2020.117851
37. Wos P, Balawender K, Jakubowski M, Kuszewski H, Lejda K, Ustrzycki A. Design of Affordable Multi-Cylinder Variable Compression Ratio (VCR) Engine for Advanced Combustion Research Purposes. SAE Paper No. 2012-01-0414. Warrendale PA, USA: SAE International; 2012