Помощь студентам в учебе
Двигатель с искровым зажиганием на альтернативном топливе Е85
|
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
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.
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. 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.