Эффективный расход топлива бензинового двигателя

Почему автомобиль потребляет больше бензина?

Многие автолюбители сегодня сталкиваются с неприятной проблемой, которая заключается в повышенном расходе топлива – от этого не застрахован ни один автомобиль, поэтому стоит разобраться в причинах данного явления. Следует сразу сказать, что конкретного ответа почему автомобиль потребляет больше бензина нет, здесь нужно рассматривать несколько разных причин или даже их совокупность.

Стиль езды

Первая и самая распространенная причина почему авто потребляет больше топлива связана со стилем вашего вождения. Если вы часто разгоняете автомобиль до отказа, то топливная система здесь не при чем. При такой манере эксплуатации высокий расход горючего просто обеспечен вне зависимости от типа двигателя, поэтому стоит начать ездить более плавно. Помимо этого, размеренный стиль вождения продлевает ресурс двигателя, трансмиссии и ходовой части вашего автомобиля.

Проблемы с датчиками

Вторая причина, почему автомобиль потребляет больше топлива – это неполадки в электронном блоке управления, а если точнее, то в его сенсорах, которые обеспечивают данный блок информацией о работе тех или иных систем автомобиля. Одна из таких проблем – неисправность датчика положения дроссельной заслонки (TPS). Такая проблема заставляет блок управления неправильно выставлять требуемую нагрузку при ускорениях.

Кроме того, к повышенному расходу бензина приводит неисправность датчика воздуха – он показывает, что внутрь мотора поступает больше воздуха, а компьютер начинает впрыскивать больше топлива. Как результат смесь чрезмерно обогащается, а горючее не сгорает полностью и просто выходит через выхлопную трубу. Неполадка работает и в другую сторону – датчик заявляет, что воздуха поступает меньше, чем на самом деле – компьютер подает меньше топлива, смесь беднеет, а мощность двигателя падает. В попытках наверстать мощность водитель давит на газ, что приводит к повышению расхода топлива. Для начала мы рекомендуем прочистить топливную систему специальным составом Комплексный очиститель топливной системы от LAVR, который выпускается в форме присадки к бензиновому или дизельному топливу. Средство поможет очистить дроссельную заслону и всю систему в целом, что значительно снизит перерасход бензина.

Еще одна причина потребления большого количества бензина вашим автомобилем может быть скрыта в датчике температуры антифриза. В таком случае фактическая температура двигателя гораздо выше той, о которой знает бортовой компьютер – это приводит к быстрому испарению топлива внутри цилиндров, а низкое содержание кислорода спровоцирует неправильное сгорание топливной смеси. Все это приводит к падению мощности, электронный блок управления подает больше горючего, хотя на деле двигатель работает в нормальном режиме.

Сниженное давление в топливной системе

От четвертой причины почему авто потребляет больше бензина, не застрахован никто – при нехватке давления внутри топливной системы, качество распыла и объем горючего снижаются, что приводит к потере мощности. При исправной работе бортового компьютера все равно подается недостаточно топлива, водитель давит на газ и получает перерасход. Прежде чем менять элементы топливной системы, мы советуем попробовать специальные промывки, например, Трехуровневый очиститель топливной системы ML100 от LAVR – он выпускается для дизельных или бензиновых агрегатов. Состав эффективно борется с увеличенным потреблением топлива, восстанавливает компрессию и улучшает динамику автомобиля.

Загрязнившиеся форсунки

Еще одной причиной почему автомобиль потребляет больше бензина можно назвать забившиеся сопла форсунок, которые теряют факел распыла топлива из-за нагара — это приводит к сгоранию топливовоздушной смеси внутри выпускного коллектора, а не в цилиндре. Отсюда теряется КПД двигателя, а расход бензина возрастает. В качестве профилактики мы советуем уже отмеченный выше Трехуровневый очиститель топливной системы ML100 или жидкости для безразборной промывки форсунок ML101 и ML102.

Забился воздушный фильтр

Последняя причина почему ваш автомобиль потребляет больше бензина – это засор воздушного фильтра, что далеко не редкость на любых машинах. В таком случае камера сгорания снабжается меньшим количеством кислорода, а блок управления начинает получать некорректные данные о поступающем воздухе. Все это приводит к некорректному расчету нагрузки на двигатель, а топливовоздушная смесь готовится неправильно.

Конечно, причин повышенного расхода топлива гораздо больше. Сюда относится неисправность коробки переключения передач, либо чрезмерный износ двигателя, но мы сегодня рассказали о самых распространенных и неочевидных. Все дело в том, что увидеть загрязнения в топливной системе, либо забитый фильтр вы не сможете, пока не полезете внутрь этой системы. А вот обнаружить неисправность коробки переключения передач, либо понять, что двигатель вашего автомобиля изношен – гораздо проще. Мы советуем перед любым визитом в автосервис пользоваться советами из данной статьи по промывке систем автомобиля – это точно не усугубит ситуацию, а где-то поможет избежать дорогостоящего ремонта.

Расход топлива автомобилей

Расход топлива автомобиля, точнее удельный расход топлива автомобиля — количество израсходованного автомобилем топлива. Обычно приводится к пройденному расстоянию; для специальной техники на автомобильной базе также может определяться часовой расход топлива. На фактический расход влияют в том числе качество топлива и условия поездки, поэтому для сравнения эти параметры нормируются.

В настоящее время является одной из важных характеристик автомобиля и его двигателя, в первую очередь, в странах Европы и развитых странах других частей света. На протяжении всей истории производства автомобилей производителями всего мира решается проблема снижения расхода топлива. После «нефтяного кризиса» начала 70-х годов XX века, вследствие резкого подорожания нефти и нефтепродуктов, удельный расход топлива автомобилем стал одной из важнейших характеристик при выборе автомобиля покупателем.

В настоящее время государственные структуры большинства развитых стран оказывают давление как на автопроизводителей, так и на национальные рынки с целью стимуляции к разработке, производству и покупке как можно более экономичных автомобилей.

В целом можно уверенно заявить, что почти все элементы конструкции современного автомобиля оказывают влияние на расход топлива. Начиная от эффективного двигателя, правильно подобранных передаточных отношений трансмиссии, далее — масса автомобиля, коэффициент его аэродинамического сопротивления, энергопотребление дополнительного оборудования, шины с низким сопротивлением качению; заканчивая применением масел, имеющих меньшие потери при перемешивании и снижающих трение, и даже такими ухищрениями, как регулировка тока топливного насоса, чтобы подавал именно нужное количество топлива в двигатель, а не гонял топливо «по кругу», соответственно, тратил меньше энергии на свою работу.

К тому же, одним из важнейших источников расхода топлива является торможение автомобиля: обычно вся кинетическая энергия движения автомобиля, на создание которой (разгоном) было израсходовано топливо, переводится в тепло при торможении, и рассеивается в пространстве. Именно этот факт вызвал к жизни создание и успешные продажи гибридных автомобилей, которые имеют главное достоинство перед обычными — рекуперацию энергии при торможении автомобиля, её возвращение для следующего разгона.

Человеческий фактор тоже немаловажен: «агрессивный» автомобиль, «подталкивающий» водителя к излишне активной езде, в практике будет расходовать топлива заметно больше, чем автомобиль со «спокойным» характером, несмотря на то, что первый может быть даже экономичнее второго при испытаниях в стандартизированных условиях.

Содержание

1 Единицы измерения
2 Особенности подсчёта
3 Факторы, влияющие на расход топлива
4 Нормирование расхода топлива
5 Удельный расход топлива
6 Контроль расхода топлива
7 Учёт расхода топлива
8 См. также
9 Примечания
10 Ссылки

Единицы измерения [ править | править код ]

Обычно измеряется как:

объём топлива, израсходованного автомобилем при прохождении заданной дистанции. Широко распространено в странах с метрической системой мер, где расход измеряется в литрах на 100 км пробега автомобиля (л/100 км) [источник не указан 3510 дней] . Чем значение меньше, тем экономичней автомобиль;
дистанция, при прохождении которой автомобиль израсходует заданный объём топлива. Широко используется в странах с английской системой мер, где расход измеряется как количество миль, которое автомобиль может проехать на одном галлоне (британском или американском) топлива (миль / галлон, miles per gallon (MPG)) [источник не указан 3510 дней] . В Индии, Японии, Южной Корее экономичность измеряют в км на литр топлива. Чем значение больше, тем экономичней автомобиль.

литр/100 км = 282,48 / галлон (для британского галлона);
литр/100 км = 235,21 / галлон (для американского галлона).

Особенности подсчёта [ править | править код ]

Ранее расчет расхода топлива определялся при проведении заводских испытаний водителями-профессионалами при дорожных испытаниях на специальных треках, сейчас на части автозаводов этот метод сохранен, но применяется для выборочного контроля расхода топлива выпускаемыми автомобилями, проверка определяется внутризаводскими ТУ (техническими условиями), и обычно не публикуется. [ источник не указан 3510 дней ] . . С возрастанием требований рынка была разработана методика промышленных стандартизированных испытаний, проводящихся на стендах. Эта методика позволила исключить какие-либо субъективные влияния и отличается высокой воспроизводимостью результатов.

Читать еще: График оборотов дизельного двигателя

Методика измерений расхода топлива и выбросов CO₂ документально определяется Директивами EC 715/2007 и EC 692/2008.

Для более точных подсчётов выделяют специальные циклы, подробное описание циклов имеется в выше упомянутых Директивах.:

«городской» цикл — характеризуется большей интенсивностью изменения скорости автомобиля, в том числе необходимостью прогрева, работой двигателя во время стоянки на светофорах и в «пробках», а также разгонами и резкими сбросами скорости до нуля. Как следствие, повышенный расход топлива;
«загородный» цикл — характеризуется большей плавностью хода и стабильно удерживаемой скорости, близкой к крейсерской. Следствие: относительно низкий расход топлива [источник не указан 3510 дней] ;
«смешанный» цикл — является комбинацией условий, когда используются и резкий «городской», и спокойный «загородный» стили вождения. Причём, не обязательно, чтобы «загородная» часть цикла осуществлялась вне города: главное — сохранение манеры езды как при «загородном» цикле.

Во время испытаний автомобиль находится в помещении испытательной лаборатории, на мощностном стенде — колеса автомобиля крутят барабаны стенда, автоматика (ранее водитель-испытатель) четко выполняет циклы разгона-равномерного движения-торможения. Анализ расхода осуществляется на основе анализа выхлопных газов (в некоторых модификациях теста в топливную магистраль врезается аппаратный расходомер).

Головное освещение, вообще все дополнительные электрические нагрузки, кондиционер и прочее выключены, автомобиль полностью исправен и обслужен, в бак залито эталонное топливо, сопротивление воздуха отсутствует.

Следует отметить, что публикуются именно эти данные, так как они могут быть в любой момент подтверждены на испытательном стенде. Эти данные позволяют объективно сравнивать между собой разные автомобили, или автомобили разных модификаций и т. п. Получив на этих испытаниях результат, что автомобиль «А» на 20 % экономичнее автомобиля «Б», мы вправе рассчитывать, что в реальной эксплуатации соотношение расхода топлива у «А» и «Б» будет близким (не учитывается, например, разная аэродинамика корпусов).

Но при всем при этом указанные нормативы EC 715/2007 и EC 692/2008 (а именно их указывают Производители автомобилей) ни в коей мере не могут быть нормами практического, эксплуатационного расхода или списания топлива при бухгалтерском учете. Для целей списания топлива при эксплуатации автомобилей в России используются периодически переиздаваемые документы Минтранса РФ, и/или другие ведомственные акты (например, для военных — соответствующий приказ министра обороны и т. п.)

Факторы, влияющие на расход топлива [ править | править код ]

На расход топлива влияют много факторов, в том числе и случайные. Основные причины нежелательного повышения расхода:

в первую очередь стиль вождения автомобиля и особенности его эксплуатации, агрессивная манера вождения (высокая скорость и резкие ускорения автомобиля), недостаточная дистанция (провоцирующая частые торможения), неверный выбор режима движения (например, движение на неоптимальной передаче);
современный автомобиль, оснащенный катализатором в выхлопной системе, имеет высокоточную систему дозировки топлива, с обратной связью по составу выхлопных газов: неисправности двигателя и его систем могут сделать неэффективной и неточной эту систему дозировки, вызвать неполное сгорание топлива, а также снизить коэффициент полезного действия собственно двигателя. Но надо отметить, что нарушения системы дозирования топлива отслеживаются встроенными в автомобиль средствами диагностики и в случае несоответствия параметров включается сигнал о неисправности (это одно из требований экологического законодательства);
повышенное сопротивление движению (неисправности трансмиссии, неверные углы установки колес, низкое давление в шинах, заклинившие тормоза, загруженность автомобиля, сопротивление воздуха негабаритным грузом или оборудованием, наличие прицепа).

Залогом наименьших затрат на топливо будут являться исправное техническое состояние автомобиля, выбор оптимального режима движения, опыт водителя. [ источник не указан 3646 дней ] Другие немаловажные факторы:

аэродинамика
передаточные числа трансмиссии (отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей КПП или редуктора)
снаряжённая масса

Нормирование расхода топлива [ править | править код ]

Транспортные организации и компании устанавливают предельно-допустимый уровень потребления топлива при эксплуатации транспортных средств. При этом различают базовый уровень расхода и расчётно-нормативный уровень расхода. Базовый уровень расхода топлива определяется для транспортного средства по стандартной методике и устанавливает норму расходования при обычных условиях использования. Расчётно-нормативный уровень расхода учитывает конкретные условия эксплуатации транспортного средства, а также другие факторы, в частности, ремонт. При этом, в состав норм не включаются расходы топлива на гаражные, технические и другие хозяйственные нужды, которые устанавливаются отдельно.

Распространены следующие виды норм:

норма расхода на 100 км пробега;
норма расхода на 100 тонно-километров (учитывает дополнительный расход топлива, при перевозке груза);
норма расхода в зависимости от категории транспортного средства (легковой автомобиль, грузовой, автобус и т. д.);
норма расхода в зависимости от вида двигателя (бензиновый, дизельный, газ).

Для корректного учёта всевозможных факторов эксплуатации вводят поправочные коэффициенты.

Нормы расхода топлива повышаются:

при работе в зимнее время в южных и северных районах страны, а также в районах Крайнего Севера;
при работе в горных местностях, в зависимости от высоты над уровнем моря;
при работе на автодорогах со сложным планом (не менее 501 поворота на 100 км пути);
при работе в городах, в зависимости от количества населения;
при перевозке крупногабаритных, опасных и т. п. грузов;
при работе на новых автомобилях или на автомобилях после капитального ремонта;
при работе в тяжелых дорожных условиях (снег, наводнения, распутица и т. п.);
при учебной езде;
при использовании кондиционера в салоне;
другие условия [1] .

Удельный расход топлива [ править | править код ]

В автомобильном мире удельный расход топлива как правило обратно пропорционален утяжелению машины. Оптимальнее всего разделить расход топлива на вес. Допустим Honda Dio со снаряженным весом в 60 кг потребляет 2 л/100 км , что получается 33 л/100 км на тонну. В то же время тепловоз 2ТЭ116 расходуя примерно 400 л/100 км способен буксировать состав общим весом в 10 килотонн + 276 тонн собственного веса: то есть на 1 литр расходуемого топлива приходится 25690 кг веса. Избегая подобных крайностей приведём несколько средних примеров.

Оценка топливной экономичности поршневых двигателей после их перевода на газомоторное топливо

УДК 621.433.2. Научная специальность: 05.04.02.

Оценка топливной экономичности поршневых двигателей после их перевода на газомоторное топливо

Леонид В. Плотников, к.т.н., доцент, кафедра «Турбины и двигатели», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ); Андрей М. Козубский, к.т.н., главный конструктор по гидравлическим экскаваторам ПАО «Уралмашзавод», инженер кафедры «Подъёмно-транспортные машины и роботы» УрФУ; Александр Г. Максименко, директор ООО «Элитгаз»; Леонид Е. Осипов, студент магистратуры, кафедра «Турбины и двигатели», УрФУ

Данная статья посвящена оценке энергоэффективности поршневых двигателей, переведённых на газомоторное топливо. На основе численного моделирования рабочих циклов двигателей, работающих на разных видах топлива (бензин, пропан, метан), производится анализ их технико-экономических показателей. Установлено, что перевод бензинового двигателя на пропан приводит к снижению мощности двигателя на 5 % при уменьшении удельного расхода топлива на 4 %; а применение в качестве топлива метана вызывает падение мощности на 12 % при снижении расхода топлива на 13 %.

Ключевые слова: поршневой двигатель, газомоторное топливо, численное моделирование, топливная экономичность, рабочие процессы.

UDC 621.433.2. Number of scientific specialty: 05.04.02.

Evaluation of the fuel effi ciency of piston engines aﬅ er their transfer to gaseous fuel

Leonid V. Plotnikov, PhD, Associate Professor, Department of the Turbines and Engines, Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin (UrFU); Andrey M. Kozubsky, PhD, Chief Designer for hydraulic excavators of “Uralmashplant”, JSC, Engineer of the “Lifting and transporting machines and robots” Department, UrFU; Alexander G. Maksimenko, Director of “Elitegas”, LLC; Leonid E. Osipov, graduate student, Department of the Turbines and Engines, UrFU

This article is devoted to assessing the energy efficiency of piston engines converted to gas engine fuel. On the basis of numerical simulation of the operating cycles of engines operating on different types of fuel (gasoline, propane, methane), their technical and economic indicators are analyzed. It has been established that converting a gasoline engine to propane results in a 5 % reduction in engine power while a 4 % reduction in specific fuel consumption; and the use of methane as a fuel causes a 12 % drop in power, with a 13 % reduction in fuel consumption.

Keywords: piston engine, gas engine fuel, numerical simulation, fuel efficiency, work processes.

Читать еще: Чем очистить двигатель изнутри

Введение

Известно, что одним из актуальных направлений развития поршневого двигателестроения является использование в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) газомоторного топлива (пропана и/или метана) [1–3]. Это связано с рядом положительных эффектов, в частности, с существенным улучшением топливной экономичности и экологичности ДВС. При этом развитие данного направления связано, как с разработкой оригинальных конструкций газопоршневых ДВС (топливной аппаратуры, газобаллонного оборудования, способов смесеобразования и т.д.), так и переводом существующих бензиновых или дизельных двигателей на газообразное топливо (без существенного изменения конструкции). Очевидно, что рабочие процессы газопоршневых двигателей имеют свои особенности, отличные от бензиновых ДВС и дизелей. Соответственно, перевод любых поршневых двигателей на газомоторное топливо требует научной проработки, доводки рабочего процесса и предварительной оценки технико-экономических параметров.

По данному направлению можно выделить ряд разнонаправленных публикаций. Например, в статьях [4, 5] авторы предлагают оригинальные математические модели, описывающие особенности рабочего цикла поршневых ДВС, работающих на газомоторном топливе. В работах [6, 7] на основе численного моделирования производится оценка влияния степени сжатия на технико-экономические показатели автомобильных двигателей «Волга» и «ИЖ», работающих на газе.

Статья [8] посвящена доводке рабочего процесса бензинового двигателя после его перевода на газообразное топливо. Также можно отметить более узконаправленные исследования газопоршневых ДВС. Так, исследователи уделяют внимание закономерностям сгорания различных видов газа в камере сгорания двигателей [9, 10], оценке влияния закрутки рабочего тела на впуске на экологические и технико-экономические показатели газопоршневого ДВС [11], а также анализу функционирования многотопливного газового двигателя [12]. Таким образом, на сегодняшний день учёные и специалисты нацелены на разработку мер по повышению эффективности газопоршневых двигателей. Однако при этом имеется довольно мало исследований, в которых бы производился анализ тех или иных научных и инновационных решений на технико-экономические и экологические параметры конкретных поршневых ДВС и целесообразность их внедрения на практике.

В данной статье на основе численного моделирования рабочего цикла произведена оценка топливной экономичности бензинового ДВС (8Ч9,2/8,8) после его перевода на газомоторное топливо (пропан и метан), а также выполнен анализ влияния степени сжатия на основные показатели рассматриваемого двигателя, работающего на разных топливах.

Постановка задачи

В качестве базового двигателя для исследования был выбран широко распространённый бензиновый двигатель 8Ч9,2/8,8 (заводское обозначение ЗМЗ5231.10. Это V-образный (под углом 90°), четырёхтактный, карбюраторный, верхнеклапанный, восьмицилиндровый двигатель без наддува со следующими основными параметрами:

рабочий объём цилиндров Vh = 4,67 л;
степень сжатия ε = 7,6;
коэффициент избытка воздуха a = 1;
номинальная мощность Ne = 91,2 кВт при 3200–3400 мин –1 ;
максимальный крутящий момент Me = 298 Н·м при 1600–2000 мин –1 ;
количество клапанов на цилиндр — 2;
высота подъёма клапанов h = 10 мм.

Исследования проводились на основе численного моделирования рабочего цикла двигателя в программном комплексе «Дизель-РК», разработанном в МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Сначала была проведена настройка математической модели базового двигателя по 39 параметрам, включающим фазы газораспределения, геометрию впускных и выпускных систем, продолжительность сгорания, угол опережения зажигания, конструктивные особенности цилиндропоршневой группы и т.д. В результате были сопоставлены внешние скоростные характеристики (по мощности, крутящему моменту и расходу топлива) двигателя-прототипа (данные из руководства по эксплуатации) и базового двигателя (данные «Дизель-РК»), отличия в которых не превышали 7 %.

Далее в математической модели осуществлялась замена жидкого топлива (бензина) на газообразное — пропан и метан. Химический состав (в процентных долях) бензина был следующим: С = 0,855, Н = 0,145 при низшей теплоте сгорания Hu, равной 44 МДж/кг. Химический состав пропана: С = 0,817, Н = 0,182 при Hu = 46,47 МДж/кг; метан: СН4 = 0,95, С2Н6 = 0,05 при Hu = 49,74 МДж/кг. Исследования проводились в диапазоне частот коленчатого вала n от 1000 до 3400 мин–1 с шагом 400 мин–1 при стандартных атмосферных условиях. Ключевыми параметрами, на основании которых производился анализ влияния перевода ДВС на газообразное топливо, являлись эффективная мощность Ne и удельный эффективный расход топлива ge.

Результаты моделирования рабочего цикла поршневых ДВС

На рис. 1 показаны зависимости Ne и ge от частоты вращения коленчатого вала n после перевода базового двигателя на газомоторное топливо (пропан и метан) с сохранением всех основных параметров ДВС (степени сжатия, фаз газораспределения, угла опережения зажигания и т.д.).

Как и следовало ожидать, перевод бензинового двигателя на газ сопровождается уменьшением мощности во всём диапазоне частот вращения коленвала: в случае работы ДВС на пропане снижение Ne не превышает 5 %, а при использовании метана достигает 12 %. При этом наблюдается улучшение топливной экономичности газопоршневых двигателей внутреннего сгорания. Выигрыш в расходе топлива (по сравнению с базовым двигателем) составляет в среднем 4 % и 13 %, соответственно, при использовании в качестве топлива пропана и метана.

Таким образом, положительный эффект от перевода бензинового двигателя на газомоторное топливо заключается в снижении расхода топлива, но при одновременной потере мощности. Известно, что повышение степени сжатия в поршневых ДВС имеет ряд преимуществ, в частности, уменьшение gе и рост Ne, что связано с увеличением термического КПД и улучшением условий для смесеобразования и сгорания топлива [13, 14]. Поэтому было исследовано влияние величины степени сжатия поршневых двигателей, переведённых на газомоторное топливо, на их технико-экономические показатели (рис. 2).

Установлено, что наиболее заметный рост мощности двигателя наблюдается при увеличении степени сжатия ε до 15, после чего рост Ne становится малозаметным; при этом зависимость ge = f(ε) имеет экстремум при рассматриваемой величине ε. Следовательно, можно предположить, что оптимальные значения степени сжатия для газопоршневых двигателей размерности 9,2/8,8 находятся в районе 14–16. Таким образом, было произведено сравнение технико-экономических показателей базового бензинового ДВС (с ε = 7,6) и газопоршневых двигателей, работающих на пропане и метане, с ε = 15 (рис. 3).

На основе численного моделирования установлено, что двигатель, работающий на метане, при ε = 15 имеет мощность, фактически равную базовому бензиновому двигателю (отклонения Ne находятся в пределах ± 5 %), при снижении расхода топлива на 20–30 %, в зависимости от режима работы ДВС. В свою очередь, при ε = 15 у двигателя, работающего на пропане, наблюдается рост мощности по сравнению с базовым двигателем в диапазоне 5–15 % при одновременном уменьшении ge на 10–20 %.

Для более корректного сравнения технико-экономических показателей поршневых ДВС, работающих на разных видах топлива, дополнительно было выполнено численное моделирование для бензинового двигателя, имеющего ε = 11 (что вполне допустимо при работе на бензинах с октановым числом 95–98) и газопоршневых двигателей, работающих на пропане и метане с ε = 15 (рис. 4).

Установлено, что бензиновый двигатель с ε = 11 и газопоршневой ДВС, работающий на пропане, с ε = 15 имеют практически одинаковую эффективную мощность (отличия составляют ± 2 %) во всём диапазоне частот вращения коленчатого вала; при этом газопоршневой двигатель имеет меньший расход топлива ge на 4–10 %. В свою очередь, бензиновый ДВС с ε = 11 имеет большие значения Ne по сравнению с двигателем, работающем на метане, на величину от 4 до 10 %.

Однако даже в этом случае газопоршневой двигатель на метане имеет существенно лучшую экономичность (снижение ge вплоть до 20 %).

Практический результат для автотранспортных предприятий

Для оценки положительного экономического эффекта от использования газомоторное топлива в поршневых ДВС рассмотрим первый вариант, когда базовый бензиновый двигатель был переведён на метан без увеличения степени сжатия.

Как было показано выше, в данном случае снижение удельного эффективного расхода топлива ge составляет 12–14 % (в среднем около 13 %) при снижении мощности на 12 %. Соответственно, на режиме средней нагрузки (n = 2200 мин–1) массовый расход бензина для базового двигателя составляет 16,8 кг/ч, а для газопоршневого двигателя на метане — 12,9 кг/ч. Отсюда можно вычислить ежегодную величину экономии топлива для одного двигателя при условии эксплуатации его в течении 2000 моточасов в год (что приблизительно соответствует пробегу автомобиля в 50 тыс. км), которая составит примерно 8000 кг. А если учесть, что стоимость бензина составляет примерно 42 руб/кг, а метана — 15 руб/нм3, то в количественном выражении экономия будет равняться около 1,1 млн руб. в год. Если же перевести на газ не один двигатель, а пять, то ежегодная экономия составит 5,5 млн руб.

Читать еще: Что такое функциональная схема двигателя

Можно также рассчитать второй вариант, когда базовый бензиновый двигатель был переведён на метан, но уже с последующим увеличением степени сжатия до 15. Как было показано выше, в данном случае снижение удельного эффективного расхода топлива ge составляет в среднем около 11 % при фактически равных мощностях бензинового двигателя и газопоршневого. Установлено, что при аналогичном объёме эксплуатации одного двигателя ежегодная экономия топлива в данном случае составит 10 тонн или почти 1,2 млн. руб.

Следует отметить, что аналогичные расчёты для газопоршневого двигателя, работающего на пропане, показывают, что ежегодная экономия топлива для одного ДВС составит примерно 1,5 т, а выигрыш в рублях будет равняться чуть больше 700 тыс. руб.

Таким образом, на основании численного моделирования рабочего цикла поршневых ДВС размерности 9,2/8,8, работающих на разных видах топлива, наибольшую топливную экономичность имеет газопоршневой двигатель на метане со степенью сжатия 15.

Проведённое исследование показало, что существует значительный потенциал в повышении энергоэффективности поршневых двигателей, работающих на газомоторном топливе. И для его раскрытия требуются дальнейшие исследования по доводке рабочего процесса газопоршневых ДВС, как с помощью численного моделирования, так и на основе стендовых испытаний.

Заключение

На основе проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны математические модели рабочих циклов ДВС (применительно к двигателю 8Ч9,2/8,8), работающих на разных видах топлива (бензин, пропан, а также метан), в программном комплексе «Дизель-РК».

2. На основании численного моделирования установлено, что перевод бензинового двигателя на газомоторное топливо приводит к снижению эффективной мощности в диапазоне 5–12 % при уменьшении удельного эффективного расхода топлива на 4–13 %.

3. Показано влияние величины степени сжатия на технико-экономические показатели газопоршневых двигателей при работе на разных режимах.

4. Установлено, что повышение степени сжатия газопоршневых ДВС с 7,6 до 15 улучшает их топливную экономичность до 30 % по сравнению с базовым бензиновым двигателем.

5. Рассчитан количественный экономический эффект от перевода пяти двигателей на пропан и метан для небольшого автотранспортного предприятия.

Таким образом, проведённое исследование показало наличие значительного потенциала энергосбережения в области поршневого двигателестроения в случае использования в двигателях внутреннего сгорания газомоторного топлива.

Пять причин, влияющих на расход топлива автомобилем

Аргоннская национальная лаборатория, исследовательский центр Министерства энергетики США, неожиданно решила рассказать о пяти основных факторах, заметно влияющих на расход топлива автомобилем. Учитывая некоторые из них можно сэкономить пару литров бензина, проехав сто километров. Все факторы хорошо известны почти всем водителям, но повод их в очередной раз вспомнить (а заодно и немного физики) действительно неплохой.

Езда на двух колесах.

Фотография: Wikimedia Commons

Давление паров топлива

Бензин представляет собой смесь легких углеводородов с разной температурой кипения. Чем лучше испаряется топливо, тем быстрее заводится двигатель и тем больше потребляется горючего во время езды. По этой причине производители топлива комбинируют состав топлива для зимы и для лета, смешивая углеводороды с разными температурами кипения. Легкие фракции бензина испаряются быстрее, но при сгорании выделяют меньшее количество энергии. Из-за этого эффективность двигателя снижается, а расход топлива увеличивается.

Поскольку стоимость получения углеводородов с низкой температурой кипения существенно ниже, чем фракций с высокой температурой кипения, производители топлива стараются увеличивать их содержание в горючем.

Зимой бензин с высоким содержанием легких углеводородов позволяет быстрее запускать двигатель. Однако летом такое топливо при высокой температуре воздуха активно испаряется, загрязняя окружающую среду. Уменьшение доли углеводородных соединений с низкой температурой кипения позволяет повысить энергетическую отдачу топлива, а значит улучшить производительность двигателя и снизить расход бензина.

На расход топлива существенно влияет и трение. Исследователи Окриджского подразделения Аргоннской национальной лаборатории провели эксперимент. Они замерили потребление топлива несколькими автомобилями при скорости езды в 80 километров в час. Затем они замеряли расход и при более высоких скоростях. Выяснилось, что увеличение скорости на 16 километров в час уменьшает расстояние, которое можно проехать на одном баке на 12 процентов. Рост скорости еще на 16 километров в час сократит расстояние на 15 процентов.

При езде с постоянным ускорением часть мощности двигателя расходуется на преодоление трения колес о дорогу, причем чем выше скорость, тем больше мощности расходуется. Исследователи подсчитали, что на езду на скорости в 130 километров в час тратится в восемь раз больше мощности двигателя, чем при движении со скоростью в 65 километров в час. Отсюда следует вывод, что чем больше скорость автомобиля, тем больше горючего будет сожжено двигателем.

Лобовое сопротивление

Форма корпуса автомобиля также влияет на расход топлива. Чем более «парусную» автомобиль имеет носовую часть, тем с большим сопротивлением воздуха в движении он будет сталкиваться. Для того, чтобы лучше понять действие лобового сопротивления, достаточно во время езды высунуть руку в окно. Если повернуть ее ладонью перпендикулярно земле, можно почувствовать, как воздух начнет оттягивать ее назад. Сопротивление воздуха уменьшится, если развернуть ладонь параллельно земле.

Сегодня автопроизводители стараются проектировать корпуса автомобилей таким образом, чтобы во время движения они создавали как можно меньшее сопротивление. У машин с наиболее обтекаемыми формами корпуса тратится меньше мощности двигателя на преодоление сопротивления воздуха, а значит расходуется и меньше топлива.

Понятие инерции означает способность какого-либо объекта сохранять свое устойчивость по отношению к внешнему воздействию. Инерция зависит от массы объекта. На практике это означает, что чем тяжелее автомобиль, тем сложнее двигателю его разогнать и тем медленнее машина будет останавливаться после того, как водитель уберет ногу с педали газа. При этом интенсивность разгона также влияет на расход мощности двигателя.

Чем быстрее нужно разогнать тяжелый автомобиль, тем больше будет тратиться топлива на поддержание необходимой для этого мощности двигателя. Если водитель хочет сэкономить, то трогаться на светофоре ему нужно как можно плавнее. Разгон не будет «спортивным», но и топлива потратится меньше. После же разгона не стоит давить педаль газа до следующего светофора. Можно приотпустить или вовсе отпустить педаль — автомобиль продолжит двигаться по инерции чуть-чуть замедляясь. Топливо же будет тратиться только на поддержание работы двигателя.

Сопротивление качению

Помимо трения шин о дорожное полотно, существует внутреннее сопротивление колеса качению. Чем больше спущено колесо, тем больше требуется мощности двигателя на преодоление сопротивления, и наоборот. Идеальное с точки зрения топливной эффективности — абсолютно твердое колесо. Однако при разработке шин необходимо учитывать и комбинировать несколько факторов. Например, твердое колесо из-за низкого сопротивления хуже тормозит, но замечательно передает вибрации на подвеску.

Производители рассчитывают жесткость резины для колес в зависимости от типа автомобиля, на который они будут установлены. На спортивные машины ставится более жесткая резина, поскольку в ней минимально сопротивление качению. Это означает, что двигатель машины потратит меньше энергии на преодоление сопротивления качения и автомобиль разгонится быстрее. Для обычных автомобилей резина используется более мягкая — она позволяет гасить часть вибраций, но при этом имеет небольшое сопротивление качению.

Чтобы снизить потребление топлива, водителям стоит соблюдать рекомендации производителя машины по типам шин и давлению в них — чем выше давление, тем жестче колесо.

Помимо основных пяти факторов, влияющих на расход топлива, Аргоннская национальная лаборатория назвала еще один. Это — температура окружающего воздуха. В жару водители как правило включают кондиционеры (если, конечно, их автомобили оборудованы такими системами), повышая тем самым расход горючего. Дело в том, что на работу кондиционера также расходуется часть мощности двигателя, поскольку он приводит в движение основные агрегаты этого устройства.

Исследователи Аргоннской национальной лаборатории отметили, что если нет возможности отказаться от использования кондиционера, то стоит хотя бы выключать его при необходимости резкого разгона. Высвобожденная выключенным кондиционером мощность может оказаться очень кстати.