Топливная эффективность двигателя автомобиля

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

Топливная эффективность двигателя автомобиля

Бельков М.А. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Иркутска средняя общеобразовательная школа №80
Ободенко О.Н. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Иркутска средняя общеобразовательная школа №80
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Появление автомобилей на дорогах общего пользования, а за ними и специального автомобильного топлива привело к настоящей мировой революции в сфере транспорта. Бензин, дизель и другие виды топлива внесли большой вклад в развитие нашего мира.

1.1. Актуальность: Сегодня автомобильный транспорт - одна из массовых отраслей, занимающая одну из главных позиций в промышленном комплексе страны. Каждый из нас практически ежедневно встречается и взаимодействует с этим видом транспорта - это может быть как общественный транспорт, рабочий так и личный. Непосредственный владелец автотранспортного средства желает, чтобы его машина прослужила как можно дольше - поэтому основным условием является не только своевременное техническое обслуживание, но и использование качественного автомобильного топлива. При оптимальной сборке конструктивных материалов двигателя и технологической сборке является важной особенностью соответствие подобранного топлива, смазочных материалов, технических жидкостей.

К сожалению, в наше время встречаются продавцы топлива, которые реализуют несоответствующий определенным ГОСТам топливный продукт. Поэтому, уважающий себя автовладелец, чтобы не стать источником наживы для недобросовестных продавцов, а также осуществлять заправку своего автомобиля только топливом хорошего качества, должен уметь определять качество бензина самостоятельно.

Цель и задачи:

Цель - изучить виды топлива с их особенностями, определить способы проверки и улучшения эффективности топлива.

Задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Изучить факторы, влияющие на топливную эффективность двигателя.

Изучить способы исследования качества бензина в бытовых условиях.

Провести исследования качества бензина при помощи несложных методов, пригодных в бытовых условиях.

Создать памятку «Проверь самостоятельно на АЗС качество автомобильного топлива» (Приложение 1)

1.3. Проблема: Недостаточный контроль государства в отрасли по производству топлива, производство некачественного топлива для потребителей и низкие стандарты по качеству.

1.4. Гипотеза: если создать новые нормы ГОСТ по производству автомобильного топлива и усилить контроль государства качества производства,то улучшится эффективность топлива и его влияние на КПД двигателя.

1.5. Назначение проекта: дать возможность ознакомления неограниченному кругу лиц знакомства со способами проверки качества топлива и повышения эффективности автомобильного топлива для двигателей.

Объект исследования: топливо.

Предмет исследования: сведения об эффективности топлива.

Методы исследования: изучение литературы, обобщение информации, анализ.

Развитие топлива

Изобретение бензина

В далеком 1876 году один немецкий инженер спроектировал и собрал двигатель, который работал на высвобожденной энергии сгоравшего топлива. Николаус Отто (рис. 1) центральным звеном своего устройства сделал карбюратор. Горючий материал смешивался с атмосферным воздухом. Затем происходило сжатие этой смеси в цилиндрах, и электрическая искра вызывала воспламенение. Дальнейший путь кинетической энергии знаком всем ученикам старших классов: поршень двигается под воздействие газов и поворачивает коленвал. Вращение колес осуществлялось путем цепной передачи либо через вал. Этот принцип нисколько не изменился и на сегодняшний день. В качестве топлива использовались горючие материалы, которые уже существовали в то время – керосин, бензин и дизельное топливо. Об этом немного подробнее.

П ервый бензин получил Майкл Фарадей (рис. 2) еще в 1825 году, но опыты с нефтью проводились и раньше. В нашей стране в районе Ухты в конце восемнадцатого века был построен первый завод по предварительной очистке нефти. Конечно, технология была проста до крайности.

Принцип работы завода был очень похож на принцип работы самогонного аппарата. Емкость с нефтью ставили вовнутрь печи и продукт нагрева по трубе шел в приготовленную заранее бочку. Труба проходила через бочку с водой, которая выполняла роль охлаждающего элемента. Полученная очищенная нефть использовалась в основном для освещения помещений. А именно тот продукт, который мы знаем как бензин, получил английский физик и испытатель Фарадей. Выделив опытным путем углеводородное соединение, требующее минимальных условий для воспламенения.

Само название имеет арабские корни и понимается как «благовонное вещество». И это благодаря тому, что исходный материал Фарадей получил откуда-то из Малой Азии.

П римерно через семьдесят лет был изобретен процесс более тщательного разложения нефти на составляющие. Русский инженер по фамилии Владимир Григорьевич Шухов (рис.3) сумел добиться гораздо большего КПД на выходе и увеличить объем произведенного бензина. Что послужило продвижению этого горючего в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые были усовершенствованы немцем Готтлибом Даймлером (рис. 4). Автомобили все серьезней внедрялись в жизнь человека и люди впервые столкнулись с нехваткой топлива. 

Изобретение дизельного топлива

Основным конкурентом бензина является дизельное топливо. Это горючее обязано своим названием немецкому инженеру Рудольфу Дизелю (рис. 5), который ещё в юношескую пору мечтал о двигателе, который оставит по своим характеристикам паровой далеко позади. И изначально весь агрегат был рассчитан на угольную пыль. Но разработка такой схемы была слишком сложна и Дизель решил остановиться на дешевых продуктах переработки нефти вроде мазута.

Работа изобретения немецкого инженера была в корне иной, чем у Отто. Топливо всасывалось в цилиндр, но для его воспламенения не нужны были свечи. Возгорание достигалось путем огромного давления, которое создавалось в камере. Это была довольно сложная конструкция, и поэтому ушло более пяти лет на конструирование первого действующего образца, который был высотой 3 метра и мощностью порядка 19 лошадиных сил.

Д вижущей силой был керосин, он обеспечил КПД в два раза больше, чем у паровой машины.

Переработку под солярку произвели уже другие инженеры. Лицензию на производство двигателей такого типа купил Эммануил Нобель (рис. 6) и организовал предприятие по сборке под Петербургом. Так как у керосина цена была довольно высока, то он попросил своих сотрудников несколько переработать конструкцию. И двигатель стал с удовольствием потреблять сырую нефть, а затем и солярку.

Появление понятия для обозначения двигателей и потребляемого ими топлива – «дизель» - окутано пологом тайны. И сейчас дизельным топливом или соляркой называется продукт переработки нефти, который используется для питания двигателей внутреннего сгорания, воспламенение топлива в которых происходит за счет большого давления.

Виды автомобильного топлива

На данный момент существует 6 видов автомобильного топлива:

Бензин – основной вид топлива для легкового транспорта.

Бензин – это топливо, смесь из легкокипящих углеводородов в жидком состоянии с различными химическими составами. При создании бензина, в первую очередь, идёт его детонационная стойкость (октановое число), для этого используют парафиновые углеводороды (имеют наименьшую детонационную стойкость) и ароматические углеводороды (обладают наибольшей детонационной стойкостью).

По российским стандартам существуют следующие марки бензинов: А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98.

Дизель – основной вид топлива для крупного транспорта.

Дизель – это топливо, в основном состоящие из цетана (легко воспломеняемая жидкость) и метилнафталина (плоховоспломеняемая жидкость). Основным значением для дизеля является цетановое число – это отношения содержания цетана к метилнафталину в топливе. Цетановое число характеризует способность топлива к самовоспломинению, оптимальным значением является диапозон от 45 до 50 единиц. Если выше значение то дизель может раньше времени воспломиниться, а если ниже, то приводит к так называймой “жёсткой” работе двигателя.

Биодизель – альтернативное дизельное топливо.

Биодизель – это топливо, представляющие себя как многокомпонентую смесь, которое состоит в основнои из моноалкильных эфиров жирных кислот и в состав топлива не входит нефть. Производство биодизеля регламентирует стандарт ГОСТ Р 53605-2009. Основным плюсом является его экологичность и простая организация производст.

Биоэтанол – этанол, используется в качестве горючей смеси.

Биоэтанол – это топливо, которое производится из продуктов содержащие сахар и крахмал. У этого вида топлива множество преймуществ: экологичность, положительный уровень энергетического баланса (от 1,24 до 8) и высокое октановое число (105 единиц).

Керосин – топливо, которое использует авиация.

Керосин – это топливо, создающиеся путём ректификации продутов переработки нефти при высокай температуре. Оно является прозрачной и маслянистой жидкостью. Сущетсвует 4 вида керосина: ракетный керосин, авиационный керосин, технический керосин и осветительный керосин.

Газ – искусственый или естественный вариант горючей смеси.

Газ – это топливо, которое разделяется на сжатый (метан) и сжиженный газ (пропан-бутановая смесь). Метан можно заправить толька на АГНКС – автомабильная газонаполнительная компрессорная станция. Пропано-бутановая смеь можно приобрести на АЗС – автомобильная заправочная станция или на специальзированной газозаправочное точке – АГЗС.

Виды топлива и их октановые числа

Таблица 1

Топливо

Октановое число

Бензин АИ-76

76 единиц

Бензин АИ-80

80 единиц

Бензин АИ-91

91 единиц

Бензин АИ-92

92 единиц

Бензин АИ-93

93 единиц

Бензин АИ-95

95 едениц

Бензин АИ-98

98 единиц

Дизель

51-55 единиц

Биодизель

51 единиц

Биоэтанол

100 единиц

Керосин

45 единиц

Газ

100-115 единиц

На территории Российской Федерации существует 7 видов ГОСТов на производство топлива (Р51105, Р51866, Р32513, Р52368, Р32511, Р55475, Р305), но по законодательству производителей не обязывают строго следовать условия ГОСТ, поэтому обычно производители придерживаются техническим условия (ТУ) или соответствующий стандарт организации (СТО).

В Российской Федерации ведут специальную статистику потребления по разным видам автомобильного топлива, так бензин АИ-95 является самым популярным горючем для заправки автомобиля среди населения. Диаграмма созданая по данным статистики находяится на рисунке 7.

Рис. 7 Потребление топлива в Российской Федерации

КПД двигателей

КПД (коэффициент полезного действия) – это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сгорания топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала и тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.

Часть произведённой энергии двигателям расходуется, так при сжигании топлива 25 % горючего уходит в выхлопную трубу и ещё энергия затрачивается из-за трения деталей. У бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) КПД составляет около 20-25 % (На рисунке 8 представлена схема потерь энергии в бензиновых ДВС). У дизельных двигателей КПД составляет до 45 %, но существуют малооборотные двигатели, которые имеют свыше 50 %.

Виды автомобильных двигателей внутреннего сгорания и

их эффективность работы

Таблица 2

Тип ДВС

КПД

Бензиновый

25-30 %

Дизельный

45%

Турбодизель

50%

Роторный

40-45%

Самым эффективным циклом работы ДВС, имеющий максимальный КПД двигателя, считается цикл Карно.

Рис. 8 КПД ДВС и структура потерь в двигателя.

Топливная эффективность

Топливная эффективность –показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вышла в выхлопную трубу.

Двигателисжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). То есть в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактовых видов двигателей это значение еще меньше.

Термодинамический КПД

Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученного от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающей среде.

В среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающею среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.

Механический КПД

Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на преодоление трения движущихся деталей (поршень, шестерен и на коленчатого вала) или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов, а так же на осуществления процессов впуска и выпуска.

В среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомагательных механизмов двигателя.

В итоге – по сумме топливной, термодинамической и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД неболее 30%, на рисунке 9 наглядно показано эффективность использования энергии в ДВС.

Рис. 9 КПД и структура распределения потерь в ДВС

Влияние качества топлива на работу двигателя

Октановое число топлива

Октановое число топлива – это показатель характеризующий качество топлива, а именно его стойкость к детонации. Определяется с помощью соотношения изооктанов (устойчивое вещество к возгоранию) и n-гептанов (неустойчивое вещество к возгоранию) в бензине.

Максимальным показателем октанового числа является 140 единиц у экспериментального топлива, но выпуск такого бензина невозможен по причине экологических стандартов. Неэтилированное топливо может иметь около 109 единиц, у авиационного топлива 115 единиц, а у автомобилей используется 95 и 98, гоночные болиды применяют топливо с 102 октановыми числами.

Существует 2 способа для увеличения октанового числа топлива.

Если добавить катализаторы на основе рения, то количество углеводородов в бензине увеличиться, а за этим и октановое число будет больше.

Второй способ добавка специальных присадок таких как – тетраэтилсвинец, присадки на основе эфира, спирта и ароматических углеводородов.

Тетраэтилсвинец – это самая распространённая присадка для топлива в мире, благодаря её действию октановое число повышается на 17 единиц. В чистом виде не используется, так как создаётся свинцовый нагар в цилиндре, что провоцирует поломку двигателя, а так же из-за своей экологической небезопасностью.

Детонация двигателя

Детонация – самопроизвольное воспламенение топлива в цилиндре до того момента пока поршень не дошёл до мёртвой точки. На рисунке 10 изображен пример детонации в двигателе.

Д етонация приводит к капитальному ремонту двигателя по причине резкого повышения температуры и возникновения взрыва со скоростью взрывной волной 1,5 км/с вместо обычных 15 м/с. Так же провоцирует закоксовку камеры сгорания и ударные волны в ней, и перегрев двигателя, что приводит к быстрому износу двигателя из-за несогласованной работы механизмов. Причиной может служить использование топлива с более низким октановым числом чем рекомендует производитель и использование некачественного бензина, в котором присутствует легко испаряемые вещества.

Способы исследования качества автомобильного топлива

Существует множество методов определения качества топлива, они различаются только в точности результата и сложности проведения исследования. Я же расскажу о способах определения качества топлива в бытовых условиях, не требующие каких-либо специальных знаний.

Первым способом для определения качества бензина и дизеля, а точнее нахождение в их составе воды, является использование прозрачного стеклянного сосуда (рис.11). В случае с бензином необходимо наполнить сосуд топливом и оставить его в вертикальном положении на 2-3 часа, после чего, если в бензине присутствовала вода, то она осядет на дне сосуда. С дизелем нужно так же наполнить сосуд топливом, но необходимо закупорить его и встряхнуть, после чего, если жидкость помутнела, то это означает нахождение воды в составе. Вода не должна находиться в бензине и дизеле, если вы обнаружили её в топливе, то это означает несоответствующее качество горючего.

Рис.11 Разные виды топлива в сосудах.

Вторым способом определения качества (Таблица 2), является цвет самого топлива, крупные сети автомобильных заправочных станций специально изменяют цвет бензина. Например, бензин АИ-98 подкрашивают в синий цвет, в таблице 3 показаны виды бензина и их оттенки цвета.

Виды бензина и его специальные оттенки для определения качества

Таблица 3

Бензин

Цвет

АИ-98

Синий

АИ-92

Оранжево-красный

АИ-80

Жёлтый

АИ-72

Розовый

АИ-66

Зелёный

Третьим способом проверки топлива на качество (рис. 12), является использование специальных индикаторов полосок, которые можно купить в автомобильных магазинах или на сайте с автомобильной продукцией. На полоску индикатора необходимо капнуть 1-2 каплями топлива и если цвет изменился у полоски, то в горючем присутствуют запрещённые присадки для увеличения октанового числа.

Рис.12 Тест в виде индикатора для определения качества топлива.

Проверка качества топлива

Я провёл исследования, как в бытовых условиях определить качество топлива при помощи специальных индикаторов в виде полосок. Для его проведения был приобретён бензотест в виде индикатора, а так же бензин АИ-95 на АЗС.

Рис.13 Итоговый результат теста.

По итогам проведённого теста я получил результат (рис. 13): лёгкое окрашивания индикатора. Это означает, что в бензине содержится запрещённые металлосодержащие, октаново-повышающие присадки в незначительной концентрации - данный образец топлива не соответствует установленным требованиям и не должен реализовываться на АЗС.

Заключение

Топливо – это горючие вещество, которое используется для выделения энергии при химических реакциях для технических целей. В мире существует всего 16 видов автомобильного топлива, но некоторые из них уже не применяются так как являются устаревшими видами.

Цель, поставленная в ходе работы над проектом достигнута: мною изучены виды топлива и выявлены способы определения эффективности топлива. Создана памятка «Проверь самостоятельно на АЗС качество автомобильного топлива» Поставленные задачи – были решены, путём ознакомления с материалом о видах автомобильного топлива и их способах определения качества, принципах их работы в ДВС.

Проблема, озвученная мною, не может быть решена на уровне простого потребителя, необходимо глобальное решение – более тщательно осуществлять контроль государства в отрасли производства топлива.

Гипотеза подтверждена и обусловлена поставленной мной проблемой. Но есть выход из создавшейся ситуации – самим потребителям использовать качественное топливо, предварительно, осуществляя проверку качества, указанными мною способами.

Электронные ресурсы

Исаев И.Ю. Тема КПД и топливной эффективности // сайт на тему: Роторные двигатели: прошлое и будущее 2018. URL: http://www.rotor-motor.ru/page08.htm

Мокров О.О. Типы топлива: виды и сорта горючего, а также регламенты, регулирующие его качество// Энциклопедия автомобилей. 2020. URL: https://naavtotrasse.ru/encziklopediya/tipy-topliva-vidy-i-sorta.html

Водянов И.Ю. Как качество топлива влияет на экономичность двигателя//сайт ПК «Моторесурс».2020-2022. URL: https://motoresurs.ru/news/?id=11

Петроченко В.А. Развитие топлива// autohis.ru: сайт об истории автомобилестроения. 2012-2022. URL: https://autohis.ru/razvitie-topliva.php

Приложение 1

Памятка «Проверь самостоятельно на АЗС качество автомобильного топлива»

(лицевая и оборотная стороны)

Просмотров работы: 285