Трактат об эффективности и целесообразности использования различных видов топлива в атмосферных ДВС (на примере автомобильного ДВС)
1. Вводная часть
Целью данной работы является путем несложных расчетов узнать жестокую правду о разных видах топлива, скрытую за байками поколений автомобилистов, производителей топлива, а также горе-экспериментаторов.
Сравнение проведем следующим образом. Найдем энергию, выделяющуюся при сгорании топлива в одном цилиндре, необходимую для поддержания скорости автомобиля. Затем, используя найденную величину как исходную, будем "подставлять" в цилиндр разные виды топлива. Об эффективности будем судить, рассчитывая коэффициент наполнения цилиндров (грубо говоря, насколько надо давить "тапку"). Сравнивать эффективность будем с бензином, т.к. основная масса ДВС кушает именно его. Изменениями температуры камер сгорания, охлаждающей жидкости, масла и, как следствие всего этого, КПД, пренебрегаем. Но помним о нем :) Советую сразу переходить к части 2 - расчеты верны и неинтересны :)
Для удобства и вследствие личной заинтересованности автора, проведем расчеты, взяв исходные данные из реального случая, имевшего место быть на одесской трассе летом сего года.
Итак, исходные данные:
Автомобиль: УАЗ-452
Скорость: V=82 км/ч
Обороты двигателя: N=3000 мин-1
Расход топлива: 12 л/100км или 8,8 кг/100км
Двигатель: 4 цилиндровый 4 тактный, объем 2,5 л
Объем цилиндра: 0,625 л
Доп. данные:
Теплота сгорания бензина: 44 кДж/г [1]
Плотность бензина: 0,73 кг/л [1]
Дабы не утруждать себя и читателя, самые неинтересные и очевидные расчеты опущены.
Путем несложных вычислений :) используя [1] или [2],[3] приходим к следующему:
Теплота, выделившаяся при сгорании бензина за время прохождения 1км пути (за 43,9с): 3872 кДж
Отсюда мощность: P= 3872 кДж / 43,9 с = 88 кВт
Если предположить, что КПД двига 25%, то мощность на валу 22 кВт, что похоже на правду :) Кол-во оборотов коленвала на километр пути 2195. Расход бензина 88 г, отсюда расход воздуха 1232 г или 952 литра. Расход воздуха на 1 оборот коленвала Vоб=0,434 л, на один цилиндр V1=0,217 л , наполнение цилиндров 35%. Расход бенза на 1 оборот коленвала 0,04 г, на цилиндр 0,02 г, образует 0,88 кДж энергии при сгорании.
-----------------------------------------------
Результаты, которые нам понадобятся:
E1=0,88 кДж - энергия сгорания топлива в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости.
V1бенз=35% - наполнение цилиндров, косвенно указывает на эффективность использования топлива.
M1бенз=88 г - расход топлива на 1 км пути.
-----------------------------------------------
2. Этиловый спирт как автомобильное топливо
Данные:
Теплота сгорания в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости авто: E1=0,88 кДж
Коэффициент наполнения цилиндров для бензина: V1бенз=35%
Расход бензина на 1 км пути: M1бенз=88 г
Теплота сгорания спирта: Qспирт=25 кДж/г
Плотность спирта: 0,79 кг/л
Сгорание спирта в воздухе описано следующим уравнением:
C2H5OH + 3*O2 => 2*CO2 +3*H2O + 1300 кДж
46 г + 67,2 л
На 46 г спирта расходуется 67,2 л кислорода или 67,2*5=336 (л) воздуха. 0,88 кДж энергии выделяется при сгорании 0,0352 г спирта, расход воздуха при этом 0,257 л. Наполнение цилиндров: V1спирт=41%. Расход на 1 км пути: M1спирт=154,5 г; расход на 100 км пути по объему: 19,6 л.
Падение мощности (без учета изменения КПД) в 1,17 раз.
Увеличение расхода топлива (без учета изменения КПД, по объему) в 1,63 раз.
За счет увеличения КПД (отсутствие склонности к детонации, пониженная температура выхлопных газов) мощность, скорее всего, наоборот возрастет, расход топлива будет значительно больше (в 1,3 и больше раз).
UPD: Пересчитал, учитывая объем спирта (объемом бензина пренебрег ибо у него высокая молярная масса, у спирта в ~3 раза меньше): коэффициент наполнения 44%, потеря мощности: 1,26 раз.
3. Водород как автомобильное топливо
Данные:
Теплота сгорания в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости авто: E1=0,88 кДж
Коэффициент наполнения цилиндров для бензина: V1бенз=35%
Расход бензина на 1 км пути: M1бенз=88 г
Теплота сгорания водорода: Qводород=117 кДж/г
Сгорание водорода в воздухе описано следующим уравнением:
2*H2(газ) + O2(газ) => H2O(газ) + 468 кДж
44,8л + 22,4 л
0,88 кДж из 0,0075 г водорода или 0,084 л, на этот объем водорода требуется 0,042 л кислорода или 0,21 л воздуха. Общий объем смеси: 0,294 л. Наполнение цилиндров: V1водород=47%. Расход на 1 км пути: vводород=368,8 л. Требуемая производительность топливной ячейки: 8,4 л/с.
Падение мощности (без учета изменения КПД) в 1,34 раз.
Требуется огромная производительность топливной ячейки, особенно в режиме максимальной мощности.
Значительное падение мощности.
4. Топливный газ как автомобильное топливо [4],[5]
Топливный газ: смесь угарного газа (CO) и водорода (Н2), получается при нагревании смеси водорода и углеводородов [4] и при электрической дуге в воде [5].
Данные:
Теплота сгорания в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости авто: E1=0,88 кДж
Коэффициент наполнения цилиндров для бензина: V1бенз=35%
Расход бензина на 1 км пути: M1бенз=88 г
Сгорание топливного газа в воздухе описано следующим уравнением:
CO + H2 + O2 => CO2 + H2O + 345 кДж
-44,2 л- 22,4 л
Расход: 0,114 л газа на цилиндр или 0,4 л горючей смеси. Наполнение цилиндров: V1т.газ=64%. Расход на 1 км пути: vт.газ=500 л. Требуемая производительность топливной ячейки: 11,4 л/с, при этом выходит также большой расход графита.
Падение мощности (без учета изменения КПД) в 1,83 раз.
Требуется огромная производительность топливной ячейки, особенно в режиме максимальной мощности.
Катастрофическое падение мощности.
5. Метан как автомобильное топливо
Данные:
Теплота сгорания в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости авто: E1=0,88 кДж
Коэффициент наполнения цилиндров для бензина: V1бенз=35%
Сгорание метана в воздухе описано следующим уравнением:
CH4 + 2*O2 => CO2 + 2*H2O + 882 кДж
22,4л 44,8 л
Расход: 0,022 л метана на цилиндр или 0,242 л смеси. Наполнение цилиндров: V1метан=39%. Расход на 1 км пути: vметан=96,6 л.
Падение мощности (без учета изменения КПД) в 1,11 раз.
Вот тут хз, я не силен в сжатом газе :) Получается на 100 км тратится около 48 литров газа, сжатого до 200 атм.
6. Пропан как автомобильное топливо
Данные:
Теплота сгорания в одном цилиндре, необходимая для поддержания скорости авто: E1=0,88 кДж
Коэффициент наполнения цилиндров для бензина: V1бенз=35%
Сгорание пропана в воздухе описано следующим уравнением:
C3H8 + 5*O2 => 3*CO2 + 4*H2O + 2202 кДж
22,4л 112 л
Расход: 0,009 л пропана на цилиндр или 0,234 л смеси. Наполнение цилиндров: V1пропан=37%. Расход на 1 км пути: vпропан=39,5 л.
Падение мощности (без учета изменения КПД) в 1,06 раз.
Если я правильно думаю, то на 100 км тратится около 26 литров газа, сжатого до 150 атм.
7. В результате
1. Использование электролитических или газогенераторных ячеек лишено смысла - необходима гигантская производительность.
2. Использование газообразного топлива с низким содержанием атомов восстановителя (водород или углерод) в молекуле лишено смысла - увеличивается требуемый коэффициент наполнения цилиндров. Для такого топлива нужно конструировать новый двигатель.
3. Возможно использование упомянутого в п.7.2. топлива как добавки к бензину с потерей мощности и экономией бензина. Возможно, такая добавка будет катализатором лучшего сгорания бензина, и, как следствие, увеличит КПД и уменьшит расход.
4. При использовании традиционного газового топлива (пропана или метана) КПД двигателя возрастает - расчетный расход пропана 26 л, реальный - 20 л (по заявлениям пользователей ГБО), КПД возрастает примерно в 1,3 раза. Следовательно, растет и мощность (на практике говорят, что не возрастает, но нужно мерять на стенде, да и конструкция впускного газопровода меняется)
5. Следует из п.7.4 - мощность на пропане возрастает, отмечаемое пользователями ГБО "тупление" вызвано другими обстоятельствами (уменьшением сечения впускного газопровода, например).
6. Спирт - хорошее топливо :) Теоретически расход увеличивается в 1,63 раза, но, насколько я понимаю, реально расход растет не сильно, что свидетельствует о повышении КПД.
7. Из распростаненных видов топлива, затронутых в данной работе (как то: бензин, метан, пропан, спирт), бензин является самым энергетически невыгодным, т.к. вызывает снижение КПД по сравнению с другими видами топлива.
8. Вода как добавка к топливу (не в бак :)
При впрыске воды я вижу 3 аспекта, которые влияют на работу двигателя.
1. Охлаждение двигателя.
При сжатии топливной смеси, в которую добавлена вода, последняя меняет агрегатное состояние, поглощая при этом энергию:
H2O (ж) + Q => H2O (г)
Водяной пар в дальнейшем также нагревается (имеется ввиду еще до воспламенения, нагрев от стенок камеры сгорания и цилиндра, а не от увеличения давления при ходе поршня вверх). Охлаждение - целиком положительный аспект.
2. Промежуточные химические превращения.
Общеизвестно понятие выхода реакции, т.е. грубо говоря, насколько на самом деле прореагировали элементы, например я уверен, что при сгорании бензина выход намного меньше 100%. Предположим, что выход энергии (посчитаем выход энергии :) при сгорании бензина в воздухе 80%:
2*C8H18 + 17*O2 => 16*CO2 + 18*H2O + 9000 кДж * 0,8=7200 кДж
Предположим, что при добавлении воды протекает промежуточная реакция:
2*C8H18 + 16*H2O => 16*CO + 34*H2 - 700 кДж (эта цифра взята от фонаря, считать лень, на суть объяснения не повлияет)
Затем продукты сгорают с выходом 85%:
16*CO + 34*H2 + 25*O2 => 16*CO2 + 34*H2O + 9700 * 0,85=8245 кДж
Суммарный эффект: 8245-700=7545 (кДж)
Продукты сгорания одинаковые (во втором случае водяного пара на 16 моль больше, потому что мы добавили 16 моль пара перед началом реакций), но во втором случае получено на 345 кДж на 2 моля бензина больше. В общем, изложено туманно, но суть, надеюсь, ясна. Этот аспект спорный, ибо хз, что там на самом деле происходит.
3. Увеличение обема газов в цилиндре.
Добавляя воду, которая обязательно превращается в водяной пар (объемами, достаточными для гидроудара оперировать не станем) мы увеличиваем объем газов, которые необходимо сжать (увеличиваем работу, которую необходимо выполнить поршню), увеличиваем давление в камере сгорания в момент зажигания (наверно положительный момент, главное не переборщить), увеличиваем работу, которую выполняют сгоревшие газы при расширении - возможно, компенсирует увеличение работы на сжатие.
Суммируя эти 3 аспекта, предполагаю, что положительный эффект (увеличение КПД) возможен.
9. Заключение
Все вышеизложенное - мои предположения, исходя из знаний, полученных в средней школе :) Если кто-то знает правду - прошу рассказать.
В результате, в целях повышения КПД и экономии топлива, я полагаю, что нужно работать в направлении старого доброго впрыска воды или водяного пара, требуются расчеты или эксперименты, а также разработка конструкции простого и надежного механизма
дозированной подачи воды.
Добавление газообразного топлива, полученного непосредственно на двигателе в разнообразных реакторах нецелесообразно, пока не будет достоверных данных о значительном увеличении КПД при добавлении
незначительного количества водорода к топливу. Вместо бензина рекомендую использовать спирт, или, в крайнем случае, газ - двигатель проходит дольше, меньше загрязнений и лишнего разогрева :) окружающей среды.
Заявляю свои авторские права на данный текст :) при цитировании ссылка на данную тему форума Уаз-Клуба обязательна, перепечатка только с разрешения автора, т.е. автора данного сообщения :)
10. Информационные ресурсы
[1] Энциклопедия
http://ru.wikipedia.org
[2] Учебники общей химии 9-11 кл
[3] Учебники физики 8-11 кл
[4] Plasma Fuel Reforming with the PMC
http://jlnlabs.online.fr/bingofuel/
[5] How to build a cheap and simple AquaFuel generator
http://jlnlabs.online.fr/bingofuel/html/aquagen.htm
Drive... to survive!
УАЗ-31601 '99, УАЗ-452 '85