Рис. 1. Блок-схема методики проведення дослідження
Дослідження щодо раціонального використання бензинів з добавками біоетанолу проведено експериментально-розрахунковим методом.
Експериментально при живленні автомобільного двигуна штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу: визначено вплив ВКВЗ на показники двигуна МеМЗ–245 в режимі, найбільш характерному для умов експлуатації; отримано коефіцієнти поліноміальних залежностей, що описують двигун МеМЗ–245 як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища; зроблено індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна МеМЗ‑245; проведено стендові випробування щодо розробки рекомендацій розширення використання добавок біоетанолу на автотранспорті; проведено дорожні випробування автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія".
Розрахунковим методом із застосуванням математичної моделі визначено оптимальні значення ВКВЗ з точки зору мінімальної питомої витрати палива та проведено дослідження щодо впливу завантаження, коефіцієнта опору коченню коліс автомобіля та ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" при русі за режимами Європейського міського їздового циклу і живленні автомобільного двигуна штатним бензином та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.
Обґрунтовано величину добавки біоетанолу до бензину для проведення дослідження, яка становить 10 та 20%. Одержані результати дослідження при використанні бензинів з добавками біоетанолу порівнюються з отриманими результатами під час випробування двигуна при живленні штатним бензином А–95.
Критеріями оптимізації ВКВЗ при використанні як палива бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу є мінімальна питома витрата палива та максимальна потужність двигуна.
У третьому розділі представлено уточнену математичну модель руху автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" за режимами Європейського міського їздового циклу. Особливістю математичної моделі при русі автомобіля за Європейським міським їздовим циклом є те, що режими руху задано умовною величиною прискорення, сповільнення, постійною швидкістю і тривалістю режимів на стенді з біговими барабанами згідно з Правилами ЄЕК ООН №83 (елементарний міський їздовий цикл – EUDC) та ГОСТ 30306–90.
Математичну модель руху автомобіля за їздовим циклом описано диференціальними рівняннями, які встановлюють залежності зміни крутного моменту від швидкості руху автомобіля або його прискорення (сповільнення). При складанні математичної моделі вважається, що крутний момент витрачається на подолання сил опору коченню, опору повітря і сил інерції рухомих мас.
Для складання математичної моделі двигуна і автомобіля при його випробуванні за Європейським міським їздовим циклом розділено режими руху за видами їх однотипного математичного опису: робота двигуна в режимі холостого ходу за мінімальної частоти обертання колінчатого вала; розгін двигуна в режимі холостого ходу; режим розгону автомобіля з місця на першій передачі з пробуксовуванням зчеплення; режим розгону автомобіля з постійним прискоренням при блокованому зчепленні; режим руху автомобіля з постійною швидкістю; сповільнення автомобіля в режимі примусового холостого ходу при блокованому зчепленні; переключення передач з нижчої на підвищену і з вищої на понижену; режим сповільнення двигуна з вимкнутим зчепленням.
Наприклад, режим розгону автомобіля з місця з пробуксовуванням зчеплення описано диференціальним рівнянням
,         (1)
тобто крутний момент та кінетична енергія мас, що обертаються, двигуна в період сповільнення колінчатого вала передаються на збільшення кутового прискорення веденої частини зчеплення,
де  – крутний момент двигуна, Н×м;
 – момент інерції двигуна, кг×м²;
 – кутове сповільнення колінчатого вала двигуна, с^-2;
 – коефіцієнт корисної дії трансмісії;
 – приведений до зчеплення момент інерції рухомих мас автомобіля, кг×м²;
 – прискорення веденої частини зчеплення, с^-2;
 – власна маса автомобіля, кг;
 – маса вантажу, кг;
 – коефіцієнт опору коченню автомобіля;
g – прискорення вільного падіння, м/с²;
 – фактор обтічності автомобіля, Н·с²/м²;
 – швидкість автомобіля, км/год;
 – динамічний радіус колеса, м;
,  – передаточні числа коробки передач і головної передачі відповідно.
Для математичного описання показників двигуна використано поліноміальні залежності другого та третього степеня.
В навантажувальних режимах показники двигуна визначено як функції від трьох незалежних змінних: ВКВЗ ( ), частоти обертання колінчастого вала двигуна ( ) і навантаження двигуна ( ). Показники двигуна при цьому визначено для випадків: за живлення штатним бензином, бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу. Наприклад, витрата штатного бензину описано поліноміальною залежністю
.   (2)
В режимах холостого ходу показники двигуна визначено як функції від ВКВЗ, частоти обертання колінчастого вала двигуна і відсоткового вмісту біоетанолу в бензині, введення якого в математичну модель двигуна в режимах холостого ходу дозволяє зменшити обсяг експерименту.
В режимах примусового холостого ходу показники двигуна представлені як функція від частоти обертання колінчастого вала двигуна.
Додаткове паливо , що впорскується прискорювальним насосом, рівномірно надходить в циліндри двигуна в стані пари, у вигляді крапель та паливної плівки. Час переміщення паливної плівки  від карбюратора до циліндрів при уточненні математичної моделі двигуна прийнято рівним 2 с.
Час надходження додаткового палива в циліндри двигуна становить
,                              (3)
де  – тривалість процесу відкриття дросельних заслінок.
З цей період годинна витрата палива по відношенню до схожого усталеного режиму збільшується на величину ·3,6/ . При цьому  в період відкриття дросельних заслінок визначають з урахуванням залежності переміщення штока діафрагми прискорювального насоса від відкриття заслінок
,               (4)
де  – густина палива, г/см³;
 – об’єм камери прискорювального насосу, см³;
 – відкриття дросельних заслінок.
Кількість повітря, що поступає у циліндри двигуна в процесі розгону прийнято таким як в усталеному режимі роботи.
В четвертому розділі наведено мету, задачі, програму експериментальних досліджень та необхідне обладнання для проведення стендових досліджень двигуна МеМЗ–245 та дорожніх випробувань автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія".
Мета експериментальних досліджень – визначення впливу ВКВЗ на енергетичні, екологічні показники, паливну економічність двигуна МеМЗ–245 та на паливну економічність автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" при використанні бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу.
Програма стендових випробувань двигуна МеМЗ–245 включала:
1) отримання серії регулювальних характеристик за кутом випередження запалювання при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1 та розрідженні у впускному трубопроводі Др_к = 35 кПа при живленні двигуна бензином А–95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу і визначення оптимальних значень ВКВЗ для даного режиму;
2) отримання навантажувальних характеристик при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1 при живленні двигуна бензином А–95 з ВКВЗ 5 градусів повороту колінчатого вала (град. п.к.в.), що рекомендовано заводом-виробником; бензином з 10% добавкою біоетанолу з ВКВЗ 5 град. п.к.в. та оптимальним, що визначений за регулювальною характеристикою; бензином з 20% добавкою біоетанолу з ВКВЗ 5 град. п.к.в. та оптимальним, що визначений за регулювальною характеристикою;
3) отримання показників двигуна МеМЗ–245 за планом факторного експерименту в навантажувальних режимах в діапазоні зміни Др_к = 3…67 кПа в швидкісному діапазоні n_д = 1200…3600 хв^-1 та діапазоні зміни ВКВЗ и_вст = 0…20 град. п.к.в. при живленні двигуна бензином А–95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу;
4) отримання показників двигуна МеМЗ–245 за планом факторного експерименту в режимах холостого ходу в діапазоні зміни n_д = 850…3600 хв^-1 та ВКВЗ и_вст = 0…20 град. п.к.в. при живленні двигуна бензином А–95 та бензинами з 10% і 20% добавками біоетанолу;
5) отримання характеристик примусового холостого ходу двигуна МеМЗ–245 в діапазоні n_д = 850…4000 хв^-1;
6) проведення індицирування робочого процесу при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1: з розрідженням у впускному трубопроводі Др_к = 35 кПа та повному відкритті дросельних заслінок при живленні двигуна МеМЗ‑245 штатним бензином і бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу з різними значеннями ВКВЗ.
Програма дорожніх випробувань автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" включала:
1) визначення паливних характеристик автомобіля згідно з ГОСТ 20306–90 при живленні двигуна бензином А–95 з штатним ВКВЗ 5 град. п.к.в.; бензином з 10% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ; бензином з 20% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ;
2) визначення витрати палива в реальних умовах руху автомобіля міським маршрутом при живленні бензином А–95 з штатним ВКВЗ; бензином з 10% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ; бензином з 20% добавкою біоетанолу з штатним та оптимальним ВКВЗ.
Стендові випробування двигуна МеМЗ–245 проведено на гальмівному стенді SAK–670. Під час випробувань визначено: ефективний крутний момент, частоту обертання колінчатого вала, витрати палива та повітря, кут випередження запалювання, розрідження у впускному трубопроводі, положення дросельних заслінок, концентрації ЗР, також проведено індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна.
Для визначення паливної характеристики усталеного руху автомобіля ЗАЗ‑1102 "Таврія" було обрано ділянку дороги довжиною 1 км по вул. Столичне шосе м. Києва з новим асфальтобетонним покриттям та чотирма смугами руху в одному напрямку. Дорожні випробування автомобіля в реальних умовах експлуатації проведено за маршрутом вул. Січневого повстання – вул. Цитадельна – вул. Московська – вул. Суворова, довжина якого становить 2,6 км.
У п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу ВКВЗ на паливну економічність та екологічні показники двигуна МеМЗ–245 і паливну економічність автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу.
На рис. 2 показано регулювальні характеристики за кутом випередження запалювання двигуна МеМЗ–245, з яких видно, що оптимальний кут випередження запалювання для даного режиму роботи при живленні бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу збільшився відносно штатного значення на 5 та 9 град. п.к.в. відповідно.
На концентрації оксиду (CO) та діоксиду вуглецю (CO₂) у ВГ двигуна кут випередження запалювання практично не впливає. Концентрації оксидів азоту (NO_x) та вуглеводнів (C_mH_n) (за гексаном) із збільшенням ВКВЗ зростають, але вони за оптимальних ВКВЗ для бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу не перевищують значень при живленні бензином А–95.
Для визначення впливу ВКВЗ на показники двигуна МеМЗ–245 було отримано порівняльні навантажувальні характеристики за частоти обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1, при живленні двигуна бензином А–95 та бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу з штатним ВКВЗ (5 град. п.к.в.) та оптимальними ВКВЗ – 10 та 14 град. п.к.в. відповідно.
Аналіз характеристик показав, що оптимізація кута випередження запалювання в навантажувальних режимах при живленні двигуна бензинами з 10 та 20% добавками біоетанолу зміною ВКВЗ в сторону збільшення при одночасному збідненні складу горючої суміші, зумовленого використанням добавок біоетанолу, забезпечує збільшення ефективного к.к.д., відповідно, до 2,0 та 8,4% порівняно з штатним бензином. При цьому питома витрата палива g_e практично залишається однаковою як за роботи двигуна на штатному бензині так і на бензинах з добавками біоетанолу, різниця при цьому не перевищує можливої похибки вимірювань.
Енергетичні показники двигуна за його роботи на бензинах з добавками біоетанолу практично такі ж, як і при роботі на штатному бензині.
Коефіцієнти поліноміальних залежностей двигуна МеМЗ–245, що описують його як джерело енергії, споживача палива, повітря та забруднювача навколишнього середовища отримано із застосуванням методів планування факторного експерименту. Адекватність поліноміальних залежностей перевірено за F–критерієм (критерієм Фішера) для рівня значущості 0,05.
Метою індицирування робочого процесу в циліндрі двигуна є визначення впливу ВКВЗ на жорсткість роботи двигуна (dp/dц), величину максимального тиску в циліндрі двигуна (p_z), які підвищують навантаження на деталі кривошипно-шатунного механізму та утворення детонаційного згоряння робочої суміші при живленні двигуна бензинами з добавками біоетанолу.
Дослідження проводились в середніх і повних режимах навантаження при частоті обертання колінчатого вала n_д = 3000 хв^-1. Для отримання надійних статистичних даних при обробці індикаторних діаграм використовували дані 40 послідовних циклів.
На рис. 3 показано індикаторні діаграми двигуна МеМЗ–245 при живленні штатним бензином і бензинами з 10 і 20% добавками біоетанолу (n_д = 3000 хв^-1, Др_к = 35 кПа з штатним и_вст = 5 град. п.к.в. та оптимальними – 10 та 14 град. п.к.в.).
При використанні бензинів з 10 та 20% добавками біоетанолу при встановленні штатного ВКВЗ максимальний тиск в циліндрі двигуна відносно роботи при живленні штатним бензином зменшується пропорційно зменшенню теплоти згоряння суміші. За живленні двигуна штатним бензином та бензинами з 10 і 20% добавками біоетанолу на середніх швидкісних і навантажувальних режимах з оптимальними ВКВЗ індикаторні діаграми мають типовий вид.
На рис. 4а показано індикаторні діаграми двигуна МеМЗ–245 на штатному бензині і бензинах з 10 і 20% добавками біоетанолу при повному навантаженні (ц_др = 100%, n_д = 3000 хв^-1).
Аналіз індикаторних діаграм показав, що при 20% добавці біоетанолу має місце зростання жорсткості згоряння відносно штатного бензину. Крім того, точка максимуму тиску в циліндрі двигуна зміщена ближче до ВМТ. Щоб позбутися цього, доцільно збільшувати ВКВЗ не на 9, а на 7 град. п.к.в. (и_вст = 12 град. п.к.в.). На рис. 4б показано суміщені індикаторні діаграми двигуна при живленні штатним бензином з штатним ВКВЗ і бензином з 20% добавкою біоетанолу із скоригованим ВКВЗ и_вст = 12 град. п.к.в.
З рис. 4б видно, що встановлення и_вст = 12 град. п.к.в. знижує жорсткість згоряння dp/dц до значень таких як при живленні двигуна штатним бензином.
Для зміни ВКВЗ при використанні бензинів з добавками біоетанолу в умовах експлуатації в даній роботі запропоновано використання електронного оптимізатора моменту іскроутворення ОМИ–012. Для перевірки можливості застосування оптимізатора ОМИ–012 з метою підтримання оптимальних ВКВЗ при використанні штатного бензину і бензинів з добавками біоетанолу проведено випробування двигуна МеМЗ–245, за результатами яких зроблено висновок щодо рекомендацій використання електронних пристроїв для зміни ВКВЗ на оптимальні значення при живленні автомобільних двигунів бензинами з добавками біоетанолу в умовах експлуатації.
Для підтвердження розрахункових досліджень проведено дорожні випробування автомобіля ЗАЗ–1102 "Таврія" – отримання паливних характеристик та випробування в реальних умовах експлуатації. На рис. 5 показано паливні характеристики автомобіля ЗАЗ–1102 “Таврія”.


Рис. 5. Паливні характеристики усталеного руху автомобіля ЗАЗ–1102 “Таврія”
Аналіз паливних характеристик (рис. 5) показав, що при живленні автомобіля ЗАЗ–1102 “Таврія” бензином з 10% добавкою біоетанолу при штатному ВКВЗ перевитрата палива по відношенню до штатного бензину склала 2…9,3% залежно від швидкісного режиму. При використанні бензину з 20% добавкою біоетанолу при штатному ВКВЗ перевитрата склала 4…10,5%, викликана зменшенням теплоти згоряння бензину додаванням біоетанолу та погіршенням процесу згоряння горючої суміші.