Toxicity of a gasoline engine for small-scale mechanization

Alexander A. Khodyakov; Ходяков Александр Андреевич; Sergey V. Khlopkov; Хлопков Сергей Валентинович; Danil V. Istomin; Истомин Данил Владиславович; Djeqran R. Alibekova; Алибекова Джейран Руслановна; Alexey A. Narozhnyy; Нарожный Алексей Алексеевич

doi:10.22363/2312-8143-2023-24-2-187-195

Toxicity of a gasoline engine for small-scale mechanization

Authors: Khodyakov A.A.¹, Khlopkov S.V.¹, Istomin D.V.¹, Alibekova D.R.¹, Narozhnyy A.A.¹
Affiliations:
1. RUDN University
Issue: Vol 24, No 2 (2023)
Pages: 187-195
Section: Articles
URL: https://journals.rudn.ru/engineering-researches/article/view/35143
DOI: https://doi.org/10.22363/2312-8143-2023-24-2-187-195
EDN: https://elibrary.ru/BRGJST
ID: 35143

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The single-cylinder, four-stroke, overhead valve Biggs & Stratton engine was studied for the possible toxinity with the view of solving the environmental pollution problem related to the internal combustion engine emissions. As an assessment of toxicity, the data recorded (INFRACAR 5M3T) in the exhaust gases of the power unit NOx, CO and CH was used. Evaluation of the toxicity of the engine running under load was carried out by testing (CARTEC LPS 2510 dynamometer) an engine-equipped vehicle of simplified design (buggy). It was shown that the presence of CO, CH and NOx in the exhaust gases is affected not only by the presence of alcohol in gasoline, but also by the crankshaft speed. It was found that the proportion of CH in the exhaust gases of the power unit running on gasoline is lower than the maximum allowable content of hydrocarbons in the exhaust gases of gasoline engines not equipped with a neutralization system. According to the data obtained from bench tests, it follows that the proportion of CH in the exhaust gases of a gasoline-fueled engine is on average 48% higher than in the exhaust gases of an engine fed with a gasoline-alcohol mixture. It was shown that a significant increase in power at the wheel does not lead to a sharp increase in the CH content in the exhaust gases. The proportion of CH in the exhaust gases in the obtained speed range is a constant value.

Keywords

gas analyzer, dynamometer, gasoline-alcohol mixtures, proportion, crankshaft speed, exhaust gases, carbon monoxide, unburned hydrocarbons, nitrogen oxides

Full Text

Введение Широкое использование в садовой технике (газонокосилках, культиваторах), электрических генераторах, картингах и багги двигателей Briggs & Stratton, не оснащенных каталитическим нейтрализатором, ставит задачу определения токсичности отработавших газов (ОГ) силового агрегата. Проведение исследований, связанных с анализом содержания в отработавших газах токсичных компонентов (СО, СН, NOx)[26] [1-2], необходимо не только для диагностирования неисправностей двигателей Briggs & Stratton, но и для предотвращения увеличения токсичных выбросов [3-6], вызванных нарушениями нормальной работы мотора [7-13]. Кроме неисправностей, приводящих к возрастанию токсичности ОГ, влияние на содержание в отработавших газах СО, СН, NOx может оказывать и само топливо [14]. Поэтому необходимо определить содержание СО, СН, NOx в отработавших газах двигателя, работающего на бензине. Оценка влияния топлива на токсичность ОГ проводилась на том же двигателе, но работающем уже не на бензине, а на смесях бензина со спиртом. 1. Экспериментальная часть Объектами исследования были пробы бензина марки АИ-98 (Б-1) и смесь АИ-98 с изопропиловым спиртом (С3Н8О, абсолютированный ГОСТ 9805-84), содержащая 5 и 10 % С3Н8О (СМ-5, СМ-10). Испытанию подвергали двигатель, установленный на легкий четырехколесный автомобиль, упрощенной конструкции (багги). Трансмиссия транспортного средства состояла из цепной (главной) передачи и вариатора. Пробы бензина и смеси, содержащие С3Н8О, объемом не выше 150 мл заливали в топливный бак одноцилиндрового, четырехтактного, верхнеклапанного двигателя (Biggs & Stratton) мощностью 7,4 кВт (крутящий момент 3600 об×мин-1). Рабочий объем двигателя 306 см3. Для определения изменений содержания в отработавших газах токсичных компонентов, связанных с работающим под нагрузкой двигателем, использовали динамометрический стенд CARTEC LPS 2510. Испытания проводили в подпрограмме F-const. В режиме F-const, согласно технической документации, автомобиль при фиксированном (постоянном) сопротивлении движению колес должен развивать максимально возможную мощность. Протокол испытаний режима F-const содержит следующие данные: сопротивление на колесе, мощность на колесе, скорость, обороты двигателя, тяговое усилие. Одновременно при испытании на стенде регистрировали содержание в ОГ СО, СН, NOx. Контроль содержания в отработавших газах двигателя Briggs & Stratton монооксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (СН) и оксидов азота (NOx) проводили газоанализатором ИНФРАКАР 5М3Т (класс прибора 0). В табл. 1 приведен диапазон измеряемых значений СО, СН и NOx и пределы допускаемых погрешностей. Подготовку прибора к работе и проведение контроля содержания в ОГ токсичных компонентов осуществляли, руководствуясь соответствующей технической документацией. Так, например, устройство забора пробы (зонд) газоанализатора устанавливали в выхлопную трубу транспортного средства, согласно инструкции, на глубину не менее 300 мм от среза и фиксировали устройство забора пробы специальным зажимом. Кроме измерения СО, СН, NOx регистрировали также (тахометром) обороты двигателя (n; частота вращения коленчатого вала). Измерения выполняли при работе мотора (не менее 2 мин) в нагруженном (режим F-const) и не нагруженном (режим холостого хода) состоянии. Силовой агрегат предварительно прогревали. Таблица 1 Диапазон измеряемых газоанализатором значений СО, СН, NOx и пределы допускаемой погрешности Измеряемая величина Диапазон измерений Пределы допускаемой погрешности Абсолютной Относительной Объемная доля СО, % От 0 до 5 ±0,03 ±3 Объемная доля СН, млн-1 От 0 до 2000 ±10 ±5 Объемная доля NOx, млн-1 От 0 до 4000 ±100 ±10 Table 1 Range of CO, CH, NOx values measured by the gas analyzer and maximum permissible error limits Measured value Measurement range Maximum permissible error limits Absolute Relative Volume fraction of CO, % From 0 to 5 ±0.03 ±3 Volume fraction of CH, ppm From 0 to 2000 ±10 ±5 Volume fraction of NOx, ppm From 0 to 4000 ±100 ±10 2. Результаты и обсуждение В табл. 2 представлены данные, полученные при работе двигателя в режиме холостого хода. Из сопоставления данных следует, что объемная доля СО и СН в отработавших газах при сгорании бензина выше их содержания в ОГ, образующихся при работе двигателя на смесях со спиртом. Параметр j оксидов азота в ОГ, наоборот, возрастает. Причем максимальное значение NOx наблюдается для бензина с 10 % С3Н8О и при работе двигателя на более низких оборотах. Это свидетельствует, что на присутствие в отработавших газах СО, СН и NOx оказывает влияние не только наличие в бензине спирта, но и частота вращения коленчатого вала. Для определения тесноты связи между j и концентрацией С3Н8О в топливе, а также между j и n (частота вращения коленчатого вала) к представленным в табл. 2 данным применялся корреляционный анализ (рис. 1). Таблица 2 Объемная доля j СО, СН и NOx в отработавших газах при работе двигателя в режиме холостого хода Топливо Содержание в топливе С3Н8О, % Обороты двигателя, мин-1 j(СО), % j(СН), млн-1 j(NOx), млн-1 Б-1 0 2450 2,8 361 157 СМ-5 5 1840 1,5 149 234 СМ-10 10 1750 0,4 104 315 Table 2 Volumetric fraction j of CO, CH and NOx in exhaust gases when the engine is idling Fuel С3Н8О content in fuel, % Engine speed, min-1 j(СО), % j(СН), ppm-1 j(NOx), ppm-1 B-1 0 2450 2.8 361 157 CM-5 5 1840 1.5 149 234 CM-10 10 1750 0.4 104 315 Величины представленных в таблицах коэффициентов корреляции (r) выше 0,9 (рисунок). Такие значения параметра r по количественно-качественной шкале Чеддока характеризуют связь между n и j, между содержанием в бензине спирта и объемными долями СО, СН, NOx как очень сильную. Аналогичная связь существует и в ряду j(СО) - j(СН), j(СО) - j(NOx), а также между j(СН) и j(NOx). Статистическую оценку коэффициентов корреляции проводили, сравнивая расчетные значения rрасч с критической величиной rкрит. Оказалось, что свидетельствующее о значимой линейной связи (rкрит = 0,997 при уровне значимости 0,05) наблюдается для пар n-CH, j(СО) - j(NOx), содержание спирта - j(NOx), содержание спирта - j(СО). Из этих четырех пар только содержание в отработавших газах СН связано с характеристикой (частотой вращения коленчатого вала) силового агрегата. Поэтому испытание двигателя в режиме F-const (под нагрузкой) с одновременной регистрацией в отработавших газах СО, СН и NOx проводили при n = 1636 ± 52 мин-1 (±3 %), а показателем, по которому оценивали токсичность двигателя (работающего на бензине и на смеси бензина со спиртом), было содержание в ОГ СН. В табл. 3, 4 представлены данные, полученные при испытании багги на стенде CARTEC LPS 2510 в режиме F-const. Из сопоставления данных следует, что доля СН в ОГ двигателя, работающего на бензине, в среднем на 48 % выше, чем в отработавших газах мотора, питаемого смесью, состоящей из бензина и спирта. Аналогичный результат получен при работе силового агрегата без нагрузки (в режиме холостого хода). Доля СН в отработавших газах двигателя, работающего на бензине, выше параметра j, полученного при работе мотора на смесях (табл. 2). Это соответствует приводимым в литературе сведениям о снижении выбросов СН, которое является следствием более полного, чем бензин, сгорания смесей бензина со спиртом [10-13]. Корреляционный анализ данных, выполненный с помощью табличного процессора Microsoft Office Excel Изображение выглядит как стол Автоматически созданное описание Correlation data analysis performed using Microsoft Office spreadsheet processor Таблица 3 Сопротивление, мощность на колесе, скорость, тяговое усилие и объемная доля СН в отработавших газах двигателя, работающего на бензине АИ-98 Сопротивление на колесе, Н×м Мощность на колесе, кВт Скорость, км×час-1 Тяговое усилие, Н j(СН), млн-1 20 1,5 43,1 120 371 30 1,8 36,5 190 369 40 2,4 34,5 250 357 Table 3 Resistance, power to the wheel, speed, tractive effort and volumetric fraction of CH in the exhaust gases of an engine running on AI-98 gasoline Wheel resistance, N×m, Power to the wheel, kW Speed, km×hour -1 Tractive effort, Н j(СН), ppm-1 20 1.5 43.1 120 371 30 1.8 36.5 190 369 40 2.4 34.5 250 357 Таблица 4 Сопротивление, мощность на колесе, скорость, тяговое усилие и объемная доля СН в отработавших газах двигателя, работающего на бензине с 10 % изопропилового спирта Сопротивление на колесе, Н×м Мощность на колесе, кВт Скорость, км×час-1 Тяговое усилие, Н j(СН), млн-1 20 1,3 39,1 125 186 30 1,6 34,1 190 189 40 2,4 31,0 253 191 Table 4 Resistance, power to the wheel, speed, tractive effort and volumetric fraction of CH in the exhaust gases of an engine running on 10% isopropyl alcohol gasoline Wheel resistance, N×m, Power to the wheel, kW Speed, km×hour-1 Tractive effort, Н j(СН), ppm-1 20 1.3 39.1 125 186 30 1.6 34.1 190 189 40 2.4 31.0 253 191 Полученные значения j(СН) = 357-371 млн-1 ниже предельно допустимого (нормированного) содержания углеводородов в ОГ для двигателей, работающих на бензине и не оснащенных системой нейтрализации (600-1200 млн-1). В ходе испытаний в режиме F-const (согласно техническому описанию динамометрического стенда CARTEC LPS 2510) багги должен развивать максимально возможную мощность (Nк) при фиксированном (постоянном) сопротивлении движению колес (Pк). При увеличении Pк максимально возможная мощность возрастает с 1,3 до 2,4 кВт, то есть на 46 %, а скорость меняется на ~20 % (табл. 3, 4). Изменение доли СН в отработавших газах с ростом Nк (и соответственно с изменением скорости) составило всего 4 %. Это ниже предела допускаемой погрешности измерения СН, равной ±5 % (табл. 1). Следовательно, значительное увеличение Nк не приводит к резкому возрастанию содержания СН в отработавших газах. Доля СН в ОГ в полученном интервале скоростей величина постоянная. Для оценки влияния присутствующего в бензине спирта на содержание в отработавших газах NOx проведены испытания одноцилиндрового, четырехтактного бензинового двигателя LIFAN 170 F мощностью 5,1 кВт (крутящий момент 3600 об×мин-1) (табл. 5). Этот силовой агрегат так же, как и двигатель Briggs & Stratton, устанавливается на мобильных энергетических средствах малой механизации. Таблица 5 Объемная доля NOx в отработавших газах при работе двигателя LIFAN 170 F в режиме холостого хода на бензине и смеси бензина со спиртом Токсичный компонент ОГ Обороты двигателя, мин-1 Бензин Смесь бензина с 20 %изопропилового спирта 1640 1950 2240 2480 3430 1815 1928 2213 2429 3598 j(NOx), млн-1 18 41 63 84 182 8 13 50 61 152 Table 5 Volumetric fraction of NOx in the exhaust gases when the LIFAN 170 F engine is idling on gasoline and gasoline-alcohol mixture Toxic component of the exhaust gases Engine speed, min-1 Gasoline Mixture of gasoline with 20% isopropyl alcohol 1640 1950 2240 2480 3430 1815 1928 2213 2429 3598 j(NOx), mln-1 18 41 63 84 182 8 13 50 61 152 Испытание LIFAN 170 F проводилось с целью получения результатов, которые могут быть некоторой коррекцией данных j(NOx), полученных при испытании двигателя Briggs & Stratton (см. табл. 2). Из сопоставления данных (табл. 5) следует, что содержание NOx в отработавших газах двигателя, работающего на бензине, выше (на 21-68 %), чем j(NOx) в ОГ мотора, питаемого смесью бензина со спиртом. При этом наблюдается рост содержания NOx в ОГ с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Тесноту связи между j(NOx) и частотой вращения коленчатого вала оценивали коэффициентом корреляции. Коэффициент корреляции r между j(NOx) и n для двигателя, работающего на бензине, так же, как и для мотора, питаемого смесью, составил 0,99. Это значение статистически значимо, так как rкрит при уровне значимости 0,05 составляет 0,878 [14]. Установление функциональной зависимости j(NOx) от частоты вращения коленчатого вала проводили с помощью регрессионного анализа (статистический аналитический метод, модель парной линейной регрессии). В табл. 6, 7 приведены результаты выполненного в табличном процессоре Microsoft Office Excel регрессионного анализа (F-критерий Фишера; - коэффициент детерминации). Расчет средней относительной ошибки аппроксимации (, %) проводили по формуле , где - среднее арифметическое значение фактического результативного признака; - фактическое значение результативного признака; - теоретическое значение результативного признака. Из сопоставления критических и расчетных значений критерия Фишера следует, что уравнения регрессии адекватны (). Точность математической модели () составила 6 % для данных, полученных при работе двигателя на бензине, и 8 % для мотора, питаемого смесью бензина с 20 % изопропилового спирта (табл. 6, 7). Эти значения обладают точностью, которая является достаточной, чтобы подобранную к исходным данным модель считать результативной. Значение , так же как и r для данных, полученных при работе двигателя на смеси, близки к 1, то есть линейная связь между j(NOx) и n сильная, 99 % значений j(NOx) обусловлено влиянием на образование токсичного компонента частоты вращения коленчатого вала двигателя, 1 % данных зависит от других, не включенных в модель, факторов. Таблица 6 Характеристика регрессионной модели для данных (ŷ = j(NOx); x = n), полученных при работе двигателя LIFAN 170 F в режиме холостого хода на бензине Уравнение регрессии ŷ = 0,0926x - 139,77 Fрасч Fкрит R2 6 441,2 7,7 0,9932 Table 6 Regression model characteristics for the data (ŷ = j(NOx); x = n), obtained when the LIFAN 170 F engine is idling on gasoline Regression equation ŷ = 0.0926x - 139.77 Festimated Fcritical R2 6 441.2 7.7 0.9932 Таблица 7 Характеристика регрессионной модели для данных (ŷ = j(NOx); x = n), полученных при работе двигателя LIFAN 170 F в режиме холостого хода на смеси бензина с 20 % изопропилового спирта Уравнение регрессии ŷ = 0,0809x - 137,0319 Fрасч Fкрит R2 8 366,3 7,7 0,9919 Table 7 Regression model characteristics for the data (ŷ = j(NOx); x = n), obtained when the operation of the LIFAN 170 F engine is idling on a mixture of gasoline with 20% isopropyl alcohol Regression equation ŷ = 0.0809x - 137.0319 Festimated Fcritical R2 8 366.3 7.7 0.9919 Заключение Представленные в работе результаты исследований показали, что на присутствие в отработавших газах СО, СН и NOx оказывает влияние не только наличие в бензине спирта, но и частота вращения коленчатого вала. Установлено, что доля СН в отработавших газах силового агрегата, работающего на бензине, ниже предельно допустимого содержания углеводородов в ОГ, не оснащенных системой нейтрализации бензиновых двигателей. Из данных, полученных при испытании на стенде, следует, что доля СН в ОГ двигателя, работающего на бензине, в среднем на 48 % выше, чем в отработавших газах мотора, питаемого смесью, состоящей из бензина и спирта. Показано, что значительное увеличение мощности на колесе не приводит к резкому возрастанию содержания СН в отработавших газах. Доля СН в ОГ в полученном интервале скоростей величина постоянная.

About the authors

Alexander A. Khodyakov

RUDN University

Email: khodyakov-aa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9391-2890
SPIN-code: 4780-1919
Scopus Author ID: 6701565417

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of Transport, Academy of Engineering