Обобщённая энергетическая модель открытой термодинамической системы «топливный бак автомобиля». Процессы нестационарного теплообмена при переменной массе топлива

Введение (постановка задачи и актуальность). Автомобили с бензиновыми двигателями генерируют значительное количество углеводородов в виде паров топлива, выделяющихся в результате испарения из топливной системы, основным элементом которой является топливный бак, современные требования к предельному уровню выбросов в результате испарения значительно ужесточаются. При этом параметры процесса парообразования и количество топливных испарений определяются динамикой нагрева топлива в баке на различных режимах эксплуатации автомобиля. Цель исследований – разработать энергетическую модель «топливный бак автомобиля», приведя её к открытой термодинамической системе, обменивающейся с окружающей средой и энергией, и веществом при переменном количестве топлива в баке.

Методология и методы. Выполнен анализ тепловых потоков, подведённых к топливному баку и отведённых от него. В результате решения уравнений для открытой и закрытой термодинамических систем получены параметры, характеризующие теплотехнические свойства топливного бака. Результаты и научная новизна. Предложены дополнительные комплексные параметры, основными из которых являются: теплоотдача бака; теплоёмкость бака; подводимый тепловой поток; скорость изменения теплоёмкости; время опорожнения бака; фактор ускорения нагрева топлива; максимальная скорость изменения температурного напора. Также для оценки теплоэнергетических свойств топливного бака предложен дополнительный параметр отношения площади поверхности сферы к площади поверхности бака, имеющего такой же объём, как сфера, позволяющий оценить теплоотдачу топливного бака в окружающую среду.

Практическая значимость. Получены уравнения, позволяющие оценивать уровень температуры топлива в зависимости от теплотехнических свойств и формы топливного бака при отсутствии и наличии управления бензонасосами.

1. Григорьев М.А., Желтяков В.Т., Тер-Мкртичьян Г.Г., Терехин А.Н. Современные автомобильные двигатели и их перспективы // Автомобильная промышленность. – 1996. – № 6. – С. 10–14.

2. Сайкин А.М., Тер-Мкртичьян Г.Г., Карпухин К.Е., Переладов А.С., Журавлёв А.В., Якунова Е.А. Экологические проблемы современных транспортных средств, в том числе электромобилей // Вестник машиностроения. – 2017. – № 2. – С. 84–87.

3. Тер-Мкртичьян Г.Г. Анализ процессов парообразования в топливном баке автомобиля. Новое уравнение для определения количества испарений // Труды НАМИ. – 2021. – № 2 (285). – С. 74–86.

4. Тер-Мкртичьян Г.Г., Микерин Н.А., Главизнин В.В., Балашов Д.Ю., Арабян М.Е. Энергетическая модель термодинамической системы «топливный бак автомобиля». Процессы нестационарного теплообмена при постоянной массе топлива // Труды НАМИ. – 2020. – № 4 (283). – С. 82–93.

5. Reddy S.R. Mathematical Models for Predicting Vehicle Refuelling Vapour Generation / SAE 2010 World Congress & Exhibition. – 2010.

6. Liu H., Man H.Y., Tschantz M., Wu Y., He K.B., Hao J.M. VOC from vehicular evaporation emissions: status and control strategy // Environ. Sci. Technol. – 2015. – No. 49. – Р. 14424–14431.

7. Itakura H., Kato N., Kohama T., Hyoudou Y., Murai T. Studies on Carbon Canester to Satisfy LEVII EVAP Regulations // SAE Technical Paper. – 2000. – 2000-010895. DOI: 10.4271/2000-01-0895.

8. Ntziachristos L., Gkatzofliasb D., Kouridis C., Samaras Z. COPERT: A European Road Transport Emission Inventory Model // Information Technologies in Environmental Engineering. 2009. – P. 491–504.

9. Mellios G., Samaras Z. An empirical model for estimating evaporative hydrocarbon emissions from canisterequipped vehicles // Fuel. – 2007. – No. 86. – Р. 2254–2261.

10. Smith L., Hussain A., Pautasso E., Servetto E., Graziano E., Brown J. EVAP System Fluid-Dynamics and Chemistry Modelling for EMS Purge Control Development and Optimization / SIA Powertrain Conference. – Versailles, 2015.

11. Zheng J., He H., Alimohammadi H. Threedimensional Wadell roundness for particle angularity characterization of granular soils // Acta Geotechnica. – 2021. – No. 16. – P. 133–149. https://doi.org/10.1007/s11440-020-01004-9.

12. Hussain S. How to Calculate Sphericity. URL: https://sciencing.com/calculate-sphericity-5143572.html (дата обращения: 15.02.2022).