Модель корреляции выбросов вредных веществ автомобиля с использованием динамометрического тестирования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.113.004.5

МОДЕЛЬ КОРРЕЛЯЦИИ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ АВТОМОБИЛЯ МЕТОДОМ ДИНАМОМЕТРИЧЕСКОГО

ТЕСТИРОВАНИЯ

Р.Т. Хакимов1

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПб ГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7

Аннотация - Разработана методика стендовых испытаний бензиновых автомобильных двигателей. Особенностью методики является то, что при стендовых испытаниях производится коррекция состава вредных веществ в выбрасываемых отработавших газах путем сопоставления внешней скоростной и нагрузочной характеристик двигателя с данными, полученными в реальных условиях. Методика позволяет выполнить расчет разовых выбросов СО, СН, NOX, SO2 и Pb при контроле токсичности отработавших газов во время испытаний двигателя на стенде и автомобиля при динамическом нагружении на беговых барабанах.

Ключевые слова: бензиновый двигатель; стендовые испытания; режимы работы; нагрузочная и скоростная характеристики; городской цикл; нейтрализация

THE CORRELATION MODEL OF EMISSIONS OF HARMFUL SUBSTANCES OF THE CAR WITH USE OF DYNAMOMETER TESTING

R.T.Hakimov

St. Petersburg state university of service and economy (SPb SUSE), 191015, St. Petersburg, Kavalergardskaya St., 7

The summary - The technique of bench tests of petrol automobile engines is developed. Feature of a technique is that at bench tests correction of structure of harmful substances in the thrown-out fulfilled gases by comparison of external high-speed and loading characteristics of the engine to the data received in actual practice is made. The technique allows to execute calculation of single emissions CO, CH, NOX, SO2 and Pb at control of toxicity of the fulfilled gases during engine tests at the stand and the car at dynamic loading on running drums.

Keywords: petrol engine; bench tests; operating modes; loading and high-speed characteristics; city cycle; neutralization

Автомобильный двигатель (ДВС), работая в городском режиме, преодолевает большие нагрузки, по сравнению со стендовыми испытаниями, это объясняется тем, что в лабораторных условиях невозможно создать реальный режим работы двигателя, учитывающий изменяющиеся условия климатической среды. Такой учет возможен только на основании использования комплексного подхода, т.е. путем совмещения результатов стендовых испытаний двигателя и динамометрических испытаний автомобиля, полученных в реальных условиях его эксплуатации.

Целью данной работы является улучшение экологической чистоты рабо-

ты бензинового двигателя в условиях города, на основании обработки результатов, полученных при испытаниях на стендовой модели.

Поставленная в работе цель достигается путем сопоставления результатов динамического нагружения трансмиссии автомобиля в реальных условиях с характеристиками его двигателя - в стендовых условиях при циклической подаче концентрации аммиака на выпуске. Таким образом, строится математическая модель, позволяющая на основании сбора данных по изменению параметров систем управления и выпуска отработанных газов (ОГ) ДВС в реальных условиях, в лабораторных условиях с использованием

динамометрического стенда воспроизвести имитацию работы двигателя в городском режиме и зафиксировать выбросы за расчетный испытательный цикл.

Сущность разработанной методики заключается в том, что при стендовых испытаниях производится коррекция состава вредных веществ в выбрасываемых отработавших газах. При этом снимается внешняя скоростная и нагрузочная характеристики двигателя в соответствии с данными по этим характеристикам, полученными в реальных условиях. В частности, при динамометрическом тестировании фиксируются вредные выбросы с учетом корреляции скорости автомобиля и режима работы двигателя. При установлении такой корреляции путем изменения Рк - силы сопротивления качению, вертикальной нагрузки О и данных давлениях в шинах учитываются аэродинамическая и подвижная силы сопротивления движению автомобиля.

Разработанная модель была протестирована по данным испытаний, полученным от автомобиля, имеющего тот же тип двигателя ЗМЗ-409, что и двигатель, установленный на стенде. В процессе эксперимента произведено комплексное совмещение результатов обоих испытаний - двигателя и автомобиля путем коррекции нагрузочных характеристик с целью имитации городского режима эксплуатации автомобиля и снижения вредных выбросов в составе ОГ. Поскольку фактическая скорость автомобиля в городском режиме составляет в пределах от 20 до 80 км/час, то в лабораторных условиях все режимы работы ДВС практически реализуемы.

Корреляцию вредных выбросов в составе ОГ при имитации городского и вне городского циклов необходимо производить с учетом действующих нормативных требований.

Согласно специальному техническому регламенту автомобильная техника, выпускаемая в обращение на территории Российской Федерации, должна быть не хуже экологического класса 2. Соответствие автомобилей и установленных на них двигателей требованиям данного

регламента удостоверяет сертификат соответствия, выдаваемый в порядке, установленном нашим законодательством, или сообщение, касающееся официального утверждения типа транспортного средства и (или) двигателя, предусмотренное Правилами Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (Правила ЕЭК ООН).

Порядок сертификации (методики проведения сертификационных испытаний и технические нормативы выбросов) определены Правилами ЕЭК ООН, всего таких правил четыре.

1. Правила ЕЭК ООН № 24 (24-03) «Единообразные предписания, касающиеся:

- официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия в отношении выброса видимых загрязняющих веществ;

- официального утверждения автотранспортных средств в отношении установки на них двигателей с воспламенением от сжатия, официально утвержденных по типу конструкции;

- официального утверждения автотранспортных средств с двигателем с воспламенением от сжатия в отношении выброса видимых загрязняющих веществ;

- измерения полезной мощности двигателей с воспламенением от сжатия».

2. Правила ЕЭК ООН № 49 (49-02. 49-03,49-04) «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе, а также двигателей с принудительным зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном газе, и транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия, двигателями, работающими на природном газе, и двигателями с принудительным зажиганием, работающими на сжиженном нефтяном газе, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ».

3. Правила ЕЭК ООН № 83 (83-02,

83-03, 83-04, 83-05) «Единообразные

предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в от-

ношении выброса загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей».

4. Правила ЕЭК ООН № 96 (96-01) «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия для установки на сельскохозяйственных тракторах и внедорожной технике в отношении выброса загрязняющих веществ этими двигателями».

В соответствии с перечисленными нормативными документами для автомобилей с бензиновыми двигателями расчет выбросов загрязняющих веществ выполняется для шести их компонентам: оксида углерода - СО, углеводородов - СН, оксидов азота NOx (в пересчете на диоксид азота N0^), соединений серы (в пересчете на диоксид серы Б02) и соединений свинца - РЬ, (РЬ - только для регионов, где используется этилированный бензин).

Испытания двигателя и автомобиля в целом ведутся с учетом полной нагрузки в пределах от средних оборотов коленчатого вала (КВ) до - максимальных. Задача проведения эксперимента -установить такой режим работы двигателя в городских условиях, где в основном происходит не установившийся режим работы ДВС, который может быть имитирован на нагрузочном стенде (в дальнейшем будем называть испытание двигателя - И1). Имитирующие испытания, проводимые с автомобилем в лабораторных условиях на динамометрическом стенде в дальнейшем будем называть испытания автомобиля - И2.

При разработке комплексной модели используем алгоритм методики указанный в источнике [2], модернизировав ее для расчета разовых вредных веществ ОГ в процессе испытаний И1 и И2.

Методика [2] учитывает расчет удельных выбросов /-го вещества при работе на холостом ходу шхх/к и при прогреве шпр/к двигателя автомобиля, но не учитывает расчет вредных веществ удельных выбросов /-го вещества при работе двигателя на средних, номинальных и максимальных оборотов КВ, так как время работы на указанных диапазонах значи-

тельно превышает рассматриваемые в источнике [2].

Предлагаемая модель позволяет выполнить расчет разовых выбросов (СО, СН, К0Х, Б02 и РЬ) при контроле токсичности отработавших газов во время испытаний двигателя на стенде и автомобиля при динамическом нагружении на беговых барабанах.

Разовые ЯС.ПР.ХХ,I выбросы /-го вещества ОГ (СО, СН, К0Х, Б02 и РЬ) в год при прогреве и холостых ходах работы двигателя по условиям внешней скоростной и нагрузочной характеристик ДВС с учетом температуры окружающей среды I, °С рассчитываются по следующим зависимостям.

Для бензинового двигателя (городской режим):

=У ппрхх ■

-“с. пр.хх.1

(шпр/ ■ 1пр + Шххк ■ гхх)

с=1

3600

г/с

(1)

-,Лд . оо 111 \

где: п - количество испытаний ДВС

ёп

при прогреве и холостых ходах; с - стендовые испытания с различными условиями работы двигателя (прогрев и холостой ход, скоростной и нагрузочный); шпр/ -удельный выброс 1-го вещества при прогреве двигателя при стендовых испытаний, (температура лаборатории ^лаб=20 °С), г/мин; шхх/ - удельный выброс /-го вещества при работе на холостом ход двигателя, г/мин; П - время прогрева двигателя (1...2 мин); Х - среднее время работы двигателя на малых оборотах холостого хода при прогреве (принимается равным 2.4 мин).

Прогрев и работа двигателя на холостых ходах, как правило, занимает не много времени. При этом происходит наиболее интенсивный выброс токсичных компонентов ОГ. Это связано с регулировочными параметрами рабочего тела на впуске, а также потерей энергии при истечении рабочего тела и нагрев окружающей среды стенок камеры сгорания, что вызывает частично неполное выгорание рабочей смеси.

Используя выражение (1) ведем подсчет каждого ВВ ОГ двигателя.

с

я20 = V

1 пр.XX.і / ^

П„

С=1

С

Я20 =У

2пр.хх.і / ^

С=1

С

=&

П •

пис

я

20 '3 пр.хх.і

(тпР.г ' ■Іпр + тхх.г 1х х)

3600

(тпр.і • Іпр + тххі 1х х)

3600

(тпрі • Іпр + тхх.і ^ хх)

Разовый Я £ скорі ^ выброс і-го вещества ОГ на повышенных оборотах КВ по условиям внешней скоростной характеристики двигателя при і = 20 °С, (г/с) рассчитывается по формуле:

С=1

3600

Аналогично выполняются расчеты /-го вещества ОГ при t = 0°С и -10°С, с периодичностью испытаний.

Разовые выбросы в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий Як/ по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются, так что имеем выражение в следующем виде:

Я1 = V ПсКоР.х Х

С.скор.і ис

П=1

...X-

{т* • 1СП

\тП • 1с.„1 + тпсі • 1с.п2 +... + т"сь • 1с.п,

)) •

3600

(3)

щрхх- =х я?г3

с=1 ' , (2) где: к - режим работы двигателя (прогрев, холостой ход, скоростной, нагрузочный); t - температурные условия работы двигателя при стендовых испытаний; с - количество испытаний при t=const одноименного компонента ОГ.

п1 п2

та • 1с.п1 + та • 1с.п2

п

М,20кор.і =Е п^^ •(;

п=1

п /

м £кр =Т.<Гх -К • ісп +

п=1

п /

мИкоГ1 =Е пикорх •(

^„пё!д .о ^

где: Щп - количество испытаний дан-

ного типа ДВС по условиям скоростной характеристике; тп - удельный выброс /го вещества по условиям скоростной характеристике, при заданной частоте вращения КВ, г/мин; tс.nl - время работы двигателя при заданной частоте КВ по условиям скоростной характеристике.

Используя выражение (3) производим расчет каждого ВВ ОГ двигателя:

+... + т:;->с„,) • 10~6

пі п2

т- • 1с.п1 + та " 1с.п2

+ .. + тЛі/іс»,) • 10-

п1 п2

тсі ' 1с.п1 + тСі " 1с.п2

і )-1

^ • 1 ) • 1

Сі Іс.пі) 1

Аналогично выполняются расчеты валового выброса /-го вещества ОГ при t = 0°С и -10°С, с периодичностью испытаний.

Разовые выбросы Як1 скоростного режима в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются, так что имеем выражение в следующем виде:

+... + тп -1сп ) • 10-6.

Я = V пнагр.х X

С.нагр.і ис •••

... X-

п=1

\тНи •1 н.п1 + т”2 • 1н.п2 + ... + тн;. • 1н.п,

і)

3600

(5)

Якор. = ХЯ-3

С=1

(4)

Валовый М£н і выброс /-го ве-

щества ОГ на повышенных оборотах КВ по условиям нагрузочной скоростной характеристики двигателя при і = 20 °С, (г/с):

„Лаад.о ^

где: Щп - количество испытаний дан-

ного типа ДВС по условиям нагрузочной характеристике; м"\ - удельный выброс /го вещества по условиям нагрузочной характеристике, при заданной частоте вращения КВ, г/мин; tn.ni - время работы двигателя при заданной частоте КВ по условиям нагрузочной характеристике.

Используя выражение (5) производим расчет каждого ВВ ОГ двигателя:

с

6

С

R = V

R1.Haep.i 2^

<агр-х*...

n=1

... X-

(mn1 • t i + mn2 • t о + + mni • t

\nH.i ln.n1 ^ rnH.i lH.n2 ^ ... ^ m ’ 1

3600

R20 = V nнагР-х x

R2.Haep.i n^ X...

2. Haep.i *uo

n=1

(mn1 • tH.n1 + тш •tH.n2 + ... + тПн.ч ■tн.щ

) ;

3600

R

20 = v n Hazp.x X

-3.Haep.i no

n=1

...X-

(mn1 • tH.n1 + m”2 •tH.n2 + ... + •tH.n,

).

3600

Аналогично выполняются расчеты разовых выбросов /-го вещества ОГ при t = 0°С и -10°С, с периодичностью испытаний.

Разовые выбросы Як/ нагрузочного режима в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются, так что имеем выражение в следующем виде:

Кскор.=у КЛЗ

й С// (6)

Таким образом, стендовые испытания позволяют получить результаты характеристик работы ДВС в скоростном режиме как с учетом нагрузки, так и без таковой. Большой диапазон скоростных режимов работы двигателя обеспечивает получение общей картины выбросов вредных веществ в ОГ. Например, если исследовать особенности микропроцесса газообмена в цилиндре, то увеличение частоты вращения коленчатого вала до номинального и максимального значений без нагрузки достигается относительно быстро, а изменение температурного поля в камере сгорания во времени проис-

ходит медленно. При исследовании скоростной режима путем увеличения частоты вращения КВ с нагрузкой учитывается динамика воздействия ЦПГ на процесс сгорания топлива и последующее расширение ПГ. Наличие нагрузки приводит к более интенсивному росту температуры в камере сгорания. В таких условиях газообмен протекает по наиболее сложной схеме, а количественный разовый выброс продуктов сгорания уменьшается в разных пределах покомпонентно и, следовательно, в общей сумме.

При рассмотрении разработанной комплексной модели можно сделать следующий вывод.

Определение разового выброса /го компонента вредных веществ в ОГ при учете различных климатических условий дает возможность проанализировать изменение тепловой энергии в течение расчетного периода и уточнить алгоритм протекания газодинамического процесса с использованием системы электронного управления двигателем. Результаты, полученные при стендовых испытаниях двигателя и динамометрических испытаниях автомобиля в лабораторных условиях, могут быть использованы для имитации работы двигателя в условиях городского режима эксплуатации автомобиля.

Литература

1. Сарбаев В.И., Селиванов С.С. и др. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: Механизация и экологическая безопасность производственных процессов. Изд. «Феникс», Ростов-на-Дону. 2004.

2. Хакимов Р.Т. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. -СПб.: СПбГАУ, 2011. - С. 97 - 10

n

n

n

С

1 XaKUMoe PaM-илъ Tasupoeun - rnHdudam mexHUHeoKUx HayK, do'qeHm кaфедpы aemooepeuoa

СПбГУСЭ, тел.: (812) 367-39-92, моб.: +7 906 2622858, e-mail: [email protected]