CC BY
131
Таблица 5 [2]. Удельный вес полностью изношенных основных фондов в общем объеме основных фондов организаций по видам экономической деятельности (на конец года; по полной учетной стоимости; по коммерческим организациям, кроме субъектов малого предпринимательства; в процентах)
2005 2006 2007 2008 2009
Обрабатывающие производства - всего 17,0 15,3 13,7 13,2 12,8
из них:
производство транспортных средств и оборудования 28,2 27,4 25,7 25,0 24,0
ружение дорожных организаций в 2011 году необходимо приобрести 1221 единицу новой техники, а в 2012 году - не менее 998 единиц [4].
По результатам проведенного анализа, можно сказать, что парк дорожно-эксплуатационной техники предприятий, выполняющих работы по содержанию автомобильных дорог, характеризуется низким уровнем технической оснащенности и высоким уровень физического износа техники, имеющейся в наличии.
Современное состояние отечественного машиностроения не отвечает уровню и требованиям промышленной политики, нацеленной на технологическую модернизацию и повышение конкурентоспособности экономики. В отличие от добывающих и сырьевых отраслей, во время обвала внутреннего спроса отечественные машиностроительные предприятия в большинстве своем не смогли быстро переориентироваться на внешний рынок, чтобы избежать сокращения производства. Помимо причин системного характера сказываются также: отсутствие спроса внешнего рынка на маттти-ны и оборудование российского производства; отсутствие опыта сертификации предприятий по международным стандартам, торговых марок и ресурсов для продвижения своей продукции на зарубежные рынки: низкая конкурентоспособность продукции, не позволяющая выйти на рынки механообрабатывающего оборудования и инструмента, характеризующиеся высоким уровнем конкуренции.
Если ситуация на российском рынке не изменится, то в перспективе с высокой вероятностью можно ожидать падение темпов модернизации экономики, оборудование, которое компании исполь-
зуют сейчас морально и физически устарело и проигрывает современным аналогам по показателям экономичности, производительности и технологичности. На текущем этапе машиностроительный комплекс является стратегически важным, так как его состояние отражает уровень научно-технического прогресса страны и, являясь индикатором темпов модернизации экономики, определяет развитие других отраслей народного хозяйства.
Литература:
1 Вейг Н.В. Автореферат «Выбор метода определения износа при оценке стоимости машин и оборудования, Санкт-Петербург, 2009.
2 Промышленность России. 2010: Статистический сборник / Росстат. - М., 2010. - 453 с.
3 Материалы научно-практической конференции «Приоритетные направления реализации отраслевых программ по строительству, ремонту и содержанию автомобильных дорог, безопасности дорожного движения», Слайды к докладу директора по работе с дорожной, строительной и коммунальной техникой ГТЛК Владимира Павловича Добровольского - Роль ГТЛК в эффективной реализации государственной технической политики в области дорожного хозяйства. 11-12 августа 2011 г., г. Новосибирск. Режим доступа: http://www.gtlk.rU/company/innovations/events/11
4 «Проблемное хозяйство». Ольга Мельникова. Коммерсантъ. Приложение Лизинг. №73, 26 апреля 2011 г. - Стр. 19.
5 «Лизинг для дорожной отрасли». В.П. Добровольский. ДОРОГИ. Мосты и время, февраль 2011 г. - Стр. 80-81.
ВЛИЯНИЕ ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ НА ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ РАБОТЕ НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
Боровиков А.В., д.т.н., профессор, Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики Салова Т.Ю., д.т.н., профессор, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет Хакимов Р.Т., к.т.н., доцент, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
В статье рассматриваются вопросы улучшение экологической чистоты работы двигателя на неустановившихся режимах, с использованием модели комплексного совмещения тягово-динамического нагружения трансмиссии автомобиля и двигателя с регулируемым наддувом на впуске с циклической подачей концентрации аммиака в выпускную систему.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; турбонаддув; отработавшие газы; разовый выброс; динамическое нагружение; стендовые испытания.
EFFECT ON HIS TURBOCHARGED ENVIRONMENTAL SPECIFICATIONS FOR WORK ON TRANSIENT
Borovkov A., Doctor of Techniques, Professor, St. Petersburg State University of Service and the economy Salova T., Doctor of Techniques, Professor, St. Petersburg State University of Service and the economy Khakimov R., Ph.D., docent, St. Petersburg State University of Service and the economy
The article deals with the improvement of the environmental cleanliness of the engine on the transient mode, using the model of a complex combination of traction and dynamic loading of transmission of the car and engine with variable inlet supercharged with cyclic feed concentration of ammonia in the exhaust system.
Keywords: Internal combustion engine, turbocharger, exhaust gases, a one-time release, dynamic loading, bench tests.
Автомобилестроение является наиболее динамично развивающейся сферой, где рост использование турбокомпрессоров привел к массовому увеличению количества автомобилей с их использованием.
Среди легковых автомобилей возрастом меньше 5 лет экземпляры с турбонаддувом составляют около 50%, пятая часть которых -бензиновые автомобили, а остальные - дизельные.
Превалирование дизельных вариантов объясняется их большей универсальностью и приспособленностью к любым видам наддувов. Бензиновые двигатели несут в себе риск возникновения детонации, что значительно ограничивает использование большого давления при турбонаддуве.
В отличие от бензинового дизельный двигатель может выдержать любое давление, ограниченное только физическими свойствами используемых механизмов. Дополнительным преимуществом также служит отсутствие дросселирования воздушных потоков на впуске и большой коэффициент сжатия, что способствует получению высокого давления отработавших газов при их меньшей (в сравнении с бензиновым двигателем) температуре.
Высокий крутящий момент и удельная мощность у двигателя с наддувом являются основной причиной их популярности. Такое неоспоримое преимущество делает их более экономичными и наиболее экологичными. Компактный двигатель с наддувом при сходной мощности будет эффективнее расходовать топливо. Экономичность обеспечивается рядом факторов: меньшая теплоотдача, меньшие потери на трение и меньшие насосные потери. Также немаловажной причиной экономии топлива выступает высокий крутящий момент в области низкочастотных вращений. При всем этом турбированный двигатель имеет лучшие экологические показатели. Благодаря меньшему потреблению и эффективному сгоранию топлива уменьшаются выбросы в окружающую атмосферу вредных веществ.
Турбонаддув в газовых, бензиновых и дизельных двигателях способствует более полному сгоранию топлива, в особенности на неус-тановившихся режимах. Применение принудительного наддува приводит к снижению температуры камеры сгорания, что уменьшает выделение токсичных компонентов в отработавших газах. Результат сравнительного анализа по параметрам эффективного КПД показал, что совершенствование рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС) необходимо продолжать не зависимо от какого вида топлива он будет работать, при чем в большей степени с использованием турбонаддува.
Автомобильный двигатель с наддувом, работая в городском режиме преодолевает большие нагрузки по сравнению со стендовыми испытаниями это свидетельствуется тем что в лабораторных условиях создать режим работы с изменяющейся климатической средой (осадки) затруднительно, но возможно используя комплексный подход совмещения методик стендовых испытаний двигателя и динамометрических испытаний в целом автомобиля.
Целью данной работы является улучшение экологической чистоты работы двигателя с наддувом в условиях города, с использованием модели комплексного совмещения динамического нагружения трансмиссии автомобиля и двигателя с циклической подачей концентрации аммиака на выпуске.
Данная методика позволяет описать процесс разработанную для сбора данных параметров систем управления и выпуска отработавших газов (ОГ) ДВС при стендовых испытаниях, также в лабораторных условиях воспроизвести имитацию городского режима работы двигателя с наддувом и зафиксировать выбросы за расчетный испытательный цикл, с использованием динамометрического стенда.
Используемая методика коррелирует выбросы вредных веществ в отработавших газах при снятии внешней скоростной и нагрузочной характеристик двигателя с наддувом и подачей концентрации аммиака на выпуске, аналогично при динамометрическом тестировании где фиксируются вредные вещества (ВВ) при корреляции скорости автомобиля и работы двигателя, учитывая при этом аэродинамической и подвижной силы сопротивления движению за счет изменения Р - силы сопротивления качению, вертикальной нагрузки G и данных давлениях в шинах.
Модель была протестирована на данных, полученных от двух по типу различных испытаний, которые используют тот же тип двигателя ЗМЗ-409. Уникальность эксперимента состоит в комплексном совмещении данных двух испытаний двигателя с наддувом и турбиро-ванного автомобиля с целью имитации городского режима эксплуатации автомобиля и улучшения ВВ ОГ путем корреляции нагрузочных характеристик.
Фактическая скорость автомобиля в городском режиме составляет в пределах от 20 до 80 км/час, что практически реализуемо в лабораторных условиях.
Корреляцию вредных веществ 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 отношении 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».
Для автомобильных бензиновых двигателей с наддувом расчет выбросов загрязняющих веществ выполняется для шести загрязняющих веществ: (СО, СН, NO2, SO2 и Pb - только для регионов, где используется этилированный бензин); с газовыми двигателями - (СО, СН, NOx, SO2) и дизельными - (СО, СН, NOx, С, SO2).
Испытания двигателя и автомобиля в целом ведутся в пределах от средних оборотов коленчатого вала (КВ) до максимальных с учетом полной нагрузки. Задача эксперимента провести схожий режим работы двигателя в городских условиях, где в основном происходит не установившийся режим работы ДВС имитируя данный процесс на нагрузочном стенде в дальнейшем именуется (испытания двигателя -И1), аналогичные испытания проводятся с автомобилем в лабораторных условиях на динамометрическом стенде в дальнейшем именуемый (испытания автомобиля - И2). При разработке комплексной модели используем алгоритм методики указанных в источнике [2], модернизировав ее для расчета разовых вредных веществ ОГ в процессе испытаний И1 и И2.
Рассматриваемая методика учитывает расчет вредных веществ удельных выброс i-го вещества при работе на холостом ходу Шхх^ и при прогреве ш к двигателя автомобиля, но не учитывает расчет ВВ удельных выбросов i-го вещества при работе двигателя на средних, номинальных и максимальных оборотов КВ, так как время работы на указанных диапазонах значительно превышает рассматриваемых в источнике [2].
Предлагаемая модель позволяет выполнить расчет разовых выбросов (СО, СН, NOx, SO2 и РЬ) при контроле токсичности отработавших газов во время испытаний двигателя с наддувом на стенде и турбированного автомобиля на беговых барабанах с динамическим нагружением.
Разовый выброс 1-го вещества ОГ (СО, СН, NOx, SO2 и РЬ) в год при прогреве и холостых ходах работы двигателя с наддувом по условиям внешней скоростной и нагрузочной характеристик ДВС с учетом температуры окружающей среды ^ еС.
Для транспортного двигателя (городской режим):
Rt
c.id .00.1
=1
n
(m
• t + m , • t~)
npi np xxik oo >
c=1
3600
,г/с
(1)
гд . оо
где: П - количество испытаний ДВС при прогреве и холостых ходах;
с - стендовые испытания с различными условиями работы двигателя (прогрев и холостой ход, скоростной и нагрузочный); т - удельный выброс 1-го вещества при прогреве двигателя при стендовых испытаний, (температура лаборатории Тлаб=20 еС), г/мин; т . - удельный выброс 1-го вещества при работе на холостом ход двигателя, г/мин;
- время прогрева двигателя (1.. .2 мин); t - среднее время работы двигателя на малых обо-ротах холостого хода при прогреве (принима-ется 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 наддувом.
R 20
.oo.i
R
20
2 id . oo.i
R
20
3 id . oo. i
=l
c =1
c
=1
c =1
c
=1
c =1
n
n
n
(mnp.i • tnp + mxx.i • too )
3600
(mnp.i • tnp + mxx.i • too )
3600
(mnp.i • tnp + mxx.i • too )
3600
Аналогично выполняются расчеты /-го вещества ОГ при 1 = 0еС и -10еС, с периодичностью испытаний.
Разовый выброс в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий Кк. по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются и имеет выражение в следующем виде:
R
id .00.
п
= 1R
t1... 3
Cii
(2)
п=1
где к - режим работы двигателя с наддувом (прогрев, холостой ход, скоростной, нагрузочный); t - температурные условия работы двигателя при стендовых испытаний. с. - количество испытаний при t=const одноименного компонента ОГ.
Разовый выброс /-го вещества ОГ на повышенных оборотах КВ по условиям внешней скоростной характеристики двигателя с наддувом при t = 20 еС, (г/с):
Rt
c.ueid .i
= 1
пёгд .о
Пхл
■ n1 > , n 2.. i ni . I
(mci • tn.n1 + mci • tn.n2 + ... + mCli • tnn )
ci n.n 2
cii п. ni
n=1
3600
(3)
пёгд . о
где Пп - количество испытаний данного типа ДВС по условиям скоростной характеристике; п1
- удельный выброс 1-го вещества по условиям скоростной характеристике, при заданной частоте вращения КВ, г/мин;
tcnl - время работы двигателя при заданной частоте КВ по условиям скоростной характеристике.
Используя выражение (3) производим расчет каждого ВВ ОГ двигателя.
M2
20
пё^d .i
M
20
2.пёid .i
M
20
3.пёid .i
= Х
n=1
n
= 1
n=1
n
= 1
пё^d . о
n
(n1 . , n 2 . , , n: .
mci • tn.n1 + m- • + ... + m~- • t-
п. n 2
cii п. ni
nё^d .of n1
n
n2
m • t~ , + m • t~ о +... + m i • t~
ci п. n1 ci п. n 2 cii п. ni
nёid .o t n1
n
n2
m • t~ , + m • t~ о +... + m i • t-
ci п. n1 ci п. n 2 cii п. ni
>10 >10 i >10
-6
n=1
Аналогично выполняются расчеты валового выброса /-го вещества ОГ при X = 0еС и -10еС, с периодичностью испытаний.
Разовый выброс Кк. скоростного режима в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются и имеет выражение в следующем виде:
тупёгд . \ 1 r)t1
R — Z R
t1...3
c { i
(4)
c -1
Валовый выброс /-го вещества ОГ на повышенных оборотах КВ по условиям нагрузочной скоростной характеристики двигателя при
г = 20 еС, (г/с):
Rt
c.iadd.{
п.л
(n1 . - n2 . , - П{ .
Щ.г • t(.n1 + m(.i • t(.n2 + ... + • t
n—1
3600
(5)
шад. о
где н^~ - количество испытаний данного типа ДВС по условиям нагрузочной характеристике;
п1
Щ,' I - удельный выброс 1-го вещества по условиям нагрузочной характеристике, при заданной частоте вращения КВ, г/мин;
п1 - время работы двигателя при заданной частоте КВ по условиям нагрузочной характеристике.
Используя выражение (5) производим расчет каждого ВВ ОГ двигателя.
R20
1. (add.{
R 20
2.(add.{
R20
3.(add.{
Z
n —1
n
n—1 n
Z
n —1
„ iadd. о
iadd .о
n
add . о
n
к; t( .n1 +m2 • t' 0 + . i .n2 n .. + mf { i .{{ • ^)
3600
k‘ .1n •wT +m2 + 2 .n •wT n .. + mf { i.{{ n •wT
3600
(<■ .1n •wT +<2 + 2 s •wT n .. + mf { i.{{ n •wT
3600
Аналогично выполняются подсчеты разовых выбросов /-го вещества ОГ при X = 0еС и -10еС, с периодичностью испытаний.
Разовый выброс Як нагрузочного режима в зависимости от периодичности испытаний и температурных условий по каждому компоненту в ОГ двигателя суммируются и имеет выражение в следующем виде:
Rf®. — Z R
{ <
t1... 3
С{{
(6)
С —1
Результаты полученных выходных данных в скоростном режиме работы двигателя с наддувом при стендовых испытаний может учитывать нагрузку и без таковой. Большой диапазон работы двигателя с наддувом на скоростных режимах предусматривает получение общей картины выбросов ВВ в ОГ т.е увеличение частоты вращения коленчатого вала до номинального и максимального значения без нагрузки достигается гораздо быстрее, при этом время температурного поле в камере сгорания протекает медленнее если рассматривать микропроцесс газообмена в цилиндре. Скоростной режим увеличения частоты вращения КВ с нагрузкой учитывает также динамику воздействия ЦПГ на процесс сгорания и его дальнейшего расширения, что приводит к наиболее интенсивному росту температурного поля в камере сгорания, следовательно газообмен протекает по наиболее сложной схеме, количественный разовый выброс продуктов сгорания по компонентно уменьшается в разных пределах но в общей сумме уменьшается.
При рассмотрении выше указанной модели можно сделать следующий вывод:
Определение разового выброса 1-го компонента ВВ в ОГ при различных климатических условиях дает возможность проанализировать изменение тепловой энергии в течении расчетного периода и уточнить алгоритм протекания газодинамического процесса с использованием системы электронного управления двигателем. Данные расчетные результаты полученные при стендовых испытаниях двигателя и динамометрических испытаниях автомобиля в лабораторных условиях коррелируют общую сходимость при условной имитации городского режима работы двигателя.
Литература:
1 В.И. Сарбаев, С.С. Селиванов и др. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: Механизация и экологическая безопасность производственных процессов. Изд. «Феникс», Ростов-на-Дону. 2004.
2 Хакимов Р.Т. Улучшение эксплуата-ционных показателей автомобилей, тракторов и двигателей / Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2011. - С. 97 - 104.
