Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса
1.1 Влияние условий эксплуатации на автомобили 9
1.2 Влияние природно-климатических условий эксплуатации на транспортные средства 12
1.3 Влияние низкотемпературных условий эксплуатации на автомобильный транспорт 15
1.4 Использование компримированного природного газа на автомобильном транспорте 19
1.5 Влияние условий эксплуатации автомобилей на температурный режим двигателя 21
1.6 Влияние низкотемпературных условий эксплуатации на температуру воздуха на входе в двигатель 25
1.7 Влияние температуры воздуха на изменение расхода топлива и содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей 27
1.8 Анализ режимов работы автомобилей 36
1.9 Анализ методик расчета массового содержания вредных веществ в отработавших газах 37
1.10 Оценка приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами 39
1.11 Особенности нормирования расхода топлива 43
1.12 Анализ влияние выбросов вредных веществ с отработавшими газами на окружающую среду 45
1.13 Взимание платы за загрязнение окружающей среды выбросами вредных веществ с отработавшими газами автомобилей... 50
1.14 Задачи исследования 53
Глава 2. Аналитические исследования
2.1 Разработка общей методики исследования 54
2.2 Оценка влияния низких температур воздуха на расход топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами газобаллонных автомобилей 56
2.3 Оценка возможности прогрева двигателя до рабочей темпер атуры 57
2.4 Определение влияния температуры воздуха на входе в двигатель и режимов работы двигателя на содержание оксида углерода, углеводородов и оксидов азота в отработавших газах и расход топлива 58
2.5 Определение режима средневзвешенной нагрузки и частоты вращения коленчатого вала 64
2.6 Разработка методики расчёта массового содержания и токсичности вредных веществ в отработавших газах автомобилей 66
2.7 Определение влияния температуры воздуха на входе в двигатель на температуру отработавших газов 71
2.8 Оценка приспособленности газобаллонных автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по содержанию вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива 71
Глава 3. Экспериментальные исследования
3.1 Разработка методики проведения опроса по выявлению прогрева двигателей до рабочей температуры 74
3.2 Разработка методики проведения стендовых испытаний двигателя по определению содержания вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива 75
3.3 Разработка методики проведения стендовых испытаний двигателя по определению температуры отработавших газов 78
3.4 Описание экспериментального оборудования 79
3.5Оценка погрешности измерений при стендовых испытаниях двигателей 94
Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исследований
4.1 Анализ результатов проведения опроса респондентов 101
4.2 Влияние температуры воздуха на входе в двигатель на содержание СО, С„Нт, ЫОх в отработавших газах и расход топлива 101
4.3 Проверка адекватности математических моделей влияния температуры воздуха на входе в двигатель на выбросы вредных веществ с отработавшими газами и расход топлива : 113
4.4 Определение численных значений средневзвешенного режима нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя 118
4.5 Определение влияния низкотемпературных условий эксплуатации на температуру отработавших газов 119
4.6 Проверка адекватности математической модели влияния температуры воздуха на входе в двигатель на температуру отработавших газов 121
4.7 Расчёт массовых выбросов вредных компонентов отработавших газов 127
4.8 Влияние низких температур воздуха на коэффициент приспособленности v 125
4.9 Проверка адекватности математических моделей приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям 127
Глава 5. Пути практического использования результатов исследования
5.1. Основные направления использования результатов исследования 129
5.2. Разработка методики дифференцированного корректирования норм расхода топлива газобаллонных автомобилей 130
5.3. Разработка методики дифференцированного корректирования платы за выбросы вредных веществ с отработавшими газами автомобилей 132
5.4. Разработка программного продукта «GasRents» для использования результатов исследований 139
5.5. Оценка экономической и экологической эффективности 144
Основные результаты и выводы 147
Литература 149
Приложение 1 161
- Влияние природно-климатических условий эксплуатации на транспортные средства
- Оценка влияния низких температур воздуха на расход топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами газобаллонных автомобилей
- Разработка методики проведения стендовых испытаний двигателя по определению содержания вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива
- Влияние температуры воздуха на входе в двигатель на содержание СО, С„Нт, ЫОх в отработавших газах и расход топлива
Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день использование компримиро- ванного (сжатого) природного газа - метана (КПГ) в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте позволяет решить ряд важных задач.
Нефть является основным энергоресурсом в нашей стране и во всём мире. Нефтяная зависимость наиболее ярко выражена в транспортном комплексе. Таким образом, важным является сбережение традиционных нефтяных топлив, таких как бензин и дизельное топливо, путём применения альтернативных источников энергии на автомобильном транспорте. Ежегодно отмечается стабильный рост автомобильного парка, что ведёт к увеличению потребления топлива. Однако, наряду с этим во многих странах мира, в том числе и в России, наблюдается постепенное снижение добычи нефти, что приводит к росту парка автомобилей, которые используют альтернативные виды топлива. Одним из наиболее перспективных направлений является применение природного газа — метана, так как Россия мировой лидер по добыче данного углеводорода, имея около 30% мирового запаса.
Другой проблемой является стоимость моторных топлив. Цена бензина постоянно увеличивается, а согласно законодательству нашей страны стой- мость 1 м КПГ не должна превышать 50 % стоимости 1 л. бензина. Также, учитывая, что по энергетическим параметрам 1 л. бензина практически эквивален- тен 1 м КПГ, то можно отметить, что при переводе автомобиля на компримированный природный газ можно существенно экономить на покупке топлива.
Ещё одной важной проблемой является загрязнение окружающей среды выбросами вредных веществ (ВВ) с отработавшими газами (ОГ) двигателей. Экологические проблемы на автомобильном транспорте, по сравнению с другими отраслями промышленности, являются наиболее актуальными. Это связано с тем, что транспорт поглощает огромное количество кислорода, выбрасывая при этом в атмосферу такие вредные вещества как оксид углерода, оксиды серы и азота, сажу, углеводороды, соединения свинца, несгоревшие частицы топлива и т. д. Применение метана в качестве моторного топлива значительно уменьшает загрязнение окружающей среды.
Таким образом, по оценке национальной газомоторной ассоциации, стоит отметить, что количество газобаллонных автомобилей (ГБА), эксплуатирующихся на компримированном природном газе, стабильно увеличивается.
До полномасштабной газификации автомобильного парка в нашей стране необходимо определённое время, но уже сейчас необходимо решать некоторые проблемные вопросы, с которыми сталкиваются при переводе транспортных средств на КПГ. Например, одной из важных проблем при эксплуатации автомобилей в России является влияние температуры окружающего воздуха. Так как большая часть автомобильного транспорта нашей страны эксплуатируется на территории с низкотемпературными условиями, то это приводит к значительному изменению расхода топлива и выбросов ВВ с ОГ. Однако влияние низких температур воздуха на расход топлива и эмиссию ВВ газобаллонных автомобилей, работающих на компримированном природном газе мало изучено. Также не отмечено научных работ, по определению уровня приспособленности к низкотемпературным условиям эксплуатации по расходу топлива и токсичности ОГ при работе автомобилей на природном газе, что препятствует объективному нормированию расхода топлива и плате за эмиссию ВВ с ОГ.
Следовательно, работа, направленная на установление закономерностей влияния низкотемпературных условий эксплуатации на расход топлива и выбросы ВВ с ОГ газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ, и разработка на их основе путей снижения выбросов ВВ и сбережения альтернативного углеводородного топлива, является актуальной научной задачей.
Цель исследования состоит в повышении эффективности эксплуатации ГБА, работающих на КПГ и бензине, путём выявления и практического использования закономерностей влияния низкотемпературных условий эксплуатации на расход топлива и выбросы ВВ с ОГ.
Объектом исследования служит процесс изменения расхода топлива и содержания оксида углерода, углеводородов, оксидов азота в ОГ ГБА в низкотемпературных условиях эксплуатации, а предметом исследования - этот процесс для газобаллонного автомобиля ГАЭ-32213 с двигателем ЗМЗ — 4062.10.
Научная новизна работы: выявлены закономерности изменения расхода топлива и содержания СО, СпНт и АЮХ в ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель ГБА, работающих на КПГ; разработаны формулы средневзвешенного режима нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя; установлена формула определения массового содержания СО, СпНт и АЮЛ в ОГ с учётом молярного объёма отработавших газов; выявлена закономерность влияния температуры воздуха на входе в двигатель на температуру ОГ газобаллонных автомобилей; установлены закономерности изменения коэффициентов приспособленности газобаллонных автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по расходу топлива и выбросам ВВ с ОГ.
Практическая значимость. Использование результатов исследования позволит повысить эффективность эксплуатации ГБА за счёт оптимизации норм расхода топлива и платы за выбросы ВВ с ОГ в низкотемпературных условиях. Это обеспечивается применением разработанных методики дифференцированного корректирования норм расхода топлива и методики дифференцированного корректирования платы за выбросы ВВ с ОГ, учитывающих приспособленность ГБА к низким температурам воздуха.
На защиту выносятся: закономерности изменения расхода топлива и содержания СО, СпНт и ЫОх в ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель газобаллонных автомобилей, работающих на КПГ; формулы определения средневзвешенного режима нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя; формула определения массового содержания СО, СпНт и 1ЧОх в ОГ с учётом молярного объёма отработавших газов; закономерность влияния температуры воздуха на входе в двигатель на температуру ОГ газобаллонных автомобилей; закономерность изменения коэффициентов приспособленности газобаллонных автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по расходу топлива и выбросам ВВ с ОГ; математические модели, описывающие выявленные закономерности, и их численные значения; пути практического использования результатов исследования.
Влияние природно-климатических условий эксплуатации на транспортные средства
В работах [5, 8, 17, 24, 63, 72, 73, 78, 82, 83, 103, 106, 114, 116, 123] и др. отмечается, что значительное влияние на выходные параметры автомобилей оказывают природно-климатические условия эксплуатации. К природно-климатическим факторам относятся: температура окружающего воздуха, атмосферное давление, влажность, скорость ветра, количество атмосферных осадков, продолжительность зимнего периода, уровень солнечной радиации и другие факторы [8, с. 58, 106, с. 13, 65, с. 51]. По этим факторам территория России подразделяется на три географические зоны: холодного климата, умеренного климата, жаркого и высокогорного климата [19, с. 63]. Зона холодного климата занимает самую большую часть территории нашей страны — около 70 % (центральные и северные части России, Западная Сибирь, Восточная Сибирь и
Дальний Восток). Территория нашей страны составляет 17075260 км и в основном лежит севернее 50 северной широты. Протяжённость России с севера на юг составляет примерно 3500 км, а с запада на восток — более чем 9000 км. Так, в крайних северных районах страны продолжительность зимнего периода со снежным покровом превышает 300 дней в году, температура воздуха опускается до минус 60 С. В южных районах зимний период не превышает 40 дней в году, средняя температура воздуха в январе, как правило, не опускается ниже минус 5 С, а снежный покров нередко отсутствует. Юго-западная граница холодного климата в нашей стране проходит по южным границам Мурманской и Архангельской области, по юго-западным границам Тюменской, Омской, Новосибирской областей и Алтайского края. Это свидетельствует о том, что средняя температура воздуха на подавляющей части территории России носит ярко выраженный периодический характер, что является проявлением высокой кон- тинентальности климата. В летний период температурные условия эксплуатации автомобилей в различных климатических районах нашей страны имеют незначительные отличия [106, с. 19].
Климат Азиатской части Севера России суровее Европейского Севера [58, с. 17]. Например, среднемесячная температура воздуха января составляет в Пе- ченге минус 10,0 С, в г. Нарьян-Маре минус 17,1 С, в г. Сургуте минус 22,2С, в г. Тарко-Сале минус 24,0 С, Дудинке минус 29 С, г. Якутске минус 49,2 С, Верхоянске минус 48,9 С, г. Оймяконе минус 50,1 С [75]. Вдобавок ко всему, низкие температуры воздуха могут сопровождаться сильными ветрами (выше 5 м/с).
Скорость ветра оказывает влияние на температуру окружающего воздуха. Ветер усиливает отрицательное воздействие низких температур окружающего воздуха. В табл. 1.1. представлен ветро-холодовой индекс, который показывает, что при увеличении скорости ветра эквивалентная температура окружающего воздуха понижается. Ветро-холодовой индекс — это способ измерения суровости погоды, то есть субъективного ощущения человека при одновременном воздействии на него температуры окружающего воздуха и скорости ветра []. Стоит также отметить, что при скорости ветра свыше 18 м/с, дополнительный эффект от ветра не значительный.
Однако учитывать все факторы природно-климатических условий нет необходимости, так как показатели многих из них коррелированны друг с другом [106, с. 14, 66, с. 25]. Например, температура воздуха и скорость ветра или температура воздуха и вид атмосферных осадков. Следовательно, при учёте наличия корреляционных связей между климатическими факторами, необходимо выделять независимые друг от друга факторы, которые оказывают существенное влияние на изменение выходных параметров автомобилей [91, 66, с. 25].
Учитывая наличие корреляционных связей между факторами можно ограничиться основными, оказывающими наибольшее воздействие на автомобиль и его выходные параметры: температура окружающего воздуха, относительная влажность воздуха, скорость ветра [107]. Однако наиболее важным фактором природно-климатических условий эксплуатации является температура окружающего воздуха, которая более всего влияет на эксплуатационные свойства автомобильного транспорта [7, 8, 22, 66]. Эксплуатационные свойства автомобиля это группа свойств, определяющих возможность его эффективного использования, а также степень его приспособленности к эксплуатации в качестве транспортного средства. Под приспособленностью (адаптивностью) понимают объективное свойство автомобиля сохранять заложенные в него при проектировании и производстве показатели качества на заданном уровне при эксплуатации в условиях, отличных от стандартных, номинальных [99, с. 39].
Изменение температуры окружающей среды оказывает влияние на автотранспортные средства, как непосредственно через изменение теплового состояния элементов их конструкции, так и через изменение дорожных условий эксплуатации. Поэтому, влияние температуры окружающего воздуха достаточно велико, а механизм ее воздействия на эксплуатационные свойства автомобилей многообразен [8, с. 78]. Исходя из этого можно сделать вывод, что для характеристики влияния природно-климатических факторов на изменение эксплуатационных свойств транспортных средств достаточно использовать один показатель - температуру окружающего воздуха [66, с. 25].
Оценка влияния низких температур воздуха на расход топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами газобаллонных автомобилей
Среди факторов, влияющих на топливную экономичность и выбросы ВВ с ОГ исследователи выделяют температуру охлаждающей жидкости. Однако априори известно, что в реальных эксплуатационных условиях при установившемся температурном режиме двигателя она остается постоянной (80-90 С), и, следовательно, может учитываться как константа при проведении стендовых испытаний. Для подтверждения этой гипотезы необходимо знать — происходит ли прогрев двигателя ЗМЗ до рабочих значений температур охлаждающей жидкости в реальных низкотемпературных условиях эксплуатации. Ответ на этот вопрос можно получить в результате проведения опросов водителей, эксплуатирующих автомобили ГАЗ с двигателем ЗМЗ.
Таким образом, респондентами в данном опросе могут являться водители маршрутных такси г. Тюмени, так как они используют для перевозки пассажиров автомобили ГАЗ с двигателями ЗМЗ оснащёнными современными системами электронного впрыска топлива. Автомобилями ГАЗ перевозится значительное количество пассажиров в нашей стране.
Математическая модель - приближенное описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики [99, с. 19].
В процессе прогнозирования содержания ВВ в ОГ и расхода топлива необходимо учитывать влияние условий эксплуатации. Повысить эффективность испытаний возможно на основе более точного моделирования условий эксплуатации и планирования методов испытаний.
Построение математических моделей, описывающих зависимости основных выходных параметров (в данном случае выбросов отдельных токсичных компонентов с ОГ автомобилей и расхода топлива) от факторов, характеризующих условия эксплуатации играет важную роль. Знание таких моделей позволяет эффективно решать задачи по снижению содержания вредных веществ в ОГ и расхода топлива, путем включения их в имитационные модели формирования вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива.
Достаточно точные математические модели являются совершенным банком экспериментальных данных, полученных в процессе проведения исследований [115, с. 29].
На содержание ВВ в ОГ и расход топлива двигателя при стендовых испытаниях влияют параметры работы двигателя и факторы условий эксплуатации. К климатическим факторам условий эксплуатации можно отнести температуру окружающего воздуха. К параметрам работы двигателя относятся: температура охлаждающей жидкости, нагрузка и частота вращения коленчатого вала двигателя.
Для оценки токсичности двигателя при стендовых испытаниях существует необходимость в выявлении математической модели, позволяющей определять объемное.содержание вредных компонентов в ОГ при различных значениях эксплуатационных факторов и параметров работы. За основу проводимых исследований принимается следующая гипотеза: изменение температур воздуха на входе в двигатель, а также, нагрузочного режима работы и частоты вращения коленчатого вала двигателя, ведет к изменению содержания ВВ в ОГ и на определенных интервалах значений температур воздуха на входе в двигатель достигаются оптимальные значения по выбросам каждого из компонентов (СО, СпНт, NОх).
Для определения топливной экономичности двигателя необходимо выявление математической модели описывающей изменение расхода топлива при различных значениях эксплуатационных факторов и режимов работы двигателя. Проводимые исследования основывались на гипотезе, что изменение нагрузочного режима работы, частоты вращения коленчатого вала двигателя и изменение воздуха на входе в двигатель, также приведёт к изменению расхода топлива, а его оптимальная величина будет достигаться на определённом интервале значений температуры воздуха на входе в двигатель.
Выходные параметры двигателя (содержание в отработавших газах оксида углерода, углеводородов, оксидов азота и расход топлива) зависят от различных факторов (как в реальных условиях, так и при проведении стендовых испытаний двигателя). Поэтому необходимо установить вид математической модели, учитывающей реальный температурный режим двигателя, характерный условиям эксплуатации. Для установления вида такой модели используется методика, изложенная в [66, с. 37, 99, с.40].
На первом этапе нужно определить первоначальный перечень факторов, входящих в модель. Затем обосновывается вид однофакторных моделей, отражающих влияние этих факторов на величину выходных параметров. При этом сначала необходимо выбирать тип модели — мультипликативный или аддитивный. Мультипликативные модели имеют вид:
При использовании аддитивной модели после определения ее общего вида решается вопрос о включении в нее смешанных эффектов. Содержание вредных веществ в ОГ и расход топлива является параметром аддитивным. Температура окружающего воздуха относится к факторам типа (+оо,-со). В настоящее время среди специалистов по математической статистике нет единого мнения о целесообразности использования модели на главных эффектах при статически значимых взаимодействиях. Существуют различные точки зрения, включая и полярно противоположные: 1 — во всех случаях использование моделей на главных эффектах; 2 — во всех случаях использование моделей со смешанными эффектами [66, 99, с. 40-41].
Как показывает практика, большинство процессов, связанных с измене- / нием выходных параметров автомобилей и их элементов при изменении условий эксплуатации, может быть адекватно описано аддитивными, моделями на главных эффектах [65, с. 75, 66, 99, с. 41]. В то же время в отдельных случаях зависимость может быть аппроксимирована с достаточной точностью и достоверностью только моделью со смешанными эффектами. Поэтому в каждом, конкретном случае вид модели необходимо выбирать с учетом специфики исследуемого процесса, исходя из полученных на основе эксперимента оценок параметров и статистических характеристик модели со смешанными эффектами и модели на главных эффектах [66, 99, с. 41].
Формально решение вопроса об использовании модели первого или второго вида в условиях статистически значимых взаимодействий может быть сведено к поиску компромисса между сложностью модели, точностью и эффективностью её оценивания, простотой и наглядностью содержательной интерпретации её параметров [66, 99, с. 41].
На основе полученных данных строится график в точечном виде. Для получения однофакторной зависимости необходимо найти уравнение приближенной регрессии. Уравнение приближенной регрессии зависит от выбираемого принципа приближенности. Принцип приближенности должен использовать существенные статистические свойства самого уравнения регрессии. В качестве такого принципа выбираем принцип наименьших квадратов. Этот принцип позволяет сравнить, какое из двух произвольных уравнений дает лучшее приближение регрессии. С помощью принципа наименьших квадратов можно полностью вычислить уравнение приближенной регрессии заданного типа.
Разработка методики проведения стендовых испытаний двигателя по определению содержания вредных веществ в отработавших газах и расходу топлива
При проведении эксперимента по выявлению прогрева двигателей ЗМЗ до рабочей температуры в зимних условиях эксплуатации необходимо провести опрос водителей маршрутных такси г. Тюмени использующих для перевозки пассажиров автомобили ГАЗ. Опрос производится в виде интервью. Такой вид опроса обоснован тем, что он исключает неправильное толкование ответов опрашиваемых, позволяет задавать уточняющие вопросы, а также исключает возможность ответов не на все вопросы. Таким образом, была разработана методика проведения опроса, которая включала в себя информационную и основную часть. Информационная часть включает в себя следующие вопросы: № маршрута, начальная и конечная остановка, государственный регистрационный знак автомобиля, марка газобаллонного оборудования (ГБО). Основная часть включает в себя вопросы: 1. происходит ли прогрев двигателя до рабочей температуры при низких температурах воздуха в зимний период эксплуатации (да/нет)? 2. При каких минимальных значениях температур воздуха происходит прогрев двигателя до рабочей температуры? Далее, были разработаны опросные листы, представленные в Приложении 1. По результатам опроса будет сделан вывод о целесообразности проведения стендовых испытаний только при температурах охлаждающей жидкости соответствующей рабочему значению (80-90 С). Также в результате опроса будет выявлена минимальная температура воздуха, при которой происходит прогрев двигателя до рабочих значений.
Второй этап экспериментальных исследований заключается в проведении стендовых испытаний по определению закономерностей влияния температуры воздуха на входе в двигатель на изменение компонентного состава ОГ и расхода двух видов топлива: бензина и КПГ. Стендовые испытания проводятся на двигателе ЗМЗ-4062.10 при различных температурах воздуха на входе в двигатель. Температура охлаждающей жидкости измеряется на выходе из головки блока цилиндров. Минимальный уровень температуры воздуха будет задаваться по результатам опроса водителей. Теоретически она не должна быть ниже значения минус 40 С, так как эксплуатация автомобилей в стандартной комплектации (например ГАЗ-32213) предназначена для использования в интервале температур от минус 40 до +40 С [1]. Верхний предел принимался равный стандартной температуре +25 С. При анализе предыдущих работ было выявлено, что для построения зависимости выбросов ВВ с ОГ и расхода топлива от температуры воздуха на 75 входе в двигатель необходимо не менее пяти точек с разбиением диапазона температуры на равные интервалы [5, 27, 89, 116]. Для повышения точности построения зависимостей предлагается увеличить количество точек в 2 раза. Измерения по расходу топлива и содержанию СО, СпНт и NOx в отработавших газах проводятся по циклу ESC (European Stationary Cycle) - испытательный цикл, состоящий из 13 установившихся режимов работы двигателя представленных в табл. 3.1. Двигатель должен работать в течение предписанного периода времени в каждом режиме, причем частота вращения и нагрузка двигателя должны быть достигнуты в течение первых 20 секунд. Отклонение от установленных частот вращения допускается не более ±2 % от максимального крутящего момента при данной частоте вращения [47]. Нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, температура воздуха на входе в двигатель и охлаждающей жидкости, атмосферное давление и расход топлива должны регистрироваться в ходе каждого режима, причем частота вращения и нагрузка в течение последней минуты каждого из режимов. Проверку выбросов оксидов азота на трех режимах следует проводить сразу по завершению 13-го режима. До начала измерений двигатель должен проработать в режиме 13 в течение трёх минут [47]. Частоты вращения двигателя А, В и С, а также П] - Пз должны быть указаны предприятием-изготовителем в соответствии с рис. 3.1. Минимальная частота вращения щ - частота вращения двигателя, при котором достигается 50 % от максимальной мощности по внешней скоростной характеристике. Максимальная частота вращения хъ — частота вращения двигателя, при котором достигается 70 % от максимальной мощности по внешней скоростной характеристике. Частота вращения 113 - частота вращения двигателя при максимальной мощности. Частоты вращения двигателя А, В и С определяются по формулам: Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗМЗ-4062.10 представлена на рис. 3.2. Рисунок 3.2 Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗМЗ-4062.10 Результаты исследований по определению содержания СО, С„Нт и ЫОх в отработавших газах и расходу топлива заносятся в протокол Приложения 2. Расход сжатого природного газа определяется согласно справочной таблице [113, с. 39], а измерение расхода бензина при помощи измерительной колбы встроенной в топливопроводную магистраль стендовой установки.
Третий этап экспериментальных исследований заключается в проведении стендовых испытаний по определению закономерностей влияния температуры воздуха на входе в двигатель на температуру отработавших газов при работе двигателя ЗМЗ-4062.10 на КПГ и бензине. Эксперимент проводится по аналогичной методике описанной в разделе 3.2, но на одном режиме — средневзвешенном режиме нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Результаты исследований заносятся в протокол Приложения 3. При проведении стендовых испытаний двигателя по изменению температуры ОГ, расхода топлива и содержания ВВ в ОГ применялось топливо и масло, указанные в технических условиях предприятия-изготовителя. Перед началом испытаний, двигатель, стенд и измерительная аппаратура внимательно осматривались. Проверялось отсутствие подтеканий топлива, масла и охлаждающей жидкости; исправность охлаждающей систем; отсутствие на стенде посторонних предметов, работоспособность измерительных приборов. Перед проведением испытаний измеряется температура воздуха на входе в двигатель и охлаждающей жидкости. Данные заносятся в протокол испытаний. Образец протокола испытаний представлен в Приложении 2, 3. В протоколе отмечается: дата, время начала и окончания проведения испытаний, фамилии участников, температура, давление и влажность атмосферного воздуха, во время начала и окончания проведения испытаний.
Влияние температуры воздуха на входе в двигатель на содержание СО, С„Нт, ЫОх в отработавших газах и расход топлива
В соответствии с разработанной методикой проведения эксперимента, удовлетворяющего [47] были проведены исследования по определению содержания ВВ в ОГ и расходу топлива двигателя ЗМЗ-4062.10 на двух видах топлива при различных температурах воздуха на входе в двигатель, режимах нагрузки, частоты вращения коленчатого вала двигателя (по циклу ESC) и температурах охлаждающей жидкости равной рабочим значениям. Результаты стендовых испытаний по содержанию СО, СпНт, N0 в ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель ЗМЗ-4062.10 при различных установившихся режимах работы приведены в таблицах Приложения 6, а расходу топлива в таблицах Приложения 7. Графические зависимости объемного содержания СО, С„Н„„ МОх в ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель при различных режимах работы двигателя ЗМЗ-4062.10 представлены на рис.4.1 — 4.15 и на рисунках Приложения 8. Графические зависимости расхода топлива от температуры воздуха на входе в двигатель представлены на рис. 4.16 - 4.20 и на рисунках Приложения 9.
Из полученных графических зависимостей следует, что температура воздуха на входе в двигатель значительно влияет на объёмное содержание СО, С,Дт, ИОх в ОТ. В зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя содержание оксида углерода в ОГ достигает минимальных значений в диапазоне температур воздуха на входе в двигатель от минус 25 до +5 С при эксплуатации двигателя, как на бензине, так и на природном газе. Содержание углеводородов в ОГ достигает минимальных значений в диапазоне температур от минус 25 до +5 С на бензине и от минус 30 до 0 С на КПГ. Зависимость изменения объемного содержания оксидов азота в ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель отличается по характеру поведения от зависимостей СО и СпНт. Содержание ИОх в ОГ достигает своего максимального значения при температуре воздуха на входе в двигатель от минус 5 до +25 С на бензине и КПГ в зависимости от режима работы двигателя. Отклонение значения температуры воздуха от оптимального ведет к изменению содержания ВВ в отработавших газах. Это объясняется изменением состава топливовоздушной смеси.
При низких значениях коэффициента избытка воздуха а (при повышении температуры воздуха на входе в двигатель) из-за недостатка кислорода для окисления топлива несколько увеличивается количество оксида углерода и уг V леводородов, а содержание оксидов азота снижается. С понижением температуры воздуха на входе в двигатель увеличивается плотность воздуха, что ведёт к увеличению коэффициента избытка воздуха а. При коэффициенте избытка воздуха больше 1,1 (при понижении температуры воздуха на входе в двигатель), вследствие сгорания обедненных смесей несколько повышается содержание углеводородов. Понижение содержания оксидов азота при отрицательных температурах воздуха можно объяснить тем, что при таком составе топливо- воздушной смеси падает температура цикла.
Обработка результатов эксперимента также позволила выявить, что токсичность ОГ при переводе двигателя на питание природным газом, по сравнению с бензином значительно снижается. В зависимости от изменения нагрузки, частоты вращения коленчатого вала двигателя и температуры воздуха, при прочих равных условиях, уменьшается количество компонентов, продуктов неполного сгорания — оксида углерода и углеводородов. Выбросы оксидов азота также снижаются. В частности больше всего происходит снижение выбросов СО - на 60-75 %. Уменьшение выбросов МОх находится в пределах 25-50 %, а СпНт 10-25 %. КПГ по сравнению с бензином имеет более широкие пределы воспламенения, даёт возможность на основных эксплуатационных режимах наиболее эффективно обеднять горючую смесь.
В результате анализа графических зависимостей по расходу топлива, можно выявить следующее: при работе двигателя на бензине минимальный расход достигается при температурах воздуха на входе в двигатель от минус 10 до +15 С, а на природном газе от минус 15 до +15 С.
При работе на бензине, в области отрицательных значений температур ухудшается смешивание воздуха с топливом и его испарение. У компримиро 113 ванного природного газа эта проблема стоит менее остро, так как он поступает в двигатель в виде газовой фазы и, соответственно, легче смешивается с воздухом
