СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, СНАБЖЕННЫХ ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, А ТАКЖЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ИХ РАБОТЕ НА ГАЗОВЫХ ТОПЛИВАХ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/04 F02D19/00 

Область использования изобретения - методы испытаний транспортных средств, снабженных двигателями внутреннего сгорания, в отношении мощностных показателей, выбросов загрязняющих веществ и топливной экономичности, а также методы испытаний двигателей внутреннего сгорания в отношении их рабочих характеристик при работе на газовых топливах.

При этом, вместо категорий «транспортное средство, снабженное двигателем внутреннего сгорания», и «двигатель внутреннего сгорания», в контексте данного изобретения, заявитель ниже будет использовать терминологическое обозначение «объект».

Из ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний», из ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность» известен способ испытаний объекта, заключающийся в предварительной, в соответствии с требованиями стандарта, подготовке объекта к испытаниям, по завершению предварительной подготовки объекта к испытаниям - проведение испытаний объекта в соответствии с требованиями стандарта и принятие решений по результатам испытаний.

В случае соответствия топлива, используемого для испытаний объекта, требованиям стандарта на топливо получают хорошую повторяемость результатов испытаний объекта, а равно и доверительные эксплуатационные характеристики объекта.

При этом ГОСТ 2084-1977 «Бензины автомобильные. Технические условия» плотность топлива не нормирует, но регламентирует фракционный состав, характеризующийся температурами и объемами перегонок фракций,

ГОСТ Р 51105-1997 «Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия.» регламентирует плотность топлива, его фракционный состав, характеризующийся температурами и объемами перегонок фракций,

ГОСТ Р 51866-2002 «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия» регламентирует плотность топлива, объемные доли углеводородов с разделением на олефиновую и ароматическую группы, массовую долю кислорода и объемные доли оксигенатов.

Для оценки низшей теплоты сгорания нефтепродуктов, часто используют формулу

где Q_H - низшая теплота сгорания жидкого нефтепродукта (кДж/кг);

- относительная плотность жидкого нефтепродукта - безразмерная величина, представляющая отношение его истинной плотности к плотности дистиллированной воды, взятых при определенных температурах. В России стандартными были приняты температуры: для воды 4°C, для нефтепродукта 20°C, в США стандартные температуры воды и нефтепродукта одинаковы -15,6°C; ГОСТ Р 51866-2002 оперирует плотностью нефтепродукта именно при 15°C.

Из сказанного следует, что стандарты на автомобильный бензин достаточно жестко регламентируют его теплотворную способность, а равно и обеспечивают производителя транспортных средств и/или его компонентов возможностью задания приемлемых для массового потребителя настроек (калибровок) объекта.

При подготовке же к производству объектов, которые предназначены для работы на газе, производитель сталкивается с рядом трудностей, которые не позволяют использовать выше указанный способ испытаний, в том числе, для выбора приемлемых для массового потребителя настроек (калибровок) двигателя.

По информации, взятой из интернет ресурса: http://chemanalvtica.com/book/novvv_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/05_syre_i_produkty_promyshlennostiorganicheskikh_i_neorganicheskikh_veshchestv_chast_I/5944:

Табл.1 Химический состав природных газов различных месторождений (об. доля, %) Месторождение Метан Этан Пропан Бутан 1 2 3 4 5 Уренгойское 98,5 0,1 следы следы Тазовское 99,0 0,15 0,03 0,005 Заполярное 98,5 0,2 0,05 0,012 Губкинское 98,5 0,12 0,015 следы Мессояхское 98,87 следы - - Ныдинское 98,2 0,8 0,003 0,05 Медвежье 98,63 0,35 0,02 0,003 Комсомольское 97,8 0,15 0,004 0,001

Продолжение табл.1 1 2 3 4 5 Северо-Ставропольское - 0,1 0,03 0,01 Саратовское 94,7 1,8 0,2 0,1 Елман-Курфомское 93,3 2,0 0,5 0,8 Нибельское 87,9 1,3 0,15 0,09 Введеновское 70,87 8,0 4,3 1,2 Ухтинское 88,0 1,9 0,2 0,3 Тюменское 98,64 0,2 0,04 0,1

Табл.2 Химический состав газов некоторых газоконденсатных месторождений (об. доля, %) Месторождение Метан Этан Пропан Бутан Вуктыльское 75,7 9,1 3,1 0,7 Березнянское 87,7 4,9 1,9 0,9 Оренбургское 82,2 5,2 1,85 1,0 Шебелинское 93,6 4,0 0,6 0,7 Краснодарское 86,0 6,0 2,0 1,0 Газлинское 94,2 3,0 0,9 0,4

Табл. 3 Химический состав попутных газов различных месторождений (об. доля %) Месторождение Метан Этан Пропан Бутан 1 2 3 4 5 Ромашкинское 40,0 19,5 18,0 7,5 Туймазинское 42,0 21,0 18,4 6,8 Кусимовское (Самарская область) 76,8 4,4 1,7 0,8 Сагайдагское (Украина) 96,19 0,75 0,20 - Прилукское (Украина) 32,34 14,6 21,83 12,23 Ишимбаевское 42,4 12,0 20,5 7,2 Аргединское (Волгоградская область) 96,3 1,2 0,5 0,1

Продолжение табл.3 1 2 3 4 5 Яблоневый овраг (Самарская область) 29,6 16,0 16,5 8,8 Шаимское 73,4 7,1 7,9 3,2 Усть-Балыкское 87,7 3,9 3,2 1,6 Мухановское 31,4 19,0 22,0 9,5 Анастасиевско-Троицкое 85,1 5,0 1,0 1,0

Из книги В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер «Биогаз. Теория и практика», М. «Колос», 1982 г.известен состав биогаза.

Таблица 4 Химический состав биогаза (об. доля, %) Метан Углекислый газ Водород Сероводород 55…70 27…44 До 1 До 3

ГОСТ 5542-1987 «Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия.» регламентирует только минимальное значение низшей теплоты сгорания и достаточно широкую область значений числа Воббе (высшего).

ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта. Технические условия.» регламентирует массовую долю пропана, сумма метана и этана не нормируется, сумма углеводородов C₄ и выше также не норминуется.

Расчеты показывают, что изменение энергосодержания газовоздушных смесей, при их соответствии требованиям стандарта, а равно и разброс рабочих показателей объектов, для природных газов по ГОСТ 5542-1987, может достигать 12%. Указанный разброс показателей не позволяет достоверно определить причины неудовлетворительных характеристик объекта - несовершенство конструкции, настроек или низкая теплота сгорания топлива.

В качестве прототипа принят известный из Правила №83 Организации Объединенных Наций, добавление 82, пересмотр 4 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выбросов загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей», способ испытаний объекта, заключающийся в предварительной, в соответствии с требованиями правил, подготовке объекта к испытаниям, в предварительной подготовке газового топлива к испытаниям, заключающейся в приведении его фракционного состава в соответствие с требованиями правил, по завершению подготовительных работ -проведение испытаний объекта и принятие решений по результатам испытаний.

При этом, правило 83, согласно приложения №10а, довольно жестко регламентирует содержание фракций С₃ и С₄, для сжиженного нефтяного газа, а также содержание метана и числа Воббе, для природного газа и биометана.

Способ испытаний по прототипу, при хорошей повторяемости результатов, достаточно затратен, что связано с регулировкой фракционного состава газового топлива, используемого для испытаний. Способ запрещает использование для испытаний наличествующего/доступного в регионе газового топлива. Способ не позволяет достоверно определить причины неудовлетворительных характеристик объекта - несовершенство конструкции, настроек или низкая теплота сгорания топлива.

Задачей заявляемого решения было создание способа испытаний объекта, обеспечивающего сокращение сроков доводки объекта, возможность проведения испытаний на газе без предварительной его подготовки по фракционному составу, более высокую достоверность результатов испытаний и возможность достоверного определения причин неудовлетворительных характеристик объекта - несовершенство конструкции, настроек или низкая теплота сгорания топлива.

Указанная задача решается в способе испытаний объекта, заключающемся в предварительной подготовке объекта и топлива к испытаниям, а по завершении подготовительных работ - в проведении испытаний объекта и принятии решений по результатам испытаний.

Задача решается тем, что:

- Предварительная подготовка газового топлива к конкретным испытаниям заключается в определении его низшей теплоты сгорания;

- Проведение испытаний по данному способу включает в себя вычисление энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, вычисление энергетической эффективности объекта, которая суть отношение произведенной объектом в процессе испытаний эффективной работы, рассчитанной по результатам полученных при данных конкретных испытаниях объекта замеров, к энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, а также вычисление относительного энергосодержания примененного для данных конкретных испытаний газового топлива, которое суть отношение энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, к энергии, заключенной в топливе, использованном для испытаний, принятых в качестве базы сравнения;

- Принятие решний по результатам испытаний осуществляют с учетом данных об относительном энергосодержании газового топлива, примененного для данных конкретных испытаний, и энергетической эффективности объекта, вычисленной также по результатам данных конкретных испытаний объекта.

Представление о влиянии фракционного состава газового топлива на его низшую теплоту сгорания показывает формула:

Где, Q_H - низшая теплота сгорания газового топлива (кДж/м³);

СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, C₅H₁₂, СО, Н₂, H₂S молекулярный состав горючих компонентов газового топлива.

Представление о влиянии фракционного состава газового топлива на расход воздуха, теоретически необходимого для его сжигания доказывает, например, формула:

где V° - минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 м³ газа при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород (м³);

m,n - соответственно, количество атомов углерода и водорода в молекуле углеводорода;

O₂ - содержащийся в топливе кислород.

Как видно из формул 2, 3, и низшая теплота сгорания топлива, и необходимое для сгорания топлива количество воздуха, зависят от фракционного состава топлива. При этом, объект, а это либо транспортное средство, снабженное двигателем внутреннего сгорания, либо двигатель внутреннего сгорания, снабжены системой подачи топлива и системой зажигания, которые, в свою очередь, снабжены опосредованной датчиком кислорода (λ - зондом) системой обратной связи, с помощью которой поддерживается заданное настройками оптимальное соотношение воздух-топливо.

Эффективная работа четырех цилиндрового, четырехтактного двигателя может быть рассчитана по полученным при испытаниях результатам:

где А_э - эффективная работа объекта (кВтч);

M_k - измеренный при испытаниях крутящий момент, развиваемый на маховике объекта или на маховике ДВС объекта (кгсм);

t - интервал времени проведения испытаний;

n - число оборотов маховика объекта (маховика ДВС объекта), мин^-1.

Эффективный удельный расход топлива может быть определен из выражения:

где q_э - эффективный рабочий удельный расход топлива (м³/квтч);

G - количество топлива, израсходованное за время испытаний объекта (м³);

А_э - эффективная работа четырех цилиндрового, четырехтактного двигателя, произведенная за время испытаний (квтч).

Из справочника «Физические величины» под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат 1991 г., стр.32, известно соотношение между работой и энергией:

1 кВтч = 3,6×10⁶Дж;

Сопоставление энергий, заключенных в использованных для испытаний топливах, и работ, произведенных объектом(ами) в процессе испытаний, согласно зависимостей 4, 5, позволяет оценивать/ сравнивать экономичность объекта(ов), полученных при различных испытаниях.

Полный объем продуктов сгорания газа определяется из формулы:

где V_г - теоретический объем продуктов сгорания (м³/м³);

V₂ - теоретический объем двухатомных газов (м³/м³);

V₃ - теоретический объем трехатомных газов (м³/м³);

V_v - теоретический объем водяных паров (м³/м³).

где N₂ - содержание азота в воздухе;

где d_г - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³.

Эффективная мощность объекта (если объект суть двигатель внутреннего сгорания) или ДВС объекта (если объект суть транспортное средство), а равно и эффективный крутящий момент, снимаемые с коленчатого вала объекта (коленчатого вала ДВС объекта), находятся в прямой пропорциональной зависимости от среднего эффективного давления, развиваемого в цилиндрах объекта (цилиндрах ДВС объекта), которое, исходя из зависимостей 6, 7, 8, 9, находится в прямой пропорциональной зависимости от фракционного состава топлива.

Сопоставление мощностных показателей объекта, полученных при испытаниях объекта(ов) и энергий, заключенных в использованных для этих испытаний топлив, позволяет оценивать/сравнивать мощностные показатели объекта(ов) полученные при различных испытаниях.

Реализация способа может быть осуществлена следующим образом:

Предварительно, в соответствии и задачей и методикой испытаний, подготавливают объект к испытаниям. При этом, для испытаний используют доступное в регионе испытаний, характерное для региона испытаний, либо доступное /характерное для региона поставок, газовое топливо.

Предварительно готовят топливо к испытаниям. Подготовка партии топлива к испытаниям заключается в получении данных о его низшей теплоте сгорания:

Низшая теплота сгорания может быть вычислена либо по результатам сжигания пробы топлива в калориметрической бомбе, либо из расчетов, например, по химической формуле (2), либо с помощью методики и табличных данных, изложенных в ГОСТ 31369-2008 «Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава». Предпочтительным вариантом вычисления низшей теплоты сгорания видится последний, который может быть осуществлен на основе предварительного определения фракционного состава газа с помощью газоанализатора. По завершении подготовительных работ проводят испытания объекта в соответствии с принятой для цели испытаний методикой / программой.

По результатам измерений, выполненных в процессе испытаний, дополнительно рассчитывают:

1. Энергию, заключенную в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе

где Е_газа энергия, заключенная в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе (кДж);

R - расход газа в процессе испытания (м³);

2. Энергию, снятую с маховика объекта (ДВС объекта)

где Е_ДВС энергия, снятая с маховика объекта/ДВС объекта (кДж)

3. Энергоэффективность объекта Е_ДВС/Е_газа

4. Относительное энергосодержание газового топлива Е_газа/Е₂

где Е_газа - энергия, заключенная в газовом топливе, использованном для данных конкретных испытаний (кДж);

Е₂ энергия, заключенная в газовом или жидком топливе, использованном для испытаний, принятых в качестве базы сравнения (кДж).

При принятии решний по результатам испытаний экономичность объекта оценивают с учетом его энергоэффективности, а мощностные показатели (мощность, крутящий момент) оцениваются с учетом относительного энергосодержания топливо-воздушной смеси.

Указанный способ испытаний объекта обеспечивает проведение испытаний на доступном газе (без предварительной подготовки по фракционному составу), обеспечивает повышенную достоверность результатов испытаний, исключает влияние разброса фракционного состава газового топлива на достоверность определения причин неудовлетворительных характеристик объекта - несовершенство конструкции, настроек или низкая теплота сгорания топлива, сокращает срок доводки объекта, обеспечивает производителю выбор оптимальных, для потребителя, настроек объекта.

Изобретение может быть использовано при испытаниях объекта (О): транспортного средства (ТС), снабженного двигателем внутреннего сгорания (ДВС), в отношении мощностных показателей, выбросов загрязняющих веществ и топливной экономичности или ДВС в отношении его рабочих характеристик при работе на газовых топливах (ГТ). Для испытаний используют доступное в регионе испытаний, либо доступное для региона поставок ГТ. Предварительная подготовка ГТ к испытаниям заключается в получении данных о его низшей теплоте сгорания. По завершении подготовительных работ проводят испытания. По результатам измерений, выполненных в процессе испытаний О, дополнительно рассчитывают энергию, заключенную в использованном для данных конкретных испытаний ГТ, энергию, снятую с маховика О, если О - ДВС, или с маховика ДВС объекта, если О - ТС, энергоэффективность О, относительное энергосодержание ГТ. При принятии решений по результатам испытаний экономичность О оценивают с учетом его энергоэффективности, а мощностные показатели (мощность, крутящий момент) оценивают с учетом относительного энергосодержания топливо-воздушной смеси. Технический результат заключается в сокращении сроков и повышении достоверности результатов испытаний. 4 табл.

Способ испытаний объекта, заключающийся в предварительной подготовке объекта и газового топлива к испытаниям, в проведении испытаний объекта, а также в принятии решений по результатам испытаний, отличающийся тем, что предварительная подготовка газового топлива к конкретным испытаниям заключается в определении его низшей теплоты сгорания, проведение испытаний по данному способу включает в себя вычисление энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, вычисление энергетической эффективности объекта, которая суть отношение произведенной объектом в процессе испытаний эффективной работы, рассчитанной по результатам полученных при данных конкретных испытаниях объекта замеров, к энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, а также вычисление относительного энергосодержания примененного для данных конкретных испытаний газового топлива, которое суть отношение энергии, заключенной в использованном для данных конкретных испытаний газовом топливе, к энергии, заключенной в газовом или жидком топливе, использованном для испытаний, принятых в качестве базы сравнения, принятие решений по результатам испытаний осуществляют с учетом данных об относительном энергосодержании газового топлива, примененного для данных конкретных испытаний, и энергетической эффективности объекта, вычисленной по результатам данных конкретных испытаний объекта.