Методы определения экологических и энергетических характеристик автосамосвалов

3 Методы определения экологических и энергетических характеристик автосамосвалов

3.1 Определение токсичности двигателя

В США, Японии, Германии и Франции разработаны специальные испытательные циклы, моделирующие средние режимы движения автомобилей, при которых необходимо определять массу выбросов вредных компонентов. Масса компонентов, выбрасываемых двига­телем в период испытательного цикла, хорошо коррелируется с работой двигателя, с пробегом автомобиля или с циклом в целом. В настоящее время используются три метода оценки токсичности выбросов по испытательным циклам: американскому, японскому и европейскому. Эти циклы разработаны на основании изучения режимов работы двигателей при движении в больших городах. Так как режимы движения в городах США, Японии и Европы различны, то продолжительность и режимы работы двигателей несопоставимы. Различны  и  ограничения токсичных  выбросов.

Американский(калифорнийский) испытатель­ный цикл CVS предусматривает испытания в течение 23 мин - времени, соответствующему пробегу автомобиля 12 км пути в усло­виях городского движения. Отработанные газы отбираются из выхлопной трубы в пробонаборники и разбавляются воздухом в отношении 1:8, что отвечает концентрации вредностей в атмо­сферном воздухе. С 1975 г. применяется новый цикл CVS-СН, который повторяет цикл CVS и после 10-минутной остановки - шесть циклов продолжительностью 505 с. Выброс замеряют в граммах на единицу пути (г/км).

Европейский испытательный цикл предусматри­вает три типа проверок: на тормозном стенде, холостом ходу, уров­ня и выброса картерных газов. Испытательный цикл на стенде повторяют четыре раза, что соответствует пробегу 4,052 км пути в условиях городского движения. При испытаниях скорости достигают 15, 30 и 50 км/ч на первой, второй и третьей скоростях движения. Полученные значения выбросов СО опреде­лены на всех режимах в мг/с, при этом объемная концентрация не должна превышать 4,5% на любом режиме.

Теоретически можно вычислить массовый выброс окиси угле­рода по расходу топлива, который, в свою очередь, определяется режимом движения автомобиля. Рассчитанный выброс будет коррелироваться с фактическим выбросом в зависимости от точности регулировки топливной аппаратуры, утла установки зажигания, износа деталей и некоторых других менее важных факторов. На основании реакции горения топлива количество (выброс) угарного газа можно рассчитать следующим образом:

^СО=2(l-a/l+k)*0,21g_В

где a-коэффициент избытка воздуха; k-коэффициент, показывающий, во сколько раз количество молей окиси углерода больше количества молей водорода;

g_В- количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива.

Коэффициент избытка воздуха определяют по формуле

a=G_В/14,9G_T

где G_В - количество воздуха, израсходованное при сгорании 1 кг топлива, кг; GT- количество сгоревшего топлива, кг.

Количество воздуха для сгорания топлива подсчитывают по выражению

g_В=2/(0,21-12)(1+ЗН/С)

где С - массовая доля углерода в топливе; Н — массовая доля водорода.

Различные авторы в зависимости от важности факторов, влия­ющих на выброс СО, вводят разные коэффициенты, выведенные ими эмпирически, и получают расчетные формулы. Так, Л. В. Ма­ковский предлагает следующую формулу (г/с):

^СО=(1+14,9а)G_Т*С^СО*С₁С₂/360

где С^СО— содержание СО в выхлопных газах, %;

С₁- коэффициент, учитывающий влияние высоты над уровнем моря;

С2- коэффициент, учитывающий уклон дороги.

Значение а рекомендуется принимать а=3 - для дизельных двигателей

Профессор И. Л. Варшавский на основе дорожных испытаний предлагает расчетную формулу, учитывающую скорость движения автомобиля:

^CO = 137(a-0,028)(G_V/V)*С^СО

где V - скорость автомобиля, км/ч;

G_V - расход топлива при данной скорости, кг/ч;

С^СО - содержание СО в выхлопных газах, %.

НИИавтопром рекомендует определять выброс СО исходя из контрольного расхода топлива и образования окиси углерода: 21 г при сгорании дизельного топлива на 1 кг.

^СО=21*Е_Ф12*60/Т_Р, г в смену

где Е_Ф- фактический расход топлива, кг

Т_Р- время рейса, мин.

Научно-исследовательская лаборатория ток­сичности двигателей при филиале Научно-исследовательского и конструкторского технологического института тракторных и ком­байновых двигателей — ЛТД ФНИКТИД, разработала формулу с учетом режимов работы на холостом ходу, принудительном холостом ходу (эти режимы по расходу топлива равнозначны), режимов разгона и установившегося движения:

^СО=4,17[0,5G_Т.Х.Х(1 -а_Х.Х)+0,25 G_Т.Р (1 –a_Р)+0,25G_T.У(l -a_У)], (кг/ч)

где G_Т.Х.Х, G_Т.Р и G_ТУ — расход топлива на холостом ходу, при разгоне и установив­шемся режиме движения, кг/ч; а_Х.Х, а_Ри а_У - коэффициенты избытка воздуха при тех же режимах.

Методика расчета выбросов других газов до настоящего времени не разработана, однако ЛТД рекомендует формулы приближенных расчетов окислов азота и углеводородов для двигателей:

^NО =0,05*^СО

^СН =0,18*^СО

где ^СО — выброс угарного газа в выхлопных газах.

Проведенный анализ методик расчета выбросов СО показал, что формула ^СО=21*Е_Ф12*60/Т_Р, наиболее точна, так как при расчете фактического расхода топлива учитываются тяговые характеристики автосамосвала, профиль трассы.

Так как токсичные компоненты от выхлопов автомобилей в условиях ограниченного пространства выделяются одновременно, то следует учитывать эффект их суммарного воздействия на человека. Так токсичность двигателя определяется:

Т=Т^СО /ПДК_СО+ Т^NО /ПДК_NО+Т^СН /ПДК_СН

где Т^СО, Т^NО ,Т^СО - фактические концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе карьера, мг/м³ ; ПДК_СО, ПДК_NО, ПДК_СН- предельно допустимые концентрации СО, NО и СН соответственно, мг/м³.

Таблица – ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ГОСТ 12.1.005-88)

Наименование вещества	Величина ПДК, мг/м3
Окись углерода (СО)	20
Углеводороды (СН)	300
Оксид азота (NO)	5

Т^СО=1000*^СО/V_К, мг/м³

Т^NО=1000*^NО/V_К, мг/м³

Т^СН=1000*^СН/V_К, мг/м³

где V_К - объем карьера, м³