приспособленность газобаллонных автомобилей к

На правах рукописи
ГАВАЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ
ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ ГАЗОБАЛЛОННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
К НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО
ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И РАСХОДУ ТОПЛИВА
Специальность 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО Тюменский государственный
нефтегазовый университет на кафедре «Эксплуатация автомобильного
транспорта»
Научный руководитель:
- д. т.н., проф. Резник Леонид Григорьевич
Тюменский государственный нефтегазовый
университет
Официальные оппоненты:
- д.т.н., проф. Певнев Николай Гаврилович
Сибирская государственная автодорожная
академия (СибАДИ)
- к.т.н., доцент Ишкина Елена Геннадьевна
Тюменский государственный нефтегазовый
университет
- Управление технологического транспорта и
специальной техники №3
ОАО «Сургутгазпром», г. Тюмень
Ведущая организация:
Защита состоится 14 ноября 2007 г. в 10.00. часов на заседании
диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном
нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского 38,
зал имени А.Н. Косухина (корпус 1).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной
печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета, а
также по e-mail: d_212_273_04@tsogu.ru
Автореферат разослан 13 октября 2007 г.
Телефон для справок (3452) 20-93-02
Ученый секретарь
диссертационного совета
П.В. Евтин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Содержание вредных веществ (ВВ) в отработавших газах (ОГ) и расход
топлива автомобилей зависит от различных факторов условий эксплуатации,
среди которых одну из важных ролей играет температура окружающего
воздуха.
Большая часть автомобильного транспорта РФ работает на территории с
низкотемпературными условиями, при которых значительно изменяется
выброс ВВ с ОГ и расход топлива.
В настоящее время все большее количество автомобилей используют в
качестве топлива сжиженный нефтяной газ (СНГ), но влияние низких
температур окружающего воздуха на изменение токсичности ОГ и расход
топлива газобаллонных автомобилей изучено недостаточно.
Также мало научных работ по определению уровня приспособленности
автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности
ОГ и расходу топлива при их работе на СНГ. Всё это обуславливает проблему,
решение которой на научной основе требует проведения соответствующих
исследований.
Таким образом, работы, направленные на установление закономерностей
влияния низкотемпературных условий эксплуатации на выбросы ВВ с ОГ и
расход топлива газобаллонных автомобилей, и разработка на их основе путей
снижения токсичности и сбережения топливно-энергетических ресурсов,
являются актуальной научной задачей.
Данная работа выполнена в соответствии с Тематическим планом
госбюджетных НИР ТюмГНГУ.
Цель исследования состоит в повышении эффективности эксплуатации
газобаллонных автомобилей на основе выявления и практического
использования закономерностей влияния низкотемпературных условий
эксплуатации на токсичность отработавших газов и расход топлива.
Объектом исследования служит процесс изменения содержания оксида
углерода, углеводородов, оксидов азота в ОГ и расхода топлива
газобаллонными автомобилями в низкотемпературных условиях эксплуатации,
а предметом исследования – этот процесс для автомобиля ГАЗ-3221 «Газель» с
двигателем ЗМЗ-4062.10.
Научная новизна работы:
 адаптирована универсальная шкала суровости условий эксплуатации к
предмету исследования;
 установлена закономерность влияния температуры окружающего
воздуха на температуру сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель;
3
 выявлены закономерности изменения содержания СО, СnНm и NOх в ОГ
и расхода топлива от температуры воздуха на входе в двигатель газобаллонных
автомобилей;
 выявлена
закономерность
изменения
численных
значений
коэффициентов
приспособленности
газобаллонных
автомобилей
к
низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности ОГ и расходу
топлива.
Практическая ценность работы заключается в том, что использование
результатов исследования обеспечивает снижение выбросов ВВ с ОГ и
экономию топлива газобаллонных автомобилей при их эксплуатации в
низкотемпературных условиях.
На защиту выносятся:
 адаптированная универсальная шкала суровости условий эксплуатации
к предмету исследования;
 закономерность влияния температуры окружающего воздуха на
температуру сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель;
 закономерности влияния температуры воздуха на входе в двигатель на
изменение содержания СО, СnНm и NOх в ОГ и расход топлива газобаллонных
автомобилей;
 закономерности изменения коэффициентов приспособленности при
низкотемпературных условиях эксплуатации по токсичности отработавших
газов и расходу топлива газобаллонных автомобилей;
 численные
значения
параметров
математических
моделей,
описывающих полученные закономерности;
 пути практического использования результатов исследования.
Реализация результатов работы. На основании закономерностей,
выявленных в результате проведённых исследований, разработаны Методика
дифференцированного корректирования платы за выбросы ВВ с ОГ
газобаллонных
автомобилей
и
Методика
дифференцированного
корректирования норм расхода топлива газобаллонных автомобилей,
эксплуатирующихся в низкотемпературных условиях. Методики внедрены в
ряде автотранспортных предприятий, а также используются в учебном
процессе при подготовке инженеров автотранспортных специальностей
ТюмГНГУ и СибГАДА (СибАДИ).
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены,
обсуждены и одобрены на 4-ой региональной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученных «Новые технологии нефтегазовому региону» (Тюмень, ТюмГНГУ, 2005г.); Региональном конкурсе
студенческих научных работ (Тобольск, 2005г.); Научно-технической
конференции «Транспортный комплекс 2006» (Тюмень, ОАО «Тюменская
ярмарка», 2006г.); Международной научно-технической конференции
4
«Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических
машин» (Тюмень, ТюмГНГУ, 2007г.); Научно-технической конференции
«Транспортный комплекс 2007» (Тюмень, ОАО «Тюменская ярмарка», 2007г.);
59-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобили,
специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера»
(Омск, СибАДИ, 2007г.); на научных семинарах кафедры ЭАТ ТюмГНГУ 20052007 гг.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены
в 15 печатных работах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, списка использованных источников и приложений. Объём диссертации
составляет 125 страниц текста, 28 таблиц, 42 рисунка, 115 наименований
списка литературы и 10 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного
исследования, излагается цель, научная новизна, практическая ценность
работы, а также отмечаются основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса о влиянии
низкотемпературных условий эксплуатации на изменение содержания ВВ в ОГ
и расхода топлива газобаллонных автомобилей. Исследования, посвящённые
данной проблеме, проводились в МАДИ, НАМИ, НИИАТ, ОГУ, СибАДИ,
ТюмГНГУ, а также в других организациях и учреждениях нашей страны и за
рубежом.
На токсичность ОГ и расход топлива оказывают влияние различные
факторы условий эксплуатации, имеющие свою суровость. Для их совместного
учета и анализа может быть использована универсальная 12-ти балльная шкала
суровости, предложенная проф. Л.Г. Резником. Однако в проведенных ранее
исследованиях разбивка шкалы проходила только с учетом объективной
суровости внешней среды. В этих работах не учитывалась суровость,
приведённая к конкретному объекту, а также рассматривались только
отрицательные температуры окружающего воздуха.
Влияние на содержание ВВ в ОГ и расход топлива оказывает
температура топлива на входе в двигатель, которая в значительной степени
зависит от температуры окружающего воздуха. Но ввиду конструктивных
особенностей газобаллонных автомобилей на температуру сжиженного
нефтяного газа на входе в двигатель основное влияние оказывает температура
охлаждающей жидкости и, в меньшей степени, температура окружающего
воздуха. Исследования по выявлению закономерности влияния температуры
окружающего воздуха на температуру СНГ на входе в двигатель ранее не
проводились.
5
Анализ литературных источников позволил установить, что изменение
расхода топлива и содержания ВВ в ОГ автомобилей, эксплуатирующихся в
низкотемпературных условиях, связано с рядом факторов. Одним из
определяющих является температура воздуха на входе в двигатель. Данному
вопросу посвящены работы И.А. Анисимова, А.Г. Белова, Я.Э. Богайчука,
Е.В Бондаренко, Д.А. Захарова, В.И. Ерохова, В.Н. Иванова, О.А. Новосёлова,
Н.Г. Певнева, Л.Г. Резника, А.Г. Сопова, а также других авторов. Однако эти
работы проводились на автомобилях с бензиновыми или дизельными
двигателями, и полученные результаты не могут быть применены к объекту
данного исследования.
Отрицательные температуры окружающего воздуха оказывают
неодинаковое влияние на величину расхода топлива и содержание ВВ в ОГ
автомобилей различных марок. Это обусловливается различным уровнем
приспособленности автомобилей к суровым низкотемпературным условиям
эксплуатации. Однако до настоящего момента не установлена закономерность
изменения коэффициента приспособленности газобаллонных автомобилей к
низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности ОГ и расходу
топлива.
Как следует из анализа литературных источников, для достижения
поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи.
1. Произвести адаптацию универсальной шкалы суровости условий
эксплуатации к предмету исследования.
2. Выявить закономерность влияния температуры окружающего воздуха
на температуру сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель.
3. Выявить закономерность изменения содержания вредных веществ в
отработавших газах и расхода топлива от температуры воздуха на входе в
двигатель при различных нагрузочных и скоростных режимах работы.
4. Установить
закономерность
изменения
коэффициентов
приспособленности по расходу топлива и токсичности отработавших газов
газобаллонных автомобилей при низкотемпературных условиях эксплуатации.
5. Определить численные значения параметров, входящих в
математические модели, описывающие выявленные закономерности, и
доказать их адекватность.
6. Разработать пути практического использования результатов
исследований.
Вторая глава посвящена аналитическим исследованиям, которые
проводились в соответствии с разработанной общей методикой исследования.
Исходя из предельных значений температур воздуха (-40°С … +40°С), за
которыми завод-изготовитель не рекомендует эксплуатацию автомобиля, и
того, что стандартное значение температуры воздуха составляет +25°С,
произведена адаптация универсальной шкалы суровости к конкретному
6
объекту. Каждый балл суровости R соответствует  5,4°С.
Рис. 1 Шкала оценки условий эксплуатации автомобилей
1 – низкотемпературные условия эксплуатации;
2 – высокотемпературные условия эксплуатации.
Для выявления закономерности изменения температуры сжиженного
нефтяного газа на входе в двигатель tт в качестве рабочей гипотезы
рассматривается однофакторная математическая модель зависимости данной
температуры от температуры окружающего воздуха tв:
(1)
t т  t т0  S в  t в ,
где tт0 – температура сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель при
температуре окружающего воздуха 0°С, °С;
Sв – параметр
чувствительности
к
изменению
температуры
окружающего воздуха по температуре сжиженного нефтяного газа
на входе в двигатель.
Анализ проведенных ранее исследований показал, что в бензиновых
двигателях образование СО, СnHm и NOx зависит в основном от состава
горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя. В связи с этим можно
выдвинуть следующую гипотезу: бензин и СНГ являются углеводородами,
поэтому протекание процесса сгорания в двигателях при работе на данных
видах топлива аналогично. Следовательно, математические модели,
разработанные для оценки токсичности ОГ при работе автомобиля на бензине,
могут быть применены для оценки его токсичности при эксплуатации на
газовом топливе. Аналогичную гипотезу можно выдвинуть для оценки
топливной экономичности автомобиля. Показателем, количественно
характеризующим состав горючей смеси, является коэффициент избытка
воздуха (). Исходя из имеющихся зависимостей влияния  на изменение
объемного содержания СО, СnHm и NOx и зависимости влияния температуры
воздуха на , содержание СО, СnHm и NOx в ОГ увеличивается как при
понижении, так и при повышении температуры воздуха на входе в двигатель
по сравнению с оптимальным значением. Из этого следует, что математические
модели изменения содержания ВВ ХСО, ХСН , ХNO от температуры окружающего
воздуха tв могут быть описаны квадратичными моделями приспособленности:
Х СО  Х СО (опт)  StCO  (tФ  tСО (опт) )2 ,
(2)
Х Сn Н m  Х Сn Н m ( опт)  S tC H  (t Ф  t Сn Н m ( опт) ) 2 ,
(3)
n m
7
Х NO х  Х NO x ( опт)  S t NO  (t Ф  t NO x ( опт) ) 2 ,
x
где X CO (опт) , X C H
n
Х NOx ( опт)
m ( опт)
,
(4)
− оптимальное содержание соответственно СО, СnНm,
NOx, %;
S tCO , S tCn H m , S t NO−x параметры чувствительности к изменению
t CO ( опт) , t Cn H m
t NOx ( опт)
температуры воздуха по содержанию соответственно
СО, СnНm, NOx, %/°С;
( опт) , − оптимальная температура воздуха на входе в двигатель
по содержанию СО, СnНm, NOx ,°С;
− фактическая температура воздуха на входе в
двигатель, °С.
После проведения измерений объемного содержания СО, СnHm, NOx в ОГ
производится расчет удельных выбросов этих компонентов U СО ,U С n Н m ,U NO x
tф
на основе ГОСТ 51832-2001.
Отклонение температуры окружающего воздуха от оптимального
значения ведет к ухудшению эксплуатационных показателей автомобиля. По
величине отклонения фактического значения от оптимального можно судить
об уровне приспособленности данного автомобиля к конкретным условиям
эксплуатации. Для количественной оценки приспособленности автомобилей к
низкотемпературным условиям применяется коэффициент приспособленности
А.
Коэффициенты приспособленности автомобилей к фактической
температуре воздуха tф по содержанию СО, СnHm, NOx в ОГ определяются по
следующим формулам:
U НСО
 CО ,
Ut
(5)
АСn Н m
U НСn Н m
 Cn Н m ,
Ut
(6)
АNOx
U НNOx
 NOx ,
Ut
(7)
АСО
где
U НСО ;U НСn Н m ; – нормативные выбросы оксида углерода, углеводородов и
U НNOx
оксидов азота соответственно, (г/кВтч);
U tСО ;U tСn Н m ; − фактические
удельные выбросы оксида углерода,
углеводородов и оксидов азота соответственно при
U tNO
температуре окружающего воздуха t, (г/кВтч).
Однако необходимо учитывать не только содержание ВВ, но и их
токсичность. Таким образом, если токсичность оксида углерода принять за
x
8
единицу, то относительная токсичность суммы углеводородов составит – 3, а
оксида азота – 59.
Тогда суммарный коэффициент приспособленности, приведенный к
токсичности оксида углерода, определяется по формуле:
А 
АСО  3 АС n Н m  59 АNO x
63
.
(8)
В ходе аналитических исследований был установлен вид математической
модели, описывающей влияние температуры воздуха на входе в двигатель на
расход топлива.

qт  q( опт )  St q  tф  t( опт )
2 ,
(9)
где q(опт) – оптимальный расход топлива, кг/ч;
St q – параметр чувствительности к изменению температуры воздуха
на входе в двигатель по расходу топлива, кг/(ч · °С2);
t(опт) – оптимальная температура воздуха на входе в двигатель по
топливной экономичности, °С;
tф
– фактическая температура воздуха на входе в двигатель, °С.
Коэффициент приспособленности автомобилей к фактической температуре
воздуха tф по расходу топлива находится как отношение нормируемого
значения расхода топлива в стандартных условиях эксплуатации к
фактическому расходу для конкретных условий по формуле:
Аq 
qн
,
qф
(10)
где qн – значение расхода топлива при стандартных температурных
условиях, кг/ч;
qф – значение расхода топлива при фактических температурных
условиях, кг/ч.
Для выявления закономерности влияния температур окружающего
воздуха на коэффициент приспособленности автомобиля по токсичности ОГ и
расходу топлива предложена следующая рабочая гипотеза:

А  А( опт )  St А  tф  t( опт )
где
А( опт ) – коэффициент
2 ,
(11)
приспособленности
при
оптимальной
температуре окружающего воздуха;
S t A – параметр чувствительности к изменению температуры
окружающего воздуха по коэффициенту приспособленности,
1/°С2.
Третья глава посвящена методикам экспериментальных исследований. В
9
данной
главе
изложена
методика
планирования
и
проведения
экспериментальных исследований, представлены технические характеристики
и описание испытываемого двигателя, тормозного стенда, системы подачи
воздуха и топлива в двигатель, экспериментального оборудования, а также
контрольно-измерительных приборов. Для обеспечения требуемого уровня
доверительной вероятности и ширины доверительного интервала были
выполнены пробные замеры, по результатам которых определялось
необходимое число повторных измерений.
Первым этапом экспериментальных исследований было проведение
эксплуатационных испытаний автомобиля ГАЗ-3221 с двигателем ЗМЗ4062.10. Их целью явилось определение температуры СНГ на входе в двигатель
при различной температуре окружающего воздуха.
Исследования проводились при температуре окружающего воздуха от -40
до +25С, температуре охлаждающей жидкости равной +85С, при работе
двигателя на холостом ходу.
Вторым этапом экспериментальных исследований были стендовые
испытания. Для имитации низкотемпературных условий эксплуатации при их
проведении была создана система подачи наружного холодного воздуха в
двигатель, с возможностью его подогрева до необходимой температуры.
Стендовые испытания проводились по циклу ESC (European Stationary
Cycle) – испытательный цикл, состоящий из 13 режимов устойчивой работы
двигателя при температуре воздуха на входе в двигатель от -40 до +25 С.
В четвёртой главе представлены результаты исследований и проведён их
анализ. Обработка экспериментальных данных с целью определения уровней
адекватности математических моделей и установления численных значений их
параметров проводилась на ЭВМ с использованием программных пакетов “Microsoft Excel”, “Regress 2.5”.
Температура сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель при
различных температурах окружающего воздуха представлена на рис. 2.
10
Рис. 2 Зависимость изменения температуры СНГ
от температуры окружающего воздуха
Математическая модель изменения температуры СНГ на входе в
двигатель ЗМЗ-4062.10 при низкотемпературных условиях эксплуатации
автомобиля ГАЗ-3221 с численными значениями её параметров имеет вид:
t т  48,8  0,024  t в .
(12)
Численные значения статистических характеристик математических
моделей (12) представлены в табл.1.
Таблица 1
Основные статистические характеристики модели (12)
Численные значения
Наименование характеристик
характеристик
Коэффициент корреляции
0,98
Коэффициент детерминации
0,96
Средняя ошибка аппроксимации
6,1
Дисперсионное отношение Фишера
2,55
Уровень адекватности
0,99
В результате обработки экспериментальных данных по влиянию
температуры воздуха на входе в двигатель на содержание СО, СnHm, NОx и
расход топлива q были получены однофакторные зависимости содержания ВВ
в ОГ и расхода топлива от температуры воздуха на входе в двигатель Х=f(tв) и
q=f(tв), которые представлены на рис. 3, 4, 5, 6.
11
Рис. 3 Зависимость содержания оксида углерода в ОГ от температуры
воздуха на входе в двигатель при Р = 65 кВт, n = 2650 мин-1
Рис. 4 Зависимость содержания углеводородов в ОГ от температуры
воздуха на входе в двигатель при Р = 65 кВт, n = 2650 мин-1
12
Рис. 5 Зависимость содержания оксидов азота в ОГ от температуры
воздуха на входе в двигатель при Р = 65 кВт, n = 2650 мин-1
Рис. 6 Зависимость изменения расхода топлива от температуры
воздуха на входе в двигатель при Р = 30 кВт, n = 3000 мин-1
13
Из представленных графических зависимостей следует, что температура
воздуха на входе в двигатель существенно влияет на объемное содержание СО,
CnHm и NOх в ОГ. Это объясняется изменением состава топливо-воздушной
смеси и, соответственно, коэффициентом избытка воздуха . С понижением
температуры воздуха на входе в двигатель увеличивается плотность воздуха, а
это ведет к повышению коэффициента избытка воздуха .
При использовании бензина в качестве топлива значительная его часть
поступает в цилиндры в виде жидкой фазы (капель и пленки), что ведет к
ухудшению смесеобразования, по сравнению с применением СНГ, который
поступает двигатель в виде газовой фазы.
Токсичность ОГ при переводе двигателей на питание СНГ заметно
снижается. Уменьшается количество продуктов неполного сгорания, таких как
оксид углерода и углеводороды в ОГ. Одновременно с этим несколько
уменьшается и концентрация оксидов азота в связи с более низкой
температурой рабочего цикла. Газовое топливо по сравнению с бензином имеет
более широкие пределы воспламенения. Это позволяет на основных
эксплуатационных режимах наиболее эффективно обеднить горючую смесь.
Содержание оксида углерода в отработавших газах достигает минимума
в диапазоне значений температур воздуха на входе в двигатель ЗМЗ-4062.10 от
–20 до +5 С при работе двигателя на бензине, и от –27 до 0 С при работе на
сжиженном нефтяном газе в зависимости от скоростного и нагрузочного
режимов работы.
Содержание углеводородов в ОГ в зависимости от температуры воздуха
на входе в двигатель изменяется незначительно. При понижении температуры
воздуха на входе в двигатель объемное содержание оксидов азота в ОГ
уменьшается, как при работе на бензине, так и на СНГ. Это объясняется
снижением общего температурного уровня цикла, обусловленного меньшей
начальной температурой заряда.
Полученные результаты по расходу топлива показывают, что его
значение имеет минимальную величину при температуре воздуха на входе в
двигатель от 0 до 20 С в зависимости от режима работы двигателя и при
отклонении от оптимума увеличивается.
Численные значения коэффициентов корреляции однофакторных
зависимостей содержания ВВ в ОГ и расхода топлива для различных режимов
работы двигателя составили для СО – 0,77...0,97, для СnHm – 0,78...0,99, для NOx
– 0,81...0,96, для q – 0,85…0,94, а коэффициента детерминации для СО –
14
0,59...0,94, для СnHm – 0,61...0,98, для NOx – 0,65...0,92, для q – 0,71…0,88, что
указывает на достаточную полноту учета факторов в моделях.
Обработка результатов исследований позволила определить численные
значения параметров математических моделей (2, 3, 4, 9). Математические
модели объемного содержания СО, СnHm и NOx в ОГ и расхода топлива с
численными значениями параметров имеют следующий вид при работе
двигателя на бензине:
Х СО  0,39  9,3 10 5  (t Ф  15) 2 ,
(13)
Х Сn Н m  0,049  2,1  10 6  (tФ  8) 2 ,
(14)
Х NOx  0,134  1,1  10 5  (tФ  18) 2 ,
(15)
qт  4,8  5 104  (tф  3)2 .
(16)
Основные статистические характеристики многофакторных моделей
содержания ВВ в ОГ и расхода топлива при работе двигателя на бензине
представлены в табл. 2.
Таблица 2
Численные значения основных статистических характеристик
математических моделей (13), (14), (15), (16)
Численные значения характеристик
Наименование характеристики
СО
Сn Нm
NOx
q
Коэффициент корреляции
0,89
0,81
0,89
0,85
Коэффициент детерминации
0,79
0,66
0,79
0,72
Средняя ошибка аппроксимации
4,5
3,7
4,4
4,1
Дисперсионное отношение Фишера
4,5
2,6
5,3
5,1
Уровень адекватности
0,99
0,96
0,95
0,94
Обработка результатов исследований позволила определить численные
значения параметров математических моделей (2, 3, 4, 9). Математические
модели объемного содержания СО, СnHm и NOx в ОГ и расхода топлива с
численными значениями параметров имеют следующий вид при работе
двигателя на СНГ:
Х СО  0,32  3,6 10 5  (t Ф  22) 2 ,
(17)
Х Сm H m  0,044  1,1  10 7  (t Ф  3) 2 ,
(18)
Х NOx  0,087  1,8  10 5  (tФ  5) 2 ,
(19)
15
qт  5,2  4  10 4  t ф  4 .
2
(20)
Основные статистические характеристики многофакторных моделей
содержания ВВ в ОГ и расхода топлива при работе двигателя на СНГ
представлены в табл.3.
Таблица 3
Численные значения основных статистических характеристик
математических моделей (17), (18), (19), (20)
Численные значения характеристик
Наименование характеристики
СО
Сn Нm
NOx
q
Коэффициент корреляции
0,87
0,85
0,90
0,86
Коэффициент детерминации
0,77
0,72
0,81
0,74
Средняя ошибка аппроксимации
3,8
4,2
4,7
4,5
Дисперсионное отношение Фишера
4,5
2,9
5,1
4,9
Уровень адекватности
0,97
0,95
0,98
0,95
По результатам расчётов установлены однофакторные математические
зависимости коэффициентов приспособленности по токсичности ОГ и расходу
топлива от температуры воздуха на входе в двигатель, графический вид
которых представлен на рис. 7, 8.
Рис. 7 Зависимость изменения коэффициента приспособленности
по токсичности ОГ от температуры воздуха на входе в двигатель
16
Рис. 8 Зависимость изменения коэффициента приспособленности
по расходу топлива от температуры воздуха на входе в двигатель
Численные значения параметров математической модели (11) изменения
коэффициентов приспособленности по токсичности ОГ и расходу топлива при
низкотемпературных условиях эксплуатации имеют следующий вид при работе
двигателя на СНГ и бензине:
Aбен  1,03  9,8 10 5  (t ф  6) 2 ,
(21)

Aснг  1,07  3,9 10 5  (t ф  1) 2 ,

Aqбен  1,03  1,3  10 4  (t ф  3) 2 ,
(22)
(23)
Aqснг  1,04  1,2  10 4  (t ф  4) 2 .
(24)
Основные статистические характеристики математической модели (21,
22, 23, 24) представлены в табл. 4.
Таблица 4
Численные значения основных статистических характеристик
математических моделей (21), (22), (23), (24)
Численные значения характеристик
Наименование характеристик
бен
снг
бен
cнг
Коэффициент корреляции
Коэффициент детерминации
Средняя ошибка аппроксимации
17
А

Аq
0,91
0,83
6,10
0,93
0,86
5,92
А

0,93
0,86
5,90
Аq
0,95
0,9
6,00
Дисперсионное отношение Фишера
2,58
2,49
2,55
2,50
Уровень адекватности
0,95
0,93
0,97
0,96
Таким образом, обработка результатов экспериментальных исследований
позволила подтвердить адекватность установленных математических моделей.
В пятой главе изложены пути практического использования результатов
исследования и оценена их эффективность.
Рассматриваются два основных пути.
1. Разработка Методики дифференцированного корректирования платы
за выбросы ВВ с ОГ газобаллонных автомобилей.
2. Разработка Методики дифференцированного корректирования норм
расхода топлива газобаллонных автомобилей.
Методика дифференцированного корректирования платы за выбросы ВВ
с ОГ газобаллонных автомобилей и Методика дифференцированного
корректирования норм расхода топлива газобаллонных автомобилей основаны
на учёте приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям
эксплуатации по токсичности ОГ и расходу топлива. Они предусматривают
определение
дифференцированных
коэффициентов,
корректирующих
величину платы за выбросы ВВ в атмосферу и нормируемого значения расхода
топлива. Величина коэффициентов зависит от значения фактической
температуры воздуха, при которой происходит эксплуатация автомобиля, и от
уровня его приспособленности к низкотемпературным условиям эксплуатации
по токсичности ОГ и расходу топлива.
Результаты
проведённых
исследований
позволяют
достичь
экономического эффекта за счёт применения в качестве топлива СНГ и более
объективного корректирования платы за выбросы ВВ с ОГ и норм расхода
топлива.
Экономический эффект от внедрения Методики дифференцированного
корректирования платы за выбросы ВВ с ОГ для газобаллонного автомобиля
ГАЗ-3221 составляет в условиях представительного пункта умереннохолодного климатического района (г. Тюмень) 13,6 руб. на один автомобиль в
год.
Экономический эффект от внедрения Методики дифференцированного
корректирования норм расхода топлива для газобаллонного автомобиля ГАЗ3221 составляет в условиях представительного пункта умеренно-холодного
климатического района (г. Тюмень) 282 руб. на 1000 км пробега (в ценах июля
2007 года).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Решена научно-практическая задача повышения
эксплуатации газобаллонных автомобилей на основе
18
эффективности
выявления и
практического использования закономерностей влияния низкотемпературных
условий эксплуатации на токсичность отработавших газов и расход топлива.
2. Произведена адаптация универсальной шкалы суровости условий
эксплуатации к предмету исследования. Приняты следующие границы
адаптированной универсальной шкалы суровости: температура воздуха +25 оС
(суровость условий эксплуатации – 0 R), температура воздуха -40оС (суровость
условий эксплуатации – 12 R).
3. Установлена закономерность влияния температуры окружающего
воздуха на температуру сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель,
описываемая линейной математической моделью приспособленности.
Параметр чувствительности к изменению температуры окружающего воздуха
по температуре сжиженного нефтяного газа на входе в двигатель при
эксплуатации автомобиля равен 0,024.
4. Установлены закономерности изменения содержания вредных веществ
в отработавших газах и расхода топлива от температуры воздуха на входе в
двигатель при различных нагрузочных и скоростных режимах работы,
описываемые квадратичными моделями приспособленности. Параметры
чувствительности к изменению температуры воздуха входе в двигатель при его
работе на бензине по объёмному содержанию ВВ в ОГ равны от 2,1·10-6 %/°С
до 9,3·10-5 %/°С; расходу топлива равны от 4·10-4 кг/(ч·°С2) до 9,1·10-4
кг/(ч·°С2); и при работе двигателя на СНГ соответственно от 1,1·10-7 %/°С до
3,6·10-5 %/°С; от 1,5·10-4 кг/(ч·°С2) до 8,9·10-4 кг/(ч·°С2).
5. Установлены
закономерности
изменения
коэффициентов
приспособленности по токсичности отработавших газов и расходу топлива
газобаллонных автомобилей при низкотемпературных условиях эксплуатации,
описываемые квадратичными моделями приспособленности. Параметры
чувствительности к изменению температуры воздуха входе в двигатель, при
его работе на бензине, по коэффициенту приспособленности по токсичности
ОГ и расходу топлива соответственно равны 9,8·10-5 1/°С и 1,2·10-4 1/°С; при
работе двигателя на СНГ соответственно 3,9·10-5 %/°С и 1,3·10-4 %/°С.
6. Определены численные значения параметров, входящих в эти модели и
доказана адекватность полученных математических моделей, описывающих
выявленные закономерности. Численные значения дисперсионного отношения
Фишера математических моделей изменения содержания ВВ в ОГ и расхода
топлива при работе двигателя на бензине от 2,6 до 5,3, при работе на СНГ от
2,5 до 5,1 для различных режимов работы двигателя; а средняя ошибка
аппроксимации соответственно при работе двигателя на бензине от 3,7 до 4,1,
при работе на СНГ от 3,8 до 4,7.
7. Разработаны Методика дифференцированного корректирования платы
за выбросы ВВ с ОГ газобаллонных автомобилей и Методика
дифференцированного корректирования норм расхода топлива газобаллонных
19
автомобилей. Использование разработанных Методик обеспечивает снижение
платы за выбросы ВВ с ОГ на 13,6 руб. в год и экономию средств на
приобретение топлива 282 руб. на 1000 км пробега.
Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих
работах.
В журналах рецензируемых ВАК:
1. Гаваев, А.С. Результаты исследований адаптивности газобаллонных
автомобилей к отрицательным температурам воздуха по токсичности
отработавших газов и расходу топлива [Текст] /А.С. Гаваев// Научнотехнический журнал «Транспорт Урала» №3(14)/2007 / Екатеринбург:
УрГУПС, 2007 – С.37-39.
В прочих изданиях:
1. Гаваев, А.С. Влияние низкотемпературных условий эксплуатации на
токсичность ОГ газобаллонных автомобилей [Текст] /А.С. Гаваев// Материалы
4-ой региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов,
и молодых ученых; «Новые технологии – нефтегазовому региону». / Тюмень:
ТГНГУ, 2005. – С. 26.
2. Гаваев, А.С. Влияние низкотемпературных условий эксплуатации на
расход топлива газобаллонных автомобилей [Текст] /А.С. Гаваев// Сборник
материалов Регионального конкурса студенческих научных работ 2005 года. /
Тобольск: ТГПИ им. Д.И. Менделеева, 2006. – С. 147.
3. Анисимов, И.А. Актуальность применения газового топлива на
маршрутных такси г. Тюмени [Текст] /И.А. Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г
Резник// Материалы региональной научно-практической конференции;
«Проблемы эксплуатации систем транспорта». / Тюмень: ТГНГУ, 2006. – С. 4347.
4.
Анисимов,
И.А.
Приспособленность
автомобилей
к
низкотемпературным условиям эксплуатации при использовании сжиженного
нефтяного газа в качестве моторного топлива [Текст] /И.А. Анисимов, А.С.
Гаваев, Л.Г Резник// Материалы региональной научно-практической
конференции; «Проблемы эксплуатации систем транспорта». / Тюмень:
ТГНГУ, 2006. – С. 251-252.
5. Анисимов, И.А. Токсичность ОГ автомобилей при работе на СНГ в
низкотемпературных условиях эксплуатации [Текст] /И.А. Анисимов, А.С.
Гаваев, Л.Г Резник// Межвузовский сборник научных трудов; «Эксплуатация
автотранспорта и специальной нефтегазопромысловой техники». / Тюмень:
Издательство «Вектор Бук», 2006. – С. 197-198.
6. Анисимов, И.А. Влияние низкотемпературных условий эксплуатации
на токсичность отработавших газов автомобиля ВАЗ-2107 с газобаллонной
системой питания [Текст] /И.А. Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г Резник//
20
Материалы докладов Студенческой академии наук. / Тюмень: Издательство
«Вектор Бук», 2006. – С. 239-243.
7. Анисимов, И.А. К вопросу о влиянии низкотемпературных условий
эксплуатации на расход топлива автомобилем ВАЗ-2107 с газобаллонной
системой питания при работе на сжиженном нефтяном газе [Текст] /И.А.
Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г Резник// Материалы докладов Студенческой
академии наук. / Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2006. – С. 243-246.
8. Анисимов, И.А.Теоретические исследования работы газобаллонного
автомобиля в низкотемпературных условиях эксплуатации [Текст] /И.А.
Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г Резник// Материалы международной научнотехнической конференции; «Геотехнические и эксплуатационные проблемы
нефтегазовой отрасли». / Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 398-402.
9. Анисимов, И.А. Методики экспериментальных испытаний
газобаллонных автомобилей [Текст] /И.А. Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г Резник//
Материалы
международной
научно-технической
конференции;
«Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли». /
Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – С. 403-406.
10. Анисимов, И.А. Оценка приспособленности газобаллонных
автомобилей по токсичности ОГ к отрицательным температурам воздуха
[Текст] /И.А. Анисимов, А.С. Гаваев, Л.Г Резник// Сборник материалов 5
Всероссийской научно-технической конференции; «Проблемы и достижения
автотранспортного комплекса». / Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. – С. 147149.
11. Анисимов, И.А. Приспособленность автомобилей по токсичности
отработавших газов к низкотемпературным условиям эксплуатации [Текст]
/И.А. Анисимов, А.С. Гаваев // Материалы трудов заочной международной
научно-практической конференции; «Система управления экологической
безопасностью». / Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. – С. 155-159.
12. Анисимов, И.А. К вопросу практического использования результатов
исследования
адаптивности
газобаллонных
автомобилей
к
низкотемпературным условиям эксплуатации по расходу топлива [Текст] /И.А.
Анисимов, А.С. Гаваев// Материалы 59-ой международной научно-технической
конференции; «Автомобили, специальные и технологические машины для
Сибири и крайнего севера». / Омск: СибАДИ, 2007. – С. 77-78.
13. Анисимов, И.А. Взимания платы за выбросы ВВ от передвижных
источников с газобаллонной системой питания [Текст] /И.А. Анисимов, А.С.
Гаваев// Материалы международной научно-технической конференции;
«Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических
машин». / Тюмень: ТюмГНГУ, 2007 – С. 19-24.
14. Анисимов, И.А. К вопросу практического использования результатов
исследования
адаптивности
газобаллонных
автомобилей
к
21
низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших
газах [Текст] /И.А. Анисимов, А.С. Гаваев// Материалы всероссийской научнотехнической конференции; «Проблемы эксплуатации систем транспорта». /
Тюмень: ТГНГУ, 2007. – С. 3-5.
подписано к печати
Заказ №
Формат 6084 1/16
Отпечатано на RISO GR 3750
Бум. писч. №1
Уч. – изд. л. 1,0
Усл. печ. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625000, Тюмень, ул. Киевская, 52
22