Результаты разработки частично-поточной системы с расширенным динамическим диапозоном для определения выбросов частиц современными двигателями

Клименко А.А., к.т.н. / Кудренко А.В., асп. ГП «ГосавтотрансНИИпроект», г. Киев

УДК 629.018+629.1.056.54

Для определения эмиссии частиц с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания используются полно-поточные (рис. 1) и частичнопоточные системы разбавления (рис. 2).

Рисунок 1. Принцип работы полно-поточного туннеля для определения массовых выбросов частиц

Рисунок 2. Упрощенная принципиальная схема одного из вариантов частично-поточной системы для определения массовых выбросов частиц

Полно-поточные системы разбавления содержат громоздкие, дорогостоящие и энергоемкие элементы отбора полного потока смеси ОГ и разбавляющего воздуха.

Поэтому, несмотря на относительную простоту конструкции полно-поточной системы отбора проб постоянного объема (в зарубежных источниках – Constant Volume Sampler (CVS) system), стоимость такого оборудования составляет сотни тысяч евро. Например, стоимость полнофункциональной CVS с производительностью всего в 90 куб.м./мин может превышать на мировом рынке 800 тыс. Евро. Для испытаний же мощных автомобильных дизелей может понадобиться еще более дорогостоящая CVS с производительностью уже до 180 куб.м./мин, что может позволить себе далеко не каждая лаборатория.

В частично-поточных системах разбавления производится отбор и разбавление небольшой части ОГ, что, несмотря на усложнение системы, существенно удешевляет как первичную стоимость оборудования, так и затраты на его эксплуатацию.

Показанный на рис. 2 вариант частично-поточной системы (с измерением потоков и полным отбором разбавленной пробы на фильтры) является наиболее распространенным на сегодняшний день, в силу гибкости его применения и других преимуществ.

Расход пробы ОГ (Qпр) определяется как разница между расходом суммарного потока разведенных ОГ (Qc) и расходом потока разбавления ОГ воздухом (Qp):

Qпр = Qc – Qp.

Однако, использование рассмотренного варианта частично-поточных систем разбавления при испытании современных автомобильных двигателей в транзиентных (переходных) циклах усложняется из-за необходимости, например, непрерывного быстропеременного разбавления пробы ОГ в расширенном динамическом диапазоне при условии дифференциального (опосредствованного) измерения потока пробы с очень высокой точностью.

Проблему дифференциального измерения потока пробы можно проиллюстрировать следующим образом.

Абсолютную погрешность измерения потока пробы в частично-поточной системе разбавления можно представить как корень из суммы квадратов абсолютных погрешностей измерений суммарного и разбавляющего потоков.

Например, для Qc = 50 л/мин (диапазон 22,6...51,6 л/мин соответствует стандартному диапазону расчётной линейной скорости потока, проходящего через улавливающие частицы фильтра с внешним диаметром 47 мм) при относительной погрешности в ± 1 % получим абсолютную погрешность Qc в ± 0,5 л/мин. При коэффициенте разбавления пробы 1:20 расход пробы составит 2,5 л/мин. Путем несложных вычислений нетрудно увидеть, что относительная погрешность измерения расхода суммарного и разбавляющего потоков всего в ±1% при коэффициенте разбавления пробы 1:20 уже приведёт к абсолютно неприемлемой относительной погрешности определения потока пробы в ±28%, а при коэффициенте разбавления пробы 1:50 она равна ±71%.

Даже применение ультраточных расходомеров с относительной погрешностью измерения расходов в пределах ±0,2% при коэффициенте разбавления пробы 1:50 дает (без применения специальных мер) погрешность измерения потока пробы на попрежнему неприемлемом уровне в ±14%. Как известно, согласно Правилам ЕЭК ООН № 49-05, максимально допустимая относительная погрешность задания потока пробы не должна превышать ±5% (при одновременном выполнении ряда других требований) и ±4% в более ранних редакциях Правил.

Практическое решение задачи непрерывного разбавления пробы ОГ в расширенном динамическом диапазоне (до коэффициента разбавления пробы в 1:50) с приемлемой и гарантированной точностью предъявляет требование к относительной погрешности динамичного измерения/задания суммарного и разбавляющего потоков на уровне сотых долей процента, что является значительной проблемой, особенно с учётом изменяющихся в реальных условиях работы химического состава и температуры газов.

В ГП «ГосавтотрансНИИпроект» разработана система частично-поточного разбавления ОГ для определения эмиссии частиц (универсальная система анализа эмиссии частиц модели «МТ-010»), в конструкции которой заложены оригинальные технологии и технические решения вышеприведенной проблемы и других проблем применения частично-поточных систем разбавления при испытании современных автомобильных двигателей в переходных циклах в расширенном динамическом диапазоне.

Разработанная система отвечает по конструкции требованиям Правил ЕЭК ООН № 49-05 и № 96-01 для „Partial flow dilution system with flow control and total sampling” (частично-поточного разбавления с контролем потоков и отбором суммарного потока разбавленных ОГ). Конструкция системы также отвечает стандартной и общепринятой схеме двойного разбавления ОГ (Double dilution system) при работе в составе полно-поточной системы разбавления (CVS) и, соответственно, требованиям Правил ЕЭК ООН № 49-05 и № 96-01, т.е., система может использоваться как самостоятельно, так и в составе CVS.

Система (рис. 3) состоит из стенда микротуннеля, на котором расположена система переключения потока разбавленной пробы, и шкафа управления (рис. 4).

Рисунок 3. Внешний вид системы модели «МТ-010»


Рисунок 4. Шкаф управления


Для достижения высоких метрологических характеристик в системе «МТ-010» используются следующие технологии и технические решения:

- использование системы двойного измерения потоков с помощью комбинации массовых расходомеров и быстродействующих объемных расходомеров, с применением технологии компенсации результатов измерений, учитывающей динамическое изменение химического состава газов и их влияние на считываемые данные;

- ультраточная (в пределах ±0,01оС) термостабилизация расходомеров и потоков газов, проходящих через расходомеры, путем применения массивной системы жидкостной термостабилизации с использованием эффективных теплообменных аппаратов с высоким соотношением теплопередачи к внутреннему объёму;

- включение в алгоритмы цифровой обработки сигналов технологий сплайн-линеаризации, а так-же разработанную авторами технологию цифровой компенсации гистерезиса в первичных преобразователях физических величин;

- использования специальной процедуры относительной калибровки расходомеров;

- использование системы быстродействующих клапанов, а также специальных алгоритмов управления потоками;

- использование предварительной записи в памяти ПК кривой расхода ОГ в режимах транзиентного цикла и использования упредительного алгоритма управления потоками;

- другие решения.

Суммарный поток разбавленных ОГ (Qc) направляется на два последовательно расположенных фильтра улавливания частиц, установленные в держателе. Специальная система переключения потока разбавленной пробы направляет его на фильтры для улавливания частиц за определенный период времени.

Система переключения потоков имеет оригинальную конструкцию, которая исключает образование «депозитов» частиц (скоплений частиц и их оседание) и минимизирует время переходных процессов в момент переключения. Схема системы подачи пробы на фильтры показана на рис. 5, а внешний вид стенда с микротуннелем – на рис. 6.

Рисунок 5. Упрощенная принципиальная схема системы подачи пробы на фильтры


Рисунок 6. Внешний вид стенда микротуннеля


Использование (как это показано на рис. 5) шарового трехходового клапана ШК имеет своим преимуществом практическое исключение формирования временных «депозитов» частиц, а также минимизирует их потери при транспортировке к улавливающим фильтрам. Вместе с тем, трехходовой шаровой клапан (в отсутствие системы компенсации) в процессе переключения перекрывает на небольшое время общий поток, приводя к некоторой погрешности его задания в процессе стабилизации (в переходном режиме). Погрешность, вызванная неустановившимся режимом общего потока, может оказать существенное влияние на точность измерений с малым общим временем отбора пробы.

Эта проблема была решена введением дополнительного обходного клапана К2, который, в строго определенный момент времени, открывается на определенную величину на долю секунды, обеспечивая, таким образом, постоянство общего сопротивления потоку в момент переключения шарового клапана.

Основной обходной клапан К3 также выполняет функцию регулируемого дросселя, создавая разрежение, идентичное разрежению, создаваемому фильтрами улавливания частиц в последний цикл измерения. Таким образом, заданная величина потока на фильтрах устанавливается практически мгновенно к моменту переключения шарового клапана в режим измерения.

Система управления потоком разбавляющего воздуха состоит из двух параллельно установленных регулируемых быстродействующих клапанов: основного, регулирующего основную часть потока, и дополнительного, быстро и точно отрабатывающего динамические изменения в задании потока.

Система «МТ-010» имеет следующие характеристики:

- диапазон задания суммарного потока разбавленных ОГ (Qc): 22,6...51,6 л/мин. (соответствует стандартному диапазону расчётной линейной скорости потока через фильтры);

- аттестованное значение относительной погрешности определения/задания суммарного потока (Qc) составляет ± 1,5 % от измеренного значения в полном рабочем диапазоне 11,3...51,6 л/мин. Следует отметить, что фактически погрешность Qc не превышает ± 1,0 %. Однако, из соображений экономии средств, нами было заявлено значение в ± 1,5 % (при допустимой стандартами погрешности в ± 2 %), что позволяет проводить периодическую поверку системы на месте ее установки в испытательной лаборатории ГП «ГосавтотрансНИИпроект» (с применением имеющегося в распоряжении авторов переносного эталонного расходомера) без необходимости ежегодного транспортирования массивной системы «МТ-010« в калибровочные лаборатории с более точными стационарными средствами поверки;

- диапазон задания потока разбавления ОГ воздухом (Qp): 22,6...51,6 л/мин;

- динамический диапазон задания коэффициента разбавления пробы: 2…50;

- аттестованное значение относительной погрешности определения расхода пробы ОГ (Qпр) составляет ± 2,5 % от измеренного значения во всем динамическом диапазоне от 1:2 до 1:50, что существенно расширяет возможности разработанной системы при исследовании эмиссии частиц двигателями (в сравнении с известными сегодня на мировом рынке аналогами). На практике такая точность дифференциального измерения/задания потока пробы означает достижение относительной точности задания суммарного и разбавляющего потоков на уровне ±0,035% и лучше;

- время установления потока пробы не превышает 250 мс.

В системе также предусмотрена возможность управления влажностью разбавляющего воздуха, так как этот фактор влияет на процесс формирования частиц в самом туннеле при охлаждении ОГ.

В настоящее время продолжается работа по созданию (на основе системы анализа эмиссии частиц модели «МТ-010») комплекса следующего поколения, в котором, в частности, будет внедрена система прямого задания потока разбавления ОГ воздухом, основанная на массиве элементов с фиксированным и стабильным расходом – наборе сопел Вентури, работающих в критическом режиме истечения потока, и наборе капилляров, а также быстродействующих клапанов.

Массив из всего 15 элементов (каждый из которых обеспечивает фиксированный и стабильный расход) в различных комбинациях (открытия/закрытия элементов) позволяет получить диапазон задания расхода от 0 до 60 л/мин с шагом 5 мл/мин. Дискретность задания расхода потока разбавления ОГ (Qp) в 5 мл/мин составляет всего 1% от минимально возможного расхода пробы (Qпр) в 0,5 л/мин. Упрощенная схема данной системы показана на рис. 7.


Рисунок 7. Упрощённая принципиальная схема системы прямого задания потока разбавления О Г воздухом

Ожидается, что такая система прямого задания потока разбавления позволит уменьшить на порядок общее время установления потока пробы и значительно улучшить точность и воспроизводимость результатов измерения массовых выбросов частиц современными двигателями в транзиентных циклах.

Разработанный математический аппарат, заложенный в основу алгоритмов цифровой обработки данных и управления системой, детали разработанных технологий и технических решений, равно как и результаты исследований эмиссии частиц различными двигателями и ее взаимосвязи с различными факторами, могут быть предметом отдельных публикаций.

В данной статье авторами показаны, в общих чертах, основные технические решения, разработанные ими в процессе работы над частично-поточной системой «МТ-010» ГП «ГосавтотрансНИИпроект», и направленные на решение проблемы применения частично-поточных систем для определения выбросов частиц современными двигателями в расширенном динамическом диапазоне.

Как следует из приведенных данных, разработанная система «МТ-010» по своим основным характеристикам превосходит известные сегодня на мировом рынке аналоги, что существенно расширяет ее возможности при исследовании эмиссии частиц двигателями.

Система «МТ-010» используется в составе единственного на сегодня в Украине испытательного комплекса для проведения сертификационных испытаний автомобильных двигателей в соответствии с требованиями международных стандартов и технических регламентов, включая экологический блок Правил ЕЭК ООН (в Лаборатории исследований использования топлив и экологии ГП «ГосавтотрансНИИпроект»).