ГОСТ 14846-2020. Межгосударственный стандарт. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний

9 Обработка результатов испытаний

 

9.1 По данным измерений, полученным при испытании двигателя, а также по результатам расчетов величин, определяемых аналитически, строят графики. Опытные точки наносят на график. На кривых (графиках) величин, получаемых в результате расчетов (например, P и g), точки не ставят.

Если установленное на стенде оборудование для испытания двигателя не полностью соответствует в части отображения единиц измерения в системе СИ, рекомендуется до вычисления по формулам данного раздела измеренные значения привести в соответствие с требованиями ГОСТ 8.417. В формулах раздела 9 температура T выражена в градусах Кельвина. В соответствии с ГОСТ 8.417 температуру в градусах Цельсия (обозначение t) определяют выражением t = T - T₀, где T₀ = 273,15 К.

При измерении ВВВ значения концентраций могут иметь размерность млн^-1 (частиц на миллион), которая не входит в систему СИ.

9.2 Определение мощности двигателя

9.2.1 Измеренную мощность P_m, кВт, вычисляют по формуле

 

или , (8)

 

где n - частота вращения, мин^-1;

M_m - измеренный крутящий момент, Н·м.

9.2.2 Приведение полезной мощности

Если установка двигателя на стенд в полном соответствии с приложением А невозможна или нецелесообразна, то следует вычислять приведенную полезную мощность P_n, кВт, по формуле

 

P_n = P_m - P_a + P_b, (9)

 

где P_m - измеренная мощность, кВт;

P_a - мощность, которая должна потребляться вспомогательным оборудованием, необходимым для работы двигателя, но не устанавливаемым на стенде, кВт;

P_b - мощность, потребляемая вспомогательным оборудованием, которое должно быть демонтировано на время испытания, но не демонтировано, кВт.

Данные по затратам на привод оборудования должны быть определены при испытаниях (см. 8.10) или предоставлены производителем двигателя.

9.3 При построении кривой мощности по ВСХ в зависимости от частоты вращения по [12] используют приведение к стандартным атмосферным условиям.

Приведение мощности двигателя к стандартным атмосферным условиям P₀ (температура T₀ = 298 К (25 °C); сухое давление p_so = 99 кПа) осуществляется по формуле

 

, (10)

 

где - поправочный коэффициент ( или );

P_m - измеренная мощность.

9.4 Расчет поправочных коэффициентов и 

9.4.1 Для двигателей с принудительным зажиганием без наддува или с наддувом поправочный коэффициент численно равен коэффициенту атмосферных условий f_a, и поэтому поправочный коэффициент рассчитывают по формуле (3).

Испытание считается действительным, если поправочный коэффициент находится в пределах .

Если эти предельные значения оказались превышены, должно быть зафиксировано полученное приведенное значение, а в протоколе испытания должны быть точно указаны условия проведения испытания (температура и давление).

9.4.2 Для дизельных двигателей поправочный коэффициент мощности вычисляют по формуле

 

, (11)

 

где f_a - коэффициент атмосферных условий, вычисляемый по формулам (1) и (2);

f_m - характеристический параметр для каждого типа двигателя и настройки, зависящий от приведенного расхода топлива q_c.

При цикловой подаче расход топлива q_c, равный 40 - 65 мг/(л·цикл), вычисляют по формуле

 

f_m = 0,036·q_c - 1,14, (12)

 

при этом q_c = q/r, (13)

 

здесь q - расход топлива в миллиграммах на цикл и на литр общего рабочего объема, мг/(л·цикл);

r - отношение давлений на выходе и входе компрессора (r = 1 для двигателей без наддува).

Примечание - Значение q вычисляют по формуле

- для четырехтактного двигателя: ;

- для двухтактного двигателя: ,

где G_F - массовый расход топлива, кг/ч;

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

V_ДВ - рабочий объем двигателя, дм³.

 

При значении q_c <= 40 мг/(л·цикл) принимают постоянное значение f_m = 0,3.

Для значений q_c >= 65 мг/(л·цикл) принимают постоянное значение f_m = 1,2.

Испытание считают действительным, если поправочный коэффициент находится в пределах .

Если эти предельные значения превышены, то должно быть зафиксировано полученное приведенное значение, а в протоколе испытания должны быть точно указаны условия проведения испытания (температура и давление).

9.5 Среднее эффективное давление p_e, МПа - для формулы (14) [бар - для формулы (15)], вычисляют по формуле

 

(14)

 

или

 

, (15)

 

где M - крутящий момент двигателя, Н·м - для формулы (14), кгс·м - для формулы (15);

- тактность двигателя;

V_h - рабочий объем цилиндра, дм³;

i - число цилиндров.

9.6 Влажность воздуха

9.6.1 Относительной влажностью воздуха R_a, %, называют отношение парциального давления водяного пара, содержащегося во влажном воздухе заданного состава, к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре, вычисляемое по формуле

 

R_a = 100·p_v/p_a, (16)

 

где p_v - парциальное давление водяных паров в воздухе, кПа;

p_a - давление насыщенных паров воздуха, кПа.

Значения p_a допускается определять по таблице Л.1 приложения Л.

9.6.2 Парциальное давление сухого воздуха

Поскольку барометрическое давление p_b влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха p_s и водяного пара p_v, то давление сухого воздуха p_s, кПа, вычисляют по формулам

 

p_s = p_b - p_v; (17)

 

p_s = p_b - 0,01R_a·p_a, (18)

 

где p_b - общее барометрическое давление, кПа;

p_v - парциальное давление водяных паров.

9.6.3 Абсолютную влажность (массу воды на 1 кг сухого воздуха) H_a, г/кг, на впуске вычисляют по формуле

 

, (19)

 

где R_a - относительная влажность;

p_a - давление насыщенных водяных паров;

p_b - барометрическое давление.

9.6.4 Плотность влажного , кг/м³, воздуха после компрессора и теплообменника охлаждения наддувочного воздуха (ТОНВ) вычисляют по формуле

 

, (20)

 

где p_AC - давление воздуха после ТОНВ, кПа;

T_AC - абсолютная температура воздуха после ТОНВ, К;

H_a - абсолютная влажность воздуха, г/кг.

9.7 Определение коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха вычисляют по формуле

 

, (21)

 

где q_maw - массовый расход воздуха на впуске во влажном состоянии, кг/ч;

(A/F)_st - стехиометрический коэффициент;

q_mf - массовый расход топлива, кг/ч.

9.8 Стехиометрический коэффициент (A/F)_st, кг/кг, вычисляют по формуле

 

(22)

 

где , , , - молярные доли компонентов для состава топлива .

Если состав топлива неизвестен, то в качестве альтернативы могут быть использованы следующие стехиометрические коэффициенты:

(A/F)_st (дизельное топливо) = 14,5;

(A/F)_st (бензин) = 14,7;

(A/F)_st (СУГ) = 15,5;

(A/F)_st (ПГ) = 17,2;

(A/F)_st (E10) = 14,08;

(A/F)_st (этанол) = 9,0.

9.9 Определение массового расхода ОГ

Массовый расход ОГ q_mew, кг/ч, вычисляют по формуле

 

q_mew = q_maw + q_mf, (23)

 

где q_maw - массовый расход воздуха на впуске во влажном состоянии, кг/ч;

q_mf - массовый расход топлива, кг/ч.

Если двигатель работает в двухтопливном режиме, то требуется определить значение суммарного расхода q_mf обоих топлив по формуле

 

q_mf = q_mf1 + q_mf2, (24)

 

где q_mf1 - массовый расход топлива 1, кг/ч;

q_mf2 - массовый расход топлива 2, кг/ч.

9.10 Определение удельных выбросов вредных веществ

9.10.1 Удельные выбросы газообразных компонентов e_gas, г/кВт·ч, вычисляют по формуле:

а) все компоненты, за исключением NO_x:

 

, (25)

 

б) для NO_x:

 

, (26)

 

где m_gas - массовый расход ВВВ, г/ч;

P_n - фактическая полезная мощность двигателя, кВт;

k_h - коэффициент (k_h,D) или (k_h,G), учитывающий температуру и влажность воздуха на впуске (см. 9.10.2).

9.10.2 Поправка на сухое/влажное состояние

Измеренная концентрация на сухой основе c_d, если она не была уже измерена на влажной основе c_w, преобразуется в концентрацию во влажном состоянии для каждого отдельного режима по формуле

 

c_w = k_w·c_d, (27)

 

где k_w - поправочный коэффициент для первичных ОГ, вычисляемый по нижеприведенным формулам:

 

(28)

 

или

 

(29)

 

и

 

, (30)

 

при этом k_f = 0,055594W_ALF + 0,0080021W_DEL +

+ 0,0070046W_EPS, (31)

 

и

 

, (32)

 

где H_a - влажность воздуха на впуске, г воды на кг сухого воздуха;

W_ALF - содержание водорода в топливе, % от массы;

q_mf - мгновенное значение массового расхода топлива, кг/с;

q_mad - мгновенное значение массового расхода воздуха на впуске на сухой основе, кг/с;

p_r - давление водяных паров холодильника после, кПа;

p_b - общее барометрическое давление, кПа;

W_DEL - содержание азота в топливе, % от массы;

W_EPS - содержание кислорода в топливе, % от массы;

- молярная доля водорода, содержащегося в топливе;

- концентрация CO₂ на сухой основе, %;

c_CO - концентрация CO на сухой основе, %;

k_f - коэффициент, учитывающий дополнительный объем влажных выбросов в результате сгорания топлива.

Поправочный коэффициент для воздуха на впуске k_wa вычисляют по формуле

 

k_wa = 1 - k_w2, (33)

 

где k_w2 - коэффициент, вычисляемый по формуле

 

, (34)

 

где H_a - влажность воздуха на впуске, 1 г воды на 1 кг сухого воздуха.

9.10.3 Поправка на влажность и температуру для NO_x

Для расчета выбросов NO_x используется поправочный коэффициент на влажность k_h,D или же k_h,G.

Эти коэффициенты действительны в диапазоне значений от 0 до 25 г/кг сухого воздуха.

а) Для двигателей с воспламенением от сжатия:

 

, (35)

 

где T_a - температура воздуха на впуске, К;

H_a - влажность воздуха на впуске, 1 г воды на 1 кг сухого воздуха.

б) Для двигателей с принудительным зажиганием:

 

. (36)

 

9.10.4 Расчет массового расхода ВВВ

Массовый расход ВВВ рассчитывают для каждого режима.

Измеренная концентрация, если она не была уже измерена на влажной основе, преобразуется в концентрацию во влажном состоянии, как указано в 9.10.2. Значения u_gas для отдельных компонентов исходя из газа с идеальными свойствами и на основе топлив приведены в приложении М.

Для первичных ОГ массовый расход (интенсивность потока) газообразных ВВВ m_gas, г/ч, вычисляют по формуле

 

m_gas = u_gas·c_gas·q_mew, (37)

 

где u_gas - отношение плотности компонента ОГ к плотности ОГ;

c_gas - концентрация соответствующего компонента в первичных ОГ, млн^-1,

q_mew - массовый расход ОГ, кг/ч.

Расчет удельных ВВВ за цикл - по [9], [14] (см. также [2]).

9.10.5 Расчет удельных выбросов взвешенных частиц

Удельные выбросы взвешенных частиц e_PM, г/кВт·ч, вычисляют по формуле

 

, (38)

 

где m_PT - масса взвешенных частиц, г/цикл;

W_act - фактическая работа за цикл, кВт·ч.

9.11 Система разбавления части потока в испытательном цикле

Массу взвешенных частиц m_PT, г/цикл, вычисляют по формуле

 

, (39)

 

где m_f - масса взвешенных частиц, отобранных за цикл, мг;

m_sep - масса разбавленных ОГ, прошедших через фильтры для осаждения взвешенных частиц, кг;

m_edf - масса газов, эквивалентная разбавленным ОГ, выброшенным двигателем за испытательный цикл, кг, вычисляемая по формуле

 

, (40)

 

где q_medf,i - мгновенное значение массового расхода эквивалентных разбавляемых ОГ, кг/с, вычисляемое по формуле

 

q_{mdef, i} = q_{mew, i}·r_{d, i}, (41)

 

здесь q_{mew, i} - мгновенное значение массового расхода ОГ, кг/с;

r_{d, i} - мгновенное значение коэффициента разбавления, вычисляемое по формуле

 

, (42)

 

здесь q_{mdew, i} - мгновенное значение массового расхода разбавленных ОГ, прошедших через смесительный канал, кг/с;

q_{mdw, i} - мгновенное значение массового расхода разбавителя, кг/с;

f - частота регистрации данных при отборе проб, Гц;

n - общее число замеров за испытательный цикл.

Допускается вычислять массу взвешенных частиц m_PT с использованием коэффициента отбора пробы из общего потока ОГ по формуле

 

m_PT = m_f/(r_s·1000), (43)

 

где m_f - масса взвешенных частиц, отобранных за цикл, мг;

r_s - средний коэффициент отбора проб в течение испытательного цикла, вычисляемый по формуле

 

, (44)

 

где m_se - масса пробы, отобранной за цикл, кг;

m_ew - суммарная масса ОГ за цикл, кг;

m_sep - масса разбавленных ОГ, прошедших через фильтры для осаждения взвешенных частиц, кг;

m_sed - масса разбавленных ОГ, прошедших через смесительный канал, кг.

Примечание - Для системы с полным отводом разбавленной пробы на фильтр m_sep и m_sed идентичны.

 

Расчет выбросов взвешенных частиц за цикл приведен в [9], [14] (см. также [2]).

9.12 Проверка расхода углерода

Углерод в ОГ образуется из топлива (за исключением минимальной доли) и поступает в выпускные газы в виде CO₂, как показано на рисунке 4.

 

 

q_maw - массовый расход воздуха на впуске во влажном

состоянии; q_mew - массовый расход отработавших газов

на влажной основе; q_mf - массовый расход топлива

 

Рисунок 4 - Точки замера для проверки расхода углерода

 

9.12.1 Расход углерода в двигателе (точка 1 на рисунке 4)

Массовый расход углерода в двигателе q_mCf для топлива состава вычисляют по формуле

 

, (45)

 

где q_mf - массовый расход топлива, кг/с;

, - молярные доли компонентов .

9.12.2 Расход углерода в первичных ОГ (точка 2 на рисунке 4)

Расход углерода в первичных ОГ q_mCe, кг/с, вычисляют по формуле

 

, (46)

 

где - концентрация CO₂ в первичных ОГ на влажной основе, %;

- концентрация CO₂ в окружающем воздухе на влажной основе, %;

q_mew - массовый расход ОГ на влажной основе, кг/с;

M_re - молярная масса ОГ, г/моль.

Если замер CO₂ проводят на сухой основе, то полученное значение пересчитывают на влажную основу.

Молярную массу ОГ вычисляют с учетом молярных долей компонентов, входящих в состав топлива (см. [2]), или используют следующие значения молярной массы:

M_re (дизельное топливо) = 28,9 г/моль;

M_re (СУГ) = 28,6 г/моль;

M_re (ПГ) = 28,3 г/моль.

9.13 Литровая мощность двигателя

Литровую мощность двигателя P_л, кВт/дм³, вычисляют по формуле

 

, (47)

 

где P_n - полезная мощность (нетто), кВт;

i - количество цилиндров;

V_h - рабочий объем цилиндра, дм³;

p_e - среднее эффективное давление, МПа;

n - частота вращения, мин^-1;

- тактность двигателя.

9.14 Удельная масса двигателя

Удельную массу двигателя g_N, кг/кВ, вычисляют по формуле

 

g_N = G/P_n, (48)

 

где G - масса двигателя, кг;

P_n - мощность двигателя, кВт.

9.15 Удельный расход топлива

Удельный расход топлива g (удельный расход топлива g_e или приведенный g_eo), г/(кВт·ч), вычисляют по формуле

 

, (49)

 

где q_mf - массовый расход топлива, кг/ч;

P - мощность, измеренная P_m, полезная P_n или приведенная P_no, кВт, соответственно.

Минимальный удельный расход топлива определяют по ВСХ, пример характеристики в приложении Е, рисунки Е.1 и Е.2.

9.16 Номинальный коэффициент запаса крутящего момента

Номинальный коэффициент запаса крутящего момента , %, вычисляют по формуле

 

, (50)

 

где M_{max 0} - приведенный максимальный момент двигателя, Н·м;

M_{ном 0} - приведенный момент на режиме максимальной мощности, Н·м.

9.17 Эффективный коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективный КПД вычисляют по формуле

 

, (51)

 

где H_u - низшая теплотворная способность топлива; при отсутствии данных о значении низшей теплотворной способности в паспорте на топливо или протоколе испытаний ее следует принимать равной 42,7 МДж/кг;

g_e - удельный расход топлива, г/кВт·ч.

9.18 Коэффициент равномерности работы цилиндров

Коэффициент равномерности работы цилиндров вычисляют по формуле

 

, (52)

 

где P_{iц min} и P_{iц max} - минимальное и максимальное значения индикаторной мощности цилиндра, кВт, определенные при испытаниях на заданном скоростном режиме.

9.19 Условная мощность механических потерь при прокрутке двигателя

Условную мощность механических потерь P_М.П, кВт, вычисляют по формуле

 

, (53)

 

где n - частота вращения, мин^-1;

M_c - момент сопротивления при прокрутке двигателя, Н·м.

9.20 Механический КПД

Механический КПД вычисляют по формуле

 

(54)

 

где p_e - среднее эффективное давление, МПа;

p_i - среднее индикаторное давление, МПа;

P_n - полезная мощность, кВт;

P_М.П - мощность механических потерь, кВт.

9.21 Мощность, потребляемая вентилятором

Мощность, потребляемую вентилятором P_вент, кВт, вычисляют по формуле

 

, (55)

 

где P'_М.П и P"_М.П - мощности, затрачиваемые на прокручивание коленчатого вала двигателя (без подачи топлива) с включенным и отключенным вентилятором, кВт.

9.22 Условная мощность механических потерь, определяемая методом отключения цилиндров

Условную мощность механических потерь P_М.П, кВт, определяемую методом отключения цилиндров, вычисляют по формуле

 

, (56)

 

где P_{iц m} - индикаторная мощность m-ного цилиндра, кВт, вычисляемая по формуле

 

P_{iц m} = P - P_{ц m};

 

здесь P - мощность двигателя со всеми работающими цилиндрами, кВт;

P_{ц m} - мощность двигателя с отключением m-ного цилиндра, кВт.

9.23 Среднее давление механических потерь

Среднее давление механических потерь p_М.П, МПа, вычисляют по формуле

 

, (57)

 

где P_М.П - мощность механических потерь, кВт;

- тактность двигателя;

i - количество цилиндров;

V_h - рабочий объем цилиндра, дм³.

9.24 Среднее индикаторное давление

Среднее индикаторное давление p_i, МПа, вычисляют по формуле

 

p_i = p_e + p_М.П, (58)

 

где p_e - среднее эффективное давление, МПа;

p_М.П - среднее давление механических потерь, МПа.

9.25 Индикаторная мощность

Индикаторную мощность P_i, кВт, вычисляют по формуле

 

P_i = P_e + P_М.П, (59)

 

где P_e - эффективная мощность, кВт;

P_М.П - мощность механических потерь, кВт.

9.26 Удельный индикаторный расход топлива

Удельный индикаторный расход топлива g_i, г/кВт·ч, вычисляют по формуле

 

, (60)

 

где G_F - расход топлива, кг/ч;

P_i - индикаторная мощность, кВт.

9.27 Индикаторный КПД

Индикаторный КПД вычисляют по формуле

 

, (61)

 

где H_u - низшая теплотворная способность топлива, МДж/кг;

g_i - удельный индикаторный расход топлива, г/кВт·ч.

9.28 Степень повышения давления в цилиндре

Степень повышения давления в цилиндре вычисляют по формуле

 

, (62)

 

где p_z - максимальное давление сгорания, МПа;

p_c - максимальное давление сжатия, МПа.

9.29 Средняя скорость нарастания давления в цилиндре

Среднюю скорость нарастания давления в цилиндре , МПа/град, вычисляют по формуле

 

, (63)

 

где p_z - максимальное давление сгорания, МПа;

p_c - максимальное давление сжатия, МПа.

- угол поворота коленчатого вала (после ВМТ), соответствующий максимальному давлению в цилиндре, град;

- угол поворота коленчатого вала (до ВМТ), соответствующий давлению в начале видимого сгорания, град.

Максимальную скорость нарастания давления в цилиндре определяют на участке максимальной крутизны линии сгорания.

9.30 Отклонение от среднего значения максимального давления сгорания

Отклонение от среднего значения максимального давления сгорания , %, вычисляют по формуле

 

, (64)

 

где p_{max i} - значение максимального давления сгорания данного цилиндра, МПа;

p_max - среднее значение максимального давления сгорания двигателя, МПа.

9.31 Средняя скорость поршня

Среднюю скорость поршня c_m, м/с, вычисляют по формуле

 

c_m = S·n/30, (65)

 

где S - ход поршня, м;

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

9.32 Коэффициент наполнения двигателя без наддува

Коэффициент наполнения двигателя без наддува вычисляют по формуле

 

, (66)

 

где G_A - расход воздуха, кг/ч;

i - количество цилиндров;

V_h - рабочий объем цилиндра, дм³;

n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1;

- плотность воздуха во впускном коллекторе, кг/м³;

- тактность двигателя.

Плотность воздуха во впускном коллекторе определяют по давлению и температуре воздуха во впускном коллекторе.

9.33 Относительный расход моторного масла на угар

Относительный расход моторного масла на угар c_oil, %, вычисляют по формуле

 

, (67)

 

где - изменение массы масла в двигателе за время испытания, кг;

- израсходованное топливо за время испытания, кг.

Значения и необходимо определять за один и тот же период времени работы двигателя.

9.34 Удельный расход моторного масла на угар

Удельный расход моторного масла на угар g_{e м.уг}, г/кВт·ч, вычисляют по формуле

 

, (68)

 

где - изменение массы моторного масла в двигателе за время испытательного цикла, кг;

W_act - фактическая работа за цикл, кВт·ч.