Тяговые и топливно-экономические свойства автобусов, работающих на сжатом природном газе

Цитирование: Базаров, Б. Тяговые и топливно-экономические свойства автобусов, работающих на сжатом природном газе / Б. Базаров, Р. Ахматжанов, Ф. Сидиков, К. Магдиев, Б. Васидов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(8). С. 931–939. DOI: 10.17516/1999-494X-0428

Обычно на альтернативные виды топлив (энергии) в основном переводят те транспортные средства, которые работают на бензине или дизельном топливе. При этом большое внимание обращают на разницу энергоэкологических показателей двигателей, работающих на том или на другом виде топлива. В этой связи сначала предварительно определяют расчетные значения тягово-скоростных и топливно-экономических свойств транспортных средств, переведенных на альтернативные виды топлив, а затем устанавливают их экспериментальные значения для сравнения.

Следует отметить, что при официальном утверждении типа транспортного средства, работающего на любом альтернативном виде топлива (например, на сжиженном нефтяном или на сжатом природном газе) допускается, что его номинальная выходная мощность должна составлять от 0,7 до 1,15 от выходной мощности двигателя базового транспортного средства [1–3].

Однако многие потребители транспортных средств, работающих на альтернативном виде топлива, заинтересованы в сохранении базовых показателей независимо от вида используемого моторного топлива.

При использовании любого вида моторного топлива предварительную оценку основных показателей транспортного средства производят расчетным способом и при получении удовлетворительных результатов далее проводят экспериментальные исследования.

При сравнении результатов расчетных и экспериментальных исследований основных показателей транспортного средства принимаются конкретные решения по использованию того или другого вида альтернативного энергетического источника или установки.

• 2.    Анализ публикаций

• 3.    Методы исследований

Длительное время перевод различных дизельных транспортных средств, включая автобусы, на питание СПГ или СНГ осуществлялся путем их переоборудования газобаллонными установками [2–6].

Вместе с тем имеется широкий выбор различной нормативной, руководящей документации по переоборудованию, эксплуатации транспортных средств на СПГ/СНГ, работающих по двухтопливной системе питания («газ-бензин»). Данные транспортные средства могут работать или на базовом жидком топливе (бензин) или на СПГ/СНГ. Переоборудование данных транспортных средств осуществляется при значительно меньших временных и материальных затратах. Большинство указанной документации содержит отличительные технические показатели и характеристики транспортных средств, работающих на альтернативном виде топлива. К ним относятся контрольный расход СПГ/СНГ при постоянной скорости или при различных циклах движения; пассажировместимость или допустимая масса перевозимого груза; максимальная скорость движения; время разгона до скорости 100 км/ч; запас хода с одной заправкой и др. [7–10].

Однако подавляющее большинство организаций, которые занимаются переоборудованием колесной и другой техники на питание СПГ/СНГ, ограничивается лишь общими рекомендациями по эксплуатации, данными о конструкции и работе составляющих элементов, агрегатов газобаллонного оборудования.

Такой подход к данному вопросу порождает ряд проблем, связанных с обеспечением безопасной эксплуатации, установлением реальных эксплуатационных расходов топлива, – 933 – планированием эксплуатационных показателей колесной техники, работающей на СПГ/ СНГ [11–17].

Такую же проблему наблюдаем при переводе дизельной техники на питание СПГ/СНГ по газодизельной или однотопливной (газовой) системе питания. Например, разработанные технические проекты на автобусы ISUZU SAZ NP21(NP26, NP37), SAZ HCYO, SAZ LE 60 и их модификации для переоборудования в газобаллонные также ограничиваются общими рекомендациями по эксплуатации.

Тягово-скоростные и топливно-экономические свойства транспортных средств, переоборудованных на питание альтернативными видами топлив, исследуют поэтапно. На первом этапе выполняют расчет автомобиля (тепловой расчет двигателя, основные тяговые и топливноэкономические показатели) на базовом и альтернативном видах топлива. Далее полученные результаты сравнивают с экспериментальными данными.

Известно, что переоборудование механических транспортных средств на питание сжатым природным или сжиженным нефтяным газам относится к категории модернизированной продукции, которая должна проходить установленные этапы разработки, испытания опытных образцов, постановку на производство и периодические испытания выпускаемый продукции (техники) [18].

Предварительные испытания опытного образца проводят для определения соответствия получаемых отдельных показателей техническому заданию или существующим стандартам [19–21]. Данные испытания организует исполнитель проекта с целью определения того, насколько отличаются полученные результаты от соответствующих показателей базового транспортного средства.

Как уже было отмечено, основные показатели и характеристики переоборудованных транспортных средств устанавливают организации, осуществляющие эти работы (услуги) с указанием конкретных отклонений от базовых показателей и характеристик. Например, O’zDSt 1082:2011, кроме грузоподъемности (пассажировместимости) и массы, также устанавливает изменение значений максимальной скорости (V _max ), времени разгона (t _a ) до расстояния 1000 м и расхода топлива при постоянной скорости (60 km/h для категорий М 2 , М 3 и N, 80 km/h для категории М ₁ ) на 100 км пути (G _{60 или 80 на 100 км} ) при принятии их значений за 100 % до переоборудования автотранспортных средств:

• -    для категорий М и N с принудительной системой зажигания (бензиновых), переоборудованных на СПГ с инжекторной системой питания двигателя, после переоборудования V max – не менее 94 %, t _p – не более 115 %, G _{60 или 80на 100 км} – не более 110 %;

• -    для категорий М и N с воспламенением от сжатия (дизеля), переоборудованных на СПГ (газовый двигатель с искровым зажиганием), V _max – не менее для двигателя с турбонадувом 110 %, а без – 100 %, t p – не более двигателя с турбонадувом 110 %, а без – 105 %, G 60 или _{80 на 100 км} – не более для двигателя с турбонадувом 112 %, а без – 110 %.

• 4.    Результаты и обсуждение

  • 4.1.    Тяговый и топливно- экономический расчёт автомобиля

При работе же дизеля с газодизельной системой питания V max – не менее для двигателя с турбонадувом 92 %, а без – 95 %, t _p – не более для двигателя с турбонадувом 114 %, а без – 105 %, G 60 или 80 на 100 км – не более для двигателя с турбонадувом 112 %, а без – 110 %.

Необходимо заметить, что приемочные испытания опытных образцов газобаллонной техники, имеющие межведомственный характер, проводят с участием представителей соответствующих контролирующих органов.

Расчет автомобиля производят в соответствии с существующими методами, где значение требуемой мощности двигателя вычисляют по известной формуле:

Ne =

^мах           । Кь'Р-Умах\

кВт,

3600?]Тр V П         13   / где Т - приведенный коэффициент дорожного сопротивления; Рмах- максимальная скорость движения автомобиля, км/ч; Птр- КПД трансмиссии; Ga - сила тяжести автомобиля, Н; Kb - коэффициент лобового сопротивления воздуха; F - площадь лобового сопротивления автомобиля, м2.

Полученное значение мощности по формуле (1) должно удовлетворять условию

К емах =(1,05^1,1) N _e ,

где N eмах – максимальная мощность двигателя, установленная тепловым расчетом.

Последующие этапы исследований связаны уже с проведением экспериментальных испытаний городских газобаллонных автобусов.

Далее приведены обобщенные параметры исследованных газобаллонных городских автобусов (табл. 1).

• 4.2.    Экспериментальные исследования основных тяговых

и топливно- экономических показателей автобуса

Опытные образцы газобаллонной техники проходили полигонные испытания на Пскент-ском автополигоне, оснащенном необходимыми испытательными средствами для определения основных показателей и характеристик переоборудованных автотранспортных средств при полигонных испытаниях.

Пскентский автополигон (бывший Южный научно-исследовательский полигон для испытания автомобильной и мотоциклетной техники - ЮЖНИАМП) находится недалеко от г. Ташкента. Цементобетонное дорожное покрытие протяженностью 6,8 км и шириной проезжей части 14 м имеет три полосы движения: А. Внутренняя полоса – 80 км/ч; Б. Средняя полоса – 100.. .130 км/ч; В. Внешняя полоса - 160.. .220 км/ч, а также динамометрический участок - прямолинейный, строго горизонтальный – протяженностью 2 км.

В процессе полигонных испытаний использовали испытательное, контрольноизмерительное оборудование и приборы, необходимые для определения массовых показателей (весы автомобильные электронные переносные ВА-15 С-2); габаритных размеров; пройденного и тормозного пути, скорости, времени, замедления и ускорения (испытательный комплекс “Corrsys Datron”); влажности и температуры воздуха, скорости воздуха и др. На рис. 1 приведены фрагменты полигонных испытаний различных газобаллонных автомобилей на Пскентском автополигоне.

и 3 е5

04 8 со

+

о

8 S о

40 — 04 !> ^а s J

40 PU

04 40

s

' S О1

с

S

о

S

о ,, га 2 °4 о

m и й й га о Рн й О О й У о со га о< й и

о 8 о со U < 5

+ сч

8 ОО

8 оо

■g ” £ P J^

40 РЦ

тГ

s

я

о

S

о

я 40

ей

гч 04 гч со й

+

о

S

cz) о Й ^ S S p СЧ 3 о U и

40 Ph

oo 40 ^4 oo

40 OO

S

i

ОО

rq 40 + О1 ОО ^

оо

& о m 3 ^ g Т S 1—< Ч о С U о с к

m о >> vo о ей х z й Ч О D-р X й в о ч ч ей vo о га X й й га m о ч ч й 2 Ри § ей га4 Й й й & vo vo О га й й Ч VO га

X с/:

N р; < Рн CZ1 £

+

8

Я

N ^ £ К t/> тг

Z

m

OO

ОО 40 OI

1

* 04

40

R1

ей V О U И м м и VO

3 о Ы) "5 -5 о й ей Рн 45 "га 55 й У 1

rq гч < S

У Z и

+ ОО гч, 04

о

S я

40 °o m M g щ к J s

40 Ph

40 rq

04 04

3

I

* 40 Я

\ ОО

R1 rq

§" га 1—1 u< VO И о о U у м а

й п ш

Й Z Z

। ч -и s 2 и S сц

и

и

4

£

и S 2

к

И S 2

а

^ 3

ч

й га о й й ей к

ей Рн Он с

У га о § § й Ч т н я н Ю <и О 2

о 2 2 й га 2 2 Рн и <Й й ей со Он ей к

ч ей й Ч О И ч га й О ей О vo о ей ей О S S

^Q | s

о СЦ 4 s ч s й о о У s 4 о

2 t4 VO о « ?s 5 s H У га О P VO s ей m Ph 4

о о о 2 w ей ч ей S о К

)S S Сц м )S ч ей S S

m S Ч й о ч о X о ей сц )й s S- & ° н 40 о & ^ с

X о га 2 VO о й о m а м о о Ь^ ю

о о ч Ч га VO VO о )й га и

ей О Ч Ч ей VO О О о га й й н

й ей У S Сц

'—1

сч

m

•^

40

Г-

ОО

04

О

rq

* Эксплуатационный расход.

** Базовый показатель.

Рис. 1. Фрагменты полигонных испытаний различных газобаллонных автобусов ISUZU SAZ на Пскентском автополигоне

Fig. 1. Fragments of field tests of various ISUZU gas-balloon buses SAZ at the Pskent autopolygon

• 4.3.    Обсуждение результатов расчетных

• и экспериментальных исследований основных тяговых

• и топливно- экономических показателей автобуса

Полученные результаты полигонных испытаний после обработки представлены в обобщенном виде, удобном для сравнения и составления заключения. В табл. 2 в качестве примера приведены обобщенные результаты полигонных исследований автобуса SAZ NP37 с газодизельной и газовой системами питания.

Таблица 2. Обобщенные результаты полигонных испытаний автобуса SAZ ISUZU NP37

Table 2. Generalized results of field tests of the bus SAZ ISUZU NP37

№	Наименование показателя	Система питания			Примечание
		Дизельное топливо	Газодизель	Сжатый природный газ
1	Разгон автомобиля, s	67,43	70,23	68	Газодизельный вариант до 80 km/h; Газовый вариант до 60 km/h
2	Максимальная скорость движения, km/h
		101,63	96,47	88,8
3	Контрольный расход топлива при скорости 60 km/h , l/ 100km, (m3/100 km)	19,41	16,52m3ПГ+ 4,45lДТ	(17,87)

Заключение

По результатам выполненных иcследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Оценка целесообразности использования в качестве моторного топлива любого альтернативного энергетического источника выполняется поэтапно, причем началом таких работ является расчет сравнительных показателей энергетических установок транспортных средств с помощью известных методов, учитывающих отличительные свойства используемого моторного топлива.

• 2.    Полученные расчетные значения тягово-скоростных и топливно-экономических свойств транспортных средств на различных топливах сравниваются с основными показателями (максимальная скорость движения, время разгона до заданной скорости движения, расход топлива) динамичности и топливной экономичности, полученными экспериментальным способом.

• 3.    Полигонные испытания газобаллонной техники являются наиболее целесообразным способом оценки их эксплуатационных показателей и принятия решений о приемке к производству газобаллонных механических транспортных средств.