ВИМІРЮВАНІ І ПОХІДНІ ВЕЛИЧИНИ

Випробування двигуна щодо визначення його екологічних показників полягають у прямому вимірюванні низки параметрів (крутного моменту, витрати палива та повітря, частоти обертання колінчастого валу, та концентрації у відпрацьованих газах шкідливих речовин) в різних режимах його роботи. На основі результатів вимірювань розраховують значення деяких похідних величин, які характеризують роботу двигуна (ефективну потужність, годинну витрату палива та повітря, питому витрату палива і інші).

Обчислення виконують за залежностями:

– ефективна потужність двигуна, кВт:

де Мк – крутний момент, Н∙м;

п – частота обертання колінчастого валу, хв-1;

– годинна витрата палива, кг/год:

 

,

де ΔGп – задана маса палива, витрачена за час вимірювання, г;

τп – час витрати заданої маси палива, с;

– питома витрата палива, г/(кВт∙год);

 

 

– густина повітря, кг/м3:

 

де Рпов – атмосферний тиск при випробуваннях, Па;

Rпов – газова стала повітря; Rпов = 287 Дж/(кг∙К);

Тпов – абсолютна температура повітря на впуску, К;

– годинна витрата повітря, кг/год:

 

де ΔVпов – об'єм повітря, що надходить в двигун під час випробувань, м3;

τпов – час витрати цього об'єму повітря, с;

– коефіцієнт надміру повітря:

 

де l0 – кількість повітря, теоретично необхідного для спалювання 1 кг палива, кг повітря/кг палива (для бензинів l0 = 14,94; для дизельного палива l0 = 14,45).

 

Потрібно звернути увагу на одиниці вимірювань концентрації окремих речовин у відпрацьованих газах (ВГ). Великі концентрації шкідливих речовин прийнято оцінювати об'ємними процентами (%) у ВГ, а малі – в частинках на мільйон (млн-1). Так оксид вуглецю СО і двооксид вуглецю СО2 вимірюють в процентах від об'єму відпрацьованих газів, вміст вуглеводнів СтНп – в процентах від об'єму ВГ або в частинках на мільйон, вміст оксидів азоту NOx – в частинках на мільйон. Часто необхідно робити перерахунки концентрацій з одних одиниць в інші. Співвідношення між цими величинами: 1% = 10000 млн-1, тобто Сi″, % = Сi′∙10-4, млн-1, де Сi″ – концентрація і-ї ШР у %, Сi′ – концентрація і-ї ШР у млн-1.

Концентрації шкідливих речовин, які містяться у ВГ у аерозольному, рідкому чи твердому стані (бенз(α)пірен, сажа, оксиди металів і ін.) визначають лише в г/м3 чи кг/м3. Найбільш вживаною є концентрація Сі в г/м3. В деяких приладах для вимірювання газоподібних ШР шкали градуйовані в г/м3.

Щоб результати досліджень, зроблених в різний час, можна було порівнювати, величини виміряних концентрацій зводять до однакових нормальних умов оточуючого середовища і співвідношення між концентраціями ШР Сі, Сi′ і Сi″ визначають за залежностями:

– для нормальних фізичних умов, коли тиск оточуючого середовища p0 = 1,013∙105 Па і температура t0 = 0°С (T0 = 273К),

 

де μі – молярна маса і-ї ШР, кг/кмоль,

22,4 – об'єм 1 кмоля газоподібної речовини, м3/кмоль.

 

– для нормальних технічних умов, коли тиск оточуючого середовища p0 = 1,013∙105 Па і температура t′0 = 20°С

 

 

Наприклад:

Концентрація оксиду азоту CNOx = 1480 млн-1 відповідає CNOx = 1,98 г/м3 при t0 = 0 °С і CNOx = 1,85 г/м3 при t′0 = 20 °С.

 

При оцінюванні токсичності відпрацьованих газів дизелів зважають на димність ВГ, основними компонентами якої є зважені частинки, до складу яких входять органічно розчинні фракції палива, сажа і оксиди сірки.

Залежно від застосованих приладів димність вимірюють: нефелометрами за шкалою Бош (Б) градуйованою від 0 до 10 умовних одиниць димності або, в більшості випадків, димомірами, за шкалою Хартриджа (N), градуйованою від 0 до 100% послаблення світлового потоку під час проходження крізь певний шар ВГ. Проте нормованим показником димності відпрацьованих газів є натуральний показник послаблення світлового потоку (К) шаром ВГ, проходячи крізь який, потік випромінювання, що утворює паралельний пучок, на відстані 1 м зменшується в e разів. Де e – основа натурального логарифму. Шкала градуйована в м-1.

Для перерахунку димності за шкалою Хартриджа (N) або димності за шкалою Бош (Б) та натурального показника послаблення світлового потоку (К) в концентрації твердих частинок Сс в г/м3 використовують графічні залежності (рис. 1), які побудовані за даними джерел SAE (Society of automotive engineers).

Криві цих графіків апроксимовані і перерахунок показників димності в одиницях N, Б чи К в концентрації Cc в г/м3 можна здійснити за апроксимованими залежностями:

 

Сс = 0,00478 + 0,00136 ∙ N + 0,000047619 ∙ N2;

Сс = -0,0143 + 0,07649 ∙ Б - 0,03049 ∙ Б2 + 0,00604 ∙ Б3;

Сс = 0,121∙К.

 

Крім того, можна скористатися наближеною аналітичною залежністю:

.

 

Співвідношення одиниць вимірювання димності коефіцієнта послаблення світлового потоку N і натурального показника послаблення світлового потоку К наведено в табл. 1.

 

Рис. 1. Співвідношення показників димності і концентрації частинок у ВГ

 

Таблиця 1

Співвідношення одиниць вимірювання димності N і K

N, % К, м-1 N, % К, м-1 N, % К, м-1 N, % К, м-1 N, % К, м-1
0,02 0,54 1,21 2,17 3,82
0,05 0,57 1,25 2,23 3,94
0,07 0,60 1,29 2,29 4,08
0,09 0,63 1,33 2,35 4,21
0,12 0,66 1,38 2,41 4,36
0,14 0,69 1,42 2,48 4,52
0,17 0,72 1,46 2,55 4,69
0,19 0,76 1,50 2,62 4,88
0,22 0,79 1,55 2,69 5,08
0,24 0,82 1,59 2,77 5,30
0,27 0,85 1,64 2,85 5,54
0,29 0,89 1,69 2,93 5,81
0,32 0,92 1,74 3,01 6,12
0,35 0,96 1,79 3,10 6,47
0,37 0,99 1,84 3,19 6,89
0,40 1,03 1,89 3,28 7,40
0,43 1,06 1,94 3,38 8,07
0,46 1,10 2,00 3,48 9,00
0,48 1,14 2,05 3,59 10,59
0,51 1,17 2,11 3,70    

 

Шум – це одна з форм фізичного (хвильового) забруднення природного середовища. Транспортний шум – це перевищення природного рівня шуму, спричиненого роботою двигунів, колесами, гальмами і аеродинамічними особливостями транспортного засобу.

Абсолютно безшумний автомобіль на дорогах такий же неприйнятний, як і дуже шумний. У разі безшумного автомобіля водій втрачає зворотний зв'язок з автомобілем – він не відчуває швидкості та резервів потужності автомобіля. Окрім того, пішохід взагалі не відчуває наближення небезпеки, і це може призвести до небажаних наслідків для усіх учасників дорожнього руху.

Джерело звуку характеризує звукова потужність, частотний спектр випромінювання і характеристика направленості.

Перенесення енергії під час поширення звукової хвилі характеризує вектор миттєвої інтенсивності звуку, яку називають щільністю потоку звукової потужності, Вт/м2.

 

де р – тиск звуку, Па – різниця між миттєвим значенням звукового тиску і барометричним тиском;

ρ – густина середовища, кг/м3;

v – швидкість поширення звуку, м/с:

 

де λ – довжина хвилі, м; f – частота коливань, Гц.

Звукова потужність (N, Вт), яку розвиває джерело шуму, – це звукова енергія, яку воно випромінює за одиницю часу. Визначають її потоком інтенсивності звуку крізь замкнуту поверхню площею S, що оточує джерело звуку.

 

де Iп – нормаль до вказаної поверхні.

 

На підставі психофізіологічного закону Вебера-Фехнера, що встановлює залежність подразнюючого впливу шуму на людину, відповідно якому із збільшенням інтенсивності звуку джерела шуму, його подразнюючий вплив сприймається людиною за логарифмічною залежністю.

Тому на практиці для вимірювання величини інтенсивності звуку, звукового тиску, звукової потужності застосовують їх логарифмічні залежності, що називають рівнями звуку і вимірюють в дБ. Одиницею вимірювання прийнято умовну величину, що називається бел (Б). Частіше використовують таку одиницю, як децибел – дБ, яка дорівнює 0,1∙Б.

Рівень інтенсивності звуку, дБ:

 

 

Рівень звукового тиску, дБ:

 

 

Рівень звукової потужності, дБ:

 

де I0, pсп, N0 – порогові величини інтенсивності звуку, середньоквадратичного звукового тиску і звукової потужності: I0 = 10-12 Вт/м2; рсп = 2∙10-5 Па; N0 = 10-12 Вт.

I, pс, N – інтенсивність звуку, середньоквадратичне значення звукового тиску, середня звукова потужність.

 

В техніці Міжнародною електротехнічною комісією визначено різні коригувальні частотні характеристики А, В, С і Д. Як стандартну частотну характеристику затверджено шкалу А, яка найбільш близьку до частотної характеристики чутливості сприймання слухового апарату людини. Для цієї характеристики опорною частотою прийнято частоту 1000 Гц і наведені значення поправок на усіх інших частотах (див. табл. 2).

 

Таблиця 2

Значення поправок за шкалою А

Середньогеометрична частота, fсер, Гц Значення поправок за частотною характеристикою шкали А, дБ
-56,7
31,5 -39,4
-24,2
-16,1
-8,6
-3,2
+ 1,2
-1,0
-1,1

 

Сукупність частот, які складають шум, називається спектром шуму.

Визначаючи основні рівні величин шуму, які є сукупністю звукових хвиль різної частоти, весь спектр чутного шуму поділяють на декілька ділянок, які називаються октавами. Октава – смуга частот, в якій кінцева частота у два рази більша за початкову, тобто fкін = 2fпоч.

Величини LI, Lp, LN визначають в октавних смугах із середньоквадратичними значеннями частот (за табл. 2) .

Іноді, за технічними вимогами на показники шуму деяких машин, і особливо під час порівнянь машин різних конструкцій, оцінювання проводять за корегованим рівнем звукової потужності, який є сумарним рівнем звукової потужності з корекцією за шкалою А на частотах, які розглядають.

Корегований рівень звукової потужності визначають за рівнянням:

 

де LN,Ai –рівні звукової потужності в октавних смугах частот з урахуванням поправки за шкалою А, дБ;

п – число вимірювань.

Основним оцінювальним показником шуму в гігієні є еквівалент рівня шуму Lекв. Це рівень постійного шуму, за якого за певний період часу t передається така ж енергія, як і за неусталеного шуму за цей самий проміжок часу. Еквівалентний неперервний рівень звуку визначають за рівнянням:

 

де LA(t) – значення рівня звуку;

t1, t2 – період часу.