Глава 5 - процедуры измерения выбросов nox на испытательном стенде

5.1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

5.1.1 Настоящая процедура должна применяться при каждом первоначальном одобрении судо­вого двигателя, не зависимо от места проведения испытаний (методики описаны в п. п. 2.1.2.1 и 2.1.2.2).

5.1.2 Эта глава устанавливает методики измерений и расчетов выбросов выхлопных газов из поршневых двигателей внутреннего сгорания (двигателей ДВС) в установившемся режиме, необхо­димых для определения величины средне взвешенного выброса NO_X с выхлопными газами.

5.1.3 Многие из процедур, описанных ниже, являются детальными описаниями лабораторных методов, поскольку определение величины выбросов требует проведения сложного ряда отдельных измерений, иных, чем при получении одной измеренной величины. Таким образом, полученные ре­зультаты зависят во многом от процесса проведения измерений, а также и от двигателя и методики испытаний.

5.1.4 Эта глава включает в себя процедуру измерений на стенде, в которую входят испытания, методики испытаний и измерений, порядок проведения испытаний и подготовки протокола об ис­пытаниях.

5.1.5 В принципе, во время испытаний на выбросы, двигатель должен быть оборудован вспомо­гательными устройствами, такими же, как и при использовании на борту судна.

5.1.6 Для многих типов двигателей в рамках данного Кодекса вспомогательные устройства, ко­торые монтируются на двигателе при работе, могут быть не известны во время производства или сертификации. Поэтому выбросы выражаются основываясь на тормозной мощности, как определе­но в пункте 1.3.1.3.

5.1.7 Когда невозможно проводить испытания двигателя по условиям, определенным в п. 5. 2.3, например, если двигатель и трансмиссия образуют единый агрегат, то двигатель может быть испы­тан только с другими смонтированными вспомогательными устройствами. В таком случае установка пределов динамометра должна определяться исходя из п. 5.2.3 и п. 5.9, Потери на вспомогательных устройствах не должны превышать 5% от максимальной наблюдаемой мощности. Потери, превыша­ющие 5%, должны быть одобрены заинтересованной Администрацией перед испытанием.

5.1.8 Все объемы и объемные расходы должны быть приведены к значениям при 273К(0°С) и 101,ЗкПа.

5.1.9 Исключая указанное иным образом, все результаты измерений, данные испытаний или расчетов, требующиеся этой главой, должны быть записаны в протоколе об испытании двигателя в соответствии с п. 5, 1 0.

5.2 УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЙ

5.2.1 Параметр условий испытаний и действительность испытаний для одобрения семейства двигателей

Параметр f_a должен определяться в соответствии со следующими условиями:

.1 Двигатели с естественным всасыванием (без наддува) или с наддувом от приводного нагнетателя:

(1)

.2 Двигатели с турбонагнетателем с- или без охлаждения всасываемого воздуха:

(2)

Для признания теста действительным параметр f_a должен быть:

0,98 ≤ f_a ≤ 1,02 (3)

5.2.2 Двигатели с охлаждением наддувочного воздуха

5.2.2,1 Температура охлаждаемой среды и температура наддувочного воздуха должны быть за­регистрированы. Система охлаждения должна быть отрегулирована на двигателе, работающем при установленной частоте вращения и нагрузке. Температура наддувочного воздуха и перепад давле­ния в охладителе должны быть установлены в пределах ± 4°К и + 2 кПа соответственно, по специфи­кации изготовителя.

5.2.2.2 Все двигатели, предназначенные для монтажа на борту судна, должны работать при тем­пературе забортной воды 25°С в допустимых правилом 13(13) Приложения VI уровнях выбросов NО_Х.

5.2.3 Мощность

5.2.3.1 Основой для измерения удельных выбросов является нескорректированная тормозная мощность.

5.2.3.2 Вспомогательные устройства, которые не используются при эксплуатации двигателей, и которые могут быть смонтированы на двигателе при испытании могут быть сняты. См. также п.п.

5.1.5 и 5.1.6.

5.2.3.3 Если такие вспомогательные устройства не были сняты, должна быть определена мощ­ность, отбираемая ими при испытательных частотах вращения для расчета неоткорректированной тормозной мощности в соответствии с уравнением 18. См. также п. 5.12.5.1.

5.2.4 Система всасывания воздуха двигателя

Испытуемый двигатель должен быть оборудован системой всасывания воздуха, обеспечиваю­щей сопротивление всасыванию воздуха указанное изготовителем, система имитирует незагряз­ненный воздухоочиститель в рабочих условиях указанных изготовителем и обеспечивает максималь­ный расход воздуха в двигателе соответствующего назначения.

5.2.5 Выхлопная система двигателя

Испытуемый двигатель должен быть оборудован выхлопной системой, обеспечивающей проти­водавление выхлопу установленное изготовителем двигателя, которая дает максимальную заявлен-ную мощность при соответствующем использовании двигателя.

5.2.6 Система охлаждения

Должна использоваться система охлаждения двигателя с достаточной производительностью для поддержания в двигателе нормальных эксплуатационных температур, предписанных изготовителем.

5.2.7 Смазочное масло

Должны быть зарегистрированы спецификации используемого смазочного масла.

5.3 ТОПЛИВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ

5.3.1 Характеристики топлива могут влиять на выброс двигателем выхлопных газов. Поэтому должны быть определены и зарегистрированы характеристики использованного при испытании топ­лива. Когда используются эталонные виды топлива, должен быть представлен эталонный код или спецификация топлива и результаты анализа топлива.

5.3.2 Выбор топлива для испытания зависит от цели испытания. До тех пор, пока другое не со­гласовано с Администрацией и когда отсутствует подходящее эталонное топливо, должно использо­ваться судовое топливо сорта DM, no ISO 82IT-1996 со свойствами, пригодными для данного типа двигателя.

5.3.3 Температура топлива должна соответствовать рекомендациям изготовителя. Температу­ра топлива должна быть измерена на входе впрыскивающего топливного насоса или в месте указан­ном изготовителем, а ее значение и место измерения — зарегистрированы.

5.4 ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

5.4.1 Выбросы газовых компонентов двигателем, подлежащим испытанию, должны быть изме­рены анализаторами, спецификации которых описаны в дополнении 3 этого Кодекса.

5.4.2 Другие системы и анализаторы по одобрению Администрации могут быть приняты, если они дают результаты эквивалентные полученным на оборудовании указанном в п.5.4.1.

5.4.3 Данный Кодекс не содержит подробного описания измерительного оборудования для из­мерения расхода, давления и температуры. Только в пункте 1.3.1 дополнения 4 к этому Кодексу даны требования к точности такого оборудования при проведении испытаний по выбросам.

5.4.4 Техническиетребования к динамометру

5.4.4.1 Должен использоваться динамометр двигателя с надлежащими характеристиками для выполнения соответствующего испытательного цикла, описанного в главе 3.2.

5.4.4.2 Инструменты для измерения вращающего момента и частоты вращения должны позво­лять проводить измерение мощности на коленчатом валу большей, чем мощность, применяемая при испытании на стенде и указанная изготовителем. В противном случае требуются дополнительные расчеты, которые регистрируются.

5.4.4.3 Точность измерительного оборудования должна быть такой, чтобы не было превышено максимальное допустимое отклонение, указанное в пункте 1.3.1 дополнения 4 к настоящему Кодексу.

5.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Расход выхлопных газов должен определяться одним из методов, указанных в пунктах5.5.1, 5.5.2 или 5.5.3.

5.5.1 Методика прямого измерения

Этот метод включает прямое измерение расхода газов измерительным соплом или равноцен­ной измерительной системой и должен соответствовать признанному международному стандарту.

Замечание: Прямое измерение расхода газа является сложной задачей. Должны быть предпри­няты меры предосторожности, чтобы избежать ошибочных измерений, которые приведут к ошиб­кам в определении величины выбросов.

5.5.2 Методика измерения воздуха и топлива

5.5.2.1 Определение расхода выхлопных газов измерением расхода воздуха и топлива должно проводиться в соответствии с признанными международными стандартами.

5.5.2.2 Должны использоваться расходомеры топлива и воздуха, обладающие точностью, опре­деленной в п. 1.3.1 дополнения 4 к настоящему Кодексу.

5.5.2.3 Расход выхлопных газов должен рассчитываться следующим образом:

.1 G_EXHW = G_AIRW + G_FUEL (для массового расхода влажных

выхлопных газов) (4)

.2 V_EXHD = V_AIRD + F_FW × G_FUEL (для объемного расхода

сухого выхлопного газа) (5) или

.3 V_EXHW = V_AIRW + F_FW × G_FUEL (для объемного расхода

влажного выхлопного газа) (6)

Замечание: Величины F_FD и F_FW зависят от вида топлива (см. табл.1 дополнения 6 к этому Кодексу).

5.5.3 Метод углеродного баланса

Этот метод включает расчет массового расхода выхлопных газов по расходу топлива и концент­раций выхлопного газа, используя метод углеродного и кислородного баланса (смотри в дополне­ние 6 к этому Кодексу).

5.6 ДОПУСТИМЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕ­ЛЯ И ДРУГИХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Калибровка всех измерительных приборов должна проходить по признанным международным стандартам и соответствовать требованиям указанным в п.1.3.1 к настоящему Кодексу.

5.7 АНАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ГАЗА

Анализаторы для определения компонентов газа должны удовлетворять спецификациям, ука­занным в дополнении 5 к этому Кодексу.

5.8 КАЛИБРОВКА АНАЛИТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Каждый анализатор для измерения параметров двигателя описанный в дополнении 3 к этому Кодексу должен калиброваться так часто, как это необходимо, как указано в дополнении 4 к этому Кодексу.

5.9 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ 5.9.1 Основные положения

5.9.1.1 Пункты 5.9.2-5.9.4 содержат подробное описание рекомендуемых систем отбора проб и анализа. Так как различные компоновки приборов дают эквивалентные результаты, то не требуется точное следование этим позициям. Дополнительные компоненты, такие как приборы, клапаны, со­леноиды, насосы и переключатели могут использоваться для обеспечения дополнительной инфор­мации и координации функций компонентов системы. Другие компоненты, не требующиеся для под­держания точности систем, могут исключаться, если их исключение основано нехорошем инженер­ном решении.

5.9.1.2 Установки величин сопротивления впуску воздуха и противодавления выхлопных газов регулируются до верхних ограничений указанных производителем, в соответствии с пунктами 5.2.4 и 5.2.5.

5.9.2 Основные анализируемые компоненты выхлопные газов

5.9.2.1 В аналитической системе определения газовых выбросов (СО, СO₂, НС, NО_Х, O₂) в исход­ном выхлопном газе должны использоваться следующие анализаторы:

.1 НПИД анализатор для измерений содержания углеводородов

.2 НИКА анализатор для измерений содержания окиси углерода и двуокиси углерода

.3 НХЛД или эквивалентный анализатор для измерений содержания окислов азота

.4 ПМД, ЭХД или ЦДД для измерений содержания кислорода

5.9.2.2 Проба исходного выхлопного газа на все компоненты может быть взята с помощью одно­го ил и двух пробоотборников, расположенных в непосредственной близости от анализаторов и рас­пределяться по разным анализаторам. Необходимо обратить внимание на то, чтобы не происходила конденсация компонентов выхлопных газов (включая воду и серную кислоту) на любых частях анали­тической системы.

5.9.2.3 Спецификации и калибровки этих анализаторов должны соответствовать указанным в дополнениях 5 и 6 к настоящему Кодексу. 5.9.3 Отбор проб выхлопных газов

5.9.3.1 Пробоотборники газовых выбросов должны быть смонтированы на расстоянии как ми­нимум 0,5м или 3 диаметра выхлопной трубы (выбрать большее) как можно дальше от выхода газо­выпускной системы, но достаточно близко к двигателю так, чтобы гарантировать температуру вых­лопного газа в пробоотборнике не менее 343°К (70°С).

5.9.3.2 В случае многоцилиндрового двигателя с общим выпускным коллектором вход пробоот­борника должен находиться достаточно далеко по направлению потока газа так, чтобы гарантиро­вать репрезентативность пробы усредняющей выхлопные выбросы всех цилиндров. В многоцилин­дровых двигателях, с отдельными группами коллекторов, например, в «V»-образных двигателях, раз-

решается отбирать пробы отдельно с каждой группы и рассчитывать осредненный выброс выхлоп­ных газов. Могут использоваться другие методы, которые сходны с указанным и выше. Для расчета выброса выхлопных газов должен использоваться полный массовый расход выхлопных газов.

5.9.3.3 Если на состав выхлопного газа оказывает влияние система обработки выхлопных газов, то проба выхлопных газов должна браться на стороне выпуска после этих устройств.

5.9.4 Проверка анализаторов

Анализаторы выбросов должны быть установлены на нуль и проверены.

5.9.5 Испытательные циклы

Все двигатели должны быть испытаны согласно циклам указанным в главе 3.2. При этом прини­маются во внимание различия в назначении двигателей.

5.9.6 Последовательность испытаний

5.9.6.1 После завершения процедур 5.9.1 и 5.9.5 начинают испытания в установленной после­довательности. Двигатель должен работать в каждом режиме соответствующем испытательным цик­лам, определенным в главе 3.2.

5.9.6.2 В каждом режиме испытательного цикла после первоначального переходного периода, заданная частота вращения должна поддерживаться на уровне +1 % от номинальной частоты враще­ния или +3 мин^-1 (что больше), исключая пониженный холостой ход, который имеет допустимые от­клонения, указанные изготовителем. Должен поддерживаться заданный крутящий момент такой, чтобы средний момент за период измерений был в пределах +2% от максимального крутящего мо­мента при частоте вращения режима испытаний.

5.9.7 Показания анализатора

Показания анализатора должны записываться как во время испытаний, так и при всех провер­ках сигналов (нуль и поверка) на ленте самописца или замерен эквивалентной системой обработки данных при пропускании выхлопного газа через анализатор в течение не менее десяти минут в каж­дом режиме.

5.9.8 Условия работы двигателя,

Частота вращения двигателя и его нагрузка, температура всасываемого воздуха, расход топли­ва, должны измеряется в каждом режиме при стабильной работе двигателя. Расход выхлопного газа должен измеряется или рассчитывается и записывается.

5.9.9 Перепроверка анализаторов

После испытаний должна быть проведена перепроверка его калибровки с помощью нулевого (нейтрального) газа и такого же поверочного газа, которые использовались до измерений. Испыта­ния будут рассматриваться как приемлемые, если разница между двумя результатами измерений составит меньше 2%.

5.10 ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

5.10.1 Для каждого двигателя, испытываемого при первичной сертификации или первоначаль­ной сертификации на судне без первичной сертификации, изготовитель двигателя должен подгото­вить протокол испытаний, содержащий как минимум данные, указанные в дополнении 5 этого Ко­декса. Оригинал протокола должен содержаться в делах изготовителя двигателя, а заверенная ко­пия - у Администрации.

5.10.2 Протокол испытаний в оригинале или его заверенная копия должны постоянно находится в Технической документации двигателя.

5.11 ОЦЕНКА ДАННЫХ ВЫБРОСОВ ГАЗОВ

Для оценки газовых выбросов данные диаграммы за последние 60 секунд каждого режима дол­жны быть усреднены передние концентрации (конц.) СО, СO₂, НС, NO_х и O₂ для каждого режима дол­жны быть определены из средних данных диаграммы и соответствующих данных градуировки.

5.12 РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ГАЗОВ

Окончательные результаты для протокола испытаний должен определяться согласно пунктам 5.12.1 - 5.12.4.

5.12.1 Определение расхода выхлопного газа

Расход выхлопного газа (G_EXHW, V_EXHW или V_EXHD ) должны определяться для каждого режима одним из методов описанных в пунктах 5.5.1 - 5.5.3.

5.12.2 Поправка на сухой/влажный

При применении G_EXHW или V_EXHW , измеренная концентрация должна преобразовываться к влажной основе в соответствии со следующим уравнением, если она уже не измерена по влажной основе.

конц.(влажн.) = K_w • конц.(сух.) (7) 5.12.2.1 Для исходного выхлопного газа:

(8)

(9)

(10)

где: Н_а, H_d: = г воды на кг сухого воздуха,

R_a = относительная влажность всасываемого воздуха, %,

р_а = давление насыщенного пара во всасываемом воздухе, кПа,

р_в = общее барометрическое давление, кПа.

Замечание: Уравнение, использующее F_FH является упрощенным вариантом уравнения, приве­денного в части п. 3.7 дополнения В этого Кодекса (уравнения (2-44) и (2-45)), которое при примене­нии дает результаты сравнимые с результатами, полученными при помощи полных уравнений.

5.12.2.2 Другой вариант

(11)

5.12.2.3 Для всасываемого воздуха:

K_Wa=1-K_W2 (12)

5.12.2.4 Уравнение (8) принимается как определение удельного коэффициента состава топли­ва F_FH. Определенный таким образом, F_FH является величиной содержания воды в выхлопном газе в зависимости от соотношения топлива к воздуху.

5.12.2.5 Типичные значения величин F_FH могут быть найдены в таблице 1 дополнения 6 этого Кодекса. В таблица 1 дополнения 6 приведены значения величины F_FH для различных видов топлива. F_FH зависит не только от спецификаций топлива, но также, в меньшей степени, и от отношения топли­ва к воздуху для этого двигателя.

5.12.2.6 Часть 3.9 приложения 6 содержит уравнение для расчета F_FH по содержанию водорода в топливе и соотношению топлива к воздуху.

5.12.2.7 Уравнение (8) учитывает воду от сгорания и воду всасываемого воздуха, которые неза­висимы друг от друга и складываются друг с другом. Уравнение (2-45) в части 3.7 дополнения 6 по­казывает, что два выражения для воды не аддитивны. Уравнение (2-45) правильное, но очень слож­ное и поэтому следует использовать более практичные уравнения (8) и (11 ).

5.12.3 Поправка NO_X на влажность и температуру

5.12.3.1 Так как выброс NO_X зависит от атмосферных условий, концентрация NO_х должна быть скорректирована с учетом температуры и влажности окружающего воздуха, умножением на коэф­фициенты в уравнениях (13) и (14).

5.12.3.2 При всех расчетах в настоящем Кодексе, включающих поправку на влажность, должно использоваться стандартное значение влажности 10,71 г/кг при стандартной заданной температуре 25°С. Нельзя применять другие, кроме 10,71 г/кг заданные величины влажности.

5.12.3.3 Могут использоваться другие уравнения для расчетов поправочных коэффициентов, если они могут быть оправданы и подтверждены соглашением заинтересованных сторон и если одоб­рены Администрацией.

5.12.3.4 Вода или пар, впрыснутые в нагнетатель воздуха (увлажнение воздуха), рассматрива­ются как средство регулирования выбросов и поэтому не учитываются при поправке на влажность. Вода, которая конденсируется в охладителе наддувочного воздуха изменит влажность наддувочного воздуха и поэтому принимается в расчет при поправке на влажность.

5.12.3.5 Общие положения для дизелей

Для всех дизелей при расчете К_HDIES должно использоваться следующее уравнение:

(13)

где: А = 0,309G_FUEL/G_AIRD - 0,026 ,

В = - 0,209G_FUEL/G_AIRD -0,00954,

Т_а = температура воздуха в градусах Кельвина,

Н_a = влажность всасываемого воздуха, г воды на кг сухого воздуха (определяется уравнением (10).

5.12.3.6 Дизельные двигатели с промежуточным охладителем воздуха Для дизелей с промежуточным охладителем воздуха используется альтернативное уравнение (14):

.1 чтобы принять в расчет влажность наддувочного воздуха, добавляется следующее выра­жение

H_cs= влажность наддувочного воздуха, г воды на кг сухого воздуха, где:

где: P_SC = давление насыщенных паров наддувочного воздуха, кПа,

Р_с = давление наддувочного воздуха, кПа.

.2 если H_a ≥ H_sc, то H_sc используется вместо H_a в уравнение (14). В этом случае G_EXHW следует скорректировать следующим образом:

G_EXHWkopp =G_{EXHW (5.5.2.3)}×(1-(H_a -H_sc) /1000)

.З если Н_а <H_SC , то в уравнении (14) используют Н_а

(14)

где: Т_SC = температура промежуточно-охлажденного воздуха

Т_SCRef = заданная температура промежуточно-охлажденного воздуха соответствующая тем­пературе забортной воды 25°С, Т_SCRef указывается изготовителем

Замечание: объяснение остальных переменных см . уравнение (13). 5.12.4 Расчет массовых расходов выбросов:

5.12.4.1 Массовые расходы выбросов в каждом режиме должны рассчитываться следующим образом (для исходного выхлопного газа):

Масса газа = u × G_EXHW × conc (15)

или

Масса газа = v × V_EXHD × conc (16)

или

Масса газа = w × V_EXHW × conc (17)

5.12.4.2 Коэффициенты u - влаж.,v -сух., w -влаж. принимаются в соответствии с таблицей 5. Таблица 5. Коэффициенты u, v, w

Газ	u	v	w	конц.
NOX	0,001587	0,002053	0,002053	ррm
СО	0,000966	0,00125	0,00125	ррm
НС	0,000478	-	0,000619	ррm
СО2	15,19	19,64	19,64	процент
02	11,05	14,29	14,29	процент

Примечание: Значения коэффициентов (и) в таблице 5 верны только при плотности выхлопа = 1,293. Если плотность выхлопного газа не равна 1,293, то u = w /плотность выхлопного газа .

5.12.5 Расчет удельных выбросов

5.12.5.1 Выбросы всех отдельных компонентов рассчитываются следующим образом:

(18)

где

P_i=P_M,i+P_AUX,i

5.12.5.2 Весовые коэффициенты и количество режимов (n) используемые в указанном выше расчете берутся в соответствии с положениями главы 3.2.

5.12.5.3 Результирующую величину средневзвешенного выброса NO_X двигателя, определяемую по уравнению (18) следует сравнить с рис.1 в п.3.1 и определить удовлетворяет ли двигатель прави­лу 13 Приложения VI.