СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АДСОРБЕРА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD FOR DETERMINING OPTIMUM ABSORBING CAPACITY OF ADSORBER OF TRANSPORT VEHICLE

Изобретение относится к транспортным средствам (ТС), оснащенным двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на бензине, в частности к системам питания ДВС, а именно к адсорберам системы улавливания паров бензина (СУПБ) и оптимизации поглощающей способности указанных адсорберов.
Оптимизация поглощающей способности адсорбера, как часть работ, связанных с конструированием, происходит на стадии разработки и постановки изделий (в данном случае ТС) на производство. В Российской Федерации этот процесс регламентирован ГОСТ Р15.201.2000 г.
Известен способ и устройство по заявке на патент Германии DE 4408647 А1, класс МКИ G01N 15/08, публикация 22.09.1994 г., где адсорбер СУПБ, содержащий адсорбирующее вещество, насыщают газообразными углеводородами (ГУ) на специальном стенде и, после того как процесс насыщения закончен, о чем свидетельствует выход некоторого количества ГУ, не поглощенных адсорбером в специальную емкость, адсорбер взвешивают, определяя таким образом его поглощающую способность (ПС). Недостатком является то, что ПС адсорбера определяют на стенде, а не в составе ТС, и поэтому ПС его может оказаться не оптимальной для данного конкретного ТС.
Согласно методике фирмы «AISAN» (Япония) (см. приложение 1), на стадии проектирования, объем адсорбента (например, активированного угля), влияющего на ПС адсорбера, определяется в зависимости от объема топливного бака ТС.
Недостатком данной методики является то, что ПС определяется косвенным путем и не учитывает некоторые факторы, непосредственно влияющие на оптимизацию ПС - конструктивные характеристики адсорбера, физические свойства топлива (бензина), алгоритм процесса десорбции на данном типе ТС и т.д.
3
2
2
3
Один из способов оптимизации ПС адсорбера отражен в директиве Совета Европейских Сообществ №70/220/ЕС от 20.03.1970 г., полный текст которой находится на сайте Интернета http://ec.europa.eu/enterprise/automotive/directives/vehicles/dir77_649_cee.html (см. приложение 2 - два листа, пункт 5.1.6). В данном случае оптимальная ПС адсорбера определяется с помощью испытания опытного образца адсорбера, а именно: опытный образец адсорбера устанавливают на стенд и в течение 9 циклов чередующейся адсорбции (насыщения) смесью газов, как правило, это 50% нормального бутана СН(СН)СН и 50% азота и десорбции (продувки) специально подготовленным воздухом. Характеристикой ПС при этом является разность веса адсорбера до и после испытаний в 9-м цикле продувки-насыщения. Недостаток заключается в том, что с помощью этого способа оптимальная ПС адсорбера не может быть определена с достаточной точностью, а значит, его размеры и вес адсорбирующего вещества (например, активированного угля), т.к. на поглощающую способность адсорбера, установленного в ТС, влияют некоторые факторы, не учтенные в данном методе, а именно: количество продуваемого воздуха в цикле десорбции при движении и стоянке ТС, зависящее от эффективных параметров ДВС, настроек электронных устройств управляющих процессом продувки (десорбции), меняющаяся температура окружающего ТС воздуха при его эксплуатации и т.д.
2,0
в
shed
shed
2,0
2,0
Наиболее полной методикой по определению ПС адсорбера, на наш взгляд, является методика, описанная в той же директиве, - приложение 6, испытание типа 4 (см. текст упомянутой директивы, по указанному адресу Интернета). Кратко его можно описать так: опытный образец адсорбера насыщают ГУ в течение 9 циклов и, после выхода из его воздушного патрубка 2-х граммов ГУ, взвешивают (обозначим этот вес В), далее устанавливают на ТС, которое осуществляет цикл движения на беговых барабанах, после чего определяют потерю веса адсорбера при десорбции (обозначим этот вес В), а затем ТС устанавливают в специальную герметичную камеру (международное название этой камеры - VT SHED) для регистрации выделившихся ГУ в течение определенного времени. После этого, взвешивая адсорбер до и после испытаний, определяют вес углеводородов, поглощенных адсорбером за цикл испытаний (обозначим этот вес B). При этом если в камеру VT SHED выделилось не более 2-х граммов ГУ, ТС испытание по испарению выдержало, а адсорбер имеет достаточную ПС. Недостатком этого способа является отсутствие конечной оценки оптимальной ПС адсорбера, т.к. при положительных результатах испытаний ТС, адсорбер может оказаться переразмеренным, т.е. вес поглощенных углеводородов (B) адсорбером существенно меньше его поглощающей способности (В). С другой стороны поглощающая способность (В) отражает состояние насыщения (адсорбции), когда 2 грамма ГУ уже вышли через воздушный патрубок адсорбера в окружающую среду, что не приемлемо и приведет к отрицательному результату испытаний в описанном методе.
2,0
Конструкция современных адсорберов ТС позволяет пропускать ГУ топлива в окружающую среду сразу после начала адсорбции. Это объясняется отчасти конструктивными особенностями адсорберов, например наличием «перетечек», а также тепловой активностью молекул углеводородов, имеющих достаточно высокий уровень энергии, чтобы преодолеть действие адсорбирующей среды (см. раздел физики - распределение молекул по скоростям движения в газах). Из мировой практики известно, что при нормальной работе (согласно техническим условиям) адсорбера и СУПБ количественно этот пропуск не должен превышать определенной величины (например, согласно информации фирмы «AISAN» (см. приложение 3), эта величина равна 0,5 грамма при предельном значении ПС, равной (B). Недостаток заключается в том, что любое ТС, в данном случае с бензиновым ДВС, может быть подвергнуто испытаниям по испарению углеводородов топлива (международное обозначение указанного токсичного компонента - «НС») на соответствие стандартам по токсичности ТС (в Европейском сообществе это вышеупомянутая директива №70/220/ЕС от 20.03.1970 г). При этом количество ГУ, в данном случае, не должно превышать 2,0 грамма за испытание в камере VT SHED. Это требование распространяется как на новые ТС, так и на ТС, находящиеся в эксплуатации. Из этого следует, что величина первоначального пропуска ГУ 0,5 г, что составляет 25% от предельно допустимой величины (2,0 г), довольно значительна. В процессе эксплуатации ТС происходит некоторое ухудшение работоспособности узлов и деталей топливной системы и СУПБ, а именно:
- износ адсорбента внутри корпуса адсорбера (уменьшение размеров гранул угля из-за их виброперемещений друг относительно друга), что приводит к уменьшению поглощающей способности адсорбера.
- старение узлов и деталей топливной системы и СУПБ (пластмассового топливного бака, резиновых и пластмассовых трубопроводов, соединителей и т.д.), в результате чего увеличивается диффузия углеводородов через непосредственно стенки трубопроводов, а также через неплотности в соединениях.
Из сказанного становится очевидным, что первоначальный пропуск (проскок), равный 0,5 г, изначально заложенный в конструкцию адсорбера, велик, т.к. создается риск получения отрицательного результата испытаний ТС по испарению в конце его эксплуатационного периода. С другой стороны, уменьшение величины проскока (например, меньшего 0,1 г) приведет к неоправданным затратам при производстве адсорбера, т.к. это влечет за собой усложнение конструкции адсорбера, применение более дорогостоящих материалов, более качественных адсорбентов.
2,0
0,5
2,0
Другим важным показателем адсорбера является характеристика поглощения ГУ (обозначим - А) при его испытаниях согласно упомянутой директиве, а именно разность между значением количества ГУ, которое адсорбер поглотил в процессе насыщения в момент, соответствующий пропуску 2,0 г и 0,5 г (проскок, например, согласно информации фирмы «AlSAN»). А=В-B. Авторы изобразили график 2 кривой поглощения (см. приложение 3), аппроксимировав график кривой 1, полученный фирмой «AISAN». При подсчете получается, что в этом случае А=17, что достаточно много, т.к. при фиксированном значении В, а именно этот показатель, согласно упомянутой директиве, является характеристикой поглощающей способности адсорбера, пропуск ГУ начнется рано, уже при поглощении, равном 34 г (см. таблицу «AISAN», приложение 3). ТС, в состав которого входит такой адсорбер, может не выполнить требования по испарению при упомянутых испытаниях. Из вышесказанного ясно, что необходимо стремиться к уменьшению величины «А» с целью уменьшения риска пропуска токсичного компонента (НС), коим являются ГУ топлива, в окружающую среду. С другой стороны, уменьшение величины «А», т.е. увеличение «крутизны» характеристики поглощения адсорбера, ведет к увеличению затрат на производство адсорбера, т.к. это достигается усложнением конструкции, применением более дорогостоящих материалов.
Задачей изобретения является нахождение способа определения оптимальной ПС адсорбера ТС, а также создание оптимальной конструкции адсорбера, полученной на основании способа, с точки зрения наиболее рационального использования в ней адсорбирующего вещества.
2,0
в
shed
0,1
0,1
2,0
в
shed
опт
опт
0,1
Решение технической задачи заключается в том, что в известном способе определения оптимальной поглощающей способности адсорбера транспортного средства адсорбирующее вещество адсорбера насыщают ГУ и, после того как процесс насыщения закончен, о чем свидетельствует регистрация выхода из адсорбера двух граммов ГУ, не поглощенных адсорбером, определяют их вес (B), приводят в движение транспортное средство (в частности, на беговых барабанах) согласно ездовым циклам, после чего определяют потерю веса (В) адсорбера в результате десорбции, затем определяют суммарное количество ГУ при адсорбции (B) за циклы выдержки ТС в специальной герметичной камере, имеющей возможность такой регистрации, при этом перед приведением транспортного средства в движение дополнительно регистрируют количество поглощенных адсорбером газообразных углеводородов (В) в момент выхода непоглощенных газообразных углеводородов из адсорбера в количестве 0,1 грамма, после чего определяют запас по поглощающей способности (З) по формуле: З=В-(B-В+B)г, при этом оптимальную поглощающую способность адсорбера (В) определяют по формуле В=В+(К-З)г, где К - коэффициент ухудшения поглощающей способности адсорбера, значение которого выбирается из диапазона (5…12).
Такие конструктивные изменения, в сравнении с исследуемым прототипом, достигнуты методом интуитивно-логического анализа проблемы, обозначенной представленным выше анализом уровня техники, аналитической работы по формированию наилучшего конструктивного решения эмпирическим путем.
Сравнение и анализ научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках МПК показывает, что совокупность существенных признаков заявленной группы технических решений ранее не была известна, следовательно, она соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемая группа технических решений имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенные технические решения имеют изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенная группа технических решений промышленно применима, т.к. может быть реализована промышленным способом, работоспособна, осуществима и воспроизводима, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Другие особенности и преимущества заявляемой группы изобретений как технических решений станут понятны из чертежей, результатов исследований и следующего детального описания заявляемых способа и устройства, где:
На Фиг.1 изображена схема проведения испытаний ТС по токсичности (испарению ГУ топлива).
На Фиг.2 изображена схема расчета запаса (З) по ПС адсорбера.
На Фиг.3 изображен график пропуска ГУ испытуемым адсорбером.
На Фиг.4 изображен адсорбер в разрезе.
Адсорбер 1 (Фиг.1,4) содержит корпус 2, внутри которого находится адсорбирующее вещество 3. Корпус 1 имеет три патрубка: подвода ГУ 4, отвода ГУ 5 и патрубок 6, связывающий адсорбирующее вещество 3 с атмосферным воздухом. Адсорбер 1 устанавливают на стенд подготовки адсорбера 7. После подготовки адсорбера 1 на стенде 7 его переносят на ТС 8, где патрубок 5 соединяют с впускной системой ДВС 9, а патрубок 4 с топливным баком 10, заполненным топливом 11. Затем ТС 8 устанавливают на стенд 12, имеющий беговые барабаны 13 и электровентилятор 14. После завершения цикла работы ТС на стенде 12 ТС перемещают в герметичную камеру 15, имеющую возможность определения веса испарившихся из ТС 8 ГУ. Ниже подробно описан алгоритм работы механизмов предлагаемого способа.
3
2
2
3
2
Адсорбер 1 (Фиг.1) устанавливают на стенд подготовки адсорбера 7, при этом патрубки: 4 подвода ГУ, 5 отвода ГУ и патрубок 6 связывающий адсорбирующее вещество с атмосферой, соединяют трубопроводами с соответствующими механизмами стенда 7 (не показаны). После запуска стенда 7 испытуемый адсорбер 1 подвергается чередующимся циклам (всего 9 циклов) продувки (десорбции) и насыщения (адсорбции) с целью объективного определения его поглощающей способности. При этом продувка осуществляется специально подготовленным воздухом, а насыщение ГУ (смесь газов, как правило, это 50% нормального бутана СН(СН)СН и 50% азота N).
0,1
2,0
в
shed
0,1
2,0
в
shed
0,1
2,0
в
shed
После девятого цикла насыщения определяют ПС адсорбера 1 путем взвешивания В (вес поглощенных ГУ после выхода 0,1 г ГУ из патрубка 6) и В (вес поглощенных ГУ после выхода 2,0 г ГУ из патрубка 6) и строят график Фиг.3. Затем подготовленный (насыщенный) адсорбер 1 снимают со стенда 7 и переносят на ТС 8, где патрубки 4 и 5 адсорбера 1 соединяют штатными трубопроводами соответственно с топливным баком 10, где находится топливо 11, и системой впуска ДВС 9. ТС 8 устанавливают на стенд 12 с беговым барабаном 13, позволяющим осуществлять вращение ведущих колес ТС 8 и таким образом имитирующим нагрузку на ведущие колеса ТС 8, соответствующую дорожной. При движении ТС 8 на стенде 12 происходит продувка адсорбера 1, т.к. патрубок отвода ГУ 5 соединен с впускной системой ДВС 9, где при его работе создается давление воздуха меньше атмосферного. Воздух из атмосферы при этом проходит через патрубок 6 адсорбера 1, захватывает ГУ, находящиеся в адсорбирующем веществе 3, смешивается с ними и через патрубок 5 поступает в ДВС 9, где смесь и сгорает. Так как при движении ТС 8 на беговом барабане 13 фактически движутся только колеса, а само ТС стоит на месте, необходимый обдув ТС осуществляется электровентилятором 14 во избежание перегрева ДВС 9. После цикла движения ТС 8 на стенде 12 адсорбер 1 временно снимают с ТС 8 для взвешивания, определяя таким образом потерю веса при продувке (В). Далее ТС 8 с выключенным ДВС устанавливают в герметичную камеру 15, имеющую приспособление для регистрации и взвешивания ГУ, испарившихся из ТС 8 в процессе его выдержки к камере 15 (не показано). В процессе выдержки ТС 8 в камере 15 адсорбер 1 снова насыщается ГУ из топливного бака 10, т.к. при положительных температурах, устанавливаемых в камере 15, топливо испаряется из топливного бака 10 и ГУ по трубопроводу поступают через патрубок 4 в корпус 2 адсорбера 1 и поглощаются адсорбирующим веществом 3 (Фиг.4). Одинарной стрелкой показано движение ГУ в корпусе 2 адсорбера 1 при насыщении, двойной стрелкой показано движение воздуха при продувке. После цикла выдержки ТС 8 в камере 15 адсорбер снова снимают и взвешивают, определяя таким образом вес ГУ (B) за цикл выдержки ТС в камере 15. При этом выделившиеся через патрубок 6 адсорбера 1 в камеру 15 ГУ также регистрируются и определяется их вес. Если этот вес превышает 2,0 г, то ТС и соответственно испытуемый адсорбер испытания по испарению не выдержали. Указанный способ определения поглощающей способности адсорбера основан на имитации движения ТС в городском и загородном режиме, а также стоянке при различных положительных температурах атмосферного воздуха. Важной характеристикой адсорбера при этом является его запас по поглощающей способности («З»). Исходя из вышеизложенного «З» можно определить с помощью формулы З=B-(B-В+B)г, где В - вес оставшихся в адсорбере ГУ после выхода из него через патрубок 6 0,1 г ГУ, В - вес оставшихся в адсорбере ГУ после выхода из него через патрубок 6 2,0 г ГУ, В - вес ГУ, удаленных из адсорбера при продувки на стенде 12 и сгоревших в ДВС 9, B - вес ГУ, поступивших в адсорбер при насыщении в герметичной камере 15.
0,1
2,0
в
shed
shed
0,1
опт
опт
0,1
Определение запаса «З» в виде схемы изображено на Фиг.2. После девятого цикла продувки адсорбера 1 на стенде 7 принимаем количество оставшихся ГУ за «0». Далее идет последний (9-й) цикл насыщения, в котором определяют вес ГУ (поглощающую способность) после выхода 0,1 г ГУ (точка В на схеме) и после выхода 2,0 г (точка В на схеме). Далее стрелка идет в обратном направлении, т.к. адсорбер 1 перемещают на ТС 8, где идет продувка адсорбера. Точка В на схеме - это вес ГУ, удаленных из адсорбера при продувке на стенде 12 и сгоревших в ДВС 9. Точка B - это вес ГУ, поступивших в адсорбер при насыщении в герметичной камере 15. Запас («З») при этом - это участок на схеме между B и B. Оптимальная поглощающая способность (В) определяется по формуле В=B+(К-З)г, где К - коэффициент ухудшения поглощающей способности, принятый равным 5-12 г.
Так как в процессе эксплуатации ТС происходит ухудшение ПС адсорбера (причины описаны выше), введен коэффициент ухудшения «К». Границы 5-12 г определены на основании опыта эксплуатации ТС и объясняются следующим образом: при К<5 остается риск пропуска ГУ в атмосферу из-за недостаточной ПС адсорбера в конце эксплуатационного периода ТС, при К>12 возникнут не оправданные затраты при производстве адсорберов, т.к. адсорбер будет переразмерен по поглощающей способности.
2,0
0,1
0,1
2,0
2,0
0,1
2,0
0,1
При фиксированном значении В (как описывалось выше) важное значение имеет начало пропуска B (проскок ГУ). На графике Фиг.3 видно, что чем ближе расстояние между B и B, тем большей поглощающей способностью обладает адсорбер 1, при этом вес адсорбирующего вещества 3 не увеличивается. Это происходит за счет более рационального использования адсорбирующего вещества 3, расположенного в корпусе 2. Разница между В и B определяется по формуле В-В=А г, где А положительное число, значение которого выбирается из диапазона 3-7.
Диапазон 3-7 также возникает из опыта эксплуатации ТС и определяет баланс между гарантией выполнения требований по ПС и затратами при производстве адсорбера.
Разумеется, заявляемая группа технических решений не ограничивается конкретными конструктивными примерами их осуществления, описанными в тексте и показанными на прилагаемых фигурах. Остаются возможными и некоторые несущественные изменения в технологии реализации способа, различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящими за пределы объема притязаний, обозначенных независимыми пунктами формулы изобретения.
В практическом аспекте предлагаемый способ оптимизации поглощающей способности адсорбера позволяет в короткие сроки, качественно и при минимальных затратах определить его оптимальную ПС, что, в свою очередь, позволяет оптимизировать конструкцию адсорбера по массогабаритным параметрам с использованием минимального количества адсорбирующего вещества.