Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Павленко Віктор Олексійович

УДК 629.016

ПІДВИЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ АВТОМОБІЛЯ

ОПТИМІЗАЦІЄЮ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ

“ДВИГУН – ТРАНСМІСІЯ”

Спеціальність 05.22.20 – "Експлуатація та ремонт засобів транспорту"

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому

університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Волков Володимир

Петрович, Харківський національний автомобільно-дорожній

університет, професор кафедри автомобілів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Строков Олександр

Петрович, інститут машин і систем Академії наук України,

генеральний конструктор;

кандидат технічних наук, доцент Мастепан Микола Антонович,

автодорожній інститут Донецького національного технічного

університету, завідувач кафедри технічної експлуатації автомобілів

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля,

Міністерство освіти і науки України, м. Луганськ

Захист відбудеться: “14” квітня 2004 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д64.059.02 при Харківському національному

автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного

автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків,

вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “10” березня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. У комплексі заходів для підвищення техніко-економічних показників автомобільного транспорту особливе місце посідає проблема поліпшення паливної економічності. Ця проблема може вирішуватися у двох напрямках. Перший для практики автомобілебудування є традиційним і полягає в удосконаленні конструкції окремих вузлів і агрегатів автомобіля.

Другий напрямок – це узгодження характеристик вузлів і агрегатів автомобіля (насамперед – двигуна і трансмісії) за рахунок забезпечення раціональних режимів їх роботи. Практична реалізація цього напрямку пов’язана з труднощами контролю завантаження двигуна в реальних умовах експлуатації і вимагає розробки відповідних методів і засобів.

Актуальність теми. Проблема поліпшення паливної економічності автомобілів є однією з основних при розробці ресурсозаощаджуваних технологій на автомобільному транспорті України. Найбільшого ефекту при цьому можна досягти за рахунок узгодженості характеристик і раціонального вибору параметрів системи автомобіля “двигун – трансмісія”. Розробка методів і засобів для визначення режимів роботи автомобільного двигуна в умовах реальної експлуатації дозволить оптимізувати по витраті палива і вироблюваної енергії режими роботи двигуна і трансмісії.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, проведених у межах Державної науково-технічної програми “Економія палива і раціональне використання паливно-мастильних матеріалів” (наказ № 42 ДКНТ України від 13.10.92 р.), і спрямована на поліпшення техніко-економічних показників вітчизняних автомобілів.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є зниження експлуатаційної витрати палива вантажного автомобіля з дизельним двигуном за рахунок оптимізації параметрів системи “двигун – трансмісія”.

Поставлена мета досягається вирішенням таких завдань:

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – взаємозв'язок режимів роботи і конструктивних характеристик системи “двигун – трансмісія” автомобіля за змінних експлуатаційних умов.

Предмет дослідження – зниження експлуатаційної витрати палива за рахунок оптимізації режимів роботи і конструктивних параметрів системи “двигун – трансмісія”.

Методи дослідження. Вирішення поставлених завдань виконується теоретичними й експериментальними методами. Теоретичні дослідження виконувалися з використанням методів рішень диференціальних рівнянь і чисельного аналізу. Експериментальні дослідження проводилися з використанням методів електричного виміру механічних величин. Рішення задачі параметричної оптимізації виконувалося з використанням математичного апарату теорії планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів: виявлено взаємозв'язок параметрів робочого процесу дизельного двигуна з газотурбінним наддуванням і його навантаження. На підставі цього розроблений метод ідентифікації експлуатаційних показників автомобільного двигуна, що дозволяє виконувати параметричну оптимізацію системи “двигун – трансмісія ”і забезпечувати раціональні за експлуатаційною витратою палива режими роботи автомобіля і двигуна за рахунок зміни передаточних чисел трансмісії.

Практичне значення отриманих результатів. На підприємствах упроваджені такі розробки, виконані на підставі проведених наукових досліджень:

-

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача.

1.

2.

3.

4.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота обговорена на спільному засіданні кафедри технології машинобудування і ремонту машин, кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Основні результати досліджень були викладені на міжнародній науково-технічній конференції “Перспективні напрямки розвитку конструкції автомобіля”, ХНАДУ, м. Харків, 2001 р.; VІІ, VІІІ, ІХ науково-технічних конференціях “Транспорт, екологія – стійкий розвиток”, Болгарія, м. Варна, технічний університет, 2001, 2002, 2003 рр.; міжнародній науково-практичній конференції “Технічний прогрес в АПК”, м. Харків, ХГТУСХ, 2002 р.; науково-практичній конференції “Проблеми надійності машин на етапах проектування, експлуатації і ремонту”, м. Харків, ХГТУСХ, 2002 р.; V, VI науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: проблеми і перспективи”, м. Севастополь, СевНТУ, 2002, 2003 рр.; на міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт у ХХІ столітті”, м. Харків, ХНАДУ, 2003 р.; на щорічних наукових конференціях викладачів ХНАДУ, м. Харків, 2001 – 2003 рр.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 8 наукових працях, у тому числі 7 – у спеціальних виданнях переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків. У роботі 178 сторінок, у тому числі: 56 рисунків на 26 сторінках, 20 таблиць на 8 сторінках, список використаних джерел з 105 найменувань на 9 сторінках і додаток на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність питання з підвищення паливної економічності автомобіля за рахунок забезпечення раціональних режимів роботи системи “двигун – трансмісія”, формулюються мета і завдання дослідження, подається загальна характеристика роботи.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання за літературними джерелами й оцінці технічного рівня вантажних автомобілів, обладнаних дизельними двигунами, показана відсутність достатньо обґрунтованих рекомендацій з вибору характеристик системи “двигун – трансмісія”, що приводить до невиправданого збільшення експлуатаційної витрати палива. Рішення цієї задачі вимагає розробки критеріїв оцінки експлуатаційних показників вантажного автомобіля і створення комплексу методів і засобів для їхнього визначення.

Загальноприйнятими показниками паливної економічності автомобіля є витрата палива в одиницю часу Qп (кг/год) і витрата палива на одиницю шляху Qs (кг/км). Розглядаючи складові шляхової витрати палива (середньоексплуатаційна ефективна потужність двигуна – Nе і питома ефективна витрата палива – gе, а також швидкість руху автомобіля) і використовуючи відомі в теорії колісних машин залежності, можна шляхову витрату палива представити у вигляді

кг/100 км (1)

де А – коефіцієнт, що враховує конструктивні і режимні параметри автомобіля і двигуна (А=Мд.н.?зТР і Vmax/Ga?rk);

Кш – показник дороги (Кш=Ке?Кш/ш).

Експлуатаційний коефіцієнт рівня крутного моменту – Ке і відносний коефіцієнт зниження швидкості – Кш для визначеного типу автомобіля і двигуна є середньозваженими і можуть бути отримані як результати обробки статистичних і розрахункових даних. Для автомобіля типу КрАЗ-6510 залежності коефіцієнтів Ке, Кш і Кш від коефіцієнта сумарного опору дороги – ш наведені на рис.1.

Середньоексплуатаційна питома ефективна витрата палива може бути представлена як

(2)

де Nei, gei – відповідно середньозважені значення ефективної потужності двигуна і питомої витрати палива на i-ій ділянці маршруту;

фi – час роботи на цій ділянці,

а середньоексплуатаційна потужність

(3)

Наявність параметрів, що входять до складу формул (2), (3), дає можливість виявити шляхи поліпшення всього комплексу експлуатаційних показників двигуна за рахунок формування раціональних режимів як двигуна, так і автомобіля в цілому.

Виходячи з різноманітності умов експлуатації автомобіля, від його двигуна необхідно вимагати визначеної різноманітності поточних значень ефективної потужності Nei і частоти обертання колінчатого вала щi, які б в остаточному підсумку забезпечували умову ge=ge min, тобто з усієї кількості режимів роботи двигуна варто виділити таку кількість, яка б відповідала умові F(Ne, щ) – С=0 (де С – константа, що залежить від форми характеристики двигуна). З наведеної кількості можна виділити режими, що забезпечують мінімізацію витрати палива і для яких справедлива рівність

(4)

де QП – витрата палива в одиницю часу.

Рішення рівняння (4) при різних значеннях константи С – F=Мд=Ne/щ; F=щ; F=QП(Мд, щ) може бути представлене певною кількістю часткових режимів, обумовлених мінімальними витратами палива, що свідчить про невизначеність рішення задачі з оптимізації аналітичним шляхом. Така невизначеність обумовлена неможливістю обґрунтувати пріоритет якого-небудь з часткових режимів без конкретизації функції щільності їхнього розподілу. Таким чином, задача оптимізації повинна зводитися до експериментального визначення функції щільності розподілу с=f(Ne, щ), що залежить від умов експлуатації автомобіля і впливу цих умов на формування режимів роботи двигуна.

У другому розділі розглянуті метод і пристрій для ідентифікації режиму роботи автомобільного дизельного двигуна в експлуатації.

Для визначення потужності дизельного двигуна необхідна інформація про частоту обертання колінчатого вала і величину крутного моменту. Апаратура для прямого виміру крутного моменту, відрізняючись високою точністю, у силу ряду причин (низька вібростійкість, чутливість навіть до незначних порушень регулювань і т.д.) не забезпечує достатньої надійності в умовах рядової експлуатації.

Пропонований метод ідентифікації режиму роботи дизельного двигуна полягає у визначенні потужності за частотою обертання колінчатого вала й одного із параметрів робочого процесу, що однозначно залежить від навантаження двигуна.

Для дизельного двигуна з турбінним наддуванням у досить широкому діапазоні потужностей можна орієнтовно прийняти Ne/Nен=NT/NTH (Ne, NT – поточні значення потужності дизельного двигуна і газової турбіни; Nен, NTH – зазначені параметри, що відносяться до номінального режиму).

Відомо, що основними індикаторами потужності газової турбіни є тиск і температура газів перед турбіною і витрата газу. Серед них найменш чутливим до зміни параметрів навколишнього середовища і значним порушенням регулювань технічного стану дизельного двигуна є тиск газів перед турбіною. Крім того, цей параметр разом з частотою обертання колінчатого вала з достатньої для практичної оцінки точністю може визначати і температуру, і витрату газу. Тому зміну потужності можна представити у вигляді функції

(5)

де РТ, щ – тиск газів перед турбіною і частота обертання колінчатого вала на поточному режимі;

РТН, щн – значення вищевказаних параметрів на номінальному режимі.

Тиск газів перед турбіною і частота обертання колінчатого вала були прийняті як визначальні при вимірі потужності також тому, що в досить широкому діапазоні потужностей (від 40 до 100%) залежність Ne=f(PT, щ) за даними випробування ряду дизельних двигунів СМД-31 практично лінійна (рис. 2). Це певною мірою визначає простоту пристроїв для виміру потужності.

На підставі викладеного методу був розроблений режимомір, структурна схема якого наведена на рис. 3. Основними частинами режимоміра є аналізатор частоти обертання Ащ, аналізатор тиску газів АР і з'єднані в матричну схему МС електромеханічні лічильники.

Крім того, у режимомір входять не показані на схемі індикатори роботи аналізаторів і блок живлення. Вхідними пристроями режимоміра є розташовані на двигуні датчик частоти обертання Дщ і датчик тиску ДР.

Кожний з аналізаторів пристосований для визначення у поточний момент часу величини відповідного параметра і видачі вимірів діапазонів на матричну схему лічильників, що, у свою чергу, реєструє час роботи дизельного двигуна на режимі, обумовленому величинами фіксованих параметрів, тобто значеннями частоти обертання колінчатого вала і тиску газів перед турбіною.

Сигнал з дешифратора по команді “запис” з розподільника Р надходить на відповідний підсилювач, вивід якого підключений до однієї з вертикальних шин матричної схеми.

Наявність регульованого часу виміру – Дt і розподільника – Р дозволяє використовувати як спеціально сконструйовані датчики частоти обертання, так і застосовувати як ротор датчика будь-яку шестірню з достатньою кількістю зубців.

Постановка питання оптимізації роботи не тільки двигуна, але й автомобіля, у цілому, дозволяє вважати за можливе використання розробленого методу як основи для розробки приладу – покажчика завантаження, що інформує водія про поточні значення потужності двигуна, режим його роботи.

Слід зазначити, що замір потужності двигуна чи отримання інформації про його рівень розробленим методом вимагає при досить високій точності мінімальної модернізації систем двигуна. Це устаткування двигуна точкою виміру тиску газів перед турбіною і розміщення пристрою, що дозволяє одержати інформацію про його швидкісний режим (наприклад, пристрій, що працює паралельно з приводом тахометра в кабіні водія).

Стендові іспити двигуна СМД-31.15, обладнаного послідовно режимоміром і покажчиком завантаження, показали, що як за умов статичного, так і динамічного завантаження двигуна відносна похибка вимірів складає 4…9%, а покажчика завантаження 3…4,5%

У третьому розділі подається аналіз даних режимометрії двигуна СМД-31.15 при роботі автомобіля КрАЗ-6510 в умовах реальної експлуатації.

Експлуатаційні випробування проводилися на дорогах рівнинного профілю у доброму стані (дорога з умовною позначкою Р0), хвилястого профілю у доброму стані (В0) і хвилястого профілю в поганому стані (Вп) при повному ваговому завантаженні автомобіля (повна вага – Ga=244 кН і 50% вагового завантаження (Ga=174,5кН).

Попереднє тарування режимоміра, установленого на автомобілі, проводилося за даними гальмових випробувань. Аналіз експлуатаційних показників проводився за методом сполучення універсальної паливної характеристики двигуна СМД-31.15 і поля розподілу режимів його роботи (рис. 4).

У даних дослідженнях поле можливих режимів роботи (за винятком зони режимів примусового гальмування) було розбито на 48 зон: шість діапазонів за частотою обертання колінчатого вала (зони 1...6) і вісім зон за навантаженням (зони 7…14). Швидкісні режими нижче 125 с-1 відносилися до зони “1-7”, а вище 209 с-1 – до зони “6-7”. Навантажувальні режими вище 184 кВт відносилися до зон “4-14” і “5-14”. Режими примусового гальмування враховувалися в зонах “1-7”…“6-7”.

Така інтерпретація дослідних даних дозволяє одержати найбільш представницькі інтервали обумовлених параметрів – ?щ, ДNe; розрахувати коефіцієнти завантаження двигуна КN, значення gе і Nе; визначити імовірності реалізації номінального режиму РNен і Рщ?.

Середні експлуатаційні значення досліджуваних параметрів чи показників визначилися як математичне очікування їх розподілу

(6)

де Пср – середнє значення досліджуваного параметра показника;

Пi – середнє значення досліджуваного параметра показника для i-єї зони;

фi – частка часу роботи двигуна в i-ій зоні;

Кi – кількість зон роботи двигуна (Кi=48).

У табл. 1 і табл. 2 наведені зведені дані за визначеними режимометрією параметрами.

Таблиця 1

Експлуатаційні показники двигуна СМД-31.15 при роботі автомобіля

КрАЗ-6510 на різних типах доріг з повним ваговим завантаженням (Gа=244 кН)

Дорога | , с-1 | Ne, кВт | KN | ge, г/кВтгод | Nе, кВт | РNен, % | Рн, %

Р0 | 0,89…1,05 | 0,94…1,0 | 0,794 | 233 | 146,1 | 6,75 | 81,15

В0 | 0,85…1,01 | 0,91…0,97 | 0,819 | 231 | 150,8 | 6,05 | 51,73

Вn | 0,79…0,88 | 0,85…0,92 | 0,658 | 249 | 121 | 1,87 | 39,62

Крім показників, представлених у табл. 1 і табл. 2 у ході випробувань були отримані дані, що дозволяють визначити розподіл часу роботи автомобіля за передачами (рис. 5).

Таблиця 2

Експлуатаційні показники двигуна СМД-31.15 при роботі автомобіля

КрАЗ-6510 на різних типах доріг з 50% ваговим завантаженням (Gg=174,5 кН)

Дорога | , с-1 | Ne, кВт | КN | gе, г/кВтгод | Nе, кВт | РNен, % | Рн, %

Р0 | 0,89…1,0 | 0,63…0,83 | 0,654 | 234 | 120,4 | 17,3…18,6 | 58,5…56,5

В0 | 0,90…0,98 | 0,59…0,81 | 0,622 | 234 | 114,6 | 15,2…19,4 | 58,5…56,5

Вn | 0,79…0,90 | 0,58…0,79 | 0,739 | 232 | 118 | 35,5 | 34,5…35,3

Низькі значення обумовлених експлуатаційних показників пояснюються, у першу чергу, концентрацією ядра пріоритетних за завантаженням двигуна режимів роботи (сmax) поза зонами, що відповідають мінімальним питомим витратам палива з очевидною перевагою підвищених передач лише у досить легких дорожніх умовах (на рівнинних дорогах у доброму стані).

Для вибору оптимальних за витратою палива параметрів режиму роботи автомобіля (робоча передача, швидкість руху, частота обертання колінчатого вала) були розроблені номограми, що являють собою сполучені з універсальною паливною характеристикою графіки швидкостей руху автомобіля. На рис. 6 наведена одна з них, що дозволяє вибрати оптимальний режим роботи системи “двигун – трансмісія”.

Для випадку роботи автомобіля з повним ваговим завантаженням на хвилястій дорозі в поганому стані оптимальною за витратою палива є четверта передача при швидкості руху 8,5…9,5 м/с і частоті обертання колінчатого вала порядку 150…170 с-1. При цьому має бути забезпечений коефіцієнт завантаження за крутним моментом, що дорівнює 0,977.

Експериментальна оцінка ефективності оптимізації режимів роботи двигуна і трансмісії проводилася за даними порівняльних експлуатаційних випробувань автомобіля КрАЗ-6510 на дорозі типу Р0 з повним ваговим завантаженням у штатному виконанні і при устаткуванні автомобіля бортовим покажчиком завантаження.

Для виключення суб'єктивності при установці водієм режиму роботи першими у випробуваннях були проведені п’ятиразові їздові цикли без покажчика завантаження. Довжина маршруту складала 70 км. Проведені випробування показали, що наявність покажчика завантаження дозволила забезпечити зниження шляхової витрати палива в перерахунку на 100 км шляху 3,17 л чи на 6,3%.

Четвертий розділ присвячений розробці процедури синтезу оптимальних властивостей режимів роботи автомобіля і двигуна, що забезпечує поліпшення їхньої експериментальної економічності і методу вибору основних параметрів системи “двигун – трансмісія”.

Прийнята схема синтезу оптимальних властивостей автомобіля і двигуна основана на аналізі розподілу їхніх режимів роботи і включає питання упорядкування їхніх характеристик за основним функціоналом якісно-питомої ефективної витрати палива.

Графічна інтерпретація алгоритму оптимізації режимів роботи автомобіля і двигуна може бути представлена схемою, наведеною на рис. 7.

На прийнятій схемі режими роботи двигуна визначаються як точки площини, координатами яких є фіксовані для кожного режиму руху Мд і щ. Область можливих режимів обмежена зовнішньою швидкісною характеристикою двигуна. Режими роботи трансмісії автомобіля визначаються точками площини з координатами щ і V. Виходячи з різноманітності дорожніх умов роботи автомобіля, від двигуна необхідно вимагати певну різноманітність сполучень крутного моменту і частоти обертання колінчатого вала, що при виборі визначеного передаточного числа трансмісії забезпечували б автомобілю усталений режим роботи. Оскільки критерієм оптимальності режиму прийнята паливна економічність, то правильно обраним режимом з кількості можливих варто вважати такий, який би відповідав умові забезпечення в конкретних умовах мінімально можливої витрати палива.

Прийнято, що параметром, величину якого необхідно гарантувати, є швидкість автомобіля. Вона на схемі рис. 7 представлена сімейством кривих V=f(Мд, щ). Причому V2<V1<V0. Питома витрата палива ge – критерій, менші значення якого відповідають “кращому” режиму (ge3>ge2>ge1).

Припустимо, що двигун працює в режимі Р2-1, забезпечуючи швидкість руху автомобіля V2 за рахунок режиму роботи трансмісії Т2-1. Цьому сполученню режимів роботи двигуна й автомобіля відповідає витрата палива ge3. Зміщаючи від режиму Р2-1 уздовж стрілки за рахунок зниження частоти обертання колінчатого вала і збільшення крутного моменту, гарантуючи сталу швидкість V2, реалізувати безліч режимів роботи двигуна, кожний з яких послідовно буде “кращим” за витратою палива. Очевидно, оптимальним для швидкості V2 буде режим Р2-0 з мінімальною для даної швидкості питомою витратою палива ge2. У цьому випадку режим роботи трансмісії буде характеризуватися точкою Т2-0.

Аналогічно міркуючи, можна показати, що оптимальним за умовою мінімізації витрати палива при швидкості руху V1 буде режим роботи двигуна Р1-0, а трансмісії Т1-0, для швидкості V0 – Р0-0, Т0-0, а для швидкості Vi – Рi-0, Тi-0.

Таким чином, умові гарантування необхідної швидкості руху автомобіля відповідає будь-який режим, що належить кривій V=f(Мд, щ), а найменше значення основного функціонала якості – питомої витрати палива, може забезпечити тільки той режим, що визначається як точка, де крива V=f(Мд, щ) має загальну, дотичну з однією з ізоліній ge=f(Мкр, щ). Оскільки для кожного швидкісного режиму існує за витратою палива свій оптимум, то для очевидної незліченної кількості можливих швидкісних режимів існує і незліченна кількість оптимальних. З'єднавши точки, що характеризують оптимальні режими (для прикладу, розглянутого на схемі рис. 7 це “0”, Р1-0, Р2-0, Рi-0), одержимо пряму “а”, якій належить певна кількість режимів, що відповідають умові оптимальності за питомою витратою палива. Спроектувавши ці точки на площину з координатами (V, щ) і з'єднавши їх між собою, одержимо пряму “б”, яка поєднує режими роботи трансмісії (точки Т0, Т1-2, Т2-2, Тi), що забезпечують мінімізацію витрати палива.

Оскільки пряма “б” являє собою безперервну функцію швидкісних режимів двигуна й автомобіля, тобто кожному швидкісному режиму роботи двигуна відповідає чітко визначена швидкість руху автомобіля, що забезпечує для даних дорожніх умов мінімально можливу витрату палива, то, очевидно, функцію д=f(щ, V) можна прийняти як закон оптимального керування трансмісією. Керуючись цим законом, водій може підібрати програму руху і роботи двигуна відповідно до мінливих ситуацій і дорожніх умов.

Обробка даних експлуатаційних досліджень показала, що закон оптимального керування трансмісією навіть для одного типу двигуна істотно залежить від дорожніх умов і вагового завантаження автомобіля. Однак якісно характер взаємозв'язку швидкості руху автомобіля і частоти обертання колінчатого вала двигуна однаковий і підкоряється рівнянню прямої

(7)

де КТ –кутовий коефіцієнт необхідного закону керування трансмісією;

в – постійна, залежна від сполучення конструктивних і режимних характеристик двигуна автомобіля.

Розглянутий аналіз методу визначення оптимальних режимів роботи автомобіля і двигуна дозволяє побудувати аналітичний алгоритм синтезу цього процесу, що у залежності від цілей дослідження може мати такі різновиди.

Перший: за відомою паливною характеристикою двигуна і параметрами автомобіля необхідно установити закон керування трансмісією.

Другий: за заданим законом керування трансмісією слід підібрати характеристики двигуна й автомобіля.

Третій: як вихідні дані прийняті тільки основні конструктивні параметри автомобіля (наприклад, його вантажопідйомність чи повна споряджена маса і фактор опору повітря), а кінцевим підсумком є визначення оптимальних характеристик двигуна й автомобіля і встановлення за цим необхідного закону керування трансмісією.

Останній напрямок є найбільш загальним, тому що містить у собі перші два як окремі випадки, і алгоритм його може бути представлений у вигляді таких послідовно виконуваних кроків:

-

-

-

-

Синтез процесу оптимізації режимів роботи двигуна й автомобіля аналітичним шляхом за схемами, розглянутими вище, вимагає наявності математичних моделей, що відбивають характеристики оптимізованої системи.

Область варіювання визначається системою обмежень, накладених на конструктивні, регулювальні та інші параметри системи, як у явному вигляді, так і у вигляді аналітичних залежностей. Так, для двигуна ці залежності повинні бути представлені математичними моделями його характеристик (наприклад, швидкісний і паливний), а для автомобіля – рівнянням його руху.

Оптимізацію режимів роботи автомобіля і двигуна можна сформулювати як задачу пошуку такого сполучення їх конструктивних і режимних параметрів, що, з одного боку, безумовно повинно забезпечувати оптимальний закон керування трансмісією і, як наслідок, мінімізацію питомої ефективної витрати палива на всіх можливих режимах двигуна, а з іншого боку – задовольняти визначеній системі обмежень, що накладається на прийнятий алгоритм оптимізації, у вигляді заданих дорожніх умов і режимів руху.

Рішення задачі оптимізації проходило у два етапи. На першому етапі досліджень ставилася задача одержання формальних функціональних залежностей, що відбивають універсальну паливну характеристику двигуна і рівняння руху автомобіля

; (8)

, (9)

де – вектори варіативних параметрів.

Вид функції (8) може бути заздалегідь відомий чи заданий і більшою чи меншою мірою "прив'язаний" до зовнішньої характеристики двигуна координатами точки мінімуму питомої витрати палива (Мд0, щ0).

Вид функції (9), у загальному вигляді представленої відомим у теорії колісних машин рівнянням руху автомобіля, яке є нелінійним диференціальним рівнянням і яке може бути проінтегроване тільки чисельним методом, заздалегідь невідомий. Тому було зроблено припущення, що функція V=f2(Мд, щ, ) є безперервною і гладкою. Цим умовам відповідають лінійні щодо коефіцієнтів аi багатопараметрові функції вигляду

(10)

де (показники бi і вi є дійсними числами).

Аналіз існуючих раціональних форм регресійних рівнянь, що зв'язують залежності показників транспортного засобу і двигуна від їх конструктивних і режимних параметрів, дозволяє вважати, що для опису поверхні відклику функції (10) з достатньою точністю можна використовувати статичний поліном другого порядку з парними взаємодіями перемінних

(11)

де j=(i+1; i+2 і т.д.).

На другому етапі досліджень задача оптимізації зводиться до перебування такого сполучення фіксованих параметрів , що забезпечує найкраще наближення функції відгуку (11) до необхідного закону керування трансмісією. Оскільки цей закон однозначно визначається залежністю швидкості руху автомобіля від частоти обертання колінчатого вала двигуна, що представлений рівнянням прямої (7) у вигляді V=в – KT?щ, то апроксимуюча функція може бути показана як

. (12)

Апроксимуюча функція (12) при фіксованому наборі параметрів =const перетвориться до вигляду

(13)

Задаючись т значеннями (Мд, щ), одержуємо для кожного (Мд, щ)i величину Vi. Апроксимуючи отримані значення Vi рівнянням (7), знаходимо оптимальне за середнім квадратичним відхиленням у значення постійної “в”. Тоді величина середнього квадратичного відхилення може розглядатися як функціонал якості, а сполучення конструктивних і режимних параметрів – як забезпечення мінімуму цього функціонала.

Таким чином, задача оптимізації може бути записана у вигляді

(14)

з накладеними обмеженнями на область варіювання параметрів і межі зміни швидкості руху автомобіля.

Розрахункове дослідження проводилося щодо автомобіля КрАЗ-6510, обладнаного двигуном СМД-31.15.

Попередній аналіз конструктивних і режимних параметрів автомобіля і двигуна дозволив як незалежні варіативні параметри прийняти: крутний момент двигуна –Мд, частоту обертання колінчатого вала – щ, коефіцієнт обліку обертових мас – двр, к.к.д. трансмісії – зтр.

Для проведення чисельного експерименту був обраний центральний квазі Д – оптимальний план другого порядку з 70 опорними точками і варіюванням параметрів на трьох рівнях. Похибка апроксимації в опорних точках не перевищувала 1,2%.

Регресійна залежність, що апроксимує поверхню відклику функції (10), яка була отримана як результат чисельного експерименту, найбільш просто представити функцією двох перемінних V=f(xi, щ) при довільно фіксованих (у межах інтервалу варіювання) інших параметрах (хh=const). Таку поверхню можна зобразити графічно в тривимірному просторі, де аплікатою є функція мети, тобто швидкість руху автомобіля, ординатою – щ і абсцисою – Хi. Поверхня відгуку V=f(ш, щ) для 244 кН; кН?с2/м2; rk=0,535 м; зТР=0,89; двр=1,05; М0=1,08 кНм; приведена на рис. 8.

Як видно з графіка, лінії V=f(щ) представляють оптимальні закони керування трансмісією в межах дорожніх умов від ш=0,030 до ш=0,060. Лінія О1 – О3 відповідає тим режимам, що відповідають умові мінімізації питомої витрати палива. Ці режими досягаються при частоті обертання колінчатого вала двигуна щ=160 с-1 і таких швидкостях руху автомобіля: для ш=0,030–V=18,2 м/с; для ш=0,045–V=10,4 м/с; для ш=0,060–V=8,9 м/с.

Передаточні числа трансмісії, що забезпечують оптимальні режими, є рівними 0,61; 1,00; 1,17.

Розрахункові значення швидкостей руху автомобіля КрАЗ-6510 за передачами із установленими передаточними числами наведені в табл. 3.

Таким чином, встановлений в результаті синтезу властивостей двигуна і трансмісії ряд підвищених (третьої, четвертої, п’ятої) передач, володіючи потенційною можливістю до поліпшення паливної економічності, забезпечує в порівнянні зі штатним рядом більш широкий діапазон швидкостей руху автомобіля.

Таблиця 3

Розрахункові значення швидкостей руху при визначених передаточних числах

коробки передач

Передача | Vа | , с-1

N | 90 | 130 | 170 | 210

3 | 1,17 | 5,01 | 7,23 | 9,46 | 11,69

4 | 1,0 | 5,86 | 8,47 | 11,08 | 13,68

5 | 0,61 | 9,61 | 13,88 | 18,16 | 22,4

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Павленко В.А., Варваров Л.Н. Предпосылки оптимизации режимов работы двигателя по топливной экономичности // Тракторная энергетика в растениеводстве. – Харьков: ХГТУСХ. Сб. науч. тр. – 2001.- Вып. 4. – С. 71-74. (здобувач удосконалив методику ідентифікації потужності автомобільного двигуна з газотурбінним наддуванням за параметрами робочого процесу).

2. Павленко В.А. Оценка эффективности режимов работы автомобильного двигателя по выработанной энергии // Автомобиле - и тракторостроение. – Харьков: НТУ (ХПИ). Сб. науч. тр. – 2003. - №4. – С. 147-149.

3. Варваров А.М., Павленко В.О. Алгоритм оптимізації характеристик систем “двигун – трансмісія” // Механізація сільського господарства. – Харків: Вісник ХДТУСГ. Зб. наук. пр. – 2001.- Вип. 7.– С. 87-92. (здобувач розробив методику параметричної оптимізації режимів роботи системи “двигун – трансмісія”).

4. Павленко В.А. Математическая модель эксплуатационного расхода топлива // Автомобильный транспорт. – Харьков: ХНАДУ. Сб. науч. тр. – 2002.- Вып. 9.– С. 97 – 100.

5. Волков В.П., Влащенко Г.И., Павленко В.А. Анализ методов определения мощности дизельного двигателя в условиях эксплуатации // Підвищення надійності відновлюваних деталей машин. – Харків: Вісник ХДТУСГ. – 2001.- Вип. 8, том 2. – С. 183-187. (здобувач розробив конструкцію бортового приладу – покажчика завантаження автомобільного двигуна).

6. Варваров Л.Н., Сахаревич В.Д., Павленко В.А. Естественно-производственные условия проведения испытаний мобильной техники // Механізація сільськогосподарського виробництва. – Харків: Вісник ХДТУСХ. – 2002.- Вип. 12. – С. 9-12. (здобувач виконав аналіз класифікації дорожніх умов роботи автомобіля).

7. Волков В.П., Павленко В.А., Варваров Л.Н., Выхватин В.В. Анализ и синтез топливной экономичности грузового автомобиля в условиях эксплуатации // Автомобильный транспорт. – Харьков: ХНАДУ. Сб. науч. тр. – 2002.- Вып. 10. – С. 56-59. (здобувач провів експлуатаційні випробування автомобіля і узагальнив їх результати).

8. Волков В.П., Павленко В.А. Определение эксплуатационного расхода топлива грузового автомобиля 6 класса // Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы. Материалы V международной научно-технической конференции. – Севастополь: СевНТУ. – 2002. – С. 59 – 64. (здобувач удосконалив методику визначення експлуатаційної витрати палива).

АНОТАЦІЯ

Павленко В.О. Підвищення паливної економічності автомобіля оптимізацією параметрів системи “двигун – трансмісія”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2004.

Аналіз шляхів поліпшення паливної економічності автомобілів визначив пріоритетність розробок, спрямованих на узгодження характеристик і раціональний вибір параметрів системи “двигун – трансмісія”.

В результаті досліджень запропонована математична модель дорожніх витрат палива, обґрунтований критерій паливної економічності, показано, що для його визначення необхідно мати інформацію про реальний розподіл режимів роботи з часу, розроблені методи і технічні засоби для їх реалізації.

Дорожні випробування автомобіля КрАЗ-6510 дозволили з’ясувати причини погіршення експлуатаційної економічності та запропонувати заходи щодо її поліпшення. Практична реалізація цих заходів призвела до зменшення дорожніх витрат палива більш ніж на 6%.

На основі аналізу формування експлуатаційних показників розроблено алгоритм синтезу оптимальних властивостей автомобіля і двигуна, на підставі якого для автомобіля КрАЗ-6510 був визначений робочий ряд передач, що забезпечує оптимізацію режимів роботи системи “двигун – трансмісія”.

Результати досліджень прийнято до впровадження на холдінговій компанії “АвтоКрАЗ”, головному спеціалізованому конструкторському бюро по двигунах середньої потужності, автомобільному управлінні озброєння Міністерства оборони України.

Ключові слова: автомобіль, двигун, режим роботи, середньоексплуатаційні витрати палива.

АННОТАЦИЯ

Павленко В.А. Повышение топливной экономичности автомобиля оптимизацией параметров системы “двигатель – трансмиссия”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – Эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2004.

Опыт отечественного и мирового автомобилестроения, эксплуатации автотранспортных средств свидетельствует о том, что наибольшего эффекта при решении проблемы улучшения топливной экономичности автомобилей можно достичь за счет согласованности характеристик и рационального выбора параметров системы “двигатель – трансмиссия”. Практическая реализация этого направления требует разработки методов и средств для определения режимов работы автомобильного двигателя в условиях эксплуатации, а также методик параметрического синтеза оптимальных свойств автомобиля и двигателя.

Анализ структуры общепринятых в настоящее время показателей топливной экономичности автомобиля показал, что основным функционалом качества процесса оптимизации параметров системы “двигатель – трансмиссия” следует принимать среднеэксплуатационный эффективный расход топлива, а рациональное сочетание параметров и характеристик системы – рассматривать как обеспечивающее минимум этого функционала.

Конкретизация функции плотности распределения параметров, определяющих режим работы двигателя, и, как следствие, формирующих уровень среднеэксплуатационного удельного эффективного расхода топлива, выполнялась экспериментально в условиях реальной эксплуатации автомобиля. Для решения этой задачи был разработан метод идентификации режима работы автомобильного дизельного двигателя с газотурбинным наддувом и устройства, реализующие этот метод.

Метод идентификации режима работы двигателя заключался в определении его мощности по частоте вращения коленчатого вала и давлению газов перед турбиной. Время работы двигателя в обозначенных зонах поля режимов работы фиксировалось плотностью распределения определяющих параметров, которые регистрировались с помощью специально сконструированного режимомера. Для информации водителя о текущих значениях мощности двигателя с целью оптимизации режимов работы по расходу топлива был разработан бортовой прибор – указатель загрузки.

Режимометрические исследования проводились в условиях реальной эксплуатации автомобиля КрАЗ-6510, оборудованного двигателем СМД-31.15. Анализ данных режимометрии показал, что низкая эксплуатационная топливная экономичность объясняется концентрацией приоритетных по загрузке двигателя режимов работы вне зон, соответствующих минимальным удельным расходам топлива с преобладанием повышенных рабочих передач только в достаточно легких дорожных условиях.

Для оценки возможности снижения эксплуатационного расхода топлива были разработаны номограммы, по которым можно обеспечивать рациональное соответствие режима работы двигателя и рабочей передачи трансмиссии. Экспериментальная оценка эффективности оптимизации режимов работы двигателя и трансмиссии проводилась по данным эксплуатационных испытаний автомобиля КрАЗ-6510 в штатном исполнении и при оборудовании его бортовым указателем загрузки. Сравнительные испытания показали, что наличие указателя загрузки позволяет обеспечить снижение путевого расхода топлива на 6,3%.

Полученные закономерности распределения режимов работы автомобиля и двигателя позволили разработать алгоритм синтеза их оптимальных свойств, направленный на повышение