Мороз Валентин Валентинович

УДК 629. 113. 004

вибір доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті (НТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гутаревич Юрій Феодосійович, Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою “Двигуни і теплотехніка”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дикий Микола Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Теоретичної та промислової теплотехніки”;

кандидат технічних наук, доцент Жерновий Анатолій Сергійович, Державне підприємство “Державний автотранспортний науково-дослідний і проектний інститут”, завідуючий сектором стендових та дорожніх випробувань лабораторії дослідження використання палив та екології.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедри “Трактори і автомобілі” і “Експлуатація техніки та інженерний менеджмент”, м. Київ.

Захист відбудеться 27 травня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м.Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м.Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий ---“19 квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П.Матейчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що паливна економічність автомобілів з дизелями є значно кращою в порівнянні з автомобілями, на яких встановлені бензинові двигуни. Разом з тим слід відзначити, що в експлуатації знаходиться значна кількість вантажних автомобілів з бензиновими двигунами.

В останній час інтенсивно проходить процес заміни бензинових двигунів іншими типами двигунів, зокрема дизелями. Проведені раніше дослідження показують, що краща паливна економічність автомобіля з дизелем є загальновизнаною. Але перевага за екологічними показниками того чи іншого двигуна не є такою однозначною і залежить від багатьох експлуатаційних факторів. Тому при виборі доцільного типу двигуна для заміни в умовах експлуатації необхідно розглядати конкретні умови, в яких буде працювати автомобіль з врахуванням не тільки паливної економічності, але і екологічних показників автомобіля.

Враховуючи важливість зниження шкідливих викидів автомобільним транспортом, такий підхід і обумовлює актуальність теми дисертації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з науково–дослідною темою, що виконувалась в Національному транспортному університеті на кафедрі “Двигуни і теплотехніка”, “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації” (номер державної реєстрації № 0103U008563).

Мета та задачі дослідження.

Мета дослідження – підвищення паливної економічності та зниження викидів ДТЗ шляхом вибору доцільного типу двигуна для вантажних автомобілів з урахуванням умов експлуатації.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка методики вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації.

2. Розробка математичних моделей розрахунку паливної економічності та екологічних показників ДТЗ з урахуванням типу двигуна та умов експлуатації.

3. Проведення експериментальних досліджень по визначенню показників дизеля і вантажного автомобіля з ним.

4. Перевірка адекватності математичних моделей дизеля і автомобіля.

5. Проведення розрахунків на математичних моделях та розробка рекомендацій щодо вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації.

Об’єкт дослідження – вплив типу двигуна на показники вантажного автомобіля в різних умовах експлуатації.

Предмет дослідження – паливна економічність та екологічні показники вантажних автомобілів з різними типами двигунів в умовах експлуатації.

Методи дослідження – Експериментальним методом досліджувались екологічні та енергетичні показники дизеля та його паливна економічність. В стендових випробуваннях дизеля отримані вхідні дані для математичної моделі, яка складається з поліноміальних залежностей, алгебраїчних та диференціальних рівнянь, а також для перевірки адекватності математичної моделі. Експериментально в процесі дорожніх випробувань вантажного автомобіля ГАЗ-3309 з цим дизелем за міським їздовим циклом згідно з ГОСТ 20306–90 “Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний.” визначалась паливна економічність. Розрахунковим методом на математичній моделі визначались: витрата палива, викиди шкідливих речовин, ефективні показники бензинового двигуна і дизеля, витрати на паливо, збитки від шкідливої дії відпрацьованих газів (ВГ) двигунів та сума витрат на паливо і збитків від шкідливої дії ВГ в процесі руху вантажних автомобілів з бензиновим двигуном і дизелем за їздовими циклами згідно з ГОСТ 20306–90, які імітують умови руху автомобілів в експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів.

- розроблено методику, яка дозволяє вибирати доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням витрати палива, викидів шкідливих речовин та енергетичних показників двигуна автомобіля в залежності від умов його експлуатації;

- уточнено математичну модель шляхом введення в неї додаткової кількості показників роботи дизеля, що дозволяє більш об’єктивно оцінювати його екологічні показники в різних умовах експлуатації;

- запропоновано оцінювати доцільний тип двигуна з урахуванням витрат на експлуатацію автомобіля, які включають: витрати на паливо, збитки від шкідливої дії відпрацьованих газів двигуна та суми цих складових в різних умовах експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів роботи становлять:

- числові значення: витрати палива, шкідливих викидів, енергетичних показників бензинового двигуна і дизеля, витрат на паливо, збитків від шкідливої дії відпрацьованих газів двигунів та суми витрат на паливо і збитків від шкідливої дії відпрацьованих газів вантажними автомобілями з бензиновим двигуном і дизелем, які дають можливість визначити доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації;

- поліноміальні залежності, які описують енергетичні і екологічні показники та паливну економічність дизеля в різних швидкісних і навантажувальних режимах;

- рекомендації щодо вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації.

Результати досліджень прийнято Кіровоградським обласним автотранспортним управлінням для використання в автопідприємствах (Довідка № 05–2111 від 24.12.2004р.) та ВАТ “Кіровоградська станція технічного обслуговування вантажних і легкових автомобілів” (Довідка № 39 від 28.10.2004р.) з метою використання при переобладнанні вантажних автомобілів з бензинових двигунів на дизелі.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблено методику і уточнено математичну модель щодо визначення доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації, проведено експериментальні дослідження на дизелі Д-243 і автомобілі ГАЗ-3309 з цим дизелем і опрацьовано результати на ПК, проведено розрахункові дослідження та визначено доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації автомобілів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались та були представлені на 58-60 наукових конференціях професорсько-викладацького складу НТУ в 2002-2004 р.р., міжнародних конференціях “Покращення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і машин” (НТУ, 2003-2004 р.р.) та міжнародних конференціях “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” (Польща, Жешув, 2003-2004 р.р).

Публікації. Матеріали досліджень опубліковано в 8 статтях; з яких шість в фахових виданнях, дві в матеріалах міжнародних конференцій, а також в двох тезах доповідей на конференціях НТУ.

Обсяг і структура дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 110 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації складає 252 сторінки (з них 147 сторінок основного тексту, 38 рисунків, 33 таблиці).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі наводиться обґрунтування обраної теми, її актуальності, формулюються мета і задачі досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, зазначається об’єкт та предмет дослідження.

У першому розділі наводиться огляд характеристик типів двигунів за екологічними показниками, що встановлюються на вантажних автомобілях. Проведено аналіз наукових досліджень по впливу типу двигуна на експлуатаційні показники (тягово-швидкісні властивості, паливну економічність та екологічні показники) автомобілів. Наведені дані по заміні типу двигуна на вантажних автомобілях в умовах експлуатації.

З розподілу вантажних автомобілів державної і приватної форм власності за видом палива, що використовується, було встановлено, що на значній їх кількості встановлені бензинові двигуни і дизелі. Паливна економічність автомобіля з дизелем значно краща ніж у автомобіля з бензиновим двигуном при незначно гірших тягово-швидкісних властивостях. За екологічними показниками, а саме за викидами оксидів вуглецю і вуглеводнів автомобіль з дизелем має переваги; величини викидів оксидів азоту автомобілів, обладнаних дизелем і бензиновим двигуном, майже однакові. Суттєвим недоліком автомобіля з дизелем є викиди твердих частинок.

В результаті аналізу виконаних досліджень не вдалося однозначно встановити, який автомобіль з дизелем чи з бензиновим двигуном є більш небезпечним з точки зору екологічної безпеки. Це пояснюється великою різноманітністю умов експлуатації автомобілів з цими типами двигунів. В результаті сформульовано мету і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці загальної методики по вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації.

Загальна методика передбачає ряд теоретичних та експериментальних досліджень (рис.1).

Рис. 1. Структурна схема методики вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації

Одним з основних питань, що має бути вирішене при розробці методики, є вибір їздових циклів, які б в повній мірі імітували режими руху вантажних автомобілів, обладнаних дизелем і бензиновим двигуном, при визначенні паливної економічності та екологічних показників в умовах експлуатації. В дослідженні прийнято методику розрахунку паливної економічності та шкідливих викидів автомобілями з дизелем і бензиновим двигуном, що базується на визначенні режимів роботи двигунів при умовному русі автомобіля за їздовими циклами та відповідних цим режимам експериментально визначених екологічних показників та паливної економічності дизеля і бензинового двигуна з наступним розрахунком за цими даними витрати палива і шкідливих викидів в їздових циклах в цілому, на одиницю пробігу автомобіля та одиницю транспортної роботи.

Відомо багато різновидностей їздових циклів для випробування автомобілів на паливну економічність і викиди шкідливих речовин. Одним з таких циклів є цикл, який встановлюється згідно з ГОСТ 20306–90 “Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний.”. В дисертаційному дослідженні були прийняті для порівняння паливної економічності та екологічних показників вантажних автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном міський і магістральний випробувальні цикли для вантажних автомобілів повною масою більше 3,5 т, які регламентовані цим ГОСТом.

Третій розділ присвячується уточненню математичної моделі для визначення тягово-швидкісних, економічних і екологічних показників вантажного автомобіля з дизелем при відтворенні його руху за міським і магістральним їздовими циклами. За основу прийнята математична модель системи “водій-автомобіль-дорога”, яка була раніше розроблена в Національному транспортному університеті. Уточнення полягає в введенні в модель системи моделі дизеля Д-243, яка отримана в результаті обробки експериментальних даних та додаткових показників роботи дизеля. При цьому вперше в моделі відтворено рух автомобіля за міським і магістральним циклами.

Математична модель для визначення паливної економічності і екологічних показників вантажного автомобіля з дизелем при відтворенні його руху за міським і магістральним їздовими циклами представлена диференціальними і алгебраїчними рівняннями. Для прикладу система диференціальних рівнянь, які описують період рушання автомобіля з дизелем, який часто використовується в міському їздовому циклі, має вид:

;

; (1)

,

де – уповільнення колінчастого вала двигуна, хв-1·с-1; Мi – індикаторний крутний момент двигуна, Н·м; Мm – момент механічних втрат, Н·м; qц – циклова подача палива, мм3/цикл; Мзч – момент зчеплення, Н·м; – момент інерції двигуна, кг·м2; – прискорення веденої частини зчеплення, хв-1·с-1; Моп – момент опору рухові автомобіля, Н·м; Іаш – момент інерції мас автомобіля, що обертаються, зведених до зчеплення, кг·м2; – швидкість переміщення муфти регулятора, мм/c; н коефіцієнт в’язкого тертя в з’єднаннях регулятора, Н·с/мм; Рв – відцентрова (підтримуюча) сила тягарців, зведена до муфти регулятора, Н; z – положення муфти регулятора, мм; nн – частота обертання кулачкового вала паливного насосу високого тиску, хв-1; Ев – відновлююча сила, яка визначається деформацією пружини регулятора, Н. Величина деформації пружини залежить від встановленого водієм положення важеля керування паливоподачею цв і положення муфти z. Аналогічно було описано всі інші режими руху автомобіля в циклі. Поряд з цим, також визначались: витрата палива і викиди шкідливих речовин автомобілем.

За умов руху вантажних автомобілів, обладнаних дизелем і бензиновим двигуном, за випробувальним циклом, також визначались: витрати на паливо, збитки від шкідливої дії ВГ двигунів, сума цих складових та середні ефективні витрати палива і відповідно середні ефективні коефіцієнти корисної дії (ККД) дизеля та бензинового двигуна цих автомобілів.

Витрати на паливо Вп.ц (грн/км) на одиницю шляху їздового циклу автомобілями, обладнаними дизелем і бензиновим двигуном визначаються за залежністю:

Вп.ц = g · о, (2)

де g – питома витрата палива на один кілометр пробігу автомобілями в їздовому циклі, кг/км; о – вартість одного кілограма палива, грн/кг.

Збитки від шкідливої дії ВГ (грн / км) автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном в їздових циклах визначались з врахуванням відомої методики таким чином:

Зц = о · у · f ? УGшр.ц, (3)

де у – безрозмірний коефіцієнт відносної небезпеки, приймається залежно від території, що підпадає під забруднення; f – поправка, що враховує характер розсіювання забруднюючої речовини в атмосфері; ?Gшр.ц – сумарна питома маса викидів шкідливих речовин автомобілями в їздових циклах, кг/км

, (4)

де Ав – показник відносної агресивності в – го компонента шкідливих складових відпрацьованих газів; Gв – питомий викид в – го компонента, кг/км;

n – загальна кількість шкідливих компонентів, які прийняті для розрахунків.

Сумарна питома маса викидів шкідливих речовин в атмосферу автомобілями, як з дизелем так і з бензиновим двигуном, в їздових циклах розраховувалась з урахуванням викидів оксидів вуглецю, вуглеводнів, оксидів азоту та твердих частинок (тільки для дизеля).

Сума витрат на паливо та збитків від шкідливої дії ВГ ?зВп.ц (в грн/км) автомобілями, обладнаними дизелем і бензиновим двигуном, за їздовими циклами визначається за залежністю:

УзВп.ц = Вп.ц + Зц (5)

В міському і в магістральному їздових циклах, середній ефективний ККД, як для дизеля, так і для бензинового двигуна розраховується по аналогії з відомою залежністю за виразом:

, (6)

де Нu – нижча теплота згоряння палива, кДж/кг; gе.сер.ц – середня питома ефективна витрата палива дизелем і бензиновим двигуном в їздових циклах, кг / (кВт•год).

За умов руху автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном в їздових циклах gе.сер.ц визначається наступним чином:

, (7)

де Gk та Gk+1 – годинні витрати палива двигунами на початку та в кінці і-их ділянок (режимів) їздових циклів, кг/год; Nek та Nek+1 – ефективні потужності двигунів на початку та в кінці режимів їздових циклів, кВт; (для прикладу на рис. 2 показано магістральний їздовий цикл) n – загальна кількість режимів їздових циклів; Рі – фактор вагомості і-го режиму їздових циклів.

Рис.2. Магістральний їздовий цикл для вантажних автомобілів

повною масою більше 3,5 т згідно з ГОСТ 20306–90

Фактор вагомості і-го режиму в їздовому циклі для обох типів автомобілів визначається за залежністю:

, (8)

де ?tі – час, який витрачають автомобілі на подолання відстані кожної і-ої ділянки (режиму) їздових циклів, с; ?Тц – загальний час, який витрачають автомобілі в їздових циклах, с.

В цьому розділі, також наведено метод геометричної прогресії розрахунку передаточних чисел трансмісії для автомобіля з дизелем за умов забезпечення його максимальної швидкості в магістральному їздовому циклі.

В заключній частині третього розділу наводяться блок-схеми алгоритмів розрахунку показників автомобіля з дизелем в процесах неусталеного руху та руху з сталою швидкістю і таблиці ідентифікаторів, які використовувались в програмах.

Четвертий розділ розкриває мету, методику, програму та об’єкти експериментальних досліджень.

Метою експериментальних досліджень є:

1. Визначення енергетичних та екологічних показників дизеля, його паливної економічності при роботі в різних навантажувальних і швидкісних режимах та в режимах активного і примусового холостого ходу.

2. Отримання вихідних даних для розрахункових досліджень на математичній моделі.

3. Визначення показників вантажного автомобіля, обладнаного дизелем, в дорожніх умовах для перевірки адекватності математичної моделі.

Програма експериментальних досліджень включала:

1. Стендові дослідження на дизелі 4Ч11,0/12,5 (Д-243), під час яких визначались навантажувальні характеристики в різних швидкісних режимах, характеристики активного і примусового холостого ходу.

2. Дорожні випробування вантажного автомобіля ГАЗ-3309, при яких визначалась його паливна економічність та тягово-швидкісні властивості.

Об’єктом стендових досліджень був дизель Д-243. На дизелі був встановлений серійний паливний насос 4УТНМ з відцентровим механічним всережимним регулятором.

Об’єктом дорожніх досліджень був вантажний автомобіль ГАЗ-3309, на

якому встановлений дизель Д-243.

Методика проведення експериментальних досліджень.

Навантажувальні характеристики дизеля визначались згідно ГОСТ 18509–88 при частотах обертання 1150, 1325, 1500, 1675 та 1850 хв-1. При цьому визначались: ефективний крутний момент, частота обертання колінчастого вала дизеля, витрати палива і повітря, концентрації шкідливих речовин і димність відпрацьованих газів.

Під час дорожніх випробувань автомобіля ГАЗ-3309 з дизелем за міським їздовим циклом визначалась витрата палива, час на виконання циклу та швидкість в циклі згідно ГОСТ 20606–90.

Навантажувальні характеристики, характеристики активного і примусового холостого ходу, характеристику механічних втрат для бензинового двигуна 8Ч9,2/8,0 (ЗМЗ-53-12) було запозичено в роботі, яка виконувалась раніше на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету.

П’ятий розділ присвячується результатам експериментальних досліджень і розрахункам на математичній моделі.

Результати експериментальних досліджень включають: навантажувальні характеристики дизеля Д-243 в різних швидкісних режимах, характеристики активного і примусового холостого ходу, характеристику механічних втрат дизеля, експериментальну залежність швидкості автомобіля ГАЗ-3309 та витрату палива за міським їздовим циклом. Крім того, в роботі визначались екологічні показники роботи дизеля Д-243 за Правилами № 49 ЄЕК ООН. Годинні витрати палива, повітря та концентрації шкідливих речовин в відпрацьованих газах дизеля за режимами тринадцятиступінчастого циклу Правил №49 визначались з навантажувальних характеристик та характеристики активного холостого ходу дизеля Д-243 при відповідних значеннях відсотка навантажень і частот обертання колінчастого вала дизеля. Подальший розрахунок об’ємної або масової витрати відпрацьованих газів (вологої або сухої), годинних і питомих мас шкідливих речовин з відпрацьованими газами здійснювався згідно нормативної документації Правил № 49ЄЕК ООН. В результаті розрахунку питомі маси шкідливих речовин становлять: оксидів вуглецю СО 11,87 г/(кВт · год), вуглеводнів CmHn 0,84г/кВт · год), оксидів азоту NOx 12,88 г/(кВт • год). Питома розрахункова витрата палива дизелем становить 252,80 г/(кВт • год). Отримані дані свідчать, що дизель на якому проводились експериментальні випробування, відповідає вимогам Поправки “01”, Директиви 88/77/ЄЕС (1990 рік введення в дію). Нормативні викиди шкідливих речовин згідно цієї Поправки становлять: оксидів вуглецю СО ,3 г/(кВт • год), вуглеводнів CmHn 2,6 г/(кВт · год), оксидів азоту NOx 15,8 г/(кВт • год).

На рис. 3 показано два перших комплекси режимів руху автомобіля в експерименті та співставлення його з рухом автомобіля, отриманим шляхом розрахунку на математичній моделі за допомогою ПК. Час (t=282,1 с) та середня швидкість руху автомобіля (Vсер=31,9 км/год), отримані шляхом розрахунку, відрізняються від часу (t=288,0 с) та середньої швидкості руху (Vсер=31,2 км/год) автомобіля, отриманих в експерименті, на 2,00%. Витрата палива (Vпал=460,0 мл) автомобіля в випробувальному циклі, яка отримана шляхом розрахунку, відрізняється від витрати палива (Vпал=481,2 мл) автомобіля, яка отримана в експерименті, на 4,61%. Наведені дані підтверджують адекватність уточненої в роботі математичної моделі і можливість її використання для проведення порівняльних розрахунків по впливу типу двигуна на показники автомобіля.

Розрахунки показників вантажних автомобілів (ГАЗ-3309 з дизелем та ГАЗ-53-12 з бензиновим двигуном ЗМЗ-53-12) на математичній моделі оцінювались при відтворенні їх руху за вище згаданими міським і магістральним їздовими циклами. Отримані середні швидкості руху автомобілів відрізняються в середньому (при масі вантажу 2 т) на 2,7 % і 3,2 % відповідно в міському і магістральному циклах на користь автомобіля з бензиновим двигуном, що свідчить про незначно гірші тягово-швидкісні властивості автомобіля з дизелем.

Витрата палива g автомобілем з дизелем менша (в середньому) за витрату палива автомобілем з бензиновим двигуном, як в міському (рис. 4), так і в магістральному (рис. 5) їздових циклах відповідно на: 31,4 і 22,7 %.

Рис. 4. Залежності витрати палива та викидів шкідливих речовин автомобілів ГАЗ-3309 і ГАЗ-53-12 від маси вантажу в міському їздовому циклі

Рис. 5. Залежності витрати палива та викидів шкідливих речовин автомобілів ГАЗ-3309.М і ГАЗ-53-12 від маси вантажу в магістральному їздовому циклі

Порівнюючи сумарні, приведені до оксиду вуглецю, викиди УСО видно, що в міському циклі більш токсичним є автомобіль з дизелем (в середньому на 12,6 %), а в магістральному циклі більш небезпечним є автомобіль з бензиновим двигуном (в середньому на 10,0 %).

При розрахунках в магістральному їздовому циклі на автомобілі ГАЗ-3309 використовувалася розрахункова восьмиступінчаста коробка передач (КП). Це позначає літера „М”, яка відноситься до маркування автомобіля з дизелем. Передаточне число головної передачі було прийнято в розрахунках таке саме, як і для автомобіля ГАЗ-3309 з базовою п’ятиступінчастою КП. Це пов’язано з тим, що максимальна швидкість автомобіля ГАЗ-3309 з п’ятиступінчастою КП складає 70 км/год, що не є достатньою для реалізації режимів магістрального їздового циклу. Порівняння тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності та екологічних показників цих варіантів автомобілів при відтворенні їх руху за міським їздовим циклом, суттєво не відрізняються і є майже однаковими.

Порівняння ефективних показників, витрат на експлуатацію автомобіля ГАЗ-3309 з стандартною п’ятиступінчастою коробкою передач та його модифікації ГАЗ-3309.М з розрахунковою восьмиступінчастою коробкою передач в міському їздовому циклі, показує що: різниця між середніми питомим ефективними витратами палива gе.сер.ц, а відповідно і середніми ефективними ККД е.сер.ц у цих варіантів автомобілів, складає (в середньому) 1,1 %; збитки від шкідливої дії ВГ дизеля Зц у ГАЗ – 3309.М вищі (в середньому) на 4,8 %, також і витрати на паливо Вп.ц вищі для ГАЗ – 3309.М (в середньому) на 4,9 % та сума витрат на паливо і збитків від шкідливої дії ВГ ЗВп.ц вища для ГАЗ – 3309.М (в середньому) на 4,8 %.

Середня питома ефективна витрата палива gе.сер.ц дизеля менша в порівнянні з gе.сер.ц бензинового двигуна, як в міському (рис. 6) так і в магістральному (рис. 7) їздових циклах відповідно на 32,3 % та 21,6 %.

Рис. 6. Залежності ефективних показників, витрат на експлуатацію автомобілів ГАЗ-3309 і ГАЗ-53-12 від маси вантажу в міському їздовому циклі

Рис. 7. Залежності ефективних показників витрат на експлуатацію автомобілів ГАЗ-3309.М і ГАЗ-53-12 від маси вантажу в магістральному їздовому циклі

Середній ефективний ККД е.сер.ц, як в міському так і в магістральному циклах вищий відповідно на величини, які відповідають межам gе.сер.ц. Збитки від шкідливої дії ВГ двигунів Зц в міському циклі більші (в середньому) на 1,7 % для автомобіля з дизелем, а в магістральному циклі вони вищі (в середньому) на 10,1 % у автомобіля з бензиновим двигуном; витрати на паливо, як в міському, так і в магістральному циклах вище для автомобіля з бензиновим двигуном (в середньому) відповідно на 30,1 % і 19,0 %. Сума витрат на паливо і збитків від шкідливої дії ВГ ЗВп.ц в міському циклі для автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном практично однакові (різниця між ними складає в середньому 0,2 %), а в магістральному циклі ця сума вища (в середньому) на 10,4 % для автомобіля з бензиновим двигуном.

ВИСНОВКИ

1. Нафтові моторні палива на найближчу перспективу все ще будуть залишатися основою енергозабезпечення дорожніх транспортних засобів, хоча їх частка в сумарному енергетичному балансі постійно зменшується. Одним з найперспективніших шляхів економії моторного палива на сучасному етапі є дизелізація автомобільного транспорту, в тому числі шляхом заміни бензинових двигунів дизелями в умовах експлуатації. Аналіз проведених в цьому напрямі досліджень показує, що немає однозначної відповіді на питання з яким типом двигуна автомобіль кращий з точки зору екологічної безпеки. Тому при виборі доцільного типу двигуна при заміні в умовах експлуатації необхідно враховувати нарівні з паливною економічністю і екологічні показники автомобіля з тим чи іншим типом двигуна, а також і умови, в яких буде працювати переобладнаний автомобіль. Ця науково-технічна задача і вирішувалась при виконанні дисертаційної роботи.

2. Розроблено методику по вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля в залежності від умов експлуатації, яка дозволяє визначати витрату палива, викиди шкідливих речовин з відпрацьованими газами двигунів, витрати: на паливо, збитки від шкідливої дії відпрацьованих газів двигунів, суму витрат на паливо і збитків від шкідливої дії відпрацьованих газів двигунів; середній ефективний експлуатаційний ККД двигунів.

3. Уточнено математичну модель системи водій-автомобіль-дорога для вантажного автомобіля з дизелем Д-243 при відтворенні його руху за міським і магістральним їздовими циклами. Ця модель дозволяє визначати витрату палива та шкідливі викиди автомобіля з різними типами двигунів. В моделі враховані особливості розрахунку викидів твердих частинок з ВГ дизеля, а також можливість використання на вантажному автомобілі, обладнаного дизелем, восьмиступінчастої розрахункової коробки передач. Експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність цієї моделі.

4. Приведені порівняльні розрахункові дослідження на математичній моделі тягово-швидкісних властивостей автомобілів показали, що автомобіль з бензиновим двигуном має в середньому на 2,7% і 3,2% вищу середню швидкість руху відповідно в міському і магістральному циклах.

Як в міському, так і в магістральному циклах кращу паливну економічність має автомобіль з дизелем відповідно (в середньому) на 31,4 і 22,7%.

В міському циклі автомобіль з дизелем токсичніший в порівнянні з автомобілем з бензиновим двигуном (в середньому) на 12,6%, а в магістральному циклі більшу екологічну небезпеку представляє автомобіль з бензиновим двигуном (в середньому) на 10,0%. Більша токсичність відпрацьованих газів автомобіля з дизелем пояснюється наявністю в їх складі твердих частинок, тому підприємствам, які займаються переобладнанням автомобілів з бензинових двигунів на дизелі можна рекомендувати встановлювати в системі випуску відпрацьованих газів дизеля сажові фільтри.

5. Розрахункові тягово-швидкісні властивості, витрати палива та викиди шкідливих речовин автомобілів (ГАЗ-3309 і ГАЗ-3309.М) з дизелем, які було обладнано п’ятиступінчастою і розрахунковою восьмиступінчастою коробками передач в міському циклі суттєво не відрізняються і є майже однаковими. Тому в умовах експлуатації допустимо разом з заміною типу двигуна встановлювати іншу коробку передач, яка дозволяє не зменшувати швидкість руху автомобіля.

Розраховані ефективні показники, витрати на експлуатацію автомобілів ГАЗ-3309 та його модифікації ГАЗ-3309.М в міському їздовому циклі, засвідчують, що різниця між питомими ефективними витратами палива, а відповідно і середніми ефективними ККД двигунів у цих варіантів автомобілів, складає (в середньому) 1,1 %; збитки від шкідливої дії відпрацьованих газів у ГАЗ-3309.М вищі (в середньому) на 4,8 %, також і витрати на паливо вищі для ГАЗ-3309.М (в середньому) на 4,9 % та сума витрат на паливо і збитків від шкідливої дії відпрацьованих газів вищі для ГАЗ – 3309.М (в середньому) на 4,8%.

6. Отримані за результатами розрахункових досліджень ефективні показники, витрати на експлуатацію автомобілів, обладнаних дизелем і бензиновим двигунами за відтвореними випробувальними циклами свідчать про те, що середня питома ефективна витрата палива дизеля менша (в середньому) за аналогічну величину бензинового двигуна, як в міському, так і в магістральному їздових циклах відповідно на 32,3% та 21,6%; середній ефективний ККД як в міському так і в магістральному циклах у дизеля вище відповідно на величини, які відповідають значенням середніх питомих ефективних витрат палива; збитки від шкідливої дії відпрацьованих газів двигунів в міському циклі більші (в середньому) на 1,7% для автомобіля з дизелем, а в магістральному циклі вони вище (в середньому) на 10,1% у автомобіля з бензиновим двигуном; витрати на паливо, як в міському так і в магістральному циклах вище для автомобіля з бензиновим двигуном (в середньому) відповідно на 30,1% і 19,0%; сума витрат на паливо і збитків від шкідливої дії відпрацьованих газів в міському циклі для автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном практично однакові (різниця між ними складає в середньому 0,2% на користь автомобіля з бензиновим двигуном), а в магістральному циклі ця сума вища (в середньому) на 10,4% для автомобіля з бензиновим двигуном.

7. На основі проведених розрахунково-теоретичних досліджень видно, що як в міському так і в магістральному їздових циклах у автомобіля з дизелем (як з п’ятиступінчастою так і з розрахунковою восьмиступінчастою коробками передач), беззаперечно, краща паливна економічність в порівнянні з автомобілем на якому встановлено бензиновий двигун. Щодо токсичності відпрацьованих газів, то автомобіль з дизелем переважає тільки в магістральному їздовому циклі. Тому вантажний автомобіль з дизелем Д-243, який відповідає комплектації (коробками передач) наведеній в дисертаційній роботі доцільно рекомендувати (з точки зору екологічної безпеки) для експлуатації по заміських маршрутах.

Результати дисертаційного дослідження прийняті до використання Кіровоградським обласним автотранспортним управлінням та ВАТ “Кіровоградська станція технічного обслуговування вантажних і легкових автомобілів”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мороз В.В. До розробки методики вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля // Вісник НТУ і ТАУ. – 2002. – № 7. – С.337–339.

2. Мороз В.В. Математична модель дизеля для використання в системі водій-автомобіль-дорога // Системні методи керування, технологія, та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Науковий журнал НТУ, ТАУ. – 2003. – № 16 – С.147–151.

3. Гутаревич Ю.Ф., Мороз В.В. Порівняння паливної економічності та екологічних показників дизеля і бензинового двигуна // Вісник Північного наукового центру. Окремий випуск. – 2002. – № 5. – С.31–33.

4. Гутаревич Ю.Ф, Мороз В.В. Математичне описання дизеля, як споживача палива та джерела шкідливих викидів на автомобілі // Sakon’03 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XІV konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2003. – Р.117 – 120.

5. Гутаревич Ю.Ф, Матейчик В.П., Мороз В.В., Логвин С.М. Порівняння показників вантажних автомобілів з двигунами різних типів // Вісник НТУ. – 2003. – № 8. – С. 266–268.

6. Матейчик В.П., Мороз В.В. Перевірка адекватності математичної моделі руху вантажного автомобіля за їздовим циклом // Sakon’04 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XV konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2004. – Р.197 – 200.

7. Гутаревич Ю.Ф, Матейчик В.П., Мороз В.В. Порівняння паливної економічності вантажних автомобілів, обладнаних різними типами двигунів // Вісник Північного наукового центру. Окремий випуск. – 2004. – № 7. – С.23–26.

8. Гутаревич Ю.Ф., Мороз В.В. Порівняння екологічних показників вантажних автомобілів з двигунами різних типів за їздовими циклами // Вісник НТУ. – 2004. – № 9. – С. 86–91.

9. Мороз В.В. Дизель, як джерело шкідливих викидів та споживач палива // 59 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2003. – С. 13.

10. Мороз В.В. Визначення викидів шкідливих речовин та споживання палива автомобілем ГАЗ-3309 з дизелем Д-243 за міським їздовим циклом // 60 ювілейна наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2004. – С. 15.

АНОТАЦІЯ

Мороз В.В. Вибір доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту. – Національний транспортний університет, Київ, 2005.

Дисертація присвячена вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля. Розглядається можливість обладнання автомобіля дизелем і бензиновим двигуном.

В дисертаційній роботі розроблено методику, яка дозволяє вибирати доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля в залежності від умов його експлуатації.

Для реалізації методики було уточнено математичну модель розрахунку витрати палива, викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами дизеля вантажного автомобіля. Запропоновано оцінювати доцільний тип двигуна з урахуванням витрат на експлуатацію вантажного автомобіля та енергетичних показників двигуна при русі вантажного автомобіля за їздовими циклами. Дослідження, проведені на цій моделі, показали, що у автомобіля з дизелем беззаперечно краща паливна економічність незалежно від умов його руху в порівнянні з автомобілем, на якому встановлено бензиновий двигун. Враховуючи екологічні показники та витрати на експлуатацію автомобіль з дизелем має переваги для експлуатації по магістральному їздовому циклу, а автомобіль з бензиновим двигуном по міському їздовому циклу.

Достовірність, отриманих на математичній моделі результатів показників вантажного автомобіля з дизелем в міському їздовому циклі було підтверджено задовільним збігом з результатами дорожніх випробувань вантажного автомобіля з дизелем за тим самим їздовим циклом.

Ключові слова: Доцільний тип двигуна, вантажний автомобіль, математична модель, витрата палива, викиди шкідливих речовин, умови експлуатації, витрати на експлуатацію, енергетичні показники, їздові цикли.

АННОТАЦИЯ

Мороз В.В. Выбор целесообразного типа двигателя для грузового автомобиля с учётом условий эксплуатации. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 – Эксплуатация и ремонт средств транспорта. – Национальный транспортный университет, Киев, 2005.

В диссертационной работе разработана методика, которая позволяет выбирать целесообразный тип двигателя для грузового автомобиля в зависимости от условий его эксплуатации. Анализируется возможность установки на автомобиль дизеля и бензинового двигателя.

Для реализации методики была уточнена математическая модель расчёта расхода топлива, выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля грузового автомобиля. Также предложено оценивать целесообразный тип двигателя с учётом его энергетических показателей и расходов на эксплуатацию автомобиля (который оборудовано дизелем и бензиновым двигателем), под которыми понимаются: расходы на топливо автомобилем, ущерб от вредного воздействия отработавших газов двигателей и суммы расходов на топливо и ущерба от вредного воздействия отработавших газов двигателей при движении грузового автомобиля по городскому и магистральному ездовым циклам, которые соответствуют требованиям ГОСТ 20306–90. Для обеспечения максимальной скорости движения грузового автомобиля с дизелем по магистральному ездовому циклу был выполнен расчёт по определению передаточных чисел его коробки передач.

Проведёны экспериментальные исследования: по определению расхода топлива и экологических показателей дизеля Д-243 в лабораторных условиях на тормозном стенде, а также дорожных испытаний автомобиля ГАЗ-3309 с этим дизелем по определению его расхода топлива и тягово-скоростных свойств в городском ездовом цикле. Достоверность полученных на математической модели результатов показателей грузового автомобиля с дизелем по городскому ездовому циклу было подтверждено удовлетворительным совпадением с результатами дорожных испытаний грузового автомобиля с дизелем по тому же самому ездовому циклу.

Результаты расчёта на математической модели показывают, что тягово-скоростные свойства грузового автомобиля с дизелем, как по городскому так и по магистральному ездовым циклам незначительно хуже чем, аналогичные свойства грузового автомобиля с бензиновым двигателем.

Автомобиль с дизелем является более экономичным, чем автомобиль с бензиновым двигателем как по городскому так и по магистральному ездовым циклам. По выбросам вредных веществ установлено, что независимо от условий движения, автомобиль с дизелем выбрасывает намного меньше оксидов углерода и углеводородов по сравнению с автомобилем с бензиновым двигателем. Величины выбросов оксидов азота этих автомобилей являются приблизительно одинаковыми и зависят от условий их движения. По городскому ездовому циклу выбросы больше для автомобиля с дизелем, а по магистральному циклу для автомобиля с бензиновым двигателем. Существенным недостатком дизеля является выброс твёрдых частиц.

Таким образом, в результате расчёта на математической модели по суммарной, приведённой к оксиду углерода, токсичности более опасным в городском цикле является автомобиль с дизелем, а в магистральном цикле большую опасность представляет автомобиль с бензиновым двигателем.

Расчётные тягово-скоростные свойства, топливная экономичность и экологические показатели автомобиля с дизелем при движении по городскому ездовому циклу при использовании на нём коробок передач с разными передаточными числами существенным образом не отличаются и являются практически одинаковыми.

Рассчитанные расходы на эксплуатацию автомобилей с дизелем и с бензиновым двигателем свидетельствуют о том, что у автомобиля с дизелем расходы на топливо меньшие как в городском так и магистральном циклах. По ущербу от вредного воздействия отработавших газов автомобиль с дизелем является предпочтительным только в магистральном цикле. По сумме расходов на топливо и ущерба от вредного воздействия отработавших газов автомобиль с дизелем хуже автомобиля с бензиновым двигателем в городском цикле.

Рассчитанные расходы на эксплуатацию автомобиля с дизелем при использовании на нём коробок передач с разными передаточными числами, в городском цикле, существенным образом не отличаются и являются практически одинаковыми.

Ключевые слова: Целесообразный тип двигателя, грузовой автомобиль, математическая модель, расход топлива, выбросы вредных веществ, условия эксплуатации, расходы на эксплуатацию, энергетические показатели, ездовые циклы.

THE SUMMARY

Мoroz V.V. A choice of expedient type of the engine for a lorry in view of conditions operation. - the Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in technical sciences specialty .22.20 – exploitation and repair