РАЗДЕЛ 1 ГЛАВА 1
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
андрюхіна Олена Сергіївна
УДК 629. 113. 004
РОЗРОБКА СПРОЩЕНОГО ВИПРОБУВАЛЬНОГО ЦИКЛУ
ДЛЯ ПЕРЕВІРКИ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ ЛЕГКОВИХ АВТОМОБІЛІВ В УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
Спеціальність 05.22.20 – експлуатація та ремонт засобів транспорту
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2006
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 “Теоретична та промислова теплотехніка”;
кандидат технічних наук, доцент
Сітовський Олег Пилипович,
Луцький державний технічний університет,
доцент кафедри “Автомобілі”.
Провідна установа: Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, кафедри “Технологія аеропортів” та “Безпека життєдіяльності”, м. Київ.
Захист відбудеться 26.05. 2006 р. о ___10__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .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 14.04.2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.П.Матейчик
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Технічний стан автомобіля, його паливна економічність і екологічні показники об’єктивно оцінюються при його випробуванні за їздовими циклами. Випробувальні їздові цикли включають неусталені режими руху, імітація яких вимагає спеціального устаткування, застосування якого для умов експлуатації досить ускладнено. Тому важливим є питання створення їздового циклу, який складатиметься з усталених навантажувальних режимів і буде легко відтворюваним в умовах експлуатації з точки зору наявності обладнання для контролю екологічних показників і паливної економічності та дозволить об’єктивно визначати технічний стан двигуна автомобіля.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових робіт НТУ на 2004 та 2005 роки за темою “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації” (РК № 0103U008563).
Мета та задачі дослідження. Метою роботи є створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля в умовах експлуатації, що дозволить своєчасно виявляти і усувати несправності і відхилення від оптимальних регулювань і таким чином покращити паливну економічність і екологічні показники автомобілів в умовах експлуатації.
Для досягнення мети в дисертації вирішено такі задачі:
Розробка методики створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля в експлуатаційних умовах.
Уточнення математичної моделі руху автомобіля за Європейським їздовим циклом, яка дозволяє визначати енергетичні і екологічні показники та паливну економічність легкового автомобіля з бензиновим двигуном в умовах експлуатації.
Проведення експериментальних досліджень щодо визначення показників роботи бензинового двигуна, які характеризують його як джерело енергії та шкідливих викидів і споживача палива та повітря.
Перевірка адекватності математичної моделі бензинового двигуна як джерела енергії, шкідливих викидів та споживача палива та повітря.
Проведення стендових випробувань легкового автомобіля з бензиновим двигуном за Європейським їздовим циклом на моделюючому роликовому стенді.
Перевірка адекватності уточненої математичної моделі руху легкового автомобіля за їздовим циклом.
Проведення розрахункових досліджень щодо визначення режимів, які складатимуть спрощений випробувальний цикл для перевірки технічного стану бензинового двигуна.
Перевірка адекватності розробленого спрощеного випробувального циклу.
Проведення розрахункових досліджень щодо виявлення можливості використання принципів складання спрощеного циклу для перевірки технічного стану двигунів різних моделей.
Проведення експериментальних досліджень щодо виявлення імітованих несправностей та відхилень в регулюваннях основних систем бензинового двигуна за паливною економічністю та екологічними показниками, визначеними в режимах розробленого спрощеного випробувального циклу.
Об’єкт дослідження – заміна неусталених режимів Європейського їздового циклу усталеними режимами спрощеного випробувального циклу, перевірка за яким дозволяє об’єктивно оцінити технічний стан двигуна автомобіля.
Предмет дослідження – паливна економічність і шкідливі викиди автомобілів в їздових циклах: Європейському і спрощеному.
Методи дослідження. Експериментальним методом здійснено: дослідження двигуна ВАЗ_, як споживача палива, повітря і джерела енергії та шкідливих викидів; дослідження паливної економічності та екологічних показників двигуна ВАЗ_при імітації несправностей, характерних для умов експлуатації, в режимах розробленого спрощеного випробувального циклу; дослідження паливної економічності автомобіля ВАЗ_при його русі за режимами Європейського їздового циклу на спеціальному моделюючому стенді. Розрахунковим методом за математичною моделлю визначались екологічні показники та паливна економічність автомобіля ВАЗ_під час його руху за їздовим циклом, що імітує умови руху в експлуатації; визначались режими спрощеного випробувального циклу для двигунів ВАЗ_та МеМЗ_, масові викиди шкідливих речовин та паливна економічність в режимах спрощеного випробувального циклу.
Наукова новизна одержаних результатів. Запропонована методика створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля за екологічними показниками та паливною економічністю в експлуатаційних умовах.
Уточнено математичну модель для визначення паливної економічності та екологічних показників в процесі руху за режимами Європейського їздового циклу, яка враховує особливості характеристик двигуна і автомобіля ВАЗ_.
Вперше встановлено, що заміна неусталених режимів Європейського їздового циклу усталеними можлива для створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану двигунів легкових автомобілів.
Практичне значення одержаних результатів. Отримано математичні моделі, які описують енергетичні і екологічні показники та паливну економічність бензинового двигуна ВАЗ_в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів експлуатації.
Отримано числові значення витрати палива автомобілем ВАЗ_з двигуном ВАЗ_при його русі за режимами Європейського їздового циклу.
Визначено режими, які складатимуть спрощений випробувальний цикл для визначення технічного стану двигунів ВАЗ_та МеМЗ_.
Результати досліджень використано ДП “ДержавтотрансНДІпроект”.
Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблено методику визначення режимів спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля в експлуатаційних умовах, уточнено математичну модель щодо визначення паливної економічності та шкідливих викидів автомобіля за режимами Європейського їздового циклу, визначено режими спрощеного випробувального циклу та проведено всі розрахунки. З участю здобувача проведено експериментальні дослідження бензинового двигуна ВАЗ_та автомобіля ВАЗ_.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ в 2004_ рр. м. Київ; на Міжнародній конференції “Управління безпекою на автомобільному транспорті” в 2004 р. в ДП “ДержавтотрансНДІпроект” м. Київ; на IV Міжнародній науковій конференції студентів та аспірантів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” м. Донецьк в 2005 р; на VIIІ Міжнародній науково-технічній конференції “Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы” м. Севастополь в 2005 р; на Міжнародній конференції “Metody obliezeniowe i badawcze w pozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” м. Жешув, 2005 р.
Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в дев’яти статтях, вісім з яких в фахових виданнях, та трьох тезах доповідей.
Обсяг і структура дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 116 найменувань і додатків. Повний обсяг дисертації становить 171 сторінку (з них 120 сторінок основного тексту, 32 рисунки, 36 таблиць).
основний ЗМІСТ
У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, задачі, об’єкт і предмет дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення, інформація про апробації та публікацію основних положень дисертації.
У першому розділі розглянуто і проаналізовано дію автомобільного транспорту на людину і довкілля, вплив режимів роботи бензинових двигунів на кількість шкідливих речовин та паливну економічність автомобіля; проведено аналіз наукових досліджень щодо впливу несправностей автомобіля на показники роботи двигунів автомобіля в умовах експлуатації. Відзначено, що з метою підвищення паливної економічності та екологічних показників необхідно проводити систематичні перевірки технічного стану двигунів автомобілів в умовах експлуатації. Повну інформацію про технічний стан двигуна і автомобіля можна отримати під час перевірки транспортних засобів за їздовими циклами, які включають найбільш вживані в умовах експлуатації неусталені режими.
Виконано порівняльний аналіз методик діагностування транспортних засобів за витратою палива та екологічними показниками і методів контролю екологічних показників автомобілів. Показано, що використання підходу заміни неусталених режимів їздового циклу усталеними, які характеризуються “середніми точками” режимів, можна застосовувати при складанні випробувальних циклів для перевірки технічного стану та діагностування двигунів транспортних засобів, що дозволить значно скоротити обсяг експериментальних робіт та об’єктивно визначати ефективність заходів щодо підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів автомобілів. Разом з тим, в проведених раніше дослідженнях, “середні точки” окремих режимів визначались за результатами експериментів. Тому визначення таких точок для автомобілів різних моделей є трудомістким і вимагає значних матеріальних витрат та наявності відповідного обладнання.
Обрано метод розробки спрощеного випробувального циклу заміною неусталених режимів Європейського їздового циклу набором усталених з використанням математичної моделі руху автомобіля.
Другий розділ присвячений розробці загальної методики створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану двигуна легкового автомобіля в експлуатаційних умовах (рис.1), яка передбачає ряд теоретичних та експериментальних досліджень. Одним з основних питань, яке вирішувалось при розробці методики, є вибір їздового циклу, який в повній мірі імітує режими руху легкових автомобілів з бензиновими двигунами в умовах експлуатації. На сьогодні відомо багато різновидів випробувальних циклів для випробування автомобілів на паливну економічність і викиди шкідливих речовин. Одним з них є міський Європейський їздовий цикл, який обрано для дослідження паливної економічності та шкідливих викидів легкового автомобіля з бензиновим двигуном. Необхідно зазначити, що при випробуваннях легкових автомобілів режими цього циклу аналогічні режимам міського циклу, який регламентовано ГОСТ 20306–90 “Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний”.
Третій розділ присвячується уточненню математичної моделі для визначення тягово-швидкісних, економічних і екологічних показників легкового автомобіля з бензиновим двигуном при відтворенні його руху за міським Європейським їздовим циклом, а також принципам визначення спрощеного випробувального циклу. За основу прийнята математична модель системи “водій-автомобіль-дорога”, розроблена в Національному транспортному університеті. Уточнення полягає у внесенні в модель руху автомобіля моделі бензинового двигуна ВАЗ_, отриманої в результаті опрацювання експериментальних даних та розробці принципів заміни неусталених режимів руху усталеними.
1. Аналіз досліджень, спрямованих на пошук шляхів визначення технічного стану двигунів автомобілів в умовах експлуатації | 2. Аналіз існуючих їздових циклів, які застосовують для дослідження
паливної економічності автомобіля, вибір їздового циклу, за яким здійснюватимуться дослідження
3. Уточнення математичної моделі визначення показників роботи легкового автомобіля ВАЗ_з бензиновим двигуном ВАЗ_
в експлуатаційних умовах | 4. Проведення експериментальних стендових досліджень бензинового
двигуна ВАЗ_для визначення показників його роботи, складання
математичних моделей, що описують двигун як джерело енергії,
шкідливих викидів та споживача палива і повітря | 5.Перевірка адекватності математичної моделі порівнянням результатів, отриманих в результаті математичного моделювання та
експериментальних випробувань | 6. Проведення експериментальних випробувань автомобіля ВАЗ_з
бензиновим двигуном ВАЗ_для визначення показників роботи
автомобіля при його русі за їздовим циклом на стенді | 7. Розробка спрощеного випробувального циклу для перевірки екологічних
та паливно-економічних показників двигунів автомобілів | 8. Перевірка адекватності розробленого спрощеного випробувального циклу | 9. Проведення стендових випробувань двигуна ВАЗ–2106 щодо виявлення
імітованих несправностей систем живлення і запалювання при випробуваннях
двигуна за розробленим спрощеним випробувальним циклом | 10. Оцінка можливості використання принципів створення спрощеного випробувального циклу для будь-якого двигуна легкового автомобіля, на прикладі автомобіля ЗАЗ_“Таврія” з двигуном МеМЗ_ |
Рис. 1. Загальна структура методики створення спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля в експлуатаційних умовах
Математична модель для визначення паливної економічності і екологічних показників легкового автомобіля з бензиновим двигуном при відтворенні його руху за міським Європейським їздовим циклом представлена системою диференціальних і алгебраїчних рівнянь.
Для прикладу рівняння, які описують період розгону автомобіля при зблокованому зчепленні, який широко використовується в міському Європейському їздовому циклі, мають вигляд:
, (1)
, (2)
, (3)
, (4)
, (5)
, (6)
де зТ _ККД трансмісії; д – коефіцієнт врахування мас, які обертаються; rд – динамічний радіус колеса, м; m0 – маса автомобіля, кг; mв – маса вантажу, кг; Ui – передаткове число коробки передач; Ur – передаткове число роздавальної коробки передач; Pf _сила опору коченню автомобіля, Н; де f – коефіцієнт опору коченню, Н/кг; б — кут підйому (спуску) дороги, град; Pi _сила опору підйому, Н; Pw _сила опору повітря, Н; kF – фактор опору повітря, Н•с2/м2; Va _швидкість автомобіля, м/с; – величина крутного моменту за неусталеного режиму роботи двигуна, Н·м; – величина крутного моменту за усталеного режиму роботи двигуна, Н·м; —коефіцієнт неусталеного режиму руху, отриманий дослідним шляхом; _сумарний момент інерції коліс автомобіля, кг·м2; Iд _момент інерції мас двигуна, що обертаються, кг·м2.
Усталені режими, які складають спрощений випробувальний цикл, характеризуються середніми значеннями показників роботи двигуна, що визначаються режимом його роботи та вагомістю P даного режиму.
Заміну кожного неусталеного режиму було здійснено “середньою точкою” режиму циклу, яку характеризують середні значення показників, що визначають режим роботи двигуна і яку можливо визначати двома рівноцінними способами:_
за розрідженням у впускному трубопроводі рк і частотою обертання колінчастого вала двигуна nд (цей спосіб прийнятний при складанні циклу для випробувань автомобілів);_
за крутним моментом Мк і частотою обертання nд (такий спосіб прийнятний при складанні циклу для випробувань двигунів).
Можливість заміни неусталених режимів усталеними доводилась порівнянням результатів розрахунків, отриманих за першим способом з результатами розрахунків, отриманими в Європейському їздовому циклі. Розбіжності розрахункових значень витрати палива склали 4,4%, масових викидів шкідливих речовин – не перевищили 9,5%.
В даному дослідженні заміна режимів здійснювалась при умові, що робота, виконана двигуном на певному режимі, має дорівнювати роботі, виконаній тим же двигуном на заміненому усталеному режимі, тобто за другим способом.
Схема заміни неусталених режимів Європейського їздового циклу усталеними режимами спрощеного випробувального циклу показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема Європейського та спрощеного їздових циклів
Кожна ділянка Європейського їздового циклу замінюється “середньою точкою”, яку характеризують середні значення та , які визначаються за наведеними нижче залежностями. Після заміни ділянки з однаковим математичним описанням, замінюються “середньою точкою” і об’єднуються в один режим з урахуванням його вагомості.Визначення середнього значення частоти обертання на певній ділянці режиму Європейського їздового циклу здійснюється за залежністю:
, (7)
де nд(t) – миттєве значення частоти обертання на і-х ділянках режиму, хв-1; t i – тривалість i-ї ділянки режиму циклу, с; m – кількість ділянок режимів; _загальна тривалість режиму, с.
Середнє значення крутного моменту на заміненому усталеному режимі визначалось за залежністю:
, (8)
де Mк(t) – миттєве значення крутного моменту на і-х ділянках режиму, Н·м.
Вагомість будь-якого режиму P визначає співвідношення:
, (9)
де Т _загальна тривалість циклу (випробування), с.
Залежності (7) і (8) визначають середні значення частоти обертання і крутного моменту , за якими визначають роботу двигуна на кожному режимі.
Середнє значення витрати палива (г/с) на кожному окремому неусталеному режимі циклу визначалось за залежністю:
, (10)
де Gп(t) – миттєве значення витрати палива на і-х ділянках режиму, г/с.
В спрощеному випробувальному циклі витрата палива на і-му режимі визначається (г):
, (11)
де Gп – значення витрати палива в і-му режимі, що визначається з експериментальних характеристик двигуна за параметрами середньої точки, г/с.
Витрата повітря визначається аналогічно витраті палива.
Таким чином, витрати палива, повітря, концентрації шкідливих речовин, сумарні витрати палива та повітря і сумарні масові викиди шкідливих речовин для кожного неусталеного режиму за цикл можна визначати виходячи зі швидкості руху Va автомобіля і розрахованих для середньої точки частоти обертання , крутного моменту або розрідження у впускному трубопроводі та експериментальних характеристик двигуна і автомобіля.
Четвертий розділ розкриває мету, методику, програму, об’єкти та результати експериментальних досліджень.
Мета експериментальних досліджень полягала у визначенні енергетичних, паливно-економічних та екологічних показників роботи бензинового двигуна в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів та показників автомобіля з цим двигуном при русі за Європейським їздовим циклом, а також визначення технічного стану двигуна автомобіля за показниками його паливної економічності та викидів шкідливих речовин при випробуванні за спрощеним випробувальним циклом.
Програма експериментальних досліджень включала: визначення серії навантажувальних, швидкісних характеристик активного і примусового холостого ходу бензинового двигуна; визначення витрати палива, середньої швидкості руху, шляху, який умовно пройшов автомобіль під час руху за режимами Європейського їздового циклу на моделюючому роликовому стенді та тривалості випробування; визначення технічного стану двигуна автомобіля при випробуваннях за режимами розробленого спрощеного випробувального циклу; виявлення типових несправностей основних систем двигуна при дослідженнях за спрощеним випробувальним циклом.
Об’єктом стендових досліджень був серійний рядний чотирициліндровий, чотиритактний бензиновий карбюраторний двигун ВАЗ–2106 (серійний номер №4989102) з рідинним охолодженням. Двигун обладнано серійним карбюратором 2107___ДААЗ та штатною системою запалювання.
Об’єктом стендових досліджень за їздовим циклом був легковий автомобіль ВАЗ–2106 (державний номер 085–55ХМ) з бензиновим двигуном ВАЗ–2106, який було демонтовано з гальмівного стенда і для подальших випробувань встановлено на автомобіль ВАЗ–2106.
Методика проведення експериментальних досліджень. Швидкісні і навантажувальні характеристики двигуна ВАЗ–2106 визначались згідно ГОСТ 14846-81 “Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний”.
Розраховувались – ефективна потужність двигуна Ne, годинна Gпал та питома ge витрати палива, годинна витрата повітря Gпов, коефіцієнт надміру повітря б та масові викиди шкідливих речовин MСО, MСО2, MCmHn,, MNOx.
Серія навантажувальних характеристик двигуна визначалася в режимах з частотами обертання nд = 1200, 1500, 1800, 2100 та 2400 хв-1 та на п’яти рівнях значень розрідження у впускному трубопроводі Дрк = 4; 20,5; 37; 53,5; 70 кПа.
Опрацювання експериментальних даних випробувань двигуна ВАЗ-2106 дозволило отримати поліноміальні залежності показників двигуна від факторів, що визначають режим роботи двигуна (Дрк і nд), що визначають двигун, як джерело енергії, шкідливих викидів, споживача палива і повітря і мають наступний вигляд:
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
Після внесення поліноміальних залежностей в математичну модель руху автомобіля за Європейським їздовим циклом було розраховано енергетичні, паливно-економічні та екологічні показники цього автомобіля. Графічне зображення швидкості руху та зміни витрати палива автомобіля ВАЗ_за Європейським їздовим циклом в координатах “Швидкість-час”, отримане з допомогою математичної моделі, показане на рис. 3. Витрата палива в змодельованому міському Європейському циклі склала 114,2 мл при середній
Рис. 3. Змодельований Європейський міський їздовий цикл
швидкості руху автомобіля 19,3 км/год. Для доведення адекватності математичної моделі проводились стендові випробування автомобіля ВАЗ–2106 на роликовому моделюючому стенді, де можна імітувати режими міського Європейського їздового циклу. Під час випробування фіксувались
наступні параметри: миттєва швидкість автомобіля Va, витрата палива Gп,
тривалість випробування Т, шлях S, який автомобіль умовно пройшов за випробування, температури: палива tп, повітря tпов, масла tм, трансмісії tтр, охолодної рідини tо.р.. Зміна витрати палива та швидкості руху автомобілем ВАЗ_залежно від часу випробування за режимами Європейського їздового циклу на стенді показана на рис. , який свідчить, про виконання вимог стандарту при імітації
Рис. 4. Європейський міський цикл, відтворений автомобілем ВАЗ_
на стенді
Європейського циклу. Порівняння результатів, отриманих на математичній моделі та під час стендових випробувань (табл.1) вказує на розбіжності в значеннях витрати палива 6,1 %, середньої швидкості – 3%, пройденого шляху – 2,69%, тривалості випробування – 0,3%, що дає підстави вважати математичну модель адекватною.
Таблиця 1
Показники роботи автомобіля ВАЗ_, отримані при дослідженнях на математичній моделі та під час стендових випробувань
Показник | Дослідження
на математичній моделі | Стендові випробування | Розбіжність, %
Витрата палива, Gп, г | 85,5 | 80,25 | 6,1
Тривалість випробування, Т, c | 194,4 | 195 | 0,3
Середня швидкість,Vср,км/год | 19,28 | 18,7 | 3,0
Шлях, S, м | 1041 | 1013 | 2,69
П’ятий розділ присвячується результатам експериментальних досліджень і розрахункам на математичній моделі.
Під час визначення режимів спрощеного циклу, було отримано значення показників, які характеризують роботу двигуна ВАЗ_в режимах розробленого циклу (табл. 2).
Таблиця 2
Режими роботи двигуна ВАЗ_у спрощеному випробувальному циклі
№ | Режим, що заміняється | Показники, що визначають режим роботи двз
t, с | Мк, Нм | nд, хв-1 | рк,кПа | Va, м/с | P
1 | Холостий хід (ХX) | 89,1 | 0 | 850 | 73 | 0 | 0,458
2 | Розгін двигуна в режимі ХХ | 1,86 | 14,3 | 1346 | 73 | 0 | 0,01
3 | Рушання автомобіля з
місця (1п) | 3,84 | 75,8 | 2291 | 21,7 | 1,15 | 0,02
4 | Розгін при зблокованому зчепленні | на 1 п. | 7,0 | 19,8 | 2029 | 69,6 | 3,74 | 0,036
5 | на 2 п. | 14,8 | 50,2 | 2102 | 48,6 | 6,77 | 0,076
6 | на 3 п. | 8,6 | 59,9 | 2361 | 41,9 | 11,75 | 0,044
7 | Рух з
постійною швидкістю | 15 км/год (1п) | 8,1 | 5,7 | 2272 | 72 | 4,19 | 0,042
8 | 32 км/год (2п) | 24,4 | 10,9 | 2787 | 69,3 | 8,98 | 0,125
9 | 50 км/год (3п) | 12,13 | 19,4 | 2799 | 64,9 | 13,93 | 0,062
10 | 35 км/год (2п) | 12,6 | 17,1 | 1954 | 66,1 | 9,72 | 0,065
11 | Примусовий холостий хід | 11,97 | -15,1 | 1590 | 73 | 7,86 | 0,062
Разом | 194,4 | - | - | - | - | 1,0
Графічне зображення показників, які визначають режими роботи двигуна автомобіля ВАЗ_у спрощеному випробувальному циклі показано на рис. . Витрати палива та викиди шкідливих речовин визначені за режимами Європейського та спрощеного їздових циклів наведено в табл. . Результати, отримані в розрахункових циклах: Європейському та 11_режимному достатньо близькі – розбіжність між показниками паливної економічності складає 4,3а між екологічними показниками: оксиду вуглецю – 10,3 %, вуглеводнів – 10,5оксидів азоту – 3,2
Рис. 5. Режими роботи двигуна автомобіля ВАЗ_в спрощеному циклі
Таблиця 3
Показники роботи автомобіля ВАЗ_за змодельованим стандартним
та спрощеним циклами
Показник | Змодельований Європейський цикл | Спрощений 11-режимний цикл (розрахунок за експериментальними характеристиками) | Розбіжність, % | Витрата палива, г | 85,5 | 81,79 | 4,3 | Масові
викиди | оксид вуглецю, г | 12,6 | 11,3 | 10,3 | вуглеводні, г | 1,14 | 1,26 | 10,5 | оксиди азоту, г | 1,58 | 1,53 | 3,2 |
Експериментальні дослідження двигуна за спрощеним випробувальним циклом та стендові дослідження автомобіля за Європейським їздовим циклом показали, що розбіжність по витраті палива складає 4,4%.
Отже, за режимами розробленого циклу з певною похибкою можна визначати паливну економічність і екологічні показники автомобілів.
Можливість використання режимів спрощеного випробувального циклу для визначення технічного стану двигуна встановлювалась під час експериментальних досліджень, проведених при випробуваннях технічно справного двигуна ВАЗ_та з різними несправностями систем запалювання і живлення за режимами розробленого спрощеного випробувального циклу із визначенням паливної економічності та екологічних показників.
Технічний стан двигуна ВАЗ_визначався порівнянням екологічних показників та витрати палива, отриманих для цього ж двигуна з штучно внесеними в системи живлення і запалювання несправностями та технічно-справного двигуна при випробуваннях за спрощеним 11-режимним циклом.
Типові несправності системи живлення двигуна _підвищення рівня палива в поплавцевій камері карбюратора, нещільності між клапаном поплавцевого механізму і сідлом, зміна пропускної здатності повітряних жиклерів, засмічення повітряного фільтра, тощо _імітовано прикриттям повітряної заслінки карбюратора на величину, що створювала зростання розрідження у впускному трубопроводі в режимі мінімальної частоти обертання холостого ходу на величину 1,5 кПа. Перелічені несправності системи живлення призводять до порушення оптимального співвідношення кількостей повітря і палива, які поступають в циліндри двигуна, яке має істотно змінюватися для забезпечення найкращих показників двигуна в різних режимах. Збагачення суміші, яке має місце при цьому, призводить до підвищення викидів продуктів неповного згоряння оксиду вуглецю СО та вуглеводнів CmHn з відпрацьованими газами, при суттєвому зниженні оксидів азоту NOx. Зміна екологічних показників та паливної економічності технічно справного двигуна та з імітованими прикритою повітряною заслінкою карбюратора несправностями показана на рис. . Одна з характерних несправностей системи запалювання – відхилення кута випередження запалювання від оптимального – імітувалась встановленням
Рис. 6. Зміна показників роботи двигуна
ВАЗ-2106: технічно справного та з несправностями в системі живлення
- технічно справний двигун;
двигун з несправностями системи живлення, імітованими прикриттям повітряної заслінки карбюратора
пізнього кута випередження запалювання, який було встановлено на 8 град пізніше від оптимального.
Експериментальні випробування щодо виявлення імітованих несправностей та відхилень в регулюваннях основних систем бензинового двигуна ВАЗ_(табл. ) показали, що несправності системи живлення, імітовані прикриттям повітряної заслінки карбюратора, спричиняють збільшення витрати палива в 1,1 рази, викидів оксиду вуглецю - в 2,6 рази, вуглеводнів - в 1,4 рази при зменшенні викиду оксидів азоту в 1,9 рази порівняно з експериментально відтвореним 11-режимним циклом на технічно справному двигуні.
Таблиця 4
Результати випробувань двигуна ВАЗ–2106: справного та з різними несправностями при випробуваннях за спрощеним циклом
Тип випробування і технічний стан двигуна | Gп, г/цикл | Масові викиди шкідливих речовин
CO, г/цикл | CmHn, г/цикл | NOx, г/цикл
Справний двигун (експериментальний 11-режимний цикл) | 76,745 | 11,16 | 1,33 | 1,51
Прикрита повітряна заслінка карбюратора | 86,311 | 29,11 | 1,88 | 0,803
Пізній кут випередження запалювання | 79,93 | 11,19 | 1,39 | 1,09
Що стосується зменшення кута випередження запалювання, це призвело до збільшення витрати палива та вуглеводнів в 1,04 рази та зменшенні викидів оксиду азоту – в 1,4 рази при майже незмінних викидах оксиду вуглецю порівняно з експериментально відтвореним 11-режимним циклом на технічно-справному двигуні.
Таким чином, по відхиленню показників роботи двигуна можна оцінювати не лише його технічний стан, а й прогнозувати які несправності мають місце. При цьому для порівняння можливо використовувати експериментальні дані, отримані при випробуванні технічно справного двигуна за спрощеним випробувальним циклом або розраховані з використанням експериментальних характеристик.
Для перевірки можливості використання методики визначення режимів спрощеного випробувального циклу для інших моделей двигунів, було обрано двигун МеМЗ_легкового автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія”, для якого експериментальні характеристики визначено раніше на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ. Розрахунок параметрів, що визначають режими роботи двигуна МеМЗ_, а саме крутного моменту Мк і частоти обертання колінчастого вала nд, проводився виходячи зі швидкості руху Va автомобіля за розробленим спрощеним випробувальним циклом (рис. 5). За крутним моментом Мк та експериментальними характеристиками визначалось розрідження у впускному трубопроводі Дpк. Режими спрощеного випробувального циклу для двигуна автомобіля “Таврія” наведено в табл. 5.
Розбіжності між вказаними показниками, отриманими для автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія” з двигуном МеМЗ-245 за випробувальними циклами: змодельованим Європейським та спрощеним, наведено в табл. 6. Розрахунки витрати палива і шкідливих викидів автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія” на математичній моделі та за режимами спрощеного випробувального циклу вказують на розбіжність в значеннях: витрати палива – 0,3викидів оксиду вуглецю – 1,2вуглеводнів – 10,8оксидів азоту – 3,6двооксидів вуглецю – 0,7
Таблиця 5
Режими спрощеного випробувального циклу для автомобіля “Таврія” з двигуном МеМЗ-245
№ | Дpк, кПа | Мк, Н•м | nд, хв-1 | t, с | P | Gпал, г
1 | 61,6 | 0 | 950 | 93,28 | 0,479 | 14,31
2 | 64,2 | 7,11 | 1460 | 2,79 | 0,014 | 0,41
3 | 15,5 | 58,68 | 2085 | 2,82 | 0,014 | 3,84
4 | 53,7 | 18,3 | 1767 | 7,06 | 0,036 | 2,51
5 | 37,3 | 37,05 | 1910 | 14,93 | 0,077 | 8,8
6 | 37,6 | 36,7 | 2238 | 8,6 | 0,044 | 6,07
7 | 68,8 | 2,1 | 2038 | 7,93 | 0,041 | 2,79
8 | 66 | 5,7 | 2544 | 24,13 | 0,124 | 10,71
9 | 60 | 11,9 | 2541 | 11,86 | 0,061 | 6,06
10 | 62,7 | 9,1 | 1773 | 12,6 | 0,065 | 4,2
11 | 64,5 | -12,5 | 950 | 8,7 | 0,045 | 1,82
Разом | 194,7 | 1,0 | 61,5
Таблиця 6
Показники роботи автомобіля “Таврія” з двигуном МеМЗ-245 за Європейським та спрощеним їздовими циклами
Показник | Спрощений 11-режимний цикл | Змодельований Європейський цикл | Розбіжність,
%
Витрата палива, г | 61,5 | 61,7 | 0,3
Масові
викиди | оксид вуглецю, г | 7,97 | 7,87 | 1,2
вуглеводні, г | 1,48 | 1,64 | 10,8
оксиди азоту, г | 1,37 | 1,32 | 3,6
двооксид вуглецю, г | 172,8 | 174 | 0,7
Порівняння показників свідчить про можливість використання режимів спрощеного випробувального циклу для оцінки паливної економічності та екологічних показників двигунів різних моделей автомобілів з досить високою точністю. Це дає підстави стверджувати, що в умовах експлуатації застосування такого циклу дозволить виявити відхилення в регулюваннях двигуна, його несправності, а також оцінити показники автомобіля при використанні альтернативних палив та пристроїв для покращення паливної економічності і екологічних показників транспортних засобів.
ВИСНОВКИ
1. Причиною погіршення паливної економічності і екологічних показників двигунів автомобілів в умовах експлуатації є несправності та відхилення від оптимальних регулювань в його системах. Тому підтримання двигуна автомобіля в технічно справному стані – є однією з умов економної витрати палива та мінімального забруднення навколишнього середовища автомобілями. Найбільш повну інформацію про технічний стан двигуна і автомобіля в цілому дають перевірки за їздовими циклами, які включають найбільш вживані в умовах експлуатації неусталені режими. Однак для їх реалізації необхідне спеціальне устаткування, застосування якого для умов експлуатації досить ускладнено. Тому створення циклу, який складають лише усталені режими і який дозволяє об’єктивно визначати технічний стан двигуна, вплив конструктивних змін, альтернативних палив на екологічні показники та паливну економічність автомобіля, застосовуючи обладнання автотранспортних підприємств є актуальною задачею.
2. Розробка спрощеного випробувального циклу для визначення технічного стану бензинового двигуна легкового автомобіля базується на визначенні “середніх точок”, які замінюють неусталені режими європейського циклу і характеризуються середніми значеннями показників, що визначають режим роботи двигуна. В основу визначення “середніх точок” режимів покладено принцип: робота, виконана двигуном в усталеному режимі, має дорівнювати роботі, виконаній на заміненому неусталеному режимі. Показниками, що визначають “середні точки” режимів є крутний момент і частота обертання.
3. Для визначення показників роботи автомобіля за Європейським їздовим циклом було уточнено математичну модель руху автомобіля ВАЗ_з двигуном ВАЗ_за цим циклом, що дозволило визначити режими спрощеного циклу і оцінити достовірність отриманих в ньому результатів. Адекватність математичної моделі перевірена за розбіжностями результатів розрахунків на моделі і показників стендових випробувань, які становлять по витраті палива – 6,1тривалості випробування – 0,3 %, середньої швидкості випробування – 3,0умовно пройденому шляху – 2,69
4. В результаті виконаних замін, отримано випробувальний цикл, який складають 11 усталених режимів, які характеризуються значеннями крутного моменту, частоти обертання двигуна автомобіля і вагомістю даних режимів.
5. Розрахунки показників роботи двигуна на математичній моделі та за режимами спрощеного випробувального циклу вказують на розбіжності у значеннях: витрати палива _4,3викидів оксиду вуглецю – 10,3вуглеводнів – 10,5оксидів азоту – 3,2
6. Адекватність розробленого спрощеного циклу доведена експериментально. Розбіжність в значеннях витрати палива при випробуваннях двигуна за спрощеним 11-режимним циклом і автомобіля за Європейським циклом складає 4,4%.
7. Експериментальні дослідження щодо виявлення несправностей і відхилень в регулюваннях основних систем двигуна за режимами 11-режимного циклу, показують, що розроблений цикл дозволяє виявляти несправності і відхилення від оптимальних регулювань. Випробування при збагаченій паливо-повітряній суміші показали погіршення паливної економічності в 1,1 рази, збільшення викидів продуктів неповного згоряння (оксиду вуглецю _в 2,6 рази, вуглеводнів _в 1,4 рази), при суттєвому зменшенні оксидів азоту в 1,9 рази порівняно з експериментально відтвореним 11-режимним циклом на технічно-справному двигуні.
При відхиленні кута випередження запалювання від оптимального на незначну величину (8 град) спостерігається збільшення витрати палива в 1,04 рази, зменшення оксидів азоту в 1,4 рази при незначних змінах викидів продуктів неповного згоряння.
8. Дослідження, проведені для автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія” показали, що принципи визначення режимів спрощеного випробувального циклу можуть бути використані для визначення технічного стану будь-яких моделей бензинових двигунів легкових автомобілів.
Розрахунки витрати палива і шкідливих викидів автомобіля ЗАЗ-1102 “Таврія” на математичній моделі та за режимами спрощеного випробувального циклу указують на розбіжність в значеннях: витрати палива – 0,3викидів оксиду вуглецю – 1,2вуглеводнів – 10,8оксидів азоту – 3,6двооксидів вуглецю – 0,7
9. Результати роботи прийняті ДП “ДержавтотрансНДІпроект” для використання при випробуваннях автомобілів щодо визначення впливу технічного стану, конструктивних змін, використання альтернативних палив на екологічні показники та паливну економічність автомобілів.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Андрюхіна О. С. До питання об’єктивного визначення технічного стану автомобіля з бензиновим двигуном в умовах експлуатації // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. – Київ, НТУ, ТАУ. – 2003. – Вип. 16. – С. 228–231.
2. Андрюхіна О.С. Математична модель бензинового двигуна ВАЗ – 2103 // Вісник НТУ. – 2003. – №8. – С. – 337.
3. Гутаревич Ю.Ф., Мержиєвська Л.П., Андрюхіна О.С. Математична модель руху автомобіля ВАЗ – 2103 за їздовим циклом // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ. – 2004. – Вип. 7. – С. 32–35.
4. Гутаревич Ю., Андрюхіна О. Використання спрощеного випробувального циклу для визначення технічного стану двигуна автомобіля. Materialy miedzynar. Konf. “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”. – Rzeczow (Polska). – 2005. – С. 113 – 116.
5. Корпач А.О., Андрюхіна О.С., Гунько А.В. Перевірка адекватності математичної моделі руху автомобіля ВАЗ – 2106 за Європейським їздовим циклом // Управління безпекою на автомобільному транспорті: Зб. Наукових праць. _Автошляховик України: Окремий випуск._2004. – С. 111_.
6. Гутаревич Ю. Ф., Андрюхіна О. С. До питання розробки спрощеного випробувального циклу для визначення технічного стану автомобілів // Вісник НТУ. – 2004. – № . – С. 261–264.
7. Гутаревич Ю. Ф., Андрюхіна О. С. До питання об’єктивного визначення технічного стану двигуна легкового автомобіля в умовах експлуатації // Вісник Східноукраїнського державного університету ім. В.Даля, м. Луганськ, – 2005. _№ 6(88) _С.24_.
8. Андрюхіна О. С. Спрощений випробувальний цикл для визначення технічного стану двигуна автомобілів // Автошляховик України. – 2005. – Вип. 4. – С. 19–22.
9. Гутаревич Ю. Ф., Андрюхіна О. С. Перевірка достовірності спрощеного випробувального циклу для визначення технічного стану автомобілів з бензиновими двигунами // Автошляховик України: Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ. – 2005. – Вип. 8. – С. –41.
10. Андрюхіна О.С. Двигун ВАЗ-2103 як джерело забруднення навколишнього середовища шкідливими викидами. 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К: НТУ, 2004. – С. 212.
11. Андрюхіна О.С. Розробка спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану автомобілів. 61 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету. Тези доповідей. – К: НТУ, 2005._С. 233.
12. Ю.Ф.Гутаревич О.С.Андрюхіна. Технічно справний стан автомобільного двигуна – одна з основних умов економної витрати палива та мінімального забруднення навколишнього середовища автомобілями в умовах експлуатації Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів /Збірка доповідей Міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів. Т.2. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. _С. 86 _.
АНОТАЦІЯ
Андрюхіна О.С. Розробка спрощеного випробувального циклу для перевірки технічного стану бензинових двигунів легкових автомобілів в умовах експлуатації. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 – “Експлуатація та ремонт засобів транспорту”. – Національний транспортний університет, Київ, 2006.
Дисертація присвячена створенню спрощеного циклу, який складається з усталених режимів і дозволяє в умовах експлуатації об’єктивно визначати технічний стан двигуна.
Отримані експериментальні характеристики, що визначають досліджуваний двигун як джерело енергії, шкідливих викидів та споживач палива і повітря та визначена витрата палива автомобілем ВАЗ_за Європейський їздовий цикл.
Уточнена математична модель руху автомобіля за Європейським їздовим циклом, з використанням якої виконується розроблення спрощеного випробувального циклу та перевірена її адекватність.
Визначено режими спрощеного циклу для випробувань двигуна ВАЗ_.
Доведено, що перевірки двигуна в режимах спрощеного випробувального циклу дозволяють виявляти несправності та відхилення в регулюваннях основних систем двигуна за зміною витрати палива та екологічних показників від значень, характерних для технічно справного двигуна.
Доведена можливість застосування методики складання спрощеного циклу для двигунів різних моделей. Складені режими спрощеного циклу для випробувань двигуна МеМЗ_автомобіля “Таврія”.
Ключові слова: бензиновий двигун, режим роботи, їздовий цикл, математична модель, паливна економічність, шкідливі викиди, несправність, технічний стан.
АННОТАЦИЯ
Андрюхина Е.С. Разработка упрощенного испытательного цикла для проверки технического состояния бензиновых двигателей легковых автомобилей в условиях эксплуатации. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - “Эксплуатация и ремонт средств транспорта”. - Национальный транспортный университет, Киев,
