Покращення паливних і екологічних показників спеціальних автомобілів системою стабілізації їх швидкісного режиму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

Березовський Олег Миколайович

УДК 629.113.15:656.13.022.003.1

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПОКРАЩЕННЯ ПАЛИВНИХ І ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ СПЕЦІАЛЬНИХ АВТОМОБІЛІВ СИСТЕМОЮ СТАБІЛІЗАЦІЇ ЇХ ШВИДКІСНОГО РЕЖИМУ

Спеціальність 05.22.02 - Автомобілі і трактори

Київ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Молотов Віктор Тимофійович.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Філіппов Анатолій Захарович, Національний аграрний університет завідувач кафедри “Трактори і автомобілі”;

кандидат технічних наук, доцент Олефір Олексій Ігоревич, Національний авіаційний університет, доцент кафедри “Технологія аеропортів та енергетичних ресурсів”.

Провідна установа: Державний науково-дослідний і проектний інститут автомобільного транспорту Міністерства транспорту України, лабораторія досліджень використання палив та екології, м. Київ.

Захист відбудеться 24.10.2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Україна, м. Київ, вул. Суворова, 1.

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

Автореферат розісланий 23.09.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Матейчик В. П.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поширені в автомобільному паркові України спеціальні автомобілі, які оснащені бензиновими двигунами для їх переміщення і приводу технологічного обладнання, вносять вагомий внесок в забруднення навколишнього середовища. Це пов'язано з тим, що більшість часу (до 75%) такі автомобілі працюють у неусталених режимах, із змінними навантаженням та швидкістю руху, що призводить до збільшення витрат палива і шкідливих викидів в атмосферу. Вибір оптимального робочого режиму руху спеціального автомобіля при змінному навантаженні і стабілізація частоти обертання колінчастого вала двигуна в заданому діапазоні є одним з шляхів розв'язання цієї проблеми. Підтримання постійного швидкісного режиму автомобіля сприятиме зменшенню витрат палива і викидів шкідливих речовин, а тому є актуальною розробка системи його стабілізації та створення універсального регулятора, застосування якого не потребує суттєвих конструктивних змін двигуна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням цільової комплексної програми “Транспорт” розвитку та вдосконалення транспорту України, прийнятої розпорядженням Кабінету Міністрів від 23.07. 1993 р. за №551-Р, виконувалась згідно плану наукових робіт Українського транспортного університету, що виконувалась на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” за держбюджетною темою Міністерства освіти України №34 (1994, 1995 рр..) “Усовершенствование транспортных средств с карбюраторными двигателями и дизелями с целью увеличения моторесурса, снижения расхода топлива и токсичности отработавших газов путем применения электронной системы автоматического регулирования частоты вращения двигателя”, номер держреєстрації № 0194И025646 від 12.01.94.

Мета і задачі дослідження полягають в покращенні паливних і екологічних показників спеціальних автомобілів шляхом застосування системи стабілізації швидкості руху при змінних робочих навантаженнях. Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- обґрунтувати доцільність використання стабільного швидкісного режиму руху спеціального автомобіля з безперервно змінним навантаженням, виконати аналіз балансу потужностей та розрахувати його динамічної характеристики, скласти диференційні рівняння динаміки спеціального автомобіля, на основі яких розробити математичну модель рушання автомобіля з місця при працюючому технологічному обладнанні із застосуванням регулятора швидкісного режиму;

- провести стендові дослідження автомобільного двигуна для оцінки впливу стабілізації частоти обертання колінчастого валу в порівнянні зі звичайним способом керування при змінних навантаженнях на витрату палива і склад відпрацьованих газів, та визначити коефіцієнти для математичної моделі економічності двигуна;

- розробити принципову схему і конструкцію системи регулювання швидкісного режиму автомобіля, теоретично дослідити стійкість системи двигун-регулятор та виготовити експериментальний зразок системи регулювання для проведення досліджень на агрегаті ПУМ-90;

- дослідити процес рушання і роботу агрегату ПУМ-90 з визначенням його паливних та екологічних показників в умовах змінного навантаження при роботі з системою регулювання швидкості у порівнянні з роботою при звичайному керуванні;

- визначити економічний ефект від застосування системи регулювання на спеціальному автомобілі.

Об'єктом дослідження є комплекс паливних і екологічних показників спеціальних автомобілів при застосуванні регуляторів швидкісного режиму.

Предметом дослідження є вплив стабілізації швидкості автомобіля на паливну економічність та рівень екологічної безпеки при змінному навантаженні в технологічних режимах.

Методи досліджень. В роботі застосовуються аналітичні методи досліджень тягово-швидкісних властивостей автомобіля і процесу рушання при постійній швидкості обертання колінчастого валу двигуна. Розрахунки виконувались на ЕОМ. Проведено теоретичну перевірку стійкості системи двигун-регулятор. Здійснені стендові випробування двигуна та експлуатаційні випробування агрегату ПУМ-90.

Науковою новизною одержаних результатів є:

- математична модель процесу рушання автомобіля при включеному технологічному обладнанні і певній постійній частоті обертання колінчастого валу двигуна, яку підтримує система регулювання, для перевірки можливості виконання технологічних робіт, починаючи з моменту рушання автомобіля;

- методика стендових випробувань двигуна в динамічних режимах з метою визначення впливу різних способів регулювання частоти обертання колінчастого валу двигуна на витрату палива та екологічні показники його роботи;

- теоретична перевірка стійкості системи двигун-регулятор.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані теоретичні та експериментальні залежності дають змогу визначити максимальне навантаження на привод технологічного обладнання для даного автомобіля або обрати модель автомобіля, яка краще відповідає вимогам розробленого технологічного обладнання. Це дозволяє прискорити і полегшити процес конструювання нових та модернізацію існуючих спеціальних автомобілів. Розроблена універсальна система регулювання частоти обертання колінчастого валу двигуна, яка може бути встановлена на будь-який бензиновий двигун без втручання в його конструкцію. За результатами досліджень виготовлено п'ять комплектів системи регулювання швидкісного режиму, які згідно з актом передано на Київський завод “коммаш” для встановлення на агрегатах ПУМ-93.

Особистий внесок здобувача:

1. В математичній моделі процесу рушання автомобіля з додатковим відбором потужності при сталому швидкісному режимі роботи двигуна здобувачем виведено рівняння, що визначають кінематичні характеристики обертання веденого диску зчеплення при їх замиканні та постійній частоті обертання колінчастого валу двигуна.

2. Здобувачем розроблено методику випробувань двигуна та спеціального автомобіля з підтриманням постійної частоти обертання колінчастого валу двигуна при змінному навантаженні.

3. Для теоретичної перевірки стійкості роботи системи двигун-регулятор здобувачем розроблено функціональну схему та рівняння зв'язків елементів системи двигун-регулятор.

4. В патенті України 26543 “Пристрій для регулювання частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння” здобувачем запропоновано застосування крокового електродвигуна замість двигуна постійного струму та принцип комутації його робочих обмоток.

Апробація роботи: Результати досліджень були представлені на наукових конференціях професорсько-викладацького складу УТУ в 1993, 1995, 1998, 1999, 2000 рр..

Публікації: Матеріали досліджень опубліковано в 6 статтях у фахових виданнях і патенті України 26543.

Структура дисертації: Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який налічує 112 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 188 сторінок, із них 117 сторінок основного тексту, 34 таблиці на 14 сторінках, 30 рисунків на 27 сторінках, список використаних джерел на 10 сторінках, додатки на 20 сторінках.

Основний зміст

У вступі обґрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячений огляду напрямків досліджень по поліпшенню паливних та екологічних показників спеціальних автомобілів, у яких технологічне обладнання працює під час руху автомобіля на нижчих передачах і поглинає значну частину потужності двигуна. Дано класифікацію спеціальних автомобілів, розглянуто умови їх роботи. При визначенні напрямків досліджень враховуються роботи Е.А. Чудакова, Г.В. Зімелева, Б.С. Фалькевича, А.І. Гришкевича, А.Н, Нарбута, В.В. Московкіна, В.Є. Канарчука, Ю.Ф. Гутаревича, К.Є. Долганова, Г.Б. Безбородової, А.З. Філіппова, А.П. Ліповського та багатьох інших авторів. Встановлено, що в цих роботах не розкрито достатньо питання роботи двигуна при неперервних коливаннях навантаження спеціальних автомобілів із технологічним обладнанням, яке працює під час руху. Досі не визначені конструктивні засоби для поліпшення економічних та екологічних показників автомобіля при таких умовах. В розділі розглянуто шляхи по стабілізації швидкісного режиму такого автомобіля в процесі роботи.

На основі аналізу зроблено висновки:

- стабільний швидкісний режим двигуна при змінному навантаженні складає важливий напрям підвищення економічних і екологічних показників роботи автомобіля;

- застосування механічних регуляторів і бортових комп'ютерів на двигунах для стабілізації швидкісного режиму, потребує внесення до них суттєвих конструктивних змін, тому заслуговує на увагу створення регуляторів, які можна встановити на двигун без його переобладнання;

- для перевірки впливу на рух автомобіля відбору потужності від двигуна на технологічне обладнання необхідно теоретично дослідити тягово-динамічні показники і процес рушання автомобіля.

У другому розділі розглянуто роботу спеціального автомобіля, у якого на привод технологічного обладнання відбирається значна частина потужності двигуна, складено диференційні рівняння руху автомобіля з працюючим технологічним обладнанням. Розроблено математичну модель рушання автомобіля з місця з включеним додатковим відбором потужності і постійною швидкістю обертання колінчастого вала двигуна.

Баланс потужностей спеціального автомобіля з додатковим технологічним обладнанням має загальний вираз:

(1)

де Ne - ефективна потужність двигуна автомобіля, кВт; hтр - ККД трансмісії автомобіля; Nпот - потужність технологічного обладнання, кВт; hпр - ККД привода відбору потужності; hт - ККД передачі від коробки відбору потужності до коліс; mа - повна маса автомобіля, кг; g - прискорення сили тяжіння, м/с2; y - коефіцієнт опору руху автомобіля; Va - швидкість автомобіля, м/с; mтп - маса транспортера, кг; yтп - коефіцієнт опору руху транспортера; k - коефіцієнт обтічності, ; F - лобова площа автомобіля, м2; jа - прискорення автомобіля, м/с2; Jтр - момент інерції мас трансмісії, які обертаються, ; uтр - передаточне відношення трансмісії; rд - динамічний радіус колеса, м; Jк - момент інерції одного колеса автомобіля, ; Jотi - момент інерції мас привода відбору потужності і робочих органів агрегату, які обертаються, ; uотi - передаточні відношення приводу відбору потужності до робочих органів; uт - передаточне відношення від коробки відбору потужності до коліс.

Ліва частина виразу (1) визначає потужність, яка залишається на рух автомобіля і його прискорення після відбору потужності на привод технологічного обладнання. В праву частину виразу входять витрати потужності на рух автомобіля і переміщення транспортера на його колесах, опір повітря і потужність на прискорення автомобіля та обертових елементів трансмісії, коліс та елементів технологічного обладнання.

З виразу (1) отримано питомий запас тяги для автомобіля з включеним технологічним обладнанням g ў і без технологічного обладнання g:

; , (2)

де - потужність, яка відбирається від двигуна на привод технологічного обладнання.

Прискорення автомобіля в момент повного замикання дисків зчеплення при зрушенні знаходиться за виведеним рівнянням:

(3)

де jmax - максимальне прискорення автомобіля в момент повного замикання дисків зчеплення, м/с2; Mе - ефективний крутний момент двигуна, ; rк - радіус колеса, м; Mотi - крутний момент, який використовується для привода елемента технологічного обладнання, приведений до ведучої ланки привода, .

Для обчислень складові елементи формули (3), які знаходяться під знаком S, розкриваються для кожного робочого механізму технологічного обладнання.

Значення шляху і часу, за яких відбувається замикання дисків зчеплення, отримано за допомогою співвідношень:

; ; ; . (4)

Перше зі співвідношень (4) відповідає рівномірному збільшенню прискорення під час включення зчеплення. Після визначення максимального прискорення, обчислюються час включення зчеплення за формулою та величина , а за останньою формулою обчислюється шлях, в продовж якого відбувається зчеплення дисків муфти.

В роботі виконані розрахунки тягово-динамічних показників і процесу рушання автомобіля з додатковим відбором потужності на прикладі агрегату ПУМ-90. швидкісний автомобіль двигун

Агрегат призначено для прибирання проїжджої частини вулиць. Технологічне обладнання складається з двох бокових щіток, центральної підбиральної щітки, транспортера подачі сміття в бункер, системи змочування дороги і пристроїв піднімання й опускання щіток та транспортера. Технологічне обладнання приводиться в дію за допомогою гідросистеми, до якої входять три гідронасоси і п'ять гідромоторів. Гідронасоси приводяться в дію від коробки відбору потужності, яка розташована на коробці передач автомобіля.

На підставі відомих навантажувальних характеристик двигуна ГАЗ-53 і заводських технічних умов роботи агрегату ПУМ-90 обрано частоту обертання колінчастого вала двигуна ne=2000 хв-1, яка відповідає максимальному крутному моменту двигуна, наближується до мінімальної питомої витрати палива та забезпечує найбільш сприятливі умови роботи технологічного обладнання.

Стабілізація швидкісного режиму руху агрегату на певній обраній частоті при змінному навантаженні забезпечує:

- підвищення економічних і екологічних показників роботи;

- покращення умов роботи гідравлічної системи і технологічного обладнання;

- підвищену якість виконання роботи;

- неможливість зниження частоти обертання колінчастого вала двигуна до такого рівня, при якому значно збільшується питома витрата палива і погіршується склад відпрацьованих газів;

- звільнення водія від керування двигуном, що дає можливість приділити більше уваги спостереженню за технологічним процесом і безпекою руху.

На основі даних заводу-виробника розраховано витрати потужності на привод технологічного обладнання і пересування автомобіля. Загальні витрати потужності при роботі агрегату з усталеною швидкістю руху визначаються за формулою:

, (5)

де Ne - потужність автомобільного двигуна, кВт; f - коефіцієнт опору кочення коліс автомобіля; fтп - коефіцієнт опору кочення коліс транспортера; h - уклін дороги.

За результатами розрахунків встановлено, що в технологічному циклі роботи потужність, яка необхідна для роботи агрегату на першій передачі, знаходиться в межах від 23,67 до 39 кВт, в той час, як максимальна потужність двигуна при обраній частоті обертання колінчастого вала ne=2000 хв-1 становить 56 кВт. Таким чином запасу потужності двигуна вистачає на роботу агрегату не тільки на першій (швидкість 8 км/год), а й на другій передачі (швидкість 17 км/год), але технологічні умови прибирання обмежують швидкість технологічного процесу до 10 км/год. Щоб підвищити продуктивність роботи агрегату, корисно ввести додаткову передачу, яка забезпечить швидкість 9,6 км/год. Це пов'язано з тим, що конструкція базового шасі, яке виробник спеціального обладнання одержує від автомобільного заводу, не враховує можливості застосування його в специфічних умовах.

За даними зовнішньої характеристики двигуна і витрат потужності розраховано питомий запас тяги g і g ў та побудовано тягово-динамічні характеристики агрегату для швидкостей 8 км/год і 9,6 км/год, з якої видно, як додатковий відбір потужності погіршує ці характеристики.

Проведений розрахунок рушання агрегату в технологічному циклі і стабілізованій частоті обертання колінчастого валу двигуна (ne=2000 хв-1) за формулами (3) і (4) показав, що таке рушання можливе, але не доцільне. Рушання рекомендується проводити звичайним способом, а систему регулювання вмикати при виході агрегату на технологічну швидкість 8 км/год, або для запропонованої підвищеної швидкості - 9,6 км/год.

Третій розділ присвячено дослідженню впливу амплітуди коливань частоти обертання колінчастого валу двигуна при змінних навантаженнях та однаковій середній частоті обертання на витрату палива і кількість шкідливих викидів з відпрацьованими газами. Такі експериментальні дані необхідні для обгрунтування розробки системи регулювання швидкісного режиму автомобіля.

Розроблено програму і оригінальну методику стендових досліджень залежності питомої і годинної витрати палива та шкідливих викидів з відпрацьованими газами двигуном при двох режимах при середній частоті обертання колінчастого вала двигуна 2000 хв-1. В першому режимі положення дросельної заслінки незмінне, а частота обертання змінюється від зміни навантаження (режим звичайного регулювання, jдр=const, nе=var). В другому режимі частота обертання колінчастого валу двигуна підтримується у вузькому діапазоні зміни цієї частоти шляхом зміни положення дросельної заслінки при змінному навантаженні (режим стабілізації швидкісного режиму, jдр=var, nе=const).

Випробування двигуна ЗМЗ-53 проводилось на навантажувальному стенді АКБ-92-4 потужністю 100 кВт і максимальною частотою обертання 3000 хв-1. Експериментальні характеристики визначались відповідно ГОСТ 14846-81 (СТ СЭВ 765-77), а викиди шкідливих речовин за ОСТ 37.001.070 - 75.

В першій серії експериментів знімались характеристики, які моделюють звичайний режим роботи двигуна, коли при сталому положенні дросельної заслінки зі зміною навантаження змінюється швидкісний режим (jдр=const, nе=var). При цьому шляхом керування навантаженням двигуна і положенням дросельної заслінки задавалось навантаження на ваги 68.6, 102.9, 137.2, 171.5 і 205.8 Н при 2000 хв-1. Як тільки датчик витрати палива подавав сигнал початку вимірювання контрольної дози палива, починалась зміна навантаження. При навантаженнях 68.6, 137.2 і 205.8 Н амплітуда коливань навантаження становила 19.6, 39.2 і 57.8 Н, а при навантаженнях 102.9 і 171.5 Н амплітуда становила 29.4 і 49 Н відповідно з алгоритмом, який задавав точки двофакторного експерименту для одержання коефіцієнтів поліномів математичної моделі, отриманої за результатами експерименту. При цьому визначались максимальна і мінімальна частота обертання колінчастого вала двигуна під час експерименту.

Друга серія експериментів відповідала режиму постійної частоти обертання колінчастого вала двигуна при змінних навантаженнях. Для цього одночасно зі зміною навантаження змінювалось положення дросельної заслінки так, щоб зміна частоти обертання колінчастого валу не перевищувала ±50 хв-1 (jдр=var, nе=const). Навантаження та діапазони його зміни залишались такими, як і в першій серії експериментів. Параметрами, що вимірювались були: навантаження двигуна; амплітуда коливань навантаження; мінімальна та максимальна частота обертання колінчастого валу двигуна; час витрати контрольної дози палива; середнє, мінімальне та максимальне розрідження у впускному тракті, за якими розраховувався кут відкриття дросельної заслінки. Розраховувались такі параметри: середнє, мінімальне та максимальне значення крутного моменту і потужності; годинна і питома витрати палива.

В табл. 1 наведені порівняльні витрати палива для обох режимів випробувань двигуна GТj, кг/год (jдр=const, nе=var) і GТn, кг/год (jдр=var, nе=const) та показано досягнуту економію палива при режимі GТn в порівнянні з режимом GТj , та дані про зниження масових викидів CO, СmHn і NOx , які розраховані на основі процентних викидів по експерименту за методикою, що розроблена і застосовується на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ.

Аналіз результатів експерименту вказує на суттєві переваги стабілізованого швидкісного режиму jдр=var, nе=const в порівнянні з режимом jдр=const, nе=var, бо він зменшує годинну витрату палива на 8...11% в залежності від навантаження і знижує масові викиди токсичних компонентів на 8,4...36,4%.

Для визначення та оцінки сумарної токсичності, зведеної до СО, використано коефіцієнти відносної агресивності компонентів відпрацьованих газів за методикою що також розроблена і застосовується на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ, за формулою:

,

де Gi - масові викиди і - го компонента двигуна ЗМЗ-53; Ri - коефіцієнт відносної агресивності і - го компонента, значення яких для CO - RCO=1, для СmHn - RCH = 3.16, для NOx - RNO = 41.1.

За даними експерименту, методом найменших квадратів, використовуючи ЕОМ, отримані коефіцієнти апроксимуючих поліномів для годинної і питомої витрат палива в обох режимах, за якими розраховуються витрати палива. Отримані поліноми (6)...(9) перевірені на адекватність за методом Фішера.

Поліноми мають вигляд:

при jдр=const, nе=var

; (6)

; (7)

при jдр=var, nе=const

; (8)

; (9)

де GT - годинна витрата палива, кг/год; ge - питома витрата палива, ; Р - навантаження, Н; DР - амплітуда коливань навантаження, Н.

На основі проведених випробувань двигуна на стенді в динамічних режимах при змінному навантаженні обгрунтовано параметри та необхідність розробки універсальної системи регулювання швидкісного режиму, придатної для використання на бензиновому двигуні без втручання в його конструкцію.

У четвертому розділі подається опис запропонованої універсальної системи регулювання частоти обертання колінчастого валу двигуна і викладено результати теоретичної перевірки стійкості системи двигун-регулятор.

Розроблена електронна система складається з електронного блока, датчика частоти обертання колінчастого вала двигуна, пульта керування і виконуючого механізму, на яку отримано патент України 26543.

Теоретична перевірка стійкості системи двигун-регулятор грунтується на таких вихідних положеннях:

- двигун представляє ланку з однією сталою часу:

;

- частотовимірювач складає ідеальну ланку:

;

- електронний блок також є ідеальною ланкою з похідною:

;

- виконуючий механізм являє собою ідеальну інтегруючу ланку:

;

- дросельна заслінка є ідеальною ланкою:

;

де Tдв - постійна часу двигуна, с; Dwдв - відхилення кутової швидкості обертання двигуна, с-1; k1 - коефіцієнт підсилення; Djдр - зміна кута повороту дросельної заслінки, %; Dwч - відхилення частоти імпульсів частотовимірювача, с-1; k2 - передаточне число (для восьмициліндрового двигуна k2 =4); Dwеб - зміна частоти імпульсів, які виробляє блок, с-1; k3 - коефіцієнт підсилення блока; k4 - коефіцієнт підсилення по похідній; Dnшд - число кроків ротора електродвигуна; k5 - коефіцієнт підсилення крокового електродвигуна; k6 - коефіцієнт підсилення дросельної заслінки по куту відкриття.

Система двигун-регулятор описується формулою, яку отримано об'єднанням вищенаведених виразів та її диференціюванням:

, (10)

де - зведений коефіцієнт підсилення системи; -швидкість зміни навантаження двигуна.

Наявність однієї сталої часу Tдв в рівнянні (10) означає, що система відноситься до об'єкту першого порядку. Вона є стійкою і астатичною, тому що виконуючий механізм здійснює функцію інтегруючої ланки, а введення похідної в електронний блок покращує перехідні процеси в системі двигун-регулятор під час коливань навантаження.

У п'ятому розділі викладено результати перевірки можливості рушання агрегату ПУМ-90 з включеним технологічним обладнанням і системою регулювання при різному часі включення зчеплення та експериментальних випробувань показників його роботи в технологічному режимі прибирання проїжджої частини вулиць. Випробування агрегату проведені відповідно ГОСТ 20306 - 90 та ОСТ 37.001.070 - 75, а також за розробленою програмою і методикою перевірки адекватності математичної моделі рушання агрегату з місця з включеним технологічним обладнанням і постійною частотою обертання колінчастого валу двигуна. Проведений експеримент на агрегаті ПУМ-90 показав, що рушання в цьому режимі можливе при включенні зчеплення впродовж 5 секунд, що не доцільно, а при часі включення менше 2 секунд двигун зупиняється, що відповідає розрахункам за математичною моделлю рушання. На цій підставі рекомендовано рушання агрегату проводити в звичайному режимі, а систему регулювання вмикати при досягненні швидкості 5...8 км/год.

Випробування агрегату в звичайному режимі і з застосуванням системи регулювання швидкості проводилися для обох режимів на тих самих ділянках вулиць в різні дні з однаковими атмосферними умовами і ступеню їх забруднення.

Реєстрація показників робочого процесу агрегату (частота обертання колінчастого валу двигуна , положення дросельної заслінки і відмітки датчика витрати палива) здійснена із застосуванням спеціальної електронної апаратури. Визначення процентного складу СО і СmHn проводилось записом показань газоаналізатора в робочому журналі через кожні 100 метрів шляху. Включалася реєстраційна апаратура після виходу агрегату на технологічний режим.

Поліпшення економічності автоматичного режиму за витратою палива порівняно зі звичайним управлінням становить 9,1…11,9 %. Процентний склад СО і СmHn в експлуатаційних умовах відповідає результатам стендових випробувань і майже не залежить від способу регулювання.

Статистична обробка показує, що середнє квадратичне відхилення частоти обертання при автоматичному регулюванні двигуна приблизно в три рази менше, а розбіг варіацій в шість разів менше, ніж при звичайному регулюванні.

Висновки

1. В дисертації виконано теоретичне обгрунтування і розв'язання задачі поліпшення паливних і екологічних властивостей спеціальних автомобілів, що використовуються в комунальному господарстві міст (підмітальні, снігоприбиральні, сміттєвози і т. ін.), шляхом застосування розробленої універсальної системи регулювання швидкісного режиму в технологічних операціях.

2. Отримані диференційні рівняння динаміки спеціального автомобіля з додатковим відбором потужності, на основі яких виведено формули питомого запасу тяги, а також розроблено математичну модель прискорення автомобіля в момент повного замикання дисків зчеплення при рушанні автомобіля з працюючим технологічним обладнанням при обраній частоті обертання колінчастого вала двигуна, які дали можливість отримати тягово-динамічні характеристики агрегату ПУМ-90 і розрахувати процес його рушання, зокрема рекомендувати установку додаткової прискорюючої передачі, яка забезпечує швидкість 9,6 км/год.

3. Розроблено методику стендових випробувань двигуна при змінних навантаженнях: jдр=const, nе=var и jдр=var, nе=const, на підставі якої проведено стендові випробування двигуна. Результати випробувань показали, що при зміні навантаження зменшення амплітуди коливань частоти обертання колінчастого вала двигуна з ±500 хв-1 до ±50 хв-1, дозволяють зменшити витрату палива в середньому на 9,5%, а масові викиди токсичних компонентів в середньому на 9%, хоча відсоткова кількість шкідливих компонентів дещо підвищується. За результатами експерименту отримано коефіцієнти математичної моделі економічності двигуна при його роботі зі змінним навантаженням в звичайному режимі і при стабілізованому швидкісному режимі.

4. Розроблено принципову схему і конструкцію універсальної системи регулювання двигуна та теоретично досліджена стійкість системи двигун-регулятор, виготовлено експериментальний зразок системи регулювання для проведення експлуатаційних досліджень агрегату ПУМ-90.

5. Випробування агрегату ПУМ-90 показали недоцільність рушання його з включеною системою регулювання, що підтвердили розрахунки за математичною моделлю. Експеримент також підтвердив доцільність стабілізації швидкості руху при змінному навантаженні в технологічному процесі. Витрати палива на одиницю прибраної площі при застосуванні системи регулювання зменшились в середньому на 10,5%.

6. Економічний річний ефект від застосування електронної системи регулювання в залежності від марки та комплектації спеціального автомобіля складає від 460 до 3000 грн. в цінах 2002 року при вартості комплекту цієї системи в межах одного відсотку від вартості агрегату.

За результатами експериментальних робіт на Київському заводі “Коммаш” прийнято рішення про випуск експериментальної партії агрегатів ПУМ з системою регулювання. Партію електронних систем регулювання в кількості 5 комплектів передано заводу по акту прийому-передачі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Молотов В.Т., Барилович Е.Л., Березовский О.Н. Влияние стабилизации скорости автомобиля на экономичность и токсичность отработавших газов // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 4. - К, УТУ, ТАУ. - 1997. - С 30-37.

2. Молотов В.Т., Березовський О.М., Гарбар Ю.П. Математична модель двигуна, що працює при змінних навантаженнях // Вісник. Збірник наукових праць ТАУ та УТУ. - К., РВВ УТУ, 1999. Випуск 3. - С. 173-176.

3. Березовський О.М., Гарбар Ю.П., Молотов В.Т. Покращення роботи вантажного автомобіля шляхом застосування електронної системи автоматичного регулювання частоти обертання двигуна // Вісник ТАУ, УТУ. - 1998. - №2. - С. 132-136.

4. Березовський О.М., Молотов В. Т. Стійкість роботи бензинового двигуна, оснащеного електронною системою регулювання частоти обертання // Вісник / Збірник наукових праць Національного транспортного університету та Транспортної академії України. Випуск 4. - К.: РВВ НТУ. - 2000. - С. 219-221.

5. Молотов В.Т., Березовський О.М. Експериментальні дослідження бензинового двигуна підмітально-прибиральної машини при роботі з ручним та автоматичним керуванням // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. Випуск 10. - К.: УТУ, ТАУ. - 2000. - С. 69-72.

6. Молотов В.Т., Васильєв Ю.О., Березовський О.М. Математична модель зрушення автомобіля з додатковим відбором потужності та стабілізованою частотою обертання колінчастого вала двигуна // Автошляховик України, окремий випуск. - 2002. - №5. - С. 67-68.

7. Пат. 26543 Україна. МКИ F 02 D 29/00, F 02 D 41/14. Пристрій для регулювання частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння / В.Т. Молотов, П.Й. Березовський, О.М. Березовський (Україна). - №96103968; Заявл.21.10.96; Опубл. 11.10.99, Бюл. №6.

Анотація

Березовський О. М. Покращення паливних і екологічних показників спеціальних автомобілів системою стабілізації їх швидкісного режиму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 - Автомобілі і трактори. - Національний транспортний університет, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено питанню стабілізації швидкісного режиму руху спеціального автомобіля з додатковим відбором потужності для виконання технологічних робіт при зміні навантаження, що дозволяє покращити його паливні та екологічні показники.

Розраховані тягово-динамічні властивості спеціального автомобіля. Одержано математичну модель рушання спеціального автомобіля при включеному технологічному обладнанні з постійною швидкістю обертання колінчастого вала двигуна. Проведено стендові випробування двигуна за спеціально розробленою методикою в умовах безперервно змінного навантаження при двох способах регулювання швидкісного режиму для визначення впливу амплітуди частоти обертання на економічні і екологічні показники.

Розроблено і виготовлено універсальну систему регулювання швидкісного режиму автомобіля, на яку отримано патент України.

Експериментальні дослідження на спеціальному агрегаті ПУМ-90 з системою регулювання показали, що стабілізація швидкості при змінному навантаженні дає економію палива в середньому на 10 % і відповідне зменшення викидів шкідливих компонентів відпрацьованих газів.

Ключові слова: спеціальний автомобіль, швидкісний режим, система стабілізації, паливні та екологічні показники.

O.М. Berezovskij Improvement of fuel and ecological parameters of special automobiles by system of stabilization of their speed mode. - Manuscript.

Dissertation for the degree of the candidate of technical science on a speciality 05.22.02 - Automobiles and tractors. - National Transport University, Kyiv, 2002.

The dissertation deals with the problem of stabilization of a speed mode of motion of the special automobile with a padding power take-off at fulfilment of technological activities at changing load, that allows to improve its fuel and ecological parameters.

Traction-dynamic parameters of the special automobile are calculated. The mathematical model make a move the special automobile with included technological equipment is received at constant frequency of rotation of a cranked shaft of the engine. Bench tests of the engine are carried out by specially developed technique in conditions of continuously varied loading at two ways of regulation of speed mode for determination of influence of rotation, frequency, amplitude on economic and ecological parameters.

The universal system of regulation of a speed mode of the automobile on which the patent of Ukraine is received is developed and made.

Experiment with the special unit of PUM - 90 with system of regulation has shown, that stabilization of speed at variable loading allows to save fuel on the average on 10 % and the appropriate reduction of emissions of harmful components of exhaust gases.

Key words: the special automobile, speed mode, stabilization system, fuel and ecological parameters.

Березовский О. Н. Улучшение топливных и экологических показателей специальных автомобилей системой стабилизации их скоростного режима. - Рукопись

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 - Автомобили и тракторы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросу стабилизации скоростного режима движения специального автомобиля с дополнительным отбором мощности при выполнении технологических работ, когда нагрузка непрерывно изменяется, что позволяет улучшить его топливные и экологические показатели.

Рассчитаны тягово-динамические показатели специального автомобиля с дополнительным отбором мощности во время движения при переменной нагрузке. На основании дифференциальных уравнений движения специального автомобиля получена математическая модель трогания такого автомобиля с включенным технологическим оборудованием и выбранной (на основании заводских нагрузочных характеристик двигателя) постоянной частотой вращения коленчатого вала двигателя, обеспечивающей оптимальную технологическую скорость. Определены условия возможности такого трогания для выполнения технологического процесса, начиная с момента трогания. Показана целесообразность введения дополнительной ускоряющей передачи для повышения производительности специального автомобиля.

Проведены стендовые испытания двигателя по специально разработанной методике в условиях непрерывно изменяющейся нагрузки при двух способах регулирования скоростного режима для определения влияния амплитуды частоты вращения на экономические и экологические показатели. В первом режиме положение дроссельной заслонки оставалось неизменным, а частота вращения коленчатого вала двигателя колебалась в зависимости от нагрузки, в широком диапазоне от 1530 мин-1 до 2500 мин-1. Во втором режиме частота вращения коленчатого вала двигателя поддерживалась в узких пределах от 1940 мин-1 до 2050 мин-1 непрерывным изменением положения дроссельной заслонки. Токсичность отработавших газов определялась по углекислому газу, оксиду углерода, углеводородам и окислам азота. Испытания двигателя показали, что стабилизация скоростного режима при изменяющейся нагрузке уменьшает расход топлива в среднем на 9,5 %, и выбросы токсичных компонентов, приведенных к оксиду углерода, в отработавших газах в среднем на 9 %. По результатам испытаний двигателя на стенде получены коэффициенты полиномов двухфакторного эксперимента удельного и часового расходов топлива в зависимости от нагрузки и амплитуды ее колебаний.

Разработана и изготовлена универсальная электронная система регулирования скоростного режима автомобиля, установка которой не требует вмешательства в конструкцию двигателя, на которую получен патент Украины. Система регулирования является астатической. Качественный переходной процесс обеспечивается введением в систему регулирования производной. Проведена теоретическая проверка устойчивости системы регулятор-двигатель.

Изготовленная система регулирования установлена на специальном подметально-уборочном агрегате ПУМ-90, условия работы которого являются достаточно тяжелыми из-за непрерывно изменяющейся нагрузки. Испытания проводились в условиях технологического процесса уборки проезжей части улиц г. Киева в двух режимах. При испытаниях записывающей аппаратурой регистрировались частота вращения коленчатого вала двигателя, угол открытия дроссельной заслонки и расход топлива. В первом случае скоростной режим поддерживался водителем вручную по спидометру, при этом частота вращения коленчатого вала двигателя колебалась в пределах от 1600 мин-1 до 2350 мин-1. Во втором случае скоростной режим поддерживался электронной системой регулирования, и частота вращения коленчатого вала двигателя колебалась в пределах от 1925 мин-1 до 2050 мин-1. Токсичность отработавших газов определялась по оксиду углерода и углеводородам. Стабилизация скоростного режима движения специального автомобиля в технологическом цикле уборки проезжей части улиц показала экономию топлива в среднем на 10 %, и соответственное снижение выбросов токсичных компонентов отработавших газов.

Теоретические и экспериментальные исследования показали целесообразность применения устройств, стабилизирующих скоростной режим специального автомобиля при выполнении технологических работ.

Ключевые слова: специальный автомобиль, скоростной режим, система стабилизации, топливные и экологические показатели.

Размещено на Allbest.ru