Підвищення паливної економічності автомобіля оптимізацією параметрів системи "двигун - трансмісія"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.20 - "Експлуатація та ремонт засобів транспорту"

ПІДВИЩЕННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ АВТОМОБІЛЯ ОПТИМІЗАЦІЄЮ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ “ДВИГУН - ТРАНСМІСІЯ”

Павленко Віктор Олексійович

Харків - 2004

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

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

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

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

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

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

Поставлена мета досягається вирішенням таких завдань:

розробки критерію оцінки паливної економічності автомобільного двигуна з урахуванням реального розподілу режимів його роботи за часом;

розробки методів і засобів для визначення експлуатаційних режимів і паливної економічності автомобіля і двигуна;

аналізу експлуатаційних режимів автомобіля і двигуна за даними режимометрії в різних дорожніх умовах;

розробки рекомендацій і їх реалізація конструктивними заходами щодо зниження експлуатаційної витрати палива на основі параметричного синтезу режимів роботи двигуна і трансмісії.

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

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

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

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

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

режимомір, за показниками якого можна визначити поточні значення потужності, що розвивається автомобільним двигуном;

покажчик завантаження двигуна (прилад бортового типу), що дозволяє оптимізувати за витратою палива і виробленої енергії режими роботи автомобіля і двигуна;

розроблено номограми визначення раціональних за експлуатаційною витратою палива параметрів режиму роботи системи “двигун - трансмісія ”;

методика параметричного синтезу оптимальних властивостей автомобіля і двигуна, що дозволяє установити таку відповідність їх конструктивного і режимного параметрів, за якою забезпечується мінімізація витрати палива;

для автомобіля КрАЗ-6510, обладнаного двигуном СМД-31.15, запропонований ряд підвищених ступенів коробки передач, що забезпечує оптимізацію витрати палива при заданих за умовами експлуатації швидкостях руху автомобіля.

Особистий внесок здобувача.

Удосконалено методику ідентифікації потужності автомобільного двигуна з газотурбінним наддуванням за параметрами робочого процесу [1, 8].

Виконано синтез структури і параметрів режимоміра, що дозволяє визначати поточні значення потужності автомобільного двигуна [5].

Розроблено конструкцію бортового приладу - покажчика завантаження автомобільного двигуна [5].

Розроблено методику параметричної оптимізації режимів роботи системи “двигун - трансмісія” [3, 6, 7].

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

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

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

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

двигун автомобіль паливо витрата

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

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

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

кг/100 км(1)

де А - коефіцієнт, що враховує конструктивні і режимні параметри автомобіля і двигуна (А=М_д._н.?з_ТР і V_max/G_a?r_k); К_ш - показник дороги (К_ш=К_е?К_ш/ш).

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

Середньоексплуатаційна питома ефективна витрата палива може бути представлена як

(2)

де N_ei, g_ei - відповідно середньозважені значення ефективної потужності двигуна і питомої витрати палива на i-ій ділянці маршруту;

ф_i - час роботи на цій ділянці, а середньоексплуатаційна потужність

(3)

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

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

(4)

де Q_П - витрата палива в одиницю часу.

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

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

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

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

Для дизельного двигуна з турбінним наддуванням у досить широкому діапазоні потужностей можна орієнтовно прийняти N_e/N_ен=N_T/N_TH (N_e, N_T - поточні значення потужності дизельного двигуна і газової турбіни; N_ен, N_TH - зазначені параметри, що відносяться до номінального режиму).

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

(5)

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

Р_ТН, щ_н - значення вищевказаних параметрів на номінальному режимі.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Така інтерпретація дослідних даних дозволяє одержати найбільш представницькі інтервали обумовлених параметрів - Дщ, ДN_e; розрахувати коефіцієнти завантаження двигуна К_N, значення g_е і N_е; визначити імовірності реалізації номінального режиму Р_Nен і Р_щн.

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

(6)

де П_ср - середнє значення досліджуваного параметра показника;

П_i - середнє значення досліджуваного параметра показника для i-єї зони;

ф_i - частка часу роботи двигуна в i-ій зоні;

К_i - кількість зон роботи двигуна (К_i=48).

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

Таблиця 1. Експлуатаційні показники двигуна СМД-31.15 при роботі автомобіля КрАЗ-6510 на різних типах доріг з повним ваговим завантаженням (G_а=244 кН)

Дорога	, с-1	Ne, кВт	KN	ge, г/кВтгод	Nе, кВт	РNен, %	Рн, %
Р0	0,89…1,05	0,94…1,0	0,794	233	146,1	6,75	81,15
В0	0,85…1,01	0,91…0,97	0,819	231	150,8	6,05	51,73
Вn	0,79…0,88	0,85…0,92	0,658	249	121	1,87	39,62

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

Таблиця 2/ Експлуатаційні показники двигуна СМД-31.15 при роботі автомобіля КрАЗ-6510 на різних типах доріг з 50% ваговим завантаженням (G_g=174,5 кН)

Дорога	, с-1	Ne, кВт	КN	gе, г/кВтгод	Nе, кВт	РNен, %	Рн, %
Р0	0,89…1,0	0,63…0,83	0,654	234	120,4	17,3…18,6	58,5…56,5
В0	0,90…0,98	0,59…0,81	0,622	234	114,6	15,2…19,4	58,5…56,5
Вn	0,79…0,90	0,58…0,79	0,739	232	118	35,5	34,5…35,3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прийнято, що параметром, величину якого необхідно гарантувати, є швидкість автомобіля. Вона на схемі рис. 7 представлена сімейством кривих V=f(М_д, щ). Причому V₂<V₁<V₀. Питома витрата палива g_e - критерій, менші значення якого відповідають “кращому” режиму (g_e3>g_e2>g_e1).

Припустимо, що двигун працює в режимі Р_2-1, забезпечуючи швидкість руху автомобіля V₂ за рахунок режиму роботи трансмісії Т_2-1. Цьому сполученню режимів роботи двигуна й автомобіля відповідає витрата палива g_e3. Зміщаючи від режиму Р_2-1 уздовж стрілки за рахунок зниження частоти обертання колінчатого вала і збільшення крутного моменту, гарантуючи сталу швидкість V₂, реалізувати безліч режимів роботи двигуна, кожний з яких послідовно буде “кращим” за витратою палива. Очевидно, оптимальним для швидкості V₂ буде режим Р_2-0 з мінімальною для даної швидкості питомою витратою палива g_e2. У цьому випадку режим роботи трансмісії буде характеризуватися точкою Т_2-0.

Аналогічно міркуючи, можна показати, що оптимальним за умовою мінімізації витрати палива при швидкості руху V₁ буде режим роботи двигуна Р_1-0, а трансмісії Т_1-0, для швидкості V₀ - Р_0-0, Т_0-0, а для швидкості V_i - Р_i-0, Т_i-0.

Таким чином, умові гарантування необхідної швидкості руху автомобіля відповідає будь-який режим, що належить кривій V=f(М_д, щ), а найменше значення основного функціонала якості - питомої витрати палива, може забезпечити тільки той режим, що визначається як точка, де крива V=f(М_д, щ) має загальну, дотичну з однією з ізоліній g_e=f(М_кр, щ). Оскільки для кожного швидкісного режиму існує за витратою палива свій оптимум, то для очевидної незліченної кількості можливих швидкісних режимів існує і незліченна кількість оптимальних. З'єднавши точки, що характеризують оптимальні режими (для прикладу, розглянутого на схемі рис. 7 це “0”, Р_1-0, Р_2-0, Р_i-0), одержимо пряму “а”, якій належить певна кількість режимів, що відповідають умові оптимальності за питомою витратою палива. Спроектувавши ці точки на площину з координатами (V, щ) і з'єднавши їх між собою, одержимо пряму “б”, яка поєднує режими роботи трансмісії (точки Т₀, Т_1-2, Т_2-2, Т_i), що забезпечують мінімізацію витрати палива.

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

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

(7)

де К_Т -кутовий коефіцієнт необхідного закону керування трансмісією;

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

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

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

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

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

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

область варіювання параметрів, що задають режими роботи автомобіля і його двигуна, обмежується зовнішньою швидкісною характеристикою останнього;

варіативні параметри вибираються або за технічними характеристиками двигуна й автомобіля, прийнятими як аналоги, або задаються у межах встановленої області варіювання;

спільне рішення системи рівнянь, що являють собою задачу аналізу, дозволяє визначити оптимальні сполучення значень швидкості руху автомобіля і частоти обертання колінчатого вала двигуна, що забезпечують умову g_e=g_emin при V=const;

визначення закону оптимального керування трансмісією, що є функцією відклику і представленого рівнянням (7).

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

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

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

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

;(8)

,(9)

де - вектори варіативних параметрів.

Вид функції (8) може бути заздалегідь відомий чи заданий і більшою чи меншою мірою "прив'язаний" до зовнішньої характеристики двигуна координатами точки мінімуму питомої витрати палива (М_д0, щ₀).

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

(10)

де (показники б_i і в_i є дійсними числами).

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

(11)

де j=(i+1; i+2 і т.д.).

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

.(12)

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

(13)

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

Таким чином, задача оптимізації може бути записана у вигляді

(14)

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

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

Попередній аналіз конструктивних і режимних параметрів автомобіля і двигуна дозволив як незалежні варіативні параметри прийняти: крутний момент двигуна -М_д, частоту обертання колінчатого вала - щ, коефіцієнт обліку обертових мас - д_вр, к.к.д. трансмісії - з_тр.

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

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

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

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

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

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

Таблиця 3. Розрахункові значення швидкостей руху при визначених передаточних числах коробки передач

Передача	Vа	, с-1
	N	90	130	170	210
3	1,17	5,01	7,23	9,46	11,69
4	1,0	5,86	8,47	11,08	13,68
5	0,61	9,61	13,88	18,16	22,4

ВИСНОВКИ

Проведений аналіз стану питання за літературними джерелами і оцінка технічного рівня вантажних автомобілів, обладнаних дизельними двигунами, показав відсутність досить обґрунтованих рекомендацій щодо вибору характеристик системи “двигун - трансмісія”, що приводить до невиправданого збільшення експлуатаційної витрати палива. Рішення цієї задачі вимагає розробки нових критеріїв оцінки експлуатаційних показників вантажного автомобіля і створення комплексу методів і засобів для їхнього визначення.

Удосконалений метод ідентифікації експлуатаційних показників автомобільного двигуна з газотурбінним наддуванням дозволяє підвищити точність визначення завантаження силової установки. Визначальними параметрами зазначеного методу є тиск газів перед турбіною і частота обертання колінчатого вала двигуна.

Реалізація запропонованого методу на основі розроблених бортового режимоміра і покажчика завантаження дозволяє одержувати інформацію про розподіл режимів роботи двигуна. При цьому як статична, так і динамічна похибки вимірів складають 4...9%.

Випробування вантажного автомобіля КрАЗ-6510 при повному ваговому завантаженні з двигуном СМД-31.15 при використанні розробленого режимоміра показали, що в широкому діапазоні дорожніх умов (сумарний коефіцієнт дорожнього опору =0,027…0,060) найбільш вірогідними є такі показники роботи двигуна: коефіцієнт завантаження по потужності К_N=0,658…0,794, середньоексплуатаційна питома витрата палива і потужності - g_е=0,233…0,249 г/кВтгод, N_е=121…146,1кВт. При зниженні вагового завантаження автомобіля на 50% зазначені показники складають: К_N=0,654…0,739, g_е=0,232…0,234 г/кВтгод, N_е=118…120,4 кВт.

Використання номограм, отриманих при сполученні полів розподілу режимів роботи й універсальної паливної характеристики двигуна, дозволяє визначати раціональні за витратою палива і виробленої енергії режими роботи автомобіля і двигуна. Експлуатаційні випробування автомобіля КрАЗ-6510 із двигуном СМД-31.15 показали, що використання розроблених номограм дає можливість підвищити експлуатаційну паливну економічність автомобіля на 6,3%.

На основі багатопараметрової оптимізації характеристик системи “двигун - трансмісія” автомобіля КрАЗ-6510 із двигуном СМД-31.15 установлений ряд підвищених передач, що має потенційну можливість до поліпшення експлуатаційної паливної економічності і забезпечує порівняно зі штатним рядом більш широкий діапазон швидкостей руху автомобіля. Рекомендовані передатні числа вищих передач такі: 0,61; 1,00; 1,17.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Павленко В.А., Варваров Л.Н. Предпосылки оптимизации режимов работы двигателя по топливной экономичности // Тракторная энергетика в растениеводстве. - Харьков: ХГТУСХ. Сб. науч. тр. - 2001.- Вып. 4. - С. 71-74.

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

3. Варваров А.М., Павленко В.О. Алгоритм оптимізації характеристик систем “двигун - трансмісія” // Механізація сільського господарства. - Харків: Вісник ХДТУСГ. Зб. наук. пр. - 2001.- Вип. 7.- С. 87-92.

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

5. Волков В.П., Влащенко Г.И., Павленко В.А. Анализ методов определения мощности дизельного двигателя в условиях эксплуатации // Підвищення надійності відновлюваних деталей машин. - Харків: Вісник ХДТУСГ. - 2001.- Вип. 8, том 2. - С. 183-187.

6. Варваров Л.Н., Сахаревич В.Д., Павленко В.А. Естественно-производственные условия проведения испытаний мобильной техники // Механізація сільськогосподарського виробництва. - Харків: Вісник ХДТУСХ. - 2002.- Вип. 12. - С. 9-12.

7. Волков В.П., Павленко В.А., Варваров Л.Н., Выхватин В.В. Анализ и синтез топливной экономичности грузового автомобиля в условиях эксплуатации // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. Сб. науч. тр. - 2002.- Вып. 10. - С. 56-59.

Размещено на Allbest.ru