[ Министерство образования и наук
и Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(национальный исследовательский университет)
На правах рукописи
ГРИЧАНЮК МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ФОРСАЖНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ
МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК
05.05.03 – Колесные и гусеничные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:
доктор технических наук, профессор Драгунов Г.Д.
Челябинск
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………………………….. 1.1 Направления повышения энергоэффективности автомобилей …….…….. 1.2 Обзор показателей энергоэффективности автомобилей………………… 1.3 Обзор методик расчета показателей энергоэффективности………….….. 1.4 Режимы работы МТУ при моделировании движения автомобиля……... 1.5 Формулирование цели и задач исследования………………………….…..ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ФОРСАЖНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК………………………... 2.1 Назначение и классификация режимов работы……………………..…….. 2.2 Теоретическое представление энергоэффективности автомобиля…….... 2.3 Разработка принципов переключения режимов работы МТУ………….. 2.4 Разработка автоматной модели переключения режимов работы……….. 2.5 Математическое моделирование движения автомобиля при форсажных режимах работы МТУ…………………………………………………………... 2.6 Оценка влияния форсажных режимов работы на усталостную долговечность деталей МТУ……………………………………………………ГЛАВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
3.ФОРСАЖНЫХ РЕЖИМОВ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ……………... 3.1 Цели и задачи экспериментального исследования………………………. 3.2 Описание объекта исследования………………………………………....... 3.3 Методика проведения натурного эксперимента…………………………. 3.4 Измерительно-регистрирующее оборудование…………………………. 3.5 Описание способа переключения режимов работы МТУ……………….. 3.6 Тарировка измерительной аппаратуры………..………………………..… 3.7 Оценка погрешностей измерений………………………………………….
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ…………………………………….ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ………..………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………...
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Улучшение тягово-скоростных свойств и опорной проходимости автомобилей многоцелевого назначения (АМН) является актуальной задачей отрасли. Степень приспособляемости к выполнению различных тягово-транспортных работ предлагается оценивать энергоэффективностью автомобиля. Энергоэффективность автомобиля определяется отношением полезной совершенной работы к расходу топлива при заданных условиях движения. На энергоэффективность оказывают значительное влияние режимы работы моторно-трансмиссионных установок (МТУ). Автомобили эксплуатируются при типовых режимах работы, заявленных заводами-изготовителями (тормозные, холостые, частичные и номинальные), а также кратковременно при форсажных режимах работы.В ряде отечественных и зарубежных работ исследуются двигатели с временным форсированием (форсажные режимы) для управления мощностью в более широких пределах по сравнению с типовыми режимами.
Результаты данных работ использовались для оценки эксплуатационных параметров двигателей.
В ходе обзора общедоступных печатных и интернет-источников выявлено отсутствие исследований по влиянию форсажных режимов работы МТУ на энергоэффективность АМН. Применение форсажных режимов при различных условиях движения автомобиля требует обоснования и экспериментальных исследований.
позволяющей при эксплуатации автомобилей в различных условиях обоснованно использовать форсажные режимы.
исследования сформулированы и решены следующие задачи:
1..Описать условия возможного применения форсажных режимов работы МТУ для АМН.
2..Предложить критерий оценки энергоэффективности автомобилей при форсажных режимах работы МТУ.
3..Разработать алгоритм включения форсажных режимов работы МТУ при различных условиях движения автомобиля.
4..Разработать математическую модель движения АМН при типовых и форсажных режимах работы МТУ.
5..Выполнить экспериментальное исследование АМН УРАЛ-43203 при типовых и форсажных режимах работы МТУ для проверки адекватности предложенных математических формул.
6..Произвести оценку влияние форсажных режимов работы МТУ на усталостную долговечность деталей трансмиссии автомобиля.
Объект исследования. АМН УРАЛ-43203 с дизельным двигателем, оснащенным устройством переключения режимов работы МТУ.
Предмет исследования. Показатели энергоэффективности автомобиля при типовых и форсажных режимах работы МТУ.
базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории конечных автоматов, методах численного решения дифференциальных и неэлектрических величин.
Научная новизна работы:
-.расширена классификация режимов работы МТУ, учитывающая, кроме общеизвестных типовых режимов, также форсажные режимы работы МТУ, которые ранее для исследования энергоэффективности автомобилей не использовались;
-.предложен автомобиля коэффициентом энергоэффективности, включающим в себя коэффициент нагрузки и коэффициент расхода топлива, которые характеризуют отношение полезной совершенной работы автомобилем к расходу топлива при заданных условиях движения;
-.разработана типовыми и форсажными режимами работы МТУ, позволяющая определять показатели энергоэффективности на всех режимах работы и обоснованно выбирать форсажный режим при различных условиях движения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач; использованием методов и подходов, описанных в научной литературе; обоснованностью применяемых теоретических зависимостей и принятых допущений; проверкой адекватности модели посредством независимых и авторских натурных испытаний; отсутствием противоречий с общепризнанными теоретическими и экспериментальными результатами зарубежных и отечественных авторов.
Практическая ценность работы. Разработанная методика повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ может использоваться при проектировании новых и совершенствовании существующих образцов МТУ различных автомобилей для улучшения их тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.
Реализация. Разработанная методика оценки энергоэффективности автомобилей используется при разработке перспективных моделей АМН в ОАО «Автомобильный завод «Урал».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались в период 2010–2013 гг. на Международном конгрессе по грузовым машинам, автопоездам и городскому транспорту под патронажем FISITA, Минск:
докторантов, ЮУрГУ, 2011; международной научно-технической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству», Международной конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», г. Москва, 2012; 5-ой научной конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ, 2013.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и содержит 118 страниц, в том числе страниц машинописного текста, включающего 51 иллюстрацию, 18 таблиц, список литературы из 124 наименований.
В главе 1 приводится современное состояние вопроса, обоснование актуальности представленной темы, обзор научных исследований и достижений, применяемых при оценке энергоэффективности автомобилей.
На основе анализа научной проблемы и общедоступных результатов отечественных и зарубежных работ, формулируются цель и задачи исследования.
В главе 2 приводится теоретическое представление энергоэффективности автомобилей, классификация режимов работы МТУ по ряду признаков.
Разрабатывается математическая формализация форсажных режимов работы МТУ. Разрабатывается алгоритм переключения типовых и форсажных режимов. Приводится математическая модель движения автомобиля при типовых и форсажных режимах работы. Производится оценка влияния форсажных режимов работы на усталостную долговечность деталей трансмиссии.
В главе 3 описывается методика экспериментального исследования энергоэффективность при различных условиях движения. В качестве объекта экспериментального исследования принят автомобиль УРАЛ-43203, оснащенный дизельным двигателем КАМАЗ-740 с конструктивно измененным топливным насосом высокого давления и устройством переключения режимов работы.
экспериментальной оценки энергоэффективности автомобиля для проверки адекватности разработанной математической модели движения автомобиля и предложенных формул для расчета энергоэффективности. По результатам работы предложены рекомендации по применению форсажных режимов работы МТУ для автомобиля УРАЛ-43203.
На защиту выносятся Методика повышения энергоэффективности форсажными режимами работы МТУ; зависимости, определяющие энергоэффективность при типовых и форсажных режимах; алгоритм переключения режимов работы;
результаты определения коэффициентов энергоэффективности при расчетной и экспериментальной оценке.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Направления повышения энергоэффективности автомобилей Совершенствование эксплуатационных параметров автомобилей является актуальной научно-технической задачей в автомобилестроении.Автомобиль, как транспортное средство, в первую очередь, характеризуется эффективностью транспортирования грузов и людей. Эффективность автомобиля может определяться соотношением таких параметров как грузоподъемность (пассажировместимость), средней скоростью движения, соответствующим расходом топлива, а также уровнем выброса вредных веществ в окружающую среду и др. [8, 22, 71, 93, 102, 105, 123].
Эффективность системы – свойство системы выполнять работу с наименьшими затратами времени и энергии, что характеризует степень адаптации системы к поставленным задачам, а также является параметром качества ее работы. Энергия механической системы – способность системы совершать механическую работу.
Согласно Федеральному закону РФ от 23.11.2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности …»:
энергетическая эффективность – характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу…»
Согласно Директиве Комиссии Евросоюза по энергетике и транспорту «DIRECTIVE 2009/125/EC» энергетическая эффективность автомобиля характеризуется уровнем выбросов углекислого газа в граммах на километр.
Кроме предложенных понятий «энергоэффективность» существует также ряд других, близких к понятию коэффициента полезного действия (КПД). Существующие определения не учитывают первостепенную важность качества выполнения автомобилями различных тягово-транспортных задач.
Качество выполнения указанных задач характеризуется в большей степени уровнем совершенства тягово-скоростных свойств автомобиля. Показатели энергоэффективности автомобиля должны объединять в себе как показатели топливной экономичности, так и показатели тягово-скоростных свойств автомобиля.
Создание энергоэффективных наземных колесных транспортных средств осуществляется по разным направлениям. С одной стороны, ведутся разработки перспективных моделей, например, электромобилей (Tesla Model S, Mitsubishi i-MiEV, Chevrolet Volt, Nissan Leaf), гибридных автомобилей (Toyota Prius, Honda Hybrid Civic, Lexus RX400h), водородных автомобилей (BMW Hydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen, Ford E-450), а также других, которые обладают высокими эксплуатационными показателями. С другой стороны, существуют неоспоримые преимущества автомобилей производственной и сервисной инфраструктуры.
Важным аспектом разработки любого из направлений является эффективность от применения и себестоимость внедрения конструктивных изменений в виде разнообразных технических решений. Эффективные технические решения, которые обладают относительно низкой себестоимостью внедрения в существующие конструкции автомобилей, являются наиболее перспективными. Для второго направления примерами таких уже частично используемых в массовом производстве решений могут служить: непосредственный впрыск топлива, применение различных видов наддува, отключение цилиндров двигателя, автоматические коробки передач с двойным сцеплением, подвески с изменяемым клиренсом на основе адаптивного управления и т.д. [84, 92, 99, 100, 106, 115, 119].
Третье направление существует с момента появления первых серийных автомобилей, модернизация которых производилась владельцами автомобиля. В настоящее время для любой модели автомобиля доступны услуги модернизации (автотюнинга), как способа изменить технические параметры автомобилей, которые находятся в эксплуатации.
Таким образом, повышение энергоэффективности в настоящее время происходит по трем направлениям:
1) разработка перспективных и принципиально новых конструкций автомобильной техники;
2)..улучшение традиционной конструкции на стадии производства.
3)..модернизация находится в непосредственной эксплуатации.
Исходя из этого, является целесообразным проведение теоретикопрактических изысканий с целью дальнейшего повышения энергоэффективности автомобилей по всем указанным направлениям.
На энергоэффективность автомобиля наибольшее влияние оказывают параметры двигателя и трансмиссии, а также эффективность их взаимодействия. Физическое объединение двигателя и трансмиссии автомобиля представляет собой моторно-трансмиссионную установку (МТУ) [3, 7, 9…15, 104].
Совершенствование выходных параметров МТУ оказывает наибольшее влияние на тягово-скоростные свойства и топливную экономичность по сравнению с остальными эксплуатационными свойствами, которые также испытывают влияние параметров МТУ. Параметры МТУ характеризуются скоростными и нагрузочными характеристиками, а также диапазоном и временем изменения передаточных чисел [14, 80, 86, 88].
Указанные параметры МТУ автомобилей должны иметь такие значения и их распределение во времени с учетом влияния различных факторов, которые позволяют автомобилю достигать высокой энергоэффективности при различных условиях движения. Энергоэффективность автомобиля определяется не только его эксплуатационными свойствами, но также способом оценки энергоэффективности.
1.2 Обзор показателей энергоэффективности автомобилей Оценка энергоэффективности автомобилей может осуществляться различными способами. Суть оценки заключается в сравнении автомобиля энергоэффективного режима работы, а также в сравнении различных автомобилей при одинаковых условиях движения и определении наиболее энергоэффективного из них.
множество работ. Среди них наиболее известны работы, авторами которых являются Валеев Д.Х., Великанов Д.П., Вохминов Д.Е., Евсеев П.П., Ерохов В.И., Зимелев Г.В., Карабцев В.С., Копотилов В.И., Крупченков В.С., Лепешкин А.В., Московкин В.В., Наркевич Э.И., Петров В.А., Петрушов В.А., Погосбеков М.И., Подригало Н.М., Романченко М.И., Русаков С.С., Титаренко В.С., Трембовельский Л.Г., Токарев А.А., Фаробин Я.Е., Фасхиев Х.А., Чудаков Е.А. и др.
Среди зарубежных исследователей известны труды Babiker M., Dallmeyer J., DeCicco J., Fiala E., Guzzella L., Jimenez J. L., Karplus V.J., Knittel C. R., Lattner A.D., Mackerle J., McLintock P.M., McRae G.J., Nelson D.D., Onder C.H., Paltsev S., Pfiffner R., Reilly J.M., Ross M., Sivak M., Small K.A., Taubert C., Van Dender K., Zahniser M.S. и др.
энергоэффективности для автомобилей являлся расход топлива. Академик Е.А. Чудаков предложил для сравнения энергоэффективности разных автомобилей использовать их экономические характеристики.
Характеристика Qs = f(Q,S) представляет собой соотношение расхода топлива (Q) на 100 км пути (S) и скорости движения автомобиля [83] (1.1):
Дальнейшие исследования были связаны с совершенствованием показателей энергоэффективности. В работе Д.П. Великанова [8] предлагалось рассчитывать показатель энергоемкости перевозок (Э), который зависит от расхода топлива (Q), его плотности () и теплотворности (), а также от объема произведенной транспортной работы (W) по формуле (1.2):
А.А. Токарев для расчета критерия энергоэффективности автомобиля использовал два подхода [71, 72]. Первый подход основывался на соотношении мощности, затрачиваемой на перевозку груза, к мощности требуемых энергозатрат. В этом подходе сформировалось, по сути, определение КПД автомобиля, которое получит дальнейшее развитие в исследованиях других авторов [30, 41, 47]. Второй подход базировался на определении критерия энергоэффективности с учетом массы полезной нагрузки, расхода топлива на единицу пути, ускорения и скорости автомобиля, коэффициента учета вращающихся масс, приращение фактора обтекаемости, а также количества и свойств топлива. Но данный подход не получил дальнейшего развития в виду отсутствия физического смысла полученного соотношения.
индикаторного КПД двигателя при расчете энергетического баланса автомобиля вместо общепринятого эффективного КПД.
Также в этой работе предлагается при оценке энергоэффективности автомобиля учитывать упругодеформирующие свойства внутренних связей его механизмов и узлов. Учет этих свойств систем автомобиля должен базироваться на достаточно точном описании рабочих процессов, протекающих внутри механизмов и узлов. Влияние потерь энергии в подвеске на энергетические показатели автомобиля исследуется в работах [2, 117, 122]. Влияние потерь энергии в шинах автомобиля рассматривается в работах [40, 91, 109, 111, 113].
В работе [116] предложен показатель энергоэффективности топливномеханического КПД автомобиля, который выражается формулой: pтм = i·p, где i – индикаторный КПД ДВС, p – условный механический КПД системы «трансмиссия-движитель». Данный показатель является комплексным и включает в себя несколько значений различных КПД, которые в общем случае рассмотрения имеют переменные значения и зависят от многих факторов.
В работе [39] предложен показатель энергетической эффективности транспортной работы автомобиля, который учитывает массу перевозимого груза, путь транспортировки, расход топлива, а также его низшую теплотворную способность и плотность.
В работе [47] для оценки энергоэффективности автором используется коэффициент эффективности преобразования мощности (1.3):
Исследованию КПД автомобиля посвящен ряд работ П.П. Евсеева [29, 30]. КПД выражается как отношение средней скорости движения, массы груза, коэффициента сопротивления движению к расходу топлива и его свойствам. Подобные показатели энергоэффективности также рассматриваются в работах [6, 9].
В работе Фасхиева Х.А. [80] для оценки топливной экономичности и тягово-динамических возможностей грузовых автомобилей применяется коэффициент эффективности, определяемый отношением средней технической скорости Vт к расходу топлива на 100 км пути (1.4):
При определении Кэф иногда учитывают и снаряженную массу автомобиля [132] (1.5):
где G0 – снаряженная масса автомобиля, кг.
Комплексной характеристикой автомобиля является и его КПД, определяемый как отношение полезной работы к потенциальной работе сжигаемого топлива [6] (1.6):
где Кs – коэффициент пропорциональности по пути выбега; m – полезная масса, кг; V – скорость движения, м/с; – плотность топлива, кг/л; Q – расход топлива, л/100 км; Hу – удельный тепловой эквивалент, кДж/кг.
В формуле (1.6) отсутствует описание коэффициента пропорциональности по пути выбега. Также в числителе и знаменателе отображаются разные единицы измерения. Подобную формулу КПД, но с более явным физическим смыслом предложил Э.И. Наркевич [53] (1.7):
где g – ускорение свободного падения; H – сумма приращения высот на всех подъемах маршрута; V0i, Vкi – начальная и конечные скорости на i-м участке разгона, км/ч; S – длина маршрута, км; Hу – удельный тепловой эквивалент, Дж/кг.
При определении КПД двигателя Э.И. Наркевич предлагает оценивать механическую работу по характеристике остаточного давления рабочего расширения, но и величиной совершенной за это же время работы по преодолению сопротивлений в двигателе и внешних сопротивлений движению автомобиля [54].
применяется комплексный критерий а (1.8):
где Me – максимальный крутящий момент двигателя, Нм; mгр – масса перевозимого груза, кг; rk – радиус качения ведущих колес, м; Vср – средняя скорость, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с2; i0 – передаточное число главной передачи; ср – средняя плотность ряда передаточных чисел высших ступеней трансмиссии; Hu – низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг; GТ – средний на маршруте массовый расход топлива, кг/с.
В работах Л.Г. Трембовельского [72…79] приводятся комплексные показатели, характеризующие энергоэффективность автотранспортных средств (АТС). Комплексный критерий технико-экономической эффективности АТС, который может использоваться как комплексный показатель топливно-скоростных свойств (1.9):
где ma – полная масса АТС, т; Gт средний часовой расход топлива, л/ч; V – средняя скорость движения, км/ч.
Приводится связь комплексного критерия с производительностью АТС, выраженная формулой (1.10):
где W производительность, ; mсн – масса автомобиля, т.
В качестве меры эффективности топливно-энергетического поля двигателя автором вводится форма комплексного показателя, взаимно увязывающая параметры рабочего процесса двигателя. Показатель назван «механическим эквивалентом одного килограмма топлива» и определяется по формуле (1.11):
где Ме – эффективный крутящий момент двигателя (Н·м), развиваемый при частоте вращения коленчатого вала, 1/с и часовом расходе топлива Gт, кг/ч.
С учетом параметров МТУ показатель энергоэффективности определяется по формуле (1.12):
учета вращающихся масс; g ускорение свободного падения, м/с2; Рс – суммарная сила сопротивления движению, Н; плотность топлива, кг/дм3.
Московкиным В.В. для комплексной оценки скоростных свойств автомобиля и топливной экономичности предложено соотношение между Vср – приращением средней скорости автомобиля и Qsср – увеличением его среднего расхода топлива (1.13):
где Э – показатель эффективности [49].
существующие показатели энергоэффективности и сделаны следующие общие выводы:
основанных на учете расхода топлива и на учете затрат энергии от его сгорания;
2) практически все критерии энергоэффективности рассчитаны при постоянной скорости автомобиля и критериев, расчетные формулы которых отражали бы реальный режим эксплуатации, пока нет;
3) отсутствие научно обоснованных и общепринятых количественных показателей энергоэффективности является существенным препятствием на пути создания научной основы их оценки.
В работах зарубежных авторов [101, 102, 105, 114] приводится понятие мгновенной удельной мощности автомобиля – Vehicle Specific Power (VSP) и определяется по выражению (1.14):
где v – скорость автомобиля, м/с; a – ускорение автомобиля, м/с2; g – ускорение свободного падения, м/с2; – уклон дороги; – коэффициент сопротивления качению; – коэффициент сопротивления воздуха.
Термин VSP используется для анализа уровня выброса вредных веществ, содержащихся в отработавших газах, в окружающую среду, а также для оценки уровня расхода топлива.
В работе [105] приводится показатель энергоэффективности – производительности автомобиля (1.15):
где mpgit – расход топлива, миля на галлон; wit – вес автомобиля, тонн; hpit – мощность двигателя, л.с.; tqit – крутящий момент двигателя; a(t) – функция аппроксимации заданных параметров.
В работе [31] приводится коэффициент эффективности - measure of effectiveness (MOE), который определяется в зависимости от текущей значений скорости и ускорения автомобиля по формуле (1.16):
где, – коэффициент регрессии при величине i-ой скорости и j-го ускорения, s – величина мгновенной скорости, км/ч; a – мгновенное ускорение, м/с2.
Оценка энергоэффективности рассматривается в работах во многих зарубежных работах как отношение полезной совершенной работе к затраченной [5, 89, 90]. Подобные отношения рассматривались в работах А.А. Токарева, которые анализировались выше.
Особенностью зарубежных работ является следующее: исследование энергоэффективности как совокупности тягово-скоростных свойств и топливной экономичности приводится с учетом уровня выброса вредных веществ, содержащихся в отработавших газах, на основе показателей различных ездовых циклов [104, 118, 124]. Указанные показатели циклов автомобиля и не отражают в полной мере реальные условия движения автомобилей.
Результаты, достигнутые в исследованиях, показывают, что оценка энергоэффективности автомобилей может производиться несколькими способами:
1. Применение комплексных показателей: КПД автомобиля, критерий топливно-энергетической эффективности и пр. Комплексный показатель представляет собой обобщенную оценку энергоэффективности автомобиля как транспортного средства без непосредственного учета множества его технических параметров и изменением их во времени.
Возможно ситуация, когда два автомобиля, обладающие одинаковой энергоэффективностью, могут иметь разные показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности, что является доказательством наличия «резерва» по улучшению эксплуатационных параметров для обоих автомобилей.
2. Использование различных показателей, характеризующих тяговоскоростные свойства и топливную экономичность автомобиля: время разгона до 100 км/ч, максимальная скорость, расход топлива на 100 км, удельная мощность автомобиля, а также др. При сравнении технического совершенства разных автомобилей с помощью отдельных показателей может возникнуть ситуация, когда автомобиль с более низкими показателями будет более энергоэффективен в определенных условиях. Например, если сравнивать два автомобиля при прочих равных условиях, то первый автомобиль с высокими тягово-скоростными свойствами (оснащенный ДВС высокой удельной мощности) при эксплуатации на холостом ходу и малых нагрузках обладает большим расходом топлива, чем второй автомобиль с более низкими тягово-скоростными свойствами (оснащенный менее мощным двигателем). В зависимости от условий эксплуатации энергоэффективность автомобиля может принимать разные значения, что не учитывается совокупностью рассматриваемых показателей.
Таким образом, исходя из приведенных результатов отечественных и зарубежных работ, можно сделать вывод, что критерий, с помощью которого можно осуществить количественную оценку энергоэффективности разных автомобилей с учетом режимов их работы и режимов движения автомобиля, по настоящее время не предложен. Критерий энергоэффективности должен иметь также ясный физический смысл и быть относительным показателем для возможности сравнения эксплуатационных параметров автомобилей, имеющих различные единицы измерения.
Количественная оценка критерия энергоэффективности автомобиля обуславливается применяемой методикой его расчета.
1.3 Методики определения показателей энергоэффективности Для исследования энергоэффективности используют различные методики и подходы. К множеству существующих методик относятся методики, описанные в различных научно-исследовательских источниках и методики, применяемые в стандартах, которые регламентированы на государственном и международном уровнях. Отличительной особенностью, методик стандартов является их базирование, как правило, на результатах экспериментальных исследований.
В отечественной практике экспериментальные методики оценки эксплуатационных свойств (характеризующих энергоэффективность) автомобиля приведены в ГОСТ 22576-90 [66] и ГОСТ 20306-90 [65].
За рубежом энергоэффективность оценивается по методикам с использованием различных ездовых циклов. В США действует стандарт по выбросу вредных веществ и топливной экономичности EPA Federal Test Procedure, который состоит из нескольких тестов: city driving (FTP-75) – городское вождение, highway driving (HWFET) – загородное вождение, aggressive driving (SFTP US06) – агрессивное вождение. На территории европейских стран принят стандарт NEDC, который включает: ECE-15 Urban Driving Cycles (UDC) – городской цикл движения и Extra-Urban driving cycle (EUDC) – загородный цикл движения. В Японии действует с 2008 года стандарт JC08.
Важным этапом в развитии международной стандартизации по повышению эффективности автомобилей является планируемый в 2014 году выход окончательной версии стандарта WLTP, который разрабатывается при сотрудничестве ряда стран Европы и Азии. В стандарт будут входить класса в зависимости от величины удельной мощности автомобиля PWr (кВт/тонн): Класс 1 – автомобили с низкой удельной мощностью PWr ЕЕf
СИСТЕМА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МТУ
Расчет текущих значений: crT(i+1), cgT(i+1), crF(i+1), cgF(i+1) Рис. 2.8 – Алгоритм переключения при типовых и форсажных режимах От выбранных схем и метода переключения режимов зависят показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности – энергоэффективности. Переключение режимов работы МТУ производится двумя следующими методами:1) энергоэффективный метод – использование сравнения коэффициентов энергоэффективного режима работы МТУ;
2) экспертный метод – применение наиболее подходящих схем переключения режимов работы МТУ в зависимости от текущего значения коэффициента нагрузки на типовом или форсажном режиме.
Отличие методов переключения заключается в выборе критерия переключения. При энергоэффективном методе главный критерий – поиск максимального значения энергоэффективности при заданной условиях движения автомобиля. При экспертном методе – использование схемы переключения на основе экспертного подхода (формирование различных схем производится экспертом на основании его теоретико-практического опыта).
Для автомобилей с различными типами трансмиссией существуют следующие виды режимных схем:
1) однорежимная: типовой (Т) или форсажный (Ф);
2).двухрежимная: типовой (Т) и форсажный (Ф);
В общем случае использование любой режимной схемы зависит, с одной стороны, от степени необходимости применения той или иной схемы для конкретного автомобиля, а с другой стороны, от степени достаточности наличия факторов, позволяющих реализовать какую-либо схему.
Ниже представлены различные варианты схем для экспертного метода переключения.
1. Однорежимная схема работы (табл. 2.4) применяется при эксплуатации автомобиля только в таких условиях, которые накладывают ограничения на применение другого режима работы. Для наглядности и удобства дальнейшего анализа в табл. 2.4 представлен весь диапазон значений коэффициентов.
Таблица 2.4 – Однорежимная схема работы МТУ
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
hn(t)Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Для однорежимной схемы учитывают следующие вероятные факторы:спортивных автомобилей – использование только форсажного режима работы;
-.техническое состояние деталей и узлов МТУ (для автомобилей с таким приведет к возникновению неисправностей) – только типовой режим работы.
2. Двухрежимная схема работы используется в случае таких условий эксплуатации, при которых, кроме типового режима работы, возникает потребность в повышении только тягово-скоростных свойств без учета значений коэффициентов энергоэффективности (табл. 2.5).
Таблица 2.5 – Двухрежимная схема работы
Т Т Т Т Ф Ф Ф Ф Ф Ф
Т Т Т Т Т Т Ф Ф Ф Ф
Т Т Т Т Т Т Т Ф Ф Ф
Т Т Т Т Т Т Т Т Ф Ф
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Ф
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т
Распределение значений коэффициента энергоэффективности EE и соответствующего ему режима работы может принимать различный вид, что определяется требуемыми техническими характеристиками автомобиля.энергоэффективности производится переключение на различные режимы работы МТУ. Переход на форсажный режим работы позволяет повысить кратковременно тягово-скоростные свойства и опорную проходимость. При оснащении автомобиля системами активной безопасности, круиз-контроля и пр. необходим обмен данными между указанными системами и системой управления режимами для учета в процессе управлении наибольшего числа факторов, влияющих на эксплуатационные показатели автомобиля в целом.
2.4 Разработка автоматной модели переключения режимов работы Система переключения режимов работы МТУ характеризуется сложным функциональным поведением. Данная система включает в себя аналоговые и дискретные компоненты. Особенностями систем подобного рода является непрерывное изменение состояний системы и многочисленные вариации в соответствии с логической структурой управляющей системы. Управляющая воспринимающая внешние дискретные воздействия и реагирующая на эти воздействия называется реактивной системой. В основе реактивной управляющей системы используется вычислительный механизм на основе конечных детерминированных автоматов.
последовательностей: последовательности очередных состояний автомата s1[1]s2[2]s3[3]… и последовательности выходных символов y1[1]y2[2]y3[3]…, которые для последовательности x1[1]x2[2]x3[3]… разворачиваются в моменты дискретного времени t = 1, 2, 3, …. Функционирование автомата в дискретные моменты времени t может быть описано системой рекуррентных соотношений s(t+1) = (s(t), x(t)); y(t) = (s(t), x(t)) – автомат Мили (рис. 2.9), где – функция переходов автомата, – функция выходов автомата.
Рис. 2.9 – Функциональная схема автомата Мили Если выходной сигнал автомата зависит только от его состояния, то автомат описывается уравнением y(t) = (s(t)) – автомат Мура (рис. 2.10), где – функция выходов автомата.
Рис. 2.10 – Функциональная схема автомата Мура Рассмотренные схемы автоматов Мили и Мура для двухрежимной работы МТУ представляются в виде ориентированных графов. Целью разработки графов является дальнейшая реализация конечных автоматов на языке программирования высокого уровня программы Stateflow/MATLAB. При создании графов представляется возможным формировать схемы управления с минимальным количеством переходов и состояний. Для двухрежимного управления необходимо построить оба автомата.
Конечный автомат Мили (рис. 2.11) формируется шестеркой объектов:
A =, где S – конечное непустое множество состояний; X – конечное непустое множество входных сигналов; Y – конечное непустое множество выходных сигналов; s1 – начальное состояние; : SX S – функция переходов; : SY S – функция выходов.
Для двухрежимной работы параметры автомата Мили следующие: S = {s1, s2, s3}: s1 – типовой режим, s2 – текущий режим; s3 – форсажный режим; X = {a, b, c}: a – EEt = max, b – EE0 = max, c – EEf = max. Значения функции переходов указаны в табл. 2.9, а значения функции выходов – в табл. 2.10.
Таблица 2.9 – Значения функции переходов Таблица 2.10 – Значения функции выходов Рис. 2.11 – Автомат Мили при двухрежимной работе МТУ Конечный автомат Мура (рис. 2.12) формируется пятеркой объектов: A =, где S – конечное непустое множество состояний; X – конечное непустое множество входных сигналов; Y – конечное непустое множество выходных сигналов; s1 – начальное состояние; : SY S – функция выходов (табл. 2.11).
Объекты автомата Мура совпадают с параметрами автомата Мили, кроме функции перехода, а также наличия другой функции выходов.
Рис. 2.12 – Автомат Мура при двухрежимной работе МТУ Таблица 2.11 – Значения функции выходов После построения автоматов проводят операцию по их минимизации при возможности многовариантного построения. В данном случае схемы отличаются относительной простотой, поэтому минимизацию предложенных автоматов производить не целесообразно.
осуществляется при помощи визуального формализма профессора Д. Харела, который именуется «Statechart» (диаграммы состояний и переходов). Далее, в разделе 2.4, представлена математическая модель движения автомобиля при двухрежимной работе. Смена режимов работы осуществляется согласно диаграмме переключений «System_Control_Mode» (рис. которая выполнена на основе автоматов Мили и Мура.
суперсостояние режимов и selection_mode – суперсостояние расчета переходов между режимами.
Рис. 2.13 – Диаграмма переключений режимов «System_Control_Mode»
состояниями TypicalMode, и ForceMode (типовой и форсажный режимы), характеризующими соответствующий режим. Каждое состояние связано со значением через выполнение действия на входе – entry: T = 1 – типовой режим;
F = 2 – форсажный режим. Смена состояний определяется переходами, которые происходят в суперсостоянии selection_mode. В этом суперсостоянии осуществляются логические переходы из состояния по умолчанию steady_state в состояние downshift или upshift согласно истинности или ложности предложенных неравенств.
2.5 Математическое моделирование движения автомобиля Для оценки показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности применяются результаты математического моделирования движения автомобиля. Разработка математических моделей движения автомобиля является сложной вычислительной задачей, которая требует специального подхода в плане выбора программного обеспечения.
Для численного моделирования движения автомобилей существует специальное программное обеспечение (СПО). Наиболее распространено следующее СПО: MATLAB, приложение Simulink/SimDriveline (MathWorks Inc.); MSC Adams, приложение Car (MSC Software Corporation); EULER, приложение «Автомобиль» (ЗАО «АвтоМеханика»), а также другие.
MATLAB представляет собой пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимнный язык программирования, используемый в этом пакете. Одной из программ является Simulink – интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Функциональные возможности Simulink позволяют строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты [28].
автомобиля при типовых и форсажных режимах работы МТУ сформулированы допущения, при принятии которых сохраняется физическое содержание реальных процессов. С учетом аналитического обзора, выполненного в предыдущей главе, принимаются следующие допущения.
Автомобиль с колесным движителем рассматривается как система, входящая в метасистему «Водитель – Автомобиль – Окружающая среда».
Система «Автомобиль» абстрагируется совокупностью инерционных масс своих подсистем, взаимодействующих с системами «Окружающая среда» и «Водитель».
Все системы автомобиля, кроме движителя, представлены однородным твердым телом, которое движется по ровной поверхности (с учетом типа и состояния поверхности) при заданном уклоне и заданных свойствах инерции вращающихся масс автомобиля. Центр тяжести автомобиля совпадает с центром тяжести указанного твердого тела. Модель автомобиля учитывает перераспределение веса между осями при ускорении (замедлении, равномерном движении). Принятая схема сил изображена на рис. 2.14 и 2.15.
Рис. 2.14 – Принятая схема действующих сил на автомобиль УРАЛ- Рис. 2.15 – Принятая схема действующих сил на автомобиль УРАЛ- За основу используемой системы уравнений движения взяты уравнения плоского движения, описанные профессором Смирновым Г.А., и динамические уравнения Эйлера, описывающие вращательное движение. К уравнениям плоского движения добавлены компоненты пространственного движения, учтено количество колес и осей автомобиля, также учтена сила на буксировочном крюке. К уравнениям Эйлера добавлена модифицированная правая часть уравнений, учитывающая моменты, возникшие от силовых реакций на колесах автомобиля при заданных геометрических параметрах автомобиля.
Данная система уравнений исследовалась в работах профессора Драгунова Г.Д. и профессора Мурога И.А. Ими внесены дополнительные уравнения в математическую модель движения многоосного автомобиля, учитывающие перераспределение веса автомобиля между осями при ускоренном движении, учет бокового увода колес при криволинейном движении.
С учетом принятых допущений и ограничений движение автомобиля описывается системой дифференциальных уравнений (2.32):
контакте колеса i-й оси j-го борта с опорной поверхностью, Н; – угол поворота колеса, рад; – угол развала колес; m – масса автомобиля, кг; Vx,V y,Vz – продольная, боковая и вертикальная скорости автомобиля, м/с; J x, J y, J z – моменты инерции автомобиля относительно продольной, горизонтальной и вертикальной осей соответственно, кг·м2;,, углы тангажа, крена и рысканья соответственно, рад; hc высота центра масс, м; B – колея автомобиля, Вертикальные реакции определены с учетом величин жесткости подвески и шин, коэффициентов демпфирования амортизаторов (2.33):
где Rzij статическая нагрузка на колесо, Н; сp – приведенная жесткость подвески и шин, Н/м; kd – коэффициент демпфирования амортизаторов, (Н·с)/м.
Расчет продольных реакций проводился по следующей зависимости (2.34):
колеса, м; r0 статический радиус колеса, м; ct коэффициент где rr радиус тангенциальной эластичности шины.
Боковые реакции в контакте колеса с опорной поверхностью определялись на основе зависимости (2.35):
где Куэ – экстремальное значение коэффициента сопротивления боковому уводу при свободном качении колеса, ненагруженного боковыми и тангенциальными силами на ровной твердой поверхности без уклона, Н/рад; угол увода шины в боковом направлении, рад; q – функция коррекции бокового увода из-за воздействия на колесо при его качении различных эксплуатационных, конструкционных и других характеристик, связанных с различными режимами движения колеса и его состояния.
рассчитывалось как сумма его составляющих по соотношению (2.36):
где M, M z – моменты, обусловленные продольным и поперечным наклоном свойствами шин, Н·м; момент, обусловленный действием продольных сил, Н·м.
В модели трансмиссии учитываются геометрические характеристики элементов, передаточные числа передач, их количество, время переключения и момент переключения, а также дифференциальная связь ведущих колес и суммарные механические потери при их вращении.
В модели колесного движителя принимаются в расчет количество колес, массо-геометрические и упругие свойства шин с учетом характера изменения их демпфирующих свойств в зависимости от исходных данных и условий моделирования движения.
двигателем внутреннего сгорания для отображения реальных режимов его работы необходимо представлять двигатель совокупностью внешней и частичных скоростных характеристик [17, 25, 31, 48, 107]. Эти характеристики должны входить в математическую модель движения автомобиля. Поэтому характеристик должно быть совместимым и достаточно простым для получения приемлемого по сложности решения общей системы уравнений.
Характеристика двигателя предназначена для анализа тягово-скоростных свойств и топливной экономичности при движении автомобиля в различных дорожных условиях. Двигатель включается в эти расчеты и анализы следующими показателями:
1) скорость вращения коленчатого вала, связанная через передаточную функцию со скоростью движения автомобиля;
2).крутящий момент на коленчатом валу, связанный через передаточную функцию с моментом сопротивления движению автомобиля;
3).момент инерции двигателя, который в большинстве случаев для двигателя можно оценить по моменту инерции маховика.
Скорость вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателя являются взаимосвязанными переменными величинами и в условиях эксплуатации транспортных средств изменяются в широких пределах.
Для изучения процессов, протекающих в трансмиссии автомобиля, необходимо знать зависимость крутящего момента Мкр, развиваемого двигателем, от скорости вращения коленчатого вала n, т.е. скоростную характеристику двигателя. В справочной литературе и технических характеристиках двигателей можно найти чаще всего внешнюю скоростную характеристику, т.е. зависимость крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала при полной подаче топлива. Также либо отдельные параметры: значения максимальной мощности и максимального крутящего момента и частот вращения коленчатого вала, соответствующих этим показателям, а также минимальную (минимальную устойчивую) частоту и максимальную частоту холостого хода при нулевой нагрузке.
Основной параметр управления дизелем – величина топливоподачи, изменяется органом управления всережимным регулятором – педалью подачи топлива, обозначим е перемещение H и будем измерять в долях от полного Таким образом, задачу моделирования характеристик двигателя можно свести к нахождению функции: M (n,h).
регулировочных характеристик дизеля показаны на рис. 2.16.
Рис. 2.16 – Внешняя и регуляторные характеристики дизеля КАМАЗ- На участке от nmin до nN – представлена внешняя скоростная характеристика при неизменном и полном перемещении органа управления всережимным регулятором. При уменьшении нагрузки более nN частота вращения коленчатого вала увеличивается по регуляторной характеристике от nN до nmax.
При частичных постоянных положениях органа управления всережимным регулятором имеем частичные регуляторные характеристики h0,5 и другие, поле характеристик которых заключено между внешней характеристикой и осью n, которая является скоростной характеристикой холостого хода при отсутствии внешней нагрузки на коленчатый вал, от nmin при полностью отпущенной педали управления регулятором и работе регулятора как ограничителя минимальных оборотов холостого хода, до nmax при полностью нажатой педали и работе регулятора как ограничителя максимальной частоты вращения коленчатого вала.
Известно, что из всех факторов, влияющих на изменение крутящего поступающего в цилиндры топлива, является величина цикловой подачи. Для эффективного сгорания топлива на режимах внешней характеристики необходимо обеспечивать допустимый минимальный, примерно одинаковый, для всех скоростных режимов внешней характеристики коэффициент избытка пропорциональна коэффициенту наполнения и это обеспечивается характеристикой топливной аппаратуры при положении рейки насоса высокого давления вначале на корректоре, а затем на жестком упоре. Поэтому можно с известной степенью точности принять (2.37):
Следовательно, для внешней характеристики изменение М определяется зависимостью коэффициента наполнения от частоты вращения коленчатого гидравлические потери трения во впускной системе, подогрев свежего заряда, несоответствие фаз газораспределения оптимальным определяются квадратом скорости воздушного потока во впускной системе, а скорость эта пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. Можно поэтому считать обоснованным представление зависимости крутящего момента от скорости отрезка квадратичной параболы. Эти допущения справедливы для диапазона частот коленчатого вала от nmin до nN (2.38):
Для внешней характеристики значения коэффициентов уравнения (2) найдем из условий: при частоте вращения n=nM крутящий момент M=Mmax и при частоте вращения n=nN крутящий момент M=MN, получим (2.39):
Уравнение крутящего момента (2.40):
крутящему моменту k M Mmax и по частоте вращения k n nN, получим (2.41):
//////// Уравнения (2.40) и (2.41) являются моделью работы двигателя на стационарных режимах по внешней характеристике (при полном перемещении органа управления регулятора, то есть при h=1).
интервале частот n=nN до n=nmах, регуляторная характеристика отличается от соответствовать прямой, перпендикулярной оси частоты вращения. Реальный астатический регулятор допускает некоторое уменьшение частоты вращения коленчатого вала с увеличением нагрузки и обеспечивает линейную регуляторную характеристику в виде прямой, с наклоном в сторону уменьшения частоты вращения. При таком свойстве регулятора можно принять характеристику линейной (2.42):
(2.42) При Me =0, индикаторный момент Минд, развиваемый рабочим процессом двигателя равен моменту механических потерь Ммех, т.к.: M e = Минд – Ммех=0.
При n>nmax, когда активный крутящий момент передается от трансмиссии на
«