автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Метод оценки влияния параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии на топливную экономичность грузовых автомобилей с дизелем

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

Метод оценки влияния параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии на топливную экономичность грузовых автомобилей с дизелем

Специальность 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины»

На правах рукописи

Шкель Андрей Сергеевич

1 / ДЕК 2009

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2009

003488923

Работа выполнена на кафедре «Специальные автомобили и бортовые информационно-управляющие системы» Московского государственного

университета приборостроения и информатики.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Московкян В.В.

Официальные оппоненты — заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Ерохов В,И.,

кандидат технических наук, Сайкин А.М.

Ведущая организация — ОАО «Автомобильный завод «Урал» г. Миасс.

Зажита диссертации состоится /Л^/ 20$г. в/^часов на заседании диссерта-

ционного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»" по адресу: 125438 г. Москва, ул. Автомоторная дом 2; электронная почта: ас1-rain@nami.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан« 16 » ноября 2009 г. телефон для справок (495)456-40-40

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н. с.н.с. А. Г. Зубакин

http://www.nami.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В современной экономике все большее значение приобретают автоперевозки. Вследствие чего парк грузовых автомобилей постоянно увеличивается, увеличивается и доля потребляемого ими топлива.

Характерными особенностями данного вида транспорта являются большие пробеги и длительный срок эксплуатации автомобилей.

В связи с этим ошибки в выборе стратегии развития модельного ряда не удается исправить в течение длительного времени, либо это требует огромных капиталовложений.

Поэтому разработка метода, позволяющего на этапе проектирования оценить взаимосвязь основных конструктивных параметров силовой установки, передаточных чисел трансмиссии и топливной экономичности автомобиля, не только будет способствовать сбережению энергоресурсов в процессе эксплуатации, но и позволит избежать огромных затрат, связанных с переналадкой производства.

Цель исследования

Совершенствование метода оценки параметров силовой установки и передаточных чисел трансмиссии грузовых автомобилей по критерию топливной экономичности.

Задачи исследования

Разработка метода поэлементного анализа, позволяющего качественно и количественно оценить влияние параметров двигателя и передаточных чисел трансмиссии на скоростные свойства и топливную экономичность грузовых автомобилей с дизелем.

Создать математическую модель для расчетных исследований, позволяющую на стадии проектирования рассчитать новый агрегат автомобиля, воспользовавшись ограниченным набором параметров.

Создать методику для определения на стадии проектирования у автопоездов полной массой 25-45 тонн основных параметров двигателя: мощности, рабочего объема, числа цилиндров и их геометрических параметров.

Провести комплекс экспериментальных и расчетных исследований для доказательства эффективности предложенного метода и математической модели.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - грузовые автомобили полной массой 25-45 тонн. Предмет исследования — параметры силовой установки и передаточные числа трансмиссии, влияющие на топливную экономичность и скоростные свойства автомобилей.

Методы исследования

Экспериментальные и расчетные. В качестве прикладных средств данных методов использованы программы:, МВК (программный пакет для комплексных исследований автомобиля), Microcal Orign, Microsoft Excel (для построения графических зависимостей). Численные решения и их графическое представление получены с помощью ЭВМ.

Научная новизна

Установлены количественные, качественные и аналитические связи между составляющими топливного баланса автомобиля и мощностью его двигателя, изменяющейся под воздействием ряда факторов, среди них:

- улучшение рабочего процесса (создание оптимальных топливовоздушных смесей и их качественное сгорание; использование новых конфигураций камер сгорания и впускных и выпускных систем; применение повышенной энергии впрыска; увеличение числа клапанов и т.п.);

- рациональное использование полученного тепла (увеличение длинноходности двигателей и т.п.);

- снижение механических потерь и потерь на привод вспомогательного оборудования;

- увеличение частоты вращения коленчатого вала;

- увеличение рабочего объема двигателя (числа цилиндров или размера каждого цилиндра);

- применение механического и турбонаддува.

Выявлены приоритетные направления работ, обеспечивающие повышение топливной экономичности грузового автомобиля.

Предложен критерий для экспресс-оценки двигателя - максимальное индикаторное давление в цилиндрах двигателя pj mtI, по величине которого можно ориентировочно судить о потенциальных возможностях двигателя с точки зрения топливной экономичности автомобиля.

Разработана методика по выбору параметров двигателей для автопоездов полной массой 25-45 тонн.

Скорректирована одна из составляющих математической модели МВК - «инженерный метод», который позволяет на стадии проектирования рассчитать новый агрегат автомобиля, воспользовавшись ограниченным набором параметров: мощность двигателя, рабочий объем, число цилиндров, максимальная и минимальная частота вращения коленчатого вала на внешней скоростной характеристике, частота вращения, при которой желательно иметь максимальный крутящий момент, и его значение.

Практическая ценность

Снижение сроков и стоимости работ, направленных на повышение топливной экономичности грузовых автомобилей и автопоездов с дизелем.

Основные положения, представляемые к защите

Аналитические связи между параметрами двигателя, от которых зависит мощность и топливной экономичностью автомобиля.

Критерий экспресс-оценки двигателя, позволяющий оценить топливную экономичность автомобиля на стадии его проектирования.

Оценка адекватности разработанной математической модели на основе собственных и независимых экспериментов.

Методика по выбору параметров двигателей для автопоездов полной массой 25-45

тонн.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были использованы для докладов на научно-практических конференциях МГАПИ, 3-м Международном автомобильном научном форуме (МАНФ) 2005 г.

Основные этапы и положения данной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Специальные автомобили и бортовые информационно-управляющие системы» МГАПИ (ноябрь 2003 г., дехабрь 2004 г., ноябрь 2005 г., январь 2007 г.), кафедры «Автомобили» им. Е.А. Чудакова МГТУ «МАМИ» (апрель 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано восемь работ, в том числе одна работа в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, приложений и списка использованных источников. Диссертация изложена на 109 страницах основного машинописного текста, содержит 22 рисунков, 8 таблиц и список источников го 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены объекты исследования и цель диссертации.

В первой главе проведен анализ существующих методов для исследования и расчета скоростных свойств и топливной экономичности грузовых автомобилей. Рассмотрены характерные особенности экспериментальных и расчетных методов. Проведен анализ современных расчетных методов. Установлено, что расчетные методы на практике используются в основном только для простейших режимов движения. Как правило, расчетные зависимости не учитывают преимущественные режимы движения автомобиля: неустановившееся движение при частичном использовании мощности двигателя, торможение двигателем и моторным тормозом, движение на уклонах и подъемах и т.п. Кроме того, ни один из расчетных методов не учитывает механические потери двигателя как равноправную составляющую топливного баланса автомобиля.

Оперативность и относительная дешевизна расчетных исследований, по сравнению с экспериментальными, являются основанием для разработки и использования более точных расчетных методов.

Во второй главе определены основные зависимости силового и топливного баланса метода поэлементного расчета и анализа грузовых автомобилей.

Составлены силовой, тепловой и топливный балансы автомобиля, которые лежат в основе расчетных исследований.

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя возникает давление газов - которое при воздействии на поршни создает индикаторный крутящий момент - величина которого прямо пропорциональна среднему давлению газов в циливдрах двигателя и его рабочему объему - ¡УЬ. Индикаторный момент расходуется на преодоление всех видов потерь, имеющихся в автомобиле: механических потерь в двигателе - Рм (трение поршней о стенки цилиндров, привод насосов и системы газораспределения и т.п.), потерь на привод вспомогательного оборудования - Рт (вентилятор, компрессор, генератор и т.п.), потерь в трансмиссии - Ртр, сопротивления качению шин - РГ и аэродинамического сопротивления - Р\у. Ос-

тавшаяся часть Mi есть запас тяги - Рт, который может быть затрачен на преодоление подъемов - Ра и era инерции - Pj. Перечисленные величины, приведенные к колесам автомобиля, формируют его силовой баланс. Силовой баланс автомобиля, его компоненты, а также полученные на его основе формулы имеют ввд:

D-iVh И™

P¿H.-JL = PM+Pt+_P4> + Pf+Pw+Pj + Pa,

(1)

где

р, - среднее индикаторное давление в цилиндрах двигателя; I и 1Ъ - число цилиндров и рабочий объем одного цилиндра; итр и г„ - передаточное число трансмиссии и радиус качения колес;

Рн + Рт + Рф + Рг + Р№ + Р| + Ра = Р; - сумма сил сопротивления движению автомобиля, приведенных к его колесам.

Механические потери в двигателе и потери на привод вспомогательного оборудования

Р =lYh гмт 4п

ри +Ь

MX

V-u,

тр

Тр

(2)

К

Параметры ре, р°, р°, Ьми Ьт р° в отличие от р, являются условными величинами, приведенными к рабочему объему двигателя, поскольку не представляют собой давления в прямом смысле этого слова Однако они широко используются на практике из-за удобства расчетов характеристик двигателей, их анализа и сопоставления с аналогами.

Приведена аналитическая структура потерь в трансмиссии, сопротивления качению шин, аэродинамического сопротивления, силы инерции, скатывающей силы.

Рассмотрены тягово-динамические характеристики, такие как: запас тяги на горизонтальной дороге, максимальный преодолеваемый подъем, максимальное ускорение.

Для определения путевого расхода топлива в расчетном методе реализованы следующие положения. На основе применения индикаторных показателей механические сопротивления в двигателе сделаны равноправной составляющей силового баланса автомобиля, введены в расчетные формулы рабочий объем двигателя и новый параметр gis. В результате для определения путевого расхода топлива стала использоваться следующая формула.

Путевой расход топлива

Qs =

gis

iVh

4л

Рм+Ьм

"тр

дтр

H-Pw+Pj+P«

где

g¡s — текущее значение удельного индикаторного расхода топлива

Л

.Н-100км J

Входящий в приведенную формулу новый параметр gis - удельный индикаторный

расход топлива (отражается индексом i)

используется вместо ge. Из (3) видно,

.Н-100км.

что расход топлива прямо пропорционален gis и сумме всех видов механических потерь. Следовательно, численное значение gis определяет степень совершенства двигателя как преобразователя заключенной в топливе энергии в механическую работу.

Численное значение gi определяет количество топлива, необходимое для получения 1 Дж механической работы, и имеет размерность [г/Нм]. Однако gi из-за малой величины не удобен для практических расчетов, поэтому единицу работы выбрали в 100 000 раз большую. 100 000 является коэффициентом пропорциональности между метрами, стоящими в знаменателе размерности [r/Нм], и величиной, которая используется при оценке топливной экономичности автомобиля - 100 км. Скорректированному таким образом параметру присвоили индекс - s (по пути). В результате gis определяет затрат топлива в граммах, необходимые для получения механической работы в 100 000 Дж (в 36 раз меньше, чем ge). Это эквивалентно работе, которая затрачивается на преодоление силы в 1 Н на пути 100 км. gis г

имеет размерность

Н-100 км

, а его численное значение вычисляется по формуле:

_ Qs -р-ЮРО Pi

В третьей главе проведен анализ тепловых и топливных балансов грузовых автомобилей, на основе которого показано влияние механических потерь на их топливную экономичность.

Проведен анализ влияния параметров двигателя на долю механических потерь в топливном балансе грузовых автомобилей.

Выбран параметр для экспресс-оценки перспективности двигателя с точки зрения топливной экономичности автомобиля.

Проведем поэлементный сопоставительный анализ двух автомобилей, имеющих примерно одинаковый расход топлива, но различную мощность двигателей. В качестве основно-

го объекта мы выбрали ЗИЛ-4331 (полная масса 12 тонн). Чтобы подобрать ему пару для сопоставления, из банка данных МВК выбрали все грузовые автомобили с дизельными двигателями и рассортировали их по расхода топлива при скорости 60 км/ч (см. таблицу 1). Из таблицы видно, что расход топлива у нашего автомобиля составляет 18,3 л/100 км и по этому параметру из 330 грузовых автомобилей он занимает 97-е место. В таблице 1 представлены еще два параметра, оказывающих влияние на расход топлива: gis - удельный индикаторный расход топлива (по этому параметру мы на 21-м месте) и величина механических сопротивлений в двигателе (265-е место). Почти все соседи нашего автомобиля - это 40-тонные автопоезда. Для сопоставления мы выбрали MAN, так как он среди представленных объектов имеет наибольшую мощность двигателя - 460 л.с.

Таблица 1.

" Ранжировка по параметру: Контрольный расход топлива при скорости СО км/ч на высшей передаче.

: H03BOHHB ■ I : - V6ttJpacx.ToniL vca * I V63 i мех потер.

1 Volvo FM12 EL 12.1 (340) 78; 17.34 177 4.61 42 693.6

jScanio R113 MA 110 (400) turbo-c 79 i 17.33 05 4.48 i 62 779.6

Volvo FM10 EL 3 6 (360) 80 17.39 148 4.55 66 746

iVofvo FH12 BL 12.1 (340) SI i 17.43 66 4.46 101 817.2

(Volvo FH10SL 9.6 (320) 021 17.47 120 4.51 87 784.3

¡Volvo FH12 6L 12.1 (420) Globetrot 83; 17.5 170 4.59 59 734.4

j MAN 19.322 5L10.0 (32B) M 17.65 71 4.47 41 692.4

¡MAN 19.463 FLS 6L12.B (460) 05! 17.74 250 4.72 ........« 697.6 ;

¡Volvo FL BL 5.S (220) (6x2) B6! 17.74 112 4.5 78 767.7

fScania R124 SL 11.7 (420) 871 17.84 161 4.58 ".._...........« 746 8 i

iScaniaR 124NA 6L 11.7 (420) 88; 17.85 162 4.58 69 748.1

|MAN 13.403 FLS 6L 12.0 (400) 89; 17.92 84 4.48 61 739 3

pE 4526 6V 11.1 (195) SO! 18.05 78 4.47 210 1196

DAF 95 XF 6L 12.6 (430) 91 1811 196 4.65 79 775.5

¡Uercedei 1843 Actros (V 12.0 (428) 92! 1811 184 4.63 73 757.7

[MAZ 54421 BL 12.0 (370) 93; 1813 БЗ 4.46 110 839 :

[Mercedes 1843 LS Adros 6V12 0 (428) 94; 18 2 135 4.54 189 B38.7

[Scoria PI 24 6L 11.7 (360) 95; 18 25 100, 4.49 128 882.6

Volvo FH12 6L 12.1 (380) 96! 18 26 89, 4.48 92 796.2

т.

Для подробного анализа объектов в таблице билей при скорости 60 км/ч.

1 приведены топливные балансы наших автомо-

2Ы1ИIV 1.7 (!«.'). ТапшшЙ! Топл»»о эатрг*ннв« нл М(1М|и> рлйоту

гто С5С ОЕ»—— от ЗП СП]-*—,—

ПадюииГО« СИрФСпМИ щ» *«Х0ПМ||»|а.>1»мОТЮХ> Лч»„«);П|| йдаспВ.« ^ (я-<.Лг/Г|М»(«н»«т|»««т(М)«

Рисунок I. Топливный баланс автомобилей при движении на горизонтальной дороге со скоростью 60 км /ч.

Анализ показывает, что главной причиной неудовлетворительной топливной экономичности автомобиля ЗИЛ является сопротивление двигателя: оно в 2 раза больше аэродинамического сопротивления и в 1,5 раза - сопротивления качению шин.

Проведем исследование влияния основных параметров двигателя на топливную экономичность грузовых автомобилей.

Известно несколько основных способов увеличения эффективной мощности двигателя: за счет угловой скорости коленчатого вала, улучшения рабочего процесса двигателя, снижения механических потерь и потерь на привод вспомогательного оборудования, увеличения подачи топлива в единицу времени. Результат в последнем способе достигается за счет увеличения рабочего объема двигателя (числа цилиндров или размера каждого цилиндра) и применения наддува.

Проиллюстрируем качественную взаимосвязь между мощностью двигателя и расходом топлива. При этом на данном этапе для простоты рассуждений соблюдаются два усло-

1. Изменение одного из параметров, определяющих величину эффективной мощности, не влияет на другие.

2. Потребляемая эффективная мощность при всех изменениях параметров должна оставаться неизменной.

Известно, что максимальная эффективная мощность двигателя и расход топлива автомобиля определяются с помощью следующих формул:

Ие = Ме-со,

(4)

На основе данных формул можно определить только, как влияет на топливную экономичность автомобиля увеличение мощности за счет увеличения угловой скорости коленчатого вала двигателя. Анализ (4) и (5) показывает, что при соблюдении двух выдвинутых условий увеличение мощности двигателя не должно влиять на топливную экономичность. Данные выводы подтверждаются многими фактами: например, в современных каталогах встречаются автомобили, у которых отличаются только максимальные частоты вращения двигателя и, соответственно, его максимальная мощность. Расходы топлива у этих автомобилей в городском и скоростном циклах, как правило, одинаковые. Их топливная экономичность при движении по загородному шоссе с ограничением скорости, например, 90 км/ч, также будет одинакова.

Таким образом, мы установили, что при увеличении мощности за счет увеличения угловой скорости коленчатого вала двигателя топливная экономичность автомобиля остается неизменной. Определить качественное влияние других факторов на топливную экономичность автомобиля на основе эффективных показателей не представляется возможным. Анализ показывает, что остальные факторы влияют на эффективный крутящий момент, который можно представить в вцде:

Ме = ^(р;-рш). (6)

где

Р; - среднее индикаторное давление в цилиндрах двигателя;

1 и УЬ - число цилиндров и рабочий объем одного цилиндра;

рш, - давление механических потерь и вспомогательного оборудования.

Сначала запишем уравнение, устанавливающее взаимосвязь на основе теплового баланса автомобиля между величиной р) и расходом топлива:

рруь и-гр

здесь Г); - индикаторный КПД двигателя.

Решая данное уравнение относительно р! и используя (1), поме преобразований получим:

„ _ Qs • p -4к • rK ívh -u^ -S

p - плотность топлива;

gls - удельный индикаторный расход топлива, г/Н-100 км.

Величина д - удельный показатель, характеризующий количество топлива, которое поступает в двигатель на каждый кубический сантиметр его объема за один оборот коленчатого вала.

Подставляя в (6) вместо р1 его выражение (8) и раскрыв величину рт,, получим:

-SL-iVh

gis__%______

4л г. 4я

2

и_ • v

Рмх+Ь,

( u„-V'

ытр

V гк /

-^ + P1? + Pf + Pw+Pj + Pa. (10)

Установлена аналитическая взаимосвязь между эффективной мощностью двигателя и топливно-экономнческими свойствами грузового автомобиля.

Уменьшение gis. Способы снижения gis вытекают из его сути. Первый - предполагается создание оптимальных топливовоздушных смесей и их качественное сгорание: оптимизация геометрических параметров цилиндров, использование новых конфигураций камер сгорания и впускных и выпускных систем; применение повышенной энергии впрыска; увеличение числа клапанов; механический и резонансный наддув и т.п. Второй - рациональное использование полученного тепла.

Все перечисленные конструктивные решения, направленные на улучшение рабочего процесса двигателя, приводят к повышению его мощности и, как следствие, к снижению расхода топлива. Другими словами, чем лучше и полнее сгорает топливо, тем большая его часть превращается в механическую работу. Соответственно, снижается и расход топлива.

Снижение механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования (р° и р°,Ьм и Ьт) осуществляют за счет оптимизации геометрических параметров цилиндров и числа поршневых колец, применения специальных антифрикционных покрытий и масел и т.п. В результате эффективная мощность двигателя возрастает, а расход топлива снижается (10).

Рассмотренные нами оба способа довольно привлекательны, поскольку позволяют одновременно повысить скоростные свойства автомобиля и его топливную экономичность.

Однако анализ литературных источников и расчетные исследования показывают, что резервы по улучшению таким образом характеристик автомобиля почти исчерпаны.

Увеличение рабочего объема двигателя (¡УЬ), давления в его цилиндрах (р,) и угловой скорости вращения коленчатого вала а. Для решения данного вопроса на основе (3) представим формулу для определения эффективной мощности в виде:

Из данного уравнения видно, что Ие зависит от четырех параметров - ре, 1, \Ъ и и. На данном этапе для простоты рассуждений будем считать, что \TFConst, и оперировать только тремя из них - рс, ¡, и е>. При разных сочетаниях ра ¡, и и, обеспечивающих неизменное значение зависящие от них же значения № и С^ могут существенно изменяться из-за неодинаковой для каждого варианта величины механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования. Влияние каждого го перечисленных параметров на величину Ртт установим, рассмотрев конкретный пример. Для возможности количественного и качественного сопоставления различных вариантов изменения параметров в данном примере будем использовать абсолютные и относительные значения величин ре, ¡, и со.

Пример. Исходный вариант. Если при движении по дороге автомобиль с четырехци-лицдровым двигателем (¡=4) имеет эффективное давление в цилиндрах р«=1, а угловую скорость на первичном валу коробки передач <а, то развиваемая его двигателем эффективная мощность, подсчитанная по формуле (11), в условных единицах составляет:

Используя эти данные, величину механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования определим с помощью (2):

(И)

УЬ-ш

п

Для возможности не только качественного, но и количественного сопоставления Ртт, рассчитанной для исходного варианта, с другими возможными вариантами установим кон-

0,4

кретные значения величин р° =0,6 и Ьм = -V. Значения величин р° , Ьы выбраны таким

СО

образом, что при работе двигателя на средних частотах вращения соотношения между скоростной и не зависящей от скорости составляющей его механических потерь и потерь на привод вспомогательного оборудования примерно соответствовали их реальным значениям.

Подстановка этих значений в (2) дает результат: р

мх 4ж ■ гт, '

Теперь на основе полученных зависимостей выясним, как изменится величина Ршт, если эффективную мощность увеличим в 2 раза за счет рс, i, и т. При этом будем варьировать передаточными числами трансмиссии так, чтобы при увеличении максимальной мощности текущая эффективная мощность и запас тяги оставались неизменными. При этом, как было принято раньше, условно будем считать, что gis не зависит от pi, Vh и со. Таким образом, мы имеем исходный вариант автомобиля и 3 варианта с увеличенной в 2 раза эффективной мощностью. Все они приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ варианта Значение параметров, определяющих значения эффективной мощности (в условных единицах) Текущая и максимальная мощность (в условных единицах) Зависимости, определяющие величину механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования при движении с Ые^опй Значение Рмт (в условных единицах)

ре i со Ne Nmax

исходный 1 4 (О Vh-co Vh-ю Р =!Y!l 'РМХ + Ьш-ѻà > гк , Vh итр

л Tí мт 4л 1-----— 71 гк

1 2 4 со -//- 2Vhco р _>Vh мт 2и Г 2N „о . ц а> "тр гк WS.Xt.V 71 г к

я

2 1 8 0) -II- Р = ™ мт л ( 0 , ®2 Рмт + UTf гк 71 гк

3 1 4 2(0 -II- -II- р _¡Vh МТ 4jt Рмт + Ьмт-шГ > гк 1 Vh итр тс г к

Анализ материалов, имеющихся в таблице, показывает, что в двух случаях из трех при увеличении эффективной мощности двигателя за счет увеличения давления в цилиндрах (р[) и рабочего объема (¡УЬ) величина Рмт снижается. При этом менее эффективным является вариант 2, поскольку при его реализации величина Рмт по сравнению с исходной несколько снизилась за счет выражения в круглых скобках (в условных единицах на 30%). При 1-м варианте Ршт уменьшилась более чем в 2 раза (в условных единицах по сравнению с исходным вариантом почти в 3 раза). В третьем варианте величина Рмт по сравнению с исходной не изменилась.

Таким образом, на основе разработанного метода наглядно показан механизм влияния мощности двигателя на удельный вес механических потерь в топливном балансе автомобиля, а, следовательно, и на его топливную экономичность. Из наших построений видно, что при увеличении мощности двигателя наибольший результат с точки зрения топливной экономичности дает увеличение давления в цилиндрах двигателя, меньший - увеличение его рабочего объема, а величина максимальных оборотов двигателя не влияет на топливную экономичность автомобиля. Этими данными следует руководствоваться при выборе параметров автомобиля. В связи с этим по величине максимального индикаторного давления в цилиндрах двигателя - р{ шах можно судить об удельном весе сопротивления двигателя в топливном балансе автомобиля, на который он будет установлен. Здесь соблюдается соотношение: чем больше р! шах, тем меньше сопротивление двигателя.

В четвертой главе скорректирована одна из составляющих математической модели МВК - «инженерный метод», который позволяет на стадии проектирования производить расчеты создаваемых агрегатов автомобиля. При этом расчетчику не потребуется решать специфические задачи, связанные с определением зависимостей и коэффициентов, квалифицированный выбор которых может быть осуществлен только при объединении усилий специалистов-исследователей по системам двигателя, агрегатам трансмиссии, шинам, аэродинамике и т.п. Он будет иметь дело только с параметрами, суть которых понятна даже неспециалисту. Так, при создании нового двигателя в расчетные формулы необходимо подставил.: мощность двигателя, его рабочий объем, число цилиндров, максимальную и минимальную частоту вращения двигателя на внешней характеристике, частоту вращения, при которой желательно иметь максимальный крутящий момент, и его значение.

Для испытаний собранного таким образом автомобиля предлагается несколько видов дорог и маршрутов: динамометрическая, скоростная, горная (Памир), участок Штутгартского кольца-225 км.

В пятой главе представлены результаты собственных и независимых экспериментов, подтверждающие адекватность математической модели.

Таблица 3

АВТОМОБИЛЬ S' О Ш: О Щ- a s • Я- ч • 3 « и | ш ПРОИЗВОДИТЕЛИ ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД

Макси-;мальная скорость Контрольный; расход топлива при 80: км/ч Grafenhausen •■Werratal 22.5.9 км X 1 | 811 Я 5 fi . 7. я i Контрольный расход топлива при S0 км/ч Grafenhausen -Werratal 225.9 км . .

Vh Pi л/100км QW л/100км УЬсл Q^cpf.i

МПа км/ч км/ч л/100км 1 км/ч км/ч. л/МОки

DAF 95XF6L 12.6(430) 2,09 2,04 134 79,8 :■ 36,2 134 ■■:;:AiV.21,8S .Ж? 80,3 37,5

DAF95XF6L 12.6(483) 2,09 2,19 23,8 ' 80,4 115 25,2 • 80,0 41,3

DAF 95 XF6L 12.6 (530) 2.09 2.49 н/д 81,8 119 22,8 81.1 39,6

DAF FT 95 6L 14.0(507) 2,33 2;03 130 ■ч"":21£$ ■■:>•,■. 81,5 38,2 130 23,0 80,3 38,9

DAF 95 XF 6L 14.0 (530) 2,33 2.25 135 - - к/т.:::- ■ 80,7 41,9 134 81,4 39,5

Iveco EuroTech 6L 9.5 (375) 1,58 2,41 131 76,8 37,9 134 77,2 36,4

Iveco 400 E 6L 13.8(420) : 1,87 125 78,5 40,9 ■-■ 124 -Г:;/- 23^3 78,8 38,8

Iveco 440 E 6L 13.8 (470) 2,3 ¡, 2,05 124 :24,7: ^ 80,4 40,9 124 ■23;4;: гй:: 80,5 38,9

Iveco EuroStar 8V 17.2 (514) 2,15 1.78 122 ■.-.-'Я/Д-■-.■;!'='.::"=:i--. 81,3 39,5 v.. 122 81,3 39,2

MAN 19.322 SL 10.0(320) 1,86 123 ■ 20.8 ш Н/д : 133 ■- 21,5 н/д н/д

MAN 19.403 FLS 6L 12.0 (400) 1,99 1,95 127 19.0 79,3 36,9 : 129 : 223 S ■■:>/ 77,8 37,3

MAN 19.422 FLS 6L 12.0 (420) 1,99 1,96 127 22,0 77,8 39,9 ■ 129 ;.;": 78,5 37,8

MAN 19.463 FLS 6L 12.S (460) 2,14 2,09 137 "122,7 80J 40,1 141 80,0 38,0

MAN 26.603 10V 18.3 (600) 1,83 2,00 132 21,7 83,8 40,8 132 82,6 39,0

Mercedes 1840 Actios 6V 12.0 (394) 2,08 124 78,2 36,8 121 н/д? 76,8 37,8

Mercedes 1843 Actros 6V 12.0 (428) ftM:-1 2,24 117 ■>; V/HiOll.i 'v.; 81,5 37,1 ■.ifhSife:-'" 78,7 37,2

Mercedes 1843 LS Actros 6V 12.0 (428) Шл 2,24 112 84,3 35,7 79,9 37,0

Mercedes 1848 Actros 8 V 16.0 (476) 1,99 1,95 125 80,4 37,4 ifi.y;:--н/д 80,0 38,6

Mercedes 1853 8V 14.6(530) 1,83 2,12 132 "■>:>н/д 81,1 40.4 133 80,2 41,0

Renaul Premium 6L 11.1 (381) 1,85 2.12 130 ■ 78,1 -38,8 : 127 76,5 39,3

Renault Premium 6L 11.1 (412) 1,85 2.24 121 ">'V. н 81,8 36,0 121 v: 78,9 37,5

Renault AE 520T 8V 16.5 (530) 2,06: 1.85 123 Н.Д 81,6 40,4 125 80,9 42,1

Scania R 113 MA 11.0 (400) tur-bo-c 2,15 121 78,2 37,4 щшш^ 77,7 36,6

Scania R 124 6L 11.7 (400) 1,95 2,08 118 19,6 79,8 37,7 118 23,3 77,9 37,9

Scania R 124 6L 11.7(420) 1,95 2,23 115 20,3 80,1 37,0 115 78,7 37.3

Scania R 124 NA 6L 11.7 (420) 1,95 2,28 121 ■ ■ н/л 82,0 ; 35,9 121 79,2 37,5

Scania R 143MA 8 V 14.2 (500) 1,78 2,04 109 -■".■ 24,1 80,1 42,2 110 23,8 81,2 39,2

Scania R144LA 8 V 14.2 (530) 1,78 2,18 121 ' уЛ4,2: 81,5 39,9 121 23,5 81,7 39,9

Volvo FL6L 6.7 (285) 1,11 2,42 122 ■ н/д: 74,3 33,9 119 'н/д 70.2 37,5

Volvo FH10 6L 9.6 (320) 1.6 1,91 ! 116 ■Л;, 20,5 7X4 36,1 119 21,8 74.4 363

Volvo FH12 6L 12.1(3401 2,01 1,89 109 21,8 74,2 37,6 103 " 22,7, 76.3 36,8

Volvo FH12 6L 12.1 (420) 2,01 2,05 114 ■ . .:.21,3 й н/д 21,6 ::;.!.. и/Я н/д-

Volvo FH12 6L 12.1 (420) Globetrot 2,01 2,20 111 80*2 38,8 114 J 78,9 36,6

Volvo FH16 6L 16.1 (520) 2,68 2,00 > 129 81,8 36,1 129 ■i'■>;••■ 22 ЛШ-:- 81,4 38,8

В ходе проведения исследования, результаты которого отражены в таблице 3, установлено подтверждение адекватности математической модели. Также проведен подробный поэлементный анализ реальных автопоездов (таблица 4), испытания которых доказывают

выводы о том, что основным средством снижения расхода топлива является метод снижения доли механических потерь в топливном балансе автомобиля.

Таблица 4

Характеристики БАК 95 ХК 6Ь 12.6(483) ОАР 95 ХК6Ь 12.6(530)

Колесная формула 4x2 4x2

Полная масса автомобиля, кг 40 ООО 40 000

Грузоподъемность автомобиля, кг 25 ООО 25 000

Масса, приходящаяся на ведущие колеса, кг 12 000 12 000

Масса, приходящаяся на колеса прицепа, кг 22 000 22 000

Масса груза, кг 25 000 25 000

Масса при испытаниях, кг 40 000 40 000

Двигатель В 12.58-483-2000-2050 ИАР Б6Ы2.58-530-1900-2350 БАР

Рабочий объем, л 12.58 12.58

Мощность двигателя 483 л.с. при 2000 об./мин 530 л.с. при 1900 об./мин

Макс, крутящий момент 2050 Н*м при 1246 об./мин 2050 Н*м при 1246 об./мин

Ведущий мост 8и^1е+1шЬ геёисйоп ОАР-13000. № = 3.31 8и1^1е геёийюп БАР-13 000. № = 3.73

Шины 295/80 К 22.5 295/80 К 22.5

Коробка передач 16-8рее<116.47-1.0 2Г 16.47; 13.80; 11.32; 9.48; 7.79; 6.52; 5.48; 4.58; 3.53; 3.01; 2.47; 2.07; 1.70; 1.42; 1.20; 1.00 16-зреед 13,8-0.84 XV 13.80; 11.55; 9.59; 8.02; 6.81; 5.70; 4.58; 3.84; 3.01; 2.52; 2.09; 1.75; 1.49; 1.24; 1.00; 0.84

Аэродинамика (каб. кузов) ОЛИ 95-ИгаДег+а1гзЫе1<1 ЭАР 95-Ига11ег+а1ге1неМ

Суммарное передаточное отношение на высшей передачи 3.31 2.83

ОАГ!><ХТ5£.(г*<«»).Гет»»»»* Л*»«»»!«** ЕЙЛГЯ« хгя. и»г»хг>. Тсто1>де«и»к> «ЛСОкм 3

иг^г*..^ Тои.ж.лрвов- тиижвам^рачл«^« мтвлчв»«» н. Чилп^опр^Л Тшкшвом!^»«« м

1«П1»ЖО* р«мтснпоч« пределам» млр»>мапия* имам«1

я*рлт»шхрястг ШМ ;чСот. акямт »гмйоп 1«ррг,«р*вж рзЛму и«, раОохг овмючоомтомЫЬп-

ЕВ СЭЗ (Ж) ЕЮ ¡«Л

ЛЧ«»«Ч!«» Сжорость 8Р 0. выл ».ч И гл<-100«.|им1«в,.»рии «ПОИХ! Ооррст. Ю.О. п*. »)'1М>^<1Ма>>'ЧШ1 «ЩИЗ *|

Рисунок 2 Топливный баланс автомобилей при скорости 80 км/ ч.

Более подробный анализ наглядно показывает, что увеличение мощности двигателя за счет повышения давления при одновременном снижении передаточного числа трансмиссии ведет к выходу двигателя на такие режимы работы в процессе движения, где доля механических потерь в балансе наиболее мала (рисунок 2).

Данный факт подтвержден и испытаниями модернизированного автомобиля КамАЗ-5350 (длиннобазный; категория транспортного средства - N3), проведенными в соответствии с требованиями ГОСТ 20306-90 и по утвержденной методике «Военная автомобильная техника- Определение показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей, автопоездов, колесных шасси, гусеничных транспортеров-тягачей и шасси», в ходе которых были сделаны контрольные замеры путевого расхода топлива по передачам. Разность их значений представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 Разность в расходе топлива при одинаковых скоростях достигаемых на

разных передачах КПП где —♦—разность между 7-10; Л~ разность между 8-10; й разность между 9-10 передачей КПП. Топливный баланс на рисунке 4 наглядно показывает влияние механических потерь в двигателе на расход топлива.

«М'РМЛ««) Тоаяичопр*св- * Топливо адтр«чвимо*иа оэдрячьина»*» Тогшмеопреоб- Товйиео:затрачвн{|о9 на зомтвттловм р-оов»«*, в ирвололжм мпрожлМИ далщцгидаи» (йзоеаинжв гоашмжпюпятнм «емм-равму - _4 »ткип«^; «пк^тг шэ»)1 ттттжмвшя

■ I - { ча ] . ЩЩ^ЗТ}1 ' ркЛ ШХ)' ¿умпар**рш^ш

«¡1 1С Скорость ВО.О.км* чк'лыи.ччоим*!».«*".)!*»«* КГД60*> | кл Я' «¿¿р^ ы*^ : .П'4.ъ/'Ж*1 КГЛ6! X)

Рисунок 4. Топливный баланс на 9-й и 10-й передачах при скорости 60 км/ч.

В шестой главе даны рекомендации по выбору основных параметров двигателя на основе анализа передовых конструкций двигателей автопоездов при помощи вышеизложенного метода (поэлементного анализа).

Эффективная мощность двигателей грузовых автомобилей определяется в зависимости от преимущественных режимов их движения.

Для автопоездов полной массой от 25 до 45 тонн, предназначенных для междугородних перевозок, эффективная мощность двигателя определяется:

Нс _ + + РтРао + сс80 • Оа • ё)30 3,6-1000

где надо учесть что, и№ =0,7-0,8яШ1ХЭта формула получена на основе анализа и обобщения параметров и характеристик современных отечественных и зарубежных автопоездов полной массой от 25 до 45 тонн.

Величины Що характеризуют максимальный подъем, который может быть преодолен автомобилем, имеющим бесступенчатую трансмиссию, при скорости 80 км/ч. Рекомендованные параметры даны в таблице 5.

Полученные данные сведены в таблицу 5.

Таблица 5

--——Полная ---масса, т Параметры ' —___ 25-45

Максимальный преодолеваемый подъем в % при скорости 80 км/ч 2

Литровая мощность двигателя, кВт/л 25-30

Максимальная скорость поршня, м/с 9

Соотношение между ходом поршня и диаметром циливдра S/D 1,2

Оггпшаяьное количество цилиндров 5,6, 8,10

Рабочий объем одного цшпшдра, л. 1,5-3,0

Номинальные обороты коленвала двигателя, мин"1 1500-2500

Максимальное индикаторное давление в цилиддре двигателя, МПа 2-2,5

20

ВЫВОДЫ

1. Анализ методов для расчетных исследований показывает, что существующие методы не рассматривают большинство режимов движения грузовых автомобилей, а также не учитывают механические потери двигателя как равноправную составляющую топливного баланса автомобиля. Анализ же конструктивных решений, направленных на снижение расхода топлива за счет факторов, улучшающих рабочий процесс дизелей, и мероприятий, направленных на непосредственное снижение механических сопротивлений в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования, показывает, что резервы в данной области сравнительно невелики.

2. Поэлементный анализ грузовых автомобилей и автопоездов показал, что в настоящее время главным резервом повышения их топливной экономичности является снижение удельного веса механических сопротивлений в топливном балансе автомобиля.

3. Для установления количественных данных выполнены расчетные исследования, на основе которых выявлено, что при увеличении мощности двигателя тремя способами (за счет оборотов двигателя, его рабочего объема и индикаторного давления в цилиндрах) в 2 раза и при сохранении неизменными тяговых свойств удельный вес механических сопротивлений в топливном балансе автомобиля изменяется следующим образом. При увеличении оборотов двигателя по сравнению с исходным вариантом механические сопротивления остаются неизменными, при увеличении рабочего объема - снижаются на 30%, а при увеличении давления в цилиндрах двигателя - снижаются почти в 3 раза.

4. На основе выполненных исследований можно сделать вывод: если мы хотим иметь минимальное значение сопротивления двигателя в топливном балансе автомобиля, необходимо увеличивать его мощность за счет увеличения давления в цилиндрах. В связи с этим по величине максимального индикаторного давления в цилиндрах двигателя - pi шк можно судить об удельном весе сопротивления двигателя в топливном балансе автомобиля, на который он будет установлен. Здесь соблюдается соотношение: чем больше pi „ах. тем меньше сопротивление двигателя. Из-за низких значений р* ш етрадает топливная экономичность наших автомобилей. В результате 40-тонный MAN и 12-тонный ЗИЛ при движении по магистрали имеют примерно одинаковые расходы топлива. При сортировке по этому параметру всех двигателей, имеющихся в МВК, последние места занимают только наши двигатели. Двигатель ЗИЛа (0,96 МПа) находится на 2060-м месте, MAN - на 237-м (2,09 МПа). Рекордсменом среди двигателей, устанавливаемых на грузовые автомобили и автобусы, является двигатель Renault (2,51 МПа) - он на П-м месте. Его рабочий объем 11,93 л и мощность 480 л.с.

5. Разработана методика по выбору параметров двигателей для автопоездов полной массой 25-45 тонн.

6. Скорректирована одна из составляющих математической модели МВК - «инженерный метод», который позволяет на стадии проектирования рассчитать новый агрегат автомобиля, воспользовавшись ограниченным набором параметров: мощность двигателя, рабочий объем, число цилиндров, максимальную и минимальную частоту вращения на внешней скоростной характеристике двигателя, частоту вращения, при которых желательно иметь максимальный крутящий момент, и его значение.

7. В ходе выполнения данной работы были проведены испытания модернизированного автомобиля КамАЭ-5350, в результат которых подтвердил расчетные исследования.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Шкель A.C., Вохминов Д.Б. Оценка точности математической модели, используемой в «шформационно-моделирующей системе, на основе независимых экспериментов. // VII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Сб. науч. тр. Кн. «Информатика». /МГАПИ. 2004. С. 242-247.

2. Шксль A.C. Методика выбора основных параметров дизельных двигателей грузовых автомобилей на стадии проектирования. // VIII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Сб. науч. тр. Кн. «Экономика». / МГАПИ. 2005. С. 144— 149.

3. Шкель A.C., Вохминов Д.Е. Практика применения методики выбора оптимальных тя-гово-скоростных свойств и топливной экономичности грузовых автомобилей и автопоездов в учебном процессе на базе электронно-моделирующей системы. // VIII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права». Сб. науч. тр. Кн. «Информатика». / МГАПИ. 2005. С. 207-216.

4. Московит В.В., Вохминов Д.Е., Коновалов В.В., Шкель A.C. Влияние мощности двигателя на топливную экономичность автомобиля. // 3-й Международный автомобильный научный форум (МАНФ). Сб. науч. тр. / М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». 2005. С. 44-51.

5. Коновалов В.В., Вохминов Д.Е., Шкель A.C., Московкин В.В. Анализ влияния параметров силового агрегата автомобиля на расход топлива. // Вестник МГАПИ. 2006. №3. С. 48-55.

6. Московкин В.В., Вохминов Д.Е., Шкель A.C. Новый метод для расчетных исследований АТС. // Автомобильная промышленность. 2007. №8. С. 33-35.

7. Шкель A.C. К вопросу о взаимосвязи внешней скоростной характеристики двигателя и топливной экономичности автомобиля. // Вестник МГУПИ. 2007. №9. С. 91-96.

8. Московкин В.В., Вохминов Д.Е., Шкель A.C. Оценка потенциальных возможностей двигателя по критерию топливной экономичности автомобиля. // Вестник МГУПИ. 2008. №11. С. 104-110.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 12.11.2009 г. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 192.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20