автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Методика разработки и использования городских ездовых циклов в условиях низких температур

На правах рукописи

оо

МАНЯШИН Сергей Александрович

МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГОРОДСКИХ ЕЗДОВЫХ ЦИКЛОВ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

(НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ)

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Тюмень - 2011

005006417

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Заслужен-

ный деятель науки и техники РФ Резник Леонид Григорьевич

Официальные оппоненты: Певнев Николай Гаврилович доктор техниче-

ских наук, профессор, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт автомобилей»

Шуваева Ирина Михайловна,

кандидат технических наук, доцент, Тюменский государственный нефтегазовый университет, доцент кафедры «Сервис автомобилей и технологических машин»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государствен-

ный университет» (Национальный исследовательский университет), г. Челябинск

Защита состоится декабря 2011 г. в /г часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал им. А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по вышеуказанному адресу, а также по электронной почте.

Автореферат разослан t?«? ноября 2011 г.

Телефон для справок: (3452) 20-93-02 E-mail: d_212_273_04@tsogu.ru

Ученый секретарь ^.........„ L /

диссертационного совета "v^r Евтин П.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Уровень автомобилизации в России развивается опережающими темпами по сравнению с транспортной инфраструктурой. Подавляющее число легковых автомобилей эксплуатируется в условиях города, где отставание в строительстве новых гаражей, теплых стоянок, расширении и совершенствовании дорожной сети особенно ощутимо. Кроме того, большинство владельцев автомобилей вынуждены парковать их на улице, что в условиях Северных регионов в зимний период времени создает дополнительные проблемы, связанные с тепловой подготовкой перед поездкой. Население крупных городов нашей страны вынуждено учитывать заторы и затруднения движения в часы пик при планировании перемещений с помощью автомобильного транспорта. Для того чтобы повысить эффективность использования автомобилей в этих условиях, необходимо прогнозировать значения показателей их эксплуатационных свойств с учетом отмеченных факторов. До настоящего времени в России не существует официальной методики разработки городских ездовых циклов движения автомобилей, хотя во всем мире стандартные городские ездовые циклы широко используются для оценки экологических свойств и топливной экономичности автомобилей в условиях приближенных к реальным условиям движения в городе. С другой стороны, важной задачей является совершенствование методов оценки топливной экономичности автомобилей с использованием стандартных ездовых циклов. Действующая методика определения базовых норм расхода топлива предусматривает моделирование расхода топлива при имитации движения автомобиля по городскому и магистральному циклам. Однако все действующие в России ГОСТы предусматривают определение расхода топлива при положительной температуре окружающего воздуха, хотя за рубежом, например, в США в качестве официальных при оценке топливной экономичности автомобилей приняты ездовые циклы, которые выполняются при более низкой, по сравнению с ранее используемой при подобных измерениях температуре воздуха (6,7 °С). Однако проблема влияния низкой температуры воздуха на структуру и характеристики ездового цикла, а также расход топлива при движении по такому циклу требует дополнительных исследований.

Таким образом, работа, направленная на получение имитационной модели процесса расхода топлива автомобилем в городских условиях, воспроизводимых с помощью ездовых циклов при низких температурах воздуха, а также методика получения типичных городских циклов максимально точно соответствующих реальным условиям движения в городе является актуальной.

Данная работа выполнена в рамках тематики госбюджетных научно-исследовательских работ Тюменского государственного нефтегазового университета.

Целью исследования является экономия топлива при эксплуатации автомобилей за счет дифференцированного корректирования норм его рас-

хода на основе моделирования типичных городских ездовых циклов в условиях низких температур воздуха.

Объектом исследования является процесс изменения температуры охлаждающей жидкости и расхода топлива двигателем автомобиля, эксплуатируемого в городских условиях при низких температурах окружающей среды, а предметом исследования - этот процесс применительно к легковым автомобилям различных марок и моделей, оснащенных бензиновыми двигателями с распределенным впрыском.

Методологической основой исследования служат системный подход и анализ, а его теоретической основой - теория вероятностей, математическая статистика, кластерный анализ и теория распознавания образов.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- установлены закономерности формирования типичного городского ездового цикла в условиях низких температур окружающего воздуха;

- разработана методика получения таких циклов с учетом характерных для города условий эксплуатации;

- разработаны алгоритмы автоматизированного моделирования городских ездовых циклов;

- установлены закономерности изменения показателей работы двигателя (оборотного расхода топлива, приращения температуры за один оборот коленчатого вала) от режимов его работы, температуры охлаждающей жидкости и окружающего воздуха;

- разработана имитационная модель процесса расхода топлива автомобилем при движении по типичному ездовому циклу зимой.

Практическая ценность работы. Использование результатов исследования позволяет повысить эффективность эксплуатации автомобилей на основе оценки времени передвижения и затрат, связанных с поездкой в городе зимой, а также разработки дифференцированных норм расхода топлива.

На защиту выносятся:

- закономерности формирования типичного городского ездового цикла движения при эксплуатации автомобилей в городе при низких температурах воздуха;

- методика получения типичного ездового цикла автомобиля с учетом особенностей эксплуатации автомобилей в городе и условий их хранения в межсменное время;

- аналитические, логические модели и алгоритмы, используемые при получении типичных ездовых циклов в городских условиях;

- имитационная модель расхода топлива при движении автомобиля по ездовому циклу в условиях низких температур;

- математические и логические зависимости, входящие в имитационную модель;

- пути практического использования результатов исследования, в том числе номограммы для определения продолжительности прогрева автомо-

билей в зимний период времени и дифференцированные нормы расхода топлива.

Реализация результатов работы. На основе результатов исследований получены дифференцированные нормы расхода топлива, для ряда марок и моделей легковых автомобилей, в том числе и не имеющих официально утверждённой базовой нормы. Методики и модели, полученные в работе, используется в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров автомобильного транспорта.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и одобрены на региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (г. Тюмень, 2007 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2007 г.), научно-практической конференции «Транспортный комплекс» (г. Тюмень, 2008, 2010 гг.), заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта Тюменского государственного нефтегазового университета (2008 - 2011 года). По результатам работы выполнены две научно-исследовательские работы в рамках хоздоговорных НИР.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 13 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы (122 наименований) и 5 приложений. Работа содержит 144 страницы текста без приложений, 68 рисунков и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель исследования, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса.

Топливная экономичность автомобилей при эксплуатации в городских условиях изучается на протяжении десятков лет ведущими научно исследовательскими и учебными организациями. Базу таких исследований заложили основоположники отечественной автомобильной науки Чудаков Е.С., Великанов Д.П. Шейнин А.М., Фалькевич Б.С., Зимелев Г.В., Лурье М.И., Рубец Д.А., Нарбут А.Н. далее в этом направлении работали Токарев A.A., Платонов Е.М., Фаробин Я.Е., Говорущенко Н.Я. и др. Все исследователи отмечают преобладание неустановившихся режимов движения автомобилей и работы их силовых установок при эксплуатации в условиях города. Также отмечается значительное влияние переменных режимов движения на эксплуатационный расход топлива. Необходимо отметить, что по мере совершенствования конструкции автомобилей и двигателей, повышения качества моторных масел, многие ранее выполненные исследования теряют актуальность для современных автомобилей. При этом последние работы, выполненные для современных бензиновых двигателей с распределённым впрыском, переосмысливают за-

кономерности связывающие расход топлива и условия эксплуатации с учетом особенностей конструкции таких двигателей,

Влияние низкой температуры на расход топлива, а также процессы прогрева двигателя перед началом движения, также хорошо изучены. Можно отметить труды Лосавио Г.С., Семенова Н.В., Левина А.Ф., Кутлина A.A., Виленского Л.И. и др. Но и в этом случае многие работы раннего периода в связи с переходом на бензиновые двигатели нового поколения также утратили актуальность. В последнее время особенно активно в этом направлении работают ученые Сибирских ВУЗов. Значительная часть таких исследований выполнены в ТюмГНГУ в рамках научной школы Резника Л.Г.

Менее всего научных работ посвящено циклическому движению автомобиля, если не считать ранних исследований режимов движения «разгон-накат» Куликова Н.К.. Здесь можно выделить работы Токарева A.A., Барвинка В.Г., хотя нужно отметить, что процесс циклического движения изучался применительно к городским автобусам. Практически не затронуты отечественной наукой вопросы получения типичных ездовых циклов движения. Между тем этой проблемой постоянно занимаются за рубежом, активно работает лаборатория ЕРА (Агентство по охране окружающей среды) в США, в рамках ЕС создан специальный проект «Артемис», в то время как в России до сих пор действует ГОСТ 20306-90, устанавливающий характеристики городских циклов для оценки топливной экономичности автомобилей и ГОСТ Р 41.84-99, в основу которого положено устаревшее Правило 84 ЕЭК ООН.

На основе всего вышеизложенного для достижения поставленной в рамках диссертационной работы цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить закономерности формирования типичного городского ездового цикла в условиях низких температур.

2. Разработать математические модели элементарных составляющих ездового цикла.

3. На базе полученных моделей синтезировать алгоритм выделения составляющих ездового цикла из экспериментальных данных.

4. Провести экспериментальные исследования режимов движения автомобилей в городе в условиях низких температур.

5. Разработать программное и методическое обеспечение для распознавания составляющих циклов движения автомобилей из базы данных эксперимента.

6. С использованием кластерного анализа сформировать типичные циклы движения с учетом специфики использования легкового автомобиля и температуры окружающего воздуха.

7. Разработать методику использования полученных циклов для оценки топливной экономичности автомобилей.

8. Оценить экономическую эффективность от внедрения результатов работы.

Вторая глава посвящена аналитическим исследованиям. Предложена общая методика работы, предусматривающая теоретические и экспериментальные исследования.

Системный подход позволил определить границы изучаемой системы, входящие в нее элементы и взаимосвязи между ними. При этом в соответствии целью исследования 1-й, 2-й и частично 4-й элементы системы «Водитель-Автомобиль-Дорога-Среда» были представлены подсистемой «Ездовой цикл», что позволяет существенно ограничить число факторов, участвующих в моделировании процесса расходования топлива. В соответствии с системно-целевым аспектом такой методологии изучения объекта исследования выделен двигатель автомобиля, его показатели и режимы работы в качестве базового элемента, непосредственно определяющего расход топлива. Общая структура объекта исследования представлена на схеме.

Рисунок 1. Механизм формирования расхода топлива при движении автомобиля в городских условиях при низких температурах окружающего воздуха

В качестве основной рабочей гипотезы принимаем то, что температура окружающей среды оказывает существенное влияние на продолжительность и структуру полного ездового цикла автомобиля в городских условиях. Предположено также совместное влияние характеристик городского ездового цикла и температуры воздуха на режимы работы двигателя автомобиля и его показатели, а значит на эксплуатационный расход топлива при выполнении цикла.

Целевая функция - минимизация суммарного расхода топлива за время движения, являющегося функцией времени t и Тв- температуры окружающего воздуха >min. Низкая температура окружающего воздуха в зимний период и условия хранения автомобиля, непосредственно

определяют температуру охлаждающей жидкости (ОЖ) двигателя перед началом движения после длительной стоянки с неработающим двигателем (см. рис.1).

Ранее выполненные исследования показали наличие в городских условиях периодически повторяющихся существенных изменений плотности транспортных потоков и соответствующих им значений средней скорости движения автомобилей в потоке и ее вариации. Эти изменения связаны с трудовой, социальной активностью населения и другими причинами. Для таких периодов времени оправдано получение типичных городских ездовых циклов. Эти циклы должны отражать влияние на скоростной профиль движения автомобиля (кривая изменения скорости во времени) в городе таких факторов, как периоды массового передвижения людей к месту работы и обратно, зимний или летний период времени и т.п.

Получивший большое распространение в Европе и США расчетный метод определения ездовых циклов предусматривает сбор статистики о скоростном профиле при движении автомобиля в условиях реального города. Анализ полученных данных о скоростном профиле с целью выделения элементов ездового цикла «driving patterns», как правило, выполняется с помощью оригинальных алгоритмов и программного обеспечения. Для решения этой задачи в работе использованы элементы теории распознавания образов. Для уверенного выделения элементов цикла из базы данных реальных скоростных профилей движения автомобилей в городе, были предложены следующие логические модели элементов полного ездового цикла.

Установившееся движение v^O & v=const & птр^О

Разгон v^O & v^const & j>0 & пф^0

Торможение двигателем v#0 & v^const & j<0 & nlp^0

Служебное торможение v^O & v^const & j<0 & n,p=0 Комбинированное

торможение v^O & v^const & j<0 & (n^O V пф=0) Остановка с

работающим двигателем v=0 & птр=0 & nOT=const

Использование этих моделей в специальном алгоритме распознавания элементов цикла, анализирующем выборку значений скорости и других показателей режима движения с предварительным анализом тенденции изменения скорости в базе данных (забегании), позволило уверенно выделять из нее элементы, составляющие полный ездовой цикл (рис. 2).

Реализованная на базе этого алгоритма программа «CycleR.ec», позволяет в пакетном режиме обрабатывать базу данных профилей скорости и формировать новую базу данных, содержащую элементы ездового цикла «driving patterns». Общепринятым способом группировки найденных элементов в однородные классы является кластерный анализ, используемый, например, в Европейском проекте «Артемис» для получения самых разных типичных ездовых циклов.

Рисунок 2. Алгоритм распознавания элементов ездового цикла в базе данных скоростных профилей, полученных с интерфейса ОВ1)-2

Так как база данных элементов цикла содержит зависимые характеристики с различной значимостью, была использована кластеризация методом к-средних, при которой за меру однородности объектов принимают расстояние Махалонобиса:

-1 т

I = ^(х-х)ЛЕ (х-х) , где (1=1,2,..., я; у =1,2,..., п), (1)

> 1

где ЛеЯт ут - симметричная неотрицательно определенная матрица «весовых» коэффициентов признаков; Е — ковариационная матрица генеральной совокупности, из которой извлекаются объекты.

Полученные с учетом условий движения кластеры, представляющие из себя элементы получаемого ездового цикла, необходимо взаимно упорядочить. Для этого мы использовали Цепи Маркова с дискретным временем, условное распределение последующего состояния цепи Маркова зависит только от текущего состояния и не зависит от всех предыдущих состояний:

Р(Х„+Нп+11 Х„=гт Хи_;=г„_;, .... Хп=10) = Р(Х„+1=1„+11 Х„=1Г1), (2)

где Х„ - пространство состояний цепи, набор признаков элемента цикла или кластера; г - номер шага.

Полученный с использованием рассмотренных методов типичный цикл может использоваться как компонент имитационной модели «Ездовой цикл» в виде скоростного профиля.

Для использования в имитационной модели объекта «Двигатель» использовались следующие теоретические положения. Зависимость оборотного расхода топлива от степени открытия дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала двигателя описывается линейной моделью:

д„б= Цо^дв)+а-((р-<Ро) + агпдв, (3)

где Цо^де) — значение оборотного расхода, корректируемое в зависимости от температуры двигателя ¡де, мг;

(р - степень открытия дросселя, %;

ср0 — минимальная степень открытия дросселя при работе прогретого до рабочей температуры двигателя на холостом ходу, %;

щв — частота вращения коленчатого вала двигателя; а, С1[ — параметры-константы модели.

Функцию дпО,»,,) определим как:

Я о = Чохх +а2- ((двгг при Хдв < 1Й„о, (4)

где qoxx - базовое значение оборотного расхода топлива на холостом ходу при рабочей температуре двигателя, мг;

^ео - рабочая температура охлаждающей жидкости, определяемая оптимальными характеристиками системы охлаждения, получаемыми при проектировании ДОС и автоматически под держиваемая термостатом, °С;

(¡2 - параметр модели.

Зависимость темпа прироста температуры на каждый оборот коленчатого вала имеет следующий вид:

&дв = а3 qo6 4- а4'( "С, (5)

где аз, а4, а5- параметры модели.

Для имитации прогрева при работе двигателя на холостом ходу, теоретически установлены следующие зависимости, воспроизводящие алгоритм работы прошивки ЭБУ двигателя:

Щв = ПдеО +а<5' ОдвО - (дв), (6)

где пдв0 - частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу при рабочей температуре охлаждающей жидкости, мин"1;

(¿во ~ рабочая температура охлаждающей жидкости, °С а6 - параметр модели.

Для работы «холодного» двигателя на холостом ходу необходима обогащенная смесь, значит положение дросселя также будет связано с t¿e, в качестве гипотезы также использована линейная модель:

<р = (po+ar (tde0- tds), (7)

где <ро - положение дроссельной заслонки двигателя на холостом ходу при рабочей температуре охлаждающей жидкости, %; а7 - параметр модели. Все рассмотренные выше модели получили в дальнейщем экспериментальное подтверждение с помощью стандартных статистических критериев.

Система имитационного моделирования «Stamm» фактически предоставляет в распоряжение исследователя табличный процессор, поэтому значительное число зависимостей и взаимосвязей имитируемого процесса реализовано средствами встроенного "Formula On Engine". Например, работа термостата системы охлаждения имитируется логической формулой в соответствующей ячейке «=IF(B4<89,B4,89)». Моделирование городского ездового цикла осуществляется прямым сканированием скоростного профиля цикла из базы данных.

Для определения времени окончания первого элемента полного ездового цикла, а именно, прогрева перед началом движения, используем текущее значение температуры охлаждающей жидкости. Логика работы ЭБУ «холодного» двигателя с системой распределенного впрыска топлива предусматривает отключение части датчиков, при этом двигатель работает по так называемому открытому циклу. Окончание этого режима определяется достигнутой температурой охлаждающей жидкости ДВС. У большинства современных двигателей такого типа эта температура находится в пределах 30-40 °С. Например, у двигателей ВАЗ показания датчика кислорода учитываются при коррекции расхода топлива, начиная с температуры охлаждающей жидкости 32 °С.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Экспериментальные исследования включают в себя следующие этапы:

- определение скоростных профилей движения в городских условиях;

- группировка массива данных по типичным условиям движение автомобилей в городе (час пик, будни, выходные и т.п.);

- обработка групп данных методом кластерного анализа и формирование типичных циклов движения автомобиля в городе;

- получение параметров математических моделей, разработанных в главе 2 для марок и моделей автомобилей, являющихся предметом исследования;

- имитационный эксперимент на моделях, предназначенных для моделирования процесса расхода топлива при движении автомобиля по типичному циклу в зимний период с целью проверки их адекватности.

Особенностью проведения эксперимента являлся одновременный сбор данных о скоростных профилях движения и о режимах работы и показателях двигателя - частоте вращения коленчатого вала, положении дроссельной заслонки, температуре охлаждающей жидкости, массовом расходе топлива, часовом расходе топлива, показаниях датчиков кислорода и коррекции топлива. Это позволило сформировать базу данных для определения ездовых циклов и одновременно получить численные значения параметров, ранее разработанных математических моделей. Для снятия цифровых данных с шины автомобиля CAN использовался беспроводный адаптер ВТ -OBD-2, удаленно подключенный к нему коммуникатор или ноутбук и специально разработанное для сброса данных на цифровые носители программное обеспечение.

Для эксперимента использовались автомобили 5 марок и моделей с пробегом от 3 до 20 тыс. км. Водители, участвующие в эксперименте, имели стаж вождения от 3 до 25 лет. При этом никаких ограничений, связанных со стилем вождения или маршрутами, не накладывалось,

Экспериментальные данные для получения параметров моделей и кластеризации элементов цикла обрабатывались в программе «Statistics 7.0».

Предварительная обработка на этапе получения данных из скоростных профилей движения автомобилей в условиях г. Тюмени показала обоснованность гипотезы о влиянии температуры окружающего воздуха на характеристики городского ездового цикла. На рис. 3 заметно существенное увеличение относительной частоты элемента городского цикла движения «Остановка с работающим двигателем» зимой по сравнению с летним периодом, что в основном обусловлено необходимостью прогрева двигателя перед началом движения.

Рисунок 3. Гистограмма частот элементов наиболее отличающихся зимнего и летнего типичных циклов

ш Ох* ано&бк ш Разгадав а» Торможений ш Д&ижемйе с постоянней скоростью

Лето ■'ЫУмрмис

В результате выполнения всех этапов формирования типичных ездовых циклов движения автомобиля в городских условиях были получены циклограммы, операционные карты и скоростной профиль таких циклов для условий движения г. Тюмени. На рис. 4 представлен скоростной профиль, полученный при выполнении ездового цикла с интерфейса OBD-2 автомобиля Toyota Corolla.

Va, кы/час

w.o

150.0 '

ад.о 1

■Скоростьавтомобиля, км/ч ■степень открытия дросселя, °

Время выполнения цикла, сек Рисунок 4. Изменение скорости автомобиля и степени открытия дросселя при выполнении ездового цикла «Будни» автомобилем Toyota Corolla 1.6 МТ

Оценка параметров и адекватности математических моделей 3-7 с помощью программы «Statistica 7.0» показала, что коэффициент корреляции между зависимыми и независимыми факторами моделей находится в пределах от 0,83 до 0,97, что подтверждает сильную связь между признаками, при этом коэффициент детерминации R находился в пределах от 0,7 до 0,94, что говорит об адекватном описании экспериментальных данных предложенными моделями.

На этом этапе, несмотря на наличие корреляционных взаимосвязей между исследуемыми факторами, использовали регрессионные модели на главных компонентах. Так как взаимное влияние факторов проявляется при работе имитационной модели, которая реализует необходимые взаимосвязи, через встроенные в систему «Stamm» средства.

Аналитические зависимости, используемые в имитационной модели процесса расхода топлива (уравнения 3-7) с учетом полученных в результате регрессионного анализа оценок их параметров представлены в табл. 1.

Таблица 1

Окончательный вид аналитических зависимостей, используемых в имитационной модели процесса расхода топлива при выполнении городского ездового цикла при низких температурах воздуха

Марка и модель автомобиля Регрессия Имитационная модель

1 2 3

Расчет оборотного расхода топлива в зависимости от режима работы двигателя

Тоуо1а Сого11а 1.6 МТ Яоб= Яо(1л„) + 0,005688-(Ф-15,6) + 0,000356-пдв =с13+0.005688-(Ь9-15.6)-0.000356-(Ь8/60)

Тоуо1а ЯАУ4 2.0 СУТ Яо(и + 0,00862-(ф-15,3) + 0,000343-пдв =аЗ+0.001862-(Ь9-15.3)+0.000343-Ь8/60

Мзэап Теапа 2.5 СУТ Чоб= Чо(и + 0,002382-(ф-4,31) + 0,000446-Пла =<13+0.002382-(Ь9-4.31)-0.000446-Ь8/60

Коррекция оборотного расхода от температуры охлаждающей жидкости двигателя

Тоуо(а Сого11а 1.6 МТ Чо = 0,009436+ 0,000101 • (88-и =0.009436+0.000101-(88-Ь5)

Тоуо1а ЫАУ4 2.0 СУТ Яо = 0,009989+ 0,00015-(89 -и =0.009989+0.000156-(89-Ь5)

МБвап Теапа 2.5 СУТ ц0 = 0,017874 +0,000130-(98-1дв) =0.017874+0.000130-(98-Ь5)

Приращение температуры на один оборот коленчатого вала в зависимости от температуры ОЖ и воздуха

Тоуо(а СогоИа 1.6 МТ А1дв = 0,372394Чоб + 0,00098-(884дв) +0,0000871, =(0.372394-ё2+0.00098- (88-Ь5)+0.000087-Ь2)- (Ь8-81ер/60000)

Тоуо1а ЯАУ4 2.0 СУТ А1дв = 0,145451667я„б + 0,00104-(89-1дв) +0,00005333^ =(0.145451667-<12+0,00104 •(89-Ь5)+0.00005333-Ь2) • (Ь8-81ер/60000)

Мэзап Теапа 2.5 СУТ Д^в = 0,028Яоб + 0,000120-(894дв) +0,00005333^ =(0.028*с12+0.000120(98- Ь5)+0,0000119-Ь2)-(Ь8-81ер /60000)

Зависимость частоты вращения коленчатого вала ДВС от температуры его охлаждающей жидкости

Тоуо1а СогоПа 1.6 МТ пдв=690+8,7172-(88-1дв) =690+8.7172-(88-Ь5)

Тоуо1а ИАУ4 2.0 СУТ пдв= 640+9,214353-(89-1дв) =640+9.214353-(89-Ь5)

Мввап Теапа 2.5 СУТ пдв = 625 +8,50589- (98-^в) =625+8.505589-(98-Ь5)

Продолжение табл. 1

1 2 3

Зависимость степени открытия дросселя ДВС от температуры охлаждающей жидкости

Toyota Corolla 1.6 МТ Ф = 15,6 +0,03313- (88- tflB) =15.6+0.03313-(88-b5)

Toyota RAV4 2.0 CVT Ф = 15,3 +0,069336- (89-1„„) =15.3+0.05560-(89-b5)

Nissan Teana 2.5 CVT (p = 4.31 +0,069336- (98 - t,B) =4.3 l+0.069336-(98-b5)

Последним этапом эксперимента была проверка и настройка имитационных моделей. Для контроля точности имитационного моделирования использовался натурный активный эксперимент воспроизведением этих же циклов на реальных автомобилях. Для контроля расхода использовался гравиметрический способ, предусмотренный Правилами 24 ЕЭК ООН. Топливо взвешивалось на электронных весах с погрешностью 0,1 г, при этом при расчете объемного расхода топлива применялся температурный поправочный коэффициент. Кроме показателей расхода топлива, получаемых имитацией и экспериментальными заездами, для сравнения использовалось значение расхода топлива, полученное по показаниям бортового компьютера автомобиля, участвующего в эксперименте. Результаты проверки адекватности моделей представлены в табл. 2.

Таблица 2

Погрешность измерений. Toyota RAV4,2.0 CVT

(без учета остановок с работающим двигателем)_

Условия определения Измеренный грамм (л/100 км) Рассчитанный ЭБУ Отклонение, % Полученный моделированием Отклонение, %

Цикл «Будни» 173 (6,818) 7.1 -4,14 6.831 -0.19

Цикл «Час пик» 265 (8,866) 8.2 7,51 8.440 4,8

Цикл «10 Mode» 67,58(7,129) 7.8 -9,41 7,343 -3,0

Среднее -2.01 Среднее 0,54

Визуальная оценка наложенных друг на друга результатов натурного эксперимента и имитации на модели выполнения первого элемента ездового цикла - прогрева перед началом движения показывает очень хорошее совпадение данных обеих выборок (рис. 5) и аппроксимирующей совместную выборку кривой.

Рисунок 5. Проверка адекватности имитационной модели. Элемент прогрев перед началом движения (Toyota RAV4,2.0 CVT)

Визуальная проверка точности имитационного моделирования оборотного расхода топлива в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (уравнение 7) для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ представлена на рис. 6, где видно, что поле точек результатов натурного и имитационного экспериментов можно рассматривать как однородную выборку.

Температура охлаждающей жидкости ДВС, °С Рисунок 6. Аппроксимация натурного и имитационного экспериментов (Toyota Corolla 1.6 МТ)

Обработка данных эксперимента подтвердила достаточно слабое влияние температуры внешней среды на скорость изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя. Из рис.7 видно, что в интервале температур от -15 °С до +5 °С, для математического описания зависимости прироста температуры на один оборот коленчатого вала ДВС от температуры внешнего воздуха и температуры охлаждающей жидкости с удовлетворительной точностью можно использовать однофакторную зависимость, пренебрегая влиянием внешней среды. Это подтверждают оценки параметров уравнения 5, полученные в результате корреляционно-регрессионного анализа. Согласно численным значениям параметров этой модели, для Toyota Corolla 1.6 МТ влияние температуры охлаждающей жидкости выше, чем температуры внешнего воздуха в 11,3 раза, для Toyota RAV4 2.0 CVT в 19.5 раз и для Nissan Теапа 2.5 CVT - в 10 раз. Наиболее сильное влияние на темп прогрева двигателя оказывает оборотный расход топлива (табл. 1). Остальные два фактора уравнения 5 имеют меньшую степень корреляции с выходным параметром, однако использование трехфакторной математической модели, учитывая малую размерность выходного параметра, обеспечивает повышенную точность. Принимая во внимание и то, что это не снижает скорости имитации использование уравнения 5 в виде трехфакторной регрессии в имитационной модели можно считать оправданным.

Температура охлаздающей жидкости двигателя, "С Рисунок 7. Изменение темпа прогрева в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя и внешней среды (Toyota RAV4,2.0 CVT)

Четвертая глава посвящена практическому использованию полученных результатов и оценке эффективности их внедрения. Отлаженные

имитационные модели расхода топлива при движении в городских условиях и низких температурах воздуха, позволяют получать результаты, которые могут быть использованы для оценки эффективности использования автомобилей в тех или иных условиях.

На рис. 8 представлен процесс изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя и удельного путевого расхода (л/100 км) автомобиля Toyota Corolla во время его эксплуатации в реальных городских условиях при температуре окружающего воздуха -12°С и начальной температуре ОЖ ДВС -9°С. Численные значения показателей получены непосредственно с контроллера ДВС. На рис. 9 те же зависимости получены в ходе имитации городского ездового цикла в условиях низких температур (при той же начальной температуре ОЖ ДВС и внешней температуре воздуха).

tde

Va км/ч 80

70

50

Qs, Л/100 КМ

Яз

-А / ^

10000

1000

80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Текущее ереия, сек.

-20

Рисунок 8. Изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя и удельного путевого расхода топлива при движении в городских условиях зимой (t„= -12 °С) после стоянки с неработающим двигателем (Toyota Corolla 1.6 МТ)

Анализ полученных результатов подтверждает обоснованность использования имитационной модели процесса изменения температуры охлаждающей жидкости и расхода топлива двигателем автомобиля, эксплуатируемого в городских условиях при низких температурах окружающей среды, вместо проведения прямых измерений этих показателей, что требует значительных материальных затрат и потерь рабочего времени.

1000

Рисунок 9. Изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя и удельного путевого расхода топлива при имитации городского ездового цикла при низких температурах (t„= -12 "С, W= -9 °С), Toyota CoroUa 1.6 МТ

Итоговые показатели выполнения первой фазы ездового цикла - прогрева на холостом ходу при температуре воздуха -12 °С в обоих случаях примерно сопоставимы:

время достижения температуры ОЖ ДВС значения 35°С -прямые измерения 218 сек, имитация 230 сек,

расход топлива за время прогрева -

прямые измерения 0.177 литров, имитация 0.169 литра.

Результаты прямых измерений удельного путевого расхода топлива после прогрева на холостом ходу до температуры 35°С после начала движения автомобиля в городе следующие: при пробеге первых:

1000 метров 22,4 л/100 км,

1573 метров 19,6 л/100 км,

2000 метров 18,9 л/100 км.

Показатель удельного путевого расхода в результате имитации городского цикла движения при пробеге

1000 метров 28,0 л/100км,

1573 метров 21,1 л/100км,

2000 метров 18,3л/100км.

Значительное расхождение в величине удельного путевого расхода топлива при пробеге первой 1000 метров после прогрева ДВС, полученного сравниваемыми способами, обусловлено особенно сильным влиянием на его величину показателей режима движения - скорости автомобиля, ее измене-

ния во времени и, соответственно, режима работы ДВС. При пробеге первых метров средний путевой расход достигает величины 7000-10000 л/100 км, но уже после пробега первых 100 метров падает до 150-180 л/100 км, после 500 метров уже до 35-40 л/100 км. По мере увеличения пробега влияние первого элемента полного городского цикла движения при низких температурах - прогрева на холостом ходу на величину среднего путевого расхода постепенно снижается.

На рис. 10 представлены результаты имитационного моделирования времени прогрева при различных температурах окружающего воздуха. Полученные в результате номограммы могут быть использованы, например, для установки времени включения таймера системы с автозапуском двигателя или для оценки необходимой продолжительности выполнения прогрева в случае дистанционного пуска двигателя. Использование номограмм возможно на открытых и закрытых стоянках в случае отсутствия отопления последних.

Трр мин

Температуры воздуха, "С

"" ~ •» «. .. ~ ~ -40 -----30 — -20

15

10

О

-40 -30 -20 -10 0 10 20 idе, С

Рисунок 10. Номограмма опредления времени прогрева двигателя до температуры 35 °С при различных температурах внешней среды

Следующий результат имитационного моделирования - получение дифференцированных, в зависимости от температуры после длительной стоянки и условий хранения автомобилей, норм расхода топлива табл. 3.

Таблица 3

Дифференцированные нормы расхода топлива

для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ_

Интервал тем- Норма расхода топлива, л/100 км,

ператур, С при средней длине поездки после длительной стоянки, м

Неотапливаемые стоянки Отапливаемые закрытые сто-

янки или гаражи

1000 2000 3000 4000 1000 2000 3000 4000

выше 0 20.81 13.68 11.07 10.08 11.05 9.17 8.06 7.84

от 0 до -5 23.15 15.97 12.64 11.24 11.15 9.31 8.15 7.91

-5 до-10 26.14 17.33 13.43 11.87 11.21 9.39 8.22 7.96

-10 до-15 29.39 18.55 14.36 12.60 11.27 9.46 8.29 8.02

-15 до-20 33.03 20.10 15.51 13.43 11.33 9.54 8.37 8.08

-20 до-25 36.66 22.29 16.93 14.50 11.39 9.62 8.47 8.15

-25 до -30 40.16 24.10 18.17 15.46 11.44 9.70 8.56 8.25

-30 до -35 44.69 26.41 21.47 16.76 11.50 9.77 8.66 8.36

-35 до -40 49.85 29.05 21.66 18.16 11.56 9.85 8.75 8.49

-40 до -45 55.65 32.01 23.58 19.51 11.63 9.93 8.84 8.62

Ниже -45 60.18 35.60 25.60 21.37 11.68 10.00 8.94 8.75

В работе проведена оценка экономического эффекта при использовании дифференцированных норм расхода топлива. Расчет проводился на примере автомобиля Toyota Corolla с двигателем объёмом 1.6 дм3 в сравнении с действующей методикой, при этом значения температур воздуха соответствовали зимнему периоду 2010-2011 года (табл. 4).

Для моделирования дифференцированных норм: при эксплуатации автомобиля, хранящегося на открытой стоянке в начале выполнения ездового цикла, принимаем температуру охлаждающей жидкости двигателя равной температуре окружающего воздуха в случае отсутствия резких перепадов последней, а конечную температуру ОЖ ДВС равной 35 °С. При хранении на отапливаемой стоянке моделируется прогрев работающим на холостом ходу двигателем с температуры охлаждающей жидкости 20 °С до 35 °С, а в дальнейшем моделируется движение по ездовому циклу «Будни».

Расчет величины норм по действующей методике: при эксплуатации автомобиля, хранящегося на открытой стоянке, применяется надбавка к базовой норме расхода топлива в 10% для учета прогрева двигателя и 12%-ю зимнюю надбавку для условий г. Тюмени. В случае отапливаемой или закрытой стоянки для корректирования базовой нормы расхода топлива на пробег легкового автомобиля используется только местная зимняя надбавка 12%.

Расчет показал, что в денежном выражении экономия может достигать около 4600 рублей на автомобиль в год из расчета действующих в настоящее время цен на топливо.

Таблица 4

Экономическая эффективность (на примере Toyota Corolla 1.6 МТ)

Характеристики периода Расход топлива, л

Интервал температур, о С Число дней эксплуатации

По дифференцированным нормам По действующей методике Расхождение

от 0 до -5 25 201,5 238,6 37,1

-5 до-10 41 337,0 391,5 54,5

-10 до-15 30 248,7 286,4 37,7

-15 до-20 28 234,4 267,3 32,9

-20 до -25 19 160,9 181,4 20,5

-25 до -30 3 25,7 28,6 2,9

Общий размер экономии, л 185,6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена важная научно-практическая задача разработки методики определения и использования типичных городских ездовых циклов движения автомобилей в условиях низких температур.

2. Разработаны логические модели элементов городского ездового цикла, представляющие из себя вектор признаков, связанных логическими и математическими отношениями. Установлено, что структура городского ездового цикла в условиях низких температур определяется особенностями эксплуатации и хранения автомобилей. Разница во времени выполнения полного городского цикла движения в зимний период, по сравнению с аналогичным летним может составлять 50% и более.

3. С помощью разработки специализированного ПО организован автоматизированный сбор и предварительная обработка данных о режимах движения автомобилей в городе.

4. На базе алгоритма распознавания составляющих ездового цикла из базы данных скоростных профилей автомобилей, полученных при движении автомобилей в реальных городских условиях, создана программа выделения элементов ездового цикла «CycleR.ec», работающая в пакетном режиме.

5. Кластерный анализ по методу K-средних и последующее использование метода Цепей Маркова позволили получить типичные циклы движения «Будни», «Час пик», «Выходные».

6. Разработаны имитационные модели расхода топлива, моделирующие движение автомобиля в условиях низких температур по типичным городским ездовым циклам для автомобилей Nissan Teana, Toyota Corolla, Toyota RAV4.

7. Эксплуатационный расход топлива, кроме характеристик ездового

цикла и температуры окружающей среды, определяется условиями хранения и использования автомобиля. Разница в удельном путевом расходе топлива автомобилями, хранящимися на открытой стоянке, по сравнению с автомобилями той же марки и модели, но хранящимися в отапливаемой закрытой стоянке или гараже, может быть более чем двукратной. Результатом имитационного эксперимента с моделированием типичных городских ездовых циклов в условиях низких температур являются номограммы для определения оптимального времени прогрева автомобилей и дифференцированные нормы расхода топлива, учитывающие условия эксплуатации и хранения автомобилей. Разработана методика использования полученных результатов в условиях предприятий и организаций, эксплуатирующих автомобили указанных выше марок и моделей.

8. Экономическая эффективность от внедрения результатов работы может составить до 4600 рублей на автомобиль в год.

Основные положения диссертации и результаты исследования опубликованы в следующих работах.

Журналы, входящие в перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий:

1. Маняшии С.А. Методика определения и использования типичных ездовых циклов автомобиля [Текст] / С.А. Маняшин // Телекоммуникации и транспорт. - М.: 2011. - № 3. - С. 25-29.

2. Маняшин С.А. Особенности имитационного моделирования расхода топлива автомобилем в городских условиях [Текст] / С.А. Маняшин // Телекоммуникации и транспорт. - М.: 2011. - № 3. - С. 28-30.

Прочие издания:

3. Маняшин С.А. Повышение эффективности использования топлива при эксплуатации автомобилей в городских условиях [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации систем транспорта. Труды Всероссийской научно-практической конференции; 7 ноября 2007 г./ Отв. Редактор Ю.Е. Якубовский. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. - С. 99 - 101.

4. Маняшин С.А. Использование теории распознавания образов при определении типичных циклов движения автомобилей [Текст] / С.А. Маняшин, Е.И. Присталенко // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции; 6 ноября 2008 г./ Отв. Редактор В.И. Бауэр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 195 - 197.

5. Маняшин С.А. Автоматизация исследований режимов движения автомобилей в городе [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации систем транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции; 6 ноября 2008 г./ Отв. Редактор В.И. Бауэр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008.-С. 197-199.

6. Маняшин С.А. Особенности исследования городских режимов движения автомобилей [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы междуна-

родной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. -С. 125-126.

7. Маняшин С.А. Методика исследования режимов движения автомобилей в городских условиях [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008.-С. 126- 128.

8. Маняшин С.А. Элементы теории распознавания образов в исследовании циклов движения автомобилей [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - С. 213 - 214.

9. Маняшин С.А. Экспериментальные исследования режимов движения автомобилей на базе современных информационных технологий [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - С. 214-217.

10. Маняшин С.А. Исследование городских ездовых циклов движения [Текст] / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 113 - 114.

11. Маняшин С.А. Загружаемый апплет для сброса параметров работы автомобиля и двигателя на сменный носитель. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки. ОФЭРНиО №15918. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». №5 (12) май 2010.

12. Маняшин С.А. Программа распознавания составляющих ездового цикла автомобилей. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки. ОФЭРНиО №15920. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». №5 (12) май 2010.

13. Маняшин С.А. Программа для контроля и записи параметров работы автомобиля и двигателя. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки. ОФЭРНиО № 17060. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». №6 (13) июнь 2010.

Подписано в печать 22.11.2011. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 416.

Библиотечно-издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.