автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Моделирование расхода топлива автомобилями на базе ездового цикла в низкотемпературных условиях эксплуатации

На правах рукописи

МАНЯШИН Сергей Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА АВТОМОБИЛЯМИ НА БАЗЕ ЕЗДОВОГО ЦИКЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г о июн 2013

Оренбург - 2013

005061944

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ Резник Леонид Григорьевич

Официальные оппоненты: Бондаренко Елена Викторовна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей;

Савин Михаил Александрович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий», профессор кафедры пожарной техники

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится 4 июля 2013 г. в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан;/июня 2013 г. Ученый секретарь .

диссертационного совета гаг-о В.И. Рассоха

Общая характеристика работы

Актуальность темы. При эксплуатации автомобильного транспорта важную роль имеет нормирование расхода топлива, предназначенное для планирования ресурсов, ведения статистической и оперативной отчетности, определения себестоимости перевозок и других видов транспортных работ, осуществления режима экономии и энергосбережения потребляемых топлив, проведения расчетов с водителями и т.д. Научно-методической основой нормирования является методика определения норм расхода топлива, разработанная НИИАТ. Несмотря на очевидные ее достоинства (простота использования, наглядность, соответствие методов нормирования положениям теории автомобиля), она подвергалась обоснованной критике за ряд существенных упрощений и ограничений, снижающих объективность определения нормативного расхода топлива. Это стало одной из главных причин принятия Минэкономразвития России 20 апреля 2012 г. решения об отмене декларативного характера норм. Отныне значения базовых и транспортных норм, других нормативов, поправочных коэффициентов и методики расчета нормативного расхода топлива носят рекомендательный характер. Однако, это не снимает ряд проблем, стоящих перед руководителями администраций регионов и предприятий, эксплуатирующих автотранспортные средства, и связанных с назначением базовых норм для моделей, марок и модификаций автомобильной техники, на которую Минтрансом России не утверждены нормы расхода топлив, а также поправочных коэффициентов (надбавок), учитывающих дорожно-транспортные, климатические и другие эксплуатационных факторы.

Новые нормы могут быть разработаны в установленном порядке научными организациями по специальной программе-методике. Применяемая в настоящее время программа-методика НИИАТ предполагает учет особенностей эксплуатации автомобилей на основе комбинации городского и загородного циклов движения, полученных по ГОСТ 20306-90 и не адекватных современным условиям эксплуатации. Учет влияния низких температур окружающей среды на расход топлива осуществляется с помощью фиксированных предельных значений коэффициентов, что приводит к погрешностям в определении величины норм. Кроме того, ГОСТ 20306-90 не предусматривает определение расхода топлива при низкой температуре окружающей среды, несмотря на то, что в нашей стране продолжительность периода с такими температурами в ряде регионов составляет более полугода.

Отмена декларативного характера норм дает возможность шире использовать научно-обоснованное определение величины норм расхода топлива для автомобилей, методами не регламентированными, а, значит, открывает большие возможности дифференцированного нормирования расхода топлива с учетом различных факторов. В связи с этим, совершенствование методик нормирования расхода топлива автомобилями для более достоверного и оперативного определения эксплуатационных норм расхода в городских условиях, учитывающих низкотемпературные условия, является актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации автомобильного транспорта.

Исследование выполнено в рамках тематики госбюджетной и хоздоговорных

НИР ТюмГНГУ (2009-2012 гг.).

Объект исследования - процесс расходования топлива двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля при эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды.

Предмет исследования — закономерности расхода топлива автомобилями, оборудованными ДВС с распределенным впрыском, в зависимости от структуры и характеристик городского ездового цикла.

Цель работы состоит в повышении эффективности эксплуатации автомобилей за счет объективного нормирования расхода топлива на основе моделирования городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды.

Задачи исследования:

1) теоретически обосновать методику формирования структуры и характеристик городского ездового цикла для низкотемпературных условий эксплуатации;

2) разработать имитационную модель процесса расходования топлива автомобилем при движении по городскому ездовому циклу и низких температурах окружающей среды;

3) на основе экспериментальных исследований синтезировать скоростной профиль городского ездового цикла;

4) экспериментально подтвердить адекватность аналитических закономерностей, используемых в имитационной модели процесса расходования топлива, провести ее отладку и настройку;

5) разработать практические рекомендации по внедрению результатов работы.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Теоретические исследования выполнены с использованием положений системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, кластерного анализа, теории распознавания образов и имитационного моделирования, теории технической эксплуатации автомобилей. Экспериментальные исследования выполнялись в полевых условиях с использованием как общепринятых методик, программного обеспечения и оборудования, так и разработанных лично автором. Достоверность научных положений работы обусловливается использованием методологической базы исследования, обоснованностью принятых допущений при разработке расчетных моделей, хорошей сходимостью экспериментальных данных с результатами собственных теоретических исследований и данными других авторов.

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

- впервые установлены закономерности формирования структуры и характеристик цикла движения легковых автомобилей в городе при низких температурах окружающей среды (на примере г. Тюмени);

- разработана оригинальная методика синтеза типичных городских ездовых циклов на основе выделения отдельных фаз движения, группировки в кластеры методом К-средних и объединения в непрерывный скоростной профиль цикла с использованием цепей Маркова;

- впервые установлены закономерности изменения частоты вращения коленчатого вала и степени открытия дроссельной заслонки двигателя с распределенным впрыском топлива от температуры охлаждающей жидкости при работе на холостом ходу;

- получена новая имитационная модель расходования топлива автомобилем при движении по городскому ездовому циклу в условиях низких температур окружающей среды.

Практическая значимость работы:

1) полученный типичный городской ездовой цикл более достоверно отражает реальные условия движения по сравнению с циклом по ГОСТ 20306-90;

2) разработанная программа «CycleR.ec» выделяет из экспериментальных скоростных профилей автомобилей отдельные фазы движения и определяет средние характеристики поездок с целью синтеза ездового цикла, соответствующего реальным условиям движения автомобилей;

3) предложенная имитационная модель позволяет определять расход топлива автомобилями в различных условиях эксплуатации (в том числе при различных температурах окружающей среды);

4) полученные таблицы дифференцированных норм расхода топлива повышают точность определения расхода топлива при низкотемпературных условиях эксплуатации автомобилей в городе;

5) использование номограмм для определения оптимального времени прогрева при различных температурах окружающей среды сокращает затраты времени и топлива на поездку.

Реализация результатов работы. Получен городской ездовой цикл, типичный для г. Тюмени. Разработаны дифференцированные в зависимости от температуры окружающей среды нормы расхода топлива для ряда марок и моделей легковых автомобилей, в том числе и не имеющих официально утвержденной базовой нормы. Имитационная модель процесса расходования топлива автомобилем и методика определения дифференцированных норм внедрены в ООО «Автоград ФР», государственном автономном образовательном учреждении Тюменской области «Информационно-образовательный Центр» и используются в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров автомобильного транспорта.

Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2007, 2008 гг.), международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспорт-но-технологических машин» (Тюмень, 2008, 2009, 2010, 2012 гг.), межкафедральных научно-практических семинарах факультета автомобильного транспорта СибАДИ (2011-2012 гг.), заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта ТюмГНГУ (2008-2012 гг.), межкафедральных научных семинарах транспортного факультета Оренбургского государственного университета (20122013 гг.). По результатам работы выполнены две хоздоговорные НИР.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, в числе которых 7 статей в ведущих рецензируемых научных журналах из «Перечня ...» ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 154 наименований (в том числе 53 иностранных), приложений, и содержит 165 страниц, в том числе 36 таблиц и 60 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены ее краткая характеристика, научная новизна и практическая значимость.

В первом разделе проведен анализ объекта исследования, определены цель и задачи исследования.

Топливная экономичность автомобилей и вопросы нормирования расхода топлива при эксплуатации в городских условиях изучались ведущими научно-исследовательскими (НИИАТ, НАМИ, НИИПиН) и учебными организациями (МАДИ, СибАДИ, ИрГТУ, ТюмГНГУ). Основу таких исследований составили работы Чудакова Е С., Великанова Д.П., Говорущенко Н.Я, Зимелева Г.В., Лурье М.И., Нарбута А Н., Рубца ДА., Токарева A.A., Платонова Е.М., Шейнина А.М., Фальке-вича Б.С., Фаробина Я.Е. и др. Исследователями отмечается значительное влияние переменных режимов движения автомобилей и работы их силовых установок при эксплуатации в условиях города на эксплуатационный расход топлива.

К особенностям движения автомобилей в зимний период следует отнести: прогрев ДВС перед началом движения после длительной остановки с неработающим двигателем, сужение проезжей части, гололед и образование колеи на проезжей части, отсутствие видимой разметки, пар от выпускной системы автомобилей при очень низкой температуре; ограничение видимости в снегопад, сокращение продолжительности светового дня, ограничение видимости вследствие запотевания стекол. Эти факторы требуют повышенной осторожности, соблюдения большей дистанции между автомобилями и пониженных скоростей движения.

Влияние низких температур окружающей среды на расход топлива, а также процессы прогрева двигателя перед началом движения достаточно хорошо изучены, например, в работах Виленского ЛИ., Кутлина A.A., Левина А.Ф., Лоса-вио Г.С., Семенова Н.В., и др. Малоизученными остаются вопросы, связанные с циклическим движением автомобиля в городских условиях. Здесь можно выделить исследования Барвинка В.Г., Куликова Н.К., Нарбута А.Н, Токарева A.A. Следует отметить, что процесс циклического движения изучался в основном применительно к городским автобусам.

Практически не затронуты отечественной наукой вопросы получения типичных ездовых циклов движения. Ездовой цикл — стандартизированный шаблон езды, который задается значениями в таблице время-скорость. Большинство развитых стран мира имеют несколько стандартных ездовых циклов, которые предназначены для оценки топливной экономичности и экологических качеств автомобиля в различных типичных условиях. Причем порядок и условия проведения разных ездовых циклов даже в пределах одной страны существенно различаются. Проведен анализ большинства используемых в мире ездовых циклов, которые разделены на три группы: европейские, американские и японские. Самыми распространенными и используемыми являются Европейский NEDC (модальный) и Американский ездовой цикл FTP-75 (неустановившийся).

В развитых странах происходит постоянное обновление и замена устаревших циклов. Это связано с тем, что условия движения в городах и вне их довольно быстро изменяются с течением времени. В настоящее время ведутся работы над

проблемой сокращения времени и затрат для получения типичных ездовых циклов, соответствующих заданным условиям движения. Так, лаборатория ЕРА (США) впервые при разработке циклов использовала электронную базу данных эксперимента - накопление данных о реальных скоростных профилях в файлах, и использовала элементарные составляющие циклов или фазы движения автомобиля. Европейские ученые первые использовали кластерный анализ и цепи Маркова при синтезе ездового цикла.

В последнее время получают распространение методы имитационного моделирования расхода топлива с использованием специализированного программного обеспечения. Наиболее трудным для формального аналитического описания является процесс расхода топлива при движении автомобиля в режиме разгона. Недостатки известных методов расчетного определения эксплуатационного расхода связаны с тем, что расход топлива в единицу времени в процессе разгона не остается постоянным, что снижает точность определения интегральной величины расхода. Указанных недостатков можно избежать, если использовать величину оборотного расхода топлива, впервые предложенного И.М. Лениным, и использовать имитационное моделирование процесса расходования топлива в псевдореальном времени, как это реализовано в работах И.М. Шуваевой.

Необходимо отметить, что многие из математических моделей зависимостей расхода топлива от различных факторов для автомобилей с бензиновыми двигателями, разработанные в период до 80-90-х годов прошлого века, потеряли свою актуальность с переходом автомобильной промышленности на двигатели с электронным управлением впрыском топлива.

Подавляющее число известных ездовых циклов предусматривают начало выполнения цикла с полностью прогретым двигателем. Между тем многочисленными исследованиями доказано, что езда с непрогретым двигателем существенно ухудшает показатели топливной экономичности автомобилей, а низкая температура окружающей среды влияет и на характеристики ездового цикла автомобиля.

При разработке новых городских ездовых циклов необходимо учитывать, что расход топлива в них зависит от структуры и характеристик самих циклов, причем наиболее негативное влияние на экономичность цикла оказывают остановки с работающим двигателем. Также имеет место совместное влияние температуры окружающего воздуха и скоростного профиля на расход топлива в цикле. Кроме того, структура полного цикла движения автомобиля в городе при низких температурах окружающей среды изменяется при понижении температуры в сторону увеличения его первой фазы - прогрева перед началом движения.

Таким образом, разработка имитационных моделей процесса расходования топлива автомобилями в городских условиях, воспроизводимых с помощью ездовых циклов при низких температурах воздуха, а также методики получения типичных городских циклов, максимально соответствующих реальным условиям движения в городе, является актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации автомобильного транспорта.

На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе проведено теоретическое исследование структуры и характеристик городского ездового цикла при низких температурах окружающей

среды и закономерностей расхода топлива автомобилем в таком цикле.

С целью реализации системного подхода определены границы изучаемой системы, входящие в нее элементы и взаимосвязи между ними. В качестве исследуемой системы, объективно существующей с момента трогания автомобиля с места, принимается система «Водитель-Автомобиль-Дорога-Среда» (ВАДС). Элементы «Водитель», «Дорога» и частично «Окружающая среда» объединены в подсистему «Ездовой цикл» и далее рассматриваются как отдельный элемент, что позволяет существенно ограничить число факторов, участвующих в моделировании процесса расходования топлива. В соответствии с методологией изучения объекта исследования выделен элемент «Двигатель», его показатели и режимы работы в качестве базового элемента, непосредственно определяющего расход топлива.

Элемент системы «Автомобиль» также имеет взаимосвязь с параметрами цикла, но его влияние на них нивелируется тем, что рассматриваются автомобили одного типа с примерно соотносимыми конструктивными особенностями. Таким образом, изучаемая система будет иметь вид (рис. 1).

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 выполняется с помощью оригинальных алгоритмов и программного обеспечения.

Для решения этой задачи в работе использована разработанная автором программа «CycleR.ec», алгоритм которой основан на теории распознавания образов.

С помощью программы формируется база данных, которая состоит из элементарных составляющих ездового цикла — фаз движения. Каждая запись этой базы содержит следующие поля: идентификатор элемента (тип фазы движения - разгон, торможение, установившееся движение, остановка), остальные поля это параметры элемента - скорость начальная и конечная, номер передачи, длительность и протяженность. Для группировки отдельных фаз движения обоснована кластеризация методом К-средних. Сгруппированные с учетом условий движения кла-

Рисунок 1 - Структурная схема изучаемой системы

стеры, представляющие из себя элементы синтезируемого ездового цикла, взаимно упорядочиваются с помощью цепей Маркова с дискретным временем.

Полученный типичный ездовой цикл может использоваться как компонент имитационной модели «Ездовой цикл» в виде скоростного профиля.

Самым простым и точным способом имитации процесса расходования топлива при движении автомобиля по ездовому циклу было бы использование в блоке «Двигатель» алгоритма работы контроллера и карты прошивок. Однако, учитывая закрытость этой информации, а также то, что необходимо имитировать процесс для различных марок и моделей автомобилей, имеющих индивидуальные особенности реализации систем управления двигателем, в работе использован менее точный, но более универсальный подход, заключающийся в установлении функциональных зависимостей между параметрами работы двигателя и внешними параметрами в реальном двигателе, фиксируемыми с помощью датчиков.

Для объекта имитационной модели «Двигатель» использовались следующие показатели и их модели.

Оборотный расход топлива q0s (мг):

qo6=GT\ 0^/(60 пдв),

где GT - часовой расход топлива, кг/ч; пдв - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин"1.

Модель для определения оборотного расхода (мг/оборот):

Чоб= qo(tJ+a-((p-(po) + агпд„ (1)

где qo(tde) - значение оборотного расхода, корректируемое в зависимости от температуры двигателя мг; <р- степень открытия дросселя, %; <ро - минимальная степень открытия дросселя при работе прогретого до рабочей температуры двигателя на холостом ходу, %; а, а!- параметры-константы модели, мг/% и мг/мин .

Функция qoOaJ при t,K < loeu определится как:

qoOde) = Чохх +а2- (tdeO-tde), (2)

где qoxx - базовое значение оборотного расхода топлива на холостом ходу при рабочей температуре двигателя, мг; t6ei) - рабочая температура охлаждающей жидкости, определяемая оптимальными характеристиками системы охлаждения, получаемыми при проектировании ДВС и автоматически поддерживаемая термостатом, "С; а2 - параметр модели, мг/°С.

Оборотный расход влияет на скорость прогрева двигателя через приращение температуры за один оборот коленчатого вала двигателя At1K ("С):

Atde = а3 qoS + а4 ( tdao-tde)+aste, (3)

где аз, а4, а5 - параметры модели, °С/мг, мг/°С, мг/°С соответственно.

Для имитации работы двигателя на холостом ходу установлены следующие зависимости, воспроизводящие алгоритм работы прошивки электронного блока управления двигателя:

Пдв = "двО Одво- ¡дв), (4)

где пде0- частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу при рабочей температуре охлаждающей жидкости, мин"1; tde0 - рабочая температура охлаждающей жидкости, °С; а« — параметр модели, мин / С;

Ф = (pa +а7- (tde0 - tlx), (5)

где сро — положение дроссельной заслонки двигателя на холостом ходу при рабочей температуре охлаждающей жидкости, %; а7 - параметр модели, %/ °С.

Для реализации имитационной модели использовалась система моделирования «Stamm», поскольку она почти полностью идентична по возможностям и интерфейсу популярной MS Excel, но здесь отсутствует ограничение на использование перекрёстных ссылок. Дополнительно система допускает использование для воспроизведения сложных функций дискретных профилей. Значительное число зависимостей и взаимосвязей имитируемого процесса реализовано средствами встроенного «Formula On Engine». Например, окончание прогрева определяется достижением текущей температурой охлаждающей жидкости порогового значения (30-40 °С).

Учитывая приведенные зависимости (1) - (5) и взаимодействие между входящими в них переменными, алгоритм взаимосвязей между элементами модели «Ездовой цикл» - «Автомобиль» - «Двигатель» представим в виде схемы (рис. 2).

Q.=Q*+4M-nM-<Sup/(60))

q,-Q^(S-7H0-10m>

T+Siep

Коней

Рисунок 2 - Алгоритм процесса расходования топлива при движении автомобиля

Приведенный алгоритм также предусматривает максимально точное воспроизведение скоростного профиля городского ездового цикла. Для этого необходимы натурные испытания автомобиля определенной марки и модели и запись параметров работы ДВС и скорости движения. В этом случае получаемый нагрузочный профиль двигателя, соответствующий скоростному профилю автомобиля, непосредственно используется в имитационной модели.

Таким образом, в результате выполненных теоретических исследований уста-

10

новлены закономерности формирования типичного городского ездового цикла в условиях низких температур, разработаны структурные схемы процессов расходования топлива в отдельных фазах полного цикла движения; получен алгоритм взаимодействия элементов имитационной модели процесса расходования топлива при движении автомобиля по городскому циклу в условиях низких температур.

Третий раздел посвящен методике и результатам экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования включали в себя следующие этапы:

- определение скоростных профилей движения в городских условиях;

- группировка массива данных по типичным условиям движения 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 для различных марок и моделей автомобилей;

- имитационное моделирование процесса расходования топлива при движении автомобиля по городскому ездовому циклу в зимний период с целью проверки их адекватности.

В эксперименте участвовали 10 автомобилей 5 марок и моделей (Toyota RAV4 2.0 CVT, Toyota Corolla 1.6 МТ, Nissan Teana 2.5 CVT, Ford Focus 1.8 MT, ВАЗ 2170 1.6 MT) с пробегами от 3 до 20 тыс. км и водителями со стажем от 3 до 25 лет.

Сбор данных о скоростных профилях движения автомобиля и о показателях режимов работы двигателя - частоте вращения коленчатого вала, положении дроссельной заслонки, температуре охлаждающей жидкости, массовом расходе топлива, часовом расходе топлива, показаниях датчиков кислорода и коррекции топлива осуществлялся с шины автомобиля CAN через беспроводный адаптер OBD-2 российского производителя Check-Engine, адаптер на основе чипа ELM-327, удаленно подключенного к нему ноутбука и специально разработанного автором программного обеспечения для сброса данных на цифровые носители.

Репрезентативность выборки обеспечивалась расчетом минимального объема и стратифицированным методом отбора данных, с периодическим отбором внутри групп в соответствии с характерными периодами изменения плотности движения в городе. Расчетный минимальный объем выборки для получения ездового цикла 1667 поездок. База данных скоростных профилей реальных поездок содержит 3797 записей, полученных в г. Тюмени в течение 2009-2012 гг.

Большой объем экспериментальных данных, получаемый с контроллера электронного блока управления автомобиля, позволил отказаться от какой-либо редукции данных в виде плана эксперимента или повторных измерений параметров для снижения погрешности измерений.

Для обработки данных, полученных с контроллера OBD автомобиля, и выделения типичных составляющих ездового цикла автомобиля используется программа «CycleRec», которая позволяет обеспечить необходимую точность распознавания составляющих цикла и устранить ложное распознавание переходных составляющих (разгон, торможение) цикла движения. Формат записи результатов распознавания и предварительного анализа данных дает возможность напрямую переносить данные через буфер обмена Windows для дальнейшей обработки,

например, в Microsoft Excel или пакета «Statistica».

Анализ полученных в результате предварительной обработки данных о скоростных профилях при движении автомобилей в городе позволяет сделать вывод о существенном отличии средних показателей поездок в разное время суток, дни недели и периоды года, в особенности это касается выходных и «часа пик» в будние дни. Результаты показывают обоснованность гипотезы о влиянии температуры окружающего воздуха на структуру и характеристики городского ездового цикла. Так, среднее время остановок в ездовом цикле «Зима будни» выше, чем «Лето будни» на 30 %, а время торможений на - 11 %. 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.

Получены циклограммы, операционные карты и скоростной профиль городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды для условий движения г. Тюмени (рис. 3).

Все фазы в цикле «Остановки с работающим двигателем» заменены одной в конце циклограммы, что оправдано, если цикл будет использоваться при имитации движения или натурных испытаниях прогретого автомобиля. В случае не-прогретого двигателя при низких температурах окружающей среды, остановки в цикле моделируются отдельно, первая — с учетом значения температуры окружающей среды и конечной температуры прогрева, а последующие — исходя из числа торможений до скорости, равной нулю, и общей длительности фазы остановки за цикл.

При подборе параметров математических моделей, описанных во втором разделе, предварительно проверялась нормальность распределения как переменных предикторов, так и регрессора, с использованием возможностей пакета «Statistica» «Statistics» — «Distribution Fitting» — «Normal» как статистических критериев, так и визуальных средств типа «вероятностной бумаги». Затем находились сами модели с использованием функции пакета «Нелинейные оценки» — «Функция определенная пользователем». Подбор параметров моделей производились с уровнем значимости 95,0 %. При проверке соответствия теоретической линии регрессии экспериментальным данным использовался статистический критерий t-статистика Стьюдента, значение которого во всех случаях не превышала критических значений при заданном числе степеней свободы.

Для контроля точности имитационного моделирования использовался натурный активный эксперимент воспроизведением этих же циклов на реальных автомобилях. Для контроля расхода использовался гравиметрический способ, преду-

Рисунок 3 - Скоростной профиль городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды

смотренный Правилами 24 ЕЭК ООН. Массовый расход топливо определялся на электронных весах с погрешностью 0,1 г. 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.

Проведенная проверка имитационной модели для исследуемых автомобилей показала, что расхождения в результатах не превышают 5 %.

Визуальная оценка наложенных друг на друга результатов натурного эксперимента и имитации на модели (3) выполнения первого элемента ездового цикла -прогрева перед началом движения - показывает очень хорошее совпадение данных обеих выборок (рис. 4) и аппроксимирующей совместную выборку кривой.

Визуальная проверка точности имитационного моделирования оборотного расхода топлива в зависимости от температуры охлаждающей жидкости по модели (5) для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ представлена на рис. 5, где видно, что поле точек результатов натурного и имитационного экспериментов можно рассматривать как однородную выборку.

tj„JC q.s. иг

Kl Kl «1

i 11 16 и 14 1' w :

Температ\раохлаждающеп жндкостиДВС, "С

Рису нок 4 - Проверка адеккгтности имитационной модели: элемент «Прогрев перед началом движения» (Toyota RAV4.2.0 CVT)

Обработка данных эксперимента ' подтвердила достаточно слабое влияние температуры окружающей среды на темп прогрева двигателя. Из рис. 6 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 однофак-торную зависимость, пренебрегая влиянием внешней среды.

Рисунок 5 - Аппроксимация нату рного и имитационного экспериментов (Toyota Corolla 1.6 МТ)

Рисунок 6 - Изменение темпа прогрева в зависимости от температуры охлаждающей жидкости двигателя и внешней среды (Toyota RAV4,2.0 CVT)

Это подтверждают оценки параметров модели (3), 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 С VT - 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. Остальные два фактора модели (3) имеют меньшую степень корреляции с выходным параметром, однако использование трехфакторной математической модели, учитывая малую размерность выходного параметра, обеспечивает повышенную точность. Принимая во внимание то, что это не снижает скорости имитации, использование модели (3) в виде трехфакторной регрессии в имитационной модели можно считать оправданным.

Для исследуемых автомобилей получены аналитические зависимости, используемые в имитационной модели процесса расходования топлива автомобиля при движении по городскому циклу в условиях низких температур воздуха уравнений. Ниже представлены зависимости для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ:

Четвертый раздел посвящен практическому использованию полученных результатов и оценке экономической эффективности от их внедрения.

С помощью полученной имитационной модели можно оценить, как будут изменяться ездовой цикл и расход топлива автомобилем при понижении температуры окружающего воздуха.

На рис. 7 (а) представлены графические зависимости температуры охлаждающей жидкости двигателя и 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 охлаждающей жидкости -9°С. Численные значения показателей получены непосредственно с контроллера

Чоб= Чо(1да) + 5,688- 10"'(ф-15,6) + 3,56Т0"4-пда;

q0 = 9,436-10"3 + 1,01-10 - (88 - tOT); \t№ = 0,372394Чо6 + 9,8 10"4 (88-^) + 8,7 Ю-5 !.; пда = 690 + 8,7172 (88 - t^,); ф = 15,6 +0,03313 (88 -t^).

ДВС.

V, 90

Температура ОЖ ДВС, «С — Скорость автомобизм, а/н

ЛООкн 10000

Геигкратура ОЖ ДВС, С — СЬороаь авхшобкм. ut i ..... Удаьныйракм тошим. ciCO км

Я>

100 XV ¡0000

т. сек

•10

а) при движении в условиях города

б) при моделировании ездового цикла

Рисунок 7 - Изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя и путевого расхода топлива автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ, 14

На рис. 7 (б) те же зависимости получены в ходе имитационного моделирования городского ездового цикла в аналогичных условиях.

Расхождения в значениях показателей прямых измерений и имитационного моделирования выполнения первой фазы ездового цикла - прогрева на холостом ходу - при температуре воздуха -12 °С автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ составляют: время достижения температуры охлаждающей жидкости значения 35 С (5,5 %), расход топлива за время прогрева (-4,5 %), путевой расход топлива при пробеге после прогрева ДВС 1000 м (25 %), 1600 м (7,7 %), 2000 м (-3,2 %). Значительное расхождение в 25 % в величине путевого расхода топлива при пробеге первых 1000 метров после прогрева ДВС обусловлено особенно сильным влиянием на его величину первого элемента полного городского цикла движения при низких температурах - прогрева на холостом ходу. По мере увеличения пробега его влияние на величину среднего путевого расхода постепенно снижается, а показателей режима движения - скорости автомобиля, ее изменения во времени и, соответственно, режима работы ДВС — увеличивается.

Имитационным моделированием прогрева при различных температурах окружающего воздуха получены таблицы и номограммы для определения времени прогрева ДВС исследуемых автомобилей до температур 35 и 60 °С от начальной температуры двигателя при различных температурах внешней среды (рис. 8).

Полученные в результате но- т мограммы могут быть использо- w

ваны, например, для установки времени включения таймера системы с автозапуском двигателя или для оценки необходимой продолжительности выполнения прогрева в случае дистанционного пуска двигателя.

В результате имитационного моделирования получены зависимости путевого расхода топлива от температуры и условий хранения автомобилей, которые использованы при определении дифференцированных норм расхода топ-

Темпёрэтурыокружающей

среди.*!!......................

-40 — -30

ю.........

-40 -30 -20 -10 0 10 20 Температура охлаждающей жидкости ДВС, °С

Рисунок 8 - Номограмма времени прогрева двигателя Toyota Corolla 1.6 МТ до температуры охлаждающей жидкости 35 °С при различных температурах внешней среды

лива с учетом режима движения и температуры окружающей среды. В таблице приведен пример расчета эксплуатационного расхода топлива для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ.

Особенности среды моделирования «Stamm» позволяют получить имитационные модели и, соответственно, нормы расхода топлива для любых других марок и моделей автомобилей, оснащенных бензиновыми двигателями с распределённым впрыском топлива, при этом необходимо краткосрочное, в течение нескольких часов, тестирование автомобиля при прогреве ДВС на холостом ходу и движении по городскому ездовому циклу.

Таблица — Путевой расход топлива для автомобиля Toyota Corolla 1.6 МТ

Интервал температур, о С Расход топлива, л/100 км, при средней длине поездки, м

Неотапливаемые стоянки Отапливаемые стоянки или гаражи

1000 2000 3000 4000 1000 2000 3000 4000

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

Кроме того, имитационная модель является расширяемой с целью оценки влияния других неучтенных в данной работе факторов на процесс расхода топлива и изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя при движении автомобиля в городских условиях в зимний период, при этом не требуется изменения кода программы или редактирования элементов модели.

Расчетный экономический эффект от внедрения оптимизации прогрева автомобиля по критерию расхода топлива может составить до 2400 руб. на один автомобиль за зимний период, а от использования дифференцированных норм расхода топлива — до 4300 рублей на автомобиль в год из расчета действующих в настоящее время цен на топливо.

В приложениях представлены акты внедрения результатов исследования в предприятиях, в учебном процессе, а также свидетельства об отраслевой регистрации программных средств.

Основные результаты и выводы

1. Теоретически обоснована методика формирования типичного ездового цикла, предусматривающая автоматизированный сбор и обработку данных о режимах движения автомобилей, последующую кластеризацию методом К-средних и упорядочивание по методу цепей Маркова. Для ее реализации создана программа «Сус1е11ес», алгоритм работы которой основан на теории распознавания образов.

2. Разработан алгоритм процесса расходования топлива при движении автомобиля по городскому маршруту и низких температурах окружающей среды, основанный на установленных функциональных зависимостях между показателями работы двигателя и внешними факторами — температурой окружающей среды и скоростью движения автомобиля.

3. Экспериментально установлено, что в зимний период структура и характеристики городского ездового цикла определяется температурой окружающего воздуха, условиями хранения автомобиля и длиной поездки после длительной остановки. Характеристики городского цикла, полученного для зимних условий, существенно отличаются от городского цикла по ГОСТ 20306-90: время движения с постоянной скоростью уменьшилось с 41 % до 12 % от общего времени движения, а время остановок, напротив, возросло с 21% до 40% и более, в зависимости от температуры окружающего воздуха, что в основном обусловлено необходимо-

16

стью прогрева двигателя перед началом движения.

4. Подтверждена адекватность и получены параметры аналитических зависимостей, используемых в имитационной модели процесса расходования топлива при движении по городскому циклу в условиях низких температур окружающей среды для ряда марок и моделей автомобилей. При реализации модели использовалась система имитационного моделирования «Stamm».

5. Возможности разработанного программного обеспечения и соответствующая организация эксперимента со сбором данных через WEB-сервисы позволят в дальнейшем получать городской ездовой цикл для условий любого города и имитационные модели процесса расходования топлива любого автомобиля, оборудованного ДВС с распределенным впрыском.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

В ведущих рецензируемых научных журналах т «Перечня ...» ВАК:

1. Маняшин, С.А. Методика определения и использования типичных ездовых циклов автомобиля / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин // Т-Сошш - Телекоммуникации и транспорт. - 2011. -№ 3. - С. 25-29.

2. Маняшин, С.А. Особенности имитационного моделирования расхода топлива автомобилем в городских условиях / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт. - 2011. - № 6. - С. 28-30.

3. Маняшин, С.А. Прогнозирование расхода топлива при эксплуатации автомобилей в городе зимой / С.А. Маняшин // Международный технико-экономический журнал. -2012.-№4.-С. 102-106.

4. Маняшин, С.А. Имитационная модель процесса расхода топлива при движении автомобиля в городе / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин, П.В. Евтин // Международный технико-экономический журнал. - 2012. —№ 4. — С. 107-113.

5. Маняшин, С.А. Имитационная модель процесса прогрева двигателя автомобиля при работе на холостом ходу / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин, В Н. Карнаухов // Международный научный журнал. - 2012. - № 5. - С. 103-106.

6. Маняшин, С.А. Методика синтеза ездового цикла автомобиля / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин // Международный научный журнал. - 2013. - № 1. - С. 87-91.

7. Маняшин, С.А. Формирование городского ездового цикла автомобиля в условиях низких температур окружающего воздуха / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин // Международный технико-экономический журнал. - 2013. - № 1.-С. 111-113.

В других изданиях:

8. Маняшин, С.А. Повышение эффективности использования топлива при эксплуатации автомобилей в городских условиях / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации систем транспорта : труды всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. - С. 99-101.

9. Маняшин, С.А. Использование теории распознавания образов при определении типичных циклов движения автомобилей / С.А. Маняшин, Е.И. Присталенко // Проблемы эксплуатации систем транспорта : материалы всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 195-197.

10. Маняшин, С.А. Автоматизация исследований режимов движения автомобилей в городе / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации систем транспорта : материалы всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 197199.

11. Маняшин, С.А. Особенности исследования городских режимов движения авто-

мобилей / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. -2008.-С. 125-126.

12. Маняшин, С.А. Методика исследования режимов движения автомобилей в городских условиях / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транс-портно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. - С. 126-128.

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

14. Маняшин, С.А. Экспериментальные исследования режимов движения автомобилей на базе современных информационных технологий / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. - С. 214217.

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

16. Маняшин, С.А. Оценка влияния системы отопления салона на интенсивность прогрева двигателя автомобиля в условиях низких температур воздуха /A.B. Маняшин, С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С. 145-147.

17. Маняшин, С.А. Разработка имитационной модели процесса расхода топлива при движении автомобиля BA3-21073 в условиях низких температур воздуха / A.B. Маняшин, С.А. Маняшин, Л.Г. Резник // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С. 148-15L

18. Маняшин, С.А. Оценка приспособленности легковых автомобилей к условиям эксплуатации в зимний период / Л.Г. Резник, С.А. Маняшин, A.B. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С. 216219.

Программные продукты:

19. 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.

20. 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.

21. 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.

Тираж 110 экз. Усл. печ. л. 1,0

Подписано в печать 31,05.2013г. Изг. ПринтСтудия <3532)25-77-35

на Рыбаковской 55

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

159119

МАНЯШИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА АВТОМОБИЛЯМИ НА БАЗЕ ЕЗДОВОГО ЦИКЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Резник Л.Г.

Оренбург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА...........................................................11

1.1. Факторы, влияющие на режимы движения автомобиля в городе.........11

1.2. Назначение, характеристики и основные типы ездовых циклов автомобилей...........................................................................................................13

1.3. Особенности ездовых циклов в различных странах...............................15

1.3.1. Европейские ездовые циклы 15

1.3.2. Американские ездовые циклы 20

1.3.3. Японские ездовые циклы 24

1.3.4. Проект «Artemis» 28

1.3.5. Российские ездовые циклы 29

1.3.6. Анализ характеристик существующих ездовых циклов 32

1.4. Методы получения стандартных ездовых циклов..................................35

1.5. Влияние температуры воздуха и режима движения на топливную экономичность автомобиля..................................................................................37

1.5.1. Режим движения 37

1.5.2. Температура воздуха 39

1.5.3. Дифференцированное нормирование расхода топлива 42

1.6. Взаимосвязь характеристик ездового цикла, температуры окружающей среды и топливной экономичности.....................................................................43

1.7. Выводы. Задачи исследования..................................................................45

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................47

2.1. Общая методика исследований.................................................................47

2.2. Теоретическое обоснование синтеза городского ездового цикла в условиях низких температур................................................................................50

2.2.1. Общая структура цикла 50

2.2.2. Особенности установившегося режима движения автомобиля 51

2.2.3. Методика формирования типичного ездового цикла 52

2.3. Имитационная модель процесса расхода топлива при движении автомобиля в ездовом цикле................................................................................56

2.3.1. Обоснование дискретного характера имитационной модели 56

2.3.2. Выбор системы моделирования 59

2.3.3. Разработка общей структуры модели 63

2.3.4. Функциональные зависимости между элементами модели 74

2.4. Выводы по главе.........................................................................................78

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................80

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований..................................80

3.2 Методика экспериментальных исследований..........................................81

3.2.1 Общая методика экспериментальных исследований 81

3.2.2. Оборудование для проведения экспериментальных исследований 82

3.2.3. Программное обеспечение для автоматизированного проведения эксперимента 82

3.3. Обеспечение репрезентативности выборки и необходимой

погрешности измерений.......................................................................................83

3.3.1. Выбор способа отбора данных 83

3.3.2. Определение минимального объема выборки для исследования скоростного профиля 83

3.3.3. Определение минимального объема выборки при определении характеристик цикла 84

3.3.4. Число повторных измерений при определении численных значений параметров математических моделей 85

3.4. Методика обработки экспериментальных данных.................................86

3.4.1. Программное обеспечение предварительной обработки данных эксперимента 86

3.5. Результаты экспериментальных исследований скоростных профилей 88

3.5.1. Распознавание составляющих цикла движения и предварительная обработка данных 88

3.5.2. Результаты кластерного анализа данных о режиме движения автомобилей 93

3.5.3. Компоновка типичных циклов из набора кластеров 95

3.6. Определение параметров математических моделей.............................102

3.7. Проверка адекватности имитационной модели....................................108

3.7.1. Оценка точности имитационной модели 108

3.7.2. Моделирование расхода топлива при движении по ездовому циклу 112

3.7.3. Моделирование прогрева на холостом ходу 115

3.8. Выводы по главе.......................................................................................116

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................118

4.1. Определение условий формирования ездового цикла автомобиля и расхода топлива в зимний период.....................................................................118

4.1.1. Исследование закономерностей формирования ездового цикла при низких температурах воздуха 118

4.1.2. Моделирование прогрева на холостом ходу в условиях отрицательных температур 122

4.1.3. Моделирование прогрева ДВС автомобиля в движении в зимний период 128

4.1.4. Исследование процесса расхода топлива при движении автомобиля по типичным ездовым циклам в условиях низких температур 129

4.1.5. Исследование расхода топлива и времени прогрева на холостом ходу в условиях отрицательных температур окружающей среды 131

4.2. Методика получения и использования ездового цикла.......................132

4.2.1. Синтез ездового цикла 132

4.2.2. Использование цикла в имитационной модели 134

4.3. Практическое использование результатов имитационного моделирования.....................................................................................................136

4.3.1. Методика разработки дифференцированных норм расхода топлива с учетом режима движения и температуры окружающей среды 136

4.3.2. Методика определения и использования оптимального времени прогрева двигателя автомобиля перед началом эксплуатации 140

4.4. Оценка экономического эффекта...........................................................141

4.4.1. Расчет экономического эффекта от внедрения оптимального времени прогрева двигателя автомобиля перед началом эксплуатации 141

4.4.2. Расчет экономического эффекта от внедрения дифференцированного нормирования расхода топлива с учетом низких температур и условий хранения автомобиля 143

4.5. Выводы по главе.......................................................................................146

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................................................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЯ

166

ВВЕДЕНИЕ

Движение автомобиля в условиях современного города представляет собой постоянный процесс изменения скорости, в отличие от условий движения по внегородским дорогам, где скорость большую часть времени поддерживается на постоянном уровне. Ярким подтверждением влияния ездового цикла на удельный эксплуатационный расход топлива могут служить данные ЕРА (U.S. Environmental Protection Agency) об удельном пробеге в милях для городского и загородного испытательных циклов. Эти данные свидетельствуют, что при испытании по городскому циклу топливная экономичность примерно на 50% меньше, чем при испытаниях по загородному циклу [89].

- Показатели топливной экономичности в городских условиях хуже вследствие влияния различных факторов, важнейшим среди которых являются особенности конструкции марки и модели автомобиля, его силового агрегата и трансмиссии. В городском цикле ЕРА значительная часть энергии топлива теряется в тормозной системе. На эксплуатационный расход топлива автомобилем в городе влияют средняя протяженность поездки, средняя скорость и другие факторы [89]. Особенностью современных автомобильных двигателей является то, что всякое изменение скорости как в большую, так и в меньшую сторону существенно влияет на величину удельного расхода топлива, приходящегося на единицу пробега. В технических характеристиках своих автомобилей автопроизводители, как правило, указывают три значения удельного расхода топлива:

- при движении с постоянной установившейся скоростью;

- в городском цикле;

- в смешанном цикле.

Для объективной оценки топливной экономичности автомобиля необходимо, чтобы характеристики городского цикла, воспроизводимые при

4

испытаниях автомобилей, максимально соответствовали средним режимам движения предполагаемой эксплуатации автомобиля. Базовые нормы расхода топлива, используемые в Российской Федерации для контроля потребления топлива автомобилем в эксплуатации, предполагают установление величины нормы с помощью стандартных циклов движения - городского и смешанного. Величина базовой нормы определяется с помощью имитационной модели движения автомобиля по стандартному ездовому циклу, реализованной в пакете программ МВК [52]. Поэтому научное обоснование характеристик стандартных ездовых циклов для оценки топливной экономичности автомобиля имеет очень важное значение.

Рост автомобилизации неизбежно приводит к увеличению потребления моторных видов топлива и связанного с этим вреда, наносимого окружающей среде. Существует несколько основных направлений решения этой проблемы:

- использование альтернативных источников энергии для силовых установок автомобилей;

- применение альтернативных видов топлива с менее токсичными выбросами;

- совершенствование конструкции автомобильных двигателей.

Постоянное ужесточение нормативов выбросов вредных веществ

стимулирует использование отмеченных выше направлений. В 70-80-х годах прошлого столетия штат Калифорния Соединенные штаты Америки (США) принял ряд законов об эмиссии отработавших газов, которые дали импульс автомобильной промышленности производить двигатели с более высокой энергоэффективностыо и более низким содержание вредных веществ в отработавших газах. В связи с этим возникла потребность в разработке процедуры сравнения показателей эффективности и выбросов различных двигателей. Эти процедуры проверки назвали ездовыми циклами [133].

Особенности эксплуатации автомобилей в регионах с длительным периодом низких температур окружающей среды в течение года, приводят к увеличению расхода топлива в этот период. Это увеличение существенно зависит как от разных марок и моделей автомобилей, так и от особенностей их эксплуатации. Так один и тот же автомобиль, используемый для частных поездок на работу, как служебный автомобиль или, например, автомобиль-такси будет иметь существенно отличающиеся показатели расхода топлива, связанные с особенностями его эксплуатации.

Действующий в Российской Федерации (РФ) ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний» [16], устанавливающий характеристики ездовых циклов, которые используются при определении базовых норм расхода топлива, был создан более 20 лет назад. За это время условия движения в городах кардинально изменились. ГОСТ Р 41.83-2004, касающийся оценки вредных выбросов и испарений топлива при сертификации транспортных средств [19], в части регламентируемых при этом ездовых циклов использует положения Правил ЕЭК ООН № 83, между тем условия движения в городах Европы и РФ также существенно различаются. Сложившаяся в РФ ситуация со стандартными ездовыми циклами обусловлена значительной трудоемкостью установления характеристик последних. Городской ездовой цикл по ГОСТ 20306-90 определялся по результатам статистической обработки нескольких тысяч измерений в различных городах Советского Союза. С другой стороны, контролеры двигателей современных автомобилей имеют стандартный интерфейс, позволяющий получать данные о режимах движения и параметрах автомобиля и двигателя в реальном времени. Методика определения базовых норм расхода топлива с помощью пакета МВК, разработанная НИИАТ, предполагает учет особенностей эксплуатации автомобилей только на основе комбинации городского и загородного циклов, что существенно снижает соответствие норм расхода топлива реальным

условиям эксплуатации. Несоответствие испытательных ездовых циклов реальным условиям эксплуатации приводит к неправильной оценке технических характеристик автомобилей и связанным с этим отрицательным последствиям.

Действующая на автомобильном транспорте методика нормирования расхода топлива [65], существует практически в неизменном виде с 1961 года. Несмотря на очевидные достоинства: простота использования, наглядность, соответствие схемы нормирования положениям теории автомобиля она подвергалась обоснованной критике за ряд существенных упрощений и ограничений, снижающих точность определения величины нормативного расхода топлива. Наконец, 20 апреля 2012 г. Минэкономразвития РФ в результате независимой экспертизы принял решение [71] об отмене декларативного характера норм, указанных в документе [65]. Теперь значения базовых и транспортных норм, других нормативов, поправочных коэффициентов и методики расчета нормативного расхода топлива носят рекомендательный характер. Это дает возможность шире использовать научно-обоснованное определение величины норм расхода топлива для автомобилей, методами не регламентированными [65], а, значит, открывает большие возможности дифференцированного нормирования расхода топлива с учетом различных факторов.

Таким образом, исследования, направленные на разработку городского ездового цикла в зимний период с учетом особенностей эксплуатации автомобиля, позволяющие более объективно определять нормативы топливной экономичности автомобилей, являются актуальными.

Целью настоящей работы является - повышение эффективности эксплуатации автомобилей за счет объективного нормирования расхода топлива на основе моделирования городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды.

Для достижения цели сформулированы и решены следующие задачи:

7

1. Теоретически обосновать методику формирования структуры и характеристик городского ездового цикла для низкотемпературных условий эксплуатации;

2. Разработать имитационную модель процесса расходования топлива автомобилем при движении по городскому ездовому циклу и низких температурах окружающей среды;

3. На основе экспериментальных исследований синтезировать скоростной профиль городского ездового цикла;

4. Экспериментально подтвердить адекватность аналитических закономерностей, используемых в имитационной модели процесса расходования топлива, провести ее отладку и настройку;

5. Разработать практические рекомендации по внедрению результатов работы.

Объект исследования - процесс расходования топлива двигателем внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля при эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды, а предмет исследования -закономерности расхода топлива автомобилями, оборудованными ДВС с распределенным впрыском, в зависимости от структуры и характеристик городского ездового цикла.

Научная новизна:

- впервые установлены закономерности формирования структуры и характеристик цикла движения легковых автомобилей в городе при низких температурах окружающей среды (на примере г. Тюмени);

- разработана оригинальная методика синтеза типичных городских ездовых циклов на основе выделения отдельных фаз движения, группировки в кластеры методом К-средних и объединения в непрерывный скоростной профиль цикла с использованием цепей Маркова;

- впервые установлены закономерности изменения частоты вращения коленчатого вала и степени открытия дроссельной заслонки двигателя с

8

распределенным впрыском топлива от температуры охлаждающей жидкости при работе на холостом ходу;

- получена новая имитационная модель расходования топлива автомобилем при движении по городскому ездовому циклу в условиях низких температур окружающей среды.

Практическая ценность. Синтезированный городской ездовой цикл более достоверно отражает реальные условия движения в городе по сравнению с действующим ГОСТ 20306-90. Имитационная модель позволяет определять расход топлива автомобилями при различных условиях эксплуатации и температурах окружающей среды. Таблицы дифференцированных норм расхода топлива повышают точность определения расхода топлива при эксплуатации автомобилей в городе в зимний период. Использование таблиц и номограмм для определения оптимального времени прогрева при различных температурах окружающей среды сокращает затраты времени и топлива на поездку.

На защиту выносятся:

- закономерности формирования типичного цикла движения при эксплуатации легковых автомобилей в городе при низких температурах окружающей среды;

- методика получения городского ездового цикла автомобилей;

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

- математические и логические зависимости, входящие в имитационную модель.

Реализация работы. На основе результатов исследований получены

дифференцированные нормы расхода топлива для ряда марок и моделей

легковых автомобилей, в том числе и не имеющих официально

утвержденной базовой нормы. Имитационная модель расхода топлива при

движении автомобиля в городе при низких температурах окружающего

9

воздуха и разработанная методика определения