автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах

ОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт

(ФГУП «НАМИ»)

На правах рукописи КОНОПЛЕВ Владимир Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНЫХ ТОПЛИВАХ

Специальность 05 05 03 — «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 2007

003176229

Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете и в Федеральном государственном учреждении Российский научный центр «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор,

Лауреат Государственных премий, Заслуженный работник транспорта РФ Грифф М И

Доктор технических наук, профессор Ерохов В И

Доктор технических наук, профессор Московкин В В

Ведущее предпримите ФГУП «НИЦИАМТ»

Защита диссертации состоится «_ <Ъ » 2007 г

в (Ч Ьег^, О/сесг.^ , на заседании диссертационного совета Д 217 014 01 при Государственном научном центре, Российской Федерации, Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ) по адресу 125438, г Москва, ул Автомоторная, 2, ФГУП «НАМИ», в конференц-зале, корпус А, 3-й этаж Электронная почта ас1пип@пагт ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НАМИ»

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу

Автореферат разослан « 2^*7 » СпеГ^^У^ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

А Г Зубакин

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

На правах рукописи

Коноплев Владимир Николаевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНЫХ ТОПЛИВАХ

Специальность 05 05 03 - «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2007

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Автотранспортные средства являются с одной стороны ключевой составляющей экономики любой экономически развитой страны, а с другой - крупным потребителем энергоресурсов (мировой автомобильный парк насчитывает около 800 млн единиц общей мощностью более 51,5 млрд кВт) В нашей стране насчитывается около 32 млн АТС, из них более 20% - грузовых с их годовым производством к 2010 году 275-310 тыс ед Поэтому, в нашей стране в условиях жестко централизованной экономической системы 1980-1990 гг, выполняя соответствующие Постановления правительства страны, автозаводами ЗИЛ, ГАЗ, Камаз и МАЗ были разработаны газовые и газодизельные модификации автомобильной техники, организовано их производство и была создана инфраструктура обеспечения крупномасштабного использования природного газа в качестве топлива для автотранспорта

— на территории СССР вошли в строй 350 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС),

— на автозаводах ЗИЛ, ГАЗ, КАМАЗ, ЛАЗ было налажено производство 13 моделей автотранспортных средств, работающих на сжатом природном газе и 14 моделей для работы на сжиженном нефтяном газе,

В итоге к 1991 году парк газобаллонных автомобилей насчитывал свыше 315 тыс шт и потреблял более 510 млн м3 газа, что обеспечивало сокращение потребления нефтяных топлив

В связи с вышесказанным, а также современное состояние экономических условий в РФ, связанное с ее вступлением в ВТО, подписанием Киотского протокола, внедрением норм ЕВРО 3, 4 и 5, реструктуризацией нефтегазового комплекса страны с целью наращивания энергетического ресурса и необходимости улучшения экологической обстановки в крупных городах, мировые тенденции, связанные с конечностью нефтяных запасов, показывают то, что переход на альтернативные энергоносители - это не просто научный поиск, а необходимая практическая деятельность, развитие которой определит конкурентное преимущество страны, имеющей свой достаточно богатый опыт в этой области

Связь работы с крупными научными программами, темами

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, нашедшие отражение в данной диссертации, проводились совместно с НИЦИАМТ, НАМИ, МГИУ (МАСИ), ФТИНТ АН УССР, Таджикским политехническим институтом, ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», Институтом Машиноведения АН, МГУ, АвтоВАЗом

Цель работы Формирование в условиях современной экономики России характеризующейся наращиванием энергетического ресурса, предпосылок развертывания конкурирующей автотранспортной системы в евроазиатском регионе на основе

1 Создания научных основ проектирования грузовых автотранспортных средств (ГАТС), использующих газомоторные топлива (ГМТ), по критериям энергетической эффективности, производительности и

безопасности с учетом степени их реализации на стадии серийного производства

2 Выбора рациональной конструкции ГАТС категории N2 и N3, работающих на ГМТ, по энергопотреблению и безопасности

Задачи исследования

1 Провести изучение энергопотребления и скоростных свойств (ЭСС) ГАТС категории N2, N3 в системе «автомобиль-водитель-окружающая среда-производство» (А-В-Д-ОС-Пр)

2 Провести формализацию системы А-В-Д-ОС-Пр на стадии проектирования и разработать методику формирования заданного уровня энергопотребления и производительности ГАТС категории N2, N3 с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства

3 Разработать методологию экспериментальных и теоретических исследований функциональных, надежностных свойств ГАТС, работающих на ГМТ и организовать их проведение

4 Провести исследование безопасности ГАТС, работающих на ГМТ, и разработать основы формирования стратегии их безопасности при использовании существующих видов ГМТ и в последующем к возможности использования водорода в топливных смесях ДВС ГАТС

5 Разработать методики проведения измерений расхода газового топлива при стендовых и лабораторно-дорожных испытаниях, в эксплуатации и методики диагностики системы хранения и подачи газового топлива

6 Разработать компоновочно-конструкторскую схему (ККС) и провести исследования первого образца ГАТС ЗИЛ, оснащенного металлогидридным аккумулятором водорода для обеспечения работы двигателя на бензоводородных смесях

7 На основе разработанных теорий, методик синтеза компонентов ГАТС, использующих газомоторные топлива (природный газ, пропан-бутан, водород и др) предложить ККС ГАТС, работающих на ГМТ, и обеспечить их внедрение в промышленное производство

8 Разработка методологических основ проектирования ГАТС по критериям энергетической эффективности, производительности и безопасности на основе передовых технологий и перспективных материалов

Методы исследования.

Выполненные в работе исследования базировались на основных положениях теории математической статистики, математического моделирования процессов движения, математического анализа с использованием экспериментальных факторных моделей, теории планирования эксперимента, теории корреляционного, регрессионного и факторного анализов, методов оптимизации, теории принятия решений, математических методов исследования операций и анализа систем

Экспериментальные исследования проводились лабораторными и лабораторно-дорожными методами на натурных образцах ГАТС, работающих на ГМТ, их узлах, агрегатах, элементах системы хранения газового топлива и его подачи к двигателю с разработкой «программ - методик» стендовых испытаний по

результатам дорожных испытаний на дорогах НИЦИАМТ и в стендовых условиях

УКЭР AMO ЗИЛ, МГИУ

Научную новизну работы представляют:

1 Разработка основ теории проектирования ГАТС на основе понятия «потенциальные свойства технических систем», теории проектной эффективности, теоретического обоснования комплекса критериев эффективности энергопотребления конструкции ГАТС, использующих альтернативные виды топлив и достижений высоких технологий

2 Разработка методологии подготовки данных для принятия решения главным конструктором по конструкции ГАТС на ГМТ и его систем на основе комплекса экспериментально исследовательских и теоретических работ

3 Методика прогнозирования технического уровня разрабатываемых образцов ГАТС или их систем с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства

4 Результаты теоретического исследования, стендовых дорожных испытаний, подтвердивших возможность применения водорода в качестве моторного топлива для грузовых автотранспортных средств

5 Разработка методологии испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, на пожаровзрывобезопасность, получение экспериментальной информации и использование математических методов прочностных расчетов и анализа

6 Обоснование и практическую реализацию ККС ГАТС при работе на ГМТ с учетом потенциальных свойств системы хранения газового топлива (метана) в производстве и эксплуатации

7 Разработка методологии испытаний по оценке энергопотребления и производительности в эксплуатации ГАТС, работающих на природном газе и водороде

Практическая ценность заключается в следующем

1 Созданные методы проектной эффективности, блоков регрессионных и феноменологических математических моделей позволяют использовать их при подготовке информации для принятия решений по выбору рациональных компоновочно-конструкторских схем систем хранения газового топлива, как при создании перспективных образцов ГАТС, так и при доводке серийно-выпускаемых ГАТС, а также позволяют сократить объем натурных испытаний

2 Созданная система испытаний (лабораторных, дорожно-лабораторных, эксплуатационных, расчетных экспериментов с применением методов математической статистики) позволяет эффективно решать задачи доводки и проектирования автотранспортных средств серийного производства на газомоторных топливах и закладывает основы автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД)

Реализация результатов работы

Полученные автором результаты исследований, теоретических разработок

были использованы и внедрены

1 В серийное производство ГАТС, работающих на ГМТ

1 1 работающих на сжиженном нефтяном газе (пропан + бутан)

(ЗИЛ-13 8) ЗИЛ-431810

ЗИЛ-441610 (ЗИЛ-138В1) ЗИЛ-446210 (ЭИЛ-138Д2) ЗИЛ-433630 новый модельный ряд

1 2 работающих на сжатом природном газе

ЗИЛ-138А

ЗИЛ-138И (сдвиг Е=8,0) ЗИЛ-ШАГ

ЗИЛ 431610 с 8-ю и 12-ю баллонами ЗИЛ-433530 (новый модельный ряд) ЗИ Л-ММЗ-45054

ЭИЛ-8Э130Г с ДВС работающим по газодизельному процессу ЗИЛ-433500 с ДВС работающим по газодизельному процессу

2 В изготовление и испытания (заводские и эксплутационные) опытной партии в количестве 50 автомобилей ЗИЛ-138П, работающих на сжиженном природном газе в автохозяйствах г Москвы (в середине 80-х годов)

3 В изготовление опытного образца и его испытании с опытной системой питания и хранения водорода в металлогидридных модулях (и под давлением 19,6 МПа)

4 В конструкцию крепления баллонов высокого давления седельных тягачей ЗИЛ-441610, обеспечивающих выполнение требований по пассивной безопасности и снижения металлоемкости

5 В проектирование и доводку конструкции самосвала ЗИЛ-45054 с улучшенными показателями боковой устойчивости при разгрузке на площадке с поперечным уклоном под задними колесами,

6 В проектирование и создание опытных образцов газобаллонных автомобилей нового модельного ряда ЗИЛ-433630, ЭИЛ-433530,

7 В изготовление бортового автомобиля ЭИЛ-431610 с увеличенным объемом системы хранения (на 50%) природного газа под давлением 19,6 МПа

Личный вклад соискателя заключается

- в разработке основ теории проектной эффективности применительно к обоснованию рациональных параметров ККС ГАТС, работающих на ГМТ,

- в создании методик испытаний опытных образцов ГАТС, работающих на ГМТ и систем хранения газового топлива с использованием методов планирования эксперимента,

- в разработке методик эксплутационных испытаний ГАТС, работающих на ГМТ,

- в создании методик измерения энергопотребления ГАТС в лабораторно-дорожных и эксплутационных испытаниях при работе ДВС на газомоторных топливах,

- непосредственное участие в освоении производства ГАТС на ГМТ AMO ЗИЛ и создания производственных мощностей по производству 30 тыс газобаллонных автомобилей в год,

- в проведении заводских (в НИЦИАМТ) и эксплуатационных испытаний в опорном автохозяйстве в г Львове 1981 г в качестве руководителя группы испытателей,

- в руководстве бюро "По исследованию и доводке грузовых транспортных автомобилей, работающих на газообразном топливе" AMO ЗИЛ с 1988 по 1992 г

- участие в совместных работах ЗИЛа, КАМАЗа, МАЗА, НАМИ, НИЦИАМТ по использованию природного газа в качестве моторного топлива для дизельных автомобилей,

- в организации исследований, разработке системы и методики измерения расхода водорода при испытании 1-го образца ГАТС ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородной смеси,

участие в учебном процессе МГИУ (Завод-ВТУЗ ЗИЛ) по подготовке специалистов специальности 1902 01 (1501) «Автомобили и тракторостроение», а также разработка учебно-методической литературы

Апробация работы.

Основные материалы диссертации доложены и обсуждены в докладах, семинарах, симпозиумах

1 ТаджикНИИНТИ (г. Душанбе) семинар «Обмен опытом по применению альтернативных видов топлива на автомобильном транспорте общего пользования» 1991 г 26 04 доклад «Опыт работы ПО ЗИЛ по эксплуатации газобаллонных автомобилей»

2 Всесоюзная научно-техническая конференция «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания» Кировский сельскохозяйственный институт, Киров, 1987 г Доклад «Оценка эффективности конструкций газобаллонных автомобилей ЗИЛ-433530 и ЗИЛ-433610»

3 1-ый Всероссийский семинар профессионалов автобизнеса «Топ-мастер-XXl век», 22-25 06 1998 г (ДК AMO ЗИЛ) Доклад о роли МГИУ в подготовке кадров по техническому обслуживанию автотранспортных средств

4 ХХУП Научно-техническая конференция ААИ «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа, Москва МГТУ «МАМИ» 29, 30 сентября 1999 г

5 XXX Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Москва МГТУ «МАМИ», 25,26 сентября 2002 г

6 X Международная научно-техническая конференция «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и

компрессорного оборудования» - Гервикон г Сумы Украина, Сумской государственный университет, 10-13 сентября 2002 г

7 IX Международные научные чтения Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ) семинар 5-7 октября 2005 г

8 II Международная конференция «Альтернативные источники энергии для больших городов», Москва, 2006 г

9 V Международный автомобильный научный форум (МАНФ) в ТНЦ РФ «НАМИ», октябрь 2006 г

10 Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых 13-14 июня 2007 г «Российский автопром теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» Институт машиноведения им А А Благонравова, РАН, Москва, 2007 г

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 27 печатных трудах, в том числе в 3-х монографиях

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5-и глав, общих выводов, списка литературы (142 наименований)

Диссертация содержит 343 стр машинописного текста, 147 рис , 91 таблиц, 3 приложения

Содержание работы

Первая глава посвящена обоснованию актуальности проблемы «Проектирования ГАТС, работающих на ГМТ», исходя из различных аспектов развивающейся экономики РФ (исторического, международной системы товародвижения, мирового производства ГАТС, финансового состояния мирового автопрома, топливно-энергетического комплекса РФ, водородной энергетики, экологии), формулированию целей работы, определению основных задач

Трудами таких ученых как Чудаков Е А , Фалькевич Б С , Ротенберг Р В , Полунгян А А , Петрушов В А , Певзнер Я М , Липгарт А А , Зимелев Г В , Есеновский Ю К, Высоцкий М С , Бухарин НА и др были заложены основы разработки ГАТС в нашей стране

В рассмотренный период разработкой и испытаниями ГАТС и ДВС на ГМТ, а также исследованиями проблем применения ГМТ на автотранспорте работали Самоль Г И , Гольдблат И И, Генкин Г А , Кригер А М, Островцев А Н , Мазепа В Г , Брагин А В , Трофимов О Ф , Морев А И , Загладин П Г , Васильев Ю Н , Гриценко А И , Гайнуллин Ф Г , Мкртычан Я С , Ерохов В И , Карп И Н , Пятничко А И , Гусаров А П , Лукшо В А , Кабалкин В Н , Гусаров В В и др

По изучению энергопотребления ГАТС большой вклад внесли такие ученые, как Токарев А А , Петрушов В А , Евграфов А Н , Московкин В В и др

Вторая глава посвящена изучению энергопотребления ГАТС на различных видах топлива на стадии проектирования и производства

В п 2 1 получены точечные оценки ЭСС ГАТС и показателей внешней скоростной характеристики ДВС, позволяющие осуществить

- проведение нормирования этих показателей и разработку карт контроля качества для управления производством,

- формирование основ методологии проектной эффективности при разработке ГАТС, работающих как на жидких нефтяных топливах, так и на газомоторных топливах (см табл 2 1,2 2)

В п 2 2 проведена оценка уровня соответствия ГАТС серийного производства нормативам по энергопотреблению и рассчитана удельная оценка фактора неоднородности ГАТС серийного производства

— по критерию энергопотребления - 4,02 МДж/100 км т,

— по критерию скоростных свойств - 0,59 с/т

В п 2 3 на основе использования факторного и регрессионного анализов результатов лабораторно-дорожных испытаний по оценке топливно-скоростных свойств ГАТС в соответствии с методиками ГОСТов 20306-90 и 22576-90 осуществлена формализация сложной системы «автомобиль-водитель-дорога-окружающая среда-производство» (А-В-Д-ОС-Пр) в систему А-Пр с обоснованием критериев энергопотребления, скоростных свойств и общезначимых параметров конструкции (рис 2 1)

В п 2 4 проведены результаты идентификации сложной технической системы А- Пр в виде двадцати регрессионных моделей (табл 2 3)

В п 2 5 проведено теоретическое исследование энергопотребления и скоростных свойств ГАТС ЗИЛ-4331, работающих на дизельном топливе, и ЗИЛ-481610, работающих на природном газе, серийного производства и определены необходимые диапазоны показателей энергопотребления, скоростных свойств и пределы варьирования значений конструктивных параметров (удельная мощность, удельный литраж ДВС, передаточное число главной передачи), обеспечивающих заданный при проектировании уровень реализации этих свойств на стадии серийного производства

В п 2 6 приведены результаты оценки энергопотребления опытных образцов ГАТС в различных весовых состояниях, работающих на природном газе, пропан+бутановых смесях, двухтопливных смесях (бензин+природный газ) (табл 2 4)

В п 2 7 исследованы энергопотребление и скоростные свойства (ЭСС) ГАТС по планам полнофакторных экспериментов типа 23 и 24 Результаты эксперимента позволили получить уравнения регрессии и количественно оценить весомость каждого конструктивного параметра при работе ДВС ГАТС как на бензине, так и на природном газе, определить характер функциональной связи между показателями ЭСС и конструктивными параметрами, показателями выходных свойств двигателя в режимах движения с Рсояу? и при разгоне (табл 2 5)

В п 2 8 приведены результаты испытаний ГАТС на бензоводородовоздушных смесях, показавшие целесообразность применения водорода в качестве добавки к бензину (энергопотребление в режиме городского цикла при этом сокращается на 2,4 - 5,6 %) и разработано ТЗ на систему хранения водорода для ГАТС ЗИЛ-431410

95% интервалы оценки истинных значений показателей энергопотребления грузовых автотранспортных средств, серннного производства, работающих на жидких нефтяных н газомоторных топливах

№№ пп Автомобили, автопоезда Расход энергии (МДж/100км) при скорости (км/ч) Q геи МДж/100 км Q мец МДж/100 км Q общ МДж/100 км

30 40 50 60 70 80

1 ЗИЛ-431410(шиныИ-Н142Б), бензин А-76 724,9-751,4 747,0 -773,5 791,2835,4 844,2-914,9 937,01021,0 1047,5 -1171,3

2 ЗИЛ-431410 (шины МИ-151), бензин А-76 782,3 -853,1 808,9 -875,2 979,6941,5 941,51012,2 1052,0 -1105,0 1180,11233,2

3 ЗИЛ-431410 + ГКБ-817 (шины И-Н142Б) 861,9 -923,9 906,1-976,8 968,01038,7 1047,51127,1 1171,31029,9 -

4 ЗИЛ-431410+ ГКБ-817 (шины МИ-151) 954,7 -1034,3 998,91078,5 1074,1 -1153,6 1180,1 -1268,5 1317,2 -г 1427,7 -

5 КамАЗ-5320, диз топливо 658,8 -701,3 684,3-735,3 739,5790,5 816,0- 875,5 922,3 -990,3 1062,5 -1156,0

6 КамАЗ 5320 + ГКБ-8350Эдиз топливо 862,8 -896,8 879,8- 922,3 935,0977,5 1032,81083,8 1168,8 -1236,8 1360 0-1436,5

7 MA3-5335, диз топливо 603,5 -646,0 641,8 -675,8 701,3 -752,3 794,8- 845,8 918,0-969,0 1062,5 -1130,5

8 MA3-5335 + МАЗ-8926 диз топливо 879,5 -905,3 918,0- 986,0 998,81083,8 1113,51224,0 1296,31440,8 1483,3 -1687,3

9 ЗИЛ-431610 бензин А-76 985,4-1056,6 1213,3-1270,7 1118,9-1466,5 898,3-933,3 947,9-1179,5

10 ЗИЛ-431610 УЬ=6л природный газ 907,8-1076,6 1111 1-1235,7

11 ЗИЛ-431610 УЬ=7л природный газ 909,4-989,0 1148,5-1188,9

12 ЗИЛ-431810 (смесь нропан+бутан) 822,3-952,5 1045,6-1148,8 1260,2-1542,6 868,1-1206,5 1022,7-1291,5

Статистические оценки показателей энергопотребления двигателей ЗИЛ

(ГОСТ 14846-81)

Модель двигателя Объем выборки Минимальный удельный расход

МДж/кВт ч* 5; МДж/кВт ч 0) ,%

ЗИЛ-130, Бензин А-76 20 13,7 0,69 5,0

ЗИЛ-130 Ф, Бензин А-76 20 13,3 0,65 4,9

ЗИЛ-375 Ф, Бензин А-76 20 13,1 0,53 4,1

ЗИЛ-375, Бензин А-76 10 14,3 0,47 33

ЗИЛ-375, Бензин АИ-93 10 13,9 0,49 3 5

ЗИЛ-645, диз топливо 38 9,7 0,38 39

При работе на природном газе 7 14,4 1,0 6,9

При работе на смеси пропан+бутан 8 12,7 0,84 6,6

* Величина низшей теплоты сгорания принята

для бензина 44,2 МДжЛсг, для дизельного топлива 42,5 МДж/кг, природного газа 47,7 мДж/кг (метан 49,8 МДж/кг), смесь «пропан+бутан» - 46,1 МДж/кг

Рис 2.1 Блок-схема «Уровни - связи»

Таблица 2 3

Идентификация сложной системы «автомобиль-производство»

Наименование блоков модетей Номер блока №№ пп Регрессионная модель

I 2 3 4

Критерии ЭСС-выходкые параметры двигатетя 1 1 б*» = 23,7 (1,43 - 0,044Л^) (0,706 + 0,0015g„,J

2 т2„-м = 70,4 - \,12N>t (автомобили)

3 ггмо = 386,4-36,0/^ (автопоезда)

4 П0_м =220,0-13,6^

Критерии ЭСС -конструктивные параметры автомобиля 2 5 &M=29,8-15,5K„/G„

6 т-»-« =1432 - 5930 (Vt/Gu) + 8287 (VJGj - 3779

7 Г2'мо = 2256-12084(1^, /0^ + 16747^ /G,)2

8 =191 6- 202 0К„ / Gj

Показатели эксплуатационных свойств - выходные параметры двигателя 3 9 Q л . ,0 = 35 0 (1 508 - 0 056 W „ X - 5 8 + 0 069 g „. -- 0 00017 ) ( 25 3 - 74 8 (я „ / л ) + + 57 3 (л „ / л )' )

10 Г |т= 88 0-1 19 ЛГ„

Показатели ЭСС -критерии ЭСС 4 11 ^¿7=97,9-0,203 Гям»

12 Г^З 1,0+0,106 Ггои

13 У„„=ъг 2-0,61 V„,

14 Qs „=0,4+1,14 Рзд

15 05ю»-3,5+1,5 £?sí0

16 Гет=-102,7+3,90 Г„

17 7>„=-90,8+4,50 Тяв

18 Tl0m=3,9+l,7 Т„

Показатечи эксплуатационных свойств - критерии ЭСС 5 19 О . =-3,7+1,4 Qs60 SK= 70

20 Г = 64 7 + 0 14 Т2060 ш« 1—70

Удельные энергетические показатели грузовых автотранспортных средств, работающих на различных видах топлива (смесь пропан+бутан, природный газ, бензин А-76, смесь природный газ+А-76, природный газ+ДТ)

№№ пп Тип, модепь ГАТС, двигатеть Показатели *

О$60 аа МДж/100км Т Qs.HU Ся МДжЛООкмТ с» МДжЛООкч Т аа_ МДж/100км Т

! Бортовой грузовой автомобиль с грузом ДВС с искровым зажиганием 90, ш=3,8% 107,0(^9 ш=4,4% 132,2'/, 03=1,4% 97 98 7

2 Бортовой автопоезд с грузом ДВС с искровым зажиганием 76,51,7 (0=10,1% 85.2?« (0=7,5% - -

3 Бортовой грузовой автомобиль с грузом ДВС дизельный процесс 65,1^ (0=6,6% 78,3?;, (0=6,5% - -

4 Бортовой грузовой автомобиль 6x6 (ЗИЛ-1Э1Н и УРАЛ-3750) 109,7(4' ш=5,8% 155,9*? (0=3,2% 131, з,2:, (0=1,6% -

• верхний индекс - среднее квадратическое отклонение,

• нижний индекс в скобках - количество объектов,

• а - коэффициент вариации

Регрессионные модели энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-1Э8А и ЗИЛ-138И

Автомобиль Режим движения Показатель Обозначение X» Коэффициенты регрессии

X, х2 X, Х4 Х,Х2 Х,Х, Х2Х, Х,Х2Х Х,Х,Х

ЗИЛ-431610 (ЭИЛ-138А) Ран он на пути 400м Время, с ТА 42,4 2,7 -2,5 -1,5

Расход топлива, г & 265,9 10,1 20,9 -6,4

Разгон на прямой Время, с ТТА 86,7 33,1 -35,2 -32,3 -19,2 -17,4 19,7 12,6

Расход топлива, г Оа 420,4 151,3 -69,9 115,7 -60,3 -59,5 37,7 35,6

Усот! 40/60 км/ч Расход топлива, кг/100 км Яи 25 7 1,6 2,4 2,9 1,8*

К оо ч го Разгон на пути 400м Время, с Ти 41,5 4,4 -1,75 -1,3 -0,8

Расход топлива, г 263,5 27,3 23,7

Ра1гон на прямой Время, с ТТи 57,7 22,6 -15,0 -11,7 -8,3 -8,3 5,2 4,1

Расход топлива, г Си 310,4 106,7 -24,5 -33,5 -24,0 -47,3 9,4 13,4

1'сот< 40/60 км/ч Расход топлива, кг/100 км 24,3 1,6 2,9 1,8 1,6* 0,7 0,6

• Принято следующее кодированное обозначение варьируемых переменных

— полная масса автомобиля (Со) - X,

— передаточное число главной передачи (/,*) -Х-,

— вид топлива (Аи) - X)

— частота вращения коленчатою вала двигателя при переключении передач в КП (пн) (Усот!) -Х4

V -Х'~

Кодированное значение переменной определялось по формуле -Л., — — , где Х1 - натуральное, текущее значение переменной, Xш - натуральное значение нулевого уровня переменной, I - натуральное значение интервала варьирования обозначение \t~Ca \,-1„ вид топлива Л",-

В третьей главе заложены научные основы организации испытаний ГАТС и создания автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД) ГАТС на ГМТ

В п 3 1 заложены научные основы формирования методологии натурных испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, и их элементов В п 3 2 разработаны

— общий алгоритм исследований (рис 3 1),

— структура этапов испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, и получения информации (рис 3 2),

— структура научно-производственного комплекса для внедрения ГМТ в автотранспортный комплекс (рис 3 3), являющейся основой создания АСОЭД,

— приведена разработанная и реализованная стратегия повышения эффективности использования свойств ГМТ в ДВС и ГАТС ЗИЛ, в т ч повышение КПД ДВС и снижения токсичности выхлопных газов (на 1796% по отдельным компонентам)

В п 3 3 показано, что перечисленные выше направления деятельности позволили создать систему сопровождения и поддержания работоспособности ГАТС на ГМТ в эксплуатации и обеспечить эффективность проведения стендовых испытаний как ГАТС, так и их элементов на испытательном комплексе «Гидропульс» фирмы «Шенк» (ФРГ)

В п 3 4 для измерения энергетических показателей при лабораторно-дорожных и эксплуатационных образцов ГАТС на природном газе и водороде была обоснована и разработана методика косвенного измерения расхода топлива с контролем результатов замеров весовым способом Последнее позволило совместно с НИИАТом разработать расходный метод диагностирования работоспособности систем питания и хранения ГАТС на ГМТ

Вп 35ип 36 проведены всесторонняя оценка регрессионных моделей из табл 2 3 по критериям значимости коэффициентов регрессии, информативности и адекватности (на основании использовании критерия Фишера табл 3 1), а также сопоставление результатов исследований скоростных свойств и энергопотребления на основе полнофакторных экспериментов 2 и 24 (рис 3 4 и 3 5), подтвердивших качество моделей и методологию их построения

Рис 3 1 Общий a iropiiTvi исследования

Рис 3 2 Этапы испытаний ГАТС на ГМТ и получения информации

--------- поток информации

Рис 3 3 Структура научио-производствеиного комплекса

Таблица 3 1

Результаты оценки информационной способности и адекватности регрессионных моделей

пп функций из табт 2 3 Информативность Критерии расч таб г Адекватность

Ри И % ¥а таол

1 3,4 83 0 76 2,3 +

2 7,2 168 0,16 3 2 +

3 72 167 0 33 33 +

4 20,8 356 0 16 2,3 +

5 10,7 227 0,26 23 +

6 1,8 34 0,71 4,1 +

7 5 5 125 0 36 3 3 +

8 3,9 97 0 87 23 +

9 12,2 302 0 1 29 +

10 24 55 0 76 28 +

11 11 8 243 0 48 22 +■

12 11,8 243 0 55 22 +

13 94 207 021 2,2 +

14 55 638 0 06 22

15 69 163 0 52 23 +

16 20,4 352 0 47 22

17 124 252 0 06 32 +

18 174,0 1200 0 05 22 +

19 122 250 0 58 28 +

20 12,5 253 0 39 28 +

2 - получена по экспериментальным данным планов 23 полнофакторных экспериментов с автомобилем ЗИЛ-431610, топливо - газ, Д - погрешность относительно оценок показатепя по модели 1

Рнс.З 5. Сопоставление оценок показателей «Разгон на пути 400 м», полученных по регрессионным моделям

1 - общая, получена по априори (табл 2 3),

2 - получена по экспериментальным данным планов 24 полнофакторных экспериментов с

автомобилем ЗИЛ-431610, топливо - газ (табл 2 5),

Д - погрешность относительно оценок показателя по модели 1

Четвертая глава посвящена исследованию и формированию безопасности ГАТС, работающих на ГМТ, на стадии проектирования

Особенностям проектирования кабин и платформ ГАТС посвятили свои работы Высоцкий М С , О И Гируцкий, Ю А Долматовский, Б В Гольц, А М Кац, Е В Михайловский, В В Осепчугов, А Н Островцев, А А Полунгян, В Ф Родионов, Б М Фиттерман, и другие Вопросы исследования прочности кузовных и тонкостенных пространственных конструкций рассмотрели в своих работах Е В Александров, Р А Акопян, Г М Багров, С Ф Безверхний, Трофимов О Ф , В Н Белокуров, Ю Ф Благородный, Б Ф Банков, М В Винокуров, В 3 Власов, Н И Воронцова, А А Захаров, А А Иванов, Е А Коган, Г К Мирзоев, Л Н Никольский, В В Осепчугов, В И Песков, И Н Порватов, Н Б Софонов, Л Н Ортов и другие Исследованию пассивной безопасности, расчетам конструкций за пределами упругости при статистическом и ударном нагружениях посвящены работы В П Агапова, В Н Андронова, В В Берминова, Н А Бухарина, А А Гвоздева, К И Гвинерия, А М Иванова, В Н Коршакова, А И Рябчинского, В И Сальникова М В Лыюрова, О В Мельникова, Э Н Никульникова-и других

Исследованию пассивной безопасности конструкций автомобилей и дорог в нашей стране посвятит свои работы В В Амбарцумян, М А Андронов, А В Ар\тюнян, В А Астров, В Л Будник, В Н Иванов, В А Иларионов

И К Коршаков, Г В Максапетян, Л Н Орлов и др Проведенный анализ работ по безопасности показал, что проблема снижения тяжести последствий ДТП с участием ГАТС, работающих на ГМТ, является многоплановой и до настоящего времени комплексно не прорабатывалась

В п 4 1 на основе анализа литературных источников в области безопасности ГАТС, автотранспортного процесса и существующих нормативных документов разработаны схемы структуры безопасности автотранспортного процесса при использовании ГМТ и схема системы обеспечения пассивной безопасности (рис 4 1,4 2)

В п 4 2 приведено обобщение исследовательского материала по результатам испытаний ГАТС моделей ЗИЛ, работающих на ГМТ, на пассивную безопасность методами опрокидывания и фронтального столкновения, характеризующееся соответственно ускорениями 5-6 g и замедлением до 130 g

В п 4 3 на основе разработанного алгоритма процесса доводки ниппельного соединения и проведения комплекса соответствующих испытаний элементов системы подачи и хранения ГМТ было обеспечено

— гарантированная герметичность ниппельного соединения в условиях серийного производства,

— повышение надежности соединительных трубопроводов высокого давления между баллонами за счет повышения сопротивляемости усталостным разрушениям путем оптимизации конфигурации и длины соединительных трубопроводов

— оптимизация компоновочно-конструкторской схемы (ККС) систем хранения ГМТ на лонжеронах рам ГАТС ЗИЛ-4331, ЗИЛ-133 ГЯ и ЗИЛ-130 Г из условия вероятности безотказной работы 0,999 ресурса лонжерона рамы не ниже 300 тыс км пробега по дорогам 1 категории,

— разработка математических моделей нагруженности лонжерона рамы для различных вариантов компоновка обоймы баллонов

Перечисленный выше комплекс теоретических, исследовательских работ создал предпосылки для проведения модернизации ГАТС ЗИЛ, работающих на ГМТ, с целью повышения их надежности и пассивной безопасности

В п 4 4 были сформированы задачи, решение которых обеспечивало послеаварийную безопасность ГАТС, работающих на ГМТ, в том числе и на сжиженном природном газе

Разработана блок-схема пожарной опасности ГАТС на ГМТ (рис 4 3 ) в основе которого лежит величина пожарной нагрузки (для ГАТС ЭИЛ-433610, работающего на сжатом природном газе, больше, чем для бензинового варианта на 5,6 %)

Результаты лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаний ГАТС, оборудованных криогенными системами хранения природного газа с вакуумной изоляцией (50-ть образцов СХ1 00 00 00) массой 80 кг и порошково-вакуумной (производство НПО «Криогенмаш» массой 216 кг) подтвердили возможность эксплуатации таких ГАТС и возможности выполнения при этом требований по пожаробезопасности, испаряемости, по динамике роста давления в криогенной системе при хранении

- суточные потери 2,3 % - 5,8%,

- испаряемость 0,196 кг/час

- ухудшение параметров за 2 года эксплуатации составити от 11 до 15,9%

Установлена степень влияния на приращение выдачи газа (У) из криогенного сосуда дорожных условий (Х3 - грунт, асфальтобетонные покрытия)

У = 0,268+0,081X2+0,048Х3 Х2 - фиксированные проходные сечения газовой магистрали

Рис. 4 1 Схема структуры безопасности автотранспортного процесса при использовании газомоторных топлив,

где САБ - система активной безопасности, СПБ - система пассивной безопасности, СПАБ - система послеаварийной безопасности, СПЖБ - система пожаробезопасности, С!$_>!> - система взрывобезопасности

Внешняя ПБ

Внутренняя ПБ

Рис. 4 2 Структурная схема системы обеспечения пассивной безопасности

СПБ - система пассивной безопасности,

ПБА - пассивная безопасность автомобиля,

ПБД - пассивная безопасность дороги (дорожные

ограждения, травмобезопасные стойки и т п), ПБЧ - пассивная безопасность человека (шлемы, УС, ДУС),

А-П - автомобиль-пешеход,

А-ОУ - автомобиль-объект удара,

А-Ч-УСч - автомобиль-человек-удерживающее средство человека, А-Г-УСг-Ч - автомобиль-груз-удерживающее средство груза-человек, А-А - автомобиль-автомобиль,

НП-А - неподвижное препятствие-автомобиль, БСХПгмт - безопасность системы хранения и подачи газомоторного топлива

Теоретическое исследование огнестойкости и пожарной опасности элементов Г АТС, особенно деревянных конструкции (грузовая платформа, продольные брусья, на которых устанавливаются баллоны высокого давления автомобиля ЗИЛ-431610) показало целесообразность использования высокоэффективных огнезащитных средств нового поколения, содержащих ортофосфорную кислоту, продукты гидролиза крахмала, дициандиамид, сульфаты аммония и др, которые кроме огнезащитных свойств характеризуются технологической доступностью обработки древесных материалов (непосредственно в АТП при техническом обслуживании и та переоборудовании ГАТС)

Испытания по тушению криогенного бака ЗИЛ-Э138П, заправленного природным газом, огнетушителем ОП-2 осуществлялось за 3 секунды и тем самым подтвердили достаточность штатных средств активной пожарной безопасности

Рис 4 3. Блок-схема пожарной опасности грузового автотранспортного средства на газомоторных топливах

В п 4 5 на основе проведенных натурных испытаний стальных баллонов, бывших в эксплуатации от 2 до 30 лет на борту автомобилей, работавших на сжатом природном газе, проведено точечное оценивание показателей механических свойств материала баллонов, их конструктивной прочности, надежности и рекомендовано

1 Возможность дальнейшей эксплуатации баллонов, изготовленных из стали 38ХА, бывших длительное время в эксплуатации (более 20 лет) и показавших свои высокие эксплуатационные свойства,

2 Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из стали 38ХА (ЧМТУ 2815-51) и стали ЗОХМА (ТУ 14-3-1248-84) с двух до пяти лет,

3 Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из углеродистой стали марки «Д» с двух до трех тет и более при условии ужесточения контроля качества при их изготовлении и освидетельствовании на испытательных станциях

4 Возможность эксплуатации баллонов из легированной стали ЗОХМА на грузовых автомобилях в условиях холодного климата

5 В целях снижения массы систем хранения ГМТ, автомобильные баллоны высокого давления для сжатого природного газа целесообразно изготовлять из стали ЗОХМА, что будет способствовать снижению энергопотребления ГАТС в эксплуатации

В п 4 6 при создании композиционных баллонов массой меньше стальных на 25% разработан подход создания баллонов с заданными свойствами за счет разработки программ для ЭВМ «ХВА1ХОЫ», «ХМОТКА» по расчету намоточных напряжений, с улучшенными свойствами пожаровзрывобезопасности (безосколочное разрушение), герметичности

В п 4 7 приведены результаты испытаний на нагрев баллонов

— разрушение стальных баллонов происходило при давлении 610-635 кг/см2, а стеклопластикового - при 400 кг/см2,

— при оборудовании баллонов предохранительными клапанами срабатывание происходило при 310-390 кг/см2

Результаты испытаний подтверждают достаточно высокий уровень взрывобезопасности баллонов высокого давления (время до взрыва баллонов составило от 14,2 до 37,5 мин)

Испытания баллона, заполненного газовой смесью пропан-бутан при наличии в конструкции предохранительного клапана подтвердили его взрывобезопасность (стравливание и горение газа длилось 40-45 минут)

Испытания ГАТС ЭИЛ-431810, работающего на газовой смеси пропан-бутан и ЗИЛ-431610, работающего на природном газе методом создания искусственного очага загорания подтвердили взрывобезопасность ГАТС, работающих на ГМТ при наличии в системах хранения газа под давлением предохранительного устройства Процесс горения автомобиля длился 50 мин

В п 4 8 на основе проведенного комплекса исследовательских натурных испытаний лабораторно-дорожных и теоретических исследований разработан комплекс расчетных методов, позволивший осуществить

— модернизацию ГАТС ЗИЛ, работающих на ГМТ,

— оценку соответствия требованиям пассивной безопасности 2-х новых модификаций ГАТС ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе (бортовой ЗИЛ-431610 с 12-тью баллонами емкостью 50 л для хранения природного газа под давтением 19,6 МПа, ЭИЛ-138АВ -седельный тягач, оборудованный 8 баллонами емкостью по 50 л каждый),

— разработать опытные образцы ГАТС, работающих на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном газе нового модельного ряда (ЗИЛ-433530, ЗИЛ-433610, ЭИЛ-4335 с газодизельным процессом)

В п 4 9 проанализированы результаты испытаний первого образца ГАТС ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородовоздушной топливной смеси, и проведен анализ систем хранения водорода применительно к ГАТС В связи с чем были определены задачи, решение которых предопределит возможность применения водорода в качестве топлива для ГАТС из условий безопасности

В п 4 10 на основе проведенных исследований разработаны феноменологические математические модели с достаточной степенью точности (коэффициент множественной корреляции 11-0,95) позволяющие моделировать

— изменение прочностных свойств лонжеронов рамы ГАТС для различных ККС обойм крепления баллонов,

— динамику процесса хранения сжиженного природного газа в криогенном сосуде с вакуумной и порошково-вакуумной изоляцией (табл 4 1),

— процесс нагрева открытым пламенем баллонов из стали «Д», металлостеклопластиковых, заправленных природным газом под давлением 155-190 кг/см2 и сжиженным нефтяным газом (смесь пропан+бутан), по величине давления и температуры,

— процесс динамики горения ГАТС, работающих на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном газах, во времени по изменению давления в баллоне и температуры стенки баллонов, вентилей и в подкапотном пространстве (табл 4 2)

Таблица 4 1

Математическая модель процесса хранения сжиженного природного газа в криогенном сосуде с вакуумной и порошково-вакуумной изоляцией.

№№ пп Тип балланов Наименование функциональной зависимости Функциональная зависимость

1 Вакуумная изоляция Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 7,9 % в зависимости от времени, ч P=t(Q 000391+0 055)

2 Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 14,1 % в зависимости от времени, ч P=t(0,00014t+0,01)

3 Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 24,5% в зависимости от времени, ч P=t(0 00061+0 002)

4 Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 46,0 % в зависимости от времени, ч P=t(0,000391+0 025)

5 Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 77,0 % в зависимости от времени, ч P=t(0 000151+0 015)

б 6 I Порошково-вакуумная изоляция Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (в начале эксплуатационных испытаний) в зависимости от времени, сут Gn (!)=- 4 686t+82

62 Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (после 2-х лет эксплуатации) в зависимости от времени, сут С,, (t)=- 5 3251+82

63 Степень увеличения испаряемости сжиженного природного газа за 2 года эксплуатации (ухудшение эксплуатационных характеристик) в зависимости от времени, сут A=G,¡ (t)- G¡2 (0~ -0 639t

7 Динамика роста давления в криогенном баке при бездренажном хранении сжиженного природного газа в зависимости от времени, ч к-т заполнения бака (р =0,9, к-т заполнения бака <р =0,43, к-т заполнения бака ¡р =0,3, P=t(0 0043t+0 05')+2 P=t(0 002t+0 7)^2 1 P=t<0 0061+0 25)^3 9

Таблица 4 2

Математическая модель имитации пожара грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-431610, ЗИЛ-431810, работающих на природном газе_

№№ пп Топливо Наименование функциональной зависимости Функциональная зависимость Примечание Интервал, мин

1 2 3 4 6

1 ОО ГЛ л с; В s s с Изменение давтеиия сжиженного газа (смесь пропан+бутан) в баллоне, кг/см2 Рос,.1=(0 111+9) Р =32е->12^ 13,8 Р,ш,=9-0 7(1-16 5) 0</<Ю 10</<12 16,5</<30

2 ¿-о S 3 s — к с Т с го g » s § l1? S i s H 1 S (3 Я a. =: X /-s сз = Изменение температуры стенки баллона Г - 25,51 +П5е 1 Т-^о^'-'^'+ню + Ше-«'-21) 014 89 0</£П 11 </<36

3 Изменение температуры предохранительного клапана Т„рк. = 13,4(/-2) ' 0 38 0,14 96 2</<10 10</<21

s S s & о <a s + и 5 Тпрк = 16(/-22)+500 21</<36

4 с О с. c Изменение температуры в подкапотном пространстве Тток = - 3,34 ^+160,35^-1358,2 11 </<37

5 2 О « s iCS R ^ '---' 8. „ <= s40. — 1-eC s Изменение давления в баллонах при имитации пожара Р= 101+160

6 Изменение температуры в подкапотном пространстве Т^ ПО1=0 П,„„=80+190е 0</<3 3</<15

7 с - <-, « S -41 Se; щ = s = a> rn та с; е. в » s Изменение температуры стенки 1-го баллона Г^,„=80 + 220е~(^~б9)2 1<(<9

8 Изменение температуры стенки 3-го баллона ^стенЗ=80 1</<9

9 S go g g I rT a ш U « a Изменение температуры стенки 5-го баллона 7стен5=50 5 </<9

10 Изменение температуры стенки 7-го баллона ^„,„7=45 6</<9

Пятая глава посвящена разработке методологических основ проектирования ГАТС, работающих на ГМТ

В п 5 1 ГАТС рассмотрено с одной стороны как объект со сложной структурой в сложной организационно иерархической транспортной системе (рис 5 1) и с другой стороны как энергетическая сложная техническая система с жизненным циклом промышленного изделия из 11 этапов с процессом развития, характеризующимся критериями эффективности и развития

В п 5 2 ГАТС рассмотрено как совокупность потенциальных свойств функциональных, надежностных и технико-экономических (ФПС, ПСН, ПТ-ЭС) уровень которых формируется на стадии проектирования, и реализуется на стадиях производства, эксппуатации (рис 5 2) (на стадии производства это

происходит ступенчато, а в эксплуатации уровень эффективности снижается практически экспоненциально

со0)= а>1 ехр [-Ц1-1) ] где со (г) - производительность на ^ом году эксплуатации, <х>! - производительность на 1-ом году эксплуатации, К - коэффициент интенсивности изменения показателей свойств ГАТС

При этом закон развития техники Э=(р{р1,Х=сс[у=/(Г)]т} (где г- время, критерии эффективности Э=<р(Р X), критерии развития Х=а(у), внутренние факторы у=А[Р), внешние факторы Б) предполагает преимущество вариантов ККС ГАТС,

которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимальной энергетической эффективности

В п 5 3 проведен анализ физико-химических свойств ГМТ позволивший

1 Получить статистические оценки химического состава природного газа различных месторождений и оценить стабильность по содержанию метана 92% (коэффициент вариации со = 9,4%) и по теплоте сгорания (а =2,98%)

2 Разработать обобщенную таблицу диапазона показателей изменения свойств моторных топлив для оценки эффективности применения того или иного вида ГМТ в конкретных условиях эксплуатации (табл 5 1) на основании использования шкалы желательности

В п 5 4 Определены методологические особенности исследования эффективности ГАТС на этапе проектирования

Всесторонне и углубленно раскрыто понятие категории «эффективность» применительно к проектированию ГАТС как элемента транспортной системы и предложен принцип выбора численных значений критериев эффективности Э({И}, {/}}, {и}) ->тах, при С({И})=С0 С ({И}) ->тт, при Э ({И}, (Р), {V}) = Э0 , где Э - эффективность, С - затраты,

И - измерители свойств ГАТС, /5 п и~ условия первой и второй групп Последнее позволяет решить проблемы

— выбора рациональных направлений развития техники (ГАТС),

— наращивания энергетического ресурса для обеспечения растущих потребностей общества, не вызывающих отрицательных экологических последствий

Измерите™ эксплуатационных свойств

а

г

л

И„

Международная транспортная

гиртрмя

Транспортная система РФ-ТЭК

ГАТС

Функциональная система АТС

Агрегат (нлн другой элемент функциональной системы)

Деталь

1Я, Ср М, Кф, Кн Рп

Автотранспортные предприятия (АТП)

№

с

Измерители ф)нкииональных свойств

Топливной экономичности

Скоростных свойств

1Вых

И„

Безопасность

Долговечность

Сохранность

Ремонтопригодность

Выходные хар-ки функциональных

Выходные хар-ки агрегатов

1Явн

Срвн

Рис 5.1 Структура организационно-иерархической транспортной системы

Ср- внутренняя среда (масло, воздух, тормозная жидкость, тосол ),

Срвн — внешняя среда (атмосферная, дорожная),

¿7? - совокупность режимов,

ХВых - выходные характеристики,

Р„- рабочие процессы,

М-конструкционные материалы,

Э- целевая функция эффективности,

Ин Иф //,к - измерители надежностных, функциональных, эксплуатационных свойств ГАТС, Кр, Кн - конструктивные параметры, определяющие функциональные или надежностные свойства

Рнс 5 2 Формирование и реализация ФПС, ПСН и ПТ-ЭС

ТС - уровень технического состояния, Пэ - показатель эффективности, С - себестоимость (затраты) на перевозки грузов, N — количество циклов, Рэ - величина нагрузки (режим эксплуатации), NP"1, =Pe3=const- характеристика выносливости, СИ1Д - стоимость изделия, ш-степень, от которой зависит напряженное состояние, tgoc]=l/P,]'n, , tgc^lAV", m=const, Рез= const, + А - неоднородность продукции

Таблица 5 1

Диапазон изменения показателен основных свойств газомоторных топлив

Номера блоков №№ пп Наименование показателя Единица измерения Диапазон изменения

2 3 4 5

1 Теплота сгорания стехиометрической смеси (при 15°С, давлении 760 мм рт ст) МДж/м3 2,99-3,99

s 1 2 Минимальная энергия зажигания МДж (0,02-0,29) 10'

u с О Р ■§ Ш ё 114 3 Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания (при 15°С, 760мм рт ст) м3/м3 3,72-38,1

О g « в = 3 4 Энергетический фактор топлива Фэ МДж/м3 3,13-3,57

s I а 5 Октановое число (ОЧ/Н) 56-120

5 ? 3 н О о 6 Температура горения стехиометрической смеси ОС 2020-2370

« е* о. S ё.с 7 Температура воспламенения ОС 220-700

С ° 8 9 Диапазон воспламенения горючей смеси нижний верхний % % 0,6-30 6-77

s „ г t_- © S h щ = ^ S = § g и о tg 10 Плотность топлива при 15°С7б0мм рт ст кг/м3 кг/л 0,67-2,46 0,071-0,855

11 Температура кипения °С -253-86

™ Й H g U й и 5 JS — с S я о 2 12 Низшая теплота сгорания МДж/м3 МДж/л 10,228-111,7 8,583-32,812

s 2 s g s g s h и -a I 13 Коэффициент сжимаемости для компримированных газов (при 20,0 МПа) - 0,81-1,14

2 « w о. g g- s 5 с ° S. § 14 Упругость паров(для сжиженных газов и жидких фаз) при 20°С МПа 1,0-5,0

c = « s 15 Идеальные затраты работы для ожижения газа с начальными параметрами 300 К и 101,3 кПа кДж/кг 140-12019

о s s 16 Концентрационные пределы воспламенения газовых смесей с воздухом % по объему 0,7-75

Ils IIS 17 Концентрационные пределы детонаций газовых смесей с воздухом % по объему 18,3-59,0

2 c s 18 Температура пламени °С 750-2050

в 4> S S с é- o ce o. 19 Скорость горения м/с 0,34-2,78

O J с a H w О L> — — с я 20 Скорость распространения в воздухе м/с 0,0017-0,025

M* 3 о 21 Коэффициент диффузии в воздухе м2/с 5 10 б-200 106

о 1С с 22 Максимальное давление взрыва МПа 0,72-0,9

и £ о < и | ^ S х G 1 р 1 g S 3 23 Коэффициент относительной эффективности Коэ 0,35-1,42

= 2 S s " i £ ^ Г 3 4 = g g. s ° 5 2 С ° 5 Ж 24 Стоимость производства энергии из различных источников $/ГДж 2,0-20 0

Вп 55 Разработана схема формирования потенциальных свойств ГАТС в зависимости от вида топлива на основе учета системно-технической увязки элементов ГАТС (рис 5 3)

Эз^Пз^Э^П;)

входящих в состав объектов более высокого уровня ГАТС (рис 5 1) применительно к типажу ГАТС семейства ЗИЛ (рис 5 4)

ФПС АТС ПСН АТС

ШТГ АТГ

Рис. 5 3 Формирование потенциальных свойств грузовых автотранспортных средств в зависимости от вида топлива,

где 17 - символ технического объединения, \тг показатель эффективности решения задачи

ч

системой (8+1)-го уровня, Э5 (пх ) - показатель эффективности решения задачи п, системами 5- го уровня без их системно-технической увязки

МТЗК, МТЗП, МТЗЭ, МТЗУ — материально-технические затраты конструирования, производства, эксплуатации, утилизации

СРЕДНИЙ КЛАСС

Базовые модели Вариант

1.4 108

140л с

Бензин У8 150 л с

Ь4 108

140 л с

Ьб 180 л с

Бензин У8 150 л с

У8 185 250 л с

16 149 250 л с

У8 230 300 л с

У8 185 250 тс

16 226 250 л с

Ь4 136 150 л с 1.6 150 209 л с

Ь4 136 150 л с 1.6 150 209 л с

Ь6 150 250 л с

1.6 150 250 л с

КЛАСС БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

| 10 | , 12, 13,5т

Полный вес автопоезда 34, 38, 42т

Рнс 5 4 Варианты компоновочно-конструкторских схем грузовых автотранспортных средств ЗИЛ и систем хранения природного газа под давлением 19,6 МПа в баллонах емкостью 50 л, 300 л, 500 л

Решению теоретических вопросов и проблем эффективного использования грузового автомобильного транспорта посвящены работы Чудакова Е А , Лейдермана СР , Каниовского П В , Афанасьева Л Л (научные аспекты эксплуатации автомобильного транспорта), Великанова Д П (проблемы эффективного использования автомобилей), Говорущенко Н Я, Корчагина В А , Резника Л Г, (проблемы теоретических основ эксплуатации грузовых автомобилей), Николина В И, (теоретические основы функционирования транспортных систем доставки грузов), Бронштейна Л А (вопросы экономики, организации и планирования АТП), Дегтярева Г Н, Батищева И И (вопросы организации и механизации погрузочно-разгрузочных работ на автомобильном транспорте), Чеботарева А А (вопросы эффективного использования специализированного автотранспорта), Жаворонкова Е П, Одинцова Д Г, Беленького С Е (проблемы транспортного обеспечения строительства) и многих других ученых и практиков

На основе системного подхода к функционированию ГАТС в транспортном процессе (обобщенные графы состояний ГАТС в АТП) было определено содержание внешних условий первой (активных <ф») и второй (пассивных «17») групп и предложена математическая модель транспортного процесса ГАТС, состоящая из 3-х этапов и 20-ти фаз (рис 5 5)

Математическая модель транспортного процесса может быть представлена зависимостью вероятности успешного его выполнения Р^ с учетом всех или части перечисленных выше фаз (рис 5 5)

Ртр П Р тр п п движ\А п движ разг ( ^разр/ Бх , ^пдвижХ

(^Усога/^х > 8 п движ» Бз, 8 разг) г Рзамедл( ^ зам^ > 8 п движ, 5 разг > ^усопэО >

Рп/р( §п/р/ , 8П движ, 8разГ, 5усоп3[ , Бзам) > Рб( ^ б-'' 5Х , 83, §плвиж, . ,

^ зам» ^ п/р)],

где Бх ¿6 - события, отражающие успешное выполнение соответствующих фаз, Рх Рб - условные вероятности выполнения соответствующих фаз (при условии, что все предшествующие фазы выполнены)

В п 5 6 было показано, что исследование эффективности на этапе проектирования предполагает решение основной задачи проектной эффективности, направленной на выбор рациональных параметров проектируемого элемента сложной системы Ее решение основано на

1 проведении проектного и эксплуатационного направления исследований при подготовке исходных данных (рис 5 6),

2 разработке математических моделей (рис 5 7), особенностями которых является блочный принцип, широкое использование статических методов (факторный, регрессионный анализы),

3 использовании критериев принятия решений (критерий Вальда, Сэвиджа) и шкалы желательности при обосновании выбора рационального вариант ККС ГАТС или его элемента (рис 5 8)

Типовые фаз Ы

X X § и со (=1 и < X и а ь < и 5 С О 0 н < У 1 X X г» * м & п га а. л с =[ о а. с о =1 ш О а. к» аз га н о О о о и

и. и > § а Й и: а. с и: X с

о ю га 0- а. Ш « Я ГО о С <и Я О Ш Я а с

Транспортный процесс

Рис 5.6 Направления исследования при подготовке исходных данных

Модели проектной эффективности

Модель проектируемого изделия

Модель операции

Облик комплекса сложной технической системы

СТО

АЗС АГНКС

ГАТС Параметры структуры ДЭ(ККС)

Блоки расчета конструктивных параметров КП(ф>, К„(к)

ККС ГАТС, систем хранения

две

Трансмиссии

Системы управления ГАТС и агпегатами

Получение и преобразование уравнений существования

Формирование вариантов проектируемого ГАТС (оис 5 4)

Облик комплекса сложной технической системы с грузом

Схема функционировани

без груза

Условия эксплуатации

Модель этапа операции

Модель фазы заправки моторным топливом

Хранение

Запуск установки Подготовка к движению

Разгон

Движение с ^со/и/

Замедление

Погрузки-разгрузки

Буксировка

Расчет показателей эффективности

Рис 5 7 Модель проектной эффективности

ДЗ - действующее звено

ККС - компоновочно-конструкторские схемы

РЕЗУЛЬТАТЫ

Таблицы

Графики

Э/лу

Неопределенные факторы

м. Проектируемый элемент задан вариантами 94 и,-и„ Условия и заданы законами распределения / (и) {РГиЧР}? Условия р заданы диапазоном

АНАЛИЗ

Рис. 53 Типовые формы представления результатов и их анашза

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 На основании проведенного комплекса исследовательских, лабораторно-дорожных эксплуатационных, производственных и научно-теоретических работ решена проблема, имевшая важное народно-хозяйственное значение для нашей страны, заложившая начало

- крупномасштабного производства грузовых автотранспортных средств, работающих на сжатом природном газе,

проведению подготовительных работ по организации производства и использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива для грузовых автотранспортных средств

2 Анализ аспектов (исторического, международной системы товародвижения, мирового производства грузовых автотранспортных средств, финансовая составляющая мирового автопрома, топливно-энергетический комплекс РФ, стратегия международной энергетической безопасности, экологическая нагрузка) предопределяет стратегию проектирования грузовых автотранспортных средств создаваемые ГАТС, их обеспечивающие структуры должны быть ориентированы на рациональное использование различных видов топлива, как нефтяного происхождения, так и альтернативных источников энергии (в первую очередь природного газа, водорода, электроэнергии) и на комплектующие, изготовленные на базе новейших технологий и высокого технического уровня качества

3 Решена проблема формирования на стадии проектирования заданного уровня энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств серийного производства, работающих на газомоторных топливах, на основе методов проектной эффективности

4 Заложены научные основы формирования автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД) на стадии проектирования ГАТС по результатам деятельности сформированной научно-исследовательской, заводской, эксплуатационной и производственной баз

5 Решена проблема обеспечения пожаровзрывобезопасности автотранспортного процесса при использовании природного газа в сжатом и сжиженном состоянии в качестве моторного топлива грузовыми автотранспортными средствами ЗИЛ и разработаны перспективные образцы грузовых автотранспортных средств ЗИЛ, работающих на этих видах топлива (ЗИЛ-433530, ЗИЛ- 433610 и ЗИЛ-4335 с газодизельным процессом)

6 Проведены испытания первого опытного образца ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородных смесях с металлогидридным (Т1-Ре) аккумулятором водорода и сформулированы требования к обеспечению безопасности

— решения конструкторских задач по контролю параметров состояния водорода должны базироваться на использовании наноматериалов,

— процесс аварийного выброса водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях должен отслеживаться системами воспламенения и дожигания выбросов водорода поджигающими устройствами,

— учета влияния на испаряемость резервуаров с жидким водородом средней температуры кожуха и содержания в жидком водороде ортофазы, которое не должно превышать 1,5-2,0 %,

— проектирование образовательной программы, обеспечивающей подготовку кадров для работы с водородными технологиями в автомобилестроении и обеспечении безопасности в автотранспортном процессе

7 Разработаны теоретические основы формирования потенциальных свойств грузовых автотранспортных средств, работающих на жидких нефтяных и газомоторных топливах с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства по критериям эффективности энергопотребления, скоростных свойств и процедуры принятия решения по выбору рациональных параметров компоновочно-конструкторских схем из условий обеспечения безопасности с использованием методологии проектной эффективности и блоков феноменологических математических моделей

Основные публикации по теме диссертации. Монографии

1 Коноплев В Н Формирование топливно-скоростных качеств грузовых автотранспортных средств серийного производства, работающих на газомоторных топливах, на стадии проектирования с использованием статистических методов / Изд РНЦ «Курчатовский институт», 2006 г , 147 с , илл

2 Коноплев В Н Безопасность грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах/ Изд РНЦ «Курчатовский институт», 2007 г, 253 с , илл

3 Мазепа В Г, Брагин А В , Коноплев В Н и др Автомобили и двигатели AMO ЗИС, ЗИЛ за 90 лет 1916-2006 гг, ГОУ МГИУ, Москва, 2006 г

Список статей в изданиях, рекомендованных ВАКом

1 Коноплев В Н Газобаллонные автомобили ЗИЛ//Автомобильная промышленность №9, 1988 г, с 17,18

2 Коноплев В Н Соединения типа «врезающееся кольцо» в трубопроводах высокого давления грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах/ЛЗестник машиностроения № 4, 2007 г , с 81,82

3 Коноплев В Н Методология формирования заданного уровня качества грузовых автотранспортных средств на стадии проектирования по энергетическим показателям// Вестник машиностроения № 7, с 83,84

4 Коноплев В Н Методика прогнозирования показателей топливной экономичности и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств на стадии их проектирования/Автомобильная промышленности № 11, 2007 г

Научные статьи

1 Супрун Г И, Коноплев В Н Расчетный эксперимент на стадии проектирования автомобиля, - В сб Теория, проектирование и испытания автомобиля, М 1982, вып 1,с 85-89

2 Коноплев В Н Исследование топливно-скоростных качеств газобал тонных автомобилей ЗИЛ-138А и ЗИЛ-138И, М, 1983, 12 с Рукопись предст Заводом-ВТУЗом при ЗИЛе Деп ВНИИНавтопроме 10 02 1983 г, № 845 АП-Д83

3 Коноптев В Н Исследование неустановившихся режимов движения газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А и ЭИЛ-138И, М 1983, 12 с Рукопись

предст Заводом-ВТУЗом при ЗИЛе Деп ВНИИНавтопроме 15 04 1983 № 870 АП-Д83

4 Коноплев В Н Оценка и анализ уровня топливно-скоростных качеств серийных грузовых автомобилей ЗИЛ, КАМАЗ и МАЗ М, 1983, 12 с Рукопись предст Заводом-Втузом при ЗИЛе Деп ВНИИНавтопроме 15 04 19 №871АП-Д83

5 Коноплев В Н , Андреев А А Результаты проведения стендовых испытаний автомобиля-самосвала ЗИЛ-45054 на боковую устойчивость при разгрузке на площадке с поперечным уклоном под задними колесами Сборник научных трудов AMO ЗИЛ № 18 Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля, AMO ЗИЛ, М, 1992 г

6 Коноплев В Н , Волков ВЕК анализу стабильности топливно-скоростных свойств автомобилей массового производства/ сб научных трудов, выпуск № 15, Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля/Изд ЦНИИТЭИАВТОПРОМ, М , 1987, с 110

7 Коноплев В Н Измерение расхода газового топлива при испытаниях автомобилей/ Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля/ Сб научных трудов, выпуск № 17/ Изд НИИСтандартавтосельхозмаш, М, 1991, с 94-101

8 Ивлев В П , Коноплев В Н , Латышев А П Оценка газовой аппаратуры для автомобилей ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе Ж Грузовик №5, 2005 г

9 Макарихин А В, Коноплев В Н Системы пуска автомобилей с альтернативным источником энергии// Труды XXVI Научно-технической конференции ААИ «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа»/ МГТУ «МАМИ» 09 1999 г, с 33-34

10 Бей АВ, Коноплев ВН, Шкур ко Л С Анализ отказов в эксплуатации грузовых автомобилей, обусловленных влиянием внешней образивной среды и определение мероприятий по их устранению/ Техника, технологии и перспективные материалы Межвузовый сборник научных трудов/ Под редак Шляпина А Д - М , МГИУ, 2003 г , с 226-228

11 Коноплев В Н, Шкурко Л С и др Герметизирующие и фиксирующие материалы в автомобилях (AMO ЗИЛ, МГИУ)// Труды XXX Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров/ Москва, МГТУ «МАМИ», 25-26 сентября 2002 г

12 Коноплев В Н , Резчиков Е А Особенности и результаты экологических показателей газобаллонных автомобилей ЗИЛ на стадии производства// Сборник трудов IX Международных чтений МАНЭБ с 60 61/ Самара 2005 г

13 Коноплев В Н, Карнаухов Е А Оценка безопасности грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах (природный газ и водород) // Тезисы докладов II Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов», с 51/Москва Изд-во Прима-Пресс-М, 2006 г, с 128

14 Коноплев В Н, Карнаухов Е А, Шкурко Л С Особенности подбора резинотехнических изделий для дизельного двигателя грузового автомобиля ЗИЛ-5301, работающего на демитил-эфире // Тезисы докладов II Международной

конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов», с 58/Москва Изд-во Прима-Прес-М 2006 г, с 128

15 Коноплев В Н, Лукшо В А и др Исследование прочностных свойств стальных баллонов высокого давления, находившихся в эксплуатации на грузовых автотранспортных средствах от 2 до 30 лет Сб научных докладов по материалам докладов на III Международном автомобильном научном форуме (МАНФ) в ТНЦ РФ «НАМИ» выпуск 236, 2006 г

16 Коноплев В Н Опыт использования и перспективы применения водородного топлива на грузовых автотранспортных средствах//Ж «Грузовик», № 1, 2006 г, с 49-54

17 Коноплев В Н, Земсков Д В Методы обоснования выбора легковых автомобилей / Сб научных трудов, т 1, Техника, технология и перспективные материалы/ Под ред Шляпина А Д - М МГИУ, 1999 г

18 Коноплев ВН, Макарихин А В Энергетические показатели систем пуска ДВС/ Сб научных трудов, Техника, технология и перспективные материалы/ Под ред Шляпина А Д, Таратынова О В - М МГИУ, 2001 г

19 Коноплев В Н, Шкурко Л С О применении онаэробных герметиков в двигателе внутреннего сгорания / Сб научных трудов, Техника, технология и перспективные материалы/ М МГИУ, 2003 г

20 Коноплев В Н , Карнаухов Е А Особенности разработки функциональных свойств систем хранения природного газа под давлением для грузовых автомобилей // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Российский автопром теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» с 21/Институт машиноведения им А А Благонравова РАН, Москва, 2007

21 Коноплев В Н Разработка основ безопасности для автотранспортных средств, использующих водородное топливо / Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Российский автопром теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» с 56/ Институт машиноведения им А А Благонравова РАН, Москва, 2007

Учебники и учебные пособия

1 Коноплев В Н Основы проектирования грузовых автотранспортных средств, М , 2007 г, Изд МГИУ, с 140, ил

2 Евграфов А Н, Коноплев В Н Компоновка грузовых автомобилей, Уч Пособие по курсу «Конструирование и расчет автомобиля», М , 2004 г

3 Коноплев В Н, Сарбаев В И и др Механизация производственных процессов технического обслуживания и ремонта автомобилей Учебное пособие рекомендовано Департаментом автомобильного транспорта РФ, 2003 г 284 с , ил

4 Демин Ю Н , Коноплев В Н, Сарбаев В И и др Техническое обслуживание и ремонт автомобилей механизация и экологическая безопасность производственных процессов/ Серия «Учебники, учебные пособия» - Ростов н/Д «Феникс» 2004 448 с ил Рекомендовано Департаментом автомобильного транспорта России

Подписано в печать 18 09 2007 Формат 60x90/16 Печать офсетная Уел печ л 2,75 Тираж 100 экз Заказ 64

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл Академика Курчатова, д 1