CC BY
15
УДК 658.113.004
ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНА ЕФЕКТИВН1СТЬ СИСТЕМИ "СТОП-СТАРТ" АВТОМОБ1Л1В
С.В. Немий1
Розглянуто енергетичну ефектившсть систем "стоп-старт" сучасних автомобiлiв у аспект експлуатацшних витрат палила. Обгрунтовано теоретичнi залежностi, як моде-люють особливостi витрат палива в раш застосування системи "стоп-старт" у сучасних системах управлшня пуском двигунiв. Доведено, що пiд час короткочасних зупинень автомобшв застосування системи "стоп-старт" сприяе зменшенню витрат палива. Еко-номiчна доцiльнiсть застосування системи "стоп-старт" визначаеться спiввiдношенням витрат на iнсталяцiю (Ъ врахуванням вiдповiдного збiльшення вартостi двигуна), тех-нiчне обслуговування i ремонт системи та економп коштш за рахунок зменшення витрат палива.
Ключов1 слова: електростартерний пуск, стоп-старт, температурний стан двигу-нiв, стартер, енерпя для пуску двигуна, витрати палива двигуном на марному ходу, витрати палива для пуску, економ1я палива.
Постановка проблеми. Важливою експлуатацшною властивiстю авто-мобiлiв чи автобусов (далi за текстом автомобiльнi транспортн засоби - АТЗ) е ïx паливна ощадливiсть. Значна частка енерги двигуна витрачаеться на функш-онування допомiжниx агрегапв, зокрема стартера при пуску двигуна. Часп пуски двигуна характерн для мiськиx умов експлуатацп пiсля зупинок автомобь лiв, спричинених обстановкою руху та засобами його регулювання. Крiм цього, для комунального пасажирського транспорту частi зупинення додатково спри-чиненi режимом руху - на службових зупинках для виходу i входу пасажирiв. З метою зменшення витрат палива внаслщок вимикання двигуна на зупинках у сучасних автомобшях застосовують систему "стоп-старт". Однак детальний ан^з ïï ефективност щодо зменшення витрат палива у наявних публiкацiяx практично вiдсутнiй.
Аналiз вщомих дослiджень та публiкацiй. В опублжованих на цей час роботах, наприклад [1, 2, 6-9], наведено основш теоретичнi залежностi, що ха-рактеризують (моделюють) робочi процеси в акумуляторних батареях i елек-тростартерах у процесi пуску двигуна залежно вiд параметр1в зовнiшнього сере-довища й умов пуску. У цих роботах, переважно, розглядають проблеми забез-печення надiйного пуску двигунв за низьких температур довкiлля. У роботi [6] наведено опис та функцюнальну схему конструкцл системи " стоп-старт". У ро-ботi [8] наголошено на безперспективностi застосування системи "стоп-старт" iз традицiйною електростартерною системою пуску двигушв. Енергетичнi витрати та витрати палива на пуск двигушв i напрямки 1'х оптимiзацiï частково вис-вiтлено у роботах [2, 8]. Однак теоретичш залежностi, ям моделюють особли-востi витрат палива в разi застосування системи "стоп-старт" у сучасних системах управлшня пуском двигушв, у ввдкритих публшащях вiдсутнi.
Формулювання мети дослщження. Метою роботи е обгрунтування те-оретичних залежностей, якi моделюють особливостi витрат палива в разi застосування системи "стоп-старт" у сучасних системах управлшня пуском двигушв.
1 доц. С.В. Немий, канд. техн. наук - НУ " Львгвська полггехнка"
Зазначенi теоретичт залежностi становитимуть аналiтичну основу обфунту-вання доцiльностi застосування системи "стоп-старт" на автомобшях, залежно вiд умов експлуатацп.
Основний матерiал. Система "стоп-старт" виконуе функцп автоматичного керування зупиненням i пуском двигуна, забезпечуючи додаткову еконо-м1ю палива за рахунок зменшення тривалостi роботи двигуна на марному ходу пiд час зупинень автомобшя та пiд час повшьного його руху iз нейтральним по-ложенням коробки передач [6]. Система починае автоматично функщонувати, якщо попереднiй пуск двигуна було здшснено стартером i двигун прогрiтий до температури охолоджуючо! рiдини не менше нiж 65 °С. Стартер i коло запалю-вання вмикаеться системою "стоп-старт", якщо двигун зупинено i з моменту його зупинення пройшло не менше 0,6 с та педаль зчеплення витиснута.
Методика розрахунку витрат палива, по^бного для одного пуску двигуна за задано! його температури, наведено у робот [2]. За результатами попе-редтх дослщжень [2], розрахованi витрати палива для одного пуску, на прикла-дi двигуна З1Л-130, залежно вiд його температурного стану наведено у табл.
Витрати палива (л) тд час роботи двигуна на марному ходу за час зупи-нення можна визначити за формулою
Ом , (1)
3600/
де: - годинна витрата палива тд час роботи двигуна на марному ходу (рис. 1), кг/год; - триватсть зупинки для виходу i входу пасажирiв або очшу-вання при заборонному сигнат свiтлофора, с; у - густина палива, кг/л.
кг/год
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Рис. 1. Залежтсть годинног витрати палива тд час роботи двигутв на марному ходу: 1) З1Л-130 [5]; 2) ЯМЗ-236Н; 3) ЯМЗ-236 НЕ (дат заводу-в
За результатами проведених доотджень щодо автобушв [3] у мюькому режимi руху середня триватсть оч^вання при заборонному сигнат свгглофора ^сс = 27,98 с, а триватсть зупинки автобуса на мюькому маршрут для виходу i входу пасажирiв ^ = 19,14 с. Результати розрахунку за формулою (1), наприклад для двигуна З1Л-130, за вказаних значень = 27,98 i 19,14 с, наведено у табл.
За наведеними вище розрахунками показано графiки залежностi витрат палива на один пуск двигуна Оп та тд час роботи двигуна на марному ходу за час очшування при заборонному сигнат свгглофора i впродовж зупинки автобуса для виходу i входу пасажирiв Ом (рис. 2). Як бачимо на графiках, систему "стоп-старт" для економп палива вигiдно використовувати за температури двигуна, зна-чення яко! знаходиться справа вiд точки перетину криво! 1 iз кривими 2 i 3.
Табл. Розрахунок витрат налива на марному ходу двигуна за час зупинення
Параметр Значення
Температура двигуна Тд, °С 0 20 60 80
Густина палива, кг/л 0,796 0,78 0,75 0,73
Витрати палива для одного пуску двигуна Qn, л 0,057 0,019 0,0026 0,00213
Витрати палива двигуном на марному ходу шд час службово!' зупинки автобуса Qм1, л 0,01 0,0102 0,0106 0,0110
Витрати палива двигуном на марному ходу шд час заборонного сигналу свтлофора Qм2, л 0,01465 0,0150 0,0155 0,0160
Рис. 2. Витрати налива залежно вiд температурного стану двигуна: 1) на
один пуск двигуна Qn; 2) на марному ходу впродовж зупинки автобуса для виходу i входу пасажирiв Qм1; 3) на марному ходу впродовж заборонного сигналу свтлофора Qм2
Однак на практищ, в рус АТЗ та тд час короткочасних зупинок, спри-чинених регулюванням руху та посадкою i висадкою пасажирiв, температура справного двигуна навт у холодну пору року не повинна бути нижчою тж 80 °С. У цьому випадку перевага застосування системи "стоп-старт", порiвняно iз роботою двигутв на марному ходу пiд час короткочасних зупинень АТЗ, щодо економп палива е очевидною.
Економ1ю палива вщ функцiонування системи "стоп-старт" за розгляду-ваний пробiг пропонуемо визначати за формулою
ДQ = Тз Ом/у- Qn пЬ, (2)
де: Тз - сумарна тривалiсть зупинок у процес руху за розглядуваний пробщ год; п - кшьюсть пускiв двигуна (кiлькiсть зупинок) на 1 км пробку; Ь - розглядуваний проб^ АТЗ, км.
На основi даних роботи [3] кшькють зупинок на 1 км пробку пропонуемо визначати за формулою
п = Пз + Пр (1 -р) + Ппп + Птз, (3)
де: пз - кiлькiсть штатних зупинок АТЗ на 1 км пробку; пр- кiлькiсть регульова-них перехресть на 1 км пробку; р - ймовiрнiсть пройду регульованих перех-ресть без зупинення; ппп - ймовiрнiсна величина, що визначае кшьюсть зупинок АТЗ на нерегульованих тшохщних переходах на 1 км пробку; птз - ймовiрнiс-на величина, що визначае кшьюсть зупинень АТЗ через транспорты затори на 1 км пробку
Сумарну тривалiсть зупинок у процеа руху за розглядуваний пробш можна визначити за формулою
Тз = апТр, (4)
де: ап - вiдношення часу простою до часу руху АТЗ; Тр - час руху автомобшя;
an = Atc/(l - Atc),
де Atc - вiдносний час зупинок y ^оцеа pyxy АТЗ нa мapшpyтi. Чaс pyxy aвтобyсa визнaчaeмо зa фоpмyлою
Тр = L/Vc,
де V
сеpедня швидкiсть pyxy АТЗ, км/год.
Ha основi фоpмyл (2), (4)-(б) остaточно отpимaeмо:
ДQ =
G^cL _-QnL = L
VcY(l -ДГc
VcY(l -Д*с
--Qnß
(5)
(б)
(7)
Економда коштiв визнaчaють зa фоpмyлою
E = AQ Ц, (8)
де Цб - вapтiсть пaливa, гpн/л. Ha основi нaведеного вище ощнимо, нaпpиклaд, ефектившсть вiд фyнкцiонyвaння системи "стоп-стapт" сеpеднього мiського aв-тобyсa пiд чaс ноpмaтивного пpобiгy (до кaпiтaльного pемонтy) L = 500000 км.
Зпдно зi стaтистичними дослiдженнями кiлькiсть зупинок aвтобyсa нa 1 км ^об^у пз = 1,б8; кiлькiсть pегyльовaниx пеpеxpесть нa 1 км ^об^у пр = 0,44 [4]; ймовipнiсть пpоïздy pегyльовaниx пеpеxpесть без зупинення р = 0,5З2; вiдносний чaс зупинок у пpоцесi pyxy aвтобyсa нa мapшpyтi Atc = 0,2З; сеpедня швидкiсть pyxy aвтобyсa Vc = 21,5 км/год. [З]. Годинш витpaтa пaливa пiд чaс pоботи двигyнa З1Л-1З0 нa мapномy xодy Gm = 1,5 л/год (див. pro. 1).
Без вpaxyвaння зупинок aвтобyсa нa неpегyльовaниx пiшоxiдниx пеpеxо-дax i зупинень aвтомобiля чеpез тpaнспоpтнi зaтоpи зa фоpмyлою (З) отpи-мaeмо: п = 1,б8 + 0,44(1-0,5З2) = 1,9 зупинок та 1 км. Bиxодячи iз нaведениx вище дaниx, зa темпеpaтypи двигyнa 80 °с (див. тaбл.), зa фоpмyлою (7) отpи-мaeмо: AQ = 500000{1,5^0,2З/[( 1 -0,2З) 21,5 0,7З] - 0,0021З1,9} = 12250,2 л.
Цiлком очевидно, що економiчнa доцiльнiсть зaстосyвaння системи " стоп-стapт" буде визнaчaтися зaлежнiстю
В + Втор < Е, (9)
де: В - почaтковa вapтiсть системи "стоп-стapт" (iз вpaxyвaнням вiдповiдного збiльшення вapтостi двигyнa); Втор - витpaти нa теxнiчне обслyговyвaння i pе-монт системи "стоп-стapт" yпpодовж зaдaного (ноpмaтивного) пpобiгy.
Зтачення витpaт нa теxнiчне обслyговyвaння i pемонт системи "стоп-стapт", зaлежно вiд пpобiгy, встaновлюють зa pезyльтaтaми вiдповiдниx ^ara^ тичниx дослвджень. Мaючи стaтистичнi дaнi зa питомими витpaтaми нa теxнiч-не обслyговyвaння i pемонт системи "стоп-стapт" (^н/км пpобiгy) нa основi piß-нянь (8) i (9) можнa зaписaти
f „ . л
В + ПторЬ <
VcY(l -Д^ )
- Qnß
Щб,
(10)
де 'Птор - питомi витpaти нa теxнiчне обслyговyвaння i pемонт системи " стоп-^ap^', гpн/км. Тодi, виxодячи iз piвняння (10), оpieнтовний теpмiн окyпностi системи (км ^об^у), без вpaxyвaння можливм пеpспективниx змiн вapтостi пaливa, можта pозpaxyвaти зa фоpмyлою
G«^tc
Lnir = г-^- . (11)
Цб - nm
GMAtc -( _(1 -Atc)VcY '
За наявност вiдповiдних статистичних даних щодо тривалостi зупинок АТЗ на маршрута на один км npo6iry ефективнiсть функцiонувaння системи "стоп-старт" можна визначити за аналопчною методикою. Зокрема, економiю палива вiд фyнкцiонyвaння системи "стоп-старт" за певний проб^ можна визна-чити за формулою
AQ = L[(Qm1 - Qn) Пз + (Qm2 - Qn) Пр (1 -P) +(Qm3 - Qn) Ппп + (Qm4 - Qn) ИГз], (12) де Qm3 i Qm4 - витрати палива двигуном на марному ходу шд час зyпинцi АТЗ, вщповвдно, на нерегульованому пiшохiдномy переходi i через транспортний затор. Економiчнa доцiльнiсть застосування системи "стоп-старт" буде визначати-ся зaлежнiстю (9).
За статистичними даними щодо питомих витрат на технiчне обслугову-вання i ремонт системи "стоп-старт" (грн на 1 км пробiгy) на основi рiвнянь (9) i (12) можна записати аналопчно рiвнянню (10)
В + ПторЬ < [©м- Qn)n3 + (Q 2 - Qn)np(1 - р) + (Qm3 - Qn)nrm + (Qm4 - <2п)Пгю^Цб. (13)
Тодi, виходячи iз р1вняння (13), орieнтовний термiн окупност системи (км пробiгy), без врахування можливих перспективних змiн вaртостi палива, можна розрахувати за формулою
L0K =Т-B-т-. (14)
|_(Qm1 - Qn ) n3 -(Qm2 - Qn ) Пр (1 - p ) + (Qm3 - Qn ) Ппп + (Qm4 - Qn ) "ms J Цб - Птор
Р1вняння (7), (10), (11) i (12)-(14) e вщповвдно тотожними. Напрямки подальших дослiджень■ Нaведенi вище теоретичнi залеж-ностi враховують значения витрат палива для одного пуску двигуна Qn, отрима-нi розрахунковим методом [2], виходячи iз енергетичних витрат на подолання моменту опору провертання двигуна. На прaктицi у процес пуску витрати палива можуть бути бшьшими, виходячи iз фактично! подaчi палива у цилшдри двигуна. Через це актуальними e експериментaльнi дослiджения для визначення фактичних витрат палива у процесi пуску. Це дасть змогу провести об'ективне ощнювання доцiльностi використання системи "стоп-старт" на АТЗ. Висновки:
1. Обгрунтовано теоретичш залежностi, як1 моделюють особливост витрат палива в pa3i застосування системи "стоп-старт" у сучасних системах уп-равлшня пуском двигунiв■
2. На прикладi розрахунку доведено, що пiд час короткочасних зупинень ав-томобiлiв застосування системи "стоп-старт" сприяе зменшенню витрат палива, порiвняно i3 роботою двигунiв на марному ходу впродовж зупинок.
3. Економiчна доцшьшсть застосування системи "стоп-старт" визначаеться сшввщношенням витрат на iнсталяцiю ^з врахуванням вiдповiдного збшь-шення вартост двигуна), технiчне обслуговування i ремонт системи та еко-номп кошив за рахунок зменшення витрат палива.
Лггература
1. Немий С.В. Формування експлуатацшно'! ефективност системи електростартерного пуску двигутв автобуов / С.В. Немий, 1.Р. Вайда // Вюннк Нащонального ун1верситету "Льв1вська шштехшка". - Сер.: Динамжа, мщшсть та проектування машин i прилад1в. - Льв1в : Вид-во НУ "Льв1вська полiтехнiка". - 2009. - № 641. - С. 56-61.
2. Немий С.В. Енергетична ефектившсть системи електростартерного пуску автомобшьних движуще / С.В. Немий, В.М. Бритковський // Вiсник Нацiоналъного ушверситету "Лъвiвсъка по-лiтехнiка". - Сер.: Динамжа, мщшсть та проектування машин i приладiв. - Лъвiв : Вид-во НУ "Львiвськаполiтехнiка". - 2014. - № 788. - С. 37 -42.
3. Немий С.В. Статистичне дослщження тривалостi зупинок автобуив в русi на мiсъких маршрутах / С.В. Немий // Автобусобудування та пасажирсью перевезення в Укрщ'ш: тези доп. Всеукр. наук.-практ. конф. до 50^ччя ш-ту Укравтобуспром / ВКЕ1Автобуспром, Лъвiв 24-25 вересня 2015 р. - Львiв : Вид-во НУ "Львiвськаполiтехнiка", 2015. - С. 86-88.
4. Немий С.В. Енергетичн витрати у фрикцiйному зчепленнi трансмiсil автомобiля / С.В. Немий // Проектування, виробництво та експлуатацiя автотранспортних засобiв та по!здв : що-рiчний наук.-виробн. журнал. - Лъвiв. - 2012. - № 20. - С. 231-241.
5. Белов П.М. Двигатели армейских машин / П.М. Белов, В.Р. Бурячко, Е.И. Акатов. - Ч. первая. Теория. - М. : Изд-во "Воениздат", 1971. - 512 с.
6. Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей : учебник [для студ. ВУЗов] / Ю.П. Чижков, А.В. Акимов. - М. : Изд-во "За рулем", 1999. - 384 с.
7. Чижков Ю.П. Электростартерный пуск автотракторных двигателей / Ю.П. Чижков, С.М. Квайт, Н.Н. Сметнев. - М. : Изд-во "Машиностроение", 1985. - 160 с.
8. Хортов В.П. Высоковольтные системы пуска ДВС / В.П. Хортов. - М. : Изд-во "Автомобильная пром-сть", 1993. - № 6. - С. 20-22.
9. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей : учебн. [для студ. автодор. ВУЗов] / В.Е. Ютт. - М. : Изд-во "Транспорт", 1989. - 287 с.
Надклано до редакщ! 23.02.2016 р.
Немый С.В. Эксплуатационная эффективность системы "стоп-старт" автомобилей
Рассмотрена энергетическая эффективность системы "стоп-старт" современных автомобилей в аспекте эксплуатационного расхода топлива. Обоснованы теоретические зависимости, моделирующие особенности расхода топлива при применении системы "стоп-старт" в современных системах управления пуском двигателей. Доведено, что при кратковременных остановках автомобилей применение системы "стоп-старт" способствует снижению расхода топлива. Экономическая целесообразность применения системы "стоп-старт" определяется соотношением затрат на установку (с учетом соответствующего увеличения стоимости двигателя), техническое обслуживание и ремонт системы и экономии средств за счет уменьшения расхода топлива.
Ключевые слова: электростартерный пуск, стоп-старт, температурное состояние двигателей, стартер, энергия для пуска двигателя, расход топлива двигателем на холостом ходу, расход топлива для пуска, экономия топлива.
Niemyj S. V. Operating Efficiency of the Stop-Start Car System
Power efficiency of the stop-start systems of modern cars in the aspect of running expenses of fuel is considered. Theoretical dependencies on modelling of special features of expenses of the fuel at application of the stop-start system in modern control system starting of engines are substantiated. The economic feasibility of the stop-start system is defined by the installation costs (taking into account the corresponding increase in the value of the engine), maintenance and repair of the system, and also on saving money by reducing fuel consumption.
Keywords: electric starter start-up, stop-start, temperature condition of the engine, the starter, the energy to start the engine, expenses of the fuel consumption in the idle engine run, fuel for start-up, saving fuel.
