CC BY
39TECHNICAL SCIENCE | ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ПУТИ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ТРАНСПОРТНЫМ
СРЕДСТВОМ
Дьяков И.Ф.
Ульяновский государственный технический университет
WAYS TO REDUCE FUEL CONSUMPTION BY VEHICLE Dyakov I.F., University Ulyanovsk, Russia
АННОТАЦИЯ
Изложены пути снижения расхода топлива при проектировании и эксплуатации транспортных средств. Цель работы - возможность экономия топлива за счет предлагаемых конструктивных решений и эксплуатационных характеристик путем оптимальной периодичности проведения технического обслуживания. Предложена математическая модель оптимизации периодичности обслуживания, применительно к данным условиям эксплуатации, учитывающая режимы нагружения, удельные простои и трудоемкость текущего ремонта. Оптимальные режимы нагружения и периодичность обслуживания автомобилей обеспечивают снижения отказов на 1000 кВт ч наработки на 27 %.
Результаты исследований показали, что увеличение количества проведенных технических обслуживаний за год (более шестнадцати раз), обеспечивает незначительное снижение расхода топлива при исправной системе питания, но не оказывает существенное влияние на интенсивность отказов транспортного средства, так как усталостное разрушение и износ деталей происходит непрерывно.
ABSTRACT
The article describes the ways to reduce fuel consumption when designing and operating of vehicles. The purpose of the work is to &udy the possibility of fuel savings on the basis of proposed design solutions and performance through the optimal frequency of maintenance. A mathematical model of optimization of maintenance intervals, with respect to the operating conditions data, taking into account the loading modes, unit downtime and time consuming maintenance is described in the article. The optimum modes of loading and frequency of vehicle maintenance provide reduction of failures per 1000 kilowatt-hours during the operating time by 27%.
The results showed that the increase of the number of maintenance per year (more than sixteen times) provides some reduction in fuel consumption if the feed sy^em works correctly, but has no significant effect on the intensity of vehicle failure, since the fatigue failure and wear occurs continuously.
Ключевые слова: расход топлива, режимы движения, тягово-скоростные свойства, луч лазера, электромагнитные колебания, газомоторное топливо, математическая модель, температура воспламенения.
Keywords: fuel consumption, movement modes, traction and speed properties, laser beam, electromagnetic waves, gas fuel, mathematical model, ignition temperature.
Состояние вопроса
Проблема повышения топливной экономичности автомобилей решается как конструктивным, так и эксплуатационным способами [1, с. 404; 2, с. 357; 3, с. 442]. К конструктивному относятся методы совершенствования элементов конструкции автомобиля: подвески, влияющей на вибрацию подрессоренных масс, оптимизация передаточного числа коробки передач, параметров шины, использование электронной системы впрыска топлива. К эксплуатационному -нагрузочные режимы работы двигателя [4, с. 34], экономное использование топлива при движении [5, с. 18], выбор оптимальной периодичности обслуживания автомобилей [6, с. 37] и диагностики в соответствии с условиями эксплуатации, а также длительность хранения топлива на складе.
Пытаясь усовершенствовать ранее конструкцию подвески, снизить уровень колебаний и соответственно плавность хода, влияющие на расход топлива, конструкторы стали применять различные системы гашения колебаний, например амортизатор модели «Monroe Sensa Trac» имеюший специальный корпус, в котором есть продольная проточка
для увеличения скорости перетекания жидкости. Это позволило разделить диапазон перемещения штока на зоны с разной степенью демпфирования («зона комфорта» и «зона контроля»), и уменьшить время реакции амортизатора.
Известно, что существенное улучшение плавности хода достигается при использовании системы автоматического регулирования характеристик подвески. Суть ее заключается в том, что свойства подвески настраиваются под внешние условия с помощью автоматического управления. У водителя есть возможность принудительного перемещения кузова в вертикальной плоскости, кроме того, сам автомобиль меняет «осанку», в зависимости от скорости «прижимаясь» к дороге. Уменьшить уровни виброускорений неподрессо-ренных масс можно за счет увеличения демпфирования в обычных амортизаторах с помощью динамических гасителей. Гашение колебаний в этой конструкции основано на превращении кинетической энергии колебаний в тепло с последующим рассеиванием. Такие системы пока не получили широкого применения в автомобилестроении.
Цель исследований
Снижение расхода топлива при эксплуатации возможно, в первую очередь, при защите автомобиля от колебаний при неровностей дороги, а также при использовании оптимальной подвески и опоры крепления агрегатов. Критерием оптимальности подвески принимаем время успокоения 1, за которое амплитуда колебаний уменьшится до заданной минимальной величины:
1усп=(1/£уШ0МЩ1-е2у))^тт
где е =к /(2т т )= к /(2^т с ) - степень успокоения;
у усп у п 0' ус^ иг ^ 7
кусп - коэффициент успокоения, численно равное силе сопротивления подвески при скорости подрессоренной массы,
(* = 1). _
равной единице 4 у; т0= ^сп/тп - коэффициент, зависящий от упругих свойств подвески; с - жёсткость подвески; т - подрессоренная масса; X - коэффициент точности установки подрессоренных масс относительно центра тяжести автомобиля.
Для улучшения скоростных и топливно-экономических характеристик автомобиля конструкторы стремятся автоматизировать процесс переключения передач. Бортовая автоматика, установленная на автомобиле, по показаниям различных датчиков сама выбирает передачу, соответствующую режиму движения автомобиля. При этом время переключения оказывается меньше, чем у механической коробки, что обеспечивает неразрывность силового потока и оптимальность режимов работы двигателя. При автоматизации силового агрегата транспортных машин с дизелем и механической трансмиссией приходится создавать единые системы автоматического регулирования двигателя, сцепления и переключаемых передач, а также решать проблему устойчивости системы автоматического переключения передач при реализации оптимальных законов переключения.
Основным недостатком существующих конструкций коробок передач является необеспеченность обратной связи в цепи управления. Для ее осуществления применяют различные датчики, электромеханические муфты и другие приспособления. Наиболее эффективными являются системы переключения передач, реализующие в своей структуре принцип центральной автоматической синхронизации, так как в таких системах одновременно с уменьшением времени переключения существенно снижаются динамические нагрузки на элементы трансмиссии. Количество переходных процессов при переключении передач в таких системах целиком определяется заложенными принципами управления топливоподачей. Например, для работы на газообразных то-пливах транспортные средства переоборудуются в газобаллонные. В зависимости от вида применяемых топлив, типа двигателей предусмотрены следующие систем питания топливом: однотопливные, двухтопливные с независимым питанием двигателя одним из видов топлива и двухтопливные с одновременной подачей двух видов топлива (газодизели). В перспективе будут использованы другие способы подачи топлива. Например, известен способ получения энергии из
топлива, заключающийся в использовании энергии сфокусированного луча лазера путем импульсного воздействия на рабочую жидкость. Однако недостатком данного способа является низкая эффективность использования энергии сфокусированного луча лазера из-за того, что в нем отсутствует резонансное поглощение лазерного излучения рабочим веществом, что требует более высокой мощности лазерного излучения. Указанный технический результат достигается тем, что в полость впускного устройства подают лазерное излучение с частотой f =2900 см-1, при этом за счет резонансного поглощения молекулами топлива этого излучения возникает светогидравлический эффект, который приводит к нагреву, расширению и появлению в топливе импульса давления.
Особенностью этого способа является то, что впрыск топлива в цилиндр двигателя осуществляют путем подачи лазерного излучения в полость впускного устройства, при этом возникает светогидравлический эффект, усиливающийся за счет резонансного поглощения лазерного излучения молекулами топлива.
Основными характеристиками лазеров, определяющими возможность использования их в конкретных устройствах, являются:
1) длина волны X или частота и излучаемых электромагнитных колебаний; современные лазеры генерируют в диапазоне волн 0,23.. .583 мкм (1,3-1015... -5,57-10п Гц);
2) мощность излучения в регулируемом режиме;
3) угловая расходимость луча, она составляет десятки угловых секунд - единиц угловых минут; ширину луча с помощью системы линз можно сузить до величины, ограничиваемой явлениями дифракции;
4) спектр излучения определяется интервалом частот электромагнитных колебаний, генерируемых лазером;
5) для более полного поглощения света во взрывную камеру вводят химические вещества, способствующие поглощению света, разложению воды и повышению взрывоопасных концентраций химических соединений, то есть все это относится к области энергетики, а не двигателестроению на способ подачи топлива с определенным давлением через форсунку в цилиндр двигателя.
По этим характеристикам проводится подбор лазерного излучателя, соответствующего частоте поглощения этого излучения топливом.На рис. показан спектр поглощения инфракрасного излучения (ИК-излучения) бензином АИ-76, из которого следует, что максимальное поглощение ИК-излучения приходится на частоту, равную д =2900 см-1, то есть, если частота ИК-излучения лазера резонансно совпадает с частотой этих колебаний, это дает максимальный све-тогидравлический эффект, который вызывает практически мгновенный нагрев и расширение топлива, а образующий импульс давления приводит к впрыску топлива в цилиндр двигателя.
Рис. 1. Профиль спектральной линии - ширина спектральной линии излучения лазера; ширина линии резонатора
Известно, что лазер является генератором когерентного излучения. Понятие «когерентность» соответствует понятию «корреляция», так как в общем случае под когерентностью понимают корреляцию каких-либо характеристик поля электромагнитной волны (например, фазы волны). Направление распространения электромагнитной волны постоянно или изменяется, но не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, такая волна когерентна. Когерентность электромагнитного излучения связана с его монохроматичностью с различными частотами. Частотное разделение колебаний выражено Лv=c/2L, где с- скорость света; L- целое число полудлин волн, т. е. gX=2L; g - число полуволн, укладывающихся на длине резонатора; длина волны, и говорит о том, что спектральные линии излучения будут располагаться по всей ширине рабочего перехода.
Существуют методы получения генерации на конкретной частоте. Например, один из них состоит в том, что уровень накачки (возбуждения активных центров) доводят до такой величины, чтобы он превосходил пороговое значение, а усиление превышало потери только для одной моды. Мода характеризуется конфигурацией поля и числом полуволн, укладывающихся на длине резонатора. Другой метод позволяет выбрать длину резонатора так, чтобы расстояние между соседними продольными отметками было больше ширины линии атомного перехода. Известен ряд методов преобразования частоты оптического излучения, которые реализуются с помощью механических, электрооптических, акустико-оптических и других устройств.
Кроме того, следует отметить, что в зоне поглощения энергии света химическими веществами появляется высокое давление (до 1 млн. атмосфер) и температура (до 1 млн. градусов). Эти характеристики неприемлемы для работы двигателей внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания (дизельный) в полости впускного устройства может работать при давлении впрыска топлива около 15...30 МПа.
Температура воспламенения топлива должна быть 350.380 оС, а температура остаточных газов после воспламенения для дизельных двигателей 700.900 оК. Степень повышения давления газов при сгорании топлива в период задержки воспламенения с неразделенными камерами сгорания лежит в пределах 1,6.2,5, с вихревыми, предкамер-ными и пленочными смесеобразованиями - 1,2.1,8. Топливо не должно содержать кислоты и воду, вызывающие коррозию деталей.
Если судить по опубликованным данным, расход топлива в зависимости от стиля вождения на одном и том же авто-
мобиле может меняться, достигая разницы до 30 %. Однако, несмотря на разработку общих принципов экономичного управления автомобилем, количественное определение режимов движения, обеспечивающих снижение эксплуатационного расхода топлива, исследованы недостаточно полно.
Изложение основного материала
Проведенные исследования показали, что для повышения эффективности транспортного процесса необходимо использовать алгоритм выбора управления режимами движения автомобиля экономичный и скоростной в совокупности. Скорость автомобиля в процессе движения периодически изменяется. Чтобы снизить эксплуатационные расходы, необходимо оптимизировать режимы движения автомобиля. Количественное описание такой оптимизации можно сделать, используя разработанные нами общие принципы экономического управления, т. е. создав алгоритм управления по критерию минимума расхода топлива, представляющий собой отношение часового расхода топлива к затрачиваемой мощности двигателя за промежуток времени.
Известно, что при разгоне автомобиля на горизонтальном участке энергия двигателя затрачивается на преодоление сил сопротивления качению, аэродинамических сил, а также на внутренние потери в агрегатах и силы инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Причем величина некоторых из них зависит только от разности начальной и конечной скоростей и не зависит от интенсивности разгона, поэтому для уменьшения расхода топлива, затрачиваемого на движение, нужно чтобы двигатель работал на режиме оптимального удельного расхода топлива. Для каждой модели автомобиля существует оптимальная (по путевому расходу топлива) частота вращения коленчатого вала двигателя, при достижении которой необходимо включать соответствующую передачу. Она определяет верхнюю границу диапазона затрат энергии двигателя на данной передаче. Нижняя граница определяется путем деления энергозатрат, соответствующих верхней границе. При известном диапазоне энергозатрат, соответствующих оптимальным частотам вращения коленчатого вала, для снижения путевого расхода топлива в фазе «разгонустановившееся движение-замедление» водитель должен регулировать педаль подачи топлива и включать соответствующую передачу.
Снижение сопротивления движению (разгон под уклон, уменьшение нагрузки) сдвигает границы оптимального диапазона в сторону меньших частот вращения коленчатого вала, а увеличение в сторону более высоких. Однако у водителя нет бортового прибора, при помощи которого он смог бы определить положение педали подачи топлива, обеспе-
чивая непрерывное отслеживание удельного значения энергии, расходуемой транспортным средством, оптимизируя расход топлива. Поэтому разработка алгоритма управления режимами движения, выполнение которого можно контролировать при помощи энергомера, отображающего необходимую информацию, представляет большой практический интерес как в условиях эксплуатации, так и при испытании автомобиля [5, с. 18].
Обеспечить снижения расхода топлива при эксплуатации транспортных средств возможно комплексно с учетом множества факторов. Для комплексного подхода можно использовать математическую модель. При разработке математической модели используются условия работы автомобилей: грузооборот Р(п), машино-дни в работе и ремонте
Исходные данные для расчета оптимальн
(МОь, МОр), количества технических воздействий и их периодичность, интенсивность использования транспортных средств. Интенсивность режимов нагружения влияет на количество отказов X.. и трудоемкость их устранения т. Объем перевозок грузов имеет более тесную корреляционную связь с количеством отказов, чем с километрами пробега, и включен в систему ограничений. Поиск оптимальной периодичности проведения техобслуживания можно проводить по удельным показателям (см. табл.). Вместо удельных затрат на текущий ремонт подставляют удельные значения машино-дней или трудоемкость, выраженную в кВт-ч, при отсутствии данных по затратам энергии на ремонт можно использовать пробег на 1000 км, а грузооборот выражать по величине затраченной энергии за .-й период J(Sf).
Табл. 1.
й периодичности обслуживания автомобилей
Грузооборот, тыс. т км Трудоемкость текущего ремонта, нормо-ч/тыс. км
Число проведенных обслуживаний за год
n1 n2 n3 nn
Р1. . . Рп т,, х„. . .^Л, Т,2 X,2. . .Tn2Xn2 Т,3 X,3. . .Tn3Xn3 т, X, . . .т X 3
Удельные простои на текущий ремонт при .-м обслуживании D1 D2 D3 Dn
Если выделить автомобили с эквивалентными значениями по грузообороту, количеству проведенных обслужива-
„ X
ний п. и по количеству отказов 2, приходящихся на одно обслуживание, то можно составить математическую модель с исходными данными по затратам на текущий ремонт и техническое обслуживание автомобилей.
Коэффициент взаимосвязи между машино-днями в ремонте и затратами энергии на выполнение транспортной работы составляет 0,763, а с километрами пробега -0,604. Результаты при этом получаются более точными и достоверными. При одинаковом объеме перевозок грузов Р или наработке J(Sf) и среднем количестве отказов на 1000 кВтч
(Х ) функцию плотности распределения трудоемкости текущего ремонта можно представить в виде
£( А,
. )=J + b
J (S,
I IK
[ f (X
где
a, b , X,
t> n> z -
f ) = DI
X,
- J(S)-TX,
J (S) n
I k„
постоянные коэффициенты (при определенном количестве обслуживаний автомобилей в год (для автомобилей ГАЗ-3307 с наработкой до 50 тыс. кВт-ч коэффициенты по данным эксперимента равны:
а,= 1,52; Ь = 8,56; к. = 4,28 _ Х2 , г
1 ' ' « ' ' я ' при 2 = 2,1). С увеличением количества пТО>16 раз в год, число отказов не уменьшается. При количестве обслуживаний меньше 10 распределение числа отказов подчиняется параболическому закону, и
коэффициенты составляют а> = 1,471;Ь"» = 5,068; = 2,534
X, = 2,85 гр . при 2 ' . Тогда функция плотности распределения
количество отказов имеет вид
где пТО- количество проведенных обслуживаний за 1-й промежуток времени.
Решение такой задачи позволит определить режимы на-гружения и соответственно для данного режима количество обслуживаний за год. Для других режимов нагружения соответственно производится корректировка периодичности технического обслуживания. Поиск уменьшения интервала периодичности проведения технического обслуживания можно осуществлять по удельным показателям. Вместо удельных затрат на текущий ремонт подставляют удельные значения машино-дней или трудоемкости текущего ремонта и технического обслуживания. Для парков, имеющих разную возрастную категорию автомобилей, возможно также рациональное распределение автомобилей с учетом года их выпуска и условий эксплуатации. При этом выбранные показатели эффективности парка в целом, без изменения его состава, будут наилучшими, например коэффициент технической готовности максимален, а удельные затраты на ТО и Р минимальны. Если известны потери времени по техническим причинам автомобиля и его 1-й возрастной группы на .-м маршруте, то данная задача решается как транспортная задача линейного программирования.
На основе проведенных исследований установлена высокая корреляционная связь между отказами и энергозатратами (выше 20 %), чем с километрами пробега [6, с.37 ]. Тем самым своевременное проведение профилактических воздействий на автомобиль обеспечивает снижение уровня расхода топлива и отказов на единицу наработки.
Выводы и предложения
1. На основе проведенного анализа расхода топлива можно отметить, что резервы повышения экономичности транс-
портных средств имеются как в области автомобилестроения, так и при их эксплуатации.
2. При определенном количестве обслуживаний автомобилей в год для автомобилей УАЗ-3303 с наработкой до 50 тыс. кВт-ч коэффициенты равны: а=1,52; Ьп=8,56; к(о=4,28
при Xг = 2,1. С увеличением количества пТО> 16 раз в год, число отказов не уменьшается. При количестве об-служиваний меньше 10 распределение числа отказов подчиняется параболическому закону, и коэффициенты составляют а, = 1,471; Ь = 5,068; к. = 2,534 при х2 = 2,85.
3. При оптимальном режиме движения и периодичности обслуживания количество отказов на 1000 кВт-ч снижается на 27 %..
Литература
1. Janulevi ius Algirdas, Juo^as Antanas и др. Traktor Engine and fuel consumption in road contraction works.Transport, 2010 № 25(4), p.403 -410.
2. T r k d m, Stub n Rorbert. Theoretical inve^igation into exhau& gas energetic utilization. Transport 2010 № 25(4). -357- 360 p.
3. Chernyak Larisa, Boychen Sergey, и др. Dependence jg evaporation losses on petrol quality. Transport 2010 № 25(4). p. 442- 447.
4. Дьяков И.Ф.,Садриев Р. М.. Бортовая система автоматического управления режимами движения автомобиля // Новые технологии управления робототехническими автотранспортными объектами. Ставрополь, СГТУ, 1997. с. 34.
5. Дьяков И. Бортовой энергомер // Автомобильная промышленность
№ 11, 2004. с. 18-20.
6. Дьяков. И, Логинов Н. Выбор оптимальной периодичности технического обслуживания автомобилей/Автомобильный транспорт № 12,1981.с.37-39).
