Введение к работе
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 36 млн. АТС, из них более 14% - грузовых, с их годовым производством к 2007 году 293 тыс. ед. Поэтому, в нашей стране в условиях жестко централизованной экономической системы 1980-1990 г.г., 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 использование альтернативных энергоносителей – 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 НАМИ, НИЦИАМТ, 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:
-
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.
-
Выбора рациональной конструкции ГАТС категории N2 и N3, работающих на ГМТ, по энергопотреблению и безопасности.
Задачи исследования.
-
Провести изучение энергопотребления и скоростных свойств (ЭСС) ГАТС категории N2, N3 в системе «автомобиль-водитель-окружающая среда-производство» (А-В-Д-ОС-Пр).
-
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.
-
Разработать методологию экспериментальных и теоретических исследований функциональных, надежностных свойств ГАТС, работающих на ГМТ и организовать их проведение.
-
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.
-
Разработать методики проведения измерений расхода газового топлива при стендовых и лабораторно-дорожных испытаниях, в эксплуатации и методики диагностики системы хранения и подачи газового топлива.
-
Разработать компоновочно-конструкторскую схему (ККС) и провести исследования первого образца ГАТС ЗИЛ, оснащенного металлогидридным аккумулятором водорода для обеспечения работы двигателя на бензоводородных смесях.
-
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.
-
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 АМО 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.
-
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.
-
Методика прогнозирования технического уровня разрабатываемых образцов ГАТС или их систем с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства.
-
Результаты теоретического исследования, стендовых дорожных испытаний, подтвердивших возможность применения водорода в качестве моторного топлива для грузовых автотранспортных средств.
-
Разработка методологии испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, на пожаровзрывобезопасность, получение экспериментальной информации и использование математических методов прочностных расчетов и анализа.
-
Обоснование и практическую реализацию ККС ГАТС при работе на ГМТ с учетом потенциальных свойств системы хранения газового топлива (метана) в производстве и эксплуатации.
-
Разработка методологии испытаний по оценке энергопотребления и производительности в эксплуатации ГАТС, работающих на природном газе и водороде.
Практическая ценность заключается в следующем:
-
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.
-
Созданная система испытаний (лабораторных, дорожно-лабораторных, эксплутационных, 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-138) ЗИЛ-431810
ЗИЛ-441610 (ЗИЛ-138В1)
ЗИЛ-446210 (ЗИЛ-138Д2)
ЗИЛ-433630 новый модельный ряд
1.2. работающих на сжатом природном газе:
ЗИЛ-138А
ЗИЛ-138И (с двиг. Е=8,0)
ЗИЛ-138АГ
ЗИЛ 431610 с 8-ю и 12-ю баллонами
ЗИЛ-433530 (новый модельный ряд)
ЗИЛ-ММЗ-45054
ЗИЛ-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.
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, ЗИЛ-433530;
7. В изготовление бортового автомобиля ЗИЛ-431610 с увеличенным объемом системы хранения (на 50%) природного газа под давлением 19,6 МПа с 12-ю баллонами.
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 АМО 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" АМО ЗИЛ с 1988 по 1992 г.
- участие в совместных работах ЗИЛа, НАМИ, КАМАЗа, МАЗА, 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 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:
-
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».
-
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».
-
1-ый Всероссийский семинар профессионалов автобизнеса «Топ-мастер-ХХ1 век», 22-25.06.1998 г. (ДК. АМО ЗИЛ). Доклад о роли МГИУ в подготовке кадров по техническому обслуживанию автотранспортных средств.
-
ХХУII Научно-техническая конференция ААИ «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа, Москва МГТУ «МАМИ» 29, 30 сентября 1999 г.
-
ХХХ Международная научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Москва МГТУ «МАМИ», 25,26 сентября 2002 г.
-
Х 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.
-
IХ Международные научные чтения Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ) семинар. 5-7 октября 2005 г.
-
II Международная конференция «Альтернативные источники энергии для больших городов», Москва, 2006 г.
-
V Международный автомобильный научный форум (МАНФ) в ТНЦ РФ «НАМИ», октябрь 2006 г.
-
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 34 печатных трудах, в том числе в 3-х монографиях.
Структура и объем диссертации.
