Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 6
1.1. Факторы, влияющие на расход топлива 6
1.2. Влияние температуры окружающей среды на расход топлива автомобилем при прогреве холодного двигателя 14
1.3. Системы электронного управления двигателем 25
1.3.1. Виды и основные принципы работы электронных систем 25
1.3.2. Учет внешних факторов контроллерами впрыска 28
1.3.3. Алгоритмы управления впрыском топлива 30
1.4. Особенности прогрева автомобильных двигателей, оборудованных системами распределенного впрыска 33
1.5. Нормирование расхода топлива в зимний период 37
1.6. Выводы. Задачи исследования 42
Глава 2. Теоретические исследования 44
2.1. Общая методика исследований 44
2.2. Определение границ изучаемой системы 46
2.2.1. Элементы системы и связи между ними 46
2.2.2. Параметризация системы 48
2.2.3. Уточнение границ изучаемой системы 50
2.3. Оптимизация работы системы управления впрыском топлива при прогреве двигателя 55
2.4. Разработка имитационной модели исследуемой системы 57
2.5. Формализация взаимосвязей между элементами 58
2.5.1. Режим работы двигателя и его показатели 58
2.5.2. Влияние режима и условий прогрева работающим двигателем на его продолжительность 60
2.5.3. Влияние нагрузки на расход топлива 64
2.5.4. Влияние температуры двигателя на оборотный расход топлива 67
2.6. Формализация взаимосвязей системы с внешней средой 68
2.6.1. Изменение условий эксплуатации во времени 68
2.6.2. Типичные режимы использования легковых автомобилей в городе72
2.6.3. Способы тепловой подготовки двигателя к эксплуатации 75
2.6.4. Оптимизация режимов прогрева 84
Глава 3. Экспериментальные исследования 88
3.1. Методика экспериментальных исследований 88
3.1.1. Общая методика 88
3.1.2. Экспериментальное оборудование 90
3.1.3. Оценка погрешности измерения расхода топлива 95
3.1.4. Планирование эксперимента 97
3.2. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 99
3.3. Подготовка имитационной модели процесса прогрева 101
3.4. Результаты экспериментальных исследований взаимосвязей системы с внешней средой 106
3.5. Определение адекватности формальных моделей и численных значений их параметров 124
3.6. Экспериментальное определение параметров двигателя при движении автомобиля по городскому циклу ГОСТ-20306-90 129
Глава 4. Практическое использование результатов исследований 130
4.1. Выбор оптимального режима прогрева 130
4.2. Организация имитации процессов прогрева 134
4.3. Имитация городского цикла на дороге 137
4.4. Методика дифференцированного нормирования расхода топлива 137
4.5. Внедрение результатов в АТП 143
4.6. Экономический эффект 147
4.6.1. Эффект от нормирования расхода топлива 147
4.6.2. Эффект от выбора оптимального режима прогрева 150
Основные выводы и результаты 152
Список литературы 154
Приложение 166
- Влияние температуры окружающей среды на расход топлива автомобилем при прогреве холодного двигателя
- Оптимизация работы системы управления впрыском топлива при прогреве двигателя
- Результаты экспериментальных исследований взаимосвязей системы с внешней средой
- Методика дифференцированного нормирования расхода топлива
Введение к работе
В настоящее время автомобильный транспорт является неотъемлемой частью жизни каждого. Количество автовладельцев постоянно увеличивается. В России большая часть автотранспортных средств эксплуатируется в северных районах, в связи с этим возникает множество проблем. Одна из них - прогрев холодного двигателя после продолжительного хранения автомобиля при низких температурах окружающего воздуха и связанные с этим энергетические потери, а также простои в рабочее время. В настоящее время в нашей стране идет замена силовых агрегатов легковых автомобилей на современные впрысковые системы с микропроцессорным управлением. Технологические и экономические показатели прогрева таких двигателей определяются совершенством алгоритмов и программ, заложенных в электронный блок управления двигателем. Количество впрыскиваемого топлива при различных внешних условиях определяются тарированием на стенде, а значит, подлежат проверке в реальных условиях эксплуатации.
Рациональное использование топлива при наличии продолжительных стоянок в холодное время года может быть достигнуто путем оптимизации режимов прогрева и совершенствования системы нормирования расхода топлива. Многочисленными исследованиями представителей Тюменского индустриального института, а затем и Тюменского государственного нефтегазового университета создана, успешно используется и активно совершенствуется система дифференцированных зимних надбавок к нормам расхода топлива в условиях низких температур. Однако особенности эксплуатации автомобилей, оснащенных двигателями с впрыском, требуют дальнейшего изучения.
Поэтому исследования процесса прогрева двигателя с впрыскиванием топлива после длительной стоянки на открытом воздухе зимой, а также совершенствование действующей системы нормирования расхода топлива с
учетом продолжительности и количества остановок при низких температурах воздуха, актуальны.
Целью работы является повышение топливной экономичности автомобилей на основе выбора оптимального режима прогрева и совершенствования методики нормирования расхода топлива с учетом продолжительности стоянки с неработающим двигателем в зимний период.
Объект исследования - процесс расходования топлива при прогреве холодного автомобильного двигателя в различных условиях и на разных режимах.
Предмет исследования - закономерности изменения расхода топлива при прогреве двигателей, оснащенных системой распределенного впрыска (на примере двигателей ВАЗ-2111 с контроллером «Bosch М 1.5.4.»).
Влияние температуры окружающей среды на расход топлива автомобилем при прогреве холодного двигателя
Холодный пуск подразумевает длительное нахождение не работающего автомобиля в условиях с пониженной температурой окружающего воздуха, которая во многих случаях со временем становится приравненной к температуре агрегатов, механизмов и узлов. В зимнее время, когда температура опускается порой до минус 40С и ниже ухудшается работоспособность автомобилей и возникают отказы [37, с.5].
Процесс охлаждения агрегатов и механизмов автомобиля описывается экспоненциальной зависимостью [37]: где tHi t(t) - начальная и текущая температура агрегата, узла, механизма автомобиля, С; t6 - температура окружающего воздуха, С; т, т- темп (ч"1) и продолжительность охлаждения (ч). Расход топлива q является параметром аддитивным, а температура воздуха t изменяется от + со до - оо. Зависимость между ними имеет U образный вид, т.е. является квадратичной моделью формула (1.3) и показана на рис. 1.2 [64, с.84], из которого видно, что по мере понижения температуры окружающего воздуха значительно увеличивается расход топлива. Причину этого обстоятельства мы попытаемся раскрыть ниже. где q0- расход топлива при оптимальной температуре воздуха, л/100 км; S - параметр чувствительности к изменению температуры воздуха; to - оптимальная температура воздуха, соответствующая минимальному расходу топлива, С.
Так как данная работа связана с режимами прогрева двигателя зимой, сопровождающемся износами, дополнительными затратами труда, времени и топливных ресурсов, то остановимся на факторах, влияющих на расход топлива во время прогрева двигателя в этих условиях.
Прогрев представляет собой равномерное доведение теплового состояния всех агрегатов и узлов автомобиля после пуска до рабочей температуры, позволяющей начать нормальную (экономичную) работу.
Процесс изменения расхода топлива при прогреве описывается экспоненциальной зависимостью [37]: где G„, Gy - соответственно часовой расход топлива в начале прогрева двигателя и при установившемся тепловом состоянии, кг/ч.
Некоторые авторы рекомендуют прогрев холодного двигателя до рабочих температур осуществлять в процессе движения. Другие на холостом ходе.
Двигатель легкового автомобиля среднего класса, прогретый до оптимальной температуры, обеспечивает пробег 7,2 км/л, до температуры 30С - 5,9 км/л, а холодный - 4,7 км/л [24]. Прогрев агрегатов трансмиссии длится 30 - 50 мин., что эквивалентно 20 - 30 км пробега, сопротивление качению шин стабилизируется через 15-20 мин. рис. 1.3 [37].
Из работ [24, 82] прогрев двигателя состоит из трех этапов: первый -двигатель работает на холостом ходу при 10-12 об/с примерно 4-5 мин. до тех пор, пока температура масла в картере станет не ниже +10С; второй -двигатель переводят на режим 16-18 об/с до температуры масла равной его температуре и охлаждающей жидкости 30 - 40С; третий - прогрев двигателя, трансмиссии и шин при небольшой нагрузке в движении до рабочих температур.
Вариант поддержания работоспособности автомобилей при отсутствии средств облегчения запуска двигателей за счет их работы на холостом ходу представлен в работе В.И. Копотилова [37]. Предлагается в течении длительного хранения для экономии топлива периодически включать двигатель, для обеспечения необходимого теплового состояния в определенном диапазоне температур.
Карнаухов В.Н. [30], Резник Л.Г., Ромалис Г.М., Холявко В.Г. [32] рассматривали однократный и двукратный разогревы двигателя в течении межсменного прогрева с помощью электронагревателя, а также единичный разогрев непосредственно перед началом движения. Было установлено, что промежуточные разогревы увеличивают общий расход энергетических ресурсов и разовый разогрев двигателя таким же нагревателем более выгоден. Также выяснено, что на сокращение времени и энергозатрат влияет увеличение мощности нагревателя. Этот эффект наглядно проявляется при более низких температурах воздуха [30].
Из уравнения топливного баланса, выделим три составляющих, задействованных при прогреве холодного двигателя, обусловленном низкой температурой окружающего воздуха: расход топлива на преодоление тепловых, насосных и механических потерь в двигателе; в трансмиссии; сопротивления качению шин. Этот состав объясняется тем, что низкая температура влияет на процессы, происходящие в двигателе и других агрегатах, изменяя свойства эксплуатационных материалов. Используя [82, 67, 90, 41, 37, 24, 59], подробнее остановимся на каждом элементе.
Двигатель. В условиях низких температур, в частности после длительного хранения автомобиля на открытой стоянке уменьшается температура охлаждающей жидкости, понижается температурный режим двигателя, поэтому снижается мощность из-за интенсивной передачи теплоты холодным стенкам цилиндра вследствие большей длительности протекания процесса сгорания при низких пусковых частотах вращения коленчатого вала [90], что сопровождается потерями топлива.
С понижением температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения с 85 до 45С снижается температура засасываемого воздуха, происходит задержка воспламенения топлива, работа двигателя становится жесткой. Снижается его мощность, повышается расход топлива в дизельных двигателях на 6 - 7%, в карбюраторных на 15 - 20 % рис. 1.5 [82, 67].
Оптимизация работы системы управления впрыском топлива при прогреве двигателя
Одним из важных моментов для любой электронной системы управления является реализуемый метод управления. Метод управления автомобильным двигателем определяется набором задаваемых значений управляемых переменных, зависящих от условий работы двигателя.
При работе современной системы распределенного впрыска используются принципы оптимального электронного управления двигателем при наличии ряда ограничений.
Целью решения задачи оптимизации является достижение максимальной топливной экономичности при ограничениях на токсичность отработавших газов [76]. Система управления автомобилем может быть определена по отношению к трем векторам:
Вектору(т) содержит выходные параметры, его компонентами являются: Уі(х(т), и(т))- скорость расхода топлива; У2(х(т), и(т)) - скорость выделения СН; Уз(х(т), и(т)) - скорость выделения СО;
Вектор х(т) описывает состояние двигателя, т. е. условия его работы, его компонентами являются: X/ - давление во впускном трубопроводе, х2 -частота вращения вала двигателя, хз - скорость автомобиля.
Наконец, вектор и(т) описывает регулируемые электронной системой параметры и содержит в качестве компонент: г// - отношение количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси, U2 - угол опережения зажигания (например, по отношению к верхней мертвой точке), из - рециркуляция отработавших газов, и4 - положение дроссельной заслонки, и5 - передаточное число трансмиссии.
Для рассматриваемой задачи оптимизации при наличии ограничений оптимизируемым показателем является полный расход топлива за цикл прогрева где X(T)=VE(T) - заданная скорость при испытаниях по определению состава отработавших газов по заданному циклу; тк - продолжительность прогрева.
Топливная экономичность максимальна, если величина Q достигает минимума при условии выполнения требований по токсичности отработавших газов. В случае прогрева двигатель работает по открытому ограниченному циклу, поэтому ограничения по токсичности снимаются.
Функция управления и(т) недоступна для корректирования и будет учитываться нами в модели через ее воздействие в виде изменения параметров работы двигателя.
Влияние процесса прогрева на температуру двигателя вообще не учитывается системой управления впрыском с позиций оптимального управления, а так как нас интересует скорость прогрева, то эта взаимосвязь требует дополнительного исследования. Учитывая сложность функционального описания режима движения, а также его влияние на удельный расход топлива, то его значение устанавливаем с помощью имитационного моделирования, для этого составим алгоритм рис. 2.5.
Алгоритм имитационного моделирования с дискретным изменением виртуального модельного времени хорошо сочетается с работой современного впрыскового двигателя, в котором топливо также впрыскивается дозированно и дискретными долями.
Для корректной работы алгоритма необходимо получить отмеченные выше зависимости оборотного расхода топлива от температуры двигателя, режима работы двигателя, т.е. частоты вращения коленчатого вала двигателя, нагрузки (степени открытия дроссельной заслонки). Эти закономерности должны быть представлены в виде математических моделей с численными значениями параметров, соответствующими предмету исследования.
Результаты экспериментальных исследований взаимосвязей системы с внешней средой
Изменение температуры двигателя в единицу времени, то есть скорость прогрева, зависит от оборотного расхода топлива (qo6) и частоты вращения коленчатого вала двигателя п. Между собой эти величины, как сказано выше (глава 2) не взаимосвязаны, поэтому была использована аналогичная величина - прирост температуры двигателя за один оборот коленчатого вала.
В результате аппроксимации экспериментальных данных уравнением (2.6) установлено, что совместное влияние на скорость изменения температуры двигателя (ВАЗ-2111) AtflB за один оборот таких факторов, как температура двигателя и оборотный расход топлива, температура внешней среды и оборотный расход топлива оказались незначительны, поэтому смешанные эффекты исключены из модели без потери точности. Параметры модели представлены в табл. 3.5.
На базе программного комплекса «Stamm» разработан обобщенный алгоритм работы имитационной модели с учетом объекта исследования.
Особенностью отмеченного выше программного комплекса является возможность активного вмешательства в процесс моделирования и установки логической функции для завершения процесса. Это позволяет решать задачи оптимизации, одна из которых поставлена в настоящей работе.
Для переноса временного профиля городского цикла на дороге в имитационную модель были проведены экспериментальные заезды с соблюдением указаний ГОСТ-20306-90. Параметры - скорость автомобиля, частота вращения и степень открытия дроссельной заслонки снимались с контроллера. Временной ряд текущей скорости движения (рис. 3.34) показывает высокую степень совпадения с циклограммой, представленной в ГОСТ (рис. 2.11), что подтверждено статистическим анализом выборки и говорит о возможности использования соответствующих параметров двигателя (п, ф) в имитационной модели.
В ходе исследований были получены математические модели расхода топлива при прогреве в зависимости от различных факторов (глава 3, раздел 3.3). С помощь этих моделей путем интегрирования их по времени, определены численные значения общего расхода топлива при прогреве двигателя зимой в режиме холостого хода, в движении и с использованием комбинированного режима табл. 4.1. Также для расчета общего расхода топлива при прогреве в движении, использовали имитационную модель рис. 2.5, реализованную на базе программы «Stamm».
Режим работы двигателя - частота вращения коленчатого вала, степень открытия дросселя имитируются с помощью органа управления контроллера ячейки - «Контроллер сканирования». Он считывает, например, значения частоты вращения, соответствующей модельному времени, из листа данных «Режим» текущей рабочей книги и переносит это значение в ячейку В5 листа имитации.
Использование имитационной модели, помимо определения оптимальных режимов прогрева двигателя, позволяет получить численные значения расхода топлива при различной начальной температуре двигателя, что позволяет определить величину линейной нормы расхода топлива дифференцированной по значению температуры воздуха, числу стоянок с неработающим двигателем и их средней продолжительности. Режим прогрева ДВС можно создать программно с помощью настройки параметров имитационной модели рис. 4.9, рис. 4.10. Возможности программы «Stamm» позволяют копировать области листа с данными временного профиля через стандартный буфер обмена Windows.
Для имитации городского цикла на дороге аналогичного тому, что используется при определи величины базовых линейных норм расхода топлива, перенесли параметры, считанные с контроллера в режиме заездов с соблюдением требований ГОСТ [19] (раздел 3.5), в лист рабочей книги имитационной модели.
Один из вариантов использования результатов имитации - методика дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива в зимний период с учетом одновременного действия нескольких факторов, таких как температура окружающего воздуха, количество и продолжительность стоянки автомобиля с неработающим двигателем между поездками при температуре окружающего воздуха ниже 0С.
Методика дифференцированного нормирования расхода топлива
Использование имитационной модели, помимо определения оптимальных режимов прогрева двигателя, позволяет получить численные значения расхода топлива при различной начальной температуре двигателя, что позволяет определить величину линейной нормы расхода топлива дифференцированной по значению температуры воздуха, числу стоянок с неработающим двигателем и их средней продолжительности. Режим прогрева ДВС можно создать программно с помощью настройки параметров имитационной модели рис. 4.9, рис. 4.10. Возможности программы «Stamm» позволяют копировать области листа с данными временного профиля через стандартный буфер обмена Windows.
Для имитации городского цикла на дороге аналогичного тому, что используется при определи величины базовых линейных норм расхода топлива, перенесли параметры, считанные с контроллера в режиме заездов с соблюдением требований ГОСТ [19] (раздел 3.5), в лист рабочей книги имитационной модели.
Один из вариантов использования результатов имитации - методика дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива в зимний период с учетом одновременного действия нескольких факторов, таких как температура окружающего воздуха, количество и продолжительность стоянки автомобиля с неработающим двигателем между поездками при температуре окружающего воздуха ниже 0С.
Так как эксперименты проводились на легковых автомобилях, то наиболее целесообразно рассматривать эту методику применительно для автомобилей работающих в режимах такси, служебного и личного пользования.
Такси. На сегодняшний день вследствии большой конкурентности на рынке транспортных услуг обслуживание пассажиров автомобилями-такси обеспечивается круглосуточно в основном по срочному вызову или по предварительному заказу непосредственно к месту посадки пассажира.
Из анализа сведений полученных в фирмах занимающихся таксомоторными перевозками, выяснилось, что простои автомобилей-такси приходятся на период с 1 до 4 часов ночи. Продолжительность простоев в это время колеблется между 2-3 часами.
Автомобили служебного пользования. Основная часть этих автомобилей обслуживает различные предприятия, организации и ведомства. В среднем 10 поездок, сопровождающиеся 10-ю стоянками осуществляет один служебный автомобиль за рабочий день. Из них две стоянки имеют продолжительность около двух часов, остальные восемь около 30-50 минут.
Автомобили личного пользования. Более 70 % [3] поездок осуществляется владельцами автомобилей в городах при поездках на работу и культурно-бытовым целям, в нашем случае это значит, что после длительной стоянки ночью, владелец после запуска и прогрева автомобиля приезжает к месту работы, останавливает двигатель на время равное продолжительности рабочего дня.
Из вышесказанного следует - автомобили различного назначения имеют различное количество стоянок с неодинаковой продолжительностью. В этом случае в зимнее время, по причине прогрева охлажденного за время остановки двигателя имеет место перерасход топлива.
Исходя из [71], темп охлаждения двигателя определяется зависимостью (4.2) зависит от массы двигателя, скорости ветра, плотности компоновки подкапотного пространства и утепления двигателя и не зависит от температуры окружающего воздуха. коэффициент неравномерности распределения температуры.
Таким образом, вследствие отсутствия влияния температуры воздуха на темп охлаждения каждый двигатель установленный в данной модели автомобиля имеет определенное значение темпа охлаждения, которое рассчитывается и задается при имитации.
На ее базе представляется наиболее удобным подготовить таблицы дифференцированных зимних норм расхода топлива для автомобилей ВАЗ 10-го семейства (с 8-клапанным впрысковым двигателем), учитывающих режим использования автомобилей. Как уже было отмечено ранее в главе 1, на величину расхода топлива в условиях низких температур наибольшее влияние оказывает количество и продолжительность остановок с выключенным двигателем. Выполнив имитацию остывания и последующего прогрева двигателя во время стоянок, получим величину таких норм для различных значений низких температур табл. 4.3.
