Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса 11
1.1 Состояние и перспективы автомобильного транспорта 11
1.2 Механизм формирования топливной экономичности автомобилей 13
1.3 Влияние температуры, давления, плотности и влажности окружающего воздуха на расход топлива 17
1.4 Пуск двигателей при низкой температуре 22
1.5 Система управления составом топливной смеси 24
1.6 Зависимость коэффициента избытка воздуха и пределов воспламенения топлива 29
1.7 Целесообразность применения систем корректирования параметров воздуха 35
1.8 Анализ систем подготовки воздуха во впускном коллекторе двигателя во время пуска и эксплуатации автомобиля 39 Выводы по главе 1 41
2 Аналитические исследования 42
2.1 Общая методика исследований 42
2.2 Оценка влияния параметров окружающего воздуха на расход топлива автомобиля 44
2.3 Оценка параметров рабочей смеси в конце впуска 48
2.4 Оценка влияния параметров воздуха во впускном коллекторе двигателя на расход топлива автомобиля 51
2.5 Оценка предельной мощности электронагревательного элемента 54
Выводы по главе 2 56
3 Подготовка экспериментальных исследований 57
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 57
3.2 Методика экспериментальных исследований 57
4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 63
4.1 Результаты экспериментальных исследований по расходу топлива 63
4.2 Проверка адекватности математической модели расход топлива, учитывающей параметры воздуха, используемого двигателем автомобиля в процессе эксплуатации 67
4.3 Испытания грузовых автомобилей, оснащенных системой корректирования параметров воздуха на входе в двигатель 74
4.3.1 Предлагаемая конструкция электронагревательного элемента 74
4.3.2 Определение мощности электронагревательного элемента 78
4.3.3 Подтверждение эффективности работы предложенных технических решений 86 Выводы по главе 4 93
5 Оценка эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель 94
5.1 Экономическая оценка эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель 94
5.2 Основные пути практического применения результатов исследования 98
Выводы по главе 5 99
Заключение 100
Список использованной литературы 102
Приложение А. Технические характеристики исследуемых автомобилей 115
Приложение Б. Влияние температуры, давления, влажности окружающего воздуха и температуры воздуха во впускном коллекторе на расход топлива грузовых автомобилей 116 Приложение В. Расход топлива грузовых автомобилей при поддержании оптимальной температуры на входе в двигатель 118
Приложение Г. Расход топлива грузовых автомобилей с учетом температуры, давления, плотности и влажности воздуха во впускном коллекторе двигателя 120
Приложение Д. Патент на полезную модель №152094 от 10.05.2015г. 124
Приложение Е. Расчетные данные для определения мощности электронагреваетльного элемента для грузовых автомобилей 132
Приложение Ж. Время нагрева воздуха 138
Приложение З. Предлагаемая конструкция электронагревательного элемента для двигателя КамАЗ 740.13–260 144
Приложение И. Акт внедрения в производство научно-технических разработок на Тюменской БПТОиКО АО «Транснфеть–Сибирь» 145
Приложение К. Акт внедрения в производство научно-технических разработок в ООО УАП «Европа+Азия» 146
Приложение Л. Акт внедрения в производство научно-технических разработок в ООО «Бердюжское АТП» 147
Приложение М. Справка о внедрении в учебный процесс ФГБОУ ВО «ТИУ» 148
- Влияние температуры, давления, плотности и влажности окружающего воздуха на расход топлива
- Методика экспериментальных исследований
- Предлагаемая конструкция электронагревательного элемента
- Экономическая оценка эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель
Введение к работе
Актуальность темы. В современных экономических условиях проблема повышения эффективности эксплуатации автомобильного транспорта относится к числу особенно значимых, что подтверждается принятой Правительством РФ Транспортной стратегией на период до 2030 года.
Несмотря на высокую себестоимость автомобильного транспорта до 90% продукции перевозится именно с его помощью. Повысить эффективность эксплуатации автомобильного транспорта можно в результате уменьшения расходов на горюче-смазочные материалы, которые могут достигать 25…30% в структуре себестоимости транспортных услуг и имеют тенденцию к дальнейшему увеличению. С учетом постоянного роста цен на энергоносители становится очевидным приоритетное влияние энергетических ресурсов на себестоимость транспортных услуг.
Условия эксплуатации автомобилей, которые складываются из различных факторов внешней среды, оказывают значительное влияние на расход топлива. Учитывая, что значительная часть территории РФ относится к районам Крайнего Севера и местностям, приравненным к ним, следует отметить актуальность исследований, направленных на изучение факторов влияния внешней среды на расход топлива у автомобилей.
Проведенный анализ наиболее известных научно-исследовательских работ в области повышения топливной экономичности автотранспортных средств позволил сделать вывод о том, что в настоящее время сложились определенные теоретическая, методологическая и экспериментальная базы. Определено, что основным требованием, предъявляемым при эксплуатации автомобилей, является повышение эффективности не только за счет повышения результативности перевозок, снижения трудовых и материальных затрат, но и за счет экономии топливно-энергетических ресурсов. К методам ресурсосбережения следует отнести все мероприятия, позволяющие уменьшить расход топлива автомобилями при их эксплуатации. В технической литературе широко освещены частные случаи влияния факторов внешней среды на расход топлива автомобилей, например, влияние низких температур воздуха. Однако в них не в полной мере отражены вопросы топливной экономичности автомобилей с учетом совместного влияния температуры, давления, плотности и влажности воздуха, отсутствует концепция формирования расхода топлива с учетом подогрева и поддержания установившейся оптимальной температуры воздуха во впускном коллекторе. Актуальность и недостаточность разработанности этих проблем послужили основанием для проведения настоящего исследования.
Настоящее диссертационное исследование определяется требованиями паспорта научной специальности 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта п. 19 – Методы ресурсосбережения в автотранспортном комплексе.
Степень разработанности темы. Исследования, посвященные топливной экономичности автомобилей, в разное время проводились в НАМИ, МАДИ, НИИАТе, ТИУ, СибАДИ, а также в других организациях и учреждениях нашей страны и за рубежом. Данному вопросу посвящены работы Н.Б. Островского,
М.Л. Минкина, Н.В. Семенова, Г.С. Лосавио, А.Н. Островцева, Д.П. Великанова, Е.А. Чудакова, З.И. Лейбзона, И.Ж. Шартуни, А.М. Шейнина, Г.В. Крамаренко, М.И. Лурье, А.М. Бородича, Н.Я. Говорущенко, Л.Г. Резника, В.И. Ерохова, Н.А. Кузьмина, В.Н. Карнаухова, Л.И. Виленского, Д.А. Захарова, Н.И. Веревкина, В.Н. Иванова, И.И. Курбановича, А.А. Токарева, Г.М. Ромалиса, И.М. Головиных, М.С. Высоцкого, А. И. Коваля, А.Э. Симеона, В.А. Зеера., А.В. Хомича, В.Ю. Гиттиса и др.
Цель работы – обеспечение ресурсосбережения в предприятиях,
эксплуатирующих грузовой автотранспорт.
Объект исследования – процесс изменения расхода топлива грузового автомобиля в зависимости от параметров воздуха на входе в двигатель.
Предмет исследования – зависимости расхода топлива грузового автомобиля от параметров воздуха на входе в двигатель.
Задачи исследования:
-
Установить зависимость влияния температуры, давления, плотности и влажности воздуха на входе в двигатель на эксплуатационный расход топлива грузовых автомобилей.
-
Разработать математическую модель расхода топлива, учитывающую параметры воздуха, используемого двигателем автомобиля в процессе эксплуатации.
-
Разработать конструктивные технические решения для корректирования параметров воздуха на входе в двигатель в процессе эксплуатации автомобиля.
-
Провести экспериментальные исследования предлагаемых технических решений на автомобиле для установления зависимости расхода топлива от параметров входного воздуха.
-
Провести технико-экономическую оценку эффективности эксплуатации грузовых автомобилей, оснащенных системой корректирования параметров воздуха на входе в двигатель.
Научная новизна диссертационной работы заключается:
-
Установлена зависимость влияния температуры, давления, плотности и влажности воздуха на входе в двигатель на эксплуатационный расход топлива грузовых автомобилей.
-
Обоснован вид математической модели расхода топлива, учитывающей параметры воздуха, используемого автомобилем в процессе эксплуатации.
-
Предложено новое техническое решение, позволяющее поддерживать заданную температуру воздуха во впускном коллекторе.
-
Разработаны практические рекомендации применения технического устройства при эксплуатации грузовых автомобилей.
Теоретическая и практическая значимость работы. Обоснованы параметры технического устройства и предложена его конструкция. Для обеспечения работы предлагаемого технического устройства в режиме автоматики разработана и внедрена система корректирования параметров воздуха на входе в двигатель путем подключения его к штатной системе управления работы двигателем автомобиля через дополнительный контроллер.
На основе предложенной системы корректирования параметров воздуха на
входе в двигатель была разработана и адаптирована к умеренно холодным климатическим районам экспериментальная модель технического устройства, которая прошла испытания на Тюменской базе производственно-технического обслуживания и комплектации оборудованием АО «Транснефть–Сибирь» и там же принята к внедрению. Кроме того, разработки приняты к внедрению в ООО УАП «Европа+Азия» и ООО «Бердюжское автотранспортное предприятие».
Результаты практического использования показали экономию топлива до 16% от нормативного. На основании этого можно рекомендовать результаты данных исследований к применению на автомобилях с дизельными двигателями.
Результаты исследований используются в учебном процессе
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» по направлениям
23.03.01 «Технология транспортных процессов» (бакалавриат) и
23.04.01 «Технология транспортных процессов» (магистратура).
Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды отечественных и зарубежных специалистов в области эксплуатации автомобильного транспорта, проблем повышения его эффективности. В данной работе использован комплекс методов, который предусматривает проведение экспериментальных и теоретических исследований расхода топлива грузовыми автомобилями в зависимости от параметров окружающего воздуха в процессе эксплуатации. Методологической основой исследования является комплекс общенаучных (анализ, сравнение, обобщение) и специальных (системный анализ) методов, а его теоретической основой – теория технической эксплуатации автомобилей, теория вероятностей, математическая статистика. Экспериментальные исследования были проведены с помощью современного оборудования и контрольно-измерительных приборов. При обработке результатов исследования применялись современные статистические методы.
Положения, выносимые на защиту.
Автор защищает совокупность научных положений, на базе которых
установлена зависимость влияния температуры, давления, плотности и влажности
воздуха на входе в двигатель на эксплуатационный расход топлива грузовых
автомобилей; математическая модель расхода топлива, учитывающая параметры
воздуха, используемого автомобилем в процессе эксплуатации; новое техническое
решение, позволяющее поддерживать заданную температуру воздуха во впускном
коллекторе; технико-экономические показатели применения системы
корректирования параметров воздуха на входе в двигатель.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций
диссертационного исследования подтверждается применением научных методов, отвечающих поставленной цели; адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований; сформулированные положения, выводы и рекомендации обоснованы, аргументированы и подкреплены достаточным количеством наблюдений.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на XXXXIII Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления (г.Миасс, 2013), на Всероссийской научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы
функционирования систем транспорта» (г.Тюмень, 2013), на Международной
научно-практической конференции «Инновационное лидерство строительной и
транспортной отрасли глазами молодых ученых» (г.Омск, 2014), на Международной
научно-технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические
системы» (г.Тюмень, 2014), на VIII Всероссийской научно-практической
конференции «Организация и безопасность дорожного движения» (г.Тюмень, 2015),
на Международной научно-технической конференции «Транспортные и
транспортно-технологические системы» (г.Тюмень, 2017).
Публикации. По теме исследования опубликовано 19 работ (в т.ч. 6 – в
изданиях, рекомендованных ВАКом РФ, 1 – в издании, входящем в международную
реферативную базу данных AGRIS). Патент на полезную модель
электронагревательного элемента для подогрева воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания №152094 от 10.05.2015.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования приняты
для внедрения на Тюменской базе производственно-технического обслуживания и
комплектации оборудованием АО «Транснефть–Сибирь»,
в ООО УАП «Европа+Азия» и ООО «Бердюжское автотранспортное предприятие».
Результаты исследований используются в учебном процессе
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 148 страниц текста, 21 таблица, 33 рисунка, 12 приложений и список литературы из 124 наименований.
Влияние температуры, давления, плотности и влажности окружающего воздуха на расход топлива
Внутри одной климатической зоны, такой как Тюменская область, среднесуточная температура воздуха колеблется в интервале +30 -30 C, а влажность – 2080% [21].
Расход топлива с понижением температуры окружающего воздуха увеличивается вследствие ухудшения условий эксплуатации, в результате чего повышается потребление топлива двигателями. Следует отметить, что отрицательные температуры воздуха также снижают и пусковые свойства двигателей. Теоретическими и практическими исследованиями обосновано, что низкие температуры увеличивают расход топлива до 10–15%, а высокие – до 3–5%.
Из анализа работ В.М. Архангельского, И.М. Ленина и других исследователей следует, что от температуры режима работы двигателя зависит ряд выходных характеристик – мощность, крутящий момент и удельный расход топлива. Наибольшее влияние оказывает температура воздуха на входе в двигатель [7, 65, 66, 67], это значение является основной составляющей удельного расхода топлива. Нормальным температурным режимом во впускном коллекторе считается температура воздуха, равная +20 +70 С.
При отрицательной температуре окружающего воздуха понижается не только температура воздуха, поступающего в камеру сгорания двигателя, но и топлива. В результате снижается качество смесеобразования из-за ухудшения качества распыливания топлива [60, 64].
Следует отметить, что установившаяся температура воздуха во впускном коллекторе двигателя линейно понижается при уменьшении температуры окружающего воздуха. Этот вопрос в разное время изучали Д.А. Захаров и Г.С. Лосавио. По приведенным данным температура воздуха во впускном коллекторе на 10 С выше атмосферной при +30 С.
В работах З.И. Лейбзона [65, 66, 67], Н.Ж. Шартуни [113] исследована топливная экономичность двигателей в диапазоне температуры воздуха на входе от +15 до +100 С. В результате исследований было отмечено, что в интервале температур от +20 до +62 С топливная экономичность двигателя ГАЗ-53 оставалась на оптимальном (минимальном) уровне, а двигателей ГАЗ-21 и МЗМА-408 колебалась от 2,8–3,5% на каждые изменения температуры воздуха во впускном коллекторе в пределах ±10 С. Следует отметить, что исследования при отрицательных температурах воздуха на входе в двигатель не проводились. В исследованиях [6, 16, 85, 86] описано, что наблюдается ухудшение топливной экономичности двигателей, которое объясняется обеднением горючей смеси из-за поступления холодного воздуха в камеры сгорания. Холодная обедненная топливовоздушная смесь сгорает недостаточно интенсивно, в результате чего расход топлива возрастает. По данным работы [7], топливная экономичность дизельных двигателей в области отрицательных значений улучшается, но не установлено, до каких температур. Сопоставляя изложенное, можно отметить следующее. В соответствии с исследованиями, проведенными в Тюменском индустриальном университете, зависимость расхода топлива от температуры воздуха, в том числе и во впускном коллекторе двигателя, имеет U-образный характер.
По данным исследования [94] установлено следующее: «При понижении температуры головки и стенок цилиндра процесс сгорания затягивается, что можно объяснить замедлением реакции окисления топлива. Для уменьшения количества топливной пленки и улучшения испарения топлива на современных бензиновых двигателях применяют подогрев впускного трубопровода, который создает хорошие условия для интенсивного испарения топлива, находящегося на стенках».
Условия смесеобразования в дизельном двигателе более сложны, чем в бензиновом. Важнейшими факторами, влияющими на скорость воспламенения топливовоздушной смеси в дизельном двигателе, являются температура воздуха начала впуска и его плотность, качество распыления и испаряемость топлива. При повышении температуры впускного воздуха период задержки воспламенения рабочей смеси сокращается вследствие ускорения разогрева, в результате чего топливо быстрее испаряется и окисляется (рисунок 4).
Температура конца такта сжатия определяется в первую очередь температурой конца такта впуска, что указывает на большую целесообразность предварительного разогрева воздуха, поступающего в цилиндры при пуске холодного дизельного двигателя [94].
Расход топлива автомобилей также зависит от давления и влажности воздуха. Это объясняется нарушением смесеобразования в камере сгорания за счет потери части теплоты на испарение влаги и уменьшения плотности воздуха в результате снижения давления. Исследованиями [65, 66, 67, 113] определены численные характеристики влияния климатических факторов на расход топлива автомобилями. В результате экспериментов было подтверждено предположение Д.П. Великанова и Г.В. Крамаренко, что наибольшее влияние оказывает температура воздуха во впускном коллекторе двигателя [11,62].
Увеличение потребления топлива при температуре выше +60 +70 С объясняется ухудшением наполнения за счет уменьшения плотности воздуха. Данный процесс исследовался во многих работах [10, 18, 49, 60, 78, 111]. Из таблицы 3 следует, что плотность окружающего воздуха увеличивается в интервале от 3,5 до 4,5% при понижении температуры на каждые 10 С (при прочих равных условиях).
По данным Росгидромета, относительная влажность воздуха в Тюменской области в среднем по году изменяется следующим образом: 294 дня в году влажность колеблется в диапазоне 60–90%, остальные 70 дней относительная влажность составляет менее 60% [45, 76].
При этом способность сжатого воздуха удерживать пары воды при понижении температуры уменьшается. При температуре +50 С и атмосферном давлении 1 атм или 101 325 Па влагосодержание может достигать 86,2 г/кг, но при этой же температуре и давлении 10 атм его влагосодержание уменьшается до 7,67 г/кг, то есть в 11 раз (таблица 4). Вода при своем испарении (повышении парциального давления) расширяется, оставляя меньше объема воздуху, тем самым ухудшая смесеобразование. При своем испарении вода отбирает часть теплоты, ухудшая технико-экономические показатели процесса сгорания. В процессе сжатия содержание влаги в удельном объеме воздуха увеличивается, а относительная влажность, наоборот, снижается [33].
Таким образом, снижение топливной экономичности автомобилей при низких и высоких температурах воздуха во впускном коллекторе двигателя обусловлено не только нарушением температурного режима воздуха, но и изменением давления, влажности и, как следствие, изменением плотности воздуха. Анализ проведенных работ в области влияния климатических факторов на расход топлива автомобилями в процессе их использования показал, что данный вопрос исследован не в полной мере. Полученные результаты имеют один общий недостаток – приведены для конкретных марок и моделей автомобилей.
Методика экспериментальных исследований
Методика экспериментальных исследований подразумевает проведение следующих этапов:
– разработка плана эксперимента, выбор объекта и объема испытаний;
– сбор и обработка данных показаний датчиков в ходе эксперимента во время проведения эксплуатационных испытаний;
– сбор данных о фактических показателях окружающего воздуха;
– экспериментальная оценка интенсивности изменения расхода топлива при различных параметрах воздуха;
– обработка и анализ результатов эксперимента. Подтверждение или опровержение выдвинутых в ходе аналитических исследований гипотез невозможно без проведения экспериментальных исследований, в ходе которых можно также подтвердить справедливость аналитических зависимостей для автомобилей разных марок и моделей.
Результаты любого эксперимента и выводы, которые из них можно сделать, зависят в большой степени от того, каким образом собираются данные. Для наиболее эффективного проведения эксперимента необходимо применять научный подход при его планировании.
Согласно ГОСТ Р 41.84-99 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения дорожных транспортных средств, оборудованных двигателем внутреннего сгорания, в отношении измерения потребления топлива» и ГОСТ Р 54810-2011 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний», эксперимент проводился при соблюдении следующих требований.
Двигатель и органы управления транспортного средства должны быть отрегулированы в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя [23].
До проведения испытания транспортное средство должно находиться в таком месте, в котором поддерживается практически постоянная температура +20 +30 С. Это условие должно выполняться в течение не менее 6 ч до тех пор, пока температура масла в двигателе и охлаждающей жидкости (при наличии) не достигнет ±2 С температуры окружающего воздуха [23].
Транспортное средство должно быть чистым, стекла и воздухозаборники должны быть закрыты; мягкий откидной верх или тент должен находиться в рабочем положении. Работать должно только то оборудование транспортного средства, которое необходимо для проведения испытания. Если имеется устройство подогрева впускного воздуха с ручным управлением, оно должно находиться в положении, предписанном предприятием-изготовителем для такой температуры окружающего воздуха, при которой проводится испытание. Как правило, должны работать вспомогательные устройства, необходимые для нормального функционирования транспортного средства [23].
Агрегаты и механизмы транспортного средства, не применяемые во время движения по дорогам с усовершенствованным покрытием (дополнительный ведущий мост, коробка отбора мощности и др.), должны быть выключены; в раздаточной коробке должна быть включена повышающая передача [21].
Если вентилятор системы охлаждения оборудован терморегулятором, то он должен находиться на транспортном средстве в обычном рабочем положении. Система обогрева салона должна быть отключена; также должна быть отключена система кондиционирования воздуха, однако ее компрессор должен нормально функционировать [23].
Применяемые шины должны соответствовать одному из типов шин, определенных в качестве штатных предприятием-изготовителем, причем давление воздуха в них должно соответствовать рекомендуемому предприятием-изготовителем для нагрузки и максимальной скорости, развиваемой в процессе испытания. Шины не должны иметь повреждений, а также должны пройти обкатку одновременно с транспортным средством, либо глубина их протектора должна составлять не менее 50% первоначальной глубины [23].
Топливо, применяемое при испытании, и измерение его потребления. В качестве топлива при испытаниях применяется соответствующее эталонное топливо определенное Европейским координационным советом.
Расстояния должны измеряться с точностью до 0,3%, время должно измеряться с точностью до 0,2 с. Устройства, измеряющие потребление топлива, пройденное расстояние и время, должны включаться одновременно [23].
Топливо должно поступать в двигатель через устройство, способное определять расход с точностью до ±2%: это устройство не должно изменять давление и температуру топлива (определенные на входе в измерительное устройство) более чем на ±10%, в том что касается давления, и ±5 К (5 С) в отношении температуры [23].
Оборудование для проведения испытаний. Расход топлива во время испытания определялся с помощью штатных датчиков автомобилей. Чтение значений путевых расходов топлив производилось посредством подключения ПК (ноутбука) к бортовой системе диагностики автомобилей через адаптер BT-ECU (рисунок 13).
Адаптер ВТ-ECU также представляет собой законченное электронное устройство, служащее для подключения к бортовой системе диагностики автомобилей через интерфейс K-Line или CAN. Считанные с датчиков и электронного блока управления (ЭБУ) автомобиля данные можно отобразить на экране ПК посредством программного обеспечения Check-Engine (разработчик ООО НПП «АСЕ»). Для подключения адаптера ВТ-ECU к диагностическому разъему автомобиля использовался специальный кабель K-Line.
С помощью адаптера ВТ-ECU можно вывести на экран ПК значения следующих параметров автомобиля в режиме реального времени:
1) обороты коленчатого вала двигателя, об/мин;
2) скорость, км/ч;
3) температура впуска, С;
4) давление топлива, бар;
5) массовый расход воздуха, кг/ч;
6) температура охлаждающей жидкости, С;
7) угол опережения зажигания, ;
8) положение дроссельной заслонки, %;
9) время работы двигателя, мин;
10) уровень топлива в баке, %;
11) бортовое напряжение, В;
12) пройденный путь, км;
13) общее время в пути, мин;
14) общий расход топлива за поездку, км;
15) средний расход топлива за поездку, л/100 км.
Предлагаемая конструкция электронагревательного элемента
Анализ результатов других исследователей, представленных во втором разделе, позволил предложить решение задачи поддержания температуры воздуха во впускном коллекторе двигателя в оптимальном диапазоне. Предложенная автором схема подогрева воздуха в воздушном фильтре позволяет избежать недостатков, указанных в разделе 1.
Изготовление электронагревательных элементов предполагается выполнять с применением графитированных волокон, потому что они имеют меньшую инерционность при включении и большую поверхность нагрева, что повышает скорость нагрева воздуха в воздушном фильтре. Удельное сопротивление углеродного волокна 10-610-5 Омм [53]. Варьируя плотность и структуру волокна, можно иметь электронагревательные элементы различной мощности и конструкции, что позволяет использовать их для всех двигателей и во всех типах воздушных фильтров.
Данное решение положительно влияет на уменьшение шума, так как эпюра распределения звукового давления во впускном коллекторе характеризуется косинусоидой с максимальным значением в зоне клапана и минимальным значением в камере воздухоочистителя. Таким образом, в предполагаемом двигателе обеспечивается широкая полоса эффективного глушения шума работы двигателя и экономия топлива до 5% на любом типе двигателя за счет повышения впускной температуры воздуха до +20 +60 С [79].
В качестве прототипа выбрана система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте РФ №2090775 С1 (51) МПК6F02M31/13. Известному устройству присущи те же недостатки, что и в описанных аналогах. В частности, изменение конструкции путем установки нагревательного устройства внутри коллектора, удорожание, невозможность ремонта и технического обслуживания без разборки двигателя [79].
Сущность изобретения заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей впускную трубу, один конец которой подключен к воздухоочистителю, а другой к впускным патрубкам блока двигателя, в воздушном фильтре устанавливается электронагревательный элемент с регулируемой мощностью и функционально запитанный от бортового источника питания. Названный электронагревательный элемент выполнен в виде прямоугольной пластины толщиной 10–50 мм или круга для воздушных фильтров круглой формы в зависимости от типа и мощности двигателя, следовательно, и мощность ЭНЭ зависит от объема воздуха, проходящего через него. ЭНЭ располагается после типового очистительного элемента, для грузовых автомобилей внутри него. Такое расположение электронагревательного элемента обеспечивает быстрый и качественный подогрев всасываемого воздуха до определенной температуры +40 +60 С без увеличения гидравлических сопротивлений впускного тракта, так как проходящий в цилиндры воздух имеет возможность проходить через нагреваемую структуру большой площади. Таким образом, достигается улучшение экономических, экологических, мощностных показателей двигателей внутреннего сгорания автомобилей в условиях низких температур на режимах пуска и эксплуатации автомобилей.
На все вышеизложенное автором получен патент от 10.05.2015г. №152094 на полезную модель электронагревательного элемента для подогрева воздуха на входе в двигатель с целью экономии топлива (приложение Д). На рисунке 20 показана система впуска двигателя автомобиля.
Система впуска двигателя внутреннего сгорания 1 содержит впускную трубу (коллектор) 2, один конец которой подключен к воздухоочистителю 3, а другой через впускные патрубки 6, 7, 8, 9 впускной трубы 2 соединен с цилиндрами 10, 11, 12, 13 двигателя 1 и смонтированный в воздушном фильтре 4 нагревательный элемент 5, функционально запитанный от бортового источника электроснабжения (аккумуляторной батареи) автомобиля.
Электронагревательный элемент 5 выполнен или в виде прямоугольника, если фильтр прямоугольной формы, или полого цилиндра, если воздушный фильтр имеет круглую форму, к которому подключены контактные клеммы 15 (+) и 14 (-) аккумулятора [79].
В электроцепи многих автомобилей уже имеется многофункциональный процессор 16, отслеживающий температурный режим двигателя в зависимости от параметров на впуске (температуры всасываемого воздуха, температуры охлаждающей жидкости и расхода топлива). Если процессора нет, то его необходимо установить, но он отсутствует только на старых моделях автомобилей. Процессор включает или отключает подогрев воздушной среды в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель. На рисунках 21 и 22 конструктивные варианты ЭНЭ плоской и круглой форм соответственно [79].
Электронагревательные элементы выполняются в виде пластин или цилиндров из пористого газопроницаемого графитированного волокна, обладающего высоким омическим сопротивлением. При включении зажигания вся поверхность электронагревателя мгновенно прогревается до рабочей температуры +90 С и весь поток воздуха, проходя через него, нагревается до температуры +20 +60 С в зависимости от мощности ЭНЭ и температуры окружающего воздуха. В случае повышения температуры впускного воздуха более +60 С процессор 16 (см. рисунок 20) отключает нагрев воздуха [79].
Патент на полезную модель нагревательного элемента для подогрева воздуха на входе в двигатель внутреннего сгорания от 10.05.2015 г. № 152094 имеет следующую формулу изобретения:
1. Один конец впускного трубопровода двигателя внутреннего сгорания через впускные патрубки подключен к цилиндрам двигателя, другой – к воздухоочистителю. В воздухоочиститель одновременно с воздушным фильтром устанавливается электронагревательный элемент, выполненный из газопроницаемого графитированного волокна, обладающего высоким омическим сопротивлением, который функционально подключен к бортовому источнику электроснабжения. Форма электронагревательного элемента может быть в виде плоского прямоугольника толщиной 10–50 мм для легковых и 100–200 мм для грузовых автомобилей или цилиндров для круглых корпусов воздухоочистителей.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электронагреватели изготавливаются отдельно, точно так же, как и воздушные фильтры, или вместе с ними, и просто вставляются в воздухоочистители при каждом техническом обслуживании.
3. Установка электронагревательных элементов разной мощности позволяет без реконструкции выпускаемых двигателей облегчить их пуск при низких температурах и поддерживать впускную температуру воздуха в пределах +20 +60 С в зависимости от температуры наружного воздуха, что дает экономию топлива в размере 5–10% от общего потребления топлива и обеспечивает техническое обслуживание и замену электронагревательных элементов в процессе эксплуатации.
Экономическая оценка эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель
Немаловажную роль в снижении эксплуатационных затрат играет применение новой или модернизация уже используемой техники.
В основу экономической оценки эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель были положены методы расчета, изложенные в Методических рекомендациях по оценке эффективности инвестиционных проектов (утв. 21.06.1999 №ВК 477).
В качестве основных показателей, используемых для расчетов эффективности инвестиций, были приняты экономический эффект за расчетный период и срок окупаемости капитальных вложений.
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений. Период окупаемости – минимальное количество периодов, необходимых для полного возмещения инвестиционных затрат. В данной диссертационной работе экспериментальные исследования и производственные испытания опытного образца электронагревательного элемента производились на грузовых автомобилях КамАЗ-54115 и Урал-4420-10. В этой связи данные автотранспортные средства были выбраны в качестве базовых для расчета экономической оценки эффективности применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель.На основании данных, представленных в таблице 18, можно сделать заключение, что увеличение балансовой стоимости одного автомобиля составляет 32,4 тыс. рублей.
Исходные данные для выполнения расчета оценки эффективности использования автомобилей, оснащенных системой корректирования параметров воздуха на входе в двигатель на примере автомобилей КамАЗ-54115 и Урал-4420-10, представлены в таблице 19.
Коэффициенты отчислений на ТО и ТР и амортизацию установлены в соответствии с Учетной политикой, утвержденной на Тюменской базе производственно-технического обслуживания и комплектации оборудованием АО «Транснефть – Сибирь».
Результаты расчета оценки эффективности использования автомобилей, оснащенных системой корректирования параметров воздуха на входе в двигатель, представлены в таблице 20. Согласно данным таблицы 20 годовой экономический эффект использования автомобилей, оснащенных системой корректирования параметров воздуха на входе в двигатель, для КамАЗ-54115 составил 116,8 тыс. руб. и для Урал-4420-10 73,0 тыс. руб. при средней цене 40 руб./л. При этом срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составил 2,8 мес. для автомобиля КамАЗ-54115 и 4,4 мес. для Урал-4420-10.
Экономия топлива в сравнении с действующими нормами расхода в зимний период эксплуатации для автомобиля КамАЗ-54115 составила 8 л/100 км, или 16,5%, для Урал-4420-10 – 6 л/100 км, или 11%, в летний период – 2 л/100 км, или 5,5%, и 0,4 л/100 км, или 0,8%, соответственно.
Вместе с тем необходимо отметить, что наибольшая экономия топлива, а следовательно и экономический эффект достигается при отрицательной температуре окружающего воздуха (таблица 21).
Проведенный расчет экономической эффективности показал целесообразность применения системы корректирования параметров воздуха на входе в двигатель.