Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса 8
1.1. Влияние зимних условий эксплуатации на эффективность работы двигателя автомобиля 8
1.2. Температурный режим двигателя автомобиля 16
1.3. Исследование изменения времени прогрева двигателя автомобиля в зимних условиях эксплуатации 18
1.4. Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации 23
1.5. Выводы и задачи исследования 29
Глава 2. Аналитические исследования 32
2.1. Общая методика, объект и предмет исследования 32
2.2. Исследование закономерностей изменения времени прогрева и охлаждения двигателя под влиянием зимних условий 34
2.3. Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей 59
2.4. Интервалы суровости зимних условий эксплуатации автомобилей по температуре окружающего воздуха и скорости ветра 63
2.5. Уровни приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по времени прогрева и охлаждения двигателей 67
Глава 3. Экспериментальные исследования 69
3.1. Методика экспериментальных исследований 69
3.2. Методика обработки результатов эксперимента 79
3.3. Результаты определения термической инерционности и градуировки применяемых термопар 84
Глава 4. Анализ результатов исследований 97
4.1. Зависимость температуры двигателя от температуры его охлаждающей жидкости 97
4.2. Результаты экспериментальных исследований времени охлаждения двигателей автомобилей 97
4.3. Результаты экспериментальных исследований времени прогрева двигателей автомобилей 101
4.4. Проверка соответствия результатов экспериментальных исследований параметра адаптивности нормальному закону распределения 106
4.5. Разбиение параметра адаптивности на интервалы приспособленности 108
4.6. Проверка различия уровней приспособленности автомобилей к зимним условиям по температурному режиму двигателей 109
4.7. Модель изменения комплексного показателя приспособленности от температуры окружающего воздуха и скорости ветра 111
Глава 5. Пути практического использования и оценка экономической эффективности результатов исследования 115
5.1. Основные направления реализации результатов исследования 115
5.2. Оценка рационального времени прогрева двигателя на холостом ходу и определение допустимого времени его охлаждения при заданной суровости условий эксплуатации и уровне приспособленности автомобиля 116
5.3. Методика выбора наиболее эффективных мероприятий для улучшения приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей 122
5.4. Экономическая эффективность исследований 123
Основные выводы и результаты исследования 126
Список использованной литературы 128
Приложение 139
- Исследование изменения времени прогрева двигателя автомобиля в зимних условиях эксплуатации
- Исследование закономерностей изменения времени прогрева и охлаждения двигателя под влиянием зимних условий
- Результаты определения термической инерционности и градуировки применяемых термопар
- Результаты экспериментальных исследований времени охлаждения двигателей автомобилей
Введение к работе
Актуальность темы. Переход к рыночным отношениям обусловливает повышение требований к эффективности работы автомобильного транспорта. В то же время для эксплуатации большей части автомобильного парка нашей страны типичны суровые зимние условия, оказывающие негативное влияние на показатели работы подвижного состава. Зимние условия характеризуются, прежде всего, низкими температурами окружающего воздуха, влияние которых усугубляется одновременным воздействием ветра.
Под влиянием зимних условий существенно изменяется температурный режим двигателей автомобилей, что объясняется повышением теплоотдачи с поверхности агрегата в окружающую среду. В связи с этим резко возрастает время прогрева двигателей после пуска, и уменьшается период их охлаждения после остановки.
В ряде работ установлено, что двигатели автомобилей различных марок; и моделей в одинаково суровых условиях эксплуатации имеют различную интенсивность теплоотдачи, то есть характеризуются разными значениями темпов прогрева и охлаждения. Это объясняется различной приспособленностью автомобилей к зимним условиям, что недостаточно учитывается при их эксплуатации и ведет к снижению эффективности автомобильного транспорта в этих условиях.
Для повышения эффективности использования автомобилей зимой необходима объективная оценка их приспособленности по температурному режиму двигателей. Однако, несмотря на большое количество работ, как в области адаптации автомобилей, так и по изучению температурного режима двигателей, до сих пор отсутствует показатель приспособленности автомобилей к зимним условиям, учитывающий в совокупности интенсивность процессов прогрева и охлаждения двигателей. Недостаточно изучены закономерности изменения этих процессов в их совокупности, что свидетельствует о необходимости научного решения рассматриваемой проблемы.
Данная работа выполнена в соответствии с Тематическим планом госбюджетных НИР ТюмГНГУ.
Целью исследования является повышение эффективности эксплуатации автомобилей в суровых зимних условиях на основе установления и использования закономерностей их приспособленности по температурному режиму двигателей.
Объектом исследования служат процессы прогрева и охлаждения автомобильных двигателей в зимних условиях эксплуатации, а предметом исследования - эти процессы для автомобилей ряда конкретных марок и моделей (Урал, КрАЗ, ЗиЛ, ГАЗ, УАЗ, ВАЗ, КАвЗ).
Методологической базой исследования служат системный анализ, теория вероятности и математическая статистика, основы теплопередачи, программирования и адаптации автомобилей.
Научная новизна работы.
Установлены закономерности изменения времени охлаждения и прогрева двигателей под влиянием температуры окружающего воздуха и скорости ветра.
Установлено, что связь между температурой охлаждающей жидкости и средней температурой поверхности двигателя описывается линейной зависимостью, что позволяет принять температуру охлаждающей жидкости в качестве представительной для двигателя в целом.
Разработана математическая модель формирования комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей.
Определена закономерность изменения комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей при понижении температуры окружающего воздуха и увеличении скорости ветра.
Разработана методика оценки уровня приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей и
пути ее практического использования.
Практическая ценность работы. Использование разработанной методики позволяет оценить уровень приспособленности автомобилей для повышения эффективности их работы в зимних условиях на основе определения рационального времени, необходимого для прогрева двигателей и расчета допустимого времени охлаждения при заданных температуре окружающего воздуха и скорости ветра, корректирования расхода топлива на прогрев двигателя в зимний период, выбора наиболее эффективных мероприятий для улучшения приспособленности автомобилей к зимним условиям по температурному режиму двигателей.
На защиту выносятся:
закономерности изменения времени прогрева и охлаждения двигателей под влиянием температуры окружающего воздуха и скорости ветра;
зависимость температуры охлаждающей жидкости от средней температуры поверхности двигателя; :
математическая модель формирования комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей;
закономерность изменения комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей при понижении температуры окружающего воздуха и увеличении скорости ветра;
численные значения параметров математических моделей применительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей;
методика оценки приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей и пути ее практического использования.
Реализация результатов работы. На основе проведенных исследований разработаны Методики, внедренные в ЗАО "Таксомоторный парк" (г. Тюмень) и используемые в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров авто-
транспортных специальностей.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, ПТУ, 28-30 мая 2003 г.), «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, СибАДИ, 21-23 мая 2003 г.), «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и крайнего севера» (Омск, СибАДИ, 24-25 сентября 2003 г.), на научно-практической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки» (Тюмень, ТгомГНГУ, 25-26 сентября 2002 г.), на заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта ТюмГНГУ (2002,2003 г.г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 7 публикациях. :
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 127 страниц основного текста, 37 таблиц, 29 рисунков, список литературы из 117 наименований и 6 приложений.
Исследование изменения времени прогрева двигателя автомобиля в зимних условиях эксплуатации
В результате исследований, проведенных различными авторами, было установлено, что продолжительность прогрева двигателя автомобиля в значительной степени зависит от: -исходного теплового состояния двигателя [1, 24, 40, 43, 45, 47, 56, 57, 63, 65, 66, 79, 85, 87, 89, 95]; -температуры ОВ [24, 40, 43, 45, 47, 56, 57, 63, 65, 66, 79, 87, 89, 95]; -скорости ветра [24,40, 43, 45, 47, 56, 57, 63, 65, 66, 79, 85, 87, 89, 95]; -наличия термостата (рис 1.7, 1.8) [43, 63, 66, 89, 112]; -вида привода и производительности вентилятора системы охлаждения (рис 1.8, 1.9) [43, 63, 89]; -частоты вращения коленчатого вала при прогреве [43]; -конструктивных особенностей кривошипно-шатунного механизма [39, 43]; -утепления моторного отсека и т. д. [57, 64, 82, 103]. где ty - установившаяся температура двигателя, С; Шир - темп прогрева двигателя при работе на холостом ходу, с" . На рис. 1.10. графически представлены понятия, определяющие различные значения температуры в процессе прогрева двигателя: установившейся, рабочей, начальной, конечной и температуры воздуха Как показал анализ доступной литературы, исследования температуры двигателя автомобиля проводится в большинстве работ по данным измерений его ОЖ.
Между тем, связь между температурой двигателя и температурой его ОЖ научно не обоснована, не установлен вид соответствующей математической модели, не определены численные значения входящих в нее параметров. Время прогрева двигателя от начальной tH до конечной температуры tK определяется по формуле (1.6): от, Анализ ранее проведенных научных исследований, в частности, работ, выполненных на кафедре "Эксплуатация автомобильного транспорта" в Тюменском государственном нефтегазовом университете, показал, что работа в этом направлении сводилась, в основном, к исследованиям темпов охлаждения двигателей автомобилей после остановки при низких температурах ОВ.
В результате этих исследований получена эмпирическая формула, отражающая зависимость темпа охлаждения тохд от скорости ветра [37, 56, 85]: где тиаиб то соответственно наибольшее и наименьшее значения темпа охлаждения, 1/с; S - эм пиричес ки й коэ ф фициент, характеризующий чувствительность темпа охлаждения к скорости ветра, с/м; У - скорость ветра, м/с. Проведенные в этом направлении исследования показали, что наибольшее значение темпа охлаждения (его предельная величина) возникает при больших скоростях ветра (V 8...10 м/с). Наименьшее значение наблюдается при безветрии (V = 0 м/с) [35, 56, 83]. Исследования процесса прогрева двигателя заключались в определении времени разогрева двигателя при различных способах тепловой подготовки. Установлена необходимая тепло производительность установки, в зависимости от допустимого времени теплового воздействия (1.8)
Исследование закономерностей изменения времени прогрева и охлаждения двигателя под влиянием зимних условий
Как показал анализ ранее выполненных работ, изменение температурного режима двигателя автомобиля в результате его прогрева зависит от большого числа факторов, основными из которых являются начальная температура двигателя t„, температура ОВ /в, ветер и его сила, геометрические размеры двигателя и теплофизические свойства материалов, из которых он изготовлен, режим работы двигателя, качество сгорания и вид применяемого топлива, тип системы охлаждения и режим работы вентилятора. Процесс прогрева можно описать с помощью уравнения теплового баланса [11, с. 188; 52, с. 94; 43, 157]: где х - коэффициент, характеризующий полноту сгорания топлива; G,„- часовой расход топлива, г/сек.; Ни - низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; г- время работы двигателя, сек. Доля теплоты, превращенной в механическую работу Qe, составляет 21 -45% подведенной теплоты. Количество теплоты, уносимой из двигателя с отработавшими газами QQ , составляет 23 - 45%. Количество теплоты, отданной окружающей среде Qxt составляет 15 - 34%. Неучтенные потери теплоты QHM составляют 0 - 10%. Распределение подведенной теплоты зависит от; режима работы двигателя, качества сгорания рабочей смеси, коэффициента избытка воздуха, технического состояния двигателя.
Тепловой баланс можно определить в процентах от всего количества введенной теплоты: Обратим внимание на теплоту, отданную окружающей среде. Во время прогрева двигателя автомобиля после его длительной остановки теплота ()ж затрачивается на прогрев двигателя до рабочей температуры. Кроме того, прогрев двигателя происходит на холостом ходу без выполнения полезной работы, следовательно, на прогрев двигателя идет не только теплота Q но и теплота, эквивалентная эффективной работе Qe. Начиная с момента времени, когда температура поверхности двигателя становится выше температуры окружающей среды, двигатель одновременно с прогревом теряет полученную теплоту вследствие конвекционного теплообмена и теплового излучения: гДе QK - теплота, отданная поверхностью двигателя посредством конвекции, Дж; Quia. - теплота, отданная поверхностью двигателя излучением, Дж; Qde. - теплота, направленная на изменение температуры двигателя, Дж. Разделение общего процесса охлаждения на элементарные явления - теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение - производится, в основном, из методологических соображений. В действительности же эти явления протекают одновременно и, конечно, влияют друг на друга. В практических расчетах разделение такого сложного процесса на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно, поэтому результат со вместного действия отдельных элементарных явлении приписывается одному из них - главному. Влияние остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на величине количественной характеристики основного.
Результаты определения термической инерционности и градуировки применяемых термопар
При проведении данной работы были сделаны 5 предварительных измерений температуры поверхности и времени тепловой инерционности термопары при каждой температуре поверхности от 25 до 10 С с шагом 5 С. В результате обработки полученных данных с помощью программы «Regress 2.5» были выявлены следующие статистические характеристики (табл. 3.7) при температуре поверхности 100 С. В обоих случаях гипотеза нормальности распределения подтверждается с вероятностью 0,9. В результате анализа полученных данных максимальное число необходимых измерений равно четырем, следовательно, для получения достоверных результатов достаточно проведенных пяти измерений. В результате обработки полученных данных с помощью программы «Regress 2.5» [42] была выявлена зависимость времени тепловой инерционности термопары от разности температур ОВ и измеряемой поверхности: Получены следующие показатели адекватности модели: - Критерий Фишера 11,6; - Средняя ошибка аппроксимации 4,6; - Доверительная вероятность 0,99, что свидетельствует о высокой адекватности модели. Кроме того, в ходе проведения тарировки термопары была выявлена монотонно возрастающая систематическая погрешность измерения температуры поверхности мультиметром MAS-838. В результате обработки полученных данных с помощью программы «Regress 2.5» [42] была выявлена зависимость изменения систематической погрешности от температуры поверхности: где tj - измеренная температура поверхности, С. и получены следующие показатели адекватности модели: - Критерий Фишера 381,47; - Средняя ошибка аппроксимации 2,517; - Доверительная вероятность 0,99. При проведении данной работы были сделаны 5 предварительных измерений температуры жидкости для 9 датчиков температуры
В результате обработки полученных данных при температуре ОЖ равной 0 С были рассчитаны необходимые статистические характеристики (табл. 3.8) и число необходимых измерений сопротивлений для каждого датчика. Согласно результатам, представленным в табл.3.8, гипотеза нормальности распределения измерений сопротивления каждого датчика может быть принята. Необходимое число измерений при данных условиях составляет 1 для всех датчиков ТМ-100. На следующем этапе определяется минимальное число измерений необходимых для получения достоверных данных при различных температурах (табл. 3.9). В результате анализа табл. 3.9 был сделан вывод о том, что при любой температуре ОЖ для получения достоверных данных достаточно произвести 2 измерения. Результаты измерений сопротивления датчиков представлены в приложении 2. В результате обработки полученных результатов измерений с помощью программы «Regress 2.5» [42] была выявлена зависимость изменения сопротивления датчиков температуры ТМ-100 от температуры ОЖ, которая может быть описана моделью: При измерении температуры ОЖ систематической погрешностью можно пренебречь, т.к. предварительно была определена зависимость изменения сопротивления датчика температуры от температуры ОЖ с применением эталонного термометра (см. п.п. З.1.1.), и, соответственно, систематическая погрешность примерно равна погрешности эталонного термометра.
Для выявления систематической погрешности при измерении температуры поверхности двигателя была проведена предварительная тарировка термопары (см. п.п. 3.1.2.), и выявлена систематическая погрешность измерений. При проведении экспериментальных исследований по прогреву и охлаждению двигателя предварительно были проведены 5 измерений времени прогрева и охлаждения для каждого автомобиля. Результаты измерений принимают различные значения, что свидетельствует о преобладании случайной погрешности. При обработке результатов экспериментальных исследований по измерению распределения температуры на поверхности двигателя выдвигается нулевая гипотеза о нормальности распределения результатов испытаний. В результате обработки результатов по измерению темпов изменения средней по поверхности дви-гателя температуры получены следующие статистические характеристики (табл. 3.10): Согласно результатам, представленным в табл. ЗЛО, гипотеза нормальности распределения измерений температуры поверхности двигателя может быть принята, так как условие (3.11) выполняется.
Результаты экспериментальных исследований времени охлаждения двигателей автомобилей
В аналитической части исследований разработаны математические модели изменения времени прогрева и охлаждения двигателей автомобилей в зависимости от коэффициента теплоотдачи (формулы 2.13,2.27).
Для определения численных значений параметров модели используются данные экспериментов, полученные в экспериментальной части исследования, при этом учитываются условия их проведения: температура воздуха tey в соответствии с которой определяются теплофизические свойства воздуха, - кинематическая вязкость ц теплопроводность Я; скорость ветра от, теплофизические характеристики материала, используемого при изготовлении утеплителя [18, 36].
Используя сведения об условиях проведения экспериментов, рассчитываются значения коэффициента теплоотдачи а (2.41). Сведения о массовом содержании элементов двигателя Мдв, представленные в приложении 1, используются при расчете теплофизических характеристик двигателя: теплопроводности я 0 и теплоемкости Сдв.
Необходимо учитывать, что при определении зависимости времени от коэффициента теплоотдачи x=f(a) - коэффициент теплоотдачи определяется аналитически, с использованием сведений об условиях проведения экспериментов, в то время как значения времени прогрева и охлаждения экспериментально. Корреляционно-регрессионный анализ результатов экспериментальных исследований по- \ зволил установить зависимости изменения времени охлаждения после остановки двигателя и его прогрева на холостом ходу от температуры ОВ, скорости ветра и наличия утепления двигателя для различных марок и моделей автомобилей.
Для исследуемых автомобилей статистические характеристики и параметры математической модели (2.27), отражающих влияние скорости ветра, плотности компоновки моторного отсека, массы двигателя, наличия утепления на время охлаждения, рассчитанные с использованием "Regress 2,5" [32], представлены в табл. 4.1.,4.2.
Результаты эксперимента в графическом виде на примере автомобиля ГАЗ 2705 представлены на рис. 4.1 и 4.2.
Результаты экспериментальных исследований были подвергнуты статистической обработке с использованием программы «Regress 2.5» [32]. Проверка адекватности модели производилась по критерию Фишера F и средней ошибке аппроксимации s. Расчеты указанных статистических характеристик показали, что значения дисперсионного отношения Фишера выше табличных, а средняя ошибка аппроксимации находится в пределах от 4,36 до 11,3%, что свидетельствует об адекватности моделей.
В начальный период времени после пуска двигателя, пока разность температуры поверхности двигателя и ОВ незначительна и конвективные потери теплоты практически равны нулю (т.к. Д/ 0), вся мощность внутреннего источника теплоты двигателя направлена его прогрев и определяется по формуле:
В качестве результатов измерений принимаются данные первых двух минут с момента начала изменения сопротивления датчика температуры.
В результате проведения корреляционно-регрессионного анализа полученных данных по интенсивности прогрева двигателя непосредственно после его пуска выявлена зависимость мощности внутреннего источника теплоты Р от массы двигателя Мод.
Получены следующие показатели адекватности модели: - Критерий Фишера 17,1; - Средняя ошибка аппроксимации 8,2; - Доверительная вероятность 0,99.
Графически указанная зависимость представлена на рис.4.3. Для исследуемых автомобилей параметры и статистические характеристики математической модели (2.13), отражающие влияние скорости ветра, плотности компоновки моторного отсека, массы двигателя на время прогрева при наличии утепления двигателя и без пего, рассчитанные с использованием программы "Regress 2.5" [32], представлены в табл. 4.3. и 4.4.
Результаты эксперимента в графическом виде на примере автомобиля ГАЗ 2705 представлены на рис. 4.4 и 4.5.
Был проведен корреляционно-регрессионный анализ полученных результатов. Проверка адекватности модели производилась по критерию Фишера F и средней ошибке аппроксимации є . Расчеты указанных статистических характеристик показали, что значения дисперсионного отношения Фишера превышают табличные, а средняя ошибка аппроксимации находится в пределах от 1,7 до 11,2%, что свидетельствует об адекватности моделей.
