Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния исследуемого вопроса 9
1.1. Анализ влияния качества управления автомобилем на эксплуатационный расход топлива и безопасность управления автомобилем 9
1.2. Цель и задачи исследования 25
Глава 2. Теоретическое обоснование экономичного управления автомобилем 27
2.1. Теоретическое обоснование рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении 28
2.1.1. Рекомендуемая модель поведения водителя в дорожном движении 36
2.2. Теоретическое обоснование экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля 37
2.2.1. Макет экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля 45
2.3. Алгоритм управления автомобилем при возникновении нештатных ситуаций (для автомобилей, не оборудованных АБС) 47
2.4. Выводы по главе 2 48
Глава 3. Разработка методики экспериментально -расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля 49
3.1. Разработка методики экспериментально-расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля при разгоне и движении на подъем 49
3.2. Разработка методики определения выбора рекомендуемой передачи при установившемся движении 60
3.3. Разработка методики определения характеристики расхода топлива при замедлении автомобиля 61
3.4. Разработка методики приближенного определения экономичного алгоритма регулирования скорости при разгоне 65
3.4.1. Определение рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач в неустановившихся режимах движения 65
3.4.2. Определение рекомендуемой передачи при движении с постоянной скоростью 67
3.5. Выводы по главе 3 73
Глава 4. Определение экономичного алгоритма регулирования скорости легкового автомобиля 74
4.1. Точные определения экономичного алгоритма управления 74
4.1.1. Экспериментально-расчетное определение экономичного алгоритма регулирования скорости легкового автомобиля 74
4.1.2. Расчетное определение рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне 76
4.1.3. Определение рекомендуемой по расходу топлива передачи при установившемся движении 99
4.1.4. Определение характеристики расхода топлива при замедлении 100
4.2. Выводы по главе 4 103
Глава 5. Экспериментальная апробация рекомендаций по экономичному управлению легковым автомобилем 105
5.1. Апробация экономичной модели управления автомобилем при проведении эксплуатационных испытаний 105
5.2. Выводы по главе 5 114
Заключение 115
Библиографический список 117
Приложение 1 127
Приложение 2 142
- Анализ влияния качества управления автомобилем на эксплуатационный расход топлива и безопасность управления автомобилем
- Разработка методики экспериментально-расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля при разгоне и движении на подъем
- Расчетное определение рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне
- Апробация экономичной модели управления автомобилем при проведении эксплуатационных испытаний
Анализ влияния качества управления автомобилем на эксплуатационный расход топлива и безопасность управления автомобилем
Снижение потребления топливно-энергетических ресурсов было и остается важной задачей общества. Автомобильный транспорт является одним из крупных потребителей нефтепродуктов. К началу 1978 года численность мирового автомобильного парка приблизилась к отметке 330 млн единиц [24, 28, 29]. В 1970-е годы предполагалось, что к 2000 году их число перешагнет полумиллиардный рубеж [21, 28]. Однако уже в 1986 году количество автомобилей достигло 500 млн единиц. В 2010 году общее число транспортных средств, включая легковые и грузовые автомобили, автобусы, без учета тяжелых внедорожных транспортных средств, составило 1,015 млрд единиц [27]. При существующих темпах роста ожидается, что к 2050 году мировой автомобильный парк может увеличиться вдвое, превысив 2 млрд единиц. Поскольку источники энергии: нефть, газ и др. являются не возобновляемыми, то рано или поздно они будут исчерпаны. Поэтому наиболее важным фактором экономии топлива может и должно стать уменьшение его потребления автомобильным транспортом, не смотря на продолжающийся рост автомобильного парка.
Одним из эффективных методов снижения эксплуатационного расхода топлива является обучение водителей экономичному управлению транспортными средствами, которое позволяет снизить эксплуатационный расход топлива в среднем на 10-20% [15, 31, 36, 45, 52, 62, 63, 64, 65].
Принципы экономичного регулирования скорости автомобиля были сформулированы в 30-40 годах XX века академиком Е.И. Чудаковым:
- улучшение регулирования мощности автомобильного двигателя, обеспечивающее более продолжительную его работу на наиболее экономичном режиме;
- использование кинетической энергии автомобиля при его замедлении и потенциальной энергии - при движении под уклон;
- уменьшение потерь на сопротивление движению автомобиля (снижение веса, повышение качества шин, улучшение обтекаемости автомобиля, уменьшение потерь на трение в двигателе и в механизмах силовой передачи и т.д.) [59].
Однако экономичное управление автомобилем все еще не стало нормой. Возвращению интереса к снижению эксплуатационного расхода топлива путем повышения качества управления автомобилем способствовало появление проблемы уменьшения выбросов углекислого газа, создающих парниковый эффект. По мнению экологов это приводит к серьезным изменениям климата. Эти изменения способствуют увеличению стихийных бедствий: ураганов, тайфунов, засух, наводнений, которые наблюдаются в последние годы в Европе, Японии, США, России и многих других районах мира. Другим последствием потепления является его негативное влияние на здоровье людей, поскольку оно ведет к распространению опасных для человека насекомых и инфекций. Так, повышение температуры и выпадение большего количества осадков способствуют распространению в северных районах таких болезней, как малярия, опасных вирусов Денге, которые раньше фиксировались только в зоне тропиков [46].
По данным Всемирной метеорологической организации мировой экономический ущерб от глобального потепления за 60-е гг. прошлого века составил 50 млрд долларов, в 80-е гг. - уже 100 млрд долларов, а в 90-е гг. -около 300 млрд долларов. В последние несколько лет ситуация не улучшилась, и ежегодные потери оцениваются в среднем в 300 млрд долларов. В обозримом будущем они могут утроиться [46].
В 2010 году в Венгрии состоялось совещание четырех международных организаций: Международной автомобильной федерации (FIA), Международного агентства по энергии (IEA), Международного транспортного форума (ITF) и Программы ООН по окружающей среде (UNEP), которые выступили с глобальной инициативой снижения эксплуатационного расхода топлива транспортными средствами «50 50». Была поставлена задача снизить эксплуатационный расход топлива автомобилями к 2050 году на 50% по сравнению с нынешним уровнем. Таким образом, при ожидаемом к этому времени удвоении мирового парка автотранспортных средств потребление им топлива, а следовательно и выбросов СОг, останется на уровне сегодняшнего дня [31].
Чтобы снизить удельный расход топлива двигателем, необходимо увеличить его нагрузку. Максимально загрузить двигатель можно только в режиме разгона. При замедлении путем движения накатом энергия топлива, затраченная на увеличение скорости автомобиля, максимально используется для его движения по инерции. Чтобы реализовать такие режимы работы двигателя, был предложен цикл разгон - накат [59].
Исследованиям влияния параметров циклического движения на расход топлива было посвящено большое количество работ, в том числе [56,58]. Однако несмотря на эффективность применения цикла разгон-накат, он не получил практического применения. Основная причина этого заключается в том, что этот цикл движения является искусственным, не совпадающим с естественным циклом разгон - установившееся движение - замедление.
Применение цикла разгон — накат возможно только в свободном транспортном потоке, когда циклическое изменение скорости автомобиля не оказывает влияния на движение других автомобилей. Поэтому для снижения эксплуатационного расхода топлива необходимо повысить эффективность использования топлива в каждой фазе естественного цикла изменения скорости автомобиля. При разгоне - загружать двигатель таким образом, чтобы он работал на минимальных значениях удельного расхода топлива. При установившемся движении - двигаться с минимально устойчивой скоростью автомобиля. При замедлении - максимально возможно использовать кинетическую энергию. При движении на спуске - максимально возможно использовать потенциальную энергию. Такой подход к снижению эксплуатационного расхода топлива путем повышения качества управления автомобилем был сформулирован в работах [7, 37, 38]. Результаты испытаний, проведенных в процессе выполнения этих исследований, подтвердили обоснованность такого подхода.
В работах [19, 23] также наблюдается переход от цикла разгон - накат к повышению качества управления автомобилем в фазах разгона, установившегося движения и замедления естественного цикла, возникающего при движении по дорогам общего пользования.
В табл. 1.1 [37] приведены результаты сравнения средней скорости Vcp, расхода топлива q и показателя эффективности управления К = —, оценивающего в комплексе влияние на качество управления автомобилем изменения скорости и расхода топлива.
Разработка методики экспериментально-расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля при разгоне и движении на подъем
При экспериментальном определении экономичного алгоритма регулирования скорости при разгоне автомобиля [25, 30] производилась серия разгонов до заданной скорости при постепенно повышающейся частоте вращения коленчатого вала в момент переключения на высшие передачи. Заезды проводились на участке постоянной длины. Длина испытательного участка определялась расстоянием, проходимым автомобилем, при самом медленном разгоне до заданной скорости. При более быстрых разгонах автомобиль достигал заданную скорость на более коротком отрезке и проходил оставшуюся часть пути с постоянной скоростью, как показано на рис. 3.1.
По результатам вычислений строился график изменения расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач. Графики, иллюстрирующие возможные изменения расхода топлива q от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач п, и схемы определения рекомендуемой частоты (п рекоменуемая) вращения коленчатого вала в момент переключения передач приведены на рис. 3.2. А и 3.2. Б [42].
Для проведения вычислений прежде всего необходимо определить скорость автомобиля на каждой передаче, соответствующую заданной частоте вращения коленчатого вала в момент переключения передач. Вычисление скорости автомобиля V в зависимости от частоты вращения коленчатого вала п производится по формуле
Зная значения скорости автомобиля в момент переключения передач, по экспериментальному графику изменения скорости в зависимости от времени разгона определяем время разгона на каждой передаче до заданной скорости. На рис.3.3 показано, как с помощью экспериментальных графиков определяется время разгона tp, на 1-й передаче до заданной скорости V3,, а на рис.3.4 показано, как с помощью экспериментальных графиков определяется время разгона на передачах выше 1-й [42].
Порядок определения времени разгона на передачах понятен из графиков, приведенных на рис. 3.3 и 3.4, и не требует специальных пояснений.
Чтобы вычислить расход топлива при разгоне, необходимо определить путь, проходимый на каждой передаче при разгоне до заданной скорости (заданных значений частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач), путь, проходимый автомобилем в момент переключения передач, и путь, проходимый автомобилем с постоянной скоростью при более быстрых разгонах по сравнению с самым медленным разгоном.
С помощью графиков, приведенных на рис. 3.3 и 3.4, можно определить приращение скорости в процессе разгона на каждой передаче. Зная время разгона и приращение скорости, определяем среднее ускорение разгона на каждой передаче по формуле
Сравнение расхода топлива при различной интенсивности разгона должно проводиться на участке постоянной длины. Поэтому в качестве испытательного участка необходимо принять самый длинный участок разгона, который соответствует самой низкой частоте вращения коленчатого вала в момент переключения передач.
С учетом изложенного выше длину испытательного участка определяем по формуле: где
SHCn - длина испытательного участка, м; Sp.max - длина участка самого медленного разгона, м.
Зная длину испытательного участка, определяем длины участков движения с постоянной скоростью при более быстрых разгонах по формуле:
где
Sycrj - длина участка движения с постоянной скоростью при j-м разгоне с более высокой интенсивностью, м;
SHcn- длина испытательного участка, вычисленная по формуле (3.5), м;
SPj - длина участка j-го разгона с более высокой интенсивностью, вычисленная по формуле (3.4), м.
Зная длины участков, проходимых с постоянной скоростью, найдем время, затрачиваемое на это, по формуле:
где
tyCTj - время движения с постоянной скоростью в j-м заезде, с;
Sycrj - длина участка движения с постоянной скоростью, м;
VyCT- скорость установившегося движения , км/ч.
После вычисления значений времени движения с постоянной скоростью в заездах с различной интенсивностью разгона можно определить время прохождения испытательного участка. Для самого медленного разгона это время равно сумме времени разгона на передачах плюс время, затраченное на переключение передач:
Tj = Ztpij + ZW с, (3.8)
где
Tj - суммарное время прохождения испытательного участка в j-м заезде, с;
ZVu суммарное время разгона на передачах в j-м заезде, с; Х пер- суммарное время, затраченное на переключение передач в процессе разгона, с.
Чтобы определить время прохождения испытательного участка при более интенсивных разгонах, необходимо ко времени разгона до заданной скорости добавить время движения с постоянной скоростью до конца испытательного участка:
lj 2_ЛрУ Zj -nep "-усті С, W-"J
где
tycrj - суммарное время переключения передач в j-м заезде, с.
Зная длину испытательного участка и время его прохождения в разных заездах, определим средние скорости прохождения испытательного участка в заездах:
Vcpj=3,6S„cn/Tj км/ч, (3.10)
где
Vcpj - средняя скорость прохождения испытательного участка в j-м заезде, км/ч;
8исп - длина испытательного участка, м;
Tj — время прохождения испытательного участка в j-м заезде, с.
Изменение расхода топлива в зависимости от пройденного пути при разгоне описывается линейным уравнением:
Qi = ksQSi см3, (3.11)
где
Qi - расход топлива при разгоне на і-й передаче, см ;
kSQ - отношение расхода топлива к пройденному пути, см3/м;
Sj - путь, пройденный в процессе разгона на і-й передаче, м.
Отношение расхода топлива к пройденному пути определяется на основании результатов эксперимента для каждой передачи при разгоне с полной подачей топлива. Схема его определения показана на рис. 3.5. Величина коэффициента равна отношению расхода топлива к пройденному пути [42].
Определение расхода топлива в процессе разгона на передачах производится по формуле (3.5) на основании вычисленных ранее путей разгона на передачах и результатов вычисления коэффициентов преобразования пути в расход топлива для каждой передачи.
Для определения расхода топлива на участке движения с постоянной скоростью используются результаты определения расхода топлива при движении на высшей передаче с постоянной скоростью. Расход топлива при движении на участке с постоянной скоростью вычисляется по формуле
Расчетное определение рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне
Для определения рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала необходимо построить зависимость изменения расхода топлива при разгоне от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач. В то же время экспериментально были получены характеристики изменения скорости автомобиля от времени разгона на каждой передаче. Поэтому возникает необходимость определения значения скорости автомобиля, которое соответствует заданной частоте вращения коленчатого вала в момент переключения передач. Поэтому в соответствии с формулой (3.1) были определены значения скорости, соответствующие выбранным значениям частот вращения коленчатого вала. Результаты определения значений скорости в момент переключения передач при разгоне с места до скорости 60 и 90км/ч приведены в табл. 4.2.
При разгоне от 40 до 90 км/ч были рассмотрены 3 варианта использования передач: разгон на 5-й передаче, разгон с использованием 4-й и 5-й передач и разгон с использованием 3-й, 4-й и 5-й передач. Результаты определения скоростей соответствующих заданной частоте вращения коленчатого вала приведены в табл. 4.3.
Определение времени разгона до заданной скорости. Данные, приведенные в табл. 4.2 и 4.3, были использованы для обработки экспериментальных графиков, описывающих зависимости скорости автомобиля от времени разгона на каждой передаче, которые приведены на рис. П1...П5. Их обработка позволила определить значения времени разгона на каждой передаче для заданных частот вращения коленчатого вала в момент переключения передач. Скорость начала разгона на каждой следующей передаче равна скорости завершения разгона на предыдущей передаче. Результаты обработки графиков, полученных при проведении натурных испытаний, приведены в табл. 4.4 - 4.17.
Определение среднего ускорения разгона. На основании результатов вычисления времени разгона при изменении скоростей автомобиля в заданных диапазонах были произведены вычисления средних ускорений автомобиля в процессе разгона на различных передачах. Результаты вычислений приведены в табл. 4.18-4.20.
Определение длины испытательного участка, путей разгона до заданной скорости и установившегося движения. Зная время разгона в заданном диапазоне скоростей на каждой передаче и среднее ускорение, можно вычислить путь разгона, проходимый на каждой передаче, по формуле (3.3) с использованием данных, приведенных в табл. 4.1 - 4.20.
Для определения времени разгона до заданной скорости необходимо определить путь проходимый автомобилем в момент переключения передач.
Для определения пути разгона до заданной скорости необходимо сложить пути разгона на каждой передаче, прибавив к ним пути, проходимые автомобилем в момент переключения передач. Расчет времени при переключении передач производился по формуле (3.4). Время переключения передач было принято равным 0,5 с, соответствовало скорости завершения разгона на предыдущей передаче и во время переключения оставалось постоянным.
Величина расхода топлива в процессе разгона сравнивалась на участке постоянной длины, которая была принята равной длине участка самого медленного разгона и вычислялось по формуле (3.5). При повышении интенсивности разгона автомобиль достигал заданной скорости на меньшем отрезке пути и проходил оставшийся отрезок испытательного участка с постоянной скоростью. Длина этого участка определялась по формуле (3.6). Результаты вычислений длин путей разгона, пути, проходимого при переключении передач, и длин участков установившегося движения при различной интенсивности разгона приведены в табл. 4.21 - 4.23.
Апробация экономичной модели управления автомобилем при проведении эксплуатационных испытаний
Экспериментальные исследования были проведены на автомобиле Лада-Калина. Технические характеристики приведены в табл. 5.1
На основании проведенного исследования были разработаны рекомендации по управлению автомобилем Лада-Калина, включающие рекомендуемую модель поведения водителя в дорожном движении, экономичный алгоритм регулирования скорости и рекомендации по управлению автомобилем при возникновении нештатных ситуаций. Рекомендации приведены в прил. 2.
Для измерения показателей качества управления автомобилем, как носитель программы обработки, использовался netbook, который получал информацию от штатных датчиков автомобиля (скорости и расхода топлива) по системе bluetooth. Перечень измеряемых показателей приведен в табл. 5.2.
Испытания проводились на постоянном маршруте. На первом этапе проводилась фиксация показателей качества управления автомобилем при реализации водителем модели поведения и алгоритма регулирования скорости, интуитивно сформированных им в процессе накопления опыта. После выполнения поездки совместно с испытуемым проводился анализ полученных результатов, и водитель получал информацию о разработанной рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении и экономичном алгоритме регулирования скорости автомобиля.
Заезды проводились по маршруту длиной 77 км, из которых 22 км приходились на движение по городу, и 55 км - по шоссе. В эксперименте приняли участие 10 водителей. В процессе эксперимента выяснилось, что 5 водителей используют модель поведения гонщика, другие 5 - перевозчика. Модель поведения водителя в дорожном движении и алгоритм регулирования скорости автомобиля до и после обучения водителей приведен в табл. 5.3.
Результаты сравнения показателей качества управления автомобилем на 1-м и 2-м этапах испытания показаны нарис. 5.1...5.4.
На рис.5.1 показана зависимость изменения расхода топлива q от средней скорости Vc на 1-ми 2-м этапах испытания.
Из приведенного графика следует, что при переходе к рекомендуемой модели поведения плюс экономичный алгоритм, при изменении средней скорости в диапазоне от 10 км/ч до 70 км/ч, расход топлива уменьшается от 17% до 27% по отношению к водителям-гонщикам, и от 4% до 9% по отношению к водителям-перевозчикам.
На рис.13 показана зависимость изменения коэффициента эффективности использования топлива Kqv от средней скорости Vc на 1-м и 2-м этапах испытания.
Анализ приведенного графика показывает что коэффициент эфективности использования топлива возрастает пропорционально увеличению скорости. Применение рекомендуемой модели поведения плюс экономичный алгоритм позволяют повысить коэфициент эфективности использования топлива по отношению к водителям-гонщикам при скорости 10 км/ч на 60%, при скорости 70 км/ч - на 25%. По отношению к водителям-перевозчикам при скорости 10км/ч на 31% и при 70км/ч на 11% соответственно.
На рис. 14 показано изменение шума ускорения а в зависимости от средней скорости Vc на 1-ми 2-м этапах испытания.
Из приведенного графика следует, что среднее значение шума ускорения на 2-м этапе по сравнению с 1-м снизилось на 31,5% по отношению к водителям-гонщикам, и на 15% по отношению к водителям-перевозчикам. Уменьшение шума ускорения говорит о том, что применение рекомендуемой модели поведения и экономичного алгоритма регулирования скорости повышает безопасность дорожного движения.
На рис.15 показано превышение максимальной скорости над средней скоростью Vmax-Vc в зависимости от величины средней скорости Vc на 1-м и 2-м этапах испытания.
Из приведенного графика следует, что разница превышения максимальной скорости над средней составила от 18 км/ч до 35 км/ч по отношению к водителям-гонщикам, и от 6 км/ч до 7 км/ч по отношению к водителям-перевозчикам. Уменьшение разницы между максимальной и средней скоростью автомобиля при переходе от модели поведения гонщика к рекомендуемой модели повышает безопасность управления автомобилем.
В результате проведенных эксплуатационных испытаний подтверждена обоснованность разработанных рекомендаций по экономичному управлению легковым автомобилем. Вопрос оценки величины повышения безопасности в данной работе не рассматривался. Основные принципы экономичного управления автомобилем могут быть использованы и для других типов транспортных средств.