Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 9
Глава 2. Аналитические исследования 27
2.1. Общая методика исследования и реализация пространственно-временного подхода 27
2.2. Оценка неравномерности движения автомобилей 32
2.3. Оценка приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива 39
2.4. Оценка влияния неравномерности движения автомобилей на расход топлива 56
Глава 3. Экспериментальные исследования 60
3.1. Общие положения экспериментальных исследований .60
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований 63
3.3. Оборудование, используемое для проведения экспериментальных исследований 71
Глава 4. Анализ результатов исследования 74
Глава 5. Пути практического использования результатов и экономическая эффективность внедрения 81
5.1. Пути практического использования результатов 81
5.2. Методика дифференцированного корректирования расхода топлива 83
5.3. Расчет экономической эффективности внедрения результатов исследования 84
5.4. Внедрение результатов исследования и расчет экономической эффективности на предприятии ОАО ПАТП №2...85
Выводы 90
Литература
- Общая методика исследования и реализация пространственно-временного подхода
- Оценка приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива
- Общие положения экспериментальных исследований
- Методика дифференцированного корректирования расхода топлива
Введение к работе
Актуальность. В условиях рыночной экономики перед работниками автомобильного транспорта остро стоит вопрос повышения эффективности использования подвижного состава [83, 85]. Одним из направлений его решения является экономия топлива [10, 12, 24, 30, 34, 41, 44, 46, 48, 63, 71, 73, 91, 100, 105], затраты на которое в структуре себестоимости перевозок могут достигать 60% [96].
Необходимо учитывать, что значительное влияние на топливную экономичность автомобилей оказывают условия эксплуатации, в особенности неравномерность движения [11, 42, 47,49, 50, 52, 53, 55, 61, 62, 64, 65 67, 68, 82, 92, 95, 97, 101, 104, 112, 115, 116, 117]. Разгоны и торможения требуют затрат мощности и значительно увеличивают расход топлива.
Опыт эксплуатации и проведенные ранее исследования показывают, что автомобили различных марок и моделей по-разному реагируют на отклонение от равномерного движения но расходу топлива, то есть по-разному приспособлены к этому фактору. Вместе с тем, процесс формирования расхода топлива автомобилями с различным уровнем приспособленности к неравномерному движению другими авторами изучен недостаточно, что не дает возможности результативно управлять этим показателем. Следовательно, для научно обоснованного решения проблемы повышения эффективности использования топлива автомобилями в условиях неравномерного
движения необходимо установить соответствующие закономерности, учитывающие уровень их приспособленности к этому фактору.
Данная работа выполнена в соответствии с Тематическим планом госбюджетных ПИР ТюмГНГУ (per. № 11-02-06).
Цель работы — обеспечение экономии автомобильного топлива путем выявления и практического использования закономерностей изменения его расхода под влиянием неравномерности движения.
Объектом исследования является процесс изменения расхода топлива автомобилями под влиянием неравномерности движения, а предметом исследования - этот процесс применительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей.
Методологической основой исследования является системный анализ, теория вероятностей, математическая статистика, теория автомобиля и основы теории адаптации автомобиля.
Научная новизна:
реализован пространственно-временной подход, раскрывающий механизм формирования расхода топлива автомобилями под влиянием неравномерности движения, учитывающий суровость условий эксплуатации и приспособленность автомобилей к ним;
предложен показатель неравномерности движения, значения которого приведены к универсальной 12-ти балльной шкале, обеспечивающей единообразие оценки суровости различных по своей природе факторов условий эксплуатации и их сочетания;
введен показатель приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива, представляющий собой величину изменения расхода топлива в фактических условиях эксплуатации по сравнению со стандартными;
установлена необходимость дифференцированного корректирования норм расхода топлива, обусловленная существенной вариацией численных значений показателя приспособленности автомобилей различных марок и моделей к неравномерности движения по расходу топлива;
разработана методика аналитического определения уровня приспособленности автомобилей конкретных марок и моделей к неравЕюмерности движения по расходу топлива на основе их технических характеристик;
установлено, что закономерность влияния
неравномерности движения на изменение расхода топлива описывается линейной математической моделью приспособленности;
определено, что совместное влияние неравномерности движения и низкой температуры окружающего воздуха на расход топлива описывается двухфакторной аддитивной математической моделью.
Практическая значимость. Предложены пути практического использования результатов исследования и разработана Методика дифференцированного корректирования норм расхода топлива автомобилями, учитывающая неравномерность движения и
приспособленность автомобилей к этому фактору, использование которой обеспечивает снижение расхода топлива при эксплуатации.
Апробация работы. Материалы работы были доложены и одобрены на заседаниях кафедры ЭАТ Тюменского государственного нефтегазового университета (2003, 2005, 2006 г.г.), межвузовской научно-технической конференции «Инновации и эффективность производства» (г. Тюмень, 2002 г.), научной конференции «Достижения в нефтегазовой промышленности: технологии и оборудование» (г. Тюмень, 2002 г.), III международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (г. Пенза, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Дорожно-транспортный комплекс как основа рационального природопользования» (г. Омск, 2004 г.), региональной научно-практической конференции «Ыефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» (г. Тюмень, 2004 г.), III всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2005 г.), IV международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания трансиортно-технологических машин» (Тюмень, 2006 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 12 публикациях.
На защиту выносятся:
реализация пространственно-временного подхода к процессу формирования расхода топлива автомобилями под влиянием неравномерности движения;
показатель неравномерности движения;
показатель приспособленности автомобилей к неравномерности движения но расходу топлива;
обоснование необходимости дифференцированного корректирования норм расхода топлива;
линейная математическая модель влияния
неравномерности движения на расход топлива автомобилей;
двухфакторная аддитивная математическая модель совместного влияния неравномерности движения и низкой температуры окружающего воздуха на расход топлива автомобилей;
методика аналитического определения уровня приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива;
- пути практического использования результатов
исследования, включающие Методику дифференцированного
корректирования норм расхода топлива автомобилей с учетом
неравномерности движения и уровня их приспособленности к этому
фактору.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 108 страниц текста, 11 таблиц, 14 рисунков, список литературы из 126 наименований и 7 приложений.
Общая методика исследования и реализация пространственно-временного подхода
Исходя из положений системного анализа [13, 18, 32, 35, 121] после определения цели, задач, предмета и объекта исследования установлены границы изучаемой системы. В работе рассматривается комплекс «автомобиль — условия эксплуатации». В соответствии с пространственно-временным подходом [13, 16, 56, 84-90] для его описания необходимо определить базовые понятия соответствующие изучаемой теме.
Стандартные условия - это условия, принятые в качестве точки отсчета или условия, для которых создан автомобиль. Именно в этих условиях значения показателей качества автомобиля находятся на номинальном уровне. Описание стандартных условий для машин всех марок и моделей приводится в нормативно-технической документации. На основе анализа [28] под такими условиями в данном исследовании понимается равномерное движение, то есть отсутствие неравномерности. Соответственно суровыми условиями, как существенно отличающимися от стандартных, считается неравномерное движение. В качестве номинального расхода топлива принят расход топлива при установившемся движении.
Для определения структуры системы разработаны схемы формирования неравномерности движения под воздействием условий эксплуатации (рис. 2.2) и расхода топлива под воздействием неравномерности движения (рис. 2.3).
На схеме (рис. 2.2) первым элементом системы является автомобиль. Он характеризуется совокупностью конструктивных особенностей, формирующих его приспособленность к условиям эксплуатации по неравномерности [3, 6, 25, 40, 58, 124]. Другой составляющей комплекса являются условия эксплуатации, представляющие собой набор воздействующих факторов определенной суровости (сложности). Взаимодействуя, эти две части системы формируют неравномерность движения автомобиля.
Расход топлива Q (рис. 2.3) складывается из номинального значения QH и надбавки на неравномерность движения. Первая составляющая обусловлена взаимодействием конструктивных элементов автомобиля и стандартных условий эксплуатации, вторая — приспособленности автомобиля и неравномерности его движения.
Следующим этапом анализа является установление основных входных и выходных параметров системы, представленных в виде неявной зависимости (1): Q =№»,$» к), (2.1) где Su — показатель приспособленности автомобилей к неравномерности движения но расходу топлива; hu — показатель неравномерности движения.
Исходя из (2.1) расход топлива является функцией от номинального расхода топлива и показателей неравномерности движения и приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива.
В ранее выполненных исследованиях [5, 14, 17, 27, 51, 57, 65, 66, 76, 85-90, 99, 111] большое внимание, кроме неравномерности движения, уделялось фактору низкой температуры воздуха. Именно неравномерность движения зимой в городских условиях больше всего влияет на расход топлива. Это можно видеть не только из топливной характеристики установившегося движения, но и на основе анализа экспериментальных данных (расход топлива в городском и магистральном циклах). В этих работах использовался пространственно-временной подход, а оценка фактора низкой температуры окружающего воздуха была проведена по универсальной шкале суровости. Таким образом, после проведения необходимых исследований по неравномерности движения можно сформулировать гипотезу о двухфакторной модели зависимости расхода топлива от неравномерности движения и низкой температуры окружающего воздуха, используя опыт предыдущих исследователей.
Неравномерность движения имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать. Во-первых, она формируется под воздействием множества факторов, которые не рассматриваются в данной работе, во-вторых, она является характеристикой движения и не имеет места при его отсутствии. Таким образом, в рамках исследования принято, что неравномерность движения является независимым фактором условий эксплуатации, а объект движения -материальная точка.
Неравномерным, или переменным, называется такое движение материальной точки, при котором она за равные промежутки времени проходит неодинаковые расстояния. Исходя из определения понятия «неравномерное движения», в качестве показателя неравномерности движения принято среднее ускорение на маршруте а, м/с2.
Оценка приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива
Следующим элементом системы (рис. 2.3.) является приспособленность автомобиля. Она не зависит от условий эксплуатации и является его объективным свойством сохранять на номинальном уровне значения расхода топлива при неравномерном движении [5, 17,85,87-89].
Значительное влияние на расход топлива оказывает способ движения автомобиля [21, 23, 38, 40, 43], Наиболее близким к оптимальному является движение с постоянной скоростью по горизонтальному участку шоссе, когда необходимо преодолевать только сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. Расход топлива при таком движении меньше, чем при движении по городу или дороге с переменным профилем с такой же средней скоростью. Каждая остановка автомобиля и его новый разгон требуют значительных затрат энергии. При остановке автомобиля его кинетическая энергия через торможение превращается в теплоту. При последующем разгоне автомобилю необходимо придать ускорение, чтобы достичь скорости, которую он имел до торможения. Такой режим движения с частыми остановками и разгонами называется неустановившимся и характеризуется большой неравномерностью движения. Расход топлива автомобилем под воздействием неравномерности движения в городе может в 10 и более раз превышать номинальное значение. Но различные марки и модели автомобилей по-разному реагируют на изменение режима движения в зависимости от степени приспособленности к этому фактору.
Для оценки . этого свойства введен показатель приспособленности автомобилей к неравномерности движения по расходу топлива. При введении этого показателя учитывается, что он должен иметь ясный физический смысл, простоту определения численных значений и быть сопоставимым для автомобилей разных марок и моделей. В качестве такого показателя приспособленности предложен параметр чувствительности Su, л/100 км/?. Его физический смысл состоит в следующем: на сколько литров на 100 км пробега изменится расход топлива при изменении индекса неравномерности на \R. Размерность выбрана на основании того, что нормирование расхода топлива производиться в литрах на каждые 100 километров пробега. Чем больше значение S„, тем менее автомобиль приспособлен к неравномерности движения по расходу топлива.
Для расчета численных значений параметра чувствительности необходимо проанализировать его природу.
Мощность, которая имеется для обеспечения ускорения (неравномерности движения) - избыточная мощность Р, представляет собой разность между мощностью, требующейся при данных РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА условиях для преодоления сопротивления движению, и мощностью подводимой к ведущим колесам [29, 82, 122]. Р = Рт Рсд, (2.10) где Рт - мощность двигателя, Вт;
Рсд - часть мощности двигателя, которая тратится на преодоление сил сопротивления, кроме силы сопротивления инерции, Вт. Ускорение автомобиля а, которое, по сути, является динамической характеристикой D, рассчитывается по формуле: а=а=т=1Ц. (2Л1) п-Гк-М где F - избыточная величина движущей силы, Н; М - масса автомобиля (с приведением всех вращающихся масс к диаметру колеса), кг; imp - КПД трансмиссии; п - частота вращения каленвала двигателя, с"1; гк - радиус колеса, м. М = Ма-5, (2.12) где 5 - коэффициент учета вращающихся масс.
Проанализировав уравнения (2.10-2.12), получим структуру расходования энергии во время разгона. Она состоит из следующих элементов: 1. Разгон массы автомобиля. 2. Разгон вращающихся масс. 3. Потеря на КПД трансмиссии.
Общие положения экспериментальных исследований
В полной мере изучить влияние неравномерности движения на топливную экономичность невозможно без проведения экспериментальных исследований [4, 8, 9, 39, 72, 75, 93, 94, 118, 125]. Таким путем необходимо доказать или опровергнуть рабочие гипотезы. Кроме того, только опытным путем можно установить, что зависимости справедливы для различных марок и моделей автомобилей.
Согласно поставленной задаче в основную программу экспериментальных исследований включены ходовые эксплуатационные испытания автомобилей ВАЗ-21093, ВАЗ-2112, ВАЗ-2115 и Hyundai Elantra при их движении но заездам различной неравномерности, наряду с систематическим замером путевого расхода топлива.
Программой испытаний предусмотрены предварительные и контрольные заезды по маршрутам, оценка продольного уклона и кривизны дороги в плане, состояния дорожного полотна, природно-климатических условий и оценка технического состояния транспортного средства. Предварительное планирование экспериментов позволило осуществить оптимальный выбор участка дороги с характеристиками, соответствующими требованиям. Кроме того, был учтен человеческий фактор системы «автомобиль - условия эксплуатации», для чего разработан четкий алгоритм взаимодействия водителя и автомобиля исходя из критерия оптимального режима работы двигателя на маршруте.
Основным требованием алгоритма было соблюдение следующих положений:
1. Если максимальная скорость автомобиля на низшей передаче ниже 15 км/ч, то для выполнения заезда следует применять II, III и IV передачи. АТС, снабженное коробкой передач с полуавтоматическим управлением, следует испытывать с применением передач, используемых при движении по дороге, а переключение осуществлять в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
2. АТС, оборудованное автоматической коробкой передач, следует испытывать, установив переключатель режимов работы в положение «Движение». При этом разгоны автомобиля следует осуществлять с соблюдением скоростных режимов разработанной операционной карты испытаний.
3. Разгон следует выполнять таким образом, чтобы в течение всей фазы разгона ускорение было постоянным.
4. Если разгон не может быть выполнен в установленное время, то необходимое дополнительное время следует компенсировать соответствующим уменьшением продолжительности последующего периода движения с постоянной скоростью.
5. Замедление необходимо осуществлять снятием ноги с педали управления подачей топлива при включенном сцеплении.
6. Если продолжительность замедления больше предусмотренной, то необходимо использовать служебное торможение для обеспечения следования заданному циклу.
7. В конце периода замедления рычаг переключения передач следует перевести в нейтральное положение и включить сцепление.
8. Необходимо избегать пульсации скоростного режима или отпускания педали управления подачей топлива при переходе от режимов разгона или замедления к режиму постоянной скорости. При движении с постоянной скоростью педаль управления подачей топлива должна находиться в неизменном положении.
9. Допускается отклонение на 1 км/ч от заданной скорости при разгоне, установившемся движении и замедлении, если для соблюдения заданного режима используется служебное торможение. Если период замедления при снятии ноги с педали управления подачей топлива короче заданного периода движения, предусмотренного заданным циклом, то дальнейшее выполнение цикла необходимо обеспечивать за счет соответствующего увеличения продолжительности последующего режима холостого хода или установившегося движения.
10. При изменении режима движения допускаются большие отклонения скорости по сравнению с указанными выше при условии, что продолжительность этих отклонений в каждом отдельном случае не будет превышать 0,5 с.
11. Допускаемое отклонение продолжительности времени выполнения цикла не более 0,5 с.
Методика дифференцированного корректирования расхода топлива
Действующая в настоящее время система корректирования предусматривает суммарное повышение нормы на неравномерность до 85%. Однако, в большинстве случаев значение коэффициента должно быть меньше. Таким образом, экономическая эффективность Э, руб./автомобиль-день, внедрения Методики дифференцированного корректирования для одного автомобиля рассчитывается по формуле: 3=Aq-Lcc-C, (5.6) где Aq — разница между нормами расхода топлива по двум методикам, л/100 км; Lcc — среднесуточный пробег, 100 км; С — стоимость топлива, руб.
Для автомобиля КамАЗ-53215 со средним уровнем приспособленности, эксплуатируемым в мало сложном интервале неравномерности движения со среднесуточным пробегом 150 км, экономическая эффективность составляет 55,6 рублей/автомобиль-день (по ценам 1 кв. 2006 г.).
Внедрение результатов исследования и расчет экономической эффективности на предприятии ОАО ПАТП №2
Одной из важнейших задач повышения эффективности использования автомобильного топлива в автобусных парках является разработка технически обоснованных норм его расходования для каждого маршрута.
Руководителям автотранспортных предприятий предоставляется право устанавливать дифференцированные маршрутные нормы расхода автомобильного топлива на пассажирских перевозках, выполняемых автобусами.
Введение маршрутных норм в автотранспортных предприятиях дает возможность наиболее правильно учитывать влияние неравномерности движения на расход топлива.
Введение технически обоснованных норм расхода топлива для каждого маршрута или групп типовых маршрутов позволяет постоянно контролировать эффективность работы автобусов и предотвращать нерациональное использование топлива.
В настоящее время установлено, что основными резервами экономии топлива является совершенствование маршрутного нормирования, за счёт рационального распределения топливных ресурсов по маршрутам в зависимости от конкретных условий эксплуатации; повышение эффективности работы автобусов за счёт введения скоростных, экспрессных и укороченных маршрутов; улучшения технического состояния автобусов на основе их диагностики по топливной экономичности повышения качества вождения за счёт обучения водителей методам экономичного вождения; совершенствование учёта, контроля и анализа расхода топлива.
Пассажирские перевозки общественным автомобильным транспортом являются социально значимыми. На их обеспечении работает огромный автобусный парк, требующий регламентации эксплуатационных нормативов.
Основываясь на объективных требованиях к перевозке и «Правилах пассажирских перевозок автомобильным транспортом», разработана методика оценки суровости маршрута по неравномерности движения. При этом учтены следующие особенности: ? ряд характеристик маршрута, таких как: протяженность, количество остановок, регулируемых и нерегулируемых перекрестков и т. д. - имеют постоянный характер; ? неравномерность маршрута может изменяться хаотично с течением времени, в зависимости от состава транспортного потока, дорожных условий, времени простоя на остановках и т.д.; ? работа на маршруте осуществляется в различное время суток, недели, месяца и года; на маршруте могут работать автомобили с различной приспособленностью и водители различной квалификации. Порядок расчета маршрутных норм состоит из четырех этапов: 1. Определение сложности маршрута. 2. Определение параметра чувствительности автобуса к неравномерности движения по расходу топлива. 3. Определение значения расхода топлива при установившейся скорости движения 30 км/ч. 4. Определение маршрутной нормы и корректирующего коэффициента. Определение сложности маршрута hu.
Маршрут автобуса включает четко регламентированное количество остановок, регулируемых и нерегулируемых перекрестков, длину и расписание движения. Таким образом, представляется возможным моделировать режимы движения автобусов на маршрутах.
Фактическое количество разгонов-торможений на маршруте будет рассчитываться по формуле: Ыф = п0 + ІПСРСІ + In„p„i, (5.7) где п0 - количество остановок на маршруте; псі - количество светофоров на маршруте; ппі - количество других помех на маршруте; рсі - вероятность остановки на светофоре; рпі - вероятность остановки ввиду других помех.
Последнее слагаемое (5.7) является вероятностным. Для большей точности его необходимо принимать постоянным на основе статистического анализа конкретного маршрута.
Вероятность остановки на светофоре рассчитываться по формуле: где t3 - время фазы зеленого света, с; іжелт - время фазы желтого света, с; tno.w - время полной фазы, с.
В качестве наиболее вероятной причины вынужденных остановок принято перестроение, связанное с пересечением встречной полосы движения.
