Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния, проблемы и задачи исследования
1.1. Природно-климатические особенности горных регионов 11
1.1.1. Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем моря 19
1.1.2. Влияние природно-климатических факторов горного региона на эксплуатационные свойства автомобилей 22
1.2. Анализ существующих методов оценки энергетических показателей АДВС в горных условиях 25
1.3. Методы корректирования нормативов технической эксплуатации автомобилей в эксплуатации 30
1.4. Состояние проблемы и задачи исследования 38
Глава 2. Высотная зависимость термодинамических параметров воздуха и их влияния на эксплуатационные свойства АДВС 41
2.1. Общая методология исследования 41
2.2. Особенности изменения параметров среды в горных условиях 43
2.3. Анализ влияния кинетической энергии на распределение давления с высотой 46
2.4. Теоретическое описание высотной зависимости термодинамических параметров для вандер-ваальсовского газа 48
2.5. Зависимость энергетических показателей двигателя от термодинамических параметров воздуха 60
2.6. Влияния термодинамических параметров горной среды на температурный режим АДВС 68
Глава 3, Экспериментальная оценка эксплуатационных свойств автотранспортных средств (АТС) с учетом изменения параметров среды 76
3.1. Методика экспериментальных исследований 76
3.2. Экспериментальная оценка температурного режима АДВ С 83
3.3. Экспериментальная оценка расхода топлива автомобилями КамАЗ
83
Глава 4. Совместный анализ результатов теоретического и экспериментального исследования 96
4.1. Корректирование норм расхода топлива в горных условиях эксплуатации АТС 96
99
4.2. Уточнение нормативов технической эксплуатации АТС в зависимости от параметров горной среды
4.3. Обеспечение экологической безопасности АТС в эксплуатации 102
4.4. Эффективность применения дифференцированных норм расхода топлива в горных условиях 1 * 0
Основные выводы и рекомендации 117
Литература
- Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем моря
- Анализ влияния кинетической энергии на распределение давления с высотой
- Экспериментальная оценка температурного режима АДВ С
- Уточнение нормативов технической эксплуатации АТС в зависимости от параметров горной среды
Введение к работе
Глава 7. Анализ современного состояния, проблемы и задачи 11
исследования
1.1. Природно-климатические особенности горных регионов 11
1.1.1. Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем
моря 19
1.1.2. Влияние природно-климатических факторов горного региона на
эксплуатационные свойства автомобилей 22
1.2. Анализ существующих методов оценки энергетических показателей
АДВС в горных условиях 25
Методы корректирования нормативов технической эксплуатации автомобилей в эксплуатации 30
Состояние проблемы и задачи исследования 38
Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем моря
Наиболее значимым климатическим фактором является температура окружающего воздуха. Влияние низких и высоких температур воздуха на элементы автотранспортных средств (АТС) в большинстве случаев носят противоположный характер. Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем моря
Территория республики Таджикистан рассматривается как наиболее теплый и засушливый район. Однако, в действительности, из-за наличия на территории республики как долинных, так и горных районов погод но-климатические условия зависят от высоты расположения объекта над уровнем моря и различаются между собой [10].
По строению поверхности Таджикистан является страной гор и одной из самых высокогорных республик СНГ. К примеру, некоторые автомобильные дороги республиканского и общегосударственного значения пролегают на высоте от 300 до 4600 м и выше.
Годовой ход положительной абсолютной температуры имеет на всех широтах тенденцию возрастания от зимы к лету. Причем максимум приходится на июль, а в горных районах может быть сдвинут на август (табл. 1.4). Максимальное значение Таблица 1.4. гемпературы по месяцам.
Годовой ход абсолютной минимальной температуры также на всех высотах имеет тенденцию повышения температуры воздуха от зимы к лету, т.е. от отрицательных в зимний период до положительных в летний, причем на всех высотах многолетние средние значения в июне- августе, за исключением высот более 3000м имеют положительную температуру (табл. 1.5).
Большое разнообразие орографического строения территории республики предопределяет значительные контрасты в распределении осадков по территории и высотным зонам. Как правило, количество осадков на склонах гор с высотой увеличивается. Наибольшее количество осадков выпадает на склонах западной и юго-западной экспозиции, причем на склонах западной экспозиции осадков выпадает примерно в 2 раза больше, чем на склонах других экспозиций. Особенно незначительное количество осадков наблюдается в долинах и межгорных впадинах Восточного Памира. Здесь порой выпадает осадков меньше (около 100 мм в год), чем на крайнем юге республики. Количество выпадающих осадков по высоте характеризуются следующими величинами (табл 1.6).
Годовой ход осадков в различных районах Таджикистана неодинаков. Для большей части долин и предгорий, а также для горных районов Западного Таджикистана характерен годовой ход с минимум осадков в летние месяцы. Максимум осадков приходится на март-апрель в долинах и прегорьях и на апрель-май в высокогорных районах, а в некоторых восточных высокогорных районах максимум приходится на летние месяцы.
Количество осадков в месяц максимума на большей части территории республики колеблется в пределах от 30 до 100 мм, а в некоторых наиболее увлажненных районах 200-300 мм. В месяц минимума количество осадков практически по всей республике не превышает 5 мм.
В табл. 1.7 показан годовой ход количества переходов температуры воздуха через 0С в долинах, предгорных и горных районах. Коэффициент вариации количества переходов колеблется в пределах 0-0,84, причем в зимние месяцы он намного меньше и находится в пределах 0-0,38.
В горных районах картина иная. Здесь наблюдается, практически на всех высотах от 1500 до 3500 метров, пик в марте - апреле и октябре - ноябре, с отсутствием переходов в летние месяцы, за исключением незначительного коли чества на высоте 3000-3500 м. Коэффициент вариации количества переходов колеблется в пределах 0,06-1,59.
Таблица 1.7.
Средняя годовая температура воздуха, С Высота Средняя температура воздуха на наиболее холодных суток,0 С Средняя максимальная скорость охлаждения воздуха, С/час Средняя температура воздуха, Сянварь Июль Средняя годовая температура, С
Анализ многолетних данных по всем станциям показывает, что абсолют ный минимум количества переходов равен 30 (на высоте до 500м), абсолютный максимум равен 163 (на высоте 3000-3500м). Среднегодовое количество переходов (рис. 1.14) с высотой постепенно возрастает от 48,5 (на высоте до 500м) до 103,4 (на высоте до 3500м), т.е. в горных условиях, в отличие от широтной зональности, имеет место ярко выраженная зависимость числа переходов температуры через 0С от высоты [10].
Приведенные данные показывают, что природно-климатические условия работы республики существенно зависят от высоты местности и для углубленного учета высотного фактора необходимо предложить классификацию среды функционирования системы Водитель - Автомобиль - Дороги - Среда (ВАДС).
1.1.2. Влияние природно-климатических факторов горного региона на эксплуатационные свойства автомобилей
Своеобразие климата Таджикистана требует детального исследования влияния природно-климатических факторов на надежность системы АДВС. В горных условиях, водитель часто вынужден менять режим работы двигателя, что увеличивает выброс вредных веществ и способствует загрязнению ими воздушной среды.
Климатические условия оказывают значительное влияние на ресурс узлов и агрегатов автомобиля. Степень этого влияния зависит от параметров, характеризующих процессы, происходящие в изделии, рабочую среду в сопряжении, материал деталей, нагрузку.
Выявление этой зависимости позволит произвести классификацию деталей автомобиля в соответствии с их климатической надежностью. Климатическая надежность - степень приспособленности машин и их элементов к безотказной работе в условиях активного и весьма неблагоприятного воздействия климатических факторов [1,9].
Анализ литературных источников, а также проведенный опрос компетентных специалистов автомобильного транспорта позволили в качестве основных выделить следующие природно-климатические факторы (все факторы по воздействию на показатели надежности машин):
Отрицательное воздействие ветра на процессы в узлах и агрегатах автомобиля проявляется главным образом в нарушении их теплового баланса вследствие увеличения теплоотдачи. В процессе движения автомобиля температура его агрегатов непрерывно меняется и характеризуется средней эксплуатационной температурой.
Анализ влияния кинетической энергии на распределение давления с высотой
На основании проведенного анализа сложившейся ситуации, для решения поставленных перед настоящей работой задач приняты следующие исходные положения и рабочие гипотезы:
1) специфические (экстремальные) условия эксплуатации (например, горные и высокогорные условия Таджикистана, сочетающимся с сухим жарким климатом) различно влияют на режим работы агрегатов и систем автомобиля, что должно отражаться на энергетических и экологических показателя;
2) эффективность использования автомобилей в значительной степени зависит от рационального использования автомобильного топлива, что в свою очередь связано с качеством нормативов расхода топлива, т.е. с соответствием их конкретным моделям АТС и условиям работы;
3) узловым вопросам задачи повешения качества нормативов ТЭА является необходимость снижения размерности факторного пространства, что возможно на основе использования комплексных показателей сложности внешних воздействующих факторов с углубленным изучением термодинамических характеристик параметров среды;
4) условия эксплуатации существенно влияют на целый ряд технико-эксплуатационных показателей работы АДВС, в частности, на расход топлива, выбросы вредных веществ в отработавших газах и т.д., и в связи с этим возникает вопрос о необходимости выбора наиболее значимых факторов и классификации условий эксплуатации автомобилей для оперативного корректирования эксплуатационных нормативов;
5) существующая классификация природно — климатических условий предусматривает деление территории страны на ряд климатических районов, пределы которых определяют границами административных районов, а не клима Г 7С Г; КАП тическими факторами, что вносит свой вклад в неопределенность нормативов ТЭА.
В соответствии с поставленными в исследовании задачами, с учетом сделанных предпосылок разработана общая методика исследования (рис.2.1.), предусматривающая определения закономерности изменения параметров горной среды и экспериментальную проверку их влияния на энергетические и экологии показатели АДВС.
Оценка влияния термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели теплосиловых установок транспортных машин в горных условиях эксплуатации
1. Разработать методику проведения исследования
2.Установить закономерность изменения и механизм влияния термодинамических параметров среды в горных условиях на энергетические показатели АДВС в эксплуатации
3. Произвести классификацию среды функционирования и создать систему корректирования нормативов технической эксплуатации АДВС для адекватного учета термодинамических параметров среды в горных условиях
4. Экспериментально исследовать топливную экономичность автомобилей семейство КамАЗ на реальных маршрутах и разработать методику дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива с учетом их приспособленности к горным условиям эксплуатации
5. Определить пути практического использования полученных результатов Общая методика исследования 2.2. Особенности изменения параметров среды в горных условиях Значительное влияние на эффективность работы АДВС оказывает их расположение над уровнем моря, что в конечном итоге определяется рельефом местности.
В горных условиях нарушается нормальная работа системы питания двигателя, что приводит к снижению динамики и экономичности АДВС и увеличению износа двигателя. Например, скорость движения автомобилей на горных дорогах уменьшается в среднем на 35 ... 40 %, а расход топлива увеличивается на 15 ...20% [66].
Наибольшее влияние атмосферно - климатические условия оказывают на работу карбюраторных двигателей. При работе автомобилей в горных условиях, на большой высоте, в значительных пределах изменяются давление, плотность и температура воздуха. Все это в конечном итоге влияет на состав смеси, индикаторный КПД, мощность и расход топлива.
Поскольку атмосферно — климатические условия и рельеф местности оказывают влияние на работу карбюратора (состав смеси), то это приводит к изменению основных показателей работы двигателя и автомобиля в целом.
Рассмотрим влияния основных параметров атмосферно - климатических условий и рельефа местности на работу АДВС.
Изменение атмосферных условий по мере увеличения высоты над уровнем моря весьма существенно. Так, на высоте 2000, 3000, 4000 м давление воздуха снижается на 22; 31 и 61,5 %, а плотность его — на 13,5; 25 и 33 % соответственно [70].
Высота (h) над уровнем моря - географический фактор, влияющий в основном на эффективную мощность двигателя и его тепловой режим в результате изменения плотности и температуры воздуха по высоте. Этот фактор учитывают исходя из необходимости обеспечения преодоления длительных подъемов и спусков при сниженной мощности и более напряженной работы систем управления движением. Оба эти фактора связаны с высотой над уровнем моря. Степень их изменения определяется выражениями [75]
p = PoQ-h/44300)i256 = t0-0.0065h (2.1)
Столь значительное уменьшение плотности атмосферного воздуха по мере роста высоты над уровнем моря в большей степени сказывается на эффективных и экономичных показателях работы двигателя, его надежности и ресурсе.
Во многих работах количественная оценка зависимости эксплуатационных показателей машин от высоты расположения над уровнем моря получена на основе использования усредненной зависимости атмосферного давления воздуха от высоты над уровнем моря, принятой Международной ассоциацией гражданской авиации.
При подъеме на каждые 8 м атмосферное давление падает на 100 Па = 1 мбар [76]. Если предположить, что te03d с высотой не меняется, то атмосферное давление уменьшается с высотой по экспоненциальному закону. Если Ро - атмосферное давление у поверхности Земли; P(h) - атмосферное давление на высоте h; ро - плотность воздуха у поверхности Земли; g - ускорение свободного падения; е = 2,71828, тогда вплоть до высот 100 км давление (при t = const) рассчитывается по барометрической формуле [77]:
Экспериментальная оценка температурного режима АДВ С
В простейшем случае система охлаждения ДВС рассматривается как система регулирования одномерного объекта с одной регулируемой величиной х, которой является температура Тр теплоносителя, отводящего тепло от двигателя (Рис. 2.8 ) [84].
На систему действует не менее трёх возмущающих воздействий, например: й)в - угловая скорость вала, Тиеа- температура наружного воздуха, Ыд -мощность двигателя. На практике, системы в которых необходимо регулировать температуру Тр одного теплоносителя, встречаются редко. Обычно объект регулирования (ОР) являются многомерными, в них необходимо регулировать температуры двух и более теплоносителей, при этом и управляющих воздействий у І ДОЛЖНО, быТЬ НЄ Меньше, ЧЄМ регулируемых ВеЛИЧИН Х{.
На современных АДВС, в зависимости от вида теплоносителя, применяют воздушные (газовые) и водяные (жидкостные) системы охлаждения. В качестве управляющих (регулирующих) воздействий у( в них применяется расход теплоносителей (FB3 - воздуха или F - жидкости).
Расход теплоносителя изменяется с помощью регулирующих органов (РО), которые могут быть дросселирующими (клапаны, заслонки) и дозирующими (насосы, компрессоры, вентиляторы). Дозирующие РО не вносят дополнительных сопротивлений в магистраль теплоносителя, на преодоление которых требуется затрата энергии. Поэтому наиболее эффективным способом регулирования расхода теплоносителя является изменение производительности насоса или вентилятора. РО могут быть однопозиционными, работающими в режиме "включено-выключено", многопозиционными и непрерывными, обеспечивающими изменение расхода теплоносителя в требуемом диапазоне.
На практике применяются одноконтурные и многоконтурные СО. Наибольшее распространение в автотракторных двигателях получили двухконтур-ные (рис. 2.6) жидкостно-жидкостные, жидкостно-воздушные СО.
Тепловой режим автотракторных двигателей определяется нагрузочным и скоростным режимами. В горной местности добавляются еще факторы, определяемые спецификой горного климата — уменьшение плотности, температуры и влажности воздуха.
Уменьшение плотности воздуха, кроме того, ухудшает условия теплоотдачи радиатора, снижает производительность вентилятора и понижает температуру кипения воды. Если к этим факторам добавить еще и то обстоятельство, что при движении по длительным и затяжным подъемам двигатель продолжительное время работает с наибольшей предельной нагрузкой, то можно ПреДПО лагать, что стандартная система охлаждения двигателя в горных условиях не всегда будет в состоянии обеспечить поддержание надлежащего теплового режима.
Тепловое состояние двигателя с жидкостной системой охлаждения определяется температурой охлаждающей воды на выходе из рубашки двигателя и температурой масла в картере. Эксплуатация автомобиля и трактора ограничивается критическими значениями этих температур. Наивыгоднейшая температура охлаждающей жидкости для современных автотракторных двигателей находится в пределах 80—95 0.
Вследствие отклонения температуры охлаждающей воды от оптимальных значений, в особенности за пределы критических по нагреву и переохлаждению, резко ухудшаются энергетические и экономические показатели двигателя и сокращаются сроки его работы. Поэтому требования, предъявляемые к системе охлаждения, сводятся к обеспечению наивыгоднейшей интенсивности охлаждения вне зависимости от условий и режимов работы двигателя (числа оборотов, нагрузки, температуры окружающей среды и давления).
Учитывая то, что тепловой режим двигателя может изменяться в зависимости от эксплуатационных условий, для поддержания его значения в пределах, близких к оптимальному, стандартная система охлаждения, как правило, снабжается специальными регулирующими средствами, управляющими интенсивностью переноса тепла от нагретых поверхностей к атмосферному воздуху.
Исследованиями [7, 86-93] установлено, что температура охлаждающей жидкости достигает критических значений в случае движения стандартного автомобиля по затяжным и крутым подъемам на малых скоростях с предельной нагрузкой двигателю. Это связано, прежде всего, с уменьшением суммарного количества воздуха, обдувающего радиатор и двигатель Gcym которое для движущегося автомобиля определяется потоком, создаваемым вентилятором GaeHm и встречным потоком Gecmp
Уменьшение GgyM обусловлено: а) почти полным отсутствием встречного потока воздуха Gecmp в резуль тате низкой скорости движения автомобиля; б) снижением производительности вентилятора GeeHm ввиду уменьшения частоты вращения вала двигателя до частот, соответствующих его максималь ному крутящему моменту. Важен также фактор снижения плотности ат мосферного воздуха, особенно при работе автомобилей и тракторов в высокогорных местностях. При этом, помимо понижения производительно сти вентилятора, уменьшается и величина коэффициента теплоотдачи от на ружной поверхности радиатора к воздуху [90]:
Уточнение нормативов технической эксплуатации АТС в зависимости от параметров горной среды
На основе детального учета влияния природно-климатических условий горных регионов на изменение технико-экономических показателей работы автомобилей производится корректирование нормативов технического обслуживания и ремонта, направленное на обеспечение требуемого уровня надежности, снижение себестоимости затрат с соблюдением нормативного уровня дорожной и экологической безопасности. Настоящая методика предусматривает дальнейшее совершенствование системы корректирования нормативов, принятой в действующем на территории Таджикистана «Положении...» за счет углубленного учета природно-климатических условий гор ных регионов. Применение методики позволяет уменьшить ошибки при корректировании нормативов ТЭА в конкретных природно-климатических условиях горных регионов и приводит к более эффективному использованию материальных и трудовых затрат.
Природно-климатические условия характеризуются факторами, важнейшими из которых являются температура воздуха, его плотность, влажность и давление. Влияние этих факторов на экономические и экологические показатели работы автомобилей существенны. Поэтому для адекватного учета важнейших компонентов природно-климатических условий горных регионов корректирующий коэффициент определялся на базе этих факторов.
Комплексное влияние параметров среды (давление, плотность и температура воздуха) в горных регионах определяется коэффициентом сложности горной среды Кгор на базе выявленных закономерностей. Коэффициент сложности горной среды Кгор предусматривает перемножение частных коэффициентов, поскольку его значения должны учитывать эффекты взаимодействия факторов при совокупном характере их воздействия на АТС:
К!др=Кт-КР-Кр. (4.4)
Отсутствие в формуле (4.4) весовых коэффициентов, характеризующих меру шкал показателей сложности условий, правомерно [2], поскольку многолетний опыт применения методов снижения размерности и классификации в различных областях науки и техники показал, что хорошие результаты, как правило, получаются при счете с нормализацией исходных данных, выравнивающей диапазоны измерения всех переменных, т.е. при единичных «весах».
Значения коэффициента корректирования нормативов ТЭА, зависящие от природно-климатических факторов в горных условиях Кгор, в соответствии с разработанной классификацией горной среды, приведены в табл.4.2 и на рис.4.4.
При регламентированных уровнях дорожных и транспортных факторов получена однофакторная модель реализации удельной производительности
Коэффициент корректирования нормативов ТЭА в зависимости от природно климатических условии в горных регионах Кгор № п/п Тип рельефа местности Высота местности над уровнем моря, м Нормативы Обеспечение экологической безопасности АТС в эксплуатации
Автомобильно-дорожный комплекс оказывает существенное отрицательное экологическое влияние на окружающую среду, которое складывается из транспортных загрязнении (выбросов автотранспортных средств), воздействий самых дорожных сооружений на природные экосистемы и воздействий технологических процессов [116-124].
Для оценки экологических показателей дизельных АДВС в зависимости от высоты эксплуатации на рассмотрим работу Малова Р.В. и др.[124].
Графики зависимости состава рабочей смеси от высоты над уровнем моря при постоянной подаче топлива (рис. 4.5), действительные для четы 102 рехтактных безнаддувных дизелей, с достаточной для практических расчетов точностью описывается функцией значение коэффициента избытка воздуха на уровень моря; КР (4.1) и Kt — коэффициенты учета изменения давления и температуры от высоты над уровнем моря, м.
Коэффициент избытка воздуха определяют нагрузкой двигателя и частотой вращения коленчатого вала (я) (режимными параметрами). Частота вращения коленчатого вала влияет при этом значительно лишь в области частичных нагрузок. Степень концентрации токсичных веществ в ОГ, за исключением сажи, в диапазоне п 0,5« н также мало зависит от частоты вращения, а в области больших нагрузок и от а. Функции Ci=f(a) вследствие малых абсолютных значений Cj установить при постоянных внешних условиях, регулировках дизеля и используемых методах анализа токсичности выпускных газов пока невозможно. Дисперсия практически выше точности отбора газовых проб и их химического анализа.
Принимая во внимание изложенное, а также факт максимального абсолютного выброса суммы токсичных веществ при работе дизеля на номинале, оценку влияния высоты работы машин над уровнем моря на загрязнение атмосферы или рудничного духа можно ограничить рассмотрением работы двигателей только с максимальной подачей топлива при номинальной частоте вращения коленчатого вала, так как при этом a = amin.
Значение amijl для соответствующих высот над уровнем моря при сравнении их с данными рис. 4.6 показывают хорошую сходимость (табл. 4.3.)
По приведенному анализу можно оценить состоянию двигателей при подъеме на соответствующую высоту над уровнем моря и влиянию регулировки на токсические характеристики при применении автомобилей.
