Приспособленность автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей
На правах рукописи
ЭРТМАН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ К ЗИМНИМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ТЕМПЕРАТУРНОМУ РЕЖИМУ ДВИГАТЕЛЕЙ Специальность 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Тюмень 2004
Работа выполнена на кафедре эксплуатации автомобильного транспорта.
Тюменского государственного нефтегазового университета.
Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Леонид Григорьевич Резник
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Александр Сергеевич Терехов кандидат технических наук, доцент Александр Егорович Королев
Ведущая организация: Институт проблем освоения Севера Сибирского отделения Академии наук Российской Федерации
Защита состоится «21» апреля 2004 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал имени А.Н. Косухина
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного сове та.
Автореферат разослан «19» марта 2004 г.
Телефон для справок (3452) 22-93-02.
Ученый секретарь диссертационного совета П.В. Евтин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 температур ный режим двигателей автомобилей, что объясняется повышением тепло отдачи 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 ма рок и моделей в одинаково суровых условиях эксплуатации имеют различ ную интенсивность теплоотдачи, то есть характеризуются разными значе ниями темпов прогрева и охлаждения. Это объясняется различной приспо собленностью автомобилей к зимним условиям, что недостаточно учитыва ется при их эксплуатации и ведет к снижению эффективности автомобиль ного 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 режи ма двигателей, до сих пор отсутствует показатель приспособленности ав томобилей к зимним условиям, учитывающий в совокупности интенсив ность процессов прогрева и охлаждения двигателей. Недостаточно изучены закономерности изменения этих процессов в их совокупности, что свиде тельствует о необходимости научного решения рассматриваемой пробле мы.
Данная работа выполнена в соответствии с Тематическим планом госбюджетных НИР ТюмГНГУ.
Целью исследования является повышение эффективности эксплуата ции автомобилей в суровых зимних условиях на основе установления и ис пользования закономерностей изменения их приспособленности по темпе ратурному 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.
1. Установлены закономерности изменения времени охлаждения и прогрева двигателей под влиянием температуры окружающего воздуха и скорости ветра.
2. Установлено, что связь между температурой охлаждающей жид кости и средней температурой поверхности двигателя описывается линей ной зависимостью, что позволяет принять температуру охлаждающей жид кости в качестве представительной для двигателя в целом.
3. Разработана математическая модель формирования комплексно го показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям экс плуатации по температурному режиму двигателей.
4. Определена закономерность изменения комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по тем пературному режиму двигателей при понижении температуры окружающе го воздуха и увеличении скорости ветра.
5. Разработана методика оценки уровня приспособленности авто мобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму дви гателей 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 опре деления рационального времени, необходимого для прогрева двигателей и расчета допустимого времени охлаждения при заданных температуре ок ружающего воздуха и скорости ветра, корректирования расхода топлива на прогрев двигателя в зимний период, выбора наиболее эффективных ме роприятий для улучшения приспособленности автомобилей к зимним ус ловиям по температурному режиму двигателей.
На защиту выносятся:
- закономерности изменения времени прогрева и охлаждения двига телей под влиянием температуры окружающего воздуха и скорости ветра;
- зависимость температуры охлаждающей жидкости от средней тем пературы поверхности двигателя;
- математическая модель формирования комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по тем пературному режиму двигателей;
- закономерность изменения комплексного показателя приспособ ленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурно му режиму двигателей при понижении температуры окружающего воздуха и увеличении скорости ветра;
- численные значения параметров математических моделей приме нительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей;
- методика оценки приспособленности автомобилей к зимним усло виям эксплуатации по температурному режиму двигателей и пути ее прак тического использования.
Реализация результатов работы. На основе проведенных исследо ваний разработаны Методики, внедренные в ЗАО "Таксомоторный парк" (г. Тюмень) и используемые в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров автотранспортных специальностей.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доло жены, обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, ПГУ, 28-30 мая 2003 г.), «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, Си бАДИ, 21-23 мая 2003 г.), «Проблемы создания и эксплуатации автомоби лей, 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 транс портировки» (Тюмень, ТюмГНГУ, 25-26 сентября 2002 г.), на заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта ТюмГНГУ (2002, 2003, 2004 гг.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изло жены в 7 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет страниц текста, 37 таблиц, 29 рисунков, список литературы из 117 наиме нований и 6 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее научная новизна и практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса.
Большое количество научных работ разных авторов посвящены повышению эффективности эксплуатации автомобильного транспорта в зимних условиях. Такие работы проводились в НИИАТ, НАМИ, МАДИ, СибАДИ, ТюмГНГУ, а также в других организациях и учреждениях.
Проведенный анализ литературы показал следующее.
Снижение эффективности эксплуатации автомобилей в зимних усло виях исследователи связывают, как правило, с ухудшением температурно го режима двигателей. В качестве основных параметров внешней среды, влияющих на тепловое состояние двигателей, большинство исследовате лей рассматривают температуру окружающего воздуха и скорость ветра.
Основными параметрами, характеризующими температурный режим дви гателей, является установившаяся температура, а также время их прогрева и охлаждения. Анализ предыдущих исследований показал, что влияние зимних условий на время прогрева и охлаждения двигателей разных авто мобилей имеет дифференцированный характер, закономерности изменения которых до настоящего времени в полной мере не установлены.
Исследования температуры двигателя автомобиля проводятся в большинстве работ по данным измерений температуры его охлаждающей жидкости. Между тем, связь температуры двигателя с температурой его охлаждающей жидкости не доказана.
Неодинаковое влияние зимних условий эксплуатации на темпера турный режим двигателей автомобилей обусловлено различным уровнем приспособленности этих автомобилей к суровым условиям. Для получения возможности адекватной оценки уровня приспособленности автомобилей необходимо наличие количественного показателя их приспособленности по температурному режиму двигателей. До настоящего времени комплекс ный показатель, учитывающий приспособленность автомобилей по време ни прогрева и охлаждения двигателей, не разработан, не определены уров ни приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей.
Скорость воздушного потока, обдувающего автомобиль, степень утепления и теплофизические свойства двигателя определяют интенсив ность теплоотдачи двигателя и, соответственно, влияют на время его про грева и охлаждения. Вид математической модели изменения комплексного показателя приспособленности под воздействием указанных факторов ра нее не был определен, а также не установлены численные значения ее па раметров.
Кроме того, не разработана методика оценки приспособленности ав томобилей к зимним условиям по температурному режиму двигателей, ко торая позволяла бы привлекать для эксплуатации наиболее приспособлен ные к данным условиям автомобили.
В результате анализа материалов по исследуемой проблеме для дос тижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи.
1. Установить закономерности изменения времени прогрева и охла ждения двигателей под влиянием температуры окружающего воздуха и скорости ветра.
2. Установить зависимость между температурой двигателя и его ох лаждающей жидкости.
3. Разработать математическую модель формирования комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуа тации по температурному режиму двигателей.
4. Определить закономерность изменения комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по тем пературному режиму двигателей при понижении температуры окружающе го воздуха и увеличении скорости ветра.
5. Определить численные значения параметров математических мо делей применительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей.
6. Разработать методику оценки приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей и пути ее практического использования.
Во второй главе разработана общая методика исследований, яв ляющаяся планом проведения аналитических и экспериментальных работ, проведены теоретические изыскания в рамках решаемой проблемы.
Время охлаждения двигателя автомобиля охл после остановки опре деляется теплофизическими свойствами агрегата и условиями протекания процесса охлаждения на его поверхности. Однако теоретическое опреде ление времени охлаждения двигателя затруднено, так как до сих пор не ус тановлена зависимость коэффициента неравномерности распределения температуры в двигателе от условий охлаждения на его поверхности. Для определения характера зависимости коэффициента неравномерности рас пределения температуры использовано дифференциальное уравнение теплопроводности для шара. Решение этого уравнения позволяет опреде лить зависимость коэффициента неравномерности распределения темпера тур двигателя от числа Bi и представить эту зависимость в виде адекватной модели:
b Bi = b1 exp 2, (1) Bi где Bi – число Био, b1, b2 – параметры модели, зависящие от свойств двигателя (шара).
Учитывая (1) и то, что для каждого двигателя теплоемкость С, масса М, теплопроводность, определяющий размер l и площадь поверхности F являются постоянными – темп охлаждения отдельно взятого двигателя за висит только от коэффициента теплоотдачи. Разработана модель измене ния времени охлаждения двигателя охл от начальной tн до конечной темпе ратуры tк под влиянием температуры окружающего воздуха tв, скорости ветра w и теплофизических свойств двигателя:
t t b охл = exp 2 ln н в, (2) t к tв b где b1 – параметр модели, с-1;
b2 – параметр модели, Вт/м2°С.
Численные значения параметров модели b1 и b2 представлены в гла ве 4.
На основании анализа уравнения теплового баланса решена задача теоретического определения времени прогрева двигателя пр, зависящего от мощности внутреннего источника теплоты Р, температуры окружающего воздуха, темпа охлаждения тохл и теплофизических свойств двигателя, ко торая имеет вид:
730 + 0,5 (tк tн ) t у tк ln пр = (3) t t, d1 P d 2 mохл у н где d1 – постоянная модели, зависящая от теплофизических свойств двигателя, °С/Дж;
d2 – постоянная модели, °С.
Численные значения параметров модели d1 и d2 представлены в гла ве 4.
Изменение температуры двигателя в данный момент времени в про цессе прогрева и охлаждения описывается коэкспоненциальными моделями приспособленности (4) и (5):
t к = t у (t у t н ) e f ( М, mохл ), (4) t к = t в (t в t н ) e f ( a, b, w, охл ). (5) Для характеристики адаптации автомобилей к суровым условиям экс плуатации применяется коэффициент приспособленности, отражающий изменение времени прогрева и охлаждения в данных условиях эксплуата ции по отношению к их значению в стандартных условиях. Установлено, что коэффициенты приспособленности автомобиля к зимним условиям экс плуатации по времени прогрева двигателя от начальной температуры tн до конечной tк определяется по формуле (6):
пр ст К пр = (6) пр, а по времени охлаждения по формуле (7):
охл К охл = (7) охл, ст где ст, ст – время прогрева и охлаждения двигателя от температуры tн пр охл до температуры tк в стандартных условиях, с;
пр, охл – фактическое время прогрева и охлаждения двигателя от температуры tн до температуры tк, с.
При этом под стандартными понимаются условия, в которых тех нически исправный автомобиль реализует номинальные значения своих показателей качества.
Обоснована возможность применения двухкритериальной модели комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним усло виям эксплуатации по температурному режиму двигателей, который может быть назван “параметром адаптивности” а.
Параметр адаптивности автомобилей предлагается определять по следующей формуле:
2 К пр К охл а= (8) К пр + К охл.
Параметр адаптивности изменяется от 0 до 1. Случай а = 1 имеет ме сто при полной приспособленности автомобиля к зимним условиям экс плуатации, то есть когда прогрев на холостом ходу и охлаждение при нера ботающем двигателе осуществляется за тот же период времени, что и в ст ст стандартных условиях пр пр, а охл охл. Автомобиль абсолютно не приспособлен к фактическим условиям эксплуатации при а = 0, если двига тель автомобиля не прогревается совсем, или его прогрев осуществляется в течение очень длительного времени пр, а время остывания очень мало охл 0. Значение параметра а также стремится к нулю, если один из коэф фициентов приспособленности, входящих в него, стремится к нулю.
В целях оценки суровости условий эксплуатации автомобилей для обеспечения сопоставимости различных суровых факторов условий экс плуатации применена универсальная шкала суровости R. Величина индекса суровости Н изменяется от 0 до наибольшего значения Нmax = 12R, которым соответствует отсутствие суровости и наибольшее возможное отклонение фактора условий эксплуатации от стандартной величины.
Для удобства практического применения весь диапазон значений температуры окружающего воздуха разделен на шесть равных интервалов, а диапазон значений скорости ветра на четыре интервала: умеренный, уме ренно-суровый, суровый и очень суровый.
Для удобства практического использования диапазон значений пока зателей приспособленности автомобилей может быть разбит на три уров ня – с низкой, средней и высокой приспособленностью. Указанное разбие ние может быть выполнено с использованием величины среднеквадратиче ского отклонения при условии соответствия распределения значений ко эффициентов приспособленности автомобилей нормальному закону. В ка честве границ интервалов значений показателей принимается а ± 2, ко торым соответствует доверительная вероятность 0,95 (табл. 1).
Таблица Характеристики уровней приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей Уровни Интервал значений Среднее значение приспособ- коэффициента коэффициента ленности приспособленности приспособленности Низкий ( а – 2;
а – 0,5] а – 1, а Средний ( а – 0,5;
а + 0,5] Высокий ( а + 0,5;
а + 2] а + 1, Разработана Методика определения допустимого времени охлажде ния и рационального времени прогрева двигателей в зимних условиях экс плуатации. Для упрощения практического использования указанная Мето дика реализована на ПЭВМ в программе Microsoft Excel.
В третьей главе изложены методики экспериментальных исследо ваний, которые проводились в соответствии с заранее составленным пла ном.
Для проведения экспериментальных исследований использовались ап робированные методики и современные измерительные приборы, в том числе мультиметр MAS-838 и -калориметр с дифференциальной термопарой.
В результате проведения предварительных экспериментов произведе ны градуировка датчиков температуры охлаждающей жидкости двигателей и тарировка термопары, а также определена общая тепловая инерционность термопары и мультиметра.
Предметом экспериментальных исследований служили автомобили Урал 4320, Урал 5557 (ЯМЗ 236), Урал 4420 (ЯМЗ 238), КрАЗ 6444, КрАЗ 255 Б1, ЗиЛ 131, ЗиЛ 130, ГАЗ 53, ГАЗ-САЗ 3507, ГАЗ 2705, ГАЗ 31029, УАЗ 31512, ВАЗ 2106, ВАЗ 21213, КАвЗ 3976 с различной степенью утепления двигателей. Диапазон исследования температуры окружающего воздуха со ставляет от плюс 20 до минус 42 °С, а скорости ветра – от 0 до 13 м/с.
Для определения возможности измерения температуры двигателя по значению датчика температуры его охлаждающей жидкости были получе ны экспериментальные данные (на примере двигателя ЗМЗ-402), позво лившие сделать вывод о наличии функциональной (нестохастической) свя зи между неслучайными переменными – значениями средней температуры поверхности двигателя и его охлаждающей жидкости. Таким образом, температура охлаждающей жидкости двигателя детерминированно опре деляется средней температурой двигателя и может выступать в качестве характерной температуры для двигателя в целом.
Для определения времени прогрева двигателя после стоянки автомо биля на открытом воздухе к датчику температуры охлаждающей жидкости подключался мультиметр, и после этого осуществлялся запуск двигателя.
По достижении температуры охлаждающей жидкости 20 °С включался се кундомер. Прогрев производился до температуры 60 °С.
При проведении эксперимента по определению времени охлаждения двигателя после его продолжительной работы, обеспечивающей равномер ный прогрев всех узлов и деталей, двигатель выключался. При уменьшении температуры до 80 – 90 °С включался секундомер. Охлаждение происходило до температуры 40 °С.
Статистический анализ экспериментальных значений комплексного показателя, осуществленный с использованием программы “Regress 2.5”, позволил установить, что вероятность соответствия полученного распре деления нормальному закону составляет 0,95. Для определения уровней адекватности математических моделей и установления численных значе ний их параметров осуществлен корреляционно-регрессионный анализ с применением программ “Regress 2.5” и “Statistica 6.0”.
В четвертой главе произведен анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований.
В результате статистического анализа эмпирических значений пара метров адаптивности исследуемых автомобилей, произведенного с помо щью программы “Regress 2.5”, подтвержден нормальный закон распреде ления (рис. 1).
Для удобства практического использования весь интервал значений параметров адаптивности автомобилей разбит на три уровня – с низкой, средней и высокой приспособленностью, при этом а = 0,479, = 0,109. На основании статистической проверки установлена значимость различия уровней приспособленности. Распределение автомобилей по уровням при способленности представлено на рис. 1 и в табл. 2.
Средний уровень приспособленности Низкий уровень Рис.1. Гистограмма, кри Количество автомобилей приспособленности вая распределения Высокий уровень и уровни приспособленности приспособленности автомобилей к зимним условиям по температурному режиму двигателей Параметр адаптивности, а Таблица Распределение автомобилей по уровням приспособленности к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей Уровень приспособленности автомобиля низкий средний высокий ГАЗ 2705 ВАЗ 2106 ВАЗ 2106+ ГАЗ 53 ВАЗ 21213 ВАЗ 21213+ ЗиЛ 130 ГАЗ 31029 ГАЗ 2705+ ЗиЛ 131 ГАЗ 3507 ГАЗ 31029+ КрАЗ 255 Б1* ГАЗ 53+ ГАЗ 3507+ КрАЗ 6444* ЗиЛ 130+ КАвЗ 3976+ УАЗ 31512 ЗиЛ 131+ КрАЗ 6444*+ Урал 4320 КАвЗ 3976 УАЗ 31512+ Урал 4420* КрАЗ 255Б1*+ Урал 4420*+ Урал 5557** Урал 4320*+ Урал 5557**+ * – установлен двигатель ЯМЗ ** – установлен двигатель ЯМЗ + – применен утеплитель двигателя Численные значения комплексного показателя приспособленности автомобилей с высокой, средней и низкой приспособленностью представ лены в табл.3.
Таблица Численные значения комплексного показателя приспособленности Уровень Интервал Значение комплексного показателя адаптации суровости HV в интервале суровости Ht автомобиля по скорости по температуре окружающего воздуха, R ветра, R [0... 2) [2... 4) [4... 6) [6... 8) [8... 10) [10... 12] [0... 3) 0,79 0,71 0,64 0,56 0,48 0, [3... 6) 0,75 0,67 0,59 0,51 0,43 0, Высокий [6... 9) 0,70 0,62 0,54 0,47 0,39 0, [9... 12] 0,66 0,58 0,50 0,42 0,34 0, [0... 3) 0,64 0,58 0,52 0,46 0,40 0, [3... 6) 0,61 0,55 0,49 0,42 0,36 0, Средний [6... 9) 0,57 0,51 0,45 0,39 0,33 0, [9... 12] 0,54 0,47 0,41 0,35 0,29 0, [0... 3) 0,55 0,49 0,43 0,37 0,31 0, [3... 6) 0,48 0,42 0,36 0,30 0,24 0, Низкий [6... 9) 0,41 0,35 0,29 0,23 0,17 0, [9... 12] 0,34 0,28 0,22 0,16 0,10 0, Анализ значений комплексного показателя приспособленности авто мобилей с разным уровнем адаптации, представленных в табл. 3, показы вает, что чем выше уровень приспособленности и ниже суровость условий эксплуатации, тем ближе к единице значение комплексного показателя приспособленности.
На втором этапе экспериментальных исследований были подтвер ждены модели изменения времени охлаждения после остановки двигателя и его прогрева на холостом ходу от температуры окружающего воздуха, скорости ветра и наличия утепления двигателя для различных марок и мо делей автомобилей. Численные значения параметров моделей (2) и (3) представлены в табл. 4.
Таблица Численные значения параметров моделей (2) и (3) Уровень Диапазон варьирования адаптации численных значений параметров моделей автомобиля d1107, b2, b1105, с-1 d210- м2°С/Вт (°С)/Дж Высокий 21,7 … 36,7 0,8 … 4,2 5,8 … 93 1,19 … 3, Средний 21,9 … 56,4 1,6 … 5,3 5,9 … 111,5 1,49 … 3, Низкий 31,4 … 48,0 1,5 … 3,8 6,0 … 57,5 1,29 … 2, Для определении зависимостей времени прогрева двигателя на холо стом ходу и времени охлаждения двигателя после его остановки от темпе ратуры окружающего воздуха, скорости ветра и наличия утепления двига теля для различных марок и моделей автомобилей был проведен корреля ционно-регрессионный анализ с использованием программы «Regress 2.5».
Проверка адекватности модели производилась по критерию Фишера F и средней ошибке аппроксимации. Расчеты указанных статистических ха рактеристик показали, что значения дисперсионного отношения Фишера больше табличных значений, а средняя ошибка аппроксимации находится в пределах 1,4…11,2 %, что свидетельствует об адекватности моделей.
Результаты эксперимента в графическом виде на примере автомоби ля ГАЗ 2705 представлены на рис. 2 – 5.
Следующий этап исследований позволил получить двухфакторную модель формирования комплексного показателя приспособленности:
а = 1 a1 ht a 2 ht hw,73 + a 3 ht2 hw,73, 0 (9) где ht – суровость условий эксплуатации по температуре окружающего воздуха, R;
– суровость условий эксплуатации по скорости ветра, R;
hw а1 – параметр, отражающий степень влияния температуры окру жающего воздуха, °С-1;
а2, а3 – параметры, отражающие степень влияния скорости ветра и тем пературы окружающего воздуха.
Численные значения параметров модели представлены в табл. 5.
Таблица Численные значения параметров модели (9) Диапазон варьирования Уровень численных значений параметров модели адаптации а110-2 а210-2 а310- автомобиля Высокий 3,63 … 8,78 1,65 … 5,28 2,63 … 8, Средний 4,03 … 13,33 2,93 … 6,05 3,60 … 11, Низкий 7,06 … 15,02 3,60 … 7,36 5,82 … 12, Пятая глава посвящена практическому использованию полученных результатов и оценке экономической эффективности от их реализации.
Как показывают результаты исследования, чем выше суровость ус ловий эксплуатации и ниже уровень приспособленности автомобиля, тем больше время прогрева на двигателя холостом ходу и меньше длитель ность его охлаждения после остановки.
Двигатель не утеплен Время прогрева, мин Рис.2. Зависимость времени прогрева двигателя автомобиля ГАЗ от скорости ветра при 10 Двигатель утеплен температуре окружающего воздуха минус 30 °С 0 2 4 6 8 10 Суровость по скорости ветра h w, R о -30 С 5, Время прогрева, мин Рис.3. Зависимость времени 5,0 прогрева двигателя автомобиля ГАЗ о -20 С о 4,5 0С (от 20 до 60 °С) от 4,0 температуры воздуха при различных 3, скоростях ветра (без 0 2 4 6 8 10 утепления двигателя) Суровость по скорости ветра h w, R Время охлаждения, мин Двигатель утеплен Рис.4. Зависимость времени охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ (от 90 до 40 °С) от скорости ветра при Двигатель не утеплен температуре воздуха минус 30 °С 0 2 4 6 8 10 Суровость по скорости ветра h w, R Время охлаждения, мин Рис.5. Зависимость времени о -20 С охлаждения двигателя о 75 0С автомобиля ГАЗ 50 от 90 до 40 °С от температуры воздуха 25 о при различных -30 С скоростях ветра (без утепления двигателя) 0 2 4 6 8 10 Суровость по скорости ветра h w, R Численные значения параметров моделей, установленных в резуль тате исследований, позволяют разработать следующие основные направ ления практической реализации:
1. Определение времени охлаждения двигателя при заданных услови ях суровости условий эксплуатации и уровне приспособленности автомоби ля.
2. Определение рационального времени прогрева двигателей авто мобилей в заданных условиях суровости при известном уровне приспособ ленности автомобиля.
Разработаны соответствующие методики. Для удобства практическо го использования для автомобилей исследованных марок и моделей они реализованы в табличном виде. Разработанными методиками можно поль зоваться для определения рационального времени прогрева и допустимой длительности охлаждения двигателей автомобилей других марок и моделей, если учитывать их соответствие исследованным автомобилям по массе, ме сторасположению двигателя, степени его утепления и плотности компоновки подкапотного пространства.
Предлагается реализация разработанных методик для поддержания температуры двигателя в диапазоне от 40 до 80 °С при использовании ав томобиля в качестве дежурного и в интервале от 10 до 60 °С при межсмен ном хранении автомобиля в отрыве от производственной базы.
Изложены рекомендации эксплуатационным предприятиям и про мышленности по улучшению топливной экономичности автомобилей в зимних условиях эксплуатации.
Экономический эффект от внедрения результатов исследования обес печивается за счет учета приспособленности автомобиля к зимним условиям эксплуатации, что сокращает время используемой обычно на практике безос тановочной работы двигателя при непродолжительной стоянке автомобиля.
Экономия для автомобиля ВАЗ 2106 составляет в условиях умеренно холодного климата (представительный пункт – г. Тюмень) – 1435 руб., а в условиях холодного климата (представительный пункт – г. Салехард) – 1822 руб. на один автомобиль в год (в ценах марта 2004 года).
Экологический эффект достигается за счет сокращения расхода топ лива, что ведет к уменьшению загрязнения окружающей среды токсичны ми веществами, содержащимися в отработавших газах.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Решена научно-практическая задача повышения эффективности эксплуатации автомобилей в суровых зимних условиях на основе установле ния и использования закономерностей изменения их приспособленности к этим условиям по совокупности времени прогрева и охлаждения двигателей.
2. Установлены зависимости изменения времени прогрева и охлаж дения двигателей от температуры окружающего воздуха и скорости ветра, описываемые многофакторными математическими моделями. На основе экспериментальных исследований определены численные значения пара метров установленных моделей для исследованных автомобилей и доказа на их адекватность.
3. На основе экспериментального исследования доказано, что тем пература охлаждающей жидкости представляет собой характерную темпе ратуру двигателя, и может быть использована в качестве представительной температуры двигателя в целом.
4. Разработана модель формирования комплексного показателя приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по тем пературному режиму двигателей, представляющая собой отношение удво енного произведения коэффициентов приспособленности по времени про грева и охлаждения к их сумме. Диапазон изменения значений комплекс ного показателя составляет от 0 до 1.
5. На основании экспериментальных данных установлено, что рас пределение значений комплексных показателей приспособленности к зим ним условиям по температурному режиму двигателей различных автомо билей подчиняется нормальному закону распределения, что позволило корректно определить три уровня приспособленности в соответствии со средним значением показателя приспособленности и его дисперсией. Низ кий, средний и высокий уровни приспособленности характеризуются ин тервалами -2 а -0,5, -0,5 а 0,5 и 0,5 а 2 соответственно, при этом а = 0,479, = 0,109. На основании статистической проверки ус тановлена значимость различия уровней приспособленности.
6. Определено, что закономерность изменения комплексного показа теля приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей описывается многофакторной моделью, установлены также численные значения входящих в нее параметров.
7. Разработана методика оценки приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму их двигателей, базирующаяся на математической модели изменения времени прогрева и охлаждения двигателей и реализованная на созданном программно методическом обеспечении.
8. Разработаны пути использования результатов исследований, ко торые включают в себя методику определения допустимого времени охла ждения и рационального времени прогрева двигателей в зимних условиях эксплуатации, а также основные принципы методики определения рацио нальных границ использования автомобилей и оценки эффективности уте плительных средств двигателя автомобиля, эксплуатирующегося в задан ных условиях суровости.
9. Экономический эффект от использования методик оценки при способленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по темпе ратурному режиму двигателей и определения допустимого времени охла ждения и рационального времени прогрева двигателей в зимних условиях эксплуатации образуется за счет экономии топлива от уменьшения време ни работы двигателей автомобилей на холостом ходу при непродолжи тельной стоянке автомобилей и составляет для автомобиля ВАЗ 2106 в ус ловиях умеренно-холодного и холодного климата 1435 и 1822 руб. соот ветственно на один автомобиль в год (в ценах марта 2004 года).
Основные положения диссертации и ее результаты опубликованы в следующих работах.
1. Тюлькин В.А., Эртман С.А. Методика экспериментальных иссле дований по определению темпов прогрева двигателей автомобилей // Про блемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях. Матер. на уч.-практ. конф. 22-23 ноября 2001, Ч. 3. – Тюмень: Нефтегазовый универ ситет, 2002. – С. 43-46.
2. Эртман С.А. Способы повышения темпов прогрева двигателей // Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура. Матер. междунар. науч.-практ. конф. – Омск: СибАДИ, 2003.
С. 130-132.
3. Эртман С.А. Измерение температуры двигателя // Проблемы ма шиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Сборник статей VIII междунар. науч.-техн. конф. Часть I. – Пенза: ПГУ, 2003. С. 50-52.
4. Эртман С.А. Темп прогрева двигателя // Проблемы эксплуатации транспортно-технологических машин. Матер. науч.-практ. конф. – Тю мень: ТюмГНГУ, 2003. С. 123 – 127.
5. Эртман С.А. Влияние элементов системы охлаждения на темп прогрева двигателя // Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Се вера. Матер. междунар. науч.-практ. конф. – Омск: СибАДИ, 2003. С. 56.
6. Эртман С.А. Комплексный показатель приспособленности авто мобиля по температурному режиму двигателя // Проблемы эксплуатации транспортно-технологических машин. Матер. науч.-практ. конф. – Тю мень: ТюмГНГУ, 2003. С. 117 – 119.
7. Новоселов О.А., Ю.А. Бындикова, Эртман С.А. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Повышение эффектив ности автомобильного транспорта» для студентов специальности «Организация перевозок и управление на транспорте (автомобильном)» очной и заочной форм обучения. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. С. 10-13.
Подписано к печати Бум. писч. № Заказ № Уч. – изд. л. Усл. печ. л. Формат 6084 1/ Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского,