Моделирование расхода топлива автомобилями на базе ездового цикла в низкотемпературных условиях эксплуатации
На правах рукописи
МАНЯШИН Сергей Александрович МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА АВТОМОБИЛЯМИ НА БАЗЕ ЕЗДОВОГО ЦИКЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ 05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Оренбург – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государ ственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ).
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Резник Леонид Григорьевич
Официальные оппоненты: Бондаренко Елена Викторовна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государствен ный университет», профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей;
Савин Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский институт Государ ственной противопожарной службы Мини стерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуа циям и ликвидации последствий стихийных бедствий», профессор кафедры пожарной техники Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
Защита состоится 4 июля 2013 г. в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбург ский государственный университет».
Автореферат разослан июня 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.И. Рассоха
Общая характеристика работы
Актуальность темы. При эксплуатации автомобильного транспорта важную роль имеет нормирование расхода топлива, предназначенное для планирования ресурсов, ведения статистической и оперативной отчетности, определения себе стоимости перевозок и других видов транспортных работ, осуществления режима экономии и энергосбережения потребляемых топлив, проведения расчетов с во дителями и т.д. Научно-методической основой нормирования является методика определения норм расхода топлива, разработанная НИИАТ. Несмотря на очевид ные ее достоинства (простота использования, наглядность, соответствие методов нормирования положениям теории автомобиля), она подвергалась обоснованной критике за ряд существенных упрощений и ограничений, снижающих объектив ность определения нормативного расхода топлива. Это стало одной из главных причин принятия Минэкономразвития России 20 апреля 2012 г. решения об от мене декларативного характера норм. Отныне значения базовых и транспортных норм, других нормативов, поправочных коэффициентов и методики расчета нор мативного расхода топлива носят рекомендательный характер. Однако, это не снимает ряд проблем, стоящих перед руководителями администраций регионов и предприятий, эксплуатирующих автотранспортные средства, и связанных с назначением базовых норм для моделей, марок и модификаций автомобильной техники, на которую Минтрансом России не утверждены нормы расхода топлив, а также поправочных коэффициентов (надбавок), учитывающих дорожно транспортные, климатические и другие эксплуатационных факторы.
Новые нормы могут быть разработаны в установленном порядке научными организациями по специальной программе-методике. Применяемая в настоящее время программа-методика НИИАТ предполагает учет особенностей эксплуата ции автомобилей на основе комбинации городского и загородного циклов движе ния, полученных по ГОСТ 20306-90 и не адекватных современным условиям экс плуатации. Учет влияния низких температур окружающей среды на расход топ лива осуществляется с помощью фиксированных предельных значений коэффи циентов, что приводит к погрешностям в определении величины норм. Кроме то го, ГОСТ 20306-90 не предусматривает определение расхода топлива при низкой температуре окружающей среды, несмотря на то, что в нашей стране продолжи тельность периода с такими температурами в ряде регионов составляет более по лугода.
Отмена декларативного характера норм дает возможность шире использовать научно-обоснованное определение величины норм расхода топлива для автомо билей, методами не регламентированными, а, значит, открывает большие воз можности дифференцированного нормирования расхода топлива с учетом раз личных факторов. В связи с этим, совершенствование методик нормирования рас хода топлива автомобилями для более достоверного и оперативного определения эксплуатационных норм расхода в городских условиях, учитывающих низкотем пературные условия, является актуальной задачей повышения эффективности эксплуатации автомобильного транспорта.
Исследование выполнено в рамках тематики госбюджетной и хоздоговорных НИР ТюмГНГУ (2009-2012 гг.).
Объект исследования – процесс расходования топлива двигателем внутрен него сгорания (ДВС) автомобиля при эксплуатации в условиях низких температур окружающей среды.
Предмет исследования – закономерности расхода топлива автомобилями, оборудованными ДВС с распределенным впрыском, в зависимости от структуры и характеристик городского ездового цикла.
Цель работы состоит в повышении эффективности эксплуатации автомоби лей за счет объективного нормирования расхода топлива на основе моделирова ния городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды.
Задачи исследования:
1) теоретически обосновать методику формирования структуры и характери стик городского ездового цикла для низкотемпературных условий эксплуатации;
2) разработать имитационную модель процесса расходования топлива автомо билем при движении по городскому ездовому циклу и низких температурах окружающей среды;
3) на основе экспериментальных исследований синтезировать скоростной профиль городского ездового цикла;
4) экспериментально подтвердить адекватность аналитических закономерно стей, используемых в имитационной модели процесса расходования топлива, провести ее отладку и настройку;
5) разработать практические рекомендации по внедрению результатов работы.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Тео ретические исследования выполнены с использованием положений системного анализа, теории вероятностей и математической статистики, кластерного анализа, теории распознавания образов и имитационного моделирования, теории техниче ской эксплуатации автомобилей. Экспериментальные исследования выполнялись в полевых условиях с использованием как общепринятых методик, программного обеспечения и оборудования, так и разработанных лично автором. Достоверность научных положений работы обусловливается использованием методологической базы исследования, обоснованностью принятых допущений при разработке рас четных моделей, хорошей сходимостью экспериментальных данных с результа тами собственных теоретических исследований и данными других авторов.
Научная новизна положений, выносимых на защиту:
- впервые установлены закономерности формирования структуры и характе ристик цикла движения легковых автомобилей в городе при низких температурах окружающей среды (на примере г. Тюмени);
- разработана оригинальная методика синтеза типичных городских ездовых циклов на основе выделения отдельных фаз движения, группировки в кластеры методом К-средних и объединения в непрерывный скоростной профиль цикла c использованием цепей Маркова;
- впервые установлены закономерности изменения частоты вращения колен чатого вала и степени открытия дроссельной заслонки двигателя с распределен ным впрыском топлива от температуры охлаждающей жидкости при работе на холостом ходу;
- получена новая имитационная модель расходования топлива автомобилем при движении по городскому ездовому циклу в условиях низких температур окружающей среды.
Практическая значимость работы:
1) полученный типичный городской ездовой цикл более достоверно отражает реальные условия движения по сравнению с циклом по ГОСТ 20306-90;
2) разработанная программа «CycleRec» выделяет из экспериментальных ско ростных профилей автомобилей отдельные фазы движения и определяет средние характеристики поездок с целью синтеза ездового цикла, соответствующего ре альным условиям движения автомобилей;
3) предложенная имитационная модель позволяет определять расход топлива автомобилями в различных условиях эксплуатации (в том числе при различных температурах окружающей среды);
4) полученные таблицы дифференцированных норм расхода топлива повы шают точность определения расхода топлива при низкотемпературных условиях эксплуатации автомобилей в городе;
5) использование номограмм для определения оптимального времени прогрева при различных температурах окружающей среды сокращает затраты времени и топлива на поездку.
Реализация результатов работы. Получен городской ездовой цикл, типич ный для г. Тюмени. Разработаны дифференцированные в зависимости от темпера туры окружающей среды нормы расхода топлива для ряда марок и моделей лег ковых автомобилей, в том числе и не имеющих официально утвержденной базо вой нормы. Имитационная модель процесса расходования топлива автомобилем и методика определения дифференцированных норм внедрены в ООО «Автоград ФР», государственном автономном образовательном учреждении Тюменской об ласти «Информационно-образовательный Центр» и используются в учебном про цессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров автомобильного транспорта.
Апробация работы. Материалы исследования докладывались и получили одобрение на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экс плуатации систем транспорта» (Тюмень, 2007, 2008 гг.), международной научно технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспорт но-технологических машин» (Тюмень, 2008, 2009, 2010, 2012 гг.), межкафедраль ных научно-практических семинарах факультета автомобильного транспорта СибАДИ (2011-2012 гг.), заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта ТюмГНГУ (2008-2012 гг.), межкафедральных научных семинарах транспортного факультета Оренбургского государственного университета (2012 2013 гг.). По результатам работы выполнены две хоздоговорные НИР.
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, в числе которых 7 статей в ведущих рецензируемых научных журналах из «Перечня …» ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех раз делов, заключения, списка использованных источников из 154 наименований (в том числе 53 иностранных), приложений, и содержит 165 страниц, в том числе 36 таблиц и 60 рисунков.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены ее крат кая характеристика, научная новизна и практическая значимость.
В первом разделе проведен анализ объекта исследования, определены цель и задачи исследования.
Топливная экономичность автомобилей и вопросы нормирования расхода топли ва при эксплуатации в городских условиях изучались ведущими научно исследовательскими (НИИАТ, НАМИ, НИИПиН) и учебными организациями (МАДИ, СибАДИ, ИрГТУ, ТюмГНГУ). Основу таких исследований составили рабо ты Чудакова Е.С., Великанова Д.П., Говорущенко Н.Я., Зимелева Г.В., Лурье М.И., Нарбута А.Н., Рубца Д.А., Токарева А.А., Платонова Е.М., Шейнина А.М., Фальке вича Б.С., Фаробина Я.Е. и др. Исследователями отмечается значительное влияние переменных режимов движения автомобилей и работы их силовых установок при эксплуатации в условиях города на эксплуатационный расход топлива.
К особенностям движения автомобилей в зимний период следует отнести:
прогрев ДВС перед началом движения после длительной остановки с неработаю щим двигателем, сужение проезжей части, гололед и образование колеи на про езжей части, отсутствие видимой разметки, пар от выпускной системы автомоби лей при очень низкой температуре;
ограничение видимости в снегопад, сокраще ние продолжительности светового дня, ограничение видимости вследствие запо тевания стекол. Эти факторы требуют повышенной осторожности, соблюдения большей дистанции между автомобилями и пониженных скоростей движения.
Влияние низких температур окружающей среды на расход топлива, а также процессы прогрева двигателя перед началом движения достаточно хорошо изуче ны, например, в работах Виленского Л.И., Кутлина А.А., Левина А.Ф., Лоса вио Г.С., Семенова Н.В., и др. Малоизученными остаются вопросы, связанные с циклическим движением автомобиля в городских условиях. Здесь можно выде лить исследования Барвинка В.Г., Куликова Н.К., Нарбута А.Н., Токарева А.А.
Следует отметить, что процесс циклического движения изучался в основном приме нительно к городским автобусам.
Практически не затронуты отечественной наукой вопросы получения типичных ездовых циклов движения. Ездовой цикл – стандартизированный шаблон езды, ко торый задается значениями в таблице время-скорость. Большинство развитых стран мира имеют несколько стандартных ездовых циклов, которые предназначе ны для оценки топливной экономичности и экологических качеств автомобиля в различных типичных условиях. Причем порядок и условия проведения разных ез довых циклов даже в пределах одной страны существенно различаются. Проведен анализ большинства используемых в мире ездовых циклов, которые разделены на три группы: европейские, американские и японские. Самыми распространенными и используемыми являются Европейский NEDC (модальный) и Американский ез довой цикл FTP-75 (неустановившийся).
В развитых странах происходит постоянное обновление и замена устаревших циклов. Это связано с тем, что условия движения в городах и вне их довольно быстро изменяются с течением времени. В настоящее время ведутся работы над проблемой сокращения времени и затрат для получения типичных ездовых цик лов, соответствующих заданным условиям движения. Так, лаборатория EPA (США) впервые при разработке циклов использовала электронную базу данных эксперимента – накопление данных о реальных скоростных профилях в файлах, и использовала элементарные составляющие циклов или фазы движения автомоби ля. Европейские ученые первые использовали кластерный анализ и цепи Маркова при синтезе ездового цикла.
В последнее время получают распространение методы имитационного моде лирования расхода топлива с использованием специализированного программно го обеспечения. Наиболее трудным для формального аналитического описания является процесс расхода топлива при движении автомобиля в режиме разгона.
Недостатки известных методов расчетного определения эксплуатационного рас хода связаны с тем, что расход топлива в единицу времени в процессе разгона не остается постоянным, что снижает точность определения интегральной величины расхода. Указанных недостатков можно избежать, если использовать величину оборотного расхода топлива, впервые предложенного И.М. Лениным, и использо вать имитационное моделирование процесса расходования топлива в псевдоре альном времени, как это реализовано в работах И.М. Шуваевой.
Необходимо отметить, что многие из математических моделей зависимостей расхода топлива от различных факторов для автомобилей с бензиновыми двига телями, разработанные в период до 80-90-х годов прошлого века, потеряли свою актуальность с переходом автомобильной промышленности на двигатели с элек тронным управлением впрыском топлива.
Подавляющее число известных ездовых циклов предусматривают начало вы полнения цикла с полностью прогретым двигателем. Между тем многочисленны ми исследованиями доказано, что езда с непрогретым двигателем существенно ухудшает показатели топливной экономичности автомобилей, а низкая темпера тура окружающей среды влияет и на характеристики ездового цикла автомобиля.
При разработке новых городских ездовых циклов необходимо учитывать, что расход топлива в них зависит от структуры и характеристик самих циклов, при чем наиболее негативное влияние на экономичность цикла оказывают остановки с работающим двигателем. Также имеет место совместное влияние температуры окружающего воздуха и скоростного профиля на расход топлива в цикле. Кроме того, структура полного цикла движения автомобиля в городе при низких темпе ратурах окружающей среды изменяется при понижении температуры в сторону увеличения его первой фазы – прогрева перед началом движения.
Таким образом, разработка имитационных моделей процесса расходования топлива автомобилями в городских условиях, воспроизводимых с помощью ездо вых циклов при низких температурах воздуха, а также методики получения ти пичных городских циклов, максимально соответствующих реальным условиям движения в городе, является актуальной задачей повышения эффективности экс плуатации автомобильного транспорта.
На основании изложенного сформулированы цель и задачи исследования.
Во втором разделе проведено теоретическое исследование структуры и ха рактеристик городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды и закономерностей расхода топлива автомобилем в таком цикле.
С целью реализации системного подхода определены границы изучаемой си стемы, входящие в нее элементы и взаимосвязи между ними. В качестве исследу емой системы, объективно существующей с момента трогания автомобиля с ме ста, принимается система «Водитель-Автомобиль-Дорога-Cреда» (ВАДС). Эле менты «Водитель», «Дорога» и частично «Окружающая среда» объединены в подсистему «Ездовой цикл» и далее рассматриваются как отдельный элемент, что позволяет существенно ограничить число факторов, участвующих в моделирова нии процесса расходования топлива. В соответствии с методологией изучения объекта исследования выделен элемент «Двигатель», его показатели и режимы работы в качестве базового элемента, непосредственно определяющего расход топлива.
Элемент системы «Автомобиль» также имеет взаимосвязь с параметрами цик ла, но его влияние на них нивелируется тем, что рассматриваются автомобили од ного типа с примерно соотносимыми конструктивными особенностями. Таким образом, изучаемая система будет иметь вид (рис. 1).
Расчетный ме Полный цикл движения тод определения автомобиля ездовых циклов предусматривает Длительность сбор статистики о Частота вращения Скорость Расход топлива в цикле цикла (время и коленчатого вала скоростном про- движения ДВС пробег) Автомобиль филе при движе нии автомобиля в Передаточное условиях реально- Степень открытия число дросселя го города. Анализ трансмиссии полученных дан ных о скоростном Оборотный расход профиле с целью Двигатель топлива выделения эле ментов ездового цикла выполняется Температура окружающей среды с помощью ориги нальных алгорит Рисунок 1 - Структурная схема изучаемой системы мов и программ ного обеспечения.
Для решения этой задачи в работе использована разработанная автором программа «CycleRec», алгоритм которой основан на теории распознавания образов.
С помощью программы формируется база данных, которая состоит из элемен тарных составляющих ездового цикла – фаз движения. Каждая запись этой базы содержит следующие поля: идентификатор элемента (тип фазы движения – раз гон, торможение, установившееся движение, остановка), остальные поля это па раметры элемента – скорость начальная и конечная, номер передачи, длитель ность и протяженность. Для группировки отдельных фаз движения обоснована кла стеризация методом К-средних. Сгруппированные с учетом условий движения кла стеры, представляющие из себя элементы синтезируемого ездового цикла, взаимно упорядочиваются с помощью цепей Маркова с дискретным временем.
Полученный типичный ездовой цикл может использоваться как компонент ими тационной модели «Ездовой цикл» в виде скоростного профиля.
Самым простым и точным способом имитации процесса расходования топли ва при движении автомобиля по ездовому циклу было бы использование в блоке «Двигатель» алгоритма работы контроллера и карты прошивок. Однако, учитывая закрытость этой информации, а также то, что необходимо имитировать процесс для различных марок и моделей автомобилей, имеющих индивидуальные особен ности реализации систем управления двигателем, в работе использован менее точный, но более универсальный подход, заключающийся в установлении функ циональных зависимостей между параметрами работы двигателя и внешними па раметрами в реальном двигателе, фиксируемыми с помощью датчиков.
Для объекта имитационной модели «Двигатель» использовались следующие по казатели и их модели.
Оборотный расход топлива qоб (мг):
qоб = GT10-6/(60 nдв), где GT – часовой расход топлива, кг/ч;
nдв – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1.
Модель для определения оборотного расхода (мг/оборот):
qоб= q0(tдв)+a·( -0) + a1·nдв, (1) где q0(tдв) – значение оборотного расхода, корректируемое в зависимости от темпе ратуры двигателя tдв, мг;
– степень открытия дросселя, %;
0 – минимальная сте пень открытия дросселя при работе прогретого до рабочей температуры двигателя на холостом ходу, %;
a, a1 – параметры-константы модели, мг/% и мг/мин-1.
Функция q0(tдв) при tдв tдв0 определится как:
q0(tдв) = q0хх +a2· (tдв0 - tдв), (2) где q0хх – базовое значение оборотного расхода топлива на холостом ходу при ра бочей температуре двигателя, мг;
tдв0 – рабочая температура охлаждающей жид кости, определяемая оптимальными характеристиками системы охлаждения, по лучаемыми при проектировании ДВС и автоматически поддерживаемая термоста том, оС;
a2 – параметр модели, мг/оС.
Оборотный расход влияет на скорость прогрева двигателя через приращение температуры за один оборот коленчатого вала двигателя tдв (оС):
tдв = a3 qоб + a4·( tдво-tдв)+a5tв, (3) о о о где a3, a4, a5 – параметры модели, С/мг, мг/ С, мг/ С соответственно.
Для имитации работы двигателя на холостом ходу установлены следующие за висимости, воспроизводящие алгоритм работы прошивки электронного блока управления двигателя:
nдв = nдв0 +a6· (tдв0 - tдв), (4) где nдв0 – частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу при ра бочей температуре охлаждающей жидкости, мин-1;
tдв0 – рабочая температура охлаждающей жидкости, оС;
а6 – параметр модели, мин-1/ оС;
= 0 +a7· (tдв0 - tдв), (5) где 0 – положение дроссельной заслонки двигателя на холостом ходу при рабо чей температуре охлаждающей жидкости, %;
a7 – параметр модели, %/ оС.
Для реализации имитационной модели использовалась система моделирова ния «Stamm», поскольку она почти полностью идентична по возможностям и ин терфейсу популярной MS Excel, но здесь отсутствует ограничение на использова ние перекрёстных ссылок. Дополнительно система допускает использование для воспроизведения сложных функций дискретных профилей. Значительное число зависимостей и взаимосвязей имитируемого процесса реализовано средствами встроенного «Formula On Engine». Например, окончание прогрева определяется достижением текущей температурой охлаждающей жидкости порогового значе ния (30-40 оС).
Учитывая приведенные зависимости (1) - (5) и взаимодействие между входя щими в них переменными, алгоритм взаимосвязей между элементами модели «Ездовой цикл» - «Автомобиль» - «Двигатель» представим в виде схемы (рис. 2).
Рисунок 2 - Алгоритм процесса расходования топлива при движении автомобиля Приведенный алгоритм также предусматривает максимально точное воспроизве дение скоростного профиля городского ездового цикла. Для этого необходимы натурные испытания автомобиля определенной марки и модели и запись параметров работы ДВС и скорости движения. В этом случае получаемый нагрузочный профиль двигателя, соответствующий скоростному профилю автомобиля, непосредственно используется в имитационной модели.
Таким образом, в результате выполненных теоретических исследований уста новлены закономерности формирования типичного городского ездового цикла в условиях низких температур, разработаны структурные схемы процессов расхо дования топлива в отдельных фазах полного цикла движения;
получен алгоритм взаимодействия элементов имитационной модели процесса расходования топлива при движении автомобиля по городскому циклу в условиях низких температур.
Третий раздел посвящен методике и результатам экспериментальных иссле дований. Экспериментальные исследования включали в себя следующие этапы:
- определение скоростных профилей движения в городских условиях;
- группировка массива данных по типичным условиям движения автомобилей в городе («час пик», будни, выходные и т.п.);
- обработка групп данных методом кластерного анализа и формирование ти пичных циклов движения автомобиля в городе;
- получение параметров математических моделей для различных марок и мо делей автомобилей;
- имитационное моделирование процесса расходования топлива при движении автомобиля по городскому ездовому циклу в зимний период с целью проверки их адекватности.
В эксперименте участвовали 10 автомобилей 5 марок и моделей (Toyota RAV 2.0 CVT, Toyota Corolla 1.6 MT, Nissan Teana 2.5 CVT, Ford Focus 1.8 МТ, ВАЗ 1.6 МТ) с пробегами от 3 до 20 тыс. км и водителями со стажем от 3 до 25 лет.
Сбор данных о скоростных профилях движения автомобиля и о показателях режимов работы двигателя – частоте вращения коленчатого вала, положении дроссельной заслонки, температуре охлаждающей жидкости, массовом расходе топлива, часовом расходе топлива, показаниях датчиков кислорода и коррекции топлива осуществлялся с шины автомобиля CAN через беспроводный адаптер OBD-2 российского производителя Check-Engine, адаптер на основе чипа ELM 327, удаленно подключенного к нему ноутбука и специально разработанного ав тором программного обеспечения для сброса данных на цифровые носители.
Репрезентативность выборки обеспечивалась расчетом минимального объема и стратифицированным методом отбора данных, с периодическим отбором внут ри групп в соответствии с характерными периодами изменения плотности движе ния в городе. Расчетный минимальный объем выборки для получения ездового цикла 1667 поездок. База данных скоростных профилей реальных поездок содер жит 3797 записей, полученных в г. Тюмени в течение 2009-2012 гг.
Большой объем экспериментальных данных, получаемый с контроллера элек тронного блока управления автомобиля, позволил отказаться от какой-либо редук ции данных в виде плана эксперимента или повторных измерений параметров для снижения погрешности измерений.
Для обработки данных, полученных с контроллера OBD автомобиля, и выде ления типичных составляющих ездового цикла автомобиля используется про грамма «CycleRec», которая позволяет обеспечить необходимую точность распо знавания составляющих цикла и устранить ложное распознавание переходных со ставляющих (разгон, торможение) цикла движения. Формат записи результатов распознавания и предварительного анализа данных дает возможность напрямую переносить данные через буфер обмена Windows для дальнейшей обработки, например, в Microsoft Excel или пакета «Statistica».
Анализ полученных в результате предварительной обработки данных о ско ростных профилях при движении автомобилей в городе позволяет сделать вывод о существенном отличии средних показателей поездок в разное время суток, дни недели и периоды года, в особенности это касается выходных и «часа пик» в буд ние дни. Результаты показывают обоснованность гипотезы о влиянии температу ры окружающего воздуха на структуру и характеристики городского ездового цикла. Так, среднее время остановок в ездовом цикле «Зима будни» выше, чем «Лето будни» на 30 %, а время торможений на – 11 %. Существенное увеличение относительной частоты элемента городского цикла движения «Остановка с рабо тающим двигателем» зимой по сравнению с летним периодом, что в основном обусловлено необходимостью прогрева двигателя перед началом движения.
Получены циклограммы, операционные карты и скоростной профиль город ского ездового цикла при низ- км/ч60 v, ких температурах окружающей среды для условий движения г.
Тюмени (рис. 3). Все фазы в цикле «Оста новки с работающим двигате лем» заменены одной в конце циклограммы, что оправдано, если цикл будет использовать- ся при имитации движения или натурных испытаниях прогре, сек =f(t, t ) того автомобиля. В случае не- в дв прогретого двигателя при низ- Рисунок 3 – Скоростной профиль городского ездового цикла при низких температурах окружающей среды ких температурах окружающей среды, остановки в цикле моделируются отдельно, первая – с учетом значения температуры окружающей среды и конечной температуры прогрева, а последую щие – исходя из числа торможений до скорости, равной нулю, и общей длитель ности фазы остановки за цикл.
При подборе параметров математических моделей, описанных во втором раз деле, предварительно проверялась нормальность распределения как переменных предикторов, так и регрессора, с использованием возможностей пакета «Statistica» «Statistics» – «Distribution Fitting» – «Normal» как статистических критериев, так и визуальных средств типа «вероятностной бумаги». Затем находились сами модели с использованием функции пакета «Нелинейные оценки» – «Функция определен ная пользователем». Подбор параметров моделей производились с уровнем зна чимости 95,0 %. При проверке соответствия теоретической линии регрессии экс периментальным данным использовался статистический критерий t-статистика Стьюдента, значение которого во всех случаях не превышала критических значе ний при заданном числе степеней свободы.
Для контроля точности имитационного моделирования использовался натур ный активный эксперимент воспроизведением этих же циклов на реальных авто мобилях. Для контроля расхода использовался гравиметрический способ, преду смотренный Правилами 24 ЕЭК ООН. Массовый расход топливо определялся на электронных весах с погрешностью 0,1 г. При расчете объемного расхода топлива применялся температурный поправочный коэффициент. Кроме показателей рас хода топлива, получаемых имитацией и экспериментальными заездами, для срав нения использовалось значение расхода топлива, полученное по показаниям бор тового компьютера автомобиля, участвующего в эксперименте.
Проведенная проверка имитационной модели для исследуемых автомобилей показала, что расхождения в результатах не превышают 5 %.
Визуальная оценка наложенных друг на друга результатов натурного экспе римента и имитации на модели (3) выполнения первого элемента ездового цикла – прогрева перед началом движения – показывает очень хорошее совпадение дан ных обеих выборок (рис. 4) и аппроксимирующей совместную выборку кривой.
Визуальная проверка точности имитационного моделирования оборотного расхода топлива в зависимости от температуры охлаждающей жидкости по моде ли (5) для автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT представлена на рис. 5, где видно, что поле точек результатов натурного и имитационного экспериментов можно рассматривать как однородную выборку.
qоб, мг 0. Эксперимент Имитация Аппроксимация 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2 7 11 16 21 24 27 30 34 37 40 43 46 48 51 53 55 57 59 61 62 64 66 68 69 70 71 73 75 Температура охлаждающей жидкости ДВС, оС Рисунок 4 - Проверка адекватности имитационной Рисунок 5 - Аппроксимация натурного и имита модели;
элемент «Прогрев перед началом движе- ционного экспериментов (Toyota Corolla 1.6 MT) ния» (Toyota RAV4, 2.0 CVT) Обработка данных эксперимента подтвердила достаточно слабое влия ние температуры окружающей среды на темп прогрева двигателя. Из рис. видно, что в интервале температур от -15 оС до +5 оС для математического описания зависимости прироста тем пературы на один оборот коленчатого вала ДВС от температуры внешнего воздуха и температуры охлаждающей жидкости, с удовлетворительной точ ностью можно использовать однофак- Рисунок 6 - Изменение темпа прогрева в зависимости торную зависимость, пренебрегая от температуры охлаждающей жидкости двигателя и влиянием внешней среды. внешней среды (Toyota RAV4, 2.0 CVT) Это подтверждают оценки параметров модели (3), полученные в результате корреляционно-регрессионного анализа. Согласно численным значениям пара метров этой модели, для Toyota Corolla 1.6 MT влияние температуры охлаждаю щей жидкости выше, чем температуры внешнего воздуха в 11,3 раза, для Toyota RAV4 2.0 CVT – в 19,5 раз и для Nissan Teana 2.5 CVT – в 10 раз. Наиболее силь ное влияние на темп прогрева двигателя оказывает оборотный расход топлива.
Остальные два фактора модели (3) имеют меньшую степень корреляции с выход ным параметром, однако использование трехфакторной математической модели, учитывая малую размерность выходного параметра, обеспечивает повышенную точность. Принимая во внимание то, что это не снижает скорости имитации, ис пользование модели (3) в виде трёхфакторной регрессии в имитационной модели можно считать оправданным.
Для исследуемых автомобилей получены аналитические зависимости, исполь зуемые в имитационной модели процесса расходования топлива автомобиля при движении по городскому циклу в условиях низких температур воздуха уравнений.
Ниже представлены зависимости для автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT:
qоб= q0(tдв) + 5,688·10-3·(-15,6) + 3,56·10-4·nдв;
q0 = 9,436·10-3 + 1,01·10-4· (88 - tдв);
tдв = 0,372394qоб + 9,8·10-4·(88-tдв) + 8,7·10-5·tв;
nдв = 690 + 8,7172·(88 - tдв);
= 15,6 +0,03313·(88 - tдв).
Четвертый раздел посвящен практическому использованию полученных ре зультатов и оценке экономической эффективности от их внедрения.
С помощью полученной имитационной модели можно оценить, как будут из меняться ездовой цикл и расход топлива автомобилем при понижении температу ры окружающего воздуха.
На рис. 7 (а) представлены графические зависимости температуры охлаждаю щей жидкости двигателя и путевого расхода (л/100 км) автомобиля Toyota Corolla во время его эксплуатации в реальных городских условиях при температуре окружающего воздуха -12 оС и начальной температуре охлаждающей жидкости – 9оС. Численные значения показателей получены непосредственно с контроллера ДВС.
v, qs, Температура ОЖ ДВС, оС Скорость автомобиля, км/ч л/100 км км/ч;
80 Удельный расход топлива, л/100 км tОЖ, оС, сек 0 80 160 240 320 400 - а) при движении в условиях города б) при моделировании ездового цикла Рисунок 7 - Изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя и путевого расхода топлива автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT, На рис. 7 (б) те же зависимости получены в ходе имитационного моделирова ния городского ездового цикла в аналогичных условиях.
Расхождения в значениях показателей прямых измерений и имитационного моделирования выполнения первой фазы ездового цикла – прогрева на холостом ходу – при температуре воздуха -12 оС автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT состав ляют: время достижения температуры охлаждающей жидкости значения 35 оС (5,5 %), расход топлива за время прогрева (-4,5 %), путевой расход топлива при пробеге после прогрева ДВС 1000 м (25 %), 1600 м (7,7 %), 2000 м (-3,2 %). Зна чительное расхождение в 25 % в величине путевого расхода топлива при пробеге первых 1000 метров после прогрева ДВС обусловлено особенно сильным влияни ем на его величину первого элемента полного городского цикла движения при низких температурах – прогрева на холостом ходу. По мере увеличения пробега его влияние на величину среднего путевого расхода постепенно снижается, а по казателей режима движения – скорости автомобиля, ее изменения во времени и, соответственно, режима работы ДВС – увеличивается.
Имитационным моделированием прогрева при различных температурах окру жающего воздуха получены таблицы и номограммы для определения времени прогрева ДВС исследуемых автомобилей до температур 35 и 60 оС от начальной температуры двигателя при различных температурах внешней среды (рис. 8).
Полученные в результате но-, 10 Температуры окружающей пр мограммы могут быть использо- мин 9 среды, С о -40 - ваны, например, для установки 8 -20 - времени включения таймера си- стемы с автозапуском двигателя или для оценки необходимой про- должительности выполнения про- грева в случае дистанционного пуска двигателя. В результате имитационного моделирования получены зависи- -40 -30 -20 -10 0 10 мости путевого расхода топлива Температура охлаждающей жидкости ДВС, С о от температуры и условий хране- Рисунок 8 – Номограмма времени прогрева двига теля Toyota Corolla 1.6 MT до температуры охла ния автомобилей, которые исполь ждающей жидкости 35 оС при различных темпе зованы при определении диффе ратурах внешней среды ренцированных норм расхода топ лива с учетом режима движения и температуры окружающей среды. В таблице приведен пример расчета эксплуатационного расхода топлива для автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT.
Особенности среды моделирования «Stamm» позволяют получить имитацион ные модели и, соответственно, нормы расхода топлива для любых других марок и моделей автомобилей, оснащенных бензиновыми двигателями с распределённым впрыском топлива, при этом необходимо краткосрочное, в течение нескольких часов, тестирование автомобиля при прогреве ДВС на холостом ходу и движении по городскому ездовому циклу.
Таблица – Путевой расход топлива для автомобиля Toyota Corolla 1.6 MT Интервал Расход топлива, л/100 км, при средней длине поездки, м температур, Неотапливаемые стоянки Отапливаемые стоянки или гаражи о C 1000 2000 3000 4000 1000 2000 3000 от 0 до –5 23,15 15,97 12,64 11,24 11,15 9,31 8,15 7, –5 до -10 26,14 17,33 13,43 11,87 11,21 9,39 8,22 7, -10 до –15 29,39 18,55 14,36 12,60 11,27 9,46 8,29 8, -15 до –20 33,03 20,10 15,51 13,43 11,33 9,54 8,37 8, -20 до –25 36,66 22,29 16,93 14,50 11,39 9,62 8,47 8, -25 до –30 40,16 24,10 18,17 15,46 11,44 9,70 8,56 8, -30 до –35 44,69 26,41 21,47 16,76 11,50 9,77 8,66 8, Кроме того, имитационная модель является расширяемой с целью оценки вли яния других неучтенных в данной работе факторов на процесс расхода топлива и изменения температуры охлаждающей жидкости двигателя при движении авто мобиля в городских условиях в зимний период, при этом не требуется изменения кода программы или редактирования элементов модели.
Расчетный экономический эффект от внедрения оптимизации прогрева авто мобиля по критерию расхода топлива может составить до 2400 руб. на один авто мобиль за зимний период, а от использования дифференцированных норм расхода топлива – до 4300 рублей на автомобиль в год из расчета действующих в настоя щее время цен на топливо.
В приложениях представлены акты внедрения результатов исследования в предприятиях, в учебном процессе, а также свидетельства об отраслевой реги страции программных средств.
Основные результаты и выводы 1. Теоретически обоснована методика формирования типичного ездового цик ла, предусматривающая автоматизированный сбор и обработку данных о режимах движения автомобилей, последующую кластеризацию методом К-средних и упо рядочивание по методу цепей Маркова. Для ее реализации создана программа «CycleRec», алгоритм работы которой основан на теории распознавания образов.
2. Разработан алгоритм процесса расходования топлива при движении автомо биля по городскому маршруту и низких температурах окружающей среды, осно ванный на установленных функциональных зависимостях между показателями работы двигателя и внешними факторами – температурой окружающей среды и скоростью движения автомобиля.
3. Экспериментально установлено, что в зимний период структура и характе ристики городского ездового цикла определяется температурой окружающего воздуха, условиями хранения автомобиля и длиной поездки после длительной остановки. Характеристики городского цикла, полученного для зимних условий, существенно отличаются от городского цикла по ГОСТ 20306-90: время движения с постоянной скоростью уменьшилось с 41 % до 12 % от общего времени движе ния, а время остановок, напротив, возросло с 21% до 40% и более, в зависимости от температуры окружающего воздуха, что в основном обусловлено необходимо стью прогрева двигателя перед началом движения.
4. Подтверждена адекватность и получены параметры аналитических зависи мостей, используемых в имитационной модели процесса расходования топлива при движении по городскому циклу в условиях низких температур окружающей среды для ряда марок и моделей автомобилей. При реализации модели использо валась система имитационного моделирования «Stamm».
5. Возможности разработанного программного обеспечения и соответствую щая организация эксперимента со сбором данных через WEB-сервисы позволят в дальнейшем получать городской ездовой цикл для условий любого города и ими тационные модели процесса расходования топлива любого автомобиля, оборудо ванного ДВС с распределенным впрыском.
Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:
В ведущих рецензируемых научных журналах из «Перечня …» ВАК:
1. Маняшин, С.А. Методика определения и использования типичных ездовых цик лов автомобиля / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин // Т-Comm – Телекоммуникации и транспорт. – 2011. – № 3. – С. 25-29.
2. Маняшин, С.А. Особенности имитационного моделирования расхода топлива ав томобилем в городских условиях / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин // Т-Comm – Телеком муникации и транспорт. – 2011. – № 6. – С. 28-30.
3. Маняшин, С.А. Прогнозирование расхода топлива при эксплуатации автомобилей в городе зимой / С.А. Маняшин // Международный технико-экономический журнал. – 2012. – № 4. – С. 102-106.
4. Маняшин, С.А. Имитационная модель процесса расхода топлива при движении автомобиля в городе / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин, П.В. Евтин // Международный технико-экономический журнал. – 2012. – № 4. – С. 107-113.
5. Маняшин, С.А. Имитационная модель процесса прогрева двигателя автомобиля при работе на холостом ходу / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин, В.Н. Карнаухов // Между народный научный журнал. – 2012. – № 5. – С. 103-106.
6. Маняшин, С.А. Методика синтеза ездового цикла автомобиля / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин // Международный научный журнал. – 2013. – № 1. – С. 87-91.
7. Маняшин, С.А. Формирование городского ездового цикла автомобиля в условиях низких температур окружающего воздуха / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин // Междуна родный технико-экономический журнал. – 2013. – № 1. – С. 111-113.
В других изданиях:
8. Маняшин, С.А. Повышение эффективности использования топлива при эксплуа тации автомобилей в городских условиях / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации си стем транспорта : труды всероссийской научно-практической конференции. – Тюмень:
ТюмГНГУ, 2007. – С. 99-101.
9. Маняшин, С.А. Использование теории распознавания образов при определении типичных циклов движения автомобилей / С.А. Маняшин, Е.И. Присталенко // Пробле мы эксплуатации систем транспорта : материалы всероссийской научно-практической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. – С. 195-197.
10. Маняшин, С.А. Автоматизация исследований режимов движения автомобилей в городе / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации систем транспорта : материалы все российской научно-практической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. – С. 197 199.
11. Маняшин, С.А. Особенности исследования городских режимов движения авто мобилей / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин : материалы международной научно-технической конференции.
– 2008. – С. 125-126.
12. Маняшин, С.А. Методика исследования режимов движения автомобилей в го родских условиях / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транс портно-технологических машин : материалы международной научно-технической кон ференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. – С. 126-128.
13. Маняшин, С.А. Элементы теории распознавания образов в исследовании циклов движения автомобилей / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы международной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. – С. 213-214.
14. Маняшин, С.А. Экспериментальные исследования режимов движения автомоби лей на базе современных информационных технологий / С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы меж дународной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. – С. 214 217.
15. Маняшин, С.А. Исследование городских ездовых циклов движения / С.А. Маня шин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин :
материалы международной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. – С. 113-114.
16. Маняшин, С.А. Оценка влияния системы отопления салона на интенсивность прогрева двигателя автомобиля в условиях низких температур воздуха / А.В. Маняшин, С.А. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно технологических машин : материалы международной научно-технической конференции.
– Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – С. 145-147.
17. Маняшин, С.А. Разработка имитационной модели процесса расхода топлива при движении автомобиля ВАЗ-21073 в условиях низких температур воздуха / А.В. Ма няшин, С.А. Маняшин, Л.Г. Резник // Проблемы эксплуатации и обслуживания транс портно-технологических машин : материалы международной научно-технической кон ференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – С. 148-151.
18. Маняшин, С.А. Оценка приспособленности легковых автомобилей к условиям эксплуатации в зимний период / Л.Г. Резник, С.А. Маняшин, А.В. Маняшин // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин : материалы меж дународной научно-технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – С. 216 219.
Программные продукты:
19. Маняшин, С.А. Программа распознавания составляющих ездового цикла авто мобилей. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки. ОФЭРНиО №15920.
Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». № 5 (12) май 2010.
20. Маняшин, С.А. Загружаемый апплет для сброса параметров работы автомобиля и двигателя на сменный носитель. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки.
ОФЭРНиО №15918. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и об разование». № 5 (12) май 2010.
21. Маняшин, С.А. Программа для контроля и записи параметров работы автомоби ля и двигателя. Свидетельство о регистрации отраслевой разработки. ОФЭРНиО № 17060. Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование».
№ 6 (13) июнь 2010.