close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Методика оценки эффективности устройств облегчения пуска холодного двигателя автомобиля

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КАЗАКОВ Александр Владимирович
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
УСТРОЙСТВ ОБЛЕГЧЕНИЯ ПУСКА
ХОЛОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ
05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Оренбург - 2018
Работа выполнена в федеральном
образовательном
учреждении
высшего
государственный университет» (ОГУ).
Научный руководитель –
государственном бюджетном
образования
«Оренбургский
доктор технических наук, доцент
Калимуллин Руслан Флюрович
Официальные оппоненты: Неговора Андрей Владимирович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный
аграрный университет», профессор кафедры
автомобилей и машинно-тракторных комплексов;
Барыльникова Елена Петровна,
кандидат технических наук,
Набережночелнинский институт (филиал)
ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский)
федеральный университет», доцент кафедры
эксплуатации автомобильного транспорта
Ведущая организация –
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный
университет», г. Тюмень
Защита диссертации состоится 25 мая 2018 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, на базе ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13,
ауд. 170215.
С диссертацией и авторефератом диссертации можно ознакомиться в библиотеке и на сайте (www.osu.ru) ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный
университет».
Автореферат разослан «___» апреля 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
Калимуллин Руслан Флюрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Автомобили могут эксплуатироваться в широком
диапазоне температур окружающей среды. Российская Федерация расположена
в различных климатических районах, и на 80 % её территории от четырех до
восьми месяцев наблюдается низкая температура окружающей среды. При таких температурных условиях эксплуатации ухудшаются показатели пусковых
качеств двигателя автомобилей, а при его запуске интенсифицируются процессы изнашивания деталей и расходования топлива.
Для повышения эффективности эксплуатации автомобилей при низкой
температуре окружающей среды могут применяться различные устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля (УОПХДА). При использовании УОПХДА важным результатом должно являться не только улучшение показателей пусковых качеств двигателей, но и минимизация затрат и потерь, связанных, прежде всего, с износом трущихся пар. Поэтому, применение
УОПХДА должно быть рациональным с позиций их экономической эффективности как с учетом параметров двигателя, так и условий эксплуатации автомобилей. Однако рациональный выбор УОПХДА затруднен из-за отсутствия соответствующей научно-обоснованной методики.
Поэтому, тема диссертации, связанная с разработкой методики оценки эффективности УОПХДА, является актуальной, а её решение позволит выявить
резервы снижения затрат на эксплуатацию автомобилей.
Основные результаты получены при выполнении НИР: «Методология контроля и управления техническим состоянием подшипников коленчатых валов
автомобильных двигателей в эксплуатации» при финансовой поддержке Министерства образования Оренбургской области (2010 г.); «Методология обеспечения качества эксплуатации автомобильного транспорта» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках базовой части государственного задания (№ ГР 114071170053, 2014-2016 гг.).
Объект исследования – процесс пуска автомобильного двигателя.
Предмет исследования - закономерности смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала и расходования топлива при пуске автомобильного
двигателя.
Цель работы - снижение затрат на эксплуатацию автомобилей за счет эффективного применения устройств облегчения пуска холодного двигателя.
Задачи исследования:
1) теоретически обосновать показатель оценки эффективности устройств
облегчения пуска холодного двигателя автомобиля;
2) установить влияние применения устройства облегчения пуска холодного
двигателя автомобиля на закономерности смазочного процесса в подшипниках
коленчатого вала и расходования топлива при пуске;
3) разработать методику рационального выбора устройства облегчения
пуска холодного двигателя с учётом условий эксплуатации автомобиля;
3
4) на конкретном примере провести анализ эффективности устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля в условиях эксплуатации автомобиля.
Содержание диссертации соответствует областям исследований паспорта
научной специальности 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта:
п. 9 «Эксплуатационная надежность автомобилей, агрегатов и систем»; п. 10
«Закономерности изменения технического состояния автомобилей, агрегатов и
систем».
Положения, обладающие научной новизной и выносимые на защиту:
1) показатель оценки эффективности устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля, отличающийся учетом экономического эффекта в
эксплуатации от повышения долговечности двигателя за счет уменьшения пусковых износов подшипников коленчатого вала;
2) установленные закономерности смазочного процесса в подшипниках
коленчатого вала и расходования топлива на режиме пуска с учетом применения устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля;
3) установленные условия рационального применения конкретного
устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля, позволяющие
повысить эффективность его эксплуатации при низких температурах окружающей среды;
4) методика выбора и рационального использования устройства облегчения пуска холодного двигателя с учётом условий эксплуатации автомобиля.
Практическая значимость работы:
1) методика и практические рекомендации по оценке эффективности работы существующих и перспективных УОПХДА позволяющие производить выбор их для конкретных автотранспортных средств с учётом климатического
района эксплуатации;
2) алгоритм управления работой УОПХДА, обеспечивающий уменьшение
интенсивности изнашивания деталей автомобильных двигателей в процессе
пуска.
Методы исследования - теория технической эксплуатации автомобилей,
теория автомобильных двигателей, теория автомобилей, теория трения, изнашивания и смазки, теория надёжности, гидродинамическая теория смазки, теория вероятности; методы математической статистики и планирования эксперимента.
Степень достоверности результатов. Достоверность научных положений
работы обосновывается принятыми допущениями при разработке расчетных
моделей, высокой сходимостью экспериментальных данных с результатами
собственных теоретических исследований и данными других авторов.
Реализация результатов работы. Усовершенствован серийный электрический нагреватель «Теплостарт» за счёт использования нового алгоритма работы, который применяется в зимний период эксплуатации автомобилей в ООО
«Барьер» (г. Бузулук); разработаны рекомендации по рациональному использованию усовершенствованного электрического нагревателя в различных природно-климатических районах эксплуатации автомобилей.
4
Методика экспериментального исследования эффективности УОПХДА
используется в учебном процессе ОГУ.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на 9-ой российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2009 г.), 10-ой, 11-ой,
12-ой и 13-ой международных научно-практической конференциях «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2011, 2013, 2015,
2017 гг.), 2-ой научно-практической конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса» (Пенза, 2009 г.), 1-ой всероссийской научно-практической конференции (заочной) с международным участием
«Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (Магадан,
2011 г.), межкафедральных научно-практических семинарах транспортного факультета ОГУ (2009-2017 гг.).
Соискатель является лауреатом премии Губернатора Оренбургской области в сфере науки и техники за 2012 г. за НИР «Ресурсосберегающие методы
эксплуатации автомобильных двигателей».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том
числе 6 статей в журналах, входящих в «Перечень…» ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований,
приложений, и содержит 137 страниц, в том числе 3 таблицы и 45 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи, объект, предмет и методы исследования, сформулирована практическая
значимость работы, приведены положения, обладающие научной новизной и
выносимые на защиту, обоснована степень достоверности результатов, приведены сведения об апробации работы.
В первом разделе «Анализ состояния вопроса облегчения пуска холодного
двигателя автомобиля, цель и задачи исследования» представлены концепция
малоизносных режимов пуска автомобильных двигателей при низких температурах окружающей среды, результаты анализа применения УОПХДА и методик
оценки их эффективности; дано обоснование оценки пусковых износов подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей по показателям смазочного процесса; сформулировано эксплуатационное требование к УОПХДА.
Решению комплекса проблем, связанных с пуском автомобильных двигателей при низкой температуре окружающей среды, посвящены исследования:
В.А. Бондаренко, Н.Л. Егина, С.П. Ежова, А.С. Денисова, В.А. Долецкого,
С.М. Квайта, А.В. Неговоры, В. Н. Сердечного, Г.И. Суранова, В.В. Шульгина,
G.K.Vick, G.E. Andrews и др. Среди главных проблем считаются ухудшение показателей пусковых качеств двигателя и значительная величина износов подвижных сопряжений на режиме пуска. Основной причиной этого явления является высокая вязкость масла, препятствующая нормальной его прокачке по
каналам масляной магистрали, своевременной подаче к подвижным сопряже5
ниям и, как следствие, нормализации смазочного процесса и минимизации сил
трения в них, и способствующей повышенному сопротивлению прокручиванию
коленчатого вала.
Для повышения эффективности эксплуатации автомобилей в условиях
низких температур окружающей среды применяются различные УОПХДА.
Устройства, обеспечивающие возможность пуска холодного двигателя без
предварительного изменения его объемного теплового состояния, характеризуются относительной простотой конструкции и низкой стоимостью, удобством
в обслуживании, не значительными затратами времени на пуск двигателя. Вместе с тем, отмечается опасность задира и проворачивания подшипников коленчатого вала по сравнению с пусками прогретого двигателя. Причиной этого является жесткость работы двигателя при холодных пусках в сочетании с повышенными скоростями трения при недостатке масла на трущихся поверхностях
из-за запаздывания его поступления.
В нашей стране наибольшее распространение получили устройства, обеспечивающие возможность пуска холодного двигателя с предварительным изменением его объемного теплового состояния. Считается, что при их использовании уменьшается величина износов деталей двигателя в период пуска и расхода
топлива на подготовку автомобилей к движению. Однако, повышенная жесткости работы двигателя, скоростей трения, а также не стабильная подача масла к
трущимся поверхностям может стать причиной ускоренного изнашивания деталей.
Таким образом, применение УОПХДА направлено, как правило, на улучшение показателей пусковых качеств двигателя, а вопрос о пусковых износах
его деталей остается неопределенным. В связи с этим, исследование закономерностей смазочного процесса и изнашивания деталей двигателя на режимах
пуска и определение основных причин пусковых износов, имеют важное научно-практическое значение, прежде всего, для обоснованного рационального
применения УОПХДА при низких температурах окружающего воздуха по критериям эффективности и экономичности, что позволяет выявить резервы повышения долговечности двигателей и эффективности эксплуатации автомобилей.
Изучению смазочных процессов и изнашивания деталей автомобильных
двигателей на пусковых режимах посвящены работы А.С. Денисова, М.А. Григорьева, Г.С. Лосавио, С.Ю. Коваленко, Ю.Н. Никитина, Г.И. Суранова,
P.J. Shayler, J-P. Zammit, J.D. Trapy, P. Damiral и др.
Наиболее подвержены пусковым износам подшипники коленчатого вала,
поскольку в них при холодных пусках нарушается смазочный процесс и возрастает вероятность отказа, особенно внезапного, являющегося источником существенных затрат. Таким образом, одним из главных факторов повышения долговечности автомобильных двигателей в эксплуатации является уменьшение
интенсивности изнашивания подшипников коленчатых валов на этапе подготовки двигателя к транспортному процессу за счет малоизносных режимов пуска и эффективного применения УОПХДА.
Исследованиями эффективного применения УОПХДА занимались
6
Н.Л. Егин, А.С. Денисов, А.П. Жигадло, В.В. Робустов, Н.Г. Певнев и др. Несмотря на большое количество данных о работе двигателя на пусковых режимах и разнообразие УОПХДА, недостаточно изучены закономерности смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала при пуске.
Для оценки смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала перспективны электрофизические методы и средства трибомониторинга. Опыт их
практического использования при решении различных технических задач, описанный в работах Р.Ф. Калимуллина, К.В. Подмастерьева, Н.Н. Якунина и др.,
может быть базой для решения задачи повышения эффективности использования УОПХДА. Для оценки эффективности УОПХДА могут быть применены
положения методик рационального выбора способа безгаражного хранения автомобиля, разработанной в МАДИ, и оценки эффективности способа межсменного хранения автомобилей на стоянке, разработанной в ТюмГНГУ.
На основании проведенного анализа сформулировано следующее требование к эксплуатационным свойствам УОПХДА – их применение не должно способствовать увеличению интенсивности изнашивания основных узлов трения
двигателя, а экономический эффект от повышения долговечности двигателя
должен превышать затраты, связанные с приобретением, установкой и эксплуатацией устройства, и быть максимально возможным в заданных условиях эксплуатации. Условие выполнения данного требования может стать основой для
выбора наиболее эффективного УОПХДА для конкретных автомобилей и климатического района их эксплуатации.
Во втором разделе «Теоретическое исследование эффективности
устройств облегчения пуска холодного двигателя автомобиля» на основе результатов теоретического исследования смазочного процесса в подшипниках
коленчатого вала и расходования топлива автомобильного двигателя на режиме
пуска с учетом действия УОПХДА обоснован показатель оценки его эффективности.
Оценку эффективности УОПХДА предлагается проводить по показателю,
равному отношению величины экономического эффекта в эксплуатации от повышения долговечности двигателя (триботехнического эффекта) к затратам,
обеспечившим этот эффект. Данный показатель KIQ для однократного пуска
определяется по формуле:
K  ( KQ  K S )
KI
K IQ  I

 1,
(1)
KQ  K S
KQ  K S
где KI - экономия затрат, полученная вследствие повышения долговечности
двигателя, руб.; KQ - затраты на топливо (энергию) для работы УОПХДА, руб.;
KS - затраты на приобретение и установку УОПХДА, руб.
Значения составляющих зависимости (1) определяются по формулам (2) и
(3):
 IiПП 
K I  RL LПИ 1  БC  ,
(2)
I
i


7
где RL - величина затрат на восстановление работоспособности двигателя, приходящаяся на 1 км пробега автомобиля, руб./км; LПИ - эквивалентный по износу
пробег при однократном пуске, км; I iПП и I iБС - значения показателя интенсивности изнашивания подшипников на режиме пуска с применением УОПХДА и
без него (в базовом состоянии);
(3)
K Q  RQ ( QTПП  QТБC )  C1ед .эWЭ ,
где RQ - цена 1 л. топлива, руб.; QТПП и QТБС - объем топлива, израсходованный
двигателем за время прогрева до заданной температуры с применением
УОПХДА (предпускового подогрева) и без него соответственно, л; C1ед.э - цена 1
л. расходуемого топлива (1 кВт электрической энергии сети) при работе
УОПХДА, руб./л (руб./кВт); WЭ - расход топлива (электрической энергии сети)
за время работы УОПХДА, л (кВт).
Значения RL определяются по статистическим данным о затратах на восстановление работоспособности двигателя конкретной модели, приходящихся
на 1 км пробега автомобиля; RQ и C1ед.э - учитывают исходя из стоимости 1 л.
топлива и 1 кВт электрической энергии, WЭ - учитывают исходя из мощности
УОПХДА и длительности работы; KS - учитывают исходя из стоимости покупки и монтажа УОПХДА на автомобиль, срока эксплуатации.
Для определения LПИ может быть использована формула, предложенная
Г.С. Лосавио:
LПИ 
270
,
Т  40
0
ДВ
(4)
где Т 0ДВ - начальная температура двигателя, С.
Для косвенной оценки интенсивности изнашивания подшипников коленчатого вала введен новый параметр Ii «удельная интегральная интенсивность
изнашивания подшипников коленчатого вала». Значение параметра Ii показывает, какова доля интенсивности изнашивания подшипников коленчатого вала на
текущем режиме работы двигателя по сравнению с интенсивностью изнашивания на режиме номинальной мощности при постоянном контактном взаимодействии подшипников. Параметр безразмерен, принимает значение от 0 до 1.
Его текущее значение Ii.x определяется по формуле:
I i .x  ( 1  E g .x )
N i .x ,
N imax
(5)
где Eg.x - текущее значение параметра «интегральная степень существования
смазочного слоя в подшипниках коленчатого вала»; Nimax и Ni.х - индикаторная
мощность двигателя максимальная и текущая соответственно, кВт.
На режиме пуска двигатель работает на холостом ходу и, исходя из теории
двигателей внутреннего сгорания, индикаторная мощность равна мощности
механических потерь, и формула (5) принимает следующий вид:
I i .x  ( 1  E g .x )
n
max
n x ( a м  b м Sn x / 30 )
,
( p emax  a м  bм Sn max / 30 )
8
(6)
где aм и bм - эмпирические коэффициенты, величины которых зависят от числа
цилиндров, отношения хода поршня к диаметру цилиндра и от типа двигателя;
S – ход поршня, м; nx и nmax – текущая и номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1; рemax - среднее эффективное давление при номинальной частоте, МПа.
Параметр Eg «интегральная степень существования смазочного слоя в
подшипниках коленчатого вала» известен по работам Р.Ф. Калимуллина и используется для обобщённой оценки качества смазочного процесса в системе
подшипников коленчатого вала. При эксплуатации значение параметра E g
принимает от 0 до 1 и зависит от большого количества факторов:
Еg  f ( М ,n,,(ТМ ),Т МП , рП ) ,
(7)
где М - крутящий момент на коленчатом валу, Нм; n - частота вращения коленчатого вала, мин-1;  - диаметральный зазор в подшипнике, м; (ТМ )- зависимость динамической вязкости масла  (Пас) от температуры масла Т М (С);
ТМП - температура масла на входе в подшипник, С; рП - давление масла на входе в подшипник, Па.
При работе двигателя на режиме пуска значения параметров  и (ТМ ) в
модели (7) являются неизменными, а параметры n, ТМП и рП зависят от длительности  режима. Поэтому, на режиме пуска исследование закономерности
смазочного процесса проводится по модели Eg (ТМП, n, ).
При прогреве двигателя на холостом ходу значения параметра Eg.x зависят
от текущих значений частоты вращения коленчатого вала nx, начальной температуры двигателя Т 0ДВ , длительности прогрева tx и предпускового теплового состояния двигателя TS:
(8)
I i.x  f ( E g .x ,Т 0ДВ ,nx ,Т S ,t x ) .
Параметры, входящие в формулу (8), I iПП , I iБС , QТПП и QТБС являются
функциями от Т 0ДВ . С учётом этого К IQ  f ( Т 0ДВ ) .
Применение УОПХДА эффективно при КIQ  0 , неэффективно при КIQ  0 .
Полученные зависимости и условия являются основой для решения следующих научно-практических задач.
1. Задача определения температурных условий рационального использования УОПХДА. Для i-ого УОПХДА и j -го двигателя в заданном (тестовом) диапазоне температур Тдв[Тдв.min; Тдв.max] определяются зависимости Iij (Тдв),
QТij(Тдв) в двух вариантах его комплектации: в базовой и с УОПХДА. По зависимости КIQij (Тдв) находится диапазон [Тдвijmin; Тдвijmax], при котором КIQij 0.
2. Задача выбора рационального УОПХДА для конкретного двигателя.
В заданном (тестовом) диапазоне температур Тдв[Тдв.min; Тдв.max] определяij
ется среднее значение параметра (mКIQij )ТТдвij.max и производится выбор УОПХДА
дв .min
по условию (mК
ij
ij Тдв .max
IQ Т ij
дв .min
)
ij
 (mКIQ )max .
9
3. Задача выбора рационального УОПХДА с учетом температурных особенностей эксплуатации автомобилей.
С учетом условий пуска двигателя (количества запусков в сутки и температуры окружающей среды) при эксплуатации автомобиля в k-ом климатическом районе определяется годовой экономический эффект Кгодijk, и производится выбор УОПХДА по условию Кгодij  max.
В третьем разделе «Методика экспериментального исследования эффективности устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля»
описаны техническая и методическая базы экспериментальных исследований
закономерностей смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала и расходования топлива автомобильного двигателя на режиме пуска в зависимости
от его начальной температуры и использования УОПХДА.
В основу экспериментальных исследований положена укрупненная модель, содержащая входные ( Т 0ДВ , тепловое состояние масляного фильтра TS ) и
выходные
[ n х , t x , E g . x , Т ДВ .х ,QТ.х
и
определяемые
зависимости
I I .x  ( Т 0ДВ ,n x ,t x ,TS ) и QТ .x  ( Т 0ДВ ,t x ,TS ) ] переменные.
0
Конкретный вид зависимостей I iПП ( Т 0ДВ ) , I iБС ( Т 0ДВ ) , QTПП ( Т ДВ
) и QTБC ( Т 0ДВ )
определён в результате экспериментальных исследований. Исследования проведены на примере одного из УОПХДА - электрического нагревателя масляного фильтра «Теплостарт» (модель НЭАП-М) фирмы «МР Универсал». Нагреватель представляет собой гибкую полосу из термостойкой силиконовой резины,
внутри которого помещён нагревательный элемент и термореле. Он устанавливается на масляный фильтр двигателя в виде бандажа, работает от бортовой сети автомобиля, подводимая мощность 120 Вт.
Исследования проводились на автомобильном бензиновом двигателе автомобиля ВАЗ-11194 при различных температурах охлаждающей жидкости перед
пуском ( Т 0ДВ от -2 °С до - 18 °С). Автомобиль эксплуатировался в реальных
зимних условиях городского движения. Перед каждым опытом автомобиль
находился при низких температурах окружающей среды продолжительностью
не менее 16 часов после остановки (согласно требованиям ГОСТ Р 53840-2010)
в не отапливаемом гараже.
Каждый опыт включал запуск и прогрев двигателя. Длительность опыта
ограничивалась моментом достижения температуры охлаждающей жидкости 40
С. Двигатель испытывался при двух тепловых состояниях смазочной системы:
без подогрева («БАЗА») и с подогревом масляного фильтра («ПМФ»). Продолжительность нагрева масляного фильтра составляла 15 мин исходя из рекомендаций предприятия-изготовителя. Предварительными исследованиями автора
было установлено, что за время работы нагревателя температура масла увеличивается на (90 – 100) °С.
Исследование смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала по
параметру Eg проводилось при помощи измерительно - вычислительного комплекса «Автоматизированная система оценки смазочного процесса», разрабо-
10
танного в ОГУ при участии автора. Исследование расходования топлива по параметру QТ проводилось при помощи мотор-тестера «МТ-10».
В четвертом разделе «Результаты экспериментального исследования
эффективности устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля» описаны результаты экспериментальных исследований смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала и расходования топлива автомобильного
двигателя на режиме пуска с учетом действия предпускового подогрева элемента смазочной системы.
Каждая стадия пуска исследовалась отдельно: запуск длительностью 5
сек.; прогрев - начиная с 5 сек. после запуска и до достижения температуры
охлаждающей жидкости 40 С.
Значение Ii.x определялось по
формуле (6). На рисунке 1 приведён пример изменения значений
параметра Ii от длительности прогрева t при Т 0Д В =-1 С.
В период прокручивания коленчатого вала стартером продолжительностью 0,5…1,0 сек.
значения I i в состоянии «ПМФ»
в 2 - 15 раз выше, чем в состояРисунок 1 – Пример зависимости значений па- нии «БАЗА», что связано с меньраметра Ii от t при Т0ДВ= -1 С без подогрева шими значениями продолжитель(«БАЗА») и с подогревом масляного фильтра ности существования смазочного
(«ПМФ»)
слоя Eg. В последующем значения
I i в состоянии «БАЗА» увеличиваются, а в состоянии «ПМФ» - резко снижаются (в отдельные моменты в 100
раз), что объясняется существенным улучшением смазочного процесса и увеличением значений Eg . Так, в рассматриваемом примере, среднее значение параметра I i в состоянии «ПМФ» составляет 1710-6, а в состоянии «БАЗА» 5610-6, что в 3,3 раза меньше.
Установлено, что смазочный процесс в подшипниках коленчатого вала на
режиме пуска под влиянием предпускового подогрева смазочной системы
улучшается, а уменьшение интенсивности изнашивания при этом зависит от
начальной температуры двигателя, о чем свидетельствуют установленные закономерности средних на режиме пуска значений параметра Ii, представленные в
регрессионных моделях (10) и (11) и на рисунке 2:
0 2
(9)
I iБС  3, 291  10 7 Т ДВ
 2 ,3755  10 6 Т 0ДВ  6 ,17  10 5 ;
0 2
0
I iПП  2 ,006  10 7 Т ДВ
 2 ,9423  10 6 Т ДВ
 2 ,59  10 5 .
(10)
Вместе с тем, увеличивается объем Q Т израсходованного топлива за время
стадий запуска и прогрева в среднем на 5 %.
11
Получены аппроксимированные зависимости параметра Q Т (мл.), представленные в регрессионных моделях (12) и (13) и на рисунке 2:
0
(11)
QTБС  0 ,0389 Т 0ДВ 2  4 ,105 Т ДВ
 101, 47 ;
QTПП  0 ,0969 Т 0ДВ 2  4 ,7403 Т 0ДВ  104 ,72 .
(12)
Рисунок 2 - Изменение средних значений Ii и QТпуск от Т 0Д В без подогрева («БАЗА») и с
подогревом масляного фильтра («ПМФ»)
Таким образом, экспериментально установлено, что при предпусковом подогреве автомобильного двигателя ВАЗ электрическим нагревателем масляного
фильтра в диапазоне начальных температур двигателя от +4 С до -14 С происходит уменьшение интенсивности изнашивания подшипников коленчатого
вала на режиме пуска в среднем в 2,6 раза, однако увеличивается объем израсходованного топлива за запуск и прогрев в среднем на 5 %.
Установленные закономерности влияния предпускового подогрева масляного фильтра и начальной температуры автомобильного двигателя на его изнашивание и расходование топлива явились основой для практического использования результатов исследования.
В пятом разделе «Практическое использование основных результатов исследования» разработана методика выбора УОПХДА с учётом условий эксплуатации автомобилей; приведено решение частной задачи по определению условий рационального применения конкретного УОПХДА.
Разработана методика выбора УОПХДА с учётом специфики условий эксплуатации автомобилей. Схема алгоритма методики представлена на рисунке 4.
Методика содержит следующие этапы:
1 этап. - Выбор объектов испытаний. Выбор для испытаний j -го автомобильного двигателя (АДj) и определение по статистическим данным затрат на
восстановление его работоспособности, приходящийся на 1 км. пробега (RLj).
Выбор для испытания i-ого УОПХДАi и определение затрат на его приобретение и установку КSij.
2 этап. Испытания объектов на режиме пуска. Испытание АДj (по ГОСТ
Р 53840-2010) в диапазоне температур окружающей среды Тос[Тос.min; Тос.max] и
экспериментальное определение зависимостей Iij (Тдв), QТij(Тдв) в двух вариантах
комплектации АД: в базовой и с УОПХДАi.
12
Рисунок 4 - Схема алгоритма методики выбора УОПХДА с учетом специфики эксплуатации автомобиля
3 этап. Расчет условий рационального использования УОПХДА. Расчет и
построение зависимостей КIij (Тдв); КQij (Тдв). Построение зависимости КIQij (Тдв)
= КIij (Тдв)/(КQij (Тдв)+КSij)-1 и нахождение диапазона [Тдвijmin; Тдвijmax] при котором
КIQij 0.
4 этап. Выбор рационального УОПХДА для АД. По модели КIQij (Тдв.доп)
ij
определяется среднее значение параметра ( mК IQ ij )ТТ двij .max и производится выбор
дв .min
ij
УОПХДА по условию максимальной эффективности (mК IQ ij )ТТ двij .max  ( mК IQ ij ) max .
дв .min
На этом этапе решается задача выбора рационального УОПХДА из некоторой
совокупности УОПХДА и АД.
5 этап. Расчет экономического эффекта от использования УОПХДА. Задаются закономерности количества запусков АД в сутки от температуры Тдв: в
начале рабочего дня St.1(Тдв) и в конце St.2(Тдв). Они зависят от способа запуска
(принудительно водителем или автоматически) и количества холодных пусков
в сутки (например, утром и вечером или автоматический запуск в течение стоянки).
13
Из
данных
этапа
3
определяется
экономический
эффект
ij
ij
ij
Kt =КI -(КQ +КS ) и значения данного эффекта при каждом пуске
Кt.1ij=K t.1 ijSt.1 и Кt.2ij=K t.2 ijSt.2 от температуры Т 0ДВ .
6 этап. Определение температурных условий пуска. По данным архива
погоды (например, http://www.eurometeo.ru) в конкретном k-ом климатическом
районе формируется массив данных об отрицательной температуре окружающей среды Тос 0 по заданным часам суток tk и календарным дням Дн: Тос(tk, Дн)
0. Находится распределение Nt.Днk(Тос) количества дней в году Nt.Днk по температуре окружающей среды Тос.
7 этап. Выбор рационального УОПХДА с учетом температурных особенностей эксплуатации автомобилей. Рассчитывается годовой экономический
эффект Кгодijk =Кt.1ij Nt.1Днk+Кt.2ij Nt.2Днk. По выборке из населенных пунктов для
k-го климатического района строится ранжированное распределение значений
Кгодij в порядке убывания. Такое распределение позволяет выбрать конкретные
населенные пункты, в которых повышается эффективность эксплуатации автомобилей за счет применения УОПХДА, обеспечивающего максимальные значения Кгодij  max. На этом этапе решается задача выбора рационального
УОПХДА для АД с учетом температурных особенностей эксплуатации автомобилей в конкретном населенном пункте и способе запуска.
На основе результатов экспериментальных исследований получена функция показателя KIQ эффективности применения нагревателя «Теплостарт» на
двигателе ВАЗ-11194 имеет вид:
0
0 ,2006 Т 0ДВ 2  2,9423 Т ДВ
 25,912 
270 
1 0
 1 

Т ДВ  40  0 ,3291 Т 0ДВ 2  2 ,3755 Т 0ДВ  61,657 
(13)
K IQ 
 1.
0 2
0 ,035( 3,25  0 ,6353 Т 0ДВ  0 ,058 Т ДВ
)  0 ,56
Решена задача определения условий рационального применения нагревательного устройства масляного фильтра.
Из анализа К IQ  f ( Т 0ДВ ) ,
представленной на рисунке 3,
следует, что условие K IQ  0
ij
выполняется при Т 0ДВ в диапазоне от - 14 С до +4 С, в котором среднее значение покасред
зателя составляет K IQ
 5,7 , а
макс
 8 достимаксимальное K IQ
гается при Т 0ДВ = – 10 оС. При
Рисунок 3 – Зависимости показателя эффективности нагревателя масляного фильтра «Теплостарт»
от начальной температуры двигателя ВАЗ
14
Т 0ДВ 
-14 С применение
нагревателя не эффективно,
т.к. K IQ  0 .
Таким образом, установлено, что электрический нагреватель масляного
фильтра эффективно использовать в диапазоне начальных температур двигателя от - 14 С до +4 С (рациональном диапазоне температур).
На основе установленных условий эффективного применения нагревательного устройства масляного фильтра усовершенствована схема автономной
предпусковой тепловой подготовки смазочной системы. Применение усовершенствованной схемы, как в виде отдельного устройства, так и совместно с системой автоматического запуска двигателя, позволяет снизить пусковые износы
и повысить долговечность подшипников коленчатых валов автомобильных
двигателей.
Автором установлена закономерность количества включений нагревателя
за время стоянки автомобиля ВАЗ при работе системы автоматического запуска
двигателя:
St  0,5083e(-0,072Tос ) .
(14)
По приведенной выше методике проведены расчеты экономического эффекта КгодбезАЗ (без автоматического запуска двигателя) и КгодАЗ с автоматическим запуском двигателя) для 21 крупных городов страны, расположенных в
различных климатических районах. Диаграммы, показывающие распределения
значений показателей по городам, представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 - Диаграммы распределения значений показателей КгодбезАЗ и КгодАЗ по городам
Эффективность применения
нагревателя зависит от климатической района эксплуатации автомобиля, что объясняется различием в распределении количества
дней в году по температуре окружающей среды. На рисунке 6 и
формулах (15, 16) показаны аппроксимированные зависимости
показателей КгодбезАЗ и КгодАЗ от
средней отрицательной температуры Тос в году.
Рисунок 6 - Экспериментальные зависимости
показателей КгодбезАЗ и КгодАЗ от средней температуры Тос в году
15
КгодбезАЗ = -1,8103 Тос 2 - 11,139 Тос + 1312;
(15)
АЗ
ос 2
ос
Кгод = -0,5449 Т - 209,8 Т + 858,25.
(16)
Анализ полученных зависимостей показывает, что с уменьшением средней
отрицательной температуры окружающей среды Тос в холодные месяцы значения показателей КгодбезАЗ и КгодАЗ изменятся разнонаправлено, при этом КгодАЗ
увеличивается. Это обуславливается увеличением количества автоматических
запусков за одну стоянку и суммарного количества холодных запусков в год.
При однократном пуске двигателя нагреватель рекомендуется использовать в районах со средней отрицательной температурой окружающей среды в
холодные месяцы не ниже минус 12 С, что приведет к снижению годовых эксплуатационных затрат на 1200 - 1500 руб. на один легковой автомобиль. В случае многократного включения нагревателя при автоматических запусках двигателя экономический эффект от его применения по мере уменьшения указанной
температуры до минус 22 С увеличивается до 5000 руб.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
На основе теоретических и экспериментальных исследований изложено
новое научно обоснованное решение проблемы повышения эффективности
эксплуатации автомобилей на основе рационального применения устройств облегчения пуска холодного двигателя автомобиля, имеющее существенное значение для развития автотранспортной отрасли страны.
1. Предложен новый показатель оценки эффективности устройства облегчения пуска холодного двигателя автомобиля, базирующийся на соотношении
величин экономического эффекта от повышения долговечности подшипников
коленчатого вала к затратам на обеспечение этого эффекта. Для косвенной
оценки степени повышения долговечности предложен новый параметр «удельная интегральная интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала».
Условием рационального применения устройства облегчения пуска холодного
двигателя автомобиля является положительная величина показателя, максимальная в заданных условиях эксплуатации.
2. Установлено на примере нагревателя масляного фильтра «Теплостарт»,
что его рационально применять на двигателях ВАЗ в диапазоне температур от
минус 14 С до плюс 4 С. При этом на режиме пуска уменьшается интенсивность изнашивания подшипников коленчатого вала в среднем в 2,6 раза и увеличивается количество израсходованного топлива в среднем на 5 %, а максимальное значение показателя эффективности (8) достигается при минус 10 оС. В
условиях эксплуатации для рационального использования нагревателя масляного фильтра усовершенствован алгоритм его работы. Алгоритм позволяет работать нагревателю с наибольшим эффектом, обеспечивая уменьшение интенсивности изнашивания деталей автомобильных двигателей в процессе пуска, и отличается учетом нового фактора - температуры двигателя.
3. Разработанная методика позволяет устанавливать для УОПХДА климатические районы эксплуатации автотранспортных средств по критерию
16
наибольшей экономической эффективности от их применения с учётом температурных условий рационального использования и условий пуска.
4. Установлено, что эффективность применения УОПХДА зависит от климатического района эксплуатации автомобиля и суммарного количества холодных запусков за одну стоянку и в год. Годовой экономический эффект на один
легковой автомобиль от применения нагревателя масляного фильтра «Теплостарт» может быть в диапазоне от 1200 руб. при однократном пуске двигателя,
до 5000 руб. при многократных автоматических запусках двигателя.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
- в рецензируемых научных журналах из «Перечня…» ВАК:
1. Казаков, А.В. Методика оценки приспособленности автомобильных
двигателей к режиму пуска / С.Ю. Коваленко, А.В. Казаков // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. - № 10. - С.186 – 192.
2. Казаков, А.В. Предпусковой нагрев смазочной системы автомобильного
двигателя / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 12. - С.219 – 225.
3. Казаков, А.В. Оценка эффективности предпускового нагрева масляного
фильтра автомобильного двигателя / Е.В. Бондаренко, А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин // Вестник Иркутского государственного технического университета. –
2014. - № 2. – С. 153-160.
4. Казаков, А.В. Определение рациональных условий использования
средств предпусковой тепловой подготовки автомобильного двигателя /
Р.Ф. Калимуллин, А.В. Казаков // Вестник Оренбургского государственного
университета. - 2014. - № 10. - С.82 – 89.
5. Казаков, А.В. Информационно-измерительная система оценки смазочного процесса в подшипниках двигателей внутреннего сгорания / А.В. Казаков,
Р.Ф. Калимуллин, Н.Н. Якунин // Международный научно-исследовательский
журнал. - 2016. - № 11(53). Часть 4. - С. 60 - 63.
6. Казаков, А.В. Оценка эффективности средства тепловой подготовки автомобильного двигателя к холодному пуску / И.Т. Ковриков, Р.Ф. Калимуллин,
А.В. Казаков // Автомобильная промышленность. - 2018. - № 1. - С. 28-30.
- в других изданиях:
7. Казаков, А.В. Теоретическое обоснование эффективности подогрева
моторного масла / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин, Н.М. Воротилова // Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы 9-ой РНТК. –
Оренбург: ОГУ, 2009. – С. 129 – 135.
8. Казаков, А.В. Обеспечение пусковых качеств автомобильных двигателей автономной тепловой подготовкой системы смазки / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин, В.П. Засуха // Прогрессивные технологии в транспортных системах:
материалы 9-ой РНТК. – Оренбург: ОГУ, 2009. – С. 135 – 141.
9. Казаков, А.В. Улучшение пусковых качеств двигателя при отрицательных температурах / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин // Перспективные направ-
17
ления развития автотранспортного комплекса: материал 2-ой НПК. – Пенза:
ПГУАС, 2009. - С. 19 - 21.
10. Казаков, А.В. Повышение эффективности смазочной системы за счет
автономной тепловой подготовки масляного фильтра / А.В. Казаков, С.Ю. Коваленко, Р.Ф. Калимуллин / Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: материалы ВНПК (заочной) с международным участием. - Магадан: СВГУ, 2011. - С. 152 - 154.
11. Казаков, А.В. Оценка эффективности предпусковой автономной тепловой подготовки автомобильного двигателя / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин //
Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы 10-ой МНТК.
– Оренбург: ООО «Руссервис», 2011. – С. 151 - 157.
12. Казаков, А.В. Методика рационального выбора средств предпусковой
подготовки автомобильных двигателей / А.В. Казаков, Н.Н. Якунин, С.Ю. Коваленко // Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы 11ой МНПК. – Оренбург: ОГУ, 2013. – С. 175 – 182.
13. Казаков, А.В. Трибо-экономическая эффективность предпускового подогрева автомобильного двигателя / А.В. Казаков, Р.Ф. Калимуллин // Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы 12-ой МНПК. – Оренбург: ОГИМ, 2015. – С. 237 – 246.
14. Казаков, А.В. Методика оценки эффективности устройств облегчения
пуска холодного двигателя автомобиля / Р.Ф. Калимуллин, А.В. Казаков,
Г.С. Коровин // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сб. тр.
13-ой МНПК – Оренбург: ОГУ, 2017.- С. 128-130.
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
1 805 Кб
Теги
эффективность, методика, оценки, автомобиля, холодного, двигателей, пускай, устройства, облегчение
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа