Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ДОРОЖНІХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

Матейчик Василь Петрович

Спеціальність 05.22.02 - “Автомобілі і трактори”

Київ - 2004

Анотація

Матейчик В.П. Наукові основи підвищення екологічної безпеки дорожніх транспортних засобів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.02 - автомобілі і трактори. - Національний транспортний університет, Київ, 2004.

Дисертація присвячена проблемі підвищення екологічної безпеки ДТЗ за рахунок покращення паливної економічності та екологічних показників.

Розроблена загальна методологія оцінювання екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з врахуванням призначення та умов експлуатації. Розроблено модель функціонування системи «дорожній транспортний засіб», що дозволяє оцінювати вплив конструктивних і експлуатаційних факторів на екологічну безпеку ДТЗ.

Розроблені методики та математичні моделі для визначення показників ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища ДТЗ з удосконаленими схемами ЕУ в окремих режимах, їздових циклах та на експлуатаційних маршрутах.

Розроблено комплекс окремих, групових та інтегральних критеріїв для оцінювання та вибору способу підвищення екологічної безпеки ДТЗ з врахуванням їх призначення та умов експлуатації.

Виконано оцінку ефективності способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ, отриманих удосконаленням систем живлення і регулювання бензинових двигунів і дизелів, переобладнанням рідкопаливних двигунів для роботи на природному газі, заміною бензинових двигунів дизелями.

Ключові слова: дорожній транспортний засіб, система, екологічна безпека, ефективність паливовикористання, забруднення середовища, енергоустановка, способи підвищення екологічної безпеки, системні методи, математичне моделювання.

Аннотация

Матейчик В.П. Научные основы повышения экологической безопасности дорожных транспортных средств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.02 - автомобили и тракторы. - Национальный транспортный университет, Киев, 2004.

Диссертация посвящена проблеме повышения экологической безопасности дорожных транспортных средств (ДТС) за счет улучшения топливной экономичности и экологических показателей.

Разработана общая методология оценки экологической безопасности ДТС по критериям эффективности топливоиспользования и уровня загрязнения среды с учетом назначения и условий эксплуатации, в рамках которой:

- разработана модель функционирования системы “дорожное транспортное средство” с использованием системных объектов, что позволяет оценивать влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на экологическую безопасность ДТС с учетом особенностей основных процессов системы, обратных связей и связей со средой в условиях эксплуатации;

- выполнена систематизация конструктивных схем энергоустановок (ЭУ) с поршневым ДВС как подсистемы, определяющей уровень экологической безопасности системы “дорожное транспортное средство”, по морфологическим признакам основных функциональных элементов, что позволяет проводить синтез и анализ существующих и перспективных схем ЭУ как способов повышения экологической безопасности ДТС;

- разработаны методики и математические модели элементов, подсистем и системы в целом с использованием универсальных экологических характеристик дизелей, бензиновых и газовых двигателей, позволяющие определять показатели эффективности топливоиспользования и уровня загрязнения среды ДТС с усовершенствованными схемами ЭУ в отдельных режимах, в ездовых циклах и на эксплуатационных маршрутах;

- разработан комплекс отдельных, групповых и интегральных критериев, на основе которых сформированы одномерные целевые функции, позволяющие проводить оценку и выбор способа повышения экологической безопасности двигателей, ЭУ и ДТС с учетом их назначения и условий эксплуатации.

Проведена оценка влияния различных способов регулирования мощности бензиновых двигателей на экологическую безопасность ДТС. Показано, что регулирование мощности многоцилиндрового бензинового двигателя отключением группы цилиндров на частичных нагрузках является эффективным способом снижения расхода топлива и выбросов продуктов неполного сгорания с ОГ.

Показано, что обеспечение работы двигателя 8Ч9,2/8 с отключением четырех цилиндров на смесях с = 0,90-0,92 позволяет повысить уровень экологической безопасности автомобиля в городском ездовом цикле на 1,5-9%, а применение рециркуляции ОГ в 5% - в 1,04-1,11 раза.

Показано, что переоборудование грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями для работы на природном газе путем дополнительной установки газовой системы питания сопровождается уменьшением производительности транспортного средства, что приводит к увеличению удельного расхода топлива, а в отдельных случаях и увеличению удельных выбросов отдельных загрязняющих веществ. Улучшение показателей газобаллонных транспортных средств, может быть достигнуто усовершенствованием как конструктивных, так и эксплуатационных факторов, в частности повышением степени сжатия двигателя. Показано, что увеличение степени сжатия двигателя 8Ч10/9,5 с =6,5 до =8,0 повышает уровень экологической безопасности газобаллонного автомобиля в 1,101 раза за счет уменьшения расхода топлива и загрязняющих выбросов.

Проведены экспериментальные исследования газового двигателя, переоборудованного с дизеля 4Ч11/12,5 со снижением степени сжатия с 16 до 12. Отмечено, что содержание NO_x на максимальной нагрузке больше, чем у дизеля, что свидетельствует о необходимости оптимизации регулировочных параметров систем питания и зажигания.

Выполнена оценка эффективности замены бензиновых двигателей дизелями с точки зрения повышения экологической безопасности ДТС в эксплуатационных условиях. Определены значения передаточных отношений коробок передач автомобилей с установленными вместо бензиновых двига-телей дизелями для обеспечения необходимых тягово-скоростных свойств.

Выполнена оценка влияния способа регулирования частоты вращения дизеля на экологическую безопасность ДТС. Показано, что применение однорежимного регулирования на дизелях ДТС существенно улучшает эффективность топливоиспользования и экологические показатели ДТС.

Ключевые слова: дорожное транспортное средство, система, экологическая безопасность, эффективность топливоиспользования, загрязнение среды, энергоустановка, способы повышения экологической безопасности, системные методы, математическое моделирование.

Summary

Mateychyk V.P. Science bases to increasing of vehicle ecological safety. - Manuscript.

Thesis for the presenting doctors degree in technical sciences by specialty 05.22.02 - automobiles and tractors, National Transport University, Kyiv, 2004.

The thesis devoted to the problem of increasing the vehicle ecological safety by the way of improvement of fuel consumption and ecological parameters.

The general methodology for the estimation of vehicle ecological safety by the criterions efficiency fuel consumption and level of environment pollution with allowance for assigning and operation conditions has been created. The operation model of the system “road vehicle” with usage of system objects has been working out, that allows to estimate the influencing of design and operational factors on vehicle ecological safety.

The methodic and mathematical models for definition of efficiency of fuel consumption and level of environment pollution of vehicles with the improved power installations in separate modes, in driving cycles and on operational routes were designed.

The complex of separate and integral criterions for an estimation and selection the ways of increasing vehicle ecological safety with taking account their assigning and operation conditions was offered.

Estimation the ways of increasing vehicle ecological safety by advancing of power supply and regulation systems for petrol and diesel engines, by conversation of petrol and diesel engines on natural gas and also by replacement the petrol engines by diesel was executed.

Keywords: vehicle, system, ecological safety, efficiency of fuel consumption, environment pollution, power installation, ways of increasing ecological safety, system methods, mathematical modeling.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дорожні транспортні засоби (ДТЗ) створюють одну з найважливіших екологічних проблем, яка характеризується значним негативним впливом на екосистеми та здоров'я населення через забруднення атмосфери викидами шкідливих речовин, надмірним споживанням видобувних невідновлюваних палив і, відповідно, зростанням обсягів викидів в атмосферу „парникових” газів (зокрема, двооксиду вуглецю ).

Основними споживачами палив і джерелами забруднюючих викидів є енергоустановки (ЕУ) ДТЗ, ефективність паливовикористання і величини викидів яких визначають рівень екологічної безпеки як окремого автомобіля чи автобуса, так і парку ДТЗ загалом. Аналіз сучасних досягнень в створенні нових ЕУ і тенденцій зміни структури паливних ресурсів показує, що ЕУ, основою яких є поршневий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), в найближчому майбутньому збережуть своє провідне становище як джерела енергії ДТЗ.

Тому підвищення екологічної безпеки ДТЗ з такими ЕУ є важливою народногосподарською і соціальною проблемою, актуальність якої з кожним роком зростає.

Паливна економічність та екологічні показники ЕУ визначаються її конструктивною схемою, яка формується шляхом вибору конструктивних елементів ДВЗ, систем подачі палива і повітря та випуску відпрацьованих газів (ВГ). В процесі експлуатації з метою підвищення рівня екологічної безпеки ДТЗ конструктивна схема ЕУ може бути змінена шляхом удосконалення окремих систем, заміни або додаткового введення окремих елементів, переобладнання для роботи на альтернативному виді палива, повної заміни ЕУ.

Вибір того чи іншого способу підвищення екологічної безпеки ДТЗ як на стадії проектування, так і в умовах експлуатації повинен здійснюватись на основі всебічної, комплексної оцінки ефективності паливовикористання та забруднюючих викидів ДТЗ з врахуванням як конструктивних, так і експлуатаційних факторів.

У цій предметній області вітчизняними та зарубіжними вченими досліджено і отримано вагомі результати з широкого кола окремих аспектів проблеми. Але на цей час відсутні комплексні дослідження системи „дорожній транспортний засіб”, які з системних позицій дозволили б розробити наукові методи та інженерні методики оцінки впливу конструктивних та експлуатаційних факторів на ефективність паливовикористання та забруднення середовища і вибору ефективних способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ.

Розробці методів оцінювання та способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням НДР № 238 “Розробити ТЕО і проекти використання дизелів типу СМД та інших типів, що виробляються в Україні та за її межами, для заміни бензинових двигунів на автомобілях, що знаходяться в експлуатації”, № держреєстрації 0194U017801, НДР № 67 “Розробити метод, математичні моделі та системи живлення для ефективного використання на автотранспорті альтернативних та традиційних палив”, № держреєстрації 0197U004742, НДР № 19 “Розробка плану заходів на виконання Декларації держав-членів ЦЄІ щодо сталого транспорту”, № держреєстрації 0198U004138, НДР № 405 “Розроблення проекту програми зменшення негативного впливу автотранспорту на довкілля” згідно з Постановою Кабміну України № 1139 від 16.09.96р., № держреєстрації 0100U004328, НДР № 49 “Проведення дослідження та розробка методики вибору доцільного рухомого складу автотранспорту для пасажирських перевезень м. Києва з урахуванням екологічних показників”, № держреєстрації 0102U006440, держбюджетної теми ”Дослідження та удосконалення систем живлення і регулювання транспортних засобів”, № держреєстрації 0103U000628, розробкою Київської міської програми “Екологія транспорту”, планами НДР кафедри “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету.

Метою роботи є розробка методів оцінювання та способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з врахуванням призначення та умов експлуатації.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі ієрархічно пов'язані задачі:

1. Розробка загальної методології оцінювання екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з врахуванням призначення та умов експлуатації.

2. Систематизація способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ, отриманих шляхом удосконалення конструктивних схем їх ЕУ.

3. Розробка математичних моделей системи “дорожній транспортний засіб” для оцінки ефективності застосування способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ в експлуатаційних умовах.

4. Експериментальна перевірка адекватності математичних моделей елементів, підсистем та системи загалом.

5. Теоретичне та експериментальне дослідження ефективності способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ:

- з удосконаленим способом регулювання потужності бензинового двигуна;

- з ЕУ, переобладнаними з рідкопаливних для роботи на природному газі;

- з встановленими замість бензинових дизельними ЕУ;

- з удосконаленим способом регулювання частоти обертання дизеля.

6. Розробка рекомендацій щодо використання результатів дослідження для підвищення екологічної безпеки ДТЗ в експлуатації.

Об'єктом досліджень є система “дорожній транспортний засіб”, рівень екологічної безпеки якої визначається ефективністю паливовикористання і рівнем забруднення середовища.

Предметом досліджень є методи оцінювання та способи підвищення екологічної безпеки ДТЗ, що знаходяться в експлуатації.

Методи досліджень. Розробка наукових основ підвищення екологічної безпеки ДТЗ здійснювалась широким застосуванням методів системного аналізу, які дозволили сформувати структуру та логічну організацію досліджень і розробити модель функціонування системи „дорожній транспортний засіб”, яка враховує особливості основних процесів системи, зворотні зв'язки та зв'язки з середовищем.

Застосування методу морфологічного аналізу дозволило проводити синтез та аналіз як існуючих, так і перспективних способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ.

Оцінка способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ проводилась з використанням методів математичного моделювання, теорії імовірностей за окремими, груповими та інтегральними критеріями.

Побудова математичних моделей системи виконувалась з врахуванням вимоги універсальності шляхом описання окремих підсистем та елементів за допомогою теоретичних і емпіричних залежностей. Перевірка адекватності математичних моделей виконувалась шляхом порівняння розрахункових результатів з експериментальними даними.

Комплекс експериментальних досліджень різних способів підвищення екологічної безпеки включав визначення показників ефективності паливовикористання та забруднення середовища шляхом проведення стендових випробувань двигунів і дорожніх випробувань автомобілів із застосуванням методів планування експерименту і статистичної обробки отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше з системних позицій обґрунтована загальна методологія оцінювання екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з врахуванням призначення та умов експлуатації, в рамках якої:

- розроблено модель функціонування системи „дорожній транспортний засіб” з використанням системних об'єктів, що дозволяє оцінювати вплив конструктивних і експлуатаційних факторів на екологічну безпеку ДТЗ з врахуванням особливостей основних процесів системи, зворотних зв'язків та зв'язків з середовищем, які мають місце в експлуатаційних умовах;

- виконано систематизацію конструктивних схем ЕУ з поршневим ДВЗ як підсистеми, яка визначає рівень екологічної безпеки системи „дорожній транспортний засіб”. Систематизація схем ЕУ проведена за морфологічними ознаками основних функціональних елементів, яка дозволяє проводити синтез і аналіз як існуючих, так і перспективних схем ЕУ, що розглядаються як способи підвищення екологічної безпеки ДТЗ;

- розроблені методики визначення показників ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища ДТЗ з удосконаленими схемами ЕУ в окремих режимах, в стандартних їздових циклах та на експлуатаційних маршрутах з детермінованим та стохастичним заданням параметрів маршруту, в основі яких лежать математичні моделі елементів, підсистем і системи „дорожній транспортний засіб” з використанням універсальних екологічних характеристик бензинових і газових двигунів та дизелів;

- розроблено комплекс окремих, групових та інтегральних критеріїв, на основі яких сформовані одномірні цільові функції, що дозволяють проводити оцінку та вибір способу підвищення екологічної безпеки двигунів, ЕУ та ДТЗ з врахуванням їх призначення та умов експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів досліджень складають:

- модель функціонування системи „дорожній транспортний засіб”, що дозволяє оцінювати вплив конструктивних і експлуатаційних факторів на екологічну безпеку ДТЗ;

- метод аналізу і синтезу конструктивних схем ЕУ за морфологічними ознаками основних функціональних елементів;

- методики визначення окремих, групових та інтегральних критеріїв оцінки екологічної безпеки двигунів, ЕУ та ДТЗ;

- математичні моделі, алгоритми і програми для розрахунку витрати палива та забруднюючих викидів ДТЗ в окремих режимах, їздових циклах і на маршрутах з використанням універсальних екологічних характеристик бензинових і газових двигунів та дизелів;

- кількісні значення критеріїв екологічної безпеки ДТЗ з різними схемами бензинових, газових і дизельних ЕУ;

- конструктивні схеми ЕУ, отримані удосконаленням способу регулювання потужності бензинового двигуна (патент України № 31532А), удосконаленням способу регулювання частоти обертання дизеля (А.С. №1825882), переобладнанням бензинових двигунів і дизелів для роботи на природному газі, заміною бензинових двигунів дизелями.

- рекомендації щодо використання результатів дослідження для підвищення екологічної безпеки ДТЗ в експлуатації.

Результати дисертаційної роботи прийняті до використання в департаменті автомобільного транспорту Мінтрансу України, в управлінні атмосферного повітря Мінприроди України, в Державному підприємстві “ДержавтотрансНДІпроект”, в секції прикладних проблем Президії Академії наук України, в Державному підприємстві „Завод ім. В.О.Малишева”, у ВАТ ”Луцький автомобільний завод”, на Київському АРЗ-3.

Матеріали роботи застосовуються в навчальному процесі при викладанні дисциплін „Теорія технічних систем”, „Основи екології”, „Автомобільні двигуни”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, отримані автором особисто. У працях із співавторами автор здійснював постановку задач і розробляв методи їх розв'язання [1, 4, 5, 8, 11, 24, 25, 29, 32, 35, 36], проводив теоретичні і експериментальні дослідження [6, 12], виконував аналіз результатів досліджень та формулював висновки [2, 3, 7, 9, 10, 33, 34, 37], розробляв рішення щодо установки двох додаткових коректорів з пружинами різної жорсткості [26] і проставки для подачі ВГ перед дросельними заслінками [27].

Особисто автором розроблена загальна методологія оцінювання екологічної безпеки ДТЗ за критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з врахуванням призначення та умов експлуатації. Розроблено модель функціонування системи „дорожній транспортний засіб”. Виконано систематизацію конструктивних схем ЕУ за морфологічними ознаками основних функціональних елементів. Розроблені методики та математичні моделі для визначення показників ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища ДТЗ з різними схемами ЕУ в експлуатаційних умовах. Узагальнені закономірності протікання екологічних характеристик бензинових і газових двигунів та дизелів та отримані аналітичні залежності для визначення екологічних показників двигунів різних типів. Розроблено комплекс окремих, групових та інтегральних критеріїв для оцінювання та вибору способів підвищення екологічної безпеки двигунів, ЕУ та ДТЗ з врахуванням їх призначення та умов експлуатації. Виконано оцінку ефективності способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ, отриманих удосконаленням систем живлення і регулювання бензинових двигунів і дизелів, переобладнанням рідкопаливних двигунів для роботи на природному газі, заміною бензинових двигунів дизелями.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету (м.Київ, 1996-2003 р.р.), на міжнародних науково-технічних конференціях “Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин (м.Київ, УТУ, НТУ, 1999, 2000 р.р.), “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” (Польща, Жешув, 1996, 1997, 1998, 2000, 2001, 2003 р.р.), ”Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы” (м.Севастополь, СевНТУ, 2002, 2003р.р.), “Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных кадров” (м.Москва, МГТУ “МАМИ”, 2002р.), “Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса” (м.Москва, МГТУ “МАДИ”, 2003р.), “Управління безпекою та якістю транспортних засобів та перевезень” (м.Київ, ДержавтотрансНДІпроект, 2003р.), “Автомобильный транспорт в ХХІ веке” (м.Харків, ХНАДУ, 2003р.), на Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (м.Львів, НУ “Львівська політехніка”, 2003р.).

2. Основний зміст

У вступі розкрито суть і стан проблеми підвищення екологічної безпеки ДТЗ, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі обґрунтовується актуальність проблеми підвищення екологічної безпеки ДТЗ, дана характеристика негативного впливу ДТЗ на середовище, проведений аналіз динаміки обсягів паливоспоживання та забруднення середовища парком ДТЗ України, аналіз динаміки вимог до ДТЗ, виконана порівняльна характеристика показників екологічної безпеки двигунів та ДТЗ та аналіз шляхів забезпечення сучасних вимог екологічної безпеки ДТЗ та сучасних методів оцінювання показників екологічної безпеки ДТЗ та їх ЕУ.

Відзначено, що наявний парк ДТЗ, який в Україні налічує понад 6,5 млн. одиниць і на 100% обладнаний ДВЗ, потребує проведення широкомасштабних заходів, направлених на зменшення його негативного впливу на середовище. Серед них найбільш ефективними є заходи, спрямовані на покращення паливної економічності та екологічних показників ЕУ існуючих ДТЗ і можуть бути реалізовані в умовах експлуатації.

Аналіз проведених досліджень та основних тенденцій зміни в структурі парку ДТЗ показує, що найбільш ефективними способами зменшення витрати палива та забруднюючих викидів ДТЗ, які знаходяться в експлуатації, є: застосування регулювання потужності двигуна зміною робочого об'єму шляхом відключення частини циліндрів для ДТЗ з багатоциліндровими бензиновими двигунами; застосування комбінованого (всережимно-однорежимного) регулювання частоти обертання двигуна для ДТЗ з дизелями; заміна бензинових двигунів більш економічними дизелями; переобладнання рідкопаливних двигунів для роботи на природному газі.

Всі ці способи пов'язані зі зміною конструктивних схем ЕУ, неоднозначно впливають на масові, габаритні, тягово-швидкісні, економічні та екологічні показники ДТЗ, тому потребують всебічної оцінки їх ефективності для підвищення екологічної безпеки ДТЗ.

Другий розділ присвячений розробці загальної методології оцінювання та вибору способів підвищення екологічної безпеки ДТЗ на основі системного підходу, який все ширше використовується під час проведення досліджень як на стадії проектування, так і в процесі експлуатації транспортних засобів. Ідеї системного підходу успішно застосовували в дослідженнях проблем автомобільної техніки і транспорту такі вчені як Островцев А.Н., Безбородова Г.Б., Кузнецов Є.С., Говорущенко М.Я., Туренко А.М., Гутаревич Ю.Ф., Рудзінський В.В., Маяк М.М., Левковець П.Р., Котиков Ю.Г., Іванов В.М., Єрохов В.І., Луканін В.Н., Трофименко Ю.В., Максимов В.А., Гащук П.М. та ін.

Однак в попередніх дослідженнях не використовувався підхід до представлення досліджуваних систем в системних об'єктах, який побудований на виділенні основних процесів системи за цільовими функціями, визначенні основних функціональних елементів, зворотних зв'язків як параметрів управління процесами та зв'язків з середовищем.

Застосування системних принципів дозволило представити ДТЗ як систему.

В системі виділено три основних процеси, які послідовно пов'язані між собою:

- перетворення хімічної енергії палива в теплову та механічну , тобто робочий процес ДВЗ (рівень А);

- передача енергії від ДВЗ до коліс з перетворенням параметрів руху, тобто робочий процес трансмісії ДТЗ (рівень С);

- перетворення обертального руху коліс в поступальний рух ДТЗ, тобто процес взаємодії ходової частини та кузова ДТЗ з середовищем (дорогою та повітрям) (рівень Е).

Входом системи загалом і процесу рівня А служать паливо (зв'язана хімічна енергія) і повітря , які поступають в робочий процес ДВЗ.

В результаті робочого процесу двигуна поряд з корисним виходом (механічна енергія , яка характеризується крутним моментом і частотою обертання двигуна) утворюється супутній або некорисний вихід (продукти згоряння як сукупність великої кількості шкідливих та нешкідливих компонентів , невикористана теплова енергія і акустичне випромінювання ).

Для управління робочим процесом ДВЗ з метою зближення показників виходу із заданими показниками служить зворотній зв'язок (рівень В), який забезпечує управління складом суміші, випередженням запалювання і (або) впорскування, рециркуляцією, турбонаддувом, кількістю циліндрів та ін.

Системні об'єкти рівнів А і В утворюють ЕУ як підсистему ДТЗ зі своїми системними властивостями.

Системні об'єкти рівнів С і D описують трансмісію ДТЗ. Енергетичний вихід процесу рівня А ( і ) є входом процесу рівня С. Результатом передачі енергії трансмісією є крутний момент на колесах, величина якого залежить від передаточних відношень коробки передач , головної передачі та к.к.д. трансмісії , і частота обертання коліс ДТЗ .

Автоматичний вибір передаточних відношень коробки передач для зближення показників на виході з необхідними забезпечує підсистема зворотнього зв'язку (рівень D) у випадку застосування автоматичної трансмісії.

Внаслідок взаємодії ДТЗ через ходову частину (колеса) і кузов з середовищем (дорогою і повітрям) здійснюється перетворення обертального руху коліс в поступальний рух ДТЗ (рівень Е). На виході підсистеми Е і системи загалом є швидкість ДТЗ та його прискорення , яке визначає режим руху ДТЗ (розгін, усталений рух, сповільнення).

Зворотній зв'язок (рівень F) управляє процесами рівнів А і С для реалізації заданого закону руху ДТЗ або (той чи інший їздовий цикл), чи в кожний момент коректує швидкість ДТЗ (імітує дії водія) в залежності від дорожніх, транспортних, атмосферних та інших факторів, які мають місце на реальному маршруті, через задання значень величини і швидкості відкриття органу управління паливоподачею, частоти обертання двигуна , при якій відбувається переключення на більш високу передачу при розгонах, вибір передаточного відношення коробки передач і часу переключення передачі .

Ці параметри визначають режими роботи ЕУ (рівні А і В), тобто значення витрат палива і повітря , необхідних для отримання крутного моменту і частоти обертання двигуна для реалізації того чи іншого закону руху ДТЗ.

Система „дорожній транспортний засіб” функціонує в зовнішньому середовищі, є відкритою, так як обмінюється з середовищем речовиною, енергією, інформацією.

Основні взаємозв'язки з середовищем, які враховуються при дослідженні системи: - із середовища, яке характеризується тиском , температурою і відносною вологістю , поступає паливо і повітря в процес рівня А; - середовищу віддається частина теплової енергії, отриманої в процесі рівня А; - в середовище поступає супутній вихід процесу рівня А (продукти згоряння , частина теплової енергії , акустичне випромінювання ); - середовищу віддається частина теплової енергії, яка утворюється в процесі рівня С (враховується ); відображає взаємодію ДТЗ з повітрям, яка враховується силою опору повітря ; відображає взаємодію ДТЗ з дорогою, яка враховується силою опору кочення і силою опору підйому ; враховує інформацію, що характеризує транспортні, атмосферні та інші умови, характерні для реального маршруту.

Як обмеження для ЕУ як підсистеми ДТЗ розглядаються визначені величини питомих витрати палива та викидів забруднюючих речовин, для системи загалом - значення максимальної швидкості ДТЗ , а також питомі витрати палива та викиди, тобто цілі функціонування системи.

В системі підсистемою, яка визначає рівень екологічної безпеки ДТЗ, є ЕУ, а розроблена модель функціонування системи дозволяє досліджувати вплив різних схем ЕУ на екологічну безпеку ДТЗ.

Систематизація можливих схем ЕУ виконана з використанням методу морфологічного аналізу. Для цього в ЕУ виділено основні функціональні елементи: паливо, повітря, ДВЗ, продукти згоряння.

Для 16-ти основних морфологічних ознак функціональних елементів ЕУ складено перелік конкретних варіантів (від 2 до 8) їх технічної реалізації, від яких залежить досягнення цілей функціонування системи.

Ознаки функціональних елементів з їх варіантами розташовано у вигляді таблиці, яка називається морфологічною матрицею.

Якщо умовно позначити варіант 1.1 через , варіант 1.2 через і т.д., тоді матрицю можна представити у вигляді морфологічної множини:



Сполучення окремих варіантів усіх морфологічних ознак формує окрему схему ЕУ зі своїми масовими, габаритними, енергетичними, економічними та екологічними показниками, кожна з яких може бути представлена у вигляді морфологічної формули. Так морфологічна формула схеми традиційної бензинової ЕУ буде включати сполучення таких варіантів виділених ознак:

.

Зміна конструктивного вираження конкретного варіанту будь-якої із 16-ти ознак формує нову схему ЕУ. Розглянутий підхід дозволяє проводити синтез і аналіз як існуючих, так і перспективних схем ЕУ, які розглядаються як способи підвищення екологічної безпеки ДТЗ.

Виходячи із поставлених задач, в дисертаційній роботі досліджуються:

- бензинові ЕУ з кількісним регулюванням потужності двигуна (варіант ), з регулюванням потужності зміною робочого об'єму (варіант ), з регулюванням потужності зміною робочого об'єму та рециркуляцією ВГ (поєднання варіантів і ), з комбінованим способом регулювання потужності (варіант );

- газові ЕУ на базі серійних бензинових двигунів без зміни ступеня стискання (поєднання варіантів , і ), на базі серійних бензинових двигунів і дизелів з підвищеним ступенем стискання (варіант ).

- дизельні ЕУ з всережимним (поєднання варіантів ,,, , , і ) і однорежимним регулюванням частоти обертання дизеля (варіант );

Кожна з виділених схем ЕУ розглядається як спосіб підвищення екологічної безпеки ДТЗ, які на сьогодні складають основу існуючого парку вантажних автомобілів та автобусів.

Вибір якогось конкретного способу із можливих варіантів, можна визначити як прийняття рішення щодо вибору того чи іншого способу удосконалення.

Логічна організація процесу прийняття рішення щодо вибору тієї чи іншої схеми ЕУ.

На основі обґрунтування пріоритетності вимоги екологічної безпеки (блок 1) та аналізу шляхів зменшення витрати палива та забруднюючих викидів ДТЗ та їх ЕУ (блок 2) визначаються критерії оцінки екологічної безпеки ДТЗ у визначених умовах (блок 3). Після визначення вхідних, вихідних і керуючих елементів ЕУ як підсистеми ДТЗ виконується систематизація схем ЕУ і формуються структурні схеми ЕУ як можливі варіанти рішення (блок 4). Вибір схеми ЕУ для визначеного типу ДТЗ (блок 5) починається з вибору конструктивної реалізації схеми ЕУ (блок 6), яка може бути виконана шляхом застосування оригінальних (блок 7) чи удосконалення існуючих конструкцій ЕУ (блок 8). В блоках 9-13 здійснюється оцінка тієї чи іншої схеми ЕУ на основних етапах вибору на стадії проектування (блоки 9-11) і на стадії використання ДТЗ (блоки 12-13).

Зворотні зв'язки показують, що рішення щодо вибору тієї чи іншої схеми ЕУ (блок 14) може бути прийнято за результатами оцінки на кожному окремому етапі або після виконання оцінки ЕУ на всіх визначених етапах. Для системного оцінювання вибраних схем ЕУ пропонується проводити оцінку екологічної безпеки окремо двигуна, ЕУ з тим чи іншим двигуном і ДТЗ з тією чи іншою схемою ЕУ на основі визначених витрат палива та викидів забруднюючих речовин в циклах усталених режимів для двигунів, в окремих режимах руху (розгін, усталений рух, сповільнення), в їздових циклах та на маршрутах з детермінованим і стохастичним заданням параметрів маршруту.

Окремі критерії ефективності паливовикористання поділяються на абсолютні витрати палив за цикл (маршрут) , еквівалентні витрати палив за цикл (маршрут) , питомі еквівалентні витрати палива двигуна в циклі усталених режимів , питомі еквівалентні витрати у відношенні до „загальної” і транспортної роботи , до „загальної” і транспортної продуктивності відповідно в окремому режимі руху, в міському циклі, в магістральному циклі, на міському маршруті з оптимальними параметрами управління і детермінованим заданням параметрів маршруту, на заміському маршруті з стохастичним заданням параметрів маршруту.

Для оцінки рівня забруднення середовища окремими двигунами, ЕУ, а також ДТЗ з цими ЕУ враховуються викиди нормуємих (, , і ), умовно (через нормування вмісту сірки і тетраетилсвинцю в паливах) нормуємих ( і сполуки ) шкідливих речовин, а також викиди як речовини, що сприяє негативному явищу парникового ефекту.

Окремі критерії рівня забруднення середовища поділяються на абсолютні викиди -ї забруднюючої речовини за цикл (маршрут), сумарні (зведені до ) викиди забруднюючих речовин , питомі викиди в циклі усталених режимів, питомі викиди у відношенні до „загальної” і транспортної роботи , до „загальної” і транспортної продуктивності ДТЗ відповідно в окремому режимі, в міському і магістральному циклах, на міському і заміському маршрутах.

Питомі еквівалентні витрати палива і питомі викиди в циклах усталених режимів характеризують ефективність паливовикористання і рівень забруднення середовища двигуном.

Питомі еквівалентні витрати палива і питомі викиди у відношенні до „загальних” роботи і продуктивності ДТЗ в тих чи інших умовах характеризують ефективність ЕУ у складі ДТЗ.

Питомі еквівалентні витрати палива і питомі викиди у відношенні до транспортних роботи і продуктивності ДТЗ в тих чи інших умовах характеризують ефективність ДТЗ в транспортному процесі.

При цьому найбільш узагальнюючими критеріями ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища є питомі еквівалентні витрати палива і питомі викиди у відношенні транспортної продуктивності ДТЗ, які характеризують екологічну безпеку ДТЗ з врахуванням вантажопідйомності (маси перевезеного вантажу) та швидкості руху, що відповідає цільовій функції системи “дорожній транспортний засіб”.

Оцінка показників ЕУ в усталених режимах базується на описанні їх багатопараметрових характеристик, за якими визначаються окремі показники паливної економічності та забруднюючих викидів у відповідному циклі усталених режимів.

На другому етапі описуються характерні режими руху ДТЗ в їздовому циклі, тому оцінка паливної економічності та екологічних показників враховує особливості роботи двигунів в неусталених режимах, а також сумісну роботу двигуна і трансмісії.

На третьому етапі оцінюються паливна економічність та екологічні показники ДТЗ з різними ЕУ на маршруті, де поряд з моделюванням окремих режимів руху ДТЗ моделюються маршрутні умови, які дозволяють враховувати дорожні, транспортні та умови управління ЕУ і трансмісією.

На кожному етапі оцінки показників ЕУ ДТЗ проводиться перевірка достовірності результатів шляхом порівняння з експериментальними та альтернативними даними, діючими нормами.

Для оцінки рівня екологічної безпеки ЕУ, а також ДТЗ з різними ЕУ необхідні більш інформативні критерії, що здатні порівняти велику кількість можливих схем ЕУ для ДТЗ різного призначення з точки зору ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища. При цьому ці критерії повинні бути універсальними для порівняння як різних схем однотипних, так і різнотипних ЕУ з врахуванням умов експлуатації у складі ДТЗ, а також для оцінки відповідності ЕУ сучасним вимогам екологічної безпеки.

З цією метою окремі критерії ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища об'єднані в групові, які поєднують одиночні показники окремих властивостей. В свою чергу групові критерії окремих властивостей об'єднані в інтегральні критерії, що призначені оцінити рівень екологічної безпеки окремих двигунів , ЕУ та ДТЗ в процесі взаємодії з середовищем.

Наприклад, групові критерії ефективності паливовикористання і рівня забруднення середовища ДТЗ об'єднують показники витрат палива і забруднюючих викидів в -х умовах:

; ,

де , - відповідно базові питомі витрати палива і викиди -ї забруднюючої речовини ДТЗ в -х умовах; , - відповідно питомі витрати палива і викиди -ї забруднюючої речовини ДТЗ в -х умовах; - коефіцієнти вагомості витрат палива відповідно в -х умовах (); - коефіцієнти вагомості забруднюючих викидів в -х умовах (); - коефіцієнти вагомості викидів -ї забруднюючої речовини ().

Базовими питомими витратами палива виступають кращі питомі витрати двигунів, ЕУ і ДТЗ відповідного класу у випадку оцінки рівня паливної економічності досліджуваних схем ЕУ або витрати базової ЕУ для порівняльної оцінки ефективності паливовикористання різних схем ЕУ, базовими питомими викидами - нормативні викиди для оцінки відповідності сучасним екологічним вимогам або викиди базової ЕУ для порівняльної оцінки різних схем ЕУ.

Об'єднання групових критеріїв в інтегральні критерії екологічної безпеки здійснюється наступним чином:

- для двигуна: ;

- для ЕУ: ;

- для ДТЗ: ,

де - коефіцієнти вагомості групових показників ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища ().

Значення коефіцієнтів вагомості окремих та групових критеріїв визначались з використанням методу експертних оцінок та досліджень інших авторів з врахуванням агресивності окремих забруднюючих компонентів, призначення та умов експлуатації ДТЗ.

На основі інтегральних критеріїв сформовані одномірні цільові функції для оцінки та вибору того чи іншого способу підвищення екологічної безпеки, які мають вигляд:

- для двигуна: ;

- для ЕУ: ;

- для ДТЗ: .

Третій розділ присвячений математичному моделюванню системних об'єктів системи “дорожній транспортний засіб”.

Для розрахунку процесів в циліндрі двигуна, у впускному і випускному трубопроводах (рівень А) застосовується метод математичного описання робочого процесу ДВЗ з використанням рівнянь об'ємного балансу Н.М. Глаголєва і В.Г. Дяченка, при цьому враховуються явища, що протікають при роботі двигуна на бензині, дизельному паливі та природному газі.

Розроблена модель та її програмна реалізація дозволяє розраховувати із задовільною точністю енергетичні показники та паливну економічність того чи іншого двигуна, виходячи з геометричних параметрів його конструкції, що не можна сказати про її можливості щодо розрахунку екологічних характеристик різних двигунів.

Тому порівняння екологічних показників різних двигунів ДТЗ проводилось за експериментальними навантажувальними та швидкісними характеристиками, які описувались поліноміальними залежностями.

Годинні витрати палива та повітря, концентрації забруднюючих речовин у ВГ усіх типів двигунів під час роботи в режимі активного холостого ходу задовільно описуються поліномами другої або третьої степені залежно від частоти обертання холостого ходу .

Наприклад, за умови роботи бензинового двигуна під час неусталених режимів роботи при відкриванні дросельних заслінок концентрації забруднюючих речовин розраховуються в функції від частоти обертання та розрідження у впускному трубопроводі :

,

де К - коефіцієнт, який визначає зміну екологічних показників внаслідок додаткової подачі палива при відкриванні дросельних заслінок; - коефіцієнт надміру повітря; , - емпіричні коефіцієнти.

За умови роботи бензинового двигуна на частині циліндрів для дослідження впливу складу суміші на показники двигуна з відключенням циліндрів (ДВЦ) для описання екологічних показників використовуються функції від трьох змінних , та .

Під час роботи ДВЦ із застосуванням рециркуляції ВГ витрати палива і повітря та концентрації забруднюючих речовин визначаються за поліномами другої степені від трьох факторів: , і ступеня рециркуляції ВГ R.

Під час роботи двигунів з іскровим запалюванням на природному газі в навантажувальних режимах показники визначаються в функції від двох змінних та .

Показники роботи дизеля в навантажувальних режимах описуються поліномами другого порядку від та .

На основі вивчення закономірностей зміни екологічних показників різних двигунів проведено узагальнення особливостей екологічних характеристик однотипних двигунів та отримано характерні залежності екологічних показників від тих факторів, які визначають їх значення в конкретних режимах роботи.

Така задача вирішувалась для багатоциліндрових двигунів з іскровим запалюванням за умови їх роботи на бензині та природному газі і безнаддувних дизелів, що дозволило отримати моделі універсальних екологічних характеристик цих двигунів у вигляді:

.

Як незалежні фактори розглядалися величини відносного складу паливоповітряної суміші , відносної частоти обертання та відносного навантаження :

; ; ,

де - відповідно поточна, мінімальна робоча та максимальна частота обертання двигуна; - поточний та максимальний крутний момент двигуна; - поточне, мінімальне та максимальне значення коефіцієнта надміру повітря.

Функціями цих факторів виступають відносні величини концентрацій або , або , або , , , які і є універсальними екологічними характеристиками відповідних двигунів. Причому характеристики окремих показників різних типів двигунів можуть бути описані в функції від одного, двох або трьох вибраних факторів.

В знаменнику цих виразів стоїть значення відповідного показника в опорній точці. Опорними точками для двигунів з іскровим запалюванням для характеристик вмісту продуктів згоряння (, та ) у ВГ є концентрації цих елементів при стехіометричному складі суміші , для характеристик вмісту - концентрація на номінальному режимі при . Для характеристик дизелів опорними точками є значення відповідних показників на номінальному режимі . На основі узагальнення характеру зміни відносних величин концентрацій основних забруднюючих речовин ВГ в залежності від коефіцієнту надміру повітря для різних моделей бензинових і газових двигунів типу ЗИЛ і ГАЗ отримано усереднені відносні залежності.

Для двигунів з іскровим запалюванням вміст продуктів згоряння практично однозначно визначається складом суміші, тоді загальний вигляд моделей універсальних екологічних характеристик цих показників можна представити як:

, , =.

Концентрації у ВГ двигунів з іскровим запалюванням суттєво залежать не тільки від складу суміші, а й від навантаження та частоти обертання двигуна. Усереднена залежність відносних концетрацій від відносних частоти обертання і навантаження при стехіометричному складі.

Модель універсальної характеристики для цього показника має вигляд:

.

Характер протікання екологічних характеристик безнаддувних дизелів визначають частота обертання і навантаження.

Усереднені відносні залежності екологічних показників дизелів цього типу будувались на основі експериментальних характеристик дизелів ЯМЗ-236, КамАЗ-740 та Д-240.

Загальний вигляд моделей універсальних екологічних характеристик для безнаддувних дизелів такий:

, , , =.

Масові викиди забруднюючих речовин визначались за витратами повітря та палива та концентраціями цих речовин у ВГ .

Рівняннями процесу рівня С системи є рівняння, які визначають крутний момент на ведучих колесах і частота їх обертання.

Параметри трансмісії (мінімальне і максимальне передаточне відношення, кількість передач і їх передаточні відношення) визначались з умови повного використання тягово-швидкісних можливостей двигуна за законом геометричної прогресії.

На вході процесу рівня Е є крутний момент на ведучих колесах, який створює силу тяги . Під час руху ДТЗ сила тяги на ведучих колесах витрачається на подолання сил опору рухові, які створює середовище (Env 5 i Env 6), а також сил опору прискореному рухові (сили інерції).

Рівняння функціонування, що описує процес перетворення обертального руху коліс в поступальний рух ДТЗ (рівень Е) , має вигляд:

,

де - динамічний радіус ведучих коліс ДТЗ, який є плечем дії сили тяги відносно осі обертання коліс; - передаточне відношення головної передачі; - передаточне відношення і-ї передачі; - відповідно вага і маса ДТЗ; - коефіцієнт дорожнього опору; - коефіцієнт врахування мас, що обертаються; - фактор опору повітря.

З цього рівняння отримано диференціальне рівняння руху ДТЗ, яке відповідає загальному випадку руху.

Процеси розгону ДТЗ з блокованим зчепленням, сповільнення з від'єднаним і приєднаним двигуном описуються окремими диференціальними рівняннями, які вирішуються числовим інтегруванням із використанням метода Рунге-Кутта.

Параметри зворотного зв'язку (рівень В) можуть вибиратись оптимальними з точки зору забезпечення мінімальних розрахункових витрати палива та забруднюючих викидів у випадку застосування моделі розрахунку робочого процесу ДВЗ або задаватись у вигляді поліноміальних моделей в функції від основних режимних параметрів і (або) () для конкретних моделей двигунів.

Зворотній зв'язок на рівні D у випадку застосування автоматичної трансмісії може бути представлений функцією .

Хоча характер управління ЕУ і трансмісією ДТЗ (рівень F) з різними типами двигунів однаковий, однак процеси подачі палива і повітря в двигунах з кількісним і якісним регулюванням потужності суттєво відрізняються.

В ЕУ з двигунами з іскровим запалюванням застосовується кількісне регулювання потужності шляхом управління величиною і швидкістю відкриття дросельних заслінок .

У випадку застосування регулювання потужності відключенням групи циліндрів управління кількістю циліндрів здійснюється за заданим законом переключення, який забезпечує рівність крутного моменту в процесі переключення шляхом зміни величини відкриття дросельних заслінок.

Величина циклової подачі палива в дизеля не встановлюється безпосередньо оператором шляхом управління величиною і швидкості відкриття важеля управління паливоподачею, а залежить від типу регулятора, який визначає закон переміщення рейки паливного насосу . Положення рейки насоса визначається положенням муфти регулятора . Для відцентрових механічних регуляторів переміщення муфти в залежності від переміщення оператором важеля управління паливоподачею описується диференціальним рівнянням в функції від відцентрової (підтримуючої) сили вантажів , що визначається положенням муфти та частотою обертання вантажів, і відновлюючої сили , що визначається деформацією пружин, які використовуються в регуляторі.

Відновлююча сила під час всережимного та однорежимного регулювання частоти обертання дизеля описується різними залежностями. Це обумовлює різницю в показниках дизеля в неусталених режимах за різних способів регулювання частоти.

В залежності відновлюючої сили для однорежимного регулювання зміною коефіцієнта жорсткості допоміжної пружини коректора дослідного регулятора допускається зміна нахилу часткових характеристик паливоподачі для дослідження його впливу на витрату палива та викиди забруднюючих речовин.

Циклова подача палива, що визначає величину крутного моменту , описується поліномом другої степені в функції від положення рейки та частоти обертання кулачкового валу насосу .

Моделювання експлуатаційних режимів роботи двигунів здійснювалось за стандартними циклами усталених режимів.

Моделювання руху транспортних засобів проводилось за режимами стандартних їздових циклів (ГОСТ 20306-90), які імітують роботу вантажних автомобілів і автобусів в міських і позаміських умовах.

Для реалізації на комп'ютері ця послідовність режимів руху автомобіля задається сукупністю параметрів у вигляді універсальної матриці, за якими встановлюється відповідний режим руху на кожній ділянці їздового циклу. Такий підхід дозволяє моделювати як типізовані режими руху(цикли), так і нетипізовані (реальні маршрути).

Алгоритм руху ДТЗ на маршруті з стохастичним заданням параметрів дороги (з описанням розподілу значень коефіцієнта дорожнього опору за нормальним законом) реалізується за допомогою комп'ютера та відповідної програми, яка забезпечує розрахунок динамічної характеристики, визначення середньої швидкості, показників ефективності паливовикористання та рівня забруднення середовища з урахуванням дійсних швидкісних і навантажувальних режимів роботи двигуна під час руху ДТЗ на різних передачах і ділянках маршруту. При цьому алгоритм передбачає використання серії динамічних характеристик ДТЗ при роботі двигуна за зовнішньою характеристикою чи з будь-яким частковим навантаженням.

Перевірка адекватності поліноміальних моделей проводилась за критерієм Фішера. Перевірка адекватності математичних моделей розрахунку робочого процесу ДВЗ здійснювалась шляхом порівняння розрахункових та експериментальних індикаторних діаграм, а також розрахункових і отриманих з експериментальної навантажувальної характеристики індикаторних і ефективних показників двигунів. Адекватність математичних моделей руху автомобілів в їздовому циклі перевірялась шляхом порівняння розрахункових швидкостей та паливної економічності з даними експериментальних досліджень, отриманих при реалізації їздового циклу на конкретних автомобілях на дорозі з асфальтобетонним покриттям. Зокрема, загальні показники газобалонного автомобіля за цикл, отримані в експерименті і на моделі, відрізняються по часу руху в циклі не більше 2%, по витраті газу різниця складає 4,5%.

...