МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
РЕФЕРАТ
роботи,
поданої на здобуття премії Президента України для молодих вчених,
«Зниження витрати палива та забруднення навколишнього середовища вантажними автомобілями шляхом розширеного використання дизелів»
Претенденти
кандидат технічних наук,
доцент кафедри дорожніх машин
Національного транспортного університету
Добровольський Олександр Сергійович
кандидат технічних наук,
асистент кафедри двигунів і теплотехніки
Національного транспортного університету
Київ 2011
В умовах експлуатації існує достатньо багато факторів (які характеризують умови руху автомобілів в різних дорожніх умовах), які впливають на паливну економічності і екологічні показники автомобілів обладнаних різними типами двигунів. Тому дуже важливо дати правильну оцінку при порівнянні паливної економічності і екологічних показників вантажних автомобілів з бензиновим двигуном і дизелем в залежності від умов експлуатації, що найбільш повно відображують умови руху цих автомобілів за певними маршрутами.
Численними дослідженнями, проведеними вітчизняними та зарубіжними науковцями, доведено, що тип системи регулювання впливає на паливну економічність і екологічні показники транспортного засобу. В даний час має місце інтенсивне переобладнання вантажних автомобілів з бензиновими двигунами на дизелі. Виконані дослідження на переобладнаних автомобілях не враховували впливу типу регулятора на паливну економічність та екологічні показники автомобіля, на якому встановлено тракторний дизель, а були присвячені порівнянню показників паливної економічності тракторного дизеля і бензинового двигуна. Разом з тим вибір оптимального способу регулювання дозволяє покращити паливну економічність і екологічні показники дизеля і автомобіля вцілому. Тому дослідження впливу типу регулятора на паливну економічність переобладнаного автомобіля являються актуальними.
Метою роботи є підвищення паливної економічності та зниження викидів шкідливих речовин вантажних автомобілів шляхом вибору доцільного типу двигуна з урахуванням умов експлуатації та застосуванням зміненої системи регулювання дизелів, що встановлюється на цих автомобілях.
Науковою новизною роботи є: методика, яка дозволяє вибирати доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля та системи автоматичного регулювання з урахуванням витрати палива, викидів шкідливих речовин та енергетичних показників двигуна в залежності від умов його експлуатації; результати розрахункових і експериментальних досліджень по впливу заміни бензинових двигунів вантажних автомобілів на дизелі з урахуванням паливної економічності і екологічних показників; уточнення математичної моделі шляхом введення в неї додаткової кількості показників роботи дизеля, що дозволяє більш об’єктивно оцінювати його екологічні показники в різних умовах експлуатації; висновок, що застосування однорежимного регулятора при встановлені тракторного дизеля на автомобіль дозволяє більш точно керувати інтенсивністю розгону автомобіля, відповідно до дорожніх умов, і покращує паливну економічність і екологічні показники автомобіля.
Практичною значимістю роботи є: числові значення витрати палива, шкідливих викидів, енергетичних показників бензинового двигуна і дизеля, які дають можливість визначити доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації; поліноміальні залежності, які описують енергетичні і екологічні показники та паливну економічність дизеля в різних швидкісних і навантажувальних режимах; рекомендації щодо вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля з урахуванням умов експлуатації; конструкція однорежимного регулятора для серійного паливного насоса високого тиску 4УТНМ для заміни всережимного регулятора частоти обертання дизеля; кількісні показники роботи вантажного автомобіля з дизелем при різних методах регулювання; математичні моделі, які описують паливну економічність, енергетичні і екологічні показники дизеля з однорежимним регулятором частоти обертання в широкому діапазоні швидкісних і навантажувальних режимів.
Результати досліджень прийнято Кіровоградським обласним автотранспортним управлінням для використання в автопідприємствах (Довідка № 05–2111 від 24.12.2004р.) та ВАТ “Кіровоградська станція технічного обслуговування вантажних і легкових автомобілів” (Довідка № 39 від 28.10.2004р.) з метою використання при переобладнанні вантажних автомобілів з бензинових двигунів на дизелі, а також прийняті до впровадження в виробництво ВАТ «Таксосервис» м. Чернігів (Довідка від 05.02.2009р.) та ВАТ ДАК «Автомобільні дороги України» ДП «Кіровоградський облавтодор» Філія «Гайворонський райавтодор» (Довідка № 08 від 11.02.2009р.)
Методи дослідження – Експериментальним методом досліджувались екологічні та енергетичні показники дизеля 4Ч11,0/12,5 та його паливна економічність під час стендових випробувань та дорожніх випробувань вантажного автомобіля з цим дизелем за міським їздовим циклом згідно ГОСТ 20306 – 90. Отримані дані є вхідними для математичної моделі, яка складається з поліноміальних залежностей, алгебраїчних та диференціальних рівнянь, виконувалась перевірка адекватності математичної моделі. Безмоторні дослідження паливного насоса високого тиску 4УТНМ з різними системами регулювання, моторні дослідження двигуна 4Ч11,0/12,5 як споживача палива, повітря і джерела енергії та шкідливих викидів при різних способах регулювання частоти обертання дизеля; дорожні дослідження паливної економічності вантажного автомобіля, обладнаного дизелем, при різних способах регулювання.
Розрахунковим методом на математичній моделі визначались: масова і питома витрати палива, масові, питомі викиди шкідливих речовин. Для дослідження перехідних режимів отримано рівняння для визначення відновлюючої сили регулятора паливного насоса при однорежимному регулюванні частоти обертання дизеля, на уточненій математичній моделі визначено паливну економічність і екологічні показники вантажного автомобіля, обладнаного дизелем під час руху за режимами міського їздового циклу для вантажних автомобілів повною масою більше 3,5 т.
В Україні в експлуатації знаходиться багато вантажних автомобілів, на яких встановлені бензинові двигуни. Одним з недоліків бензинових двигунів є їх незадовільна паливна економічність. Тому має місце широка заміна бензинових двигунів на дизелі, які в умовах експлуатації забезпечують зниження витрати палива на 20 – 25 % . В Україні автомобільні дизелі не випускаються, а ті, які надходять з інших країн мають досить високу вартість, тому найчастіше замість бензинових двигунів встановлюють тракторні дизелі. Як показали проведені численні дослідження, тракторні дизелі забезпечують значне покращення паливної економічності, але в деяких умовах експлуатації їх екологічні показники є гіршими.
Покращити ці показники, а також паливну економічність переобладнаного автомобіля можна шляхом застосування на тракторному дизелі зміненої системи регулювання частоти, зокрема, однорежимної системи регулювання. На тракторних дизелях застосовуються всережимні системи регулювання, які необхідні для забезпечення сталої швидкості руху сільськогосподарських тракторів та сільськогосподарських машин.
При встановленні тракторного дизеля на автомобілі ця вимога не має місця, більш того, швидкість автомобіля повинна легко встановлюватися водієм в залежності від умов руху. Цим вимогам і відповідає однорежимна система регулювання.
Кількість шкідливих викидів автомобілями в умовах експлуатації залежить від багатьох факторів. Значний вплив на паливну економічність і кількість шкідливих викидів автомобілів мають типи енергоустановок, що встановлені на автомобілях, а саме бензинові двигуни і дизелі.
В роботі наводяться розробка методики, яка дозволяє вибирати доцільний тип двигуна для вантажного автомобіля в залежності від умов його експлуатації, дослідження по впливу типу регулятора на паливну економічність і екологічні показники вантажних автомобілів з дизелями.
Розроблений і запатентований зразок однорежимного регулятора частоти обертання дизеля паливного насоса 4УТНМ на базі серійного всережимного регулятора.
Уточнена математична модель руху автомобіля за режимами міського їздового циклу для вантажних автомобілів повною масою більше 3,5 т. За допомогою якої можливо дослідити екологічні та паливно–економічні показники вантажного автомобіля, обладнаного тракторним дизелем, з різними типами регуляторів.
Проведено безмоторні дослідження паливного насоса високого тиску 4УТНМ та моторні дослідження тракторного дизеля 4Ч11,0/12,5 з різними типами регуляторів, дослідження перехідних процесів дизеля 4Ч11,0/12,5 з різними типами регуляторів, дорожні випробування вантажного автомобіля обладнаного тракторним дизелем 4Ч11,0/12,5 з різними системами регулювання.
Дослідження, проведені на математичній моделі, показали, що у автомобіля з дизелем беззаперечно краща паливна економічність незалежно від умов його руху в порівнянні з автомобілем, на якому встановлено бензиновий двигун. Враховуючи екологічні показники автомобіль з дизелем є більш переважним для експлуатації по магістральному їздовому циклу, а автомобіль з бензиновим двигуном по міському їздовому циклу. Також проведено розрахункові дослідження на математичній моделі впливу методу регулювання на показники тракторного дизеля і автомобіля за режимами міського їздового циклу.
ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ
1. В умовах експлуатації перебуває значна кількість вантажних автомобілів з бензиновими двигунами. В останній час відбувається інтенсивна заміна бензинових двигунів дизелями, які мають значно кращу паливну економічність. На цих дизелях встановлено всережимні регулятори. Як показали численні дослідження метод регулювання частоти обертання дизеля впливає на паливну економічність та екологічні показники транспортного засобу. При цьому встановлено переваги одно - та дворежимних регуляторів в порівнянні з всережимним. Досліджень щодо впливу методу регулювання тракторного дизеля, встановленого на вантажний автомобіль, не виявлено. Тому в даній дисертаційній роботі проведено дослідження впливу типу регулятора на паливну економічність та екологічні показники автомобіля обладнаного дизелем.
2. Для дослідження впливу типу регулятора на показники автомобіля розроблена схема і конструкція та виготовлено макетний зразок однорежимного регулятора на базі всережимниго регулятора насоса 4УТНМ, який дозволяє порівняти показники дизеля і автомобіля при всережимному і однорежимному регулюванні.
3. Розроблено методику, якою передбачено проведення теоретичних і експериментальних досліджень з використанням уточненої математичної моделі, яка враховує тип двигуна, особливості конструкції регулятора та умови експлуатації вантажного автомобіля (відтворенні його руху за міським і магістральним їздовими циклами).
4. Приведені порівняльні розрахункові дослідження на математичній моделі тягово-швидкісних властивостей автомобілів показали, що автомобіль з бензиновим двигуном має в середньому на 2,7% і 3,2% вищу середню швидкість руху відповідно в міському і магістральному циклах.
Як в міському, так і в магістральному циклах кращу паливну економічність має автомобіль з дизелем відповідно (в середньому) на 31,4 і 22,7%.
В міському циклі автомобіль з дизелем токсичніший в порівнянні з автомобілем з бензиновим двигуном (в середньому) на 12,6%, а в магістральному циклі більшу екологічну небезпеку представляє автомобіль з бензиновим двигуном (в середньому) на 10,0%. Більша токсичність відпрацьованих газів автомобіля з дизелем пояснюється наявністю в їх складі твердих частинок, тому підприємствам, які займаються переобладнанням автомобілів з бензинових двигунів на дизелі можна рекомендувати встановлювати в системі випуску відпрацьованих газів дизеля сажові фільтри.
5. Розрахункові тягово-швидкісні властивості, витрати палива та викиди шкідливих речовин автомобілів (ГАЗ-3309 і ГАЗ-3309.М) з дизелем, які було обладнано п’ятиступінчастою і розрахунковою восьмиступінчастою коробками передач в міському циклі суттєво не відрізняються і є майже однаковими. Тому в умовах експлуатації допустимо разом з заміною типу двигуна встановлювати іншу коробку передач, яка дозволяє не зменшувати швидкість руху автомобіля.
6. На основі проведених розрахунково-теоретичних досліджень видно, що як в міському так і в магістральному їздових циклах у автомобіля з дизелем (як з п’ятиступінчастою так і з розрахунковою восьмиступінчастою коробками передач), беззаперечно, краща паливна економічність в порівнянні з автомобілем на якому встановлено бензиновий двигун. Щодо токсичності відпрацьованих газів, то автомобіль з дизелем переважає тільки в магістральному їздовому циклі. Тому вантажний автомобіль з дизелем Д-243, який відповідає комплектації (коробками передач) наведеній в дисертаційній роботі доцільно рекомендувати (з точки зору екологічної безпеки) для експлуатації по заміських маршрутах.
7. Безмоторні дослідження паливного насоса 4УТНМ з однорежимним регулятором показали, що при такому методі регулювання залежності циклової подачі палива від частоти обертання вала насоса це криві, які зростають при зменшенні частоти обертання, що забезпечує стійку роботу дизеля в усіх швидкісних і навантажувальних режимах. Стабільна робота дизеля при однорежимному регулюванні отримана в процесі випробувань дизеля на гальмівному стенді.
8. Дослідження перехідних процесів дизеля на стенді показали, що при часткових положеннях важеля керування паливоподачею, рейка паливного насоса при всережимному регулюванні переміщується в положення максимальної подачі палива, при однорежимному регулюванні положення рейки визначається положенням важеля керування. Це дозволяє при однорежимному регулюванні в умовах експлуатації змінювати інтенсивність розгону автомобіля залежно від дорожніх умов. При всережимному регулюванні інтенсивність розгону практично не може бути змінена.
9. Дорожні випробування вантажного автомобіля обладнаного дизелем 4Ч11,0/12,5 показали, що застосування однорежимного регулювання дозволяє керувати інтенсивністю розгонів залежно від дорожніх умов, при цьому спостерігається зниження витрати палива до 4,7 %.
10. З використанням уточненої математичної моделі руху вантажного автомобіля з дизелем, адекватність якої перевірена експериментальними дослідженнями, встановлено: застосування однорежимного регулятора дозволяє керувати інтенсивністю розгонів залежно від дорожніх умов і тим самим отримати економію палива 2,3 – 3,1 %. При цьому сумарні викиди шкідливих речовин зведені до СО зменшуються в середньому на 2,5 %.
11. За допомогою отриманих в дослідженні результатів, проведені розрахунки терміну окупності витрат на переобладнання всережимного регулятора на однорежимний. При середній економії палива 2,3 % пробіг близько 51 тис. км забезпечить окупність переобладнання з всережимної системи регулювання на однорежимну.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ТА ДЕКЛАРАЦІЙНИХ ПАТЕНТІВ НА ВИНАХІД
1. Порівняння паливної економічності та екологічних показників дизеля і бензинового двигуна / , // Вісник Північного наукового центру. Окремий випуск. – 2002. – № 5. – С.31–33.
2. До розробки методики вибору доцільного типу двигуна для вантажного автомобіля / // Вісник НТУ і ТАУ. – 2002. – № 7. – С.337–339.
3. Математична модель дизеля для використання в системі водій–автомобіль–дорога / // Системні методи керування, технологія, та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів: Науковий журнал НТУ, ТАУ. – 2003. – № 16 – С.147–151.
4. Мороз , як джерело шкідливих викидів та споживач палива / // 59 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2003. – С. 13.
5. Математичне описання дизеля, як споживача палива та джерела шкідливих викидів на автомобілі / Ф, // Sakon’03 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XІV konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2003. – Р.117 – 120.
6. Гутаревич івняння показників вантажних автомобілів з двигунами різних типів / Ф, , // Вісник НТУ. – 2003. – № 8. – С. 266–268.
7. Перевірка адекватності математичної моделі руху вантажного автомобіля за їздовим циклом / , // Sakon’04 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XV konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2004. – Р.197 – 200.
8. Гутаревич івняння паливної економічності вантажних автомобілів, обладнаних різними типами двигунів / , , // Вісник Північного наукового центру. Окремий випуск. – 2004. – № 7. – С.23–26.
9. Порівняння екологічних показників вантажних автомобілів з двигунами різних типів за їздовими циклами / , // Вісник НТУ. – 2004. – № 9. – С. 86–91.
10. Мороз викидів шкідливих речовин та споживання палива автомобілем ГАЗ – 3309 з дизелем Д – 243 за міським їздовим циклом / // 60 ювілейна наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2004. – С. 15.
11. Порівняння показників вантажних автомобілів з дизелем і бензиновим двигуном за стандартизованих режимів руху / // Вісник НТУ. – 2006. – № 11. – С. 46–48.
12. Порівняння паливної економічності та екологічних показників вантажних автомобілів з бензиновим двигуном і дизелем за стандартизованих умов руху / // 62 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2006. – С. 23.
13. Покращення екологічних показників дизелів дорожніх транспортних засобів шляхом раціонального регулювання паливного насосу високого тиску / , , // 62 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2006. – С. 16.
14. Гутаревич вантажних автомобілів з різними типами двигунів у випробувальному циклі / , // Вісник НТУ. – 2006. – № 12. – С. 93–96.
15. Гутаревич розрахунку витрат на експлуатацію вантажних автомобілів з різними типами двигунів та середніх ефективних показників двигунів цих автомобілів у випробувальних циклах / , // Вісник НТУ. – 2006. – № 13. – С. 48–51.
16. Показники вантажного автомобіля з дизелем, обладнаного трансмісіями з різними передаточними числами / , // Sakon’06 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XVІІ konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2006. – Р. 89 – 92.
17. Мороз дизеля дорожнього транспортного засобу, як засіб зниження ним витрати палива та викидів шкідливих речовин / , // 63 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2007. – С. 11.
18. Гутаревич івняння витрат на експлуатацію вантажних автомобілів і ефективних показників двигунів цих автомобілів у випробувальноу циклі / , // Sakon’07 metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samoснodowyсн i maszyn roboczyсн samojezdnyсн, zarzadzanie i marketing w motoryzacji. Materialy XVІІІ konferencji miedzynarodowej. – Rzeszow (Polska). 2007. – Р. 89 – 92.
19. Гутаревич ільність використання дизеля тракторного типу на вантажному автомобілі / , Мороз ільність використання дизеля тракторного типу на вантажному автомобілі // Ринок послуг комплексних транспортних систем та прикладні проблеми логістики: Збірник доповідей 9 Міжнародної науково-практичної конференції.–К.: Міністерство транспорту та зв’язку України. – 2007. – С. 116–120.
20. Показники дорожнього транспортного засобу з дизелем за різних налаштувань регулятора паливного насосу високого тиску / , І. // 64 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2008. – С. 18 – 19.
21. Вплив передаточних чисел трансмісії на показники тягача дорожніх машин / , // 65 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2009. – С. 17
22. До вибору типу двигуна силового обладнання дорожніх машин / , // 66 наукова конференція професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ, НТУ. – 2010. – С. 21
23. Гутаревич і дослідження однорежимного регулятора швидкості для транспортного дизеля / , , О. С. Добровольський // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – 2006. – Ч. 1, № 6/2– С. 67–69.
24. Гутаревич одно - та дворежимного регулювання на протікання часткових характеристик циклової подачі палива / , , // Вісник Національного транспортного університету. – 2006. – Ч. 1, № 13. – С. 67 – 71.
25. Говорун івняльні дослідження дизеля з однорежимним та всережимним регулятором швидкості / , , // Вісник Національного транспортного університету. – 2007. – № 14. – С. 69–73.
26. Мороз і випробування вантажного автомобіля з одно - та дворежимним регуляторами частоти обертання / , // Вісник Національного транспортного університету. – 2007. – № 15. – С. 105-107.
27. Добровольський модель розгону автомобіля з дизелем при однорежимному регулюванні / // Проблеми транспорту: Збірник наукових праць. – 2008. – № 5. – С. 106–109.
28. Гутаревич ідження руху рейки паливного насоса високого тиску в перехідних процесах при різних типах регуляторів / , // Автошляховик України, Окремий випуск. – 2008 – № 11. – С. 110–112.
29. Гутаревич руху автомобіля з дизелем за режимами їздового циклу при різних типах регулятора / , О. С. Добровольський , М. П. Сєльський // Вісті Автомобільно-дорожнього інституту: Науково-виробничий збірник. – 2008. – № 1(6). – С. 106–110.
30. Добровольський однорежимного регулювання на транспортному дизелі / // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. – 2008. – Ч. 2, № 5 (52). – С. 105–107.
31. Добровольський дизеля з однорежимним регулятором швидкості / // Материалы XVIII междунар. конф. "Metody oblicreniowe i badawcze w rozwoju systemow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych". – Rzeszуw: Politechnika Rzeszowska, 2007. – С. 55–58.
32. Гутаревич івняння викидів шкідливих речовин дизелями дорожніх транспортних засобів з різними типами регуляторів / , // Материалы XIХ междунар. конф. "Metody oblicreniowe i badawcze w rozwoju systemow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych". – Rzeszуw: Politechnika Rzeszowska, 2008. – С. 105–108.
33. Гутаревич івняння показників роботи вантажного автомобіля з дизелем за режимами міського їздового циклу при різних типах регулятора / , // Материалы XХ междунар. конф. "Metody oblicreniowe i badawcze w rozwoju systemow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych". – Rzeszуw: Politechnika Rzeszowska, 2009. – С. 203–206.
34. Гутаревич експлуатаційних факторів на розгін дизеля з різними типами регуляторів / , // Systems and means of motor transport. Selected problems. Seria: Transport.. № 1. Politechnika Rzeszowska, Rzeszow, 2010. С. 291–294.
35. Пат. на корисну модель 21373 МПК (2006) F02D 1/04. Регулятор частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння / Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мороз В.В., Добровольський О.С.; власник Національний транспортний університет. – заявл. 15.09.06; опубл. 15.03.07, Бюл. № 3.
36. Пат. на корисну модель 26185 МПК (2006) F02D 1/04. Універсальний регулятор частоти обертання двигуна внутрішнього згоряння / Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г., Корпач А.О., Мороз В.В., Добровольський О.С., Сєльський М.П.; власник Національний транспортний університет. – заявл. 16.04.07; опубл. 10.09.07, Бюл. № 14.
