Влияние атмосферно-климатических факторов на показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ СВОЙСТВ И ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЯ

© Хегай Ю.А.1

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

В статье рассмотрены вопросы воздействия температуры окружающей среды на топливную экономичность и тягово-скоростные свойства автомобиля, вскрытия причинно-следственной цепочки этого воздействия, составления формализованного представления этого автомобиля как сложной системы, в виде математической модели.

Условия эксплуатации характеризуются транспортными, дорожными и климатическими условиями.

На производительность и эффективность использования автомобилей значительное влияние оказывают климатические условия, которые в зависимости от географических регионов и времени года имеют широкий диапазон значений параметров, характеризующих состояние атмосферы. В то же время отмечено, что из всех климатических факторов наибольшее влияние на режимы работы автомобиля оказывают температура окружающей среды и высота дороги над уровнем моря.

В условиях рыночных отношений наиболее актуальными вопросами на автотранспорте являются повышение топливной экономичности и производительности автотранспортных средств в реальных условиях эксплуатации. Для обеспечения высокой топливной экономичности и производительности автомобилей необходимо учитывать реальные условия, как при проектировании, так и эксплуатации.

Вопросам влияния природно-климатических условий на эксплуатационные и потребительские свойства автотранспортных средств (АТС) посвящен ряд работ, как в России, так и за рубежом. В этих работах отмечается, что природно-климатические условия эксплуатации автомобиля оказывают значительное влияние на эффективность, существенно изменяют уровень производительности, расхода топлива, надежности и другие показатели АТС.

Выполненные исследования в данном направлении можно разделить на четыре группы:

- исследования влияния параметров атмосферы на рабочие процессы отдельных узлов и агрегатов автомобиля;

1 Заместитель декана факультета управления и бизнес-технологий, заведующий кафедрой «Экономика и управление на транспорте», кандидат технических наук, доцент

- исследования работы автомобиля в экстремальных климатических условиях, т.е. в условиях низких или высоких температур окружающей среды, высокогорья, влажных тропиков;

- исследования влияния температуры окружающей среды на тягово-скоростные свойства, топливную экономичность;

- исследование влияния условий эксплуатации на показатели эффективности работы подвижного состава.

Первые две группы направлены на решение задач создания конструкций АТС, способных нормально функционировать в особо сложных условиях эксплуатации, определения их критических границ и степени изменения выходных показателей автомобиля или его отдельных узлов в рабочей зоне по условиям эксплуатации.

Исследования третьей группы направлены на решение задач определения показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности при различных температурах окружающей среды.

Четвертая группа исследований направлена на определение закономерностей влияния условий эксплуатации подвижного состава на показатели его эффективности и в конечном результате социально-экономическую эффективность эксплуатации подвижного состава.

Большое количество работ посвящено первым двум направлениям. Среди них можно отметить труды Д.П. Великанова, Р.Н. Островцева, Р.М. Парцхаладзе, Э.С. Нусупова, Я.Е. Фаробина и многих других, которыми отмечено недостаточное соответствие конструкций эксплуатируемых автомобилей требованиям эксплуатации и необходимости выпуска автомобилей северного и южного исполнения.

В трудах Л.Г. Резника разработаны основы общей теории приспособленности автомобиля, базирующейся на необходимости наиболее полной реализации их потенциальных свойств в условиях холодного и очень холодного климата.

Разработана методика дифференцированного корректирования зимних норм расхода топлива. Показано, что влияние температуры окружающей среды на величину расхода топлива для различных моделей АТС неодинаково; сделан вывод о необходимости определения коэффициента адаптивности для каждой конкретной модели.

Крупченковым В.С. на основании анализа данных многолетних наблюдений особенностей изменения основных метеорологических элементов, характеризующих условия проведения испытаний АТС применительно к району расположения дорожных сооружений, установлено, что наиболее значимым параметром по воздействию на выходные показатели автомобиля является температура окружающей среды (Токр).

На основе анализа выполненных работ температуру окружающей среды принимать в качестве критерия, наиболее полно определяющего атмо-

сферные условия при испытаниях. Признано целесообразным ограничиться определением влияния Токр на результирующие выходные характеристики подсистем автомобиля, являющиеся результатом взаимодействия рабочих процессов их отдельных элементов.

С целью повышения эффективности АТС необходимо, чтобы используемые автотранспортные средства были конструктивно приспособлены к экстремальным характеристикам климата.

В ГОСТ 21398-89 «Автомобили и автопоезда. Общие технические требования» указывается на то, что автомобили должны быть рассчитаны на эксплуатацию при скорости ветра до 20 м/с, высоте до 4650 м с изменением тягово-динамических качеств, при этом ничего не исследовано относительно влияния температуры окружающей среды.

Дорожные испытания АТС проводятся при соблюдении атмосферных условий, регламентированных ГОСТ 22576-90 и ГОСТ 20306-90 для скорости ветра не выше 3 м/с (порывами до 5 м/с), температуры окружающего воздуха от + 5 до + 25 С атмосферного давления в пределах 973-1026 ГПа (730-750 мм.рт.ст.) относительной влажности воздуха не более 95 % и при отсутствии осадков.

Стандартами рекомендуются формулы корректирования пути выбега и расхода топлива по температуре окружающей среды для условий умеренного климата.

В методике дорожных испытаний на топливную экономичность SAE предусматривается корректировка результатов испытаний приведением их к эталонным условиям относительно температуры окружающей среды, температуры топлива, барометрического давления, плотности топлива или его теплотворной способности. Поправка на температуру окружающей среды и барометрическое давление учитывает, главным образом, изменение плотности воздуха и его влияние на аэродинамическое сопротивление автомобиля.

Правила ЕЭК ООН № 15 также предусматривает приведение расхода топлива к стандартным условиям. Европейский координационный Совет по изучению эксплуатационных свойств топлива и масел для двигателей (СЕС) в добавлении № 9 к правилам ЕЭК ООН № 15 предложил в настоящее время внести в формулу приведения коррекцию по сопротивлению качению колеса автомобиля относительно температуры окружающей среды. Предложенная СЕС коррекция позволяет более точно приводить результаты испытаний к стандартным условиям, но и в этом случае, как показано в документе, приведенные результаты одного и того же автомобиля, полученные при разных атмосферных условиях, различаются между собой до 5 % и более. Следует также отметить, что правила ЕЭК ООН № 15 и методика SAE распространяется только на автотранспортные средства полной массой до 3,5 т.

В работах А.Н. Островцева, посвященных основным принципам построения классификации эксплуатационных условий и теории рабочих процессов функциональных систем автомобиля, показано, что для оценки и контроля уровня эксплуатационных свойств и их изменения при работе автомобиля в различных условиях эксплуатации необходимо раскрытие цепочки причинно-следственных связей, начиная с взаимосвязи комплексов характерных дорожных, атмосферно-климатических и других факторов с потенциальными свойствами автомобиля, в результате которых формируются численные значения измерителей эксплуатационных свойств автомобиля. Эти измерители позволят перейти к объективной оценке, нормированию и прогнозированию уровня качества автомобиля и его конструкции в конкретных условиях эксплуатации, сопоставлять результаты эксплуатации автомобилей в различных дорожных и климатических условиях и находить коэффициенты приведения по результатам полигонных испытаний.

В то же время, усложнение поставленных задач вызывает потребность упрощения управления сложными процессами и системами для нахождения оптимальных решений при наличии ограничений компромиссов и сложных связей, не всегда выраженных в явной форме. Желаемого упрощения и необходимой определенности в постановке задачи можно достичь выделением в сложной системе функциональных элементов с четко выраженной структурой и рабочими процессами, определяемые их внутренними связями, а также применением принципа независимости оценки свойств автомобиля и свойств внешних факторов.

При определенных ограничениях и условиях компромисса (формализации) анализ связи между рабочими процессами АТС и свойствами внешней среды позволяет составить математическую модель, с помощью которой можно определить закономерности и степень изменения эксплуатационных свойств автомобиля под воздействием внешнего фактора.

В данном случае для определения влияния атмосферно-климатических факторов на показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля необходимо определить критерий, наиболее полно определяющий атмосферные условия при его эксплуатации. В целом атмосферно-климатические условия характеризуются такими параметрами, как: температура окружающей среды, барометрическое давление, влажность, скорость и направление ветра, солнечная радиация, осадки и другие.

Каждый конкретный географический регион на международном маршруте имеет свои количественные характеристики атмосферно-климатических условий, определяемых определенными значениями перечисленных параметров состояния атмосферы, которые различаются по абсолют-

ной величине (с незначительными отклонениями от средней) для данного региона по отношению к другому.

В общем случае автомобиль можно представить как сложную систему, состоящую из нескольких подсистем и их элементов, каждый из которых подвергается воздействию температуры окружающей среды. Взаимодействуя с другими элементами подсистем, они оказывают влияние на результирующие выходные эксплуатационные и экономические параметры автомобиля.

Анализ воздействия температуры окружающей среды на топливную экономичность и тягово-скоростные свойства автомобиля позволяет вскрыть причинно-следственную цепочку этого воздействия, составить формализованное представление этого автомобиля, как сложной системы, в виде математической модели, формализовать показатели и цель исследования.

При изменении температуры окружающей среды изменяются тепловые процессы двигателя, агрегатов трансмиссии, шин и элементов подвески, уровни протекания которых зависят от нагрузочных и скоростных режимов работы. Величины этих уровней определяются через обратные связи с двигателем и скоростью движения автомобиля, обозначенной на схеме пунктирными линиями. Одновременно, под действием температуры изменяются физические показатели состояния рабочих элементов системы:

- плотность, вязкость, сжимаемость топлива;

- плотность воздуха, поступающего в двигатель и взаимодействующего с поверхностью автомобиля;

- упругость рабочих элементов шин и элементов подвески;

- вязкостные характеристики масла в агрегатах трансмиссии и двигателя.

Необходимо отметить, что факторы, влияющие на топливную экономичность, отражают рабочие процессы подсистем: с одной стороны: двигателя и его элементов как преобразователя теплоты сгорания топлива в механическую энергию, а с другой стороны - подсистемы «кузов-шасси» автомобиля как потребителя этой энергии с элементами преобразования эффективного крутящего момента двигателя в поступательное движение автомобиля.

В подсистеме «двигатель» - изменение его теплового состояния и физических параметров рабочих тел оказывает влияние:

- на характеристику механических потерь;

- на характеристику тепловых потерь в двигателе;

- на характеристику процесса смесеобразования.

В подсистеме «кузов-шасси» автомобиля - изменение плотности окружающего воздуха и теплового состояния агрегатов трансмиссии и шин оказывает влияние на:

- характеристику аэродинамического сопротивления движению автомобиля;

- характеристику потерь в трансмиссии (барботажных потерь на трение);

- характеристику потерь на качение автомобиля.

Однако протекание рабочих процессов отдельных элементов подсистем как двигателя, так и подсистемы «кузов-шасси автомобиля», носит сложный характер и определение закономерностей их изменения под одновременным воздействием температуры окружающей среды и режимов движения на практике не представляется возможным, особенно при изучении некоторых процессов подсистемы «двигатель» в условиях его работы на автомобиле, хотя это и представляет определенный интерес с точки зрения определения оптимальных законов управления рабочими процессами двигателя.

Для изучения влияния температуры окружающей среды на тяговоскоростные свойства и топливную экономичность автомобиля, более целесообразно ограничиться определением влияние температуры окружающей среды на результирующие выходные характеристики подсистем, являющиеся результатом взаимодействия рабочих процессов их отдельных элементов.

Здесь результатом взаимодействия функционирования элементов подсистемы «двигатель» являются его выходные характеристики:

- эффективного крутящего момента двигателя в функциональной зависимости от температуры окружающей среды и частоты вращения коленчатого вала двигателя,

где Ме - крутящий момент двигателя;

Токр - температура окружающей среды;

пе - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин.

- часового расхода топлива в функциональной зависимости от температуры окружающей среды, эффективного крутящего момента двигателя,

Ме = /

<2т = /

где Q - часовой расход топлива, л/час.

Для подсистем «кузов-шасси автомобиля» результатом взаимодействия функционирования ее элементов является выходная характеристика суммарной силы сопротивления движению в функциональной зависимости от температуры окружающей среды и скорости автомобиля,

2РС = /

где Га - скорость автомобиля, км/час.

Взаимодействие подсистем «двигатель» и «кузов - шасси автомобиля» осуществляется через передаточный орган - трансмиссия, а результат этого взаимодействия - отношения выходных характеристик подсистем и функционирование значений выходных показателей качества автомобиля (расход топлива; ускорение автомобиля; средняя скорость; максимально преодолеваемый подъем и др.), определяется величиной передаточного числа трансмиссии.

В зависимости от условий эксплуатации автомобилей на международных маршрутах вышеперечисленные показатели в конечном итоге влияют на эксплуатационные и экономические параметры эксплуатируемых автомобилей. Поэтому представляет научный и практический интерес моделировать движение подвижного состава в реальных условиях эксплуатации.

Список литературы:

1. Крупченков В.С. Методы анализа и оценка влияния температуры окружающей среды на тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля: Дисс. ... к.т.н. - М., 1987. - 198 с.

2. Островцев А. Н. Потенциальные свойства функциональных систем и их влияние на эксплуатационные качества автомобиля // Автомобильная промышленность. - 1975. - № 10. - С. 12-13.

3. Фаробин Я.Е., Шупляков В.С. Оценка эксплуатационных свойств автопоездов для международных перевозок. - М.: Транспорт, 1983. -200 с.