Влияние термодинамических параметров горной среды на энергетические показатели автотракторных двигателей внутреннего сгорания

Абдуллоев, Мамадамон Абдурахмонбекович

Автореферат диссертации на тему "Влияние термодинамических параметров горной среды на энергетические показатели автотракторных двигателей внутреннего сгорания"

На правах рукописи

АБДУЛЛОЕВ МАМАДАМОН АБДУРАХМОНБЕКОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОРНОЙ СРЕДЫ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Душанбе-2004

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация транспортных средств» Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими

Научный руководитель: Доктор технических наук, и.о.профессора

Турсунов Абдукаххор Абдусамадович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Салихов Тагоймурод Хаитович

Кандидат технических наук, доцент Соибов Абдуназар Алиевич

Ведущая организация: Московский автомобильно-дорожный

институт (ГТУ)

Защита состоится 22 октября 2004 г. в часов на заседании Диссертационного Совета К737.007.02 при Таджикском техническом университете имени академика М.С. Осими по адресу: 73404/ Республики Таджикистан, г.Душанбе, проспект академиков Раджабовых, 10А, зал заседаний Ученого совета (второй этаж). E-mail: mahmad@cada.tajik.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими

Автореферат разослан 20 сентября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

М.М. Сафаров '

%мььъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Горы и возвышенности, занимая одну пятую часть поверхности суши, являются крупнейшей экологической системой нашей планеты. В горных местностях живет около 10 % всего населения земного шара и более 50% использует горные ресурсы. В экстремальных горных условиях необходимо настойчиво и терпеливо добиваться снижения выбросов за счет введения новых экологических технологий, экономии сырья, потребляемой энергии и более детального анализа физико-химических процессов, происходящих при работе теплоэнергетических установок.

Автотракторные двигатели внутреннего сгорания (АДВС) относятся к тем энергетическим установкам, выходные показатели (энергетические, экологические и экономические) которых непосредственно зависят от теплофизических параметров среды эксплуатации. Эта зависимость особенно сильно ощущается при эксплуатации автомобилей в горных условиях. Автомобильный транспорт Республики Таджикистан (РТ) занимает доминирующее место в Единой транспортной системе страны, на долю которого приходится более 95 % перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров. В условиях, где более 93 % территории занимают горы, применение автомобилей является не только экономически целесообразным, но и во многих случаях технически единственно возможным средством передвижения.

Большинства автомобильных дорог страны имеют сезонный характер движения вследствие наличия высокогорных перевальных участков с неблагоприятными природно-климатическими и геологическими условиями, закрывающихся в ве-сенне-осенний период: автодороги Душанбе-Худжанд через перевалы Анзоб и Шах-ристан; Душанбе - Хорог через перевал Хабурабад. Все эти перевалы на высоте более 3300 метров над уровнем моря.

Анализ литературных источников в области автомобильного транспорта показывает, что задача комплексного исследования неблагоприятных воздействий термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели АДВС в горных и высокогорных дорожно-климатических условиях Таджикистана, сочетающихся с жарким сухим климатом, мало изучена и в условиях рыночной экономики является несомненно актуальной научно-практической задачей.

Исследования проводились при выполнении госбюджетных НИР «Разработка ресурсосберегающих технологий на автомобильно-дорожном комплексе РТ», выполняемых по заказу-наряду Министерства образования РТ и зарегистрированных в Национальном патентно-информационном центре РТ, Советом по координации научно-исследовательских работ АН РТ работа включена в план научных исследований РТ.

Цель работы. Оценка влияния термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели теплосиловых установок транспортных машин в горных условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику проведения исследования. ____

2. Установить закономерности изменения и механизм е пМИи^ЭДрммдаюмя-

ческих параметров среды в горных условиях на энерге гичес!Ш|^3®Ш$^иче-

20<У рк _ ^

2004-4 23763

ские показатели АДВС в эксплуатации.

3. Произвести классификацию среды функционирования и создать систему корректирования нормативов технической эксплуатации АДВС для адекватного учета термодинамических параметров среды в горных условиях.

4. Экспериментально исследовать топливную экономичность автомобилей семейства КамАЗ на реальных маршрутах и разработать методику дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива с учетом их приспособленности к горным условиям эксплуатации.

5. Определить пути практического использования полученных результатов. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлена закономерность изменения термодинамических параметров среды в горных условиях эксплуатации АДВС.

2. Предложен новый безразмерный критерий оценки влияния термодинамических параметров горной среды на энергетические и экологические показатели АДВС в эксплуатации.

3. На основе предложенной классификация среды функционирования АДВС создана система корректирования нормативов технической эксплуатации, адекватно учитывающая специфику экстремальных горных условий.

4. Разработана методика дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива с учетом приспособленности автомобилей к горным условиям эксплуатации.

Практическая ценность работы:

• предложены корректирующие коэффициенты для уточнения норм расхода топлива в горных условиях эксплуатации по результатам экспериментальных исследований автомобилей семейства КамАЗ на топливную экономичность;

• произведена оценка экологических показателей и определены приоритетные направления снижения воздействия автомобилей на окружающую среду;

• установлен механизм влияния экстремальных природно-климатических условий горного региона на энергетические и экологические показатели АДВС.

Реализация результатов исследования. Основными сферами реализации научных и практических результатов исследований являются:

• «Методические указания по корректированию нормативов технической эксплуатации автомобилей (ТЭА) в горных условиях», принятые к использованию Министерством транспорта РТ;

• АТП-4 Пассажирского унитарного предприятия "Душанбегорпасстранс";

• Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в области технической эксплуатации транспортных систем Таджикскими техническим и аграрным университетами.

Методы исследования. В процессе работы использовались методы молекулярной физики, исследования операций, системного подхода и системного анализа, теории планирования эксперимента, методы математической статистики и теории вероятности.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Таджикского технического университета; на Международной конференции «Горные регионы Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития», Душанбе, 1999; на Международных научно-практических конференциях: "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (г. Владивосток, 2-6 октября

2001г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (г. Владимир, 15-17 мая 2003г.); на научных конференциях молодых ученых Таджикистана в Худжанде (1997 г.) и Кургантюбе (2003 г.).

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации изложены в 9 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложения и списка литературы. Содержит 131 страниц машинописного текста, 26 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 127 наименований. В приложениях приведены документы, отражающие уровень практического использования результатов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследования, раскрываются научная новизна и практическая ценность работы, сведения о результатах ее апробации и внедрении.

В первой главе приведен анализ современного состояния проблемы и задачи исследования. Исследуются потенциальные природно-экономические ресурсы с точки зрения их транспортного обеспечения; анализируется современное состояние автомобильно-дорожного комплекса РТ.

На основе выполненного анализа современного состояния автомобильно-дорожного комплекса сформулированы основные проблемы технической эксплуатации автомобилей в горных условиях Таджикистана:

• значительное снижение эксплуатационной эффективности автотранспортных средств (АТС) из-за комплексного воздействия высотных, дорожных, транспортных и природно-климатических факторов, обосновывающая необходимость установления и уточнения закономерностей изменения параметров горной среды;

• несовершенная нормативно-информационная база, адекватно не отражающая особенностей горных и высокогорных дорог, обусловливающая создания методологических основ системы корректирования нормативов для более детального учета условий эксплуатации;

• отсутствия технико-эксплуатационных и экономико-экологических критериев выбора подвижного состава, наиболее приспособленного к горным условиям эксплуатации;

• особенности и сложности обеспечения дорожной и экологической безопасности в экстремальных горных условиях эксплуатации автомобилей и др.

Обзор выполненных ранее работ по исследуемой проблеме показал, что до настоящего времени не решена актуальная проблема комплексного учета внешних воздействующих факторов горных и высокогорных условий на эксплуатационные свойства АТС, не создана методология классификации горной среды.

Исследование высотной зависимости термодинамических параметров воздуха и их влияния на эксплуатационные свойства АДВС составляет содержание второй главы. Общая методология исследования (рис. 1) предусматривает разработку научных основ проблемы в целом, а также построение локальных моделей, направленных на решение частных вопросов. Среди активных факторов наибольшего вни-

ПОИСК И ВЫБОРА ПРОБЛЕМЫ

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯВОПРОСА

ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

мания заслуживает внешняя среда, объединяющая собой природно-климатические и дорожные условия Континентальность климата здесь проявляется в резкой разнице температур лета и зимы, дня и ночи, сухости воздуха, малой летней облачности, обилии солнечного света в эти времена года и небольшом количестве осадков, которые выпадают преимущественно зимой и весной. Большое количество знакопеременных колебаний температур, т.е. переходов через О °С, приводит к интенсивному разрушению дорожных покрытий, старению резино-технических и полимерных изделий.

Среднегодовое количество переходов с высотой постепенно возрастает от 48,5 (на высоте до 500 м) до 103,4 (на высоте до 3500 м), т.е. здесь в отличие от широтной зональности имеет место ярко выраженная зависимость числа переходов температуры через 0 °С от высоты. Отсутствие осадков в летний период влечет за собой пониженную влажность воздуха, сопровождающуюся повышением концентрации пыли в воздухе. Уже на высоте 2000 м влажность воздуха в два раза меньше, чем на равнине, а на высоте 4000 м она составляет от нее четвертую часть.

Разнообразие рельефа республики обусловливает характер ветрового Рис.1. Общая ттетодшогияксспедожанигг. режима.

4 0РШ ЛИР 0ВКА ЗА ДКЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОВЕДШИЕ ТЕ0ЖТИЧЕСК ГОШ СС ЛЕДОВ АНИЙ И НАТЧНО-МЕТОДИЧЕСКЮСРАЗРАБОТОК

РАЗРАБОТКА МЕТ 0 ДИКИ И ПРОВЕДЕНИЯ ЖСПЕРИгЛЕНТАЖНЫЗСИССЛЕДОВАНИЙ

ВЫРАБОТКА ШАКТИЧЕСКИЗС РЕКОМЕНДАЦИИ

РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

В горных районах средняя годовая скорость ветра достигает 5-6 м/с; на открытых равнинах и широких долинах 3-4 м/с (Худжанд); в предгорьях до 3 м/с; в замкнутых котловинах (Душанбе) и низинных районах не превышает 1-2 м/с. Значительную роль в формировании климата Таджикистана играет его вертикальная зональность. Вследствие очень сильной расчлененности рельефа создаются большие различия в климатических условиях соседних районов.

Анализ проведенных исследований показывает, что существующие зависимости изменения показателей атмосферных условий от высоты местности (А) над уровнем моря получены для идеальных газов; массы молекул азота и кислорода считают одинаковым; не учитывают влажность и кинетическую энергию молекул ком-

понентов воздуха.

С высотой относительная концентрация молекул тяжелой (02) компоненты воздуха уменьшается, а легкой (N2) увеличивается. Влияние изменения концентрации компонентов воздуха с высотой значимо (особенно для процесса сгорания горючей смеси с естественным ухудшением мощностных, экономических и экологических характеристик) и этот фактор необходимо учесть не только для теоретической полноты картины, но и для адекватного описания реального процесса в экстремальных горных и высокогорных условиях.

Для более точного учета влияния основных параметров горной среды (атмо-сферно-климатические условия и рельеф местности) на эффективность использования автомобилей с использованием уравнений статики атмосферы и уравнения состояния реального газа (уравнение Ван-дер-Ваальса) получено неоднородное линейное дифференциальное уравнение:

аР ( а ^ -ста (х 2Ь\ (1)

ЫУ {У + сгЬ) У*(У + о-г>) { V где а, Ь - постоянные Ван-дер-Ваальса; V- объем; Р - давление воздуха; Я = 8,31 Дж/моль-К - универсальная газовая постоянная; А - высота над уровнем моря; То=293 К - температура воздуха при /2=0; Р - коэффициент, равный 0,035-1(У3 м'\ М=29,410'3 кг/моль - молекулярная масса воздуха; %=9,81 м/с - ускорение свободного падения; о - постоянная безразмерная величина:

1 1

н'р-1~ "

Общее точное решение (1):

МИ + сгбШкНс! <2>

- ^---чМ^тТНУ- (3)

Приближенное решение (1) имеет вид:

или (5,

Из уравнения (5) вытекает важный практический вывод: для построения зависимости Р =/(V) реальных газов, т.е. оценки степени их отступления от идеальности, необходимо для каждой точки А (Р„ V) графика идеального газа внести соответствующую поправку на реальность - по оси Р (ординат) ц„ _ а а и по оси V (абсу <7 + 2

циссы) Ну =С-Ь (рис.2).

Выявлены закономерности Р=ЛИ), Т=ЛИ), р=ЛИ):

Р = Р0(\- РИУ 22 [1 -1,77 6(1 - РИУ 22 ][1 - 3,94а10'5(1 - рИ)'22 } (6)

Т = Т0{\-/ЗИ)- (7)

р = Р0(1-/з• л)2,22!1 - 5>5 • ю~5«0 - - 2>91Ь(1 - №Тп + °'ПаЬ • О - (8)

Результаты исследования (табл.1) позволяют сделать вывод о том, что данные, полученные с использованием уравнения состояния реальных газов, близки к экспериментально измеренным величинам, т.е. наиболее адекватно описывают реальный процесс.

Рис.2. Соотношение изотерм идеального и реального газов

Коэффициенты учета изменения давления, температуры и плотности воздуха с высотой равны

А: =Р/ = (1 - -1,776(1 - А)"2)(1 - 3,94 10"' <з(1 -/?• /г)1'22); (9)

/ Ро

Кт = Т/ =\- рн (Ю)

/ 'о

А:р = (1-Д-АГ11-5,510-Ч1-/%У2Ч2,97г»-(1-/%)2'2Ч0,12«М1-/»'Г| С")

Оценка изменения основных показателей дизельных двигателей при эксплуатации их в странах с экстремальными условиями становится весьма актуальной, прежде всего из-за увеличения парка автомобилей с дизельными двигателями. Опре-

деление влияния атмосферного давления, температуры и влажности воздуха на показатели дизельного двигателя осуществляется по формулам (12-14).

Таблица 1.

Сопоставительный анализ зависимостей давление воздуха от высоты местности

Высота местности над уровнем моря, км 0 1 2 3 4 5 6

Международный стандарт атмосферы, Ржспт 105 Па 1 0,89 0,80 0,70 0,62 0,54 0,47

Международная барометрическая формула, 105 Па 1 0,886 0,784 0,691 0,608 0,533 0,465

Расхождение, % 0 0,3 1,9 1,2 1,9 1,3 1,0

Методика ХАДИ, 105 Па 1 0,878 0,768 0,662 0,576 0,482 0,422

Расхождение, % 0 1,3 4,0 5,4 7,1 10,0 10,2

Предлагаемая методика, Ятеор, 105 Па 1 0,892 0,792 0,700 0,615 0,538 0,468

Расхождение, % 0 -0,2 1,1 0,1 0,8 0,3 0,4

Относительное изменение плотности воздуха в зависимости от его температуры и влажности:

(12)

Рпт _ Рн _

Рвя о Ро

(1- ) Т. О 622 + а'

(1-

0,378 £/

1Г)

Рн 7",о Ро Т.я

О 622 + с1„

где Г„0 и ТуИ — соответственно виртуальная температура на уровне моря и

на высоте к, К; <20 и — соответственно влагосодержание (отношение массы влаги или пара во влажном воздухе к массе сухого воздуха содержащегося во влажном воздухе) на уровне моря и на высоте Л, кг/кг.

Отношение количества воздуха, поступающего в двигатель, при различных условиях:

(13)

I Лг 1

(1 0,374 }

0 622+</„

() 0,378Ля )

0 622+4„

Отношение часового расхода топлива при текущих и нормальных условиях:

бтн _ Уцн &ТО Уц о

1- — (Тт -293)

Рто

(14)

где Тт — температура топлива; X — средняя температурная поправка к плотности на 7А" (Я = (10+5,8)1 (Г4), кг/(К-м3).

Таблица 2.

Зависимость энергетических показателей двигателя от термодинамических параметров воздуха

Показатель

Расчетная формула

а = со/«/

а * сонч!

Коэффициент

избытка

воздуха

а„ =а„

а„ =аг

311 + ]89а(0 -5(Ш02 И ' цн

311 +189</я - 500^ V ' Ц 0

1—— _ 293) Рго

Индикаторная мощность

311 + 189(/н -5<М;

311+189с/0 -500</02

1Ш

■>0096 ,,

1- — (7"т~293) V Рго

Эффективная мощность

_ I/ Ли» ' ~~ 14 €0 * Пмо 1

311 +189*/„ -50М; (_1_ | ^1(06

311+189^0-500с/о2

ЛГ, =-

■Пмо

' , V 0.096 ,. / \ , ,0Ш

Удельный эффективный расход топлива

= д^ I 311 + 189«/,-\ЗИ +189(/„ -

- 500<

500«/,

«

0193

00511 1 I 1—

г-293)

1-^0 рто4 ;

Коэффициент учета изменения мощности с высотой

-Пщ» /зп + П«. 1(311 +

189с/я -50^ Г 1

+ 189с/0-5СШц2

0 596

к„

Лмо

0 096 , , . ч 0192

Коэффициент

учета

изменения

удельного

эффективного

расхода с

высотой

А -Зма. .

311 + 1894,-5(Ш02 . 311 + 189«/„-5Ш1

4 =

•Па/О

ч I 026

Ч Р У

^[1_А(гг_293)

До

Рго

к

0 02бГ 1 ' I Кт)

-(1-Пл,о)-К.

,0 192 т,

1 \-йя уц

кт

1-4, Уцн

1—— (Гг -293) . Рго

Полученные теоретические высотные зависимости энергетических показателей АДВС от термодинамических параметров окружающей среды при а = const и ОС Ф const приведены в табл.2. Графическая интерпретация относительного изменения эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива от высоты над уровнем моря приведена на рис. 3.

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500 h, М

Рис. 3. Относительное изменение эффективной мощности (N^N0) и удельного эффективного расхода топлива (дн/д0) с высотой над уровнем

моря

Термодинамические параметры горной среды имеют существенное влияние на температурный режим АДВС. Современные системы охлаждения АТС, как правило, имеют устройства автоматического и неавтоматического регулирования теплового режима. К первым, например, относятся термостаты, а ко вторым - жалюзи.

При совместном учете влияния давления, температуры и влажности воздуха температура охлаждающей жидкости или наружной поверхности охлаждения двигателя воздушного охлаждения определена по формуле:

Тон = НиХе8еЯЖ ^ +Тд , (15)

3-6 а^^еа

где Нц - низшая теплота сгорания, Дж/кг\ цж - относительный теплоотвод, %; ^"охл' площадь поверхности системы охлаждения, м2; а - коэффициент эффек-

тивности системы охлаждения двигателя, Bin ( с

К {м'кг

(О - скорость воздушного по-

тока по тракту системы охлаждения, Ме - эффективная мощность, кВт; ge-

А А

эффективный удельный расход, ---; Км = —- коэффициент влияния

кВт-час урв

метеорологических условий на работу системы охлаждения,

м/ х/\ - Результаты

/ кгА

расчета величины Ки приведены в таблице 3.

Из вышеизложенного следует, что при неполном использовании производительности системы охлаждения поддержание оптимальной температуры двигателя (То, К) обеспечивается его терморегулирующим комплексом, независимо от режима работы двигателя, высоты над уровнем моря и температуры окружающего воздуха. При полном использовании системы охлаждения, при прочих одинаковых условиях, температура двигателя определяется режимом движения машины и метеорологическими условиями её работы. У современных автотранспортных средств полное использование производительности системы охлаждения может наблюдаться в тяжелых условиях работы при температуре окружающего воздуха, превышающей 25°С.

Таблица 3.

Зависимость коэффициента влияния метеорологических условий на работу системы охлаждения от высоты над уровнем моря

Н, м Температура воздуха, К

243 253 263 273 283 293 303 313 323

0 1,100 1,094 1,087 1,081 1,075 1,069 1,062 1,056 1,050

500 1,097 1,091 1,084 1,078 1,072 1,066 1,059 1,053 1,047

1000 1,094 1,088 1,081 1,075 1,069 1,063 1,056 1,050 1,044

1500 1,091 1,085 1,078 1,072 1,066 1,060 1,053 1,047 1,041

2000 1,088 1,082 1,075 1,069 1,063 1,057 1,051 1,044 1,038

2500 1,085 1,079 1,072 1,066 1,060 1,054 1,048 1,041 1,035

3000 1,082 1,075 1,069 1,063 1,057 1,051 1,045 1,038 1,032

3500 1,079 1,072 1,066 1,060 1,054 1,048 1,042 1,035 1,029

4000 1,075 1,069 1,063 1,057 1,051 1,045 1,038 1,032 1,026

Существенное значение приобретает определение запаса температуры нагрева двигателя (ЛТо, К), представляющий собой разность максимальной температуры окружающей среды Тв, при которой проявляется перегрев двигателя (закипание охлаждающей жидкости, резкое падение мощности и др.) и оптимальной его рабочей температуры Т0. Величина ЛТ0 в зависимости от условия эксплуатации машины и её конструктивных особенностей обычно составляет при применении двигателей жидкостного охлаждения 10..12 °С, а при применении двигателей воздушного охлаждения 15...40 °С.

В третьей главе изложены результаты экспериментальной оценки эксплуатационных свойств АТС с учетом изменения параметров среды.

Установлены закономерности изменения и механизм влияния термодинамиче-

ских параметров горной среды на энергетические и экологические показатели и температурный режим АДВС.

Получены необходимые соотношения для вывода конечных формул, определяющих зависимость энергетических и экологических показателей АДВС от высоты местности над уровнем моря.

Экспериментально оценена топливная экономичность автомобилей семейства КамАЗ, занятых перевозкой грузов для строительства тоннеля «Анзоб».

Разработана методика дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива с учетом приспособленности автомобилей к горным условиям эксплуатации.

Экспериментальные исследования проводились на Анзобском перевале на конкретных маршрутах.

Для оценки топливной экономичности грузовых автомобилей КамАЗ на трассах Душанбе - Анзоб предусматривалась следующая последовательность проведения работ:

сбор и обобщение первичной информации о расходе топлива методом опломбирования топливной аппаратуры автомобилей с последующим замером остатки топлива в баках;

измерение температур охлаждающей жидкости и головки цилиндров двигателя по участкам маршрута;

фиксации параметров окружающей среды (атмосферного давления, температуры воздуха, влажности и наличие осадков);

выполнение непосредственно замеров расхода топлива на выбранных трассах с фиксацией необходимых параметров.

Во время непосредственного замера расхода топлива при выполнении транспортной работы автомобилем оператор-исследователь фиксировал следующие параметры:

показания спидометра и время прохождения контрольных створов заданных участков трасс:

масса перевозимого груза, наименование пунктов разгрузки, количество остановок в пути;

тепловой режим двигателя во время движения;

время работы на данной передаче и число переключений в пути;

расход топлива на конкретных участках и за весь рейс.

При выполнении замеров расхода топлива учитывались рекомендации ГОСТ 20.306-90 «Топливная экономичность автотранспортных средств. Номенклатура показателей и методы испытания».

Результаты экспериментальных исследований обрабатывались на ПЭВМ. Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

- загрузка автомобилей КамАЗ, работающих на рассматриваемых маршрутах близка к номинальной;

- сравнение количества израсходованного топлива автомобилями одинакового технического состояния (при прочих равных условиях) характеризуется значительным разбросом, достигающих значения 15%;

- изменение количество расходуемого топлива, обусловленное высотой маршрута над уровнем моря, значительно;

- существенное влияние на расход топлива оказывает температурный режим

двигателя и агрегатов автомобиля и степень его приближения к оптимальным температурам;

- выходные показатели двигателя значительно меняются в зависимости от высоты над уровнем моря (рис.4).

____апрокс.

Д- экспер.

1. 11=0 м 2.11=1000 м

3. Ь=2000 м

4. 11=3000 м

ЦГТ I I

20 Г II II II I I I II М 100

700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 п, об/мин

Рис.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя КамАЗ-740 Nек -эффектная мощность, МеН -эффективный крутящий момент

Установление маршрутных норм расхода топлива базировались на объективных экспериментальных исследованиях, учитывающих всю сложность явлений, происходящих при выполнении транспортной работы автомобилями в реальных условиях. Значительный диапазон вариации воздействующих на топливную экономичность факторов делает необходимым определением её показателей именно экспериментальным путём.

Замер расхода топлива осуществлялся на технически исправных автомобилях КамАЗ-5511 и КамАЗ -5410 и КамАЗ-5320 с пробегами с начала эксплуатации свыше 225тыс.км. Эксперимент по определению расхода топлива на трассах по направлениям Анзоба выполнялся в течение 3-х месяца с августа по октябрь 2001г.и практически производился во всех, встречающихся на трассе, условиях движения. Сопоставительные эксперименты проводились с использованием и других автомобилей.

Исследованиями топливной экономичности автомобилей, работающих на трассах Душанбе - Анзоб установлено, что реальные расходы топлива значительно превышают нормативные значения. Измерение значения расхода топлива по выбранным маршрутам и обработка экспериментальных данных позволила установить расход топлива, который может быть принят за маршрутную норму.

В четвертой главе проведен совместный анализ результатов теоретического и экспериментального исследования

Влияние давления воздуха на расход топлива оценивается значением коэффициента Кр, определяемого выражением:

= А)-1'61 • [1 -1,77-6- {\-р-А)2,22]- [-3,94 - а • 10"5 -(1 - р • А)1'22]^ (16)

Изменение расхода топлива автомобиля в зависимости от повышенных температур воздуха определено эмпирическими формулами для автомобилей:

с карбюраторными двигателями

К,= 1,05 + 0,35-10'2*Тв; (17)

с дизельными двигателями

К, = 1,037 + 0,32 10"2*ТВ; (18)

Для более точного учета влияния основных параметров горной среды (атмо-сферно-климатические условия и рельеф местности) на топливную экономичность, необходимо основную и дополнительную норму расхода топлива увеличить на величину, равную произведению К/,- К,. Значения корректирующих коэффициентов Ки и К, приведены в табл.4.

На основе детального учета влияния природно-климатических условий горных регионов на изменение технико-экономических показателей работы автомобилей производится корректирование нормативов технического обслуживания и ремонта, направленное на обеспечение требуемого уровня надежности, снижение себестоимости затрат с соблюдением нормативного уровня дорожной и экологической безопасности. Настоящая методика предусматривает дальнейшее совершенствование системы корректирования нормативов, принятой в действующем, на территории Таджикистана «Положении о техническом обслуживание и текущем ремонте» за

15

счет углубленного учета природно-климатических условий горных регионов. Применение методики позволяет уменьшить ошибки при корректировании нормативов ТЭА в конкретных природно-климатических условиях горных регионов и приводит к более эффективному использованию материальных и трудовых затрат.

Таблица 4.

Корректирующие коэффициенты нормы расхода топлива Ку, и Ю

Высота местности н.у.м., м к„ Температура воздуха, °С Ю для автомобилей с ДВС:

дизельными карбюраторными

0 1,0 0 1,037 1,05

500 1,031 5 1,053 1,068

1000 1,063 10 1,069 1,085

1500 1,096 15 1,085 1,103

2000 1,132 20 1,101 1,12

2500 1,169 25 1,117 1,138

3000 1,209 30 1,133 1,155

3500 1,250 35 1,149 1,173

4000 1,294 40 1,165 1Д9

4500 1,341 45 1,181 1,208

5000 1,390 50 1,197 1,225

Природно-климатические условия характеризуются факторами, важнейшими из которых являются температура воздуха, его плотность, влажность и давление, влияние которых на энергетические, экономические и экологические показатели работы автомобилей существенны. Поэтому корректирующий коэффициент определялся на базе этих факторов.

Комплексное влияние параметров среды (давление, плотность и температура воздуха) в горных регионах определяется коэффициентом сложности горной среды Кгор на базе выявленных закономерностей. Коэффициент сложности горной среды Кгор предусматривает перемножение частных коэффициентов, поскольку его значения должны учитывать эффекты взаимодействия факторов при совокупном характере их воздействия на АТС:

Кгор=Кт-КР-Кр . (19)

Значения коэффициента корректирования нормативов ТЭА, зависящие от природно-климатических факторов в горных условиях Кгор, в соответствии с разработанной классификацией горной среды, приведены в табл.5.

Как видно из рис. 5. действующие нормативы расхода топлива практически «не работают», т.е. не отражают адекватно реальные горные условия, при высоте местности более 3000 м н.у.м. Кроме того установлены широкие пределы в высотных интервалах, что ведёт к искажению реальной картины. Например, по существующей системе в интервале от 500 до 1500 м установлена поправка в размере 5 %, а при предлагаемой системе корректирования поправка составляет от 2,4 до 9 %. Это

убедительно доказывает необходимость введения в практику ТЭА дифференцированной системы корректирования норм.

Таблица 5.

Коэффициент корректирования нормативов ТЭА в зависимости от природно-климатических условий в горных регионах Кгор

№ п/п Тип рельефа местности Высота местности над уровнем моря, м Нормативы

Периодичность технического обслуживания Удельная трудоемкость текущего ремонта

I Равнинный До 200 1,0... 0,954 1,0...1,048

II Слабохолмистый 201-300 0,954...0,931 1,048... 1,074

III Холмистый 301-500 0,931...0,887 1,074...1,127

IV Гористый 501...1000 0,887...0,785 1,127... 1,274

V Низкогорье (НГ) А 1001...1500 0,785...0,693 1,274... 1,443

Б 1501...2000 0,693... 0,610 1,443...1,639

VI Горный(ГР) А 2001... 2500 0,610...0,536 1,639...1,866

Б 2501... 3000 0,536...0,469 1,866...2,132

VII Высокогорный (ВГ) А 3001...3500 0,469...0,410 2,132.-2,439

Б 3501...4000 и выше 0,410...0,357 2,439-2,801

К„

-

К

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Рис. 5. Коэффициент корректирования норм расхода топлива в зависимости от высоты над уровнем моря.

Автомобильно-дорожный комплекс оказывает существенное отрицательное экологическое влияние на окружающую среду, которое складывается из транспортных загрязнений (выбросов автотранспортных средств), воздействий самых дорожных сооружений на природные экосистемы и воздействий технологических процессов. Исследованы факторы, значимо влияющие на экологические показателей АТС.

В результате исследований установлено: фактическое содержание окиси углерода в отработавших газах значительно отличается от измеренного при помощи газоанализатора в зависимости от давления и особенно температуры атмосферного воздуха в день измерений, что требует внесения соответствующих поправок:

Ософакт = Осоюм "КСо, где С^софакт и <Зсоиш - соответственно, фактическое и измеренное содержание окиси углерода; Ксо - поправочный коэффициент.

В таблице 6 приведены значения поправочного коэффициента КСо в день измерений, определенные по установленным высотным закономерностям изменения термодинамических параметров, которые значительно изменяются в зависимости от высоты местности над уровнем моря:

Ксо = [1 + 2,2&(Кр -1)]-[1 - 0,01(Г - 288)].

Определены и ранжированы мероприятия по приоритетности для обеспечения экологической безопасности автомобильного транспорта РТ. Обоснована объективная необходимость разработки Экологической программы с учетом региональной специфики, направленной на регламентирование и регулирование выбросов вредных веществ в окружающую среду. При формировании Экологической программы необходимо учитывать специфику горной местности, т.к. в этом случае имеет место целый ряд факторов, требующих обязательного учета, таких как слабая подвижность воздушных масс, пониженное атмосферное давление и др.

Таблица 6.

Значения поправочного коэффициента Ксо в зависимости

Высота местности над уровнем моря, м Температура воздуха, К

233 243 253 263 273 283 293 303 313 323

До 500 1,45 1,36 1,26 1Д7 1,08 0,98 0,89 0,80 0,70 0,61

501-1000 1,26 1,18 1,10 1,02 0,93 0,85 0,77 0,69 0,61 0,53

1001-1500 1,08 1,01 0,94 0,87 0,80 0,73 0,66 0,59 0,52 0,45

1501-2000 0,90 0,84 0,78 0,73 0,67 0,61 0,55 0,49 0,44 0,38

2001-2500 0,73 0,68 0,64 0,59 0,54 0,49 0,45 0,40 0,35 0,31

2501-3000 0,57 0,53 0,49 0,46 0,42 0,38 0,35 0,31 0,27 0,24

3001-3500 0,41 0,38 0,36 0,33 0,31 0,28 0,25 0,23 0,20 0,17

3501-4000 0,26 0,25 0,23 0,21 0,19 0,18 0,16 0,14 0,13 0,11

4001 -4500 0,12 0,11 0,10 0,10 0,09 0,08 0,07 0,07 0,06 0,05

Внедрение результатов исследования обеспечивает социальный, а в части случаев и экономический эффект. Экологический эффект достигается за счет поддержания оптимального значения коэффициента избытки воздуха и достижения оптимального расхода топлива, приводящий к уменьшению загрязнения окружающей среды токсичными веществами, содержавшимися в отработавших газах.

Основные выводы и рекомендации

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования приспособленности автомобилей к горным условиям эксплуатации позволяют сделать следующие выводы:

1. Решена научно - практическая задача по оценке влияния термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели и температурный режим теплосиловых установок транспортных средств в горных условиях эксплуатации.

2. Установлена закономерность изменения термодинамических параметров среды эксплуатации автотракторных двигателей внутреннего сгорания с использованием уравнений статики атмосферы и состояния реального газа (уравнение Ван-дер-Ваальса), позволяющая адекватно отражать реальную картину в горных условиях.

3. Установлены теоретические зависимости энергетических показателей автотракторных двигателей от высоты местности над уровнем моря.

4. Влияние природно-климатических условий горного региона на температурный режим двигателя оценено с помощью коэффициента учета метеорологических условий Км . Использование Км позволяет предупредить перегрев двигателя.

5. На базе разработанной классификации среды функционирования АТС с более подробной градацией высотных поясов создана система корректирования нормативов технической эксплуатации, учитывающая особенностей горных условий.

6. Предложен новый безразмерный критерий оценки комплексного влияния термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели автотракторных двигателей внутреннего сгорания - коэффициент сложности горной среды Кгор учитывающий важнейшие компоненты природно-климатических условий.

7. Проведенные экспериментальные исследования топливной экономичности автомобилей семейств КамАЗ на реальных маршрутах эксплуатации (автомобили, занятые строительством Анзобского тоннеля) позволили установить маршрутные нормы расхода топлива. Установлено, что расход топлива имеет значительное расхождение с действующими нормативами, особенно на высотах более 1500м над

уровнем море.

8. Разработана методика дифференцированного корректирования линейных норм расхода топлива с учетом приспособленности автомобилей к горным условиям.

9. Определены пути практического использования полученных результатов для расчета и корректирования периодичностей технического обслуживания, плановых пробегов до капитального ремонта, планирования потребностей в запасных частях в зависимости от термодинамических параметров горной среды.

10. Сформулированы дальнейшие направления исследования эффективности использования автомобилей, эксплуатируемых в экстремальных горных условиях:

• уточнение рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания;

• углубленная оценка снижения ресурсов шин, эффективности вакуумных приборов, производительности компрессоров;

• оценка эффективности систем смазки, питания, охлаждения и пусковых качества автотракторных двигателей внутреннего сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Турсунов A.A. Анализ факторов, влияющих на качества функционирования сложных систем. /Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Тез. докл. науч. конф. МУ Ленинабад. обл. Худжанд:1997: с.40-41.

2. Турсунов A.A. Резервы повышения производительности автомобилей. /Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. В кн. Проблемы экономического и социального развития Таджикистана, Душанбе: 1998-c.l 12-113.

3. Турсунов A.A. Оценка внешних воздействующих факторов на экологические показатели АТС. /Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Труды ТТУ, Серия: Транспорт и дорож. хоз-во, Вып. 2, Душанбе, 1999 г., с.110-112

4. Мирзобеков Р.Ш. Использование космической информации для выявления негативных антропогенно-техногенных процессов. /Мирзобеков Р.Ш., Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Труды ТТУ, Серия: Транспорт и дорож. хоз-во, Вып. 2, Душанбе, 1999 г., с.113-115

Турсунов A.A. Влияние атмосферно - климатических условий и рельефа местности на эффективность работы автомобилей. /Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Проблемы транспорта Дальнего Востока: Сб.- Владивосток, 2001. -С. 277-279. Турсунов A.A. Корректирование нормативов технической эксплуатации автомобилей в горных условиях. /Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2003. -С.435-438.

Абдуллоев М.А. Влияние изменения параметров среды на экономико-энергетические показатели ДВС в горных условиях эксплуатации / Абдуллоев М.А., Турсунов A.A. Молодежь и мир размышлений: Докл. науч. конф. молодых ученых РТ. Курган-Тюбе, 2003. - с. 164-168.

Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Закономерности изменения параметров среды функционирования автомобилей в горных условиях эксплуатации. / Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Доклады АН РТ, 2002, том XLV, № 11-12, с. 98-105. Методические указания по корректированию нормативов технической эксплуатации автомобилей в горных условиях. Авторы: Турсунов A.A., Абдуллоев М.А. Министерство транспорта Республики Таджикистан.-Душанбе, 2002- 16 с.

tjj»

Объем 1.025 п/л. Подписано в печать17.09.2004г. Заказ № 365. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии РТСУ

РНБ Русский фонд

2004-4 23763

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Абдуллоев, Мамадамон Абдурахмонбекович

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния, проблемы и задачи исследования

1.1. Природно-климатические особенности горных регионов

1.1.1. Изменение параметров среды от высоты местности над уровнем

1.1.2. Влияние природно-климатических факторов горного региона на эксплуатационные свойства автомобилей

1.2. Анализ существующих методов оценки энергетических показателей АДВС в горных условиях

1.3. Методы корректирования нормативов технической эксплуатации автомобилей в эксплуатации

1.4. Состояние проблемы и задачи исследования

Глава 2. Высотная зависимость термодинамических параметров воздуха и их влияния на эксплуатационные свойства АДВС

2.1. Общая методология исследования

2.2. Особенности изменения параметров среды в горных условиях

2.3. Анализ влияния кинетической энергии на распределение давления с высотой

2.4. Теоретическое описание высотной зависимости термодинамических параметров для вандер-ваальсовского газа

2.5. Зависимость энергетических показателей двигателя от термодинамических параметров воздуха

2.6. Влияния термодинамических параметров горной среды на температурный режим АДВС

Глава 3. Экспериментальная оценка эксплуатационных свойств автотранспортных средств (АТС) с учетом изменения параметров среды

3.1. Методика экспериментальных исследований

3.2. Экспериментальная оценка температурного режима АДВС

3.3. Экспериментальная оценка расхода топлива автомобилями КамАЗ

Глава 4. Совместный анализ результатов теоретического и экспериментального исследования

4.1. Корректирование норм расхода топлива в горных условиях эксплуатации АТС

4.2. Уточнение нормативов технической эксплуатации АТС в зависимости от параметров горной среды

4.3. Обеспечение экологической безопасности АТС в эксплуатации

4.4. Эффективность применения дифференцированных норм расхода топлива в горных условиях НО

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние термодинамических параметров горной среды на энергетические показатели автотракторных двигателей внутреннего сгорания"

Актуальность проблемы. Горы и возвышенности, занимая одну пятую часть поверхности суши, являются крупнейшей экологической системой нашей планеты. В горных местностях живет около 10 % всего населения земного шара и более 50% использует горные ресурсы. В экстремальных горных условиях необходимо настойчиво и терпеливо добиваться снижения выбросов за счет введения новых экологических технологий, экономии сырья, потребляемой энергии и более детального анализа физико-химических процессов, происходящих при работе теплоэнергетических установок.

Автотракторные двигатели внутреннего сгорания (АДВС) относятся к тем энергетическим установкам, выходные показатели (энергетические, экологические и экономические) которых непосредственно зависят от теплофизических параметров среды эксплуатации. Эта зависимость особенно сильно ощущается при эксплуатации автомобилей в горных условиях. Автомобильный транспорт Республики Таджикистан (РТ) занимает доминирующее место в Единой транспортной системе страны, на долю которого приходится более 95 % перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров. В условиях, где более 93 % территории занимают горы, применение автомобилей является не только экономически целесообразным, но и во многих случаях технически единственно возможным средством передвижения.

Большинства автомобильных дорог страны имеют сезонный характер движения вследствие наличия высокогорных перевальных участков с неблагоприятными природно-климатическими и геологическими условиями, закрывающихся в весенне-осенний период: автодороги Душанбе-Худжанд через перевалы Анзоб и Шахристан; Душанбе -Хорог через перевал Хабурабад. Все эти перевалы на высоте более 3300 метров над уровнем моря.

Анализ литературных источников в области автомобильного транспорта показывает, что задача комплексного исследования неблагоприятных воздействий термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели АДВС в горных и высокогорных дорожно-климатических условиях Таджикистана, сочетающихся с жарким сухим климатом, мало изучена и в условиях рыночной экономики является несомненно актуальной научно-практической задачей.

Исследования проводились при выполнении госбюджетных НИР «Разработка ресурсосберегающих технологий на автомобильно-дорожном комплексе РТ», выполняемых по заказу-наряду Министерства образования РТ и зарегистрированных в Национальном патентно-информационном центре РТ, Советом по координации научно-исследовательских работ АН РТ работа включена в план научных исследований РТ.

Цель работы. Оценка влияния термодинамических параметров среды на энергетические и экологические показатели теплосиловых установок транспортных машин в горных условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику проведения исследования.

2. Установить закономерности изменения и механизм влияния термодинамических параметров среды в горных условиях на энергетические и экологические показатели АДВС в эксплуатации.