Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах

1. Характерной особенностью развития мирового и отечественного автомобилестроения в прошлом столетии явилось создание и серийное производство грузовых автотранспортных средств (ГАТС), а также легковых, использующих в качестве моторного топлива не только традиционные нефтяного происхождения (бензин, дизельное топливо), но и альтернативные виды топливвысококалорийные газы (с содержанием метана более 90%) и низкокалорийные газы с содержанием метана менее 40%, а также жидкие нефтяные газы (далее газомоторные топлива — ГМТ).

Возможные комбинации топлив для использования в автотранспортных средствах приведены на рис. 1.1.

Для создания производства таких сложных технических систем, какими являются ГАТС, необходимо использовать накопленный опыт отечественного и мирового автомобилестроения и рассмотреть ряд аспектов, лежащих в основе проектирования ГАТС, работающих на альтернативных видах топлива.

Рис. 1.1. Возможные комбинации топлив и привода транспортных.

1.2. Обзор использования альтернативных газомоторных видов топлива дляавтотранспортных средств.

В отечественной практике одновременно с другими странами сжатый природный газ в качестве моторного топлива начал применяться в 1934;1936гг.

В 1939 году был впервые в СССР начат заводской выпуск газобаллонных грузовых автомобилей ЗИС-ЗО и ГАЗ-44, работающих на сжатых промышленных и естественных газах. Эти автомобили выпускались до начала войны.

В эти же годы в Германии работало на сжатом светильном газе (не более 40% метана) до 40 тысяч грузовых автомобилей и автобусов, при этом автомобили заправлялись от передвижных газозаправщиков с давлением 350 МПа. В Италии в 1940 году для питания ГАТС и автобусов было затрачено около 50 млн. м3 природного газа.

Использование газового топлива для автомобилей в Западной Европе в связи с нехваткой бензина [1] достигло максимума в годы второй мировой войны. В последствии в ФРГ вплоть до 50-х годов функционировало 25 заправочных станций, ежегодно заправлявших до 30 млн. м3 газа.

В 1954 году, после появления в стране некоторых ресурсов сжиженных газов, было начато производство газобаллонных автомобилей ЗИС —156А и ГАЗ-51Ж, предназначенных для работы на пропан-бутановых сжиженных газах.

В последующие годы в соответствии с Постановлениями Совета Министров СССР от 21/1−1959г. № ЮЗ и Совета Министров РСФСР от 26/ III- 1959 г. № 483, от 29/ XI- 1959 г. № 1879 и от 1/ XI-1962 г. № 1461 была разработана и утверждена программа строительства на территории РСФСР 169 газонаполнительных станций, проведена подготовка и начато производство 33 тыс. новых ГАТС на Московском и Горьковском автомобильных заводах, в том числе и автобусов на Ликинском, Павловском и Курганском заводах, работающих на сжиженном нефтяном газе.

18 марта 1966 г. вышло Постановление Совета Министров СССР № 210 «О мероприятиях по обеспечению рационального использования нефтепродуктов в народном хозяйстве в 1966 г.», а именно: — по выпуску необходимого количества запасных частей к газобаллонным автомобилям в счет общего плана производства запасных частей-— разработать предложения по материально-техническому снабжению и о максимальном использовании в 1966;1970 годах сжиженных газов па автомобильном транспорте.

Во исполнение Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 910 от 29.09.1967 г. и Приказа Министра автомобильной промышленности от 2.11.1967 г. № 392 Центральный научно — исследовательский автомобильный и автомоторный институт НАМИ, в творческом содружестве с Московским автомобильным им. Лихачева, Горьковским автомобильным и Заволжским моторным заводами, разработал конструкцию и изготовил унифицированную газовую аппаратуру и опытные образцы газобаллонных грузовых автомобилей ЗИЛ-138 и ГАЗ-53−07. Указанные автомобили в 1968 г. успешно прошли Междуведомственные испытания и рекомендованы к постановке на производство.

Техническая документация на унифицированное газобаллонное оборудование передана НАМИ Рязанскому заводу автомобильной аппаратуры, на баллоны для сжиженного газа — Министерству газовой промышленности.

Для реконструкции Рязанского завода автомобильной аппаратуры в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 416 от 10.05.1967 г., отпущено 100 млн руб. и Министерством автомобильной промышленности решался вопрос об организации выпуска газобаллонных автомобилей ЗИЛ- 138 и ГАЗ-5Э-07 [1].

В этот период, по состоянию на ноябрь 1969 г. в США работали на сжиженном газе (смесь пропана и бутана) 250 тыс. автотранспортных средств, на сжатом природном газе только 33 автомобиля. Отпуск сжиженного газа в качестве моторного топлива составил по официальным данным в 1969 г. 3,1 млн. т, в 1970 г -3,5 млн. т. [2].

Япония в конце шестидесятых годов в короткий срок перевела на сжиженный нефтяной газ (пропан + бутан) более 300 тыс. ГАТС, в том числе — весь парк такси и для обеспечения данного автотранспорта топливом был построен по тем временам самый крупный танкер для перевозки сжиженного газа вместимостью 73 800 м3. [2].

В Дании на газообразном топливе к 1970 г. работало 15−16 тыс. АТС и 60 газонаполнительных станций.

В целом, форсирование работ по использованию горючих газов в качестве моторного топлива для АТС велось в Канаде, Австралии. В Европе работали на сжиженном газе в начале семидесятых годов до 100 тыс. АТС и действовали до 500 автомобильных газонаполнительных станции сжиженного газа.

Товарное производство сжиженного газа в СССР составило 4,95 млн. т в 1970 г. и планировалось довести в 1975 г. до 9,0 млн. т. [1].

Приказом Министра автомобильной промышленности СССР от 17 марта 1971 г. № 94 предусмотрено начало серийного выпуска грузовых газобаллонных автомобилей, начиная с 1973 г. на автозаводах ЗИЛ и ГАЗ. В соответствии с этим Приказом период 1973;1980 гг. в качестве первоочередных объектов для перевода на газообразное топливо рассматривался автомобильный транспорт городов (Москвы, Ленинграда, Киева, Волгограда, Риги, Тбилиси, Каунаса, Вильнюса, Еревана, Алма-Аты, Ташкента, Фрунзе, Омска, Сочи, Ялты, Одессы), а также автопогрузчики, работающие в местах с ограниченным воздухообменомавтомобили-самосвалы, работающие в шахтах и карьерах.

К началу 80-х годов ФРГ и США практически прекратили использование автомобилей на ГМТ, а Италия в отличие от них последовательно развивала сеть автомобильных газонаполнительных станций, число которых к 1980 г. достигло 240, а годовое потребление газа автотранспортом составило 300 млн. куб м. [3].

Важным этапом в развитии производства грузовых ГБА были постановления Совета Министров СССР от 16.02 1981г. № 183 и от 1.09.1981г. № 908, которые заложили начало крупномасштабного производства ГАТС, работающих на сжатом природном газе (метане) на автозаводах ЗИЛ и ГАЗ. Постановление Совета Министров СССР № 751 от 13.06.1984 г. «О проведении подготовительных работ по организации производства и использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива на автомобильном, железнодорожном и речном транспорте». В частности планировалось к 1990 г. довести парк газобаллонныхмашин в стране до 1 млн. шт. и построить сеть из 350 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС).

Практическое осуществление программы позволило в 1990 году численность парка автомобилей, работающих на газовом топливе, довести до 315 тыс. единиц, потреблявших более 510 млн. м3 газа, и создать сеть заправочных станций, охватывающую почти всю Европейскую часть СССР и, кроме того, районы Урала и Средней Азии. Несмотря на то, что количество заправочных станций было невелико (действовало всего около 339 станций в 242 городах страны), грузовые автомобили могли осуществлять перевозки от Москвы во все важные окраинные области Европейской части страны используя только газовое топливо.

Промышленностью СССР производилась газобаллонная аппаратура для сжатого природного газа, устанавливаемая на грузовые автомобили и автобусы. Этой аппаратурой могли оснащаться 13 моделей выпускаемых в СССР автомобилей. Основные модели автомобилей ЗИЛ, ГАЗ, КамАЗ и автобусов ЛАЗ выпускались в газовой модификации, укомплектованными газобаллонной топливной аппаратурой. Газобаллонная аппаратура для работы на сжиженном нефтяном газе (СИГ) производилась в СССР в модификациях, позволяющих комплектовать 14 моделей грузовых автомобилей, автобусов и легковых автомобилей. Также как и на сжатом газе автомобили ЗИЛ, ГАЗ и автобусы ЛАЗ выпускались в модификациях, позволяющих работать па СНГ. Производилась также модификация легкового автомобиля ГАЗ-24 «Волга», работающая на СНГ.

За период 1991;1995 гг., по данным Госплана СССР, планировалось ЗИЛу обеспечить выпуск автомобилей: — работающих на сжиженном газе ЗИЛ-138, ЗИЛ-138В1, ЗИЛ-131, ЗИЛ-ММЗ-45 023 в объеме 48 768, а комплектов для переоборудования 37 787, что составляло 16% и 21,4% от общего объема потребностей-— работающих на сжатом газе ЗИЛ-138А, ЗИЛ-131А, ЗИЛ-43 316, ЗИЛ-45 054, ЗИЛ-138АВ (седельный тягач) — 54 168, комплектов для переоборудования -28 095, что соответствовало соответственно 23,2% и 28,3% от общего объема потребностей на период 1991;1995гг.

После распада СССР, когда директивные формы регулирования потребления моторного топлива исчезли, а поставки жидкого нефтяного топлива еще не сократились, применять газобаллонные АТС стало экономически невыгодным, и в итоге их парк в России сократился до 30 тыс. шт., а средняя загрузка АГНКС — до 10% их производительности. И лишь в некоторых районах стран ближнего зарубежья (например, Украины, Белоруссии, Узбекистана), где имеются трудности с приобретением жидких нефтяных топлив, парк газобаллонных АТС сохраняется и держится загрузка газонаполнительных станций.

Третье обращение к природному газу как моторному топливу произошло в середине 1990;х годов, когда во многих крупных городах в связи с ростом автомобильного парка вновь резко обострилась экологическая обстановка. В январе 1993 года правительство РФ приняло Постановление № 31, которым намечалось с 1993 г. восстановить на ряде автозаводов производство газобаллонных автомобилей, а также организовать перевод части действующего парка машин на работу на сжатом природном газе (в рамках проектамежотраслевых комплексных мероприятий на 2001;2005 годы «Природный газмоторное топливо XXI века»)Для города Москвы работа по использованию альтернативных видов топлив в последнее десятилетие ведутся по Постановлению Правительства г. Москвы: — № 341 апрель 1996 г. «О мерах по снижению вредного влияния автотранспорта на экологическую обстановку в г. Москве», которым предписывалось наряду с другими экологическими мероприятиями уже в 1997 г. начать работу по переоборудованию городских автобусов и муниципального городского автотранспорта. Организует эту работу управление транспорта и связи, роль головного исполнителя возложена на ЗАО «Мосэкотранс"-— совместное Постановление (№ 943/134 от 26 ноября 1996 г.) правительства Москвы и РАО «Газпром» о мерах по охране атмосферного воздуха в г. Москве за счет расширения использования сжатого природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте-— № 170-ПП от 12.03.2002 г.

По постановлению Госстандарта России от 01.04.1998 г. № 19, с 2001 года двигатели автомобилей с полной массой менее 3,5 т должны соответствовать экологическим нормам ЕЭК ООН «Евро-2», а дизельные двигатели для автомобилей полной массой более 3,5 тнормам «Евро-3».

Кроме того, в соответствии с «Концепцией развития автомобильной промышленности России» переход на 100% выпуск техники соответствующей нормативам: ЕВРО 2 запланирован на 01.01.2006 г.-ЕВРО 3 запланирован на 01.01.2008 г.-ЕВРО 4 запланирован на 01.01.2010 г. [4]Перевод двигателей на природный газ позволяет уже в ближайшее время и с минимальными затратами вывести российские двигатели на уровень требований «Евро-2».

По прогнозам Министерства энергетики России в 2000;2020 годах внутреннее потребление моторного топлива должно вырасти с 61 до 99 млн. тонн в год. Энергетическая стратегия России предусматривает, что к 2010 году газовыми видами топлива должно быть заменено до 5 млн. тонн, а к 2020 году до 10−12 млн. тонн жидкого нефтяного топлива.

Интерес к использованию природного газа на транспорте возрос в период мирового энергетического кризиса. В настоящее время во многих странах мира (США, Канада, Н. Зеландия, Западная Европа, Австралия и др.) приняты национальные и региональные программы перевода части АТС на альтернативные виды моторного топлива.

В 1995 г. в мире эксплуатировалось около 1 млн. автомобилей использующих в качестве моторного топлива сжатый природный газ, в т. ч. 351 тыс. ед. в Италии, 220 тыс. ед. в Новой Зеландии, остальные — в США и Канаде [5], в 2001 г. на сжатом природном газе в мире работало 1,5 млн. АТС [3].

Таким образом, в итоге развития мировой и отечественной автомобильной промышленности 20-го столетия по выпуску АТС, работающих на ГМТ, явилось: — мировой автомобильный парк, работающий на сжатом природном газе, ГАТС численностью 1,5 млн.-— создание в стране мощностей по производству ГАТС, работающих на ГМТ, том числе на AMO ЗИЛ до 100 тыс.-— создание в стране транспортной инфраструктуры из 350 АГНКС-— создание к 1991 году парка ГБА численностью более 315 тыс. с потреблением 510 млн. м3 газа. Кроме того, автомобильная промышленность разработала и проводила комплексные испытания широкого ряда автомобилей на водороде. Известно, что первый автомобиль с ДВС был приспособлен лейтенантом ПВО Шелещем для работы на водороде в 1942 году в блокадном Ленинграде. А в 80-ые годы прошлого столетия AMO ЗИЛ провел испытания ГАТС ЗИЛ -^31 410, работающего на бензо-водородо-воздушной смеси с системой хранения водорода в металлогидридных модулях.

В рассмотренный период в работах по проектированию и испытаниям АТС и ДВС на ГМТ и исследованию проблем применения ГМТ на автотранспорте работали: Самоль Г. И., Гольдблат И. И., Генкин Г. А., Кригер A.M., Островцев А. Н., Мазепа В. Г., Брагин A.B., Морев А. И., Загладин П. Г., Васильев Ю. Н., Гриценко А. И., Гайнулин Ф. Г., Мкртычан Я. С., Ерохов В. И., Карп И. Н., Пятничко А. И., Кабалкин В. Н., Гусаров А. П., Гусаров В. В., Лукшо В. А. и др.

Анализ перечисленных основных этапов развития отечественной автомобильной промышленности по выпуску АТС, использующих в качестве моторного топлива газомоторные топлива показал следующее: — процесс развития, производства АТС, работающих на ГМТ, и соответствующей инфраструктуры осуществлялся директивно в условиях централизованной экономики-— содержанием проектирования для автозаводов являлось конструирование, заключавшееся в адаптации существующих конструкций АТС к хранению на борту и использованию ГМТ-— проектированием транспортной инфраструктуры занимался Совет Министров СССР.

1.3. Энергетическая составляющая в автотранспортном комплексе менедународной системы товародвижения.

С 1901;2004 годы интеграционные процессы в международных отношениях для нашей страны приобретают новые качественные и количественные параметры, особенно в таких областях, как торговля, транснациональная деятельность, транспорт. Международная система товародвижения, в основе которой лежит транспорт, становятся важным фактором эффективного экономического развития нашей страны, при этом надо учесть, что и сами транспортные средства являются товаром. Концепция действующей в этом случае международной системы товародвижения основывается на интермодальном подходе, а основной частью концептуальной модели становятся международные транспортные коридоры (МТК) [6].

Отведенные под интернациональные цели транспортные коридоры можно рассматривать как часть и национальной, и международной транспортной системы. И в том и в другом качестве она обеспечивает транзитные грузовые и пассажирские перевозки между географическими районами, включает в себя подвижной состав и стационарные устройства, а также совокупность унифицированных технологических, организационных и правовых условий их осуществления (рис. 1.2 выполнен с учетом [6]).

Главные требования в технологии международных коридоров — доставка грузов «от двери до двери» и «точно в срок», что не возможно без использования автотранспорта.

Рис. 1.2. Транспортный комплекс как единая управляемая система: Кл — информационный канал «наблюдения» за нормативно-правовыми и финансово-экономическим состоянием страны-Ко — информационный канал учета влияния результатов регулирования транспортной системы страны-Ку — информационный канал передачи регулирующих нормативно-правовых актов и финансово-экономического состояния страныНе — каналы научного сопровождения.

Схем"!транспортных коридорои:.iii.Mi «. IТранссиб" — 2-fl ПамъспропсПскмИ (кршскнП) Tp. iiicnopiiiufl коридорооо 9-» Паш-спропсЛскиП (критский) транспорт nurt корииор, корилор 'П'ЛСЦКАСеверный морской путь',.САМ————железнодорожная трасса Ипсгичный^ Китай—Клэлхсглн-., коридор Север—ЮгРис.1.3. Схема транспортных коридоров.

Принципиально при этом то, что транспортная стратегия России, одобренная правительством в конце 2003 года, исходит из развития целых направлений (включая транспортную инфраструктуру), которые основаны на концепции транспортных коридоров, которая должна быть сформирована в течение 20 лет (рис. 1.3).

Транспортировка по таким коридорам становится выгодным бизнесом, т. к. стоимость перевозки одной тонны груза предположительно снижается на 5−10 долларов США [7].

Быстрое развитие экономики азиатских регионов России и выход на рынки азиатско-тихоокеанский регион (АТР) следует рассматривать в качестве главного инструмента укрепления позиций нашей страны [8].

Подключение в перспективе новых линий к экспортному газопроводу Западно-Сибирского региона даст основание создать в азиатской части России Единую газотранспортную систему. И это лишь один из возможных результатов экономически выгодной транспортной политики в отношении МТК.

Изменения общественных отношений в период 1986;2004 годов отразились и в проблемах транспорта нашей страны и, в том числе, в развитии автотранспорта.

Цель транспортного комплекса (ТК) СССР заключалась в удовлетворении возрастающей потребности в перевозках с минимальными издержками (при контроле за себестоимостью). На основании этой цели планово формировались задачи (и задания) для каждого вида транспорта по различным направлениям перевозочной деятельности. Финансовые мировые структуры не вмешивались в монопольно-управляемый ТК и не предлагали провести приватизацию.

В таких экономических условиях транспорт с минимальным управленческим персоналом обеспечивал увеличение общетранспортного эффекта, чем простая сумма эффектов отдельных видов транспорта. И действительно, себестоимость грузовых перевозок транспорта общего пользования в 1989 году составляла всего 2,5 руб./т (в СЛТТА 12 руб./т, в ЕС — 8 руб./т), или 3,99 коп/т км, а себестоимость пассажирских перевозок — 20,3 коп/на 1 пассажира, или 12,7 коп/ 10 пасс. — км.

Рентабельность ТК была высокой и составляла 33,2%, что обеспечивало отрасли расширенное воспроизводство. Пи одна из зарубежных транспортных компаний в ценовой конкуренции не могла соревноваться с ним. В мире не было более эффективной большой транспортной системы.

В настоящее время, кроме государственной, появились общественная (акционерная), смешанная, частная, муниципальная собственности и т. п.

Сбор данных о состоянии отечественного транспорта после длительного периода преобразований свидетельствует, что себестоимость перевозок грузов достигла 151 руб./т., а пассажиров — 70,4 руб./пассажира при рентабельности к текущим расходам всего 4,9% (данные 2002 года) и 1.5% к основному капиталу [6].

Следовательно, разнообразные сочетания государственных планово-административных и рыночных экономических условий позволяют сформулировать новую цель транспорта как удовлетворение потребностей в перевозках, но при условии максимализации стоимости транспортных услуг [7].

В мировом грузообороте доля грузооборота автомобильного транспорта весьма незначительна и не превышает 8%. Однако в мировом объеме перевозок автомобильный транспорт занимает ведущее положение. Объем перевозок грузов автомобильным транспортом в мировом объеме перевозок составляет 80−85% (около 132 млрд. т. при средней дальности перевозки 1 т., равной 28 км). К 2010 году общий объем перевозок грузов автомобильным транспортом может достигнуть более 200 млрд. т. [9].

Перевозки грузов, осуществляемые соответствующим парком транспортных средств, обусловливают значительное потребление энергии. Основным видом топлива для мирового автомобильного парка являются бензин и дизельное топливо. Потребление этих нефтяных продуктов в мире составляет около 650 млн. т. По отдельным странам доля нефтепродуктов, потребляемых автомобильным транспортом, колеблется от 40 до 60% общего их потребления. Общая мощность мирового автомобильного парка составляет более 51,5 млрд. кВт., что значительно больше мощности всех электростанций на Земле [9]. На автомобильном транспорте мира занято около 75 млн. человек, к 2010 году мировой автомобильный парк составит более 720 млн. ед.

В России автомобильным транспортом перевозится 55% грузов, а доля грузооборота автотранспорта составила 9%. Успех в деятельности грузоперевозок автотранспортом в первую очередь определялся уровнем развития автомобилестроения, доля которого в машиностроительном комплексе страны в 80-е годы составляла 65% [10] и оценивалась объемом производства более 820 тыс. грузовых автомобилей [11].

Характерной особенностью автомобильного парка нашей страны было то, что 70% выпускаемых грузовых ГАТС в 1993 г. приходилось на долю ГАТС грузоподъемностью 2500 — 7500 кг., с преобладанием бортовой платформы, которые в основном использовались в сельском хозяйстве, строительном комплексе и Вооруженных силах страны.

С другой стороны структура зарубежных автомобильных парков существенно отличалась от отечественной по степени специализации и средней грузоподъемности: — уровень специализации грузового парка США оценивается в 95,1% априцепного парка 83,3% (т.е. на каждые 100 грузовых автомобилей будетприходиться 10,8 единиц прицепного состава). Средняя грузоподъемность автомобилей США (с учетом пикапов) составляет 2200 кг (а без пикапов -5000 кг)-—■- уровень специализации грузового автомобильного парка ФРГ составляет 98,4%, а средняя расчетная грузоподъемность составляет 3100кг-— для Англии уровень специализации грузового автопарка составляет 77,5% при средней грузоподъемности 2000 кг-— уровень специализации автопарка Японии составляет около 70% при средней грузоподъемности 2100 кг.

За рубежом в специализированных автотранспортных средствах перевозится от 85 до 90% всех грузов автомобильного транспорта [9].

Характерной особенностью зарубежных парков является рационализация их структуры по типу двигателей, обеспечивающая экономию бензина и дизельного топлива. Например, удельный вес дизельных автомобилей в общем парке ФРГ составляет 16,1%.

Из сказанного выше следует, что в настоящее время отечественная транспортная система по сравнению с 1989 г. характеризуется: — себестоимость грузовых перевозок транспорта общего пользования увеличилась в 60,4 раза, а себестоимость пассажирских перевозок — 346,8 раз-— рентабельность транспортного комплекса снизилась до 4,9% (или в 6,8 раз)-— международная система товародвижения, в основе которой лежит транспорт, является важным фактором эффективного экономического развития нашей страны-— концепцией международного товародвижения являются международные транспортные коридоры (МТК), сеть которых должна сложиться на территории РФ в течение 20 лет-— создание в Западной Сибири новых экспортных газопроводов, которые могут служить базой формирования автотранспортной структуры в рамках МТК-— узловыми моментами реализации транспортной услуги по линии международных транспортных коридоров (МТК) по принципу доставки грузов «от двери до двери» и «точно в срок» будут: ценовая политика при формировании тарифов, развитие ГАТС и их специализация-— изменение принципа формирования ценовой стратегии тарифных плат: переход от стратегии минимизации себестоимости грузовых перевозок к стратегии максимизации стоимости транспортных услуг-— энергетическая составляющая мирового автопарка 720 млн.ед. характеризуется общей мощностью более 51,5 млрд. кВт и специализацией структуры грузового автотранспорта от 70,0% (в Японии) до 98,4% (ФРГ) при средней грузоподъемности 2000;3100 кг.

1.4. Анализ мирового производства грузовых автотранспортных средств.

По данным Международной организации автомобильных производителей OICA общий объем выпуска грузовиков и автобусов в основных странах мира в 2002 году составил 16,1 млн. единиц, чуть сократившись по сравнению с двумя предыдущими годами, а выпуск грузовиков и грузопассажирских АТС достиг 15,8 млн. штук [12].

Статистика OICA наглядно отражает общее положение в мировом производстве ГАТС всех классов. Ее по-прежнему возглавляют 4 крупнейших мировых изготовителя — General Motors, Ford, Daimler Chrysler и Toyota, выпустившие в 2002 г. от 1,1 до 3,4 млн. ГАТС.

По сведениям «АСМ-холдинга» в 2002 г. в России, Беларуси и Украине изготовлено 191,2 тыс. различных ГАТС для перевозки грузов, что составляет 1,47% от общего объема производства по данным OICA.

Российские заводы обеспечивали к середине восьмидесятых годов производство 820 тыс. ГАТС (в основном, грузоподъемностью 2500−7500 кг) и входили в десятку крупнейших производителей грузовых автомобилей в мире.

Однако, ухудшение экономического состояния страны в девяностые годы коренным образом сказалось на снижении объемов грузоперевозок автомобильных транспортом в 2,5 раза (в период 1991;1997 гг. объем грузоперевозок снизился с 8 млрд. т. км до 3,1 млрд. т. км). Данное обстоятельство привело к снижению спроса на ГАТС отечественных автозаводов.

Аналогичная ситуация наблюдалась и на КамАЗе: падение выпуска ГАТС составило до 84%, а на ГАЗе — до 66%.

Объемы выпуска известных моделей ГАТС образца 80−90 гг. прошлого столетия сегодняшний рынок не в состоянии поглотить и купить с учетом возросших требований к надежности, экологии, топливной экономичности и эргономики, в связи, с чем автозаводы терпят убытки, а спрос удовлетворяется импортными подержанными ГАТС.

Подержанных ГАТС в 2003 г. ввезли 36 тыс., что на 53,9% больше, чем в 2002 году (23,4 тыс.), при этом значительная доля прироста была обеспечена не европейскими моделями, а японскими.

Из сказанного выше вытекает, что упущенная выгода отечественного автопрома в 2003 г. составила, соответственно, 43 122 единицы, в том числе: — импортных новых грузовых автомобилей — 2835 ед.-— новых тягачей — 987 ед.-— легких коммерческих автомобилей — 3300 ед.-— подержанных ГАТС — 36 000 ед.

А в 2004 г ввезено по импорту 80 136 ГАТС, что составляет 39,6% от их общего объема производства, при этом объем ввоза бывших в эксплуатации ГАТС составил 87,8% (или 70 325 шт.) от общего объема ввоза [4].

2003 г. показал, что потребители нашей страны оказались не готовы покупать более дорогие экологически чистые ГАТС и двигатели. Так по данным ЯМЗ внедрение норм EURO I повысило стоимость двигателей на 20%, EURO IIна 35 — 38% а введение EURO III еще на 40−50%.

Особенностью российского автомобилестроения в условиях рыночных отношений 2003;2005 гг. необходимо отметить нарастающую конкуренцию междуавтозаводами в области создания и выпуска ГАТС грузоподъемностью 3500−6000 кг: ГАЗ — возрождение производства среднетоннажников ГАЭ-3307, ГАЭ-3309 и ГАЗ-ЗЗО8 и нового «Валдай» с объемом выпуска в 2005 г. 30 тыс. ед.

КамАЗ — в 2003 г. запустил серийное производство 5-тонного городского пизкорамного автомобиля KAMA3−4308 «Тулпар», который должен конкурировать на рынке с минским «Зубренком» MA3−4370.

В 2004 г. КамАЗ запустил производство KAMA3−4307 грузоподъемностью 3200 кг, призванного конкурировать с московским «Бычком» ЗИЛ-5301.

В соответствии с «Концепцией развития автомобильной промышленности России» объем выпуска ГАТС к 2010 году должен достичь 275−310 тыс. единиц [4].

Таким образом, приведенная статистика структуры производства отечественного и мирового автопрома свидетельствует: — основной объем производства ГАТС приходится на 4-х крупнейших производителей General Motors, Ford, Daimler Chrysler и Toyota.— изменение экономических принципов управления в нашей стране в 90 годы привело к падению объемов производства ГАТС в 4,7 раза-— возросшие требования к эффективности конструкций ГАТС и транспортному процессу ведут к снижению востребованности рынка к отечественным автомобилям материальной базы производства уровня 90 годов, при этом запланировано к 2010 году объем выпуска ГАТС увеличить на 62% по сравнению с 1992 годом-— упущенная выгода отечественного автопрома в 2003 г. составила 43 122 единицы ГАТС, а в 2004 году — 80 136 ГАТС.

1.5. Мировой автопром с точки зрения мирового финансового рынка.

Общий объем сделок в мировой автомобильной промышленности в 2002 г. по сравнению с 2001 г. вырос на 85%, а количество сделок увеличилось на 35% [13] (табл. 1.1)Таблица 1.1Характеристика мировой автомобильной промышленности.

Наименование показателя 2001 г. 2002 г. Прирост показателя,%Объем сделок, млрд.дол. 19,0 35,1 16,1Количество сделок 461 621 160Непосредственно в автомобилестроении количество сделок увеличилось на 34,7%, а объем сделок увеличен на 84,7% по сравнению с 2001 г. и составил 10 млрд. дол. (табл. 1.2). Причем главной тенденцией в сделках — это объединение фирм-производителей, так в Китае за год было заключено 18 таких сделок.

Таблица 1.2Показатели роста автомобилестроения в мире.

Наименование 2001 г. 2002 г. Прирост, %показателя Количество сделок 57 69 12Сумма сделок, млрд.дол. 2,2 10 7,8Вторым по объему сделок в 2002 г. стал рынок продаж автомобилей, включая розничные, оптовые и вторичные продажи, а также рынок аренды (табл. 1.3). Так в 2002 году зафиксирован рост сделок на 51% с сопровождением роста объема на 72,5% по сравнению с этими же показателями в 2001 г.

Таблица 1.3Показатели мирового рынка продаж автомобилей.

Наименование показателя 2001 г. 2002 г. Прирост, %Количество сделок всего (розничные, оптовые, вторичные) 184 278 94Сумма сделок, млрд. дол. 5,1 8,8 72,5Количество сделок в секторе розничных продаж 68 127 68Сказанное выше еще раз свидетельствует о дальнейшей глобализации мирового автомобильного рынка. Так по оценке Price Waterhouse Coopers среднее значение индекса глобализации отрасли в 2010 году должен составить 60%, что в 2 раза больше, чем этот показатель был в 1990 году [13]: Индекс глобализации 1990 г. 2001 г. 2010 г. автомобильной промышленности 30% 53% 60%Из приведенных результатов видно, что суть быстро идущих процессов глобализации мировой автомобильной промышленности заключается в том, что основные производители все меньше привязывают свои заводы непосредственно к рынкам реализации, размещая их в наиболее экономичных и удобных зонах (в основном за счет дешевой рабочей силы), т. к. качественный продукт при минимальных затратах более ценен в конкурентной борьбе, нежели географическое положение производств, т. е. «Глобальный рынок для мирового продукта». Примером может служить проводимые в настоящее время переговоры о создании крупнейшего в мире автомобильного альянса с объемом выпуска 15 млн. автомобилей в год в составе General Motors, Renault и Nissan [14].

1.6. Природный газ в структуре топливно-энергетическогокомплекса РФ.

Созданный за годы советской власти самый мощный высокоэффективный топливно-энергетический комплекс, который является единственным в мире и полностью обеспечивает страну топливом и энергией за счет собственных ресурсов, осуществляет экспорт топлива и электроэнергии в значительных объемах.

За последние два десятилетия прошлого столетия было осуществлено крупномасштабное мероприятие по дальнейшему улучшению структуры топливно-энергетического баланса страны за счет снижения в нем доли нефти как топлива и замены ее газом, и совершенствования технологи ее переработки (табл. 1.4) [3].

Таблица 1. 4Прогноз потребления моторных топлив в России.№-№- п/п Потребление первичных моторных топлив в РФ 1995 г. 2000 г. 2010 г.

1 Добыча нефти и конденсата, млн.т. 307 270−310 280−3502 Добыча газового конденсата, млн. т. 20,8 32,4 н.п.

3 Добыча природного газа, млрд. м3 585 660−740 740−8604 Потребление нефтяных топлив, получаемых из природного газа, млн. т.: — компримированный (сжатый) 0.3 1.0 2.5природный газ- - сжиженный природный газ- - - 2,0- синтетическое моторное топливо. 0.5 В нашей стране, как известно, 90% топливно-энергетических ресурсов сконцентрировано к востоку от Урала, и метан содержится не только в свободном состоянии, но и в углях: в процессе углефикации от бурых углей до антрацитов образуется до 200 м метана на 1 тонну угольной массы. Так углями месторождений Восточно-Европейской платформы прогенерирован около 6,72×1015 м 3 метана, что значительно превосходит потенциальные ресурсы свободного природного газа в залежах территории нашей страны [15].

Об экономике различных видов топлив можно судить по динамике производительности труда и удельных капитальных вложений в топливно-энергетическом комплексе: — производительность труда в газовой промышленности выше в 5−6 раз, чем в угольной, и в два раза, чем в нефтяной-— удельные капитальные вложения примерно одинаковые для нефтяной и газовой промышленности (для середины 80-х годов) [16]. В последние годы у нефтяников оказались в 2,5 — 3 раза выше-— уголь тоже пока не может заменить нефть и служить дешевым источником моторного топлива, хотя, как было сказано выше, в нем тоже содержится (прогенерированный) метан-— в лесной промышленности на лесосеках ежегодно остается 60 миллионов тонн древесных отходов, из которых можно изготовить газообразное топливо.

Австралийскими учеными были исследованы 14 видов топлива, включая бензин, дизельное топливо с низким и сверхнизким содержанием серы (ДТнсс и ДТссс), этанол, сжиженный нефтяной газ, несколько видов био-топлива, водород, природный газ в компримированном и сжиженном состоянии и т. д.

По результатам исследования всей технологической цепочки: «добычапереработка — транспортировка (передача) — реализация (заправка автомобиля)» оказалось, что самым экологически чистым моторным топливом является сжиженный природный газ. На втором месте находится компримированный природный газ (КПГ), на третьем — сжиженный нефтяной газ.

Поэтому неизбежен рост парка транспортных средств, работающих на КПГ. Дополнительными мотивами для этого являются периодические (раз в 10−12 лет) резкие скачки цен на нефть и продукты ее переработки на мировом рынке, а также увеличение средневзвешенной цены на бензин из-за огромных затрат на его перевозку. Причины такой диспропорции заложены в структуре отечественной нефтеперерабатывающей отрасли [17]: — примерно половина всех нефтеперерабатывающих мощностей сосредоточена в-Поволжье и Западном Урале — около 128 миллионов тонн-— на Сибирь, которая является основным нефтедобывающим регионом, приходится всего четыре НПЗ с общим объемом переработки 50 миллионов тонн-— Европейская часть России, Центральный федеральный округ — это 44 миллиона тонн по объему нефтеперерабатывающих мощностей-— в Северо-Западном федеральном округе — около 30 миллионов тонн.— на Дальний Восток приходится 10 миллионов тонн-— на Юг России — меньше 8 миллионов.

Экономическая целесообразность применения газобаллонных автомобилей заключается в сокращении эксплуатационных затрат и себестоимости транспортной работы. Величина ежегодно высвобождаемых средств за, счет перехода на более дешевое топливо сопоставима с затратами на переоборудование транспортного средства.

В целом газ для автотранспорта дешевле традиционных видов нефтяных моторных топлив за счет положения Правительства Российской Федерации от 15 января 1993 г. № 31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» предусматривает следующее: «Установить на период действия регулируемых цен на природный газ, поставляемый населению, предельную отпускную цену на сжатый природный газ, производимый автомобильными газонаполнительными компрессорными станциями, в размере не более 50% от цены реализуемого в данном регионе бензина А-76, включая налог на добавочную стоимость». Данное положение является главным экономическим стимулом для перевода транспортных средств на компримированный природный газ. Расчетные показатели экономического эффекта перевода разных типов автомобилей на газовое моторное топливо, в условиях сложившихся цен намоторные топлива и газобаллонное оборудование (II квартал 2000 г.) приведены в табл. 1.5.

Таким образом, аспект «топливно-энергетического комплекса РФ» характеризуется:1. Приоритетностью природного газа: — по структуре запасов в недрах земли-— по объему добычи в структуре природных энергоносителей-— по эффективности добычи и переработки.

2. Неравномерностью распределения НПЗ по территории РФ, что предопределяет разброс цен на нефтяное топливо за счет потерь на перевозки.

Таблица 1. 5Экономический эффект от перевода автомобилей на Kill *.

Показатели ГАЗ-3302 («Газель») зил- 4314(130) Годовой пробег, тыс. км 25,0 30,0 30,0 Годовой расход топлива, л 5100 9000 Газовое топливо ген КПГ ген КПГЭквивалентное количество ГМТ (СНГ — л, КПГ — нм3) 6630 5100 11 700 9000Годовая экономия на топливе, тыс. руб. 10,71 17,85 9,90 22,5Стоимость комплекта газобаллонного оборудования (АО «Автосистема»), тыс. руб. 5,21 14,32 7,40 24,98Срок окупаемости, — по времени, месяцев — по пробегу, км 6,0 14 700 9,5 24 000 9,3 23 300 13,3 33 300Чистый экономический эффект за 3 года тыс. руб. 22,92 39,23 22,30 42,52* По данным НАМИ на период 2004 г.

1.7. Водородная энергетика в стратегии международногоэнергопотребления.

В странах-участницах «Организации экономического сотрудничества и развития» доля природного газа в общем балансе первичных энергоносителей составляет сегодня примерно 20%. До 60% природного газа поставляется конечным потребителям в промышленности и коммунально-бытовом секторе, 40% газа идет на выработку электроэнергии. С увеличением численности населения Земли и развитием экономики доля газа вырастет к 2020 году до 25%, доля нефти будет составлять примерно 40% [18].

Мировое потребление нефтепродуктов на транспорте составляет 637 млн.т. бензина и 327 млн. т. дизельного топлива.

Транспорт расходует около половины мировой добычи нефти. В США 65% всей потребляемой нефти используется транспортными средствами.

Энергетические ресурсы, их распределение и потребление являются мощным фактором, влияющим на благосостояние человеческого общества и международные отношения. Одним из важных направлений технического прогресса энергетики, которое будет способствовать устойчивому развитиюмирового общества, является освоение использования в энергетике водорода, т. е. переход к новому высокотехнологичному направлению развития энергетики, получившее признание как «Водородная энергетика» или «Водородная экономика».

При масштабном освоении технологий производства, транспорта и хранения водород может быть использован для решения ряда проблем большой энергетики. Среди них следует выделить: аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение.

В настоящее время наиболее рентабельным способом производства водорода является паровая конверсия метана. Согласно данным Минэнерго США в 1995 г. стоимость водорода для условий большого завода составила $ 7.00 за ГДж. Это эквивалентно стоимости $ 0.24 / л бензина при стоимости природного газа $ 2.30 / ГДж (80дол. / 1000 куб. нм). Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий, оценивается по затратам от $ 10.00 до $ 20.00 за ГДж в зависимости от стоимости электроэнергии и капитальных вложений в электролизеры [18].

Транспорт, промышленность и коммунально-бытовой сектор в развитых странах используют водород в течение многих лет. Освоено применение водорода в ракетной технике. На сегодня рынок водорода в мире составляет 50 млн. т., в том числе США 12 млн. т. К 2010 г. рынок водорода в мире по оценкам возрастет до 100 млн. т., из которых на США придется 50 млн. т.

Работы по применению водорода направлены как на улучшение углеводородного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, так и на использование электрохимических генераторов (ЭХГ).

Использование водорода индивидуальными потребителями ставит проблему локального хранения. Особенно это важно при использовании водорода в автомобилях, где наряду с требованиями безопасности, должны быть обеспечены высокие показатели по удельной мощности на единицу массы и объема. Создание металлических или композитных (металл + углеродное волокно) резервуаров, пригодных для эффективного хранения водорода на транспорте, требует применение высоких технологий. Одним из последних примеров в этом направлении является разработка и испытание Центром Келдыша совместно с институтами ракетной промышленности композитных баллонов диаметром до 400 мм для хранения водорода при давлении до 70 МПа на автомобиле.

Становление атомно-водородной энергетики потребует развития специальных инновационных технологий. Среди них: высокотемпературные реакторы, агрегаты для эффективного производства водорода из воды, водородный топливный элемент, химотермические преобразователи, хранение и транспортировка водорода. При освоении атомноводородной энергетики должныбыть решены проблемы водородной безопасности на всех звеньях обращения с водородом: при его производстве, хранении, транспортировке, использовании.

В странах ЕС действует программа НИОКР по созданию водородных автобусов и реализуется ряд других проектов, связанных с созданием инфраструктуры обеспечения водородом. Организовано Берлинское партнерство чистой энергии (СЕР), членами которого являются BMW, Daimler-Chrysler, Ford, MAN, Opel и др. На правительственном уровне многие страны приняли важные решения об ускорении развития водородной энергетики и технологии.

В этой связи характерно решение президента США Дж. Буша о включении водородной экономики в число национальных приоритетов США. Конгресс США принял решение о выделении финансирования в размере 1.3 млрд. долларов на работы по топливным элементам для автомобилей.

В ноябре 2003 года 15 стран подписали Соглашение «Международное партнерство по водородной экономике». Участниками Партнерства стали Австралия, Англия, Бразилия, Германия, ЕС, Индия, Исландия. Италия, Канада, Китай, Норвегия, Республика Корея, Россия, США, Франция, Япония.

1.8. Альтернативные виды топлива, как направление решенияэкологических проблем.

В России сейчас эксплуатируется более 36 млн. автомобилей, а к 2015 году прогнозируется увеличение автопарка страны до 39 млн. шт. При этом доля иномарок постоянно растет, к 1 января 2007 года составила около 6 млн. шт.

Таблица 1.6 Европейские требования к выбросам вредных веществ автотранспортных средств.

Выбросы, мг/км Евро-3 Евро-4 Евро-5 (проект) бензин дт бензин дт бензин ДТСО 1500 600 1000 500 1000 500углеводороды НС 170 — 100 75 50NOx 140 500 80 250 60 200HC+NOx — 560 — 300 — 250твердые частицы — 50 — 25 5 5Кроме того, разработан проект специального Технического регламента «О требованиях к бензинам, дизельному топливу и отдельным горюче-смазочным материалам», где четко определены сроки, когда производители вынуждены будут обеспечить выработку топлив для соответствующих классов автомобилей.

В России, и особенно в Москве, одном из крупнейших мегаполисов мира, проблема снижения интенсивности загрязнения воздуха стоит наиболее остро. В настоящее время на долю автомобильного транспорта приходится более 85% (для сравнения: в крупных городах США — до 95%) от общего количества загрязнений.

Автомобильный парк города Москвы по прогнозам возрастет до 3,3 млн. АТС к 2010 году.

В табл. 1.7 приведены годовые данные о выбросах вредных веществ по компонентам без учета и с учетом коэффициентов относительности агрессивности.

В структуре выбросов вредных веществ особое место занимают оксиды азота и твердые частицы, как правило, в виде сажи. Несмотря на то, что в суммарных объемах их количество минимально, но с учетом высоких значений их коэффициентов относительной агрессивности их влияние на окружающую среду и здоровье человека становится очень заметным.

В табл. 1.8 приведены данные, характеризующие экологические характеристики автотранспорта города в зависимости от годового пробега.

Из анализа данных таблицы следует, что именно дизельный транспорт города вносит решающий вклад в объемы выбросов оксидов азота и веерных частиц в виде сажи.

Таблица 1.7Выбросы основных компонентов загрязняющих веществ в атмосферный воздух города в 2002 году (по данным НАМИ).

2002 год (без учета коэффициентов относительной агрессивности) Выбрасываемые вещества, тыс. тонн. СО СН 1МОх Твердые частицы Итого752,3 130,9 145,7 1,9 1030,8Показатели относительной агрессивности 1 2,16 6,9 144 2002 год (с учетом коэффициентов относительной агрессивности) 752,3 282,7 1005,3 273,6 2313,9Таблица 1.8Экологические характеристики основных видов автотранспорта города в зависимости от годового пробега (по данным НАМИ).

Тип автомобиля Топливо Годовой пробег, км. Средние выбросы вредных веществ, г/км СО СН Шх СажаЛегковые бензин 16 000 16 3,5 2 0Грузовые бензин 40 000 84 13 8 0Грузовые дизельное 40 000 9,5 3,5 16 0,6Автобусы бензин 54 000 84 13 8 0Автобусы дизельное 54 000 9,5 3,5 16 0,6Из 280 тысяч дизельных автомобилей, состоящих сегодня на учете в ГИБДД ГУВД г. Москвы:-215 тыс. — легковых автомобилей преимущественно иностранного производства—52 тыс. грузовых автомобилей (КамАЗ, ЗИЛ, МАЗ)—13 тыс. автобусов отечественного и иностранного производства.

Сравнивая данные по массовым выбросам загрязняющих веществ с отработавшими газами двигателей транспортных средств в условиях повседневной эксплуатации, полученные Институтом автомобильного транспорта Минтранс России, приведены в табл.1.9. К 2010 году запланировано снизить экологическую нагрузку на 220 млрд руб. [4].

С точки зрения экологии газовые виды топлива могут успешно конкурировать с традиционными видами даже в случае установки на базовых автомобилях систем нейтрализации выхлопных газов. Кроме того, газовое топливо практически не содержит веществ, являющихся каталитическими ядами для нейтрализаторов (сера, свинец и пр.).

Таблица 1.9Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами ДВС, кг на тонну сгоревшего топлива (по данным НАМИ).

1.9. Требования к проектированию автотранспортных средств.

Проведенный анализ исторического аспекта развития автомобилестроения по выпуску ГАТС, работающих на ГМТ, у нас в стране и за рубежом во 2-ой половине 20-го столетия показал, что основным аргументом являлся энергетический: экономия и рациональное использование моторных топлив. Так энергетическая стратегия РФ предусматривает к 2010 г газовыми видами топлива заменить до 5 млн. тонн, а к 2020 г. до 10−20 млн. тонн.

Анализ энергетической составляющей в автотранспортном комплексе международной системы товародвижения констатирует о необходимости создания высокоэффективного транспортного комплекса в Евроазиатском регионе (рис. 1.3), связующим звеном которого должна стать автотранспортная составляющая (рис. 1.2) с использованием ГМТ на основе повышения уровня специализации автопарка до 85−90% и снижения удельной грузоподъемности автопарка страны до 2000;3100 кг и, как следствие расширение гаммы выпускаемых ГАТС одним производителем (пример таких фирм-автопроизводителей как Мерседес-Бенц, Форд, Рено, Вольво).

Из анализа мирового производства ГАТС и финансовой составляющей мирового автопрома следует, что глобализация автомобильного рынка, оцениваемая в 60% в 2010 году, и интеграция отечественного автопрома требует от последнего совершения следующих шагов: — серьезного повышения энергетической и экологической эффективности конструкции ГАТС-— ускорение технического перевооружения, связанного с обновлением модельного ряда-— совершенствование маркетинговой политики-— приведение дилерской сети и сервисного обслуживания к международным стандартам.

По анализу топливно-энергетического комплекса РФ объективно показано, что по эффективности замены жидких нефтяных топлив газомоторными в числе первых стоит природный газ: — добыча нефти и природного газа должна увеличиться к 2010 году по сравнению с 2000 годом на 29,6% и 30,3% соответственно, а потребление компримированного природного газа и сжиженного природного газа соответственно на 150% и на 2,0 млн. т-— кроме того, запасы природного газа существуют не только в свободном состоянии, но и содержание метана существует в углях (200 м3 на 1 т угольной массы), что делает метан неисчерпаемым для использования-— эффективность труда в газовой промышленности выше, чем в угольной (5−6 раз) и нефтяной (2 раза).

Эффект использования ГМТ на автотранспорте (табл. 1.5) складывается за счет законодательно закрепленного уровня цены 50% от реализуемого в регионе бензина А-76, цена которого существенно предопределяется затратами на его перевозку.

Реализация программ по использованию водорода для АТС создаст базовые технологические основы коммерческого перехода к «водородной энергетике» непосредственно в России, что повысит энергетическую устойчивость экономики страны и обеспечит поставки соответствующих энерготехнологических итранспортных комплексов на экспорт. Запаздывание России в этом направлении работ — это прогнозируемая технологическая зависимость от внешнего мира.

Наиболее эффективным путем снижения вредности выбросов в атмосферу в условиях мегаполиса является применение ГМТ с традиционными средствами снижения токсичности отработанных газов ДВС (в первую очередь природный газ с последующим переходом к использованию водорода).

1.10. Новые подходы в проектировании грузовых автотранспортных средств при использовании газомоторных топлив.

1. Создаваемые ГАТС, их структуры должны быть ориентированы на рациональное использование различных видов топлива, как нефтяного происхождения, так и альтернативных источников энергии (природного газа, водорода, электроэнергии).

2. Так как мощности зарубежных автомобильных фирм, выпускающих высокого технического уровня ГАТС, удовлетворяющие требованиям EURO-1 -=-EURO-V, не догружены, то отечественному автомобилестроению надо ориентироваться на создание мощностей и предпосылок производства следующего поколения ГАТС или ГАТС, работающих на ГМТ, в том числе и на водороде (а не налаживать совместные производства по старым технологиям).

3. Задача отечественного автомобилестроения и технической эксплуатации научиться пользоваться как имеющимися своими достижениями, так и зарубежными.

Так как в своем развитии мировая автомобильная промышленность, в том числе и отечественная, отдавала предпочтение созданию ГАТС, работающим на бензине и дизельном топливе, а на газообразном топливе доля автопарка не превышает 1−10% от общей численности автопарков по разным странам, и технический уровень промышленной реализации отстает от технического уровня конструкций ГАТС, работающих на нефтяных топливах, то прирост в НИОКР, исследованиях и создании производственных мощностей, необходимо отдать разработкам ГАТС с энергетическими установками для работы на природном газе и водороде.

На основании вышесказанного, обобщение результатов исследований по созданию ГАТС, работающих на альтернативных видах топлива, в условиях централизованной экономики, а так же современное состояние мировой геополитики и экономических условий, связанное с распространением требований ВТО и Киотского Протокола на Россию, внедрением норм EURO II, III, IV и V в европейских странах и реструктуризацией нефтегазового комплекса страны, делает актуальным разработку научных основ проектирования такого типа ГАТС для создания конкурентоспособного [4] автотранспортного комплекса в рамках международных транспортных коридоров (европейском и азиатском регионах РФ).

Последнее позволяет сформулировать основные особенности формирования научных основ проектирования: Сбор и систематизация априори (фактического материала по энергетическим свойствам и безопасности ГАТС серийного производства).

Построение исследовательского механизма (рис. 1.4), обеспечивающего формирование новых концепций и закономерностей на основе новых или уже известных, но по-новому обработанных фактов [19]. — Анализ и сопоставление накопленных данных с реальными фактами исторического развития ГАТС использующих альтернативные виды топлива.

Определение критериев эффективности и критериев развития ГАТС и их элементов.

Анализ результатов исследования с целью их практического использования в различных областях при проектировании ГАТС.

Составление конкретных рекомендаций научным, промышленным и другим учреждениям.

Анализ таких сложных технических систем, каким является ГАТС характерен наиболее широкий охват учитываемых аспектов — от технических до социальных [19]. Методическиеособенности этого направления связаны с необходимостью учета, взаимодействия с другими системамивысокой степенью неопределенности, т.к. жизненный цикл ГАТС включает в себя И этапов USO 9000, формализованным описанием процессов функционирования ГАТС.

Основу таких исследований составляют математические методы исследования операцийформирующих, механизм проектной эффективности (рис. 1.4) [20, 21].

ПроблемыЗадачиРешениеПроцедурыВыбор цели —2Формирование прблемыНачало исследованийОнтологии i 1 Мо делиЭмпирический материал < Разработка альтернативовОценка полезности по отношению к результатуТЗавершение исследованийРешениеСредства j кМетод LТеорияРис. 1.4. Структура исследовательского механизма проектнойэффективности (пунктирные стрелки указывают на повторяемость циклов).

1.11. Выводы. Постановка задач.

В результате проведенного анализа аспектов, влияющих на проектирование грузовых автотранспортных средств, сформулированных новых подходов в проектировании грузовых автотранспортных средств определены требования (п. 1.9) и поставлены следующие задачи, решение которых должно обеспечить проектирование будущих моделей грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах и в конечном итоге на водороде:1. Провести изучение и нормирование энергопотребления грузовых автотранспортных средств в системе: «автомобиль-водитель-окружающая среда-производство"-2. Обосновать критерии эффективности в области энергопотребления, скоростных свойств конструкции грузовых автотранспортных средств-3. Оценить фактор неоднородности продукции серийного производства по энергопотреблению и производительности-4. Разработать методику формирования заданного уровня энергопотребления и производительности грузовых автотранспортных средств.

5. Разработать методологию экспериментальных, теоретических и эксплуатационных исследований выходных свойств грузовых автотранспортных средств, использующих в качестве топлива природный газ, сжиженный нефтяной газ и водород, для Управления конструкторских и экспериментальных работ AMO ЗИЛ.

6. Провести исследования в соответствии с предлагаемыми в п. 5 методами свойств грузовых автотранспортных средств: — функциональных-■-— надежностных-— безопасности (экологической, пожаровзрывобезопасности при ДТП) при работе на газомоторных топливах (в т.ч. на водороде).

7. Разработать основы методологии проектирования современных грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах.

Глава 2.

ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ ГРУЗОВЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХСРЕДСТВ (на примере отечественных грузовых автотранспортных средствкатегории N2, N3).

2.1. Нормирование показателей энергопотребления грузовых автотранспортных средств и двигателей серийного производства.

Использование статистического аппарата при исследовании априори показателей топливно-скоростных свойств 213-ти грузовых автотранспортных средств ЗИЛ, КамАЗ, и МАЗ, 59-ти ГАТС, работающих на ГМТ, а также выходных показателей 80-ти бензиновых двигателей ЗИЛ, 38-и дизелей и более 18-ти двигателей, работающих на ГМТ позволило получить точечные оценки измерителей энергопотребления рассматриваемых ГАТС и ДВС табл. 2.1, 2.2, 2.3.

Газовые двигатели семейства ЗИЛ с рабочим объемом 6−7 л и степеньюсжатия (6,5−11) составляли: — мощностной ряд от 85,3 до 135 кВт при работе на природном газе-— при работе на сжиженном нефтяном газе (пропан+бутан) — от 103 до 129 кВт-— при работе на бензине (А-76) — от 103 до 134 кВт. удельный минимальный расход составил: а) при работе на природном газе 14,4 МДж/кВт.ч 8=0,995 МДж/кВт.ч, со=6,9%, б) при работе на смеси: пропан+бутан 12,7(8) МДж/кВт.ч 8=0,84 МДж/кВт.ч, со=6,6%.

Имелись резервы дальнейшего совершенствования газовых двигателей-Подчинение нормальному закону распределения [22, 23], рассмотренной экспериментальной информации, позволяет:1. Получать оценки истинных значений показателей энергетических свойств ГАТС и двигателей (среднее значение, 95%-ный доверительный интервал и среднее квадратическое отклонение) табл. 2.1, 2.2 [24].

2. Перейдя к нормированному распределению [23] определять процент готовой продукции, соответствующей устанавливаемым нормативам.

Кроме того, нормирование показателей энергопотребления позволяет разрабатывать карты контроля качества для контроля производства и формировать основы методологии проектной эффективности при разработке ГАТС, работающих как на жидких нефтяных, так и на газомоторных топливах [23].

Модель двигателя, топливо Объем выборки Минимальный удельный расход МДж/кВт.ч* Я МДж/кВт.ч (О %ЗИЛ-130, бензин А-76 20 13,7 0,69 5,0ЗИЛ-130 Ф, бензин А-76 20 13,3 0,65 4,9ЗИЛ-375 Ф, бензин А-76 20 13,1 0,53 4,1ЗИЛ-375, бензин А-76 10 14,3 0,47 3.3ЗИЛ-375, бензин АИ-93 10 13,9 0,49 3.5ЗИЛ-645, дизельное топливо 38 9,7 0,38 3,9ЗИЛ-138А при работе на природном газе 7 14,4 1,0 6,9ЗИЛ-138 при работе на смеси пропан+бутан 8 12,7 0,84 6,6* Величина низшей теплоты сгорания принята [5]: для бензина 44,2 МДж/кг-для дизельного топлива 42,5 МДж/кг-природного газа 47,7 МДж/кг (метан 49,8 МДж/кг) [25]-смесь «пропан+бутан» — 46,1 МДж/кг [25].

2.2. Оценка заданного уровня энергопотребления грузовых автотранспортных средств серийного производства и факторапеод нор од ности.

Решение задачи «Определение при установленном ограничении показателя энергопотребления, соответствующего принятому проценту готовой серийной продукции» возможно при использовании функции нормального распределения. С этой целью строится график (функции нормального распределения показателя энергопотребления [23] (абсцисса — среднее значение показателя, ордината — процент продукции (мощность критерия)) на основании многократного интегрирования (рис. 2.1):Ф{х) = (Т^Г" 1 р'1 /2с1и и = (X,. -?и)/С7—оо"или многократным обращением к табл. В работы [23] нормального распределения.

Рис 2. 1. График функции нормального распределения критерия энергопотребления для автомобилей ЗИЛ-431 410 (А — установленное ограничение).

В качестве примера построим кривую мощности критерия энергопотребления для автомобилей ЗИЛ-431 410 и определим, какое среднее значение критерия этих автомобилей должна обеспечить их конструкция, чтобы рекомендации по энергопотреблению отвечали 95% выпускаемых автомобилей. Исходные данные:1) автомобили ЗИЛ-431 410 (шины М-151) имеют нормальное распределение критерия энергопотребления (Х= 985.7 МДж/ЮОкмБ = 57.5 МДж/ЮОкм)-2) рекомендация по энергопотреблению -831,0 МДж/100км.

Нормируя данные и используя табл. В работы [23], получим значения вероятностей: 0.01- 0,05- 0,18- 0,44- 0,73- 0,92- 0,98 соответственно. Эти результаты графически представлены на рис. 2.1 для всех значении ¡-лг По графику находим среднее значение критерия топливной экономичности 733.4 МДж/100 км, при которому 95% выпускаемых грузовых автотранспортных средств критерий энергопотребления (бхбо) не будет превышать установленной нормы 831.0 МДж/ЮОкм.

В табл. 2.4 представлены паспортные данные ГАТС серийного производства и рекомендуемые нормативы А! и А2 по их энергопотреблению, а на рис. 2.2 представлены результаты оценки степени соответствия нормативам объема выпускаемых ранее автомобилей.

Таблица 2.4Рекомендации по энергопотреблению в режиме движенияс постоянной скоростью 60 км/ч.

Завод Тип автомобиля Тип двигателя, рабоч. объем, л ГрузоподъемПолная масса, т Нормативы расхода энергии, МДж/100 км для ГАТС* ность, т А, а2ЗИЛ Борт 4×2 Борт 4×2 С приц. Строит. Самосв. Б.6,0 Б.6,0 Б.6,0 6,0 11,5 5,2 10,5 18,54 10,05 932,6 1197.8 1029.9 822,1 1065,2 914,9КамАЗ Борт 6×4 Борт 6×4 С приц. Самосв. 6×4 Сед. тягач с п/пр. Д. 10,85 Д. 10,85 Д. 10,85 Д. 10,85 8,0 16,0 10,0 14,2 15,3 26,8 19,15 25,9 807,5 1045,5 922,3 1113,5 735,3 952,0 841,5 1015,8МАЗ Борт.4×2 Борт 4×2 С приц. Д. 11,15 ДЛ 1,15 8,0 16,0 15,0 27,0 828,8 1134,7 756,5 1011,5* В качестве примера за ограничения энергопотребления А[ и А2 приняты рекомендации Министерства автомобильной промышленности по топливной экономичности для ГАТС ЗИЛ, КамАЗ и МАЗ периода 1982 г. и 1985 г (А1 >А2).

Уровень А1юо.

50 • •Рис. 2.2. Объем выпуска, серийных автомобилей и автопоездов соответствующих требованиям по энергопотреблению уровни А1 и Аг.

Проведенное исследование неоднородности серийной продукции показало, что достаточным условием ее оценки является среднее квадратическое отклонение показателя, характеризующего ее свойство (в данном случае это энергопотребление).

Важным требованием к оценке фактора неоднородности по энергопотреблению серийной продукции является возможность ее применения, как к грузовым автомобилям, так и автопоездам серийных производств (оценка фактора должна обладать свойством всеобщности). Для получения такой оценки фактора неоднородности продукции было проведено точечное оценивание удельных значений критериев ЭСС (Qs6o I & с!-^2о-бо /) грузовых автомобилей и автопоездов.

В табл. 2.5 приведены статистические оценки истинных значений удельных показателей и генерального стандарта.

Далее была проведена проверка гипотеза «Но» о равенстве дисперсий: о? =о?=.=о?Но: X2' =——-, 1 + —[V 1п 81 -У>, 1п52]3(^ + 1) р 'где 52 и V — соответственно дисперсия и число степеней свободы (п — 1), относящиеся к г'-й выборке, аIIНа уровне значимости, а = 0,05 гипотеза о равенстве дисперсий была принята, так как величина расчетного критерия Бартлета X2* не превышала табличного Ху2- 0,95.

Последнее дало основание для вычисления среднего взвешенного квадратического отклонения по формуле:1=1 (=1и тем самым получить удельную оценку фактора неоднородности продукции:• по критерию энергопотребления — 4,02 МДж/(100км-т),• по критерию скоростных свойств — 0,59 с/т [26]. Данный скоростной показатель характеризует производительность ГАТС.

Для получения абсолютной оценки фактора неоднородности при проектировании грузовых автомобилей (автопоездов) серийного производства достаточно удельную оценку умножить на величину полной массы. Таблица 2.5Статистические оценки удельных показателей энергопотребления.

Обозначения Модель автомобиля, автопоезда, топливо МДж 560 ШкмТ 5″ п1 ЗИЛ-431 410 (Шины МИ-151), бензин А-76 90.8 4.91 112 ЗИЛММЗ-4501 (самосвал) (Шины МИ-151), бензин А-76 98.5 5.08 93 ЗИЛ -431 410 (Шины И-Н142Б), бензин А-76 82.9 5.79 144 КАМАЗ-5320, дизельное топливо 53.8 3.74 205 КАМАЗ-5510, дизельное топливо 49.3 3.36 106 МАЭ-5335, дизельное топливо 58.9 5.06 147 КАМАЗ-5320+ГКБ-8350, дизельное топливо 39.4 2.47 248 ЗИЛ-431 410+ГКБ-817(Шины МИ-151), бензин. А-76 66.2 3.80 139 ЗИЛ-431 410+ГКБ-817 (Шины И-Н142Б), бензин А-76 59.1 3.03 1210 МАЗ-5335+МАЭ-8926, дизельное топливо 43.4 3.66 1011 КАМАЗ-5 410+ОДАЗ-9770, дизельное топливо 43.2 3.06 1212 ЗИЛ-431 610, бензин А-76 95,4 4,7 1013 ЗИЛ-431 610 УЬ=6,0, природный газ 92,7 7,1 814 ЗИЛ-431 610 УЬ=7,0, природный газ 87,9 2,7 415 ЗИЛ-431 810, смесь пропан+бутан 82,3 8,5 10Таким образом, использование статистического аппарата при исследовании априори (исследовательской базы данных измерителей энергопотребления ГАТС) позволяет:1. Определять процент готовой продукции, соответствующей устанавливаемым нормативам, в том числе и по энергопотреблению автотранспортных средств: наибольший процент для автомобилей ЗИЛ-431 410 -84% имели энергопотребление не более 932,6 МДж/ЮОкм, а наименьшийпроцент для автомобилей МАЭ-5335- только 23% их имели энергопотребление не более 828.8 МДж/ЮОкм).

2. Формировать основы методологии проектной эффективности при разработке ГАТС, работающих как на жидких нефтяных, так и на газомоторных топливах.

3. Определять на стадии проектирования величины необходимого диапазона измерителей энергопотребления ГАТС, обеспечивающего реализацию заданных показателей энергопотребления в серийном производстве.

2.3. Разработка блок-схемы формирования эксплуатационных свойств грузовых автотранспортных средств на стадии проектирования по результатам экспериментальных данных.

На стадии проектирования функционирование в сложной системе «автомобиль — дорога — окружающая среда-производство» технической системы «грузовой автомобиль» описывается рассматриваемыми в табл.2.6 параметрами конструкции, показателями топливно-скоростных свойств и метеоусловий (ГОСТ 20 306−90 и 22 576−90).

Одним из эффективных средств статистической обработки данных является факторный анализ [27, 28, 29] использующийся для решения задачи снижения размерности исходного набора признаков (переменных). Последнее позволило провести упрощение сложной системы.

В результате проведенного анализа априорной информации получена 5-ти факторная структура суммарной общностью 80% (т.е. 5-ть общих факторов объясняют первоначальную полную дисперсию на 80%). (рис. 2.3) В табл.2.7 приведены численные значения факторных нагрузок и дано символическое обозначение высоких факторных нагрузок | ос¡-, |> 0,75 (символическое изображение матрицы V построено из условия соответствия требованиям к простой структуре).

Первый фактор имеет высокие нагрузки от всех показателей скоростных свойств, величины удельной мощности, удельного момента и рабочего объема на единицу полной массы. На долю первого фактора приходится 31,5% полной дисперсии" Совокупность перечисленных переменных характеризуют и определяют производительность автомобиля, автопоезда.

Второй фактор имеет высокие нагрузки от конструктивных параметров двигателя и показателей его свойств. На долю фактора приходится 22,3% полной дисперсии. Составляющие фактора формируют потенциальные свойства двигателя автомобиля, автопоезда.

Третий фактор, на долю которого приходится 7,1% полной дисперсии, определяет приспосабливаемость автомобиля к дорожным условиям.

Четвертый фактор, на долю которого приходится 12,9% полной дисперсии, характеризует и определяет топливную экономичность автомобиля в эксплуатации.

Пятый фактор, на долю которого приходится 6,0% полной дисперсии, характеризует сопротивление движению автомобиля.

Таблица 2.6Перечень параметров технической характеристики и показателей энергопотребления и скоростных свойств грузовых автомобилей.№-№- п/п Наименование конструктивного параметра, показателя ЭСС Единица измерения1 2 31 Полная масса автомобиля, автопоезда, Gd кг2 Грузоподъемность, Gr кг3 Рабочий объем двигателя, Vh м3(л)4 Произведение габаритных размеров (длина х ширина х высота), Vd м35 Степень сжатия двигателя,? 6 Максимальная эффективная мощность двигателя, Ne кВт (л.с.)7 Частота вращения при максимальной мощности двигателя, пе об/мин8 Максимальный момент двигателя, Мк Н-м (кг-м)9 Частота вращения при максимальном моменте двигателя, пм об/мин10 Минимальный удельный расход топлива, gmm г/кВт-ч (г/л.с.ч.)11 Диапазон передаточных чисел КП, Ды 12 Передаточное число трансмиссии на высшей передаче, 10ъ 13 Удельная мощность, Nyg кВт/т (л.с/т)14 Удельный момент, Муд Н-м/т (кгс-м/т)15 Отношение оборотов при максимальных моменте и мощности, njne 16 Отношение грузоподъемности к полной массе, G/Gd 17 Передаточное число главной передачи, /0 18 Удельный рабочий объем автомобиля, V//Gd л/т19 Мощность единицы рабочего объема двигателя, N/Vh кВт/л (л.с/л)20 Момент единицы рабочего объема двигателя, Mf/Vf, Н-м/л (кгс-м /л)21 Максимальная скорость автомобиля, Fmax м/с (км/ч)22 Условная максимальная скорость, Vyai м/с (км/ч)Продолжение таблицы 2.62 324 252 627 282 927 034 362 645 888 629 878 030 336Время разгона на прямой передаче с 20 до 60 км/ч, Т20.

60Время разгона на пути: 400 м Т4400Время разгона на пути: 1000 м, Т]0оо Время разгона до скорости, км/ч: 30, Т3040, Т40 50, Т50 60, Т60 70, Т70Расход топлива при скорости движения, км/ч: 30, Qs3o40, Qs4O 50, Qsso 60, QS60 70, й, 70Пробег автомобиля до начала испытаний, S"po6 Выбег со скорости 50 км/ч, Smjfic?, Коэффициент сопротивления качению, / Температура окружавшего воздуха, ТокрСкорость ветра, VB Атмосферное давление, Р Относительная влажность, Вс с с с с скг/100 км кг/100 км кг/100 км кг/100 км кг/100 км тыс. кммм/смм рт.ст. %Из рассмотренных факторов ни один не имеет высоких нагрузок от переменных, характеризующих атмосферные условия и величины пробега ГАТС в рассматриваемом интервале изменения (5−20 тыс. км), поэтому можно сделать вывод, что атмосферные условия и величина пробега, в интервале которых проведены испытания (интервал атмосферных условий, при которых проведены испытания, и режимы движения оговорены методиками ГОСТов 22 576−90 и 20 306−90), не значимы и рассматриваемую сложную систему А-В-Д-ОС-Пр можно упростить до АПр.

Рис. 2.3. Распределение долей дисперсий факторов, выраженных в процентах отсуммарной общности и полной дисперсии.

Точками изображены накопленные значения долей дисперсий. Факторы, которые не выделяются, заштрихованы.

На основании анализа данных сделан вывод о незначимости (проверка гипотезы проведена на уровне значимости," = 0,05) корреляции показателей ЭСС, величины пробега автомобилей и атмосферных условий в рамках требований ГОСТ 20 306–90 и ГОСТ 22 576–90. которые характеризуют эту связь как слабую.

Факторный анализ, позволил упростить матрицу первоначальных данных, отражающую сложную систему А-Д-ОС-Пр, до 5-ти факторной структуры и выделить по. величине нагрузок на факторы наиболее весомые переменные. Выделенные переменные, как показал корреляционный, анализ, имеют высокую корреляционную зависимость. Отмеченное обстоятельство' позволило провести дальнейшее уменьшение числа переменных 1-го, 2-го и 3-го факторов и тем самым выделить наиболее значимые параметры конструкции автомобиля и характерные показатели ЭСС.

По первому фактору:1) показатель «время разгона на, прямой передаче"-2) параметры: «удельная мощность» и величина «рабочего объема двигателя, на единицу полной массы».

Необходимо подчеркнуть практическую важность показателя «Время разгона на прямой передаче», заключающейся в том, что прямая передача определяет эксплуатационные свойства (производительность и расход топлива) грузового автомобиля. Например, для автомобиля ЗИЛ-431 410 значительная часть времени движения в различных дорожных условиях осуществлялась на прямой передаче (в % от общего времени движения [30]: шоссе асфальтобетонное покрытие) — 90,6- городские улицы — 42,5.

По второму фактору: конструктивный параметр «рабочий объем двигателя». По третьему фактору.

1) показатель энергопотребления при скорости 60 км/ч-2) конструктивный параметр «максимальный момент двигателя наединицу его рабочего объема».

Выделенные выше показатели ЭСС принимаем за критерии скоростных свойств и энергопотребления автомобиля, автопоезда, а конструктивные параметры — за общезначимые.

На основании результатов проведенного анализа априорной информации, опыта ВАЗа в подходе к изучению ЭСС легковых автомобилей [31] и основных положений системного подхода [31, 32] разработана блок-схема (рис. 2.4) формирования эксплуатационных свойств грузовых автомобилей.

Общезначимые конструктивные параметры автомобилей и функциональных систем формируют их выходные свойства, а последние определяют эксплуатационные свойства.

Критерии ЭСС (энергопотребление при скорости У = 60 км/ч" и «разгонна прямой передаче») формируют необходимый объем информации о свойствах грузовых автомобилей. Включив дополнительно в рассмотрение показатели скоростных свойств Jfmaxу и Тт > образуем достаточный объем информацииоб объекте.

Основанием включения дополнительных показателей скоростных свойств явилось следующее:1. Величина максимальной скорости лимитируется ГОСТом 21 396−90 («Автомобили грузовые. Общие технические требования»), 2. Величина условной максимальной скорости характеризует скоростные свойства автомобиля в верхнем мощностном диапазоне двигателя, а время разгона на пути 400 м — как взаимодействие трансмиссии (КП и главная передача) и двигателя. Показатель Tw-бо характеризует скоростныесвойства автомобиля, определяемые только двигателем без учета КП. В качестве показателей эксплуатационных свойств были рассмотрены: — энергопотребление при движении по скоростной дороге ЦНИАП НАМИ со средней скоростью движения 70 км/ч Qsv-iq '— максимально-необходимая скорость в этом режиме движенияV max 1^=70 'Блок обратной связи (БОС)Выходные параметры функциональных систем автомобиляЩ-дЧтиь Пм/пе / Ме/Г, Эксплуатационные показатели (показатели цели) 6^=70I уровеньшах/ У=70Показатели ЭСС, энергопотребления и скоростных свойств: необход, объем достаточ. объеминформации информации.

О.Б60 Т.100Тю-йо VVОбщезначимые конструктивные параметры грузовых автотранспортныхсредств и его функциональных систем: У/, (или Е) — 10- У,/СаРис. 2. 4. Блок-схема «Уровни — связи» эксплуатационныхсвойств грузовых автотранспортных средств. II уровень Показатели, определяющие эксплуатационные свойства автомобиляIII уровень формирования функциональных потенциальных свойств автомобиля2.4. Разработка алгоритма прогнозирования показателей энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств серийного производства.

Для построения моделей статистически устойчивых закономерностей использован пакет прикладных программ РОЬШЮ и методика построения многофакторных регрессионных моделей [33, 34]. Объем выборок по каждой модели, используемых для формирования функций критериев ЭСС от общезначимых конструктивных параметров автомобиля был статистически обоснован с целью получения 95% доверительных интервалов: — по критерию энергопотребления — + 0.5 кг/100км— по критерию скоростных свойств для автомобилей — +1 с, автопоездов — + 4 с.

Величина объема выборки рассчитывалась по формуле [23]: И = [(«1-,/2 ¦а»)'А1]2,где и-уИ = 1?96 при уровне значимости У — 0,05 -А — установленный интервал.

Ниже в табл. 2.9 приведены полученные регрессионные модели, описывающие связи в сложной системе А-Пр. Коэффициенты регрессионныхмоделей: У = ОС + оцениваются по результатам измерений случайнойвеличины (измерители ЭСС) методом наименьших квадратов и поэтому сами являются случайными величинами, интервал распределения которых с известнымриском У накрывает значения истинных коэффициентов Р. Исходя из этого практическое использование построенной системы моделей целесообразно после проведения всестороннего статистического анализа как отдельных коэффициентов, так и моделей в целом [35, 36, 37].

В соответствии с регрессионным моделям табл. 2.9 разработан алгоритм, позволяющий при прогнозировании оценок показателей энергопотребления, скоростных и эксплуатационных свойств грузовых автомобилей решать как прямую, так и обратную задачи на стадии проектирования (рис. 2.5).Корреляция параметров конструкции и показателей [24].

Таблица 2.8Переменные Ги е 1о № § ш1п пп/пе МЛь &560 Т20−60 Т400 Уусл УтахV, 1,000 е 0,851 1,000 1о 0,348 0,417 1,000 0,190 0,253 0,303 1,000 -0,191 -0,161 -0,042 0,850 1,000 §-тт -0,827 -0,987 -0,370 -0,228 0,166 1,000 П, г/Пе 0,334 0,064 0,512 0,217 -0,015 0,013 1,000 МЛи -0,138 -0,440 -0,256 -0,353 -0,070 -0,462 0,216 1,000 12 560 0,206 -0091 -0,088 -0,705 -0,680 0,097 0,186 0,562 1,000 Т20−60 0,158 0,075 -0,059 -0,704 -0,763 0,064 0,127 0,239 0,659 1,000 Т4ОО 0,222 0,193 0,141 -0,720 -0,901 -0,187 0,188 0,095 0,684 0,787 1,000 Уусл -0,002 0,008 -0,157 0,719 0,847 -0,010 -0,140 -0,056 -0,663 -0,731 -0,887 1,000 Углах 0,071 0,0339 -0,285 0,426 0,573 0,050 0,221 0,021 0,431 -0,397 -0,634 0,767 1,000Таблица 2.9И [дентификация сложной системы «автомобиль-дорога — производство».

Регрессивные модели, составляющие блоки, приведены в таблице 2.9.

2.5. Теоретическое исследование энергопотребления и скоростных свойств серийных грузовых автомобилей на стадии проектирования идоводки.

Разработанный выше метод формирования потенциальных свойств позволяет решать задачу разработки рекомендаций по улучшению эксплуатационных свойств ГАТС с учетом фактора неоднородности продукции [26].

Для иллюстрации возможностей разработанного метода проведем теоретическое исследование ЭСС ГАТС ЗИЛ-4331 с дизельным двигателем и ЗИЛ-4331 с прицепом ГКБ-8350. При этом принимаем допущение, что выводы, сделанные выше по серийной продукции, соответствуют рассматриваемым автомобилям.

2.5.1. Исследование энергопотребления и скоростных свойствгрузовых автотранспортных средств ЗИЛ-4331 серийного производства.

Автомобиль ЗИЛ-4331 является базовой моделью нового семейства грузовых автомобилей ЗИЛ с дизельным двигателем.

Из построенных графиков (Рис. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9) [24] следует, что конструкция автомобилей ЗИЛ-4331 для соответствия установленным техническим требованиям должна обеспечивать средние значения критериев: — энергопотребление автомобилей — 624,8 МДж/ЮОкм, автопоездов — 973,3 МДж/ЮОкм— скоростных свойств автомобилей — 45 с, автопоездов — 115 с.

На графиках, кроме оценки критерия в виде среднего значения, указан его 99% доверительный интервал.

При совместном рассмотрении доверительных интервалов критериев ЭСС и шкал конструктивных параметров были определены их пределы варьирования (любое значение конструктивного параметра, заключенное между границ доверительного интервала, обеспечивает реализацию установленного значения показателя энергопотребления и скоростных свойств).

Совместное рассмотрение пределов варьирования конструктивных параметров 2-х критериев позволяет построить области их варьирования (рис. 2.10, 2.11) и определить следующие значения конструктивных параметров: — для автомобилей Муд= 11,0 кВт/тУи /Са =0,725 л/т— для автопоездов Nyд = 5,7 кВт/тУь Юа =0,370 л/т.и 595 680 765 С?5б0МДж/100км.-. % ' - «I. I.1 «I14 13 12 11 Иуд, кВт/т. I I ¦. I-11,0 0,9 0,8 У^ва, л/тРис. 2.6. График функции нормального распределения критерия энергопотребления для автомобилей базовой модели. А — ограничение по энергопотреблению.

Иуд, кВт/т0.750.700.65Уь/ва, л/тРис. 2.8. График функции нормального распределения критерия скоростных свойств для автомобилей базовой модели. А — принятое ограничение.

100 «>» 1 120.-1. 1 ¦¦¦ 140 -1- 160 —н— Т20−60 ' с7 —- 6 >— 5 -1 4 3 Л^й, кВт/т0.50.40.3л/тРис. 2.9. График функции нормального распределения критерия скоростных свойствдля автопоездов базовой модели. А — принятое ограничение.

Данные значения конструктивных параметров обеспечивают реализацию в производстве установленных ограничений скоростных свойств автомобилей ЗИЛ-4331 и автопоездов в их составе, при этом конструкция двигателей должна обеспечить среднее значение номинальной мощности 139 кВт, что позволит иметь для 95% выпускаемых двигателей номинальную мощность не менее 136 кВт. Для реализации в производстве принятых ограничений по энергопотреблению требуются высокие значения удельной мощности или удельного рабочего объема:=13,1 кВт/т V0,97 л/т (для автомобилей), уд =7,0 кВт/т ^ / -0,45 л/т (для автопоездов).

По-видимому, целесообразно величину контрольного энергопотребления определить с поправкой на фактор неоднородности продукции, в этом случае для автомобилей она составит 795 МДж/ЮОкм (22,8 л/100км), а для автопоездов — 1169 МДж/ЮОкм (33,5 л/100км).

Прогнозирование показателей ЭСС и эксплуатационных свойств автомобилей ЗИЛ-4331 и автопоездов в их составе проведено по регрессионным моделям. Результаты прогнозирования представлены в табл. 2.10.

При решении прямой задачи, согласно алгоритму (см. рис. 2.5), использованы значения конструктивных параметров автомобиля (Nуд =11,3 кВт/тУ1г / =0,73 л/т) и автопоезда,(№уд =5,8 кВт/тУк / Са =0,37 л/т).

При решении обратной задачи использованы значения критериев ЭСС, полученные по фактическим данным: для автомобилей ^20−60 ==39,6 с- 0,$ 60 =689 МДж /100км-для автопоездов ^20−60 =111,3сб^бО =978 МДж /100км).

В табл. 2.10 приведены в виде 95%-ных доверительных интервалов оценки показателей ЭСС, полученные по результатам лабораторно-дорожных испытаний опытных образцов автомобилей ЗИЛ-4331. Сопоставление данных в таблице показало, что прогнозируемые оценки показателей ЭСС попадают в 95%-ный доверительный интервал фактических оценок показателей ЭСС.

Анализ данных в табл. 2.10 подтверждает корректность прогнозирования показателей ЭСС по разработанной системе регрессионных моделей в табл. 2.9 и правильность принятого в начале главы допущения. о ЙЩ «ч"5 ня о Оял ов 3ЯЩ и» о0) о Ко> ол" *(=1 оАвтомобиль. 11.8 11*0 10,2 ог сг со ог ы м Автопоезд, 5.9о ог (: 1 5.6щ о оЭ о> Пределы варьирования по энергопотреблению Рис. 2.10. Области варьирования удельной мощности ЛГ^, кВт/т.о ии г"Я йЯ «й оо «с*, ощ и3 о р. йи е"к оа> ощ о, а* оАвтомобиль. Автопоезд. •>"733 0.388 0.3801.7Т7 сиага, <|о-.990 ю о СП О о из «о о $ •. с 0.440 о ы. О Пределы варьирования по энергопотреблению Рис. 2.11. Области варьирования конструктивного параметра УкЮа, л/т.

Результаты прогнозирования показателей энергопотребления и скоростных свойств автомобилей ЗИЛ-4331 и автопоездов ЗИЛ-4331+ГКБ-8350.

Таблица 2.10.

В соответствии с алгоритмом прогнозирования показателей (рис. 2.9) по регрессионным моделям было осуществлено построение оценок показателей энергопотребления и скоростных свойств рассматриваемых ГАТС. Результаты расчета приведены в табл. 2.11, там же для сравнения даны значения показателей ЭСС, предусмотренные в техническом задании на ГАТС ЗИЛ-431 610 и его модификации, и оценки показателей ЭСС по выпускаемым серийным ГАТС ЗИЛ-431 410. Из табл. 2.11 видно, что перевод ГАТС ЗИЛ-431 410 с топлива А-76 нагазовое связан с ухудшением их ЭСС, %— энергопотребление при Гсош (=60 км/чна 11,1-— время разгона на прямой передаче — 53,7-— время разгона на пути 400 м — 12,0-— условная максимальная скорость — 6,3-— максимальная скорость — 3,5.

Улучшение показателей ЭСС ГАТС ЗИЛ-431 610 возможно за счет воздействия на общезначимые конструктивные параметры и выходные показатели двигателя и газо-редуцирующей аппаратуры [39]. Так, например, при увеличении рабочего объема двигателя с 6,0 до 7,0 л энергопотребление и время разгона на прямой передаче улучшаются на 12 и 20,0% соответственно. При увеличении удельной мощности до 9,1 кВт/т, что возможно за счет снижения снаряженной массы автомобиля на 7,6% или повышения мощности двигателя до 95,6 кВт (130 л.с.) за счет увеличения его степени сжатия с Е = 6,0 до 8,0- критерии ЭСС улучшаются на 4,1 и 18,2% соответственно. Для данного варианта ГАТС ЗИЛ-138Ис двигателем, имеющим степень сжатия Е = 8,0) в табл. 2.11 также приведены результаты прогнозирования оценок показателей ЭСС.

Таблица 2.11Результаты прогнозирования показателей энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств, работающих на сжатом природном газе.

Параметры показателя Единица измерения ЗИЛ-431 610 ЗИЛ-1Э8И Оценки показателей ЭСС зил-431 410 Оценка по ТЗиТУ Прогнози руемая оценка Оценка по ТЗиТУ Прогнози руемая оценка Мощность двигателя кВт/(л.с.) 88,2(120) 95,6(130) Удельная мощность кВт/т (л.с.) 8,4(11,4) 9,1(12,4) Qseo кг/100км (мЗ/100км*) МДж/ЮОкм 25,1(35,0) 1197,3 22,0(30,7) 1049,4 22,2(31,0) 1058,9 21,2(29,6) 1011,2 19,9 949,2 Т 1 20−60 с 70,4 57,6 45,8 Т 1 400 с 38,4 37,1 34,3V уел м/с (км/ч) 23,2(83,6) 23,9(86,2) 24,8(89,2)V шах м/с (км/ч) 25,0(90) 24,8(89,2) 25,0(90) 25,2(90,8) 25,7(92,4)Qsio кг/100км МДж/ЮОкм 24,8 1183,0 23,8 1135,3 22,1 1054,2Qs&o кг/100км МДж/ЮОкм 29,0 1383,3 27,7 1321,3 25,1 1197,3 Т 1 1000 с 70,7 68,5 63,5 Т 1 60 с 70 47,1 6,5 42,0 31,2V Y шах]Г=70 м/с (км/ч) 20,7(74,4) 20,3(73,2) 20,1(72,5)Q — SV=70 кг/100кмМДж/ЮОкм 28,2 1345,1 26,9 1283,1 26,5 1264,1*Плотность газа при 0 С и 760 мм.рт.ст. — 0,717 кг/м3 [27] На природном газе 47,7 МДж/ЮОкмДля осуществления поиска конструктивных решений по улучшению ЭСС ГАТС ЗИЛ-431 610 предварительно были определены ограничения по показателям ЭСС, построены графики функции нормального распределения для показателей и шкалы конструктивных параметров.

В качестве ограничений по энергопотреблению приняты нормативы по энергопотреблению для автомобилей ЗИЛ-431 410 в режиме движения с установившейся скоростью: — Норма А, (1982 г.) — норма 21,1 кг/100км- (1006,5 МДж/ЮОкм)-— Норма А2 (1985 г.) — норма 18,6 кг/100км- (887 МДж/ЮОкм).

Оценка фактора неоднородности (среднее взвешенное квадратическоеотклонение) принята равной 5=0,95 кг/100км (см. п. 2.2) (45,3 МДж/ЮОкм).

Далее поочередно были построены графики функции нормального распределения показателя (методика построения приведена в [24]) из условия определения вероятности: относительно уровня А1относительно уровня А2 КР.

05бО <1006,5| //, — 5 = 45,3>0,05' 3&60< 887,21//, — 5 = 45,3>0,05при изменений величины математического ожидания в интервале668,0−1145,0 МДж /100км. Используя регрессионные модели (см. табл. 2.9) по осиабсцисс, строим шкалы значений конструктивных параметров NyдУ/г / Ga, соответствующих изменению средних значений критерия энергопотребления (рис. 2.12).

В качестве ограничений по скоростным свойствам приняты значения верхней границы 95% интервала разброса показателя Г2060 [25]: — автомобилей МАЗ-5335 — ^20−60 =: 64, Зс-— автомобилей ЗИЛ-431 410 — ^20−60 = 58,2с.

Оценка фактора неоднородности (среднее взвешенное квадратическоеотклонение) на основе [26] принята равной 5 -6,2с. Далее поочередно строим графики фикции нормального распределения для критерия Г2060 из условия определения вероятности: относительно МАЗ-5335²⁰−60 <64,3 — я = 6,2 >0,05-Г20б0<58,2|^-5' = 6,2 >0,05- относительно ЗИЛ-431 410 -По регрессионным моделям (табл. 2.9) построены шкалы значений конструктивных параметров А^- / Оа соответствующих изменению среднихзначений критерия скоростных свойств (рис. 2.13). Там же построена шкала значений передаточного числа главной передачи. Значимость этого конструктивного параметра была подтверждена по результатам эксперимента [26].

Увеличение передаточного числа с целью улучшения скоростных свойств ГАТС ЗИЛ-431 610 (при сохранении параметров КП и двигателя) ограничивалось требованием ГОСТа 21 398−89 к величине максимальной скорости автомобиля или автопоезда, которая должна быть не менее 75км/ч.

1.1 100 СЬбоМДж/ЮОкм12II10Nуд, кВт/т0.80.70.60.5У/С^, л/тРис. 2.12. График функции нормального распределения критерия энергопотребления для автомобилей ЗИЛ-431 410.

А1, А2 — принятые ограничения.

1.00.8 ' 'о &-о О0.6 • 0.4Й 0.2 о0.0. 30 —н- 4- 40 -н. -Ч- 50 — • 60 -Ч-1- 70 т20-£0> 014 12 10 8 6 4 Ыуц, кВт/то!бо 0.75 0*.70 0*65 0.60 И/Д^ л/т — 9.29 -Ь 9.00 — -1- 8.'СО ЦЕ=6,5)9.007.005.001о (Е= 8,0)Рис. 2.13. График функции нормального распределения критерия скоростныхсвойств для автомобилей ЗИЛ-431 610.

А1, А2 — принятые ограничения.

4−1-1)68 70 72 74 76 78 80 828 485 V км./ч8.53-Н-> «-1−1—8.18-.7.96- 7.66 7.46 7.23Рис. 2.14. График функции нормального распределения показателя Уп (шкала 10 построена по формуле: 1д = Утах1/(0,38. гк)).шахПоэтому для определения допустимых пределов изменения передаточного числа на рис. 2.13 построен график функции нормального распределения показателя «максимальная скорость», а по оси абсцисс дополнительно построена шкала изменения передаточного числа по формуле [40]: при среднеквадратическом отклонении 5= 4,1 км/ч [26] и изменении значений в интервале 66 — 90 км/ч.

Из рассмотренных графиков на рис. 2.12, 2.13, 2.14 следует, что конструкция ГАТС ЗИЛ-431 610 для удовлетворения установленным техническим требованиям должна обеспечивать средние значения показателей [41]: — максимальная скорость — 82 км/ч-— время разгона на прямой передаче — 54,3 или 48,0 с-— расход топлива при Усот1=60 км/ч — 19,5 кг/100км или 17,0 кг/100км (930,2 МДж. ЮОкм) (811,0 МДж. ЮОкм).

0,38 п-гкТам же указаны границы 99%-ных доверительных интервалов оценок показателей ЭСС. При совместном рассмотрении доверительных интервалов показателей ЭСС и шкал конструктивных параметров были определены пределы варьирования конструктивных параметров (любое значение конструктивного параметра, заключенного между границ доверительного интервала, обеспечивает реализацию установленного среднего значения показателя ЭСС). Совместное рассмотрение пределов варьирования конструктивных параметров 2-х критериев, позволило построить области их варьирования (рис. 2.15, 2.16, 2.17) и определить ряд вариантов конструктивных изменений с целью улучшения ЭСС ГАТС, работающих на сжатом природном газе: — удельная мощность №-уд =11,95- 10,15 кВт/т-— удельный рабочий объем автомобиля Ук / С? а=0,71- 0,78 л/т-— передаточное число главной передачи Iо =5,90 (при установке на ГАТС двигателя со степенью сжатия Е— 8,0).

Проведем анализ результатов прогнозирования показателей ЭСС в табл.2.12.

Повышение удельной мощности до 11,9 кВт/т, при этом эффективная мощность двигателя должна быть не менее 128 кВт (рис. 2.18), позволяет обеспечить ГАТС ЗИЛ-431 610 уровень энергопотребления соответствующий уровню Аг, а по скоростным свойствам — уровень ГАТС ЗИЛ-431 410.

Величина параметра УкЮа = 0,71 обеспечивает автомобилям ЗИЛ- 431 610 по энергопотреблению уровень ниже уровня Аь, а по скоростным свойствам — уровень ГАТС ЗИЛ-431 410. При увеличении параметра Уи / Оа до 0,78 обеспечивается уровень энергопотребления, соответствующий уровню А2., а по скоростным свойствам — уровень ГАТС ЗИЛ-431 410.

Рис. 2.18. График функции нормального распределения показателя двигателя «эффективная мощность».

Результаты прогнозирования показателей энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств ЗИЛ, работающих на природном газе при изменении общезначимых конструктивных параметров.

При установке на ГАТС двигателя ЗИЛ-431 610 с Е = 8,0 и при передаточном числе главной передачи 5,90 по скоростным свойствам обеспечивается уровень автомобилей ЗИЛ-431 410.

Установка на ГАТС ЗИЛ-431 610 двигателя ЗИЛ-375 обеспечивает по энергопотреблению уровень, соответствующий Аь, но при этом скоростные свойства хуже, чем у ГАТС МАЗ-5335 на 14,7% (по критерию скоростных свойств).

В табл. 2.13 приведены результаты испытаний опытных образцов ГАТС при работе на ГМТ жидких нефтяных топливах и на 2-х топливных смесях.

Приведенные данные дают основание для ряда опытных образцов получать вероятностные оценки показателей энергопотребления и скоростных свойств, тем самым оценивать степень достижения уровня выпускаемых серийных образцов ГАТС, а также оценивать влияние конструктивных параметров на эти показатели.

Анализ оценок удельных показателей энергопотребления (табл. 2.14, 2.15) опытных образцов ГАТС при работе на различных топливах позволяет констатировать, что при установившихся режимах движения Рсолз-/1 = 60 и 80 км/ч ГАТС с дизельным двигателем по сравнению с ДВС с искровым воспламенением имеют энергопотребление на 27,7% и 26,8% меньше, соответственноБортовые ГАТС колесной формулой 6×6 имеют энергопотребление при установившихся режимах движения Ксол^? = 60 и 80 по сравнению с бортовымиГАТС колесной формулой 4×2 на 21,8%.45,7% соответственно больше. Приимитации городского ездового цикла расходы у рассматриваемых автомобилей одинаковы.

Применение на ГАТС 2-х топливных систем питания (бензин А-56 или А-76 + природный газ), (дизельное топливо+природный газ) по энегропотреблению явного преимущества перед однотопливными системами не обеспечивает.

Экспериментальными исследованиями решаются следующие задачи:1. определение по ГОСТ 20 306–90 и 22 576−90 показателей ЭСС ГАТС, работающих на ГМТ и проведение по полученным результатам точечного оценивания-2. определение степени и характера влияния вида газомоторного топлива на ЭСС ГАТС-3. определение и оценка значимости взаимосвязи показателей ЭСС с общезначимыми конструктивными параметрами ГАТС.

4. определение влияния режимов движения с постоянной скоростью и ускорения на энергопотребление ГАТС.

Проведение лабораторно-дорожных работ по определению ЭСС опытных образцов ГАТС ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе (ГОСТ 20 306−90 и 22 576−90) позволило провести точечное оценивание показателей их ЭСС (табл.2.16) и оценить погрешность прогнозирования по регрессионным моделям (табл. 2.9).

Результаты статистического оценивания показателей энергопотребления и скоростныхсвойств грузовых автотранспортных средств 31Показатели ЭСС Единица измерения ЗИЛ-431 610 ЭИЛ-138И* среднее значение погрешность предсказанного значения, % среднее значение погрешность предсказанного значения, %0.8(Я кг/100 км 21,1 4,7 20,5 3,4Т20−60 сек. 70,2 0,3 58,3 1,2Т400 сек. 36,3 5,8 35,7 3,9У'¡-'I м/с (км/ч) 22,9(82,4) 1,5 24,4(87,7) 1,7у ' тах м/с (км/ч) 25,5(91,8) 2,8 26,4(95,0) 4,4кг/100 км 25,8 10 24,2 14,5Тюоо сек. 68,5 3,2 66,7 2,7Тм сек. 49,7 5,2 41,1 2,2Л на природном газе.* На автомобиле ЗИЛ-431 610 установлен двигатель ЗИЛ-130 со степенью сжатия 6,5:1, а на автомобиле ЭИЛ-138И — со степенью сжатия 8:1.

Результаты исследования ЭСС рассматриваемых автомобилей проведены по планам полнофакторных экспериментов типа 23 и 24 [42]. На основании этих данных (гипотеза об однородности дисперсий принята на уровне значимости а= 0,05) методом наименьшие квадратов были построены регрессионные модели, позволяющие оценить характер влияния на ЭСС автомобиля, как конструктивных параметров, так и вида топлива. Гипотезы о значимости коэффициентов регрессии, входящих в модели, и адекватности моделей приняты на уровне значимости, а = 0,05.

В табл. 2.17, 2,18 приведены значимые коэффициенты регрессии моделей, полученных при проведении экспериментов по планам типа 22, 23 и отражающих функциональную связь показателей ЭСС с выходными параметрами двигателя. Гипотезы о значимости коэффициентов регрессии и адекватности моделей приняты на уровне значимости, а = 0,05 [43, 44, 45].

Для уменьшения погрешности эксперимента при определении показателя «время разгона на прямой передаче» интервал скорости движения автомобиля 20,0.60,0 км/ч контролировался по электротахометру Э8286 конструкции ЗИЛ (диапазон измерения 0−5000об/мин цена деления 100 об/мин, погрешность измерения. не более 2,5% от верхнего предела измерения). Значения оборотов двигателя, соответствующих начальной и конечной границе скоростного интервала на 5-ой и 4-ой передачах были определены по формуле:" о * ^' кг1 /7(0,38 -гк5-ая передача 700−2000 об/мин.

4-ая передача 1000−3000 об/мин.

Разгон автомобиля на пути 400 м начинался при установившихся оборотах двигателях 1000 мин" 1. п, об/мин.

Регрессионные модели энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-1Э8А и ЗИЛ-1Э8И.

Автомобиль Режим движения Показатель Обозначение Х0 Коэффициенты регрессии х, х2 Х3 Х4 Х1Х2 х, х3 ХгХ3 Х1Х2Х Х, Х3ХТ эт СРазгон на пути 400 м Время, с ТА 42,4 2,7 -2,5 -1,5 Расход топлива, г Ол 265,9 10,1 20,9 -6,4Разгон на прямой Время, с ТГА 86,7 33,1 -35,2 -32,3 -19,2 -17,4 19,7 12,6 Расход топлива, г Ол 420,4 151,3 -69,9 -115,7 -60,3 -59,5 37,7 35,6 Ксо/и/ 40/60 км/ч Расход топлива, кг/100 км Оы 25.7 1,6 2,4 2,9 1,8* К оо го т-Н 1 СО Разгон на пути 400 м Время, с Ти 41,5 4,4 -1,75 -1,3 -0,8 Расход топлива, г 0." 263,5 27,3 23,7 Разгон на прямой Время, с ТТи 57,7 22,6 -15,0 -11,7 -8,3 -8,3 5,2 4,1 Расход топлива, г Си 310,4 106,7 -24,5 -33,5 -24,0 -47,3 9,4 13,4 Ус от! 40/60 км/ч Расход топлива, кг/100 км б&trade- 24,3 1,6 2,9 1,8 1,6* 0,7 0,6 • В регрессионных моделях «расход топлива при установившихся скоростях движения переменная Х4 обозначает скорость движения Принято следующее кодированное обозначение варьируемых переменных: — полная масса автомобиля {(За) — Х^— передаточное число главной передачи (/^ - Х2>— вид топлива (Ни) — частота вращения коленчатого вала двигателя при переключении передач в КП (пн) или установившаяся скорость движения (/сот^ -Х4.

Кодированное значение переменной определялось по формуле: X, -2 где Х1 — натуральное, текущее значение переменной-Хы — натуральное значение нулевого уровня переменнойI — натуральное значение интервала варьирования, обозначение:^/— СаХ2—1оХ3-ънцютпнъ& Х4-п" — Х4* - Ксода/-о чоРегрессионные модели показателей энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-1Э8А и ЗИЛ-1Э8И.

Автомобиль Режим движения Показатель Обозначение Хо Коэффициент регрессии П временные Взаимодействия Xi х2 Хз Х1Х2 Х, Х3 Х2Х3VO 00 —1 со СП 1 5 к? & Разгон на пути 400 м Время, с ТА' 44,8 -2,65 1,55 Расход топлива, г Qa' 270,5 -6,9 -24,0 11,6 Разгон на прямой Время, с ПА' 119,0 -50,5 -54,8 31,8 Расход топлива, г Ga' 536 -211 -108 96,0 Усоп5(40/60 км/ч Расход топлива, кг/100км Qsa 22,9 -1,4 1,6 1,9* s 00 СП Г-Н 1 4 5 со Разгон на пути 400 м Время, с Ти' 43,2 -5,2 1,6 Расход топлива, г Qu' 257,2 -30,7 -25,0 Разгон на прямой Время, с ТТи' 69,4 -31,0 -20,2 12,4 Расход топлива, г Gu' 344,0 -154,0 -34,0 37,4 Усопя! 40/60 км/ч Расход топлива, кг/100км Qsu' 22,6 -2,2 2,6 1,8* -1,2 * В регрессионных моделях «расход топлива при установившихся скоростях движения» переменная Хз обозначает скорость движения** Разгон на пря мой передаче с 20 до 60 км/часПринято следующее кодированное обозначение варьируемых переменных:/*/)*) -Xi-IoХ2-пм/пеVconst — Хз.

Передаточное число главной передачи 10 = 9,29 имитировалось путем включения 4-ой передачи в КП. обозначение: ХNyd', Х2 — 1оХз-пмпеХз* - Vcons, Анализ результатов эксперимента.

Исследование ЭСС опытных образцов ГАТС ЗИЛ-431 610 и ЗИЛ-138И по методикам ГОСТов 20 306−90 и 22 576−90 позволило провести точечное оценивание показателей рассматриваемых свойств. Сравнение фактических оценок показателей с прогнозируемыми (см. табл.2.16) показало, что погрешность прогнозирования по основным показателям не превышает в основном 5%, что подтверждает корректность прогнозирования по разработанной системе регрессионных моделей в отношении ГАТС, работающих на природном газе (см. табл.2.11).

Исследование ЭСС рассматриваемых ГАТС по планам полнофакторных экспериментов типа 23 и 24 позволило получить уравнения регрессии (функции отклика) и количественно оценить весомость каждого параметра при переходе с бензина на газовое топливо, а также определить характер функциональной связи между показателями ЭСС и переменными (конструктивные параметры и показатели выходных свойств двигателя).

Анализ функции отклика «время разгона на прямой передаче» показал, что для ЗИЛ-431 610 этот показатель в равной степени зависит как от Хь Х2, так и Хз (полная масса, передаточное число главной передачи, вид топлива), а для ЗИЛ-138И в большей степени зависит от Х1 (весомость коэффициента при Х1 в 1,5 раза больше, чем при Х2 и в 1,9 раза больше, чем при Х3). Эффекты ХДг, ХДз, Х2Х3 и Х^Хз вызывают нелинейность уравнения и характеризуют сложность взаимодействия параметров при формировании свойств автомобиля.

Сравнение и анализ функций отклика «время разгона на прямой передаче» и «расход топлива при разгоне на прямой передаче» показали, что сокращение времени разгона сопровождается и сокращением энергопотребления на этот процесс. Причем зависимость энергопотребления от переменной «вид топлива» для ЗИЛ-431 610 более значительна, чем для ЗИЛ-138И (в 3,5. раза). Аналогичное наблюдается и при рассмотрении функции отклика «расход топлива при установившихся режимах движения» (коэффициент при Х3 для ЗИЛ-431 610 в 1,6 раза больше, чем для ЗИЛ-138И). Сказанное выше характеризует преимущество ГАТС на природном газе с двигателями, имеющими высокую степень сжатия.

Проведенное сравнение и анализ функций отклика «время разгона на пути 400 м» и «расход топлива при разгоне на 400 м» показали, что переменная Х4 (частота вращения двигателя при переключении передач в КП) значительно влияет на величину энергопотребления двигателем. Для ЗИЛ-431 610 это влияние в 2,1 раза больше, чем влияние Х1 (полная масса), а для ЗИЛ-И8И — наравне с Хр Снижение верхней границы (частоты вращения) двигателя с 3200 до 2400 мин" 1 (частота вращения двигателя 2400 соответствует границе области работы двигателя ЗИЛ-431 410 с навесными агрегатами с удельными энергопотреблением не более 326 г/кВт.ч (240 г/л.с.ч.) обеспечивает уменьшение энергопотребление (для автопоездов ЗИЛ-431 610 + ГКБ-817 и ЗИЛ-В8И + ГКБ-817 это составит 23,0 и 15% соответственно). Рост удельных значений энергопотребления при оборотах двигателя свыше 2400 мин" 1, и как следствие этого большие значения энергопотребления автомобилем, объясняются превышением роста механических потерь двигателя над ростом величины эффективной мощности.

2.8. Энергетика грузового автотранспортного средства, работающего на бензоводородовоздушных смесях.

Испытания по оценке влияния добавки водорода к бензину на энергопотребление ГАТС ЗИЛ-431 410 проводились AMO ЗИЛом на автополигоне НИЦИАМТ ФГУП НАМИ совместно с МГИУ.

ГАТС ЗИЛ-431 410 оснащено специальной системой питания, системой хранения водорода в металлогидридных аккумуляторах на основе интерметаллического соединения — TiFeV и контрольно-измерительными приборами (рис. 2.20.) для определения энергопотребления, скоростных свойств и эксплуатационных характеристик. Общая масса четырех модулей, заполненных интерметаллидом и заправленных водородом, составляет 255 кг (без учета соединительной арматуры из элементов крепления аккумуляторов и массы автомобиля).

Установленная на автомобиле комбинированная система питания обеспечила работу двигателя в 3-х режимах [46]: 1) без дозировки водорода-2) с дозировкой водорода на режимах неполной нагрузки двигателя (М<0,65 Мшах)-3) с дозировкой водорода во всем рабочем диапазоне (от пхх до Мшах).

Система питания двигателя в режимах дозировки водорода обеспечивалаработу двигателя с обедненными по бензину смесями аБ =1,4−1,6. При этом рабочая зона с удельными расходами не более 300 г/кВт*ч значительно расширилась (рис. 2.21).

1. Карбюратор-смеситель. 2. Водородный редуктор. 3. Электромагнитный клапан подачи водорода в редуктор. 4. Блок контрольных манометров. 5. Преобразователь напряжения. 6. Водоподводящие коллектора. 7. Водородоотводящий коллектор. 8. Водородные вентили. 9. Общий предохранительный клапан. 10. Предохранительные клапана гидридной системы. И. Электромагнитный клапан водородного (мерного) баллона. 12. Редуктор высокого давления. 13. Баллон для хранения водорода под давлением 19,6 МПа. 14. Запорный вентиль. 15. Корпус прибора замера температур (ПЗТ). 16. Расходомер бензина. 17. Реле режимов подачи водорода. 18. Вакуумный датчик разрежения. 19. Бензонасос. 20. Байпас (система охлаждения двигателя). 21. Радиатор.

100 нм800 1200 1600 2000 2400 2800 об/минРис. 2.21. Рабочее поле двигателя ЗИЛ-431 410 Обозначение:300 г/кВт ч — топливо бензин А-76 ¦300 г/кВт ч — топливо смесь (А-76 + водород)250 Н. м — верхняя граница срабатывания электромагнитного клапана подачи водорода в смеситель, равная 0,65 Мтах.

Используемая энергия топливных смесей при различных режимах движения грузового автомобиля ЗИЛ-431 410*.

Режим движения Топливо А-76, МДж Бензоводородная смесь (А-76 + Нг) Подача водорода на режимах неполной нагрузки двигателя, МДж (М < 0,65 Мтах) Подача водорода во всей рабочей области двигателя, МДжГЕЦ 1470,0 1434,0 1387,0УсопНО™ час 856,5 816,0 857,6УсО!^ 60 час 1035,5 926,0 974,0Усо!^ 80. час 1268,8 355,2 1120,4* Примечание: При расчетах плотность бензина принята 0,727 кг/л водорода — 0,09 кг/м3 [25,47] низшая теплотворная способность бензина — 44,2 МДж/кг, водорода — 112,0 МДж/кг [25, 47]Таким образом, полученные результаты подтверждают принципиальную возможность сокращения использования жидкого топлива грузовыми автомобилями в условиях крупного города за счет — частичной добавки в бензиновую смесь водорода.

2.9. Выводы по главе.

В результате проведенной исследовательской и теоретической работы получены следующие научные результаты:2.9.1. Получены точечные оценки ЭСС грузовых автотранспортных средств и показателей внешней скоростной характеристики*ДВС, позволяющие: проведение нормирования показателей энергопотребления, разработку карт контроля качества для управления производством— формирование основ методологии проектной эффективности при разработке грузовых автотранспортных средств, работающих как на жидких нефтяных топливах, так и на газомоторных топливах.

2.9.2. Проведена оценка уровня соответствия грузовых автотранспортных средств серийного производства нормативам по энергопотреблению и рассчитаны удельная оценка фактора неоднородности грузовых автотранспортных средств серийного производства по критерию энергопотребления (расход энергии при движении с постоянной скоростью 60 км/ч), составляющая 4,02 МДж/(100 км-т) и по критерию скоростных свойств (время разгона на прямой передаче с 20 км/ч до 60 км/ч) — 0,59 с/т.

2.9.3. На основе использования факторного и регрессионного анализов результатов лабораторно-дорожных испытаний по оценке топливно-скоростныхсвойств грузовых автотранспортных средств в соответствии с методиками ГОСТов 20 306−90 и 22 576−90 в сложной системе «автомобиль-водитель-дорога-окружающая среда-производство» (А-В-Д-ОС-Пр) обоснованы критерииэнергетической эффективности, скоростных свойств, общезначимые параметры конструкции (рис. 2.4) и рассматриваемая сложная система упрощена до системы А-Пр.

2.9.4. Проведена идентификация сложной технической системы А-Пр двадцатью регрессионными моделями (табл. 2.9), характеризующимися высокой степенью достоверности и информативности.

На основе полученных регрессионных моделей разработан алгоритм прогнозирования показателей энергопотребления, скоростных и эксплуатационных свойств грузовых автотранспортных средств серийного производства (рис. 2.5), определяющих производительность в эксплуатации.

2.9.5. Проведено теоретическое исследование энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств ЭИЛ-4331, работающих на дизельном топливе, и ЗИЛ-431 610, работающих на природном газе, серийного производства и определены значения удельных показателей и конструктивных параметров (удельная мощность, удельный литраж ДВС, передаточное число главной передачи), обеспечивающих заданный уровень реализации этих свойств в грузовых автотранспортных средств на стадии производства (рис. 2.10, 2.11, 2.15, 2.16,2.17).

2.9.6. Приведены результаты оценки энергопотребления опытных образцов, грузовых автотранспортных средств в различных весовых состояниях, работающих на природном газе, пропан+бутановых смесях, двухтопливных смесях (бензин+природный газ, дизельное топливо+природный газ).

2.9.7. Исследование энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств по планам полнофакторных экспериментов типа 23 и 24 (табл. 2.17, 2.18) позволило получить уравнения регрессии и количественно оценить весомость каждого конструктивного параметра при работе ДВС грузовых автотранспортных средств как на бензине, так и на природном газе, определить характер функциональной связи между показателями энергопотребления, скоростных свойств и конструктивными параметрами, показателями выходных свойств двигателя.

На основе проведения исследований грузовых автотранспортных средств по планам полнофакторных экспериментов получены результаты оценки фаз схемы функционирования грузовых автотранспортных средств движение с Усоыбт и при разгоне. Последнее позволяет получить: — сопоставление теоретических оценок рассматриваемых свойств и характера изменения установленных по априори статистически устойчивых связей-— подтвердить корректность прогнозирования показателей энергопотребления и скоростных свойств по разработанной системе регрессионных моделей на основе принятых допущений по неоднородности продукции.

2.9.8. Результаты испытаний грузовых автотранспортных средств на бензоводородовоздушных смесях показали целесообразность применения водорода в качестве добавки к бензину, т.к. энергопотребление сокращается на 2,4 — 5,6%, а замещение бензина 8−17% в режиме имитации городского ездового цикла.

Глава 3РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ ГРУЗОВЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНЫХТОП ЛИВАХ.

3.1. Научные основы разработки методологии испытаний грузовыхавтотранспортных средств.

Создание новых образцов ГАТС представляет собой сложный иерархический процесс, состоящий из ряда этапов, связанных с проектированием, изготовлением и различными видами испытаний, как элементов, так и всего комплекса аппаратуры.

Процедура создания технических систем в рамках эскизного (ЭП), технического проекта (ТП) и рабочей документации (РД) [48, 49] включает в себя основные стадии: научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские работы и серийное производство, сопровождение по обеспечению работоспособности в эксплуатации.

Научно-исследовательская работа (НИР) обычно заканчивается предъявлением отчетной научно-технической документации, а в случае положительных результатов — проектом задания на опытно-конструкторскую разработку.

Опытно-конструкторская разработка (ОКР) заключается в практической реализации результатов НИР, она может проводиться и без предшествующей НИР, если ставится задача модернизации существующих изделий и не требуется принимать принципиально новых технических решений.

ОКР заканчивается изготовлением и испытанием опытных образцов (партий), разработкой комплекта конструкторской документации (КД) на изделие в соответствии с принятыми нормами.

В отличие от НИР, опытно-конструкторская разработка обычно включает в себя подготовительную стадию: составление задания на ОКР и разработку технических предложений, эскизный проект, технический проект, разработку рабочей КД опытного образца, включая изготовление и испытания образца, корректировку технической документации по результатам испытаний и передачу ее заводу-изготовителю серийных изделий.

Особенности исследования проектируемых ГАТС, работающих на ГМТ, предопределяются свойствами ГМТ, используемыми в конструкции ГАТС материалов, рабочих процессов, режимов работы и эксплуатационными условиями.

Всю совокупность параметров, характеризующих состояние системы, можно разбить на пять основных групп: входные и выходные параметры, параметры состояния, управляющие и возмущающие параметры. К входным относят параметры, воздействующие на вход системы, и наложенные в процессе проектирования системы ограничения внешнего характера. Выходные параметры отражают реальные характеристики системы. Параметры состояния определяют внутреннюю структуру системы и характеризуют динамику его функционирования (рабочие процессы — РП, внутренняя среда — Св, режимы функционирования — ERc).

Не останавливаясь на детализации испытаний, рассмотрим более подробно научную проблематику и основные задачи, которые необходимо решить в процессе натурных испытаний ГАТС, работающих на ГМТ и их систем.

Очевидно, что практически во всех случаях основная научная проблема натурных испытаний — обеспечить достаточную адекватность эксперимента реальной ситуации последующего применения создаваемого объекта. Поэтому можно выделить центральные задачи натурных испытаний: — изучений характеристик воздействия среды на испытываемый объект-— идентификация статистических и динамических параметров объекта-— оценка эффективности функционирования объекта испытаний и проверкаего на соответствие заданным требованиям.

Проблему адекватности можно сформулировать следующим образом.

Имеются некоторое функциональное пространство и некоторая динамическая система, преобразующая функции из этого пространства в некоторое другое пространство функций или функционалов, удостоверяющих цели системы. Требуется найти описание системы в другом пространстве, позволяющее преобразовать функции в оценки функций или функционалов.

Несмотря на внешнюю простоту описательной процедуры решения проблемы адекватности, ее реализация в большинстве случаев связана со значительным теоретическими и техническими трудностями, особенно при рассмотрении сложных систем натурного эксперимента как ГАТС на ГМТ.

При планировании натурных испытаний решаются следующие задачи научно-технического обеспечения: выбор критериев оценки эффективности испытаний, разработка методического обеспечения экспериментов, разработка моделей системы испытаний с учетом, как объекта испытаний, так и используемых вспомогательных средств, выбор видов, объемов и последовательности этапов испытаний (разработка программ), выборконтролируемых параметров, планирование материально-технического обеспечения, разработка специального испытательного оборудования.

Собственно процесс испытаний предполагает решение вопросов, связанных с использованием моделирования, метрологического обеспечения экспериментов, автоматизацией процесса исследований, организацией сбора результатов экспериментов и разработкой способов коррекции программ.

Задачи научно-технического обеспечения при обработке результатов включают в себя выбор формы представления результатов, разработку алгоритмов оперативной, первичной, вторичной и полной обработки результатов, программно-математического обеспечения, разработку модели и моделирование тракта передачи информации.

Процедура анализа результатов экспериментов предполагает выбор критериев оценки результатов испытаний, разработку методов прогнозирования технического состояния испытываемого объекта, выбор критериев принятия решения и форм представления результатов анализа.

Так как объектом натурных испытаний является ГАТС в организационно-иерархической транспортной системе, то очевидно, что при синтезе процесса испытаний целесообразно использовать результаты таких направлений науки, как теория систем, системотехника, анализ систем, теория эффективности, надежности, идентификации. Как этап создания систем испытания включает в себя операции планирования, технического проектирования, обработки и анализарезультатов. При решении задачи оптимизации процесса испытаний опираются на специальные исследования в таких областях, как теории подобия, контроля и диагностики, чувствительности, информации, распознания образов, инженерная психология, теория вычислительных систем, теория массового обслуживания, документалистики [48].

Таким образом, научные проблемы, которые возникают при натурных испытаниях систем, настолько многообразны, что вопрос создания общей теории испытаний сложных технических систем практически остается открытым.

Как уже отмечалось, процесс исследований проектируемых систем носит иерархический характер. Это обусловлено тем, что этот процесс отражает объективные свойства иерархической упорядоченности сложных технических систем, т. е. возможность разделения всякой сложной системы на ряд подсистем, блоков, элементов.

Так как натурные испытания неотделимы от процесса создания систем, то для процесса испытаний принимают ту же декомпозицию, что и для самой проектируемой системы [20]. В этом случае структурная иерархия натурных испытаний имеет семь уровней — деталь, сборочной единицы, комплекса, узла, агрегата, сложная техническая система (СТС), сложная организационно-иерархическая система (СОИС) [50].

При испытании центральной задачей являются установление допустимых пределов изменения физических параметров и оценка влияния на них факторов, связанных с внешними условиями функционирования отдельных составляющих.

На уровне агрегатов, элементов в процессе испытаний производятся оценка взаимодействия взаимосвязанных деталей, комплексов и выявление отказов, вызванных особенностями конструкции.

На уровне испытаний комплексов ставится задача оценки взаимодействия агрегатов, элементов и совершенства разработанной конструкции [32].

Задачи оценки взаимодействия элементов СТС влияния их характеристик на характеристики изделия решаются на уровне комплексного испытания системы.

Очевидно, что при планировании натурных испытаний должна быть учтена специфика каждого уровня и проведено рациональное распределение объемов и ресурсов между различными уровнями испытаний.

Из графика на рис. 3.1 видно, что увеличение объема сопровождающего моделирования позволяет в 1,5−2 раза сократить число натурных экспериментов [48].

Одной из особенностей сложных систем натурного эксперимента является то, что при их реализации пе всегда возможно провести необходимый объем экспериментальных исследований функционирования объекта в целом или отдельных его систем и подсистем в реальных условиях эксплуатации. Поэтому в натурных испытаниях приходится создавать некоторую имитационную обстановку. В этих случаях полнота и достоверность получаемого экспериментального материала могут быть гарантированы при привлечении к исследованиям методов моделирования. Однако это накладывает определенные требования на организационную схему экспериментальных исследований, которые в общем случае должны проводиться в следующем порядке: — составление программ и проведение моделирования для отработки плана экспериментов и их оптимизации-— натурный эксперимент в имитационной обстановке-увеличения результатовобъема натурных— уточнение на основе экспериментальных данных разработанной модели и программ моделирования-— сопровождающее моделирование для статистических данных и прогнозирования испытаний-— разработка модели системы натурного эксперимента и составление программ моделирования с учетом реальных условий функционирования объекта-— разработка методов переноса результатов, получаемых в процессе моделирования, на реальные условия функционирования объекта-— моделирование для оценки эффективности функционирования объекта в реальных условиях.3о к8иО ойУ ЛоК КГо ОЁ- Й8 яо КЕ &-о йксонРю оксз 8нО) ж и: ео иЙ «§-«оокиоо «01оОтносительная сложность объекта испытанийРис. 3.1. Взаимосвязь объемов моделирования и натурных испытаний:1 — объем моделирования-2 — объем натурных экспериментов без моделирования-3 — объем натурных экспериментов при моделировании.

3.2. Обзор этапов исследования грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах.

В соответствии с поставленными задачами исследования грузовых автотранспортных средств с учетом особенностей свойств ГМТ и требований к безопасности потребовалась разработка нового подхода к проведению самих испытаний по существующим методикам, изложенным в соответствующих ГОСТах, как автомобилей так и узлов и агрегатов, к объему и видам испытаний.

В результате проведенной работы разработаны:1. Общий алгоритм исследований ГАТС, работающих на ГМТ (рис. 3.2)-2. Алгоритм этапов испытаний и получения информации (рис. 3.3)-3. Разработан регламент работ по технической приемке опытных образцов автомобилей, собранных на участке сборки экспериментального цеха AMO ЗИЛ-4. Структура научно-производственного комплекса и отлажен обмен, анализ информационных потоков, что являлось основой для разработки автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД) (рис. 3.4) [51]-5. Разработана, обоснована и доведена методика измерения расхода газового топлива при лабораторно-дорожных испытаниях по методике ГОСТа 20 306−90 ГАТС, работающих на компримированном газе (водороде или природный газ) с мерными баллонами 4,24 л, весовым способом с погрешностью измерения 1+2% и косвенным — 4-И 9% в зависимости от диапазона измеряемого давления и диапазона измерений используемого манометра [26]-6. Разработана и создана система испытаний ГБА, систем хранения и элементов газовой аппаратуры на соответствие требованиям безопасности (пожаровзрывобезопасности).

Проведенная организационная экспериментально-исследовательская и теоретическая работа позволила создать систему доводки конструкции ГАТС, работающих на ГМТ, повысить достоверность исследовательской информации, улучшить их эффективность в эксплуатации и повыситьпожоровзрывобезопасность.

Особое место занимает решение задач по улучшению выходных свойств двигателей ЗИЛ при их переводе на природный газ и совершенствованию газодозирующей аппаратуры двигателей работающих на пропан-бутановых смесях [39]. Проведенные теоретические исследования рабочих процессов в камере сгорания ДВС с целью повышения мощностных свойств и снижения токсичности выхлопных газов, а также политические и экономические аспекты позволили сформировать направления доводки конструкции ДВС ЗИЛ обеспечивающих улучшение эксплуатационных свойств ГАТС на ГМТ (рис. 3.5).

Постановка задачиНет *Нужен экспериментДаВыбор вида испытанийСтендовые Авт- !дв-ля ля ¡-узлов !агр-вДорожные испытанияВнешние источники информациПланирование и проведение экспериментаIОбработка результатов испытанийНужен отчетДаНетАнализ. Подготовка исходных данных для математической моделиНет1Достаточно данных для расчета? ДаОбработка математической моделиНетМодель адекватнаДаРасчет математической моделиАнализ расчетаНет1Нужен отчет? ДаЗадача решена? ОтчетРис. 3.2. Общий алгоритм исследования.

ЗадачаРис. 3.3. Этапы испытаний грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах, и получения информации-4————-поток информации.

Эксплуатирующие организации (опорные автохозяйства) АТП г. ЛьвовАТП г.БердичевАТП г. ДушанбеАТП г.МоскваАМО ЗИЛУКЭР (Бюро ГБА) Научные центрыНАМИНИПИАМТВНИИГАЗНИИАТТаджикский политехнический институт (ОНИЛ)I > Институт Газа АН УССРАСКПО ЗИЛМетровагонмашРЗААМКЗЛенкарзРис. 3.4. Структура научно-производственного комплекса.чойРис. 3.5. Блок-схема направлений повышения эффективности использования свойств альтернативных видов топлив в двигателях автомобилей ЗИЛ.-этапы, мероприятия, освоенные и ]Iнамечаемые мероприятиясерийно реализованныеПроведенные в соответствии с блок-схемой работы позволили получить следующие результаты:1. Проведенные испытания и исследования показали: газовые двигатели семейства ЗИЛ составляют мощностной ряд: — при работе на природном газе 85-Я 35 кВт-— при работе на нефтяном газе 103-Я29 кВт-— при работе на бензине А-76 1034−134 кВт. с эффективным КПД г|е в диапазоне от 0,25 до 0,305, рабочим объемом в диапазоне 6,04−7,0 л и степенью сжатия б=6,5-ь11.

3. Применение вязкой муфты вентилятора системы охлаждения двигателя позволило снизить энергопотребление в режимах с постоянной скоростью движения 60 или 80 км/час., так и при имитации городского типа от 2,9 до 4,7%.

4. За счет лучших газодинамических характеристик винтовых каналов обеспечивается повышение мощностных свойств и уменьшение токсичности выхлопа: СО в 10−15 раз ниже требований ГОСТа 17.2.2.03−87, СН-в 3−6 раз.

5. Применение в качестве топлива бензина АИ-93 вместо А-76 для работы двигателя автомобиля ЗИЛ-431 810 позволило существенно улучшить эксплуатационные свойства автомобиля ЗИЛ-431 810 (пусковые и мощностные свойства на 135% при работе на резервной системе питания).

6. Спроектирована и создана система эксплуатационных испытаний. Спланированные исследовательские работы в Душанбе АТП МинтрансаТаджикской ССР в условиях высокогорья позволили обосновать модернизацию бензонасоса двигателей ГБА с целью исключения образования паровых пробок и создать технологию их производства, также создать высотный корректор на основе испытаний на высоте 1000 и 3000 м над уровнем моря и определить закон изменения оптимального сечения окна корректора (S) с использование метода наименьших квадратов, обеспечивающего снижение энергозатрат на 6,4^-7,5% и увеличение мощности двигателя на 2,6−7-3,5% :SonT = [0,4 H2 — 0,5Н + 3,4]. 10″ 4, [ м2 ] где: H — высота над уровнем моря в тыс.м.

7. Проведенные исследовательские работы с опытными системами нейтрализации отработавших газов, установленными на ЗИЛ-431 610 при работе на природном газе показали возможность сжижения удельных выбросов СО до 82,8%, а удельных выбросов CFI+NOx — до 56,8%.

8. Созданы и отработаны методы управления стратегий исследования выходных свойств двигателей на основе использования методов планирования эксперимента и вероятностной статистики [53, 54].

3.3. Стендовые прочностные испытания грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах.

Мировая практика и имеющийся на ЗИЛе опыт (см. технические отчеты ТО 557−89 и 1044−89) свидетельствуют о том, что для получения объективной оценки усталостной долговечности несущих систем грузовых автомобилей достаточно в стендовых условиях правильно воспроизводить вибронагруженность автомобиля в вертикальной плоскости, формируемую в эксплуатации воздействием дорожных неровностей.

Поэтому в основу разработки нагрузочных режимов данных испытаний был положен принцип точного воспроизведения в стендовых условиях вертикальных ускорений, зарегистрированных на осях автомобиля в дорожных условиях.

В качестве исходных данных для разработки на испытательном комплексе системы «Гидропульс» фирмы «Шенк» (ФРГ) режимов испытаний использовались процессы нагружения, зарегистрированные на спецдорогах НИЦИАМТ, принятых для прочностных дорожных испытаний автомобилей-самосвалов ЗИЛ-4505 в бюро газобаллонных автомобилей по Программе методике (ПМ) 070−90 испытаний (рис. 3.6).

По данным изготовителя стендового оборудования фирмы «Шенк» (ФРГ) погрешность при воспроизведении ускорений на стенде не превышает 10%.

Общая аппаратурная погрешность при регистрации режимов нагружения исследуемого автомобиля в дорожных условиях, по данным изготовителя регистрирующей аппаратуры (фирмы «Johne+Reilhfeu ФРГ) не превышает 5%.

Ускорения регистрировались датчиками ускорений типа «В 12» фирмы «НВМ» (ФРГ). Технические и метрологические характеристики датчиков ускорений и способ их крепления соответствовали инструкции фирмы-изготовителя 156.50−02−40.

В качестве измерительной и регистрирующей аппаратуры использовалась РСМ — система регистрации типа 8К13 фирмы «Johne+Reilhfeu (ФРГ).

Технические и метрологические характеристики указаны в инструкциях изготовителя G 0123/G 01−1 и G 0111−001−1.

Обработка зарегистрированных в дорожных условиях процессов нагружения и их анализ, а затем формирование и воспроизведение на стенде эксплуатационной нагруженности с контролем адекватности (табл. 3.1) испытываемого автомобиля обеспечивалось системой управления испытаниями на базе ЭВМ POP 11/44.

На основе зарегистрированных процессов, взятых в процентном соотношении пробегов по ним, соответствующим условиям проведения по ПМ.070−90 дорожных форсированных, прочностных ресурсных испытаний автомобилей-самосвалов ЗИЛ-4505, был сформирован блок нагружения, параметры которого указаны в табл.3.2. Многократным повторением на стенде указанного блока нагружения реализовалась заданная наработка автомобиля, соответствующая определенному пробегу в дорожных условиях вплоть до подтверждения установленного ресурса.

Рис. 3.6. Автомобиль-самосвал ЗИЛ-ММЗ-4505, установленный па испытательном комплексе системы «Гидропульс» с многоосным приложением силына четыре колеса.

В целях доводки конструкции самосвалов по боковой устойчивости при разгрузке на площадке с поперечным уклоном под задними колесами разработана методика стендовых испытаний доводки конструкции самосвалов, работающих на ГМТ [55].

В настоящее время оценка энергетического совершенствования ГАТС осуществляется по показателям топливной экономичности. Процесс измерения показателей топливной экономичности ГАТС регламентируется требованиями ГОСТа 20 306−90 с одной стороны, относительно величины погрешности измерительных приборов, равный + 1,0%, а с другой — в отношении погрешности эксперимента говорится, что измерения повторяют, если разница между полученными результатами в любых 2-х заездах превышает 5% и за результат измерения принимается среднее арифметическое зачетных заездов, кроме того, в отличии от жидкого топлива, газовое топливо имеет меньшую плотность и очень чувствительно к изменению термодинамических параметров состояния (температуры, давления), характеризующееся коэффициентами термического расширения, термической упругости, изометрической сжимаемости.

При этом можно отметить, что коэффициент объемного расширения у метана в 3,7 раз больше, чем у бензина и жидкости практически не сжимаемы.

Для измерения расходов газового топлива в промышленности применяют 2 метода измерений: — прямой-— косвенный.

Предварительно отметим, что на результаты измерения расходов газомоторных топлив влияет диаметр трубопроводов (высокого давления — 6 мм, низкого давления 20 мм), характер движения газового потока в трубопроводах (резко меняющийся по скорости в зависимости от режимов движения ГАТС), кроме того, на параметры потока оказывает влияние цикличность редуцирующей аппаратуры.

Первоначально для проведения замеров газового топлива на ГАТС при лабораторно-дорожных и экспериментальных испытаниях в силу специфических особенностей (необходимость при использовании сужающих устройств, спрямляющих участков и большие массогабаритные параметры ротационных счетчиков, что делало практически невозможным установить их в подкапотном пространстве) КБ приборов КЭИР ЗИЛа был рекомендован косвенный метод с использованием выпуска газа из мерной емкости, как наиболее простой и надежный способ.

При лабораторно-дорожных испытаниях в качестве мерной емкости использовался 50 литровый баллон, в который были ввернуты переходник срасходным вентилем и выполнено сверление для установки датчика типа ТСМ-148 (медный термометр сопротивления 11=53 Ом). Для измерения давления в баллонелиспользовались 3-й манометра типа МТИ с диапазоном: 0−60 кгс/см — 0−100 кгс/см2- 0−250 кгс/см2. измерения температуры осуществлялись по электротермометру Э 8234 (изготовлен на ЗИЛе).

При определении эксплуатационных расходов перепад давлений измерялся по секциям (4 баллона), а в качестве температуры газа использовалась температура поверхности одного из 4-х баллонов.

На процесс проведения замеров оказывали влияние явления дросселирования, интенсивная теплоотдача от стенок баллона к газу из-за большой турбулентности газовой струи.

Так результаты эксплуатационных испытаний показали, что в результате заправки имеет место «перегрев» газа и как следствие повышение давления на 0,6⁴, 0 МПа (на 6−40 кгс/см)' что вносит существенную погрешность в измерение эксплуатационных расходов, а также недозаправку и потерю запаса хода автомобиля. С целью устранения влияния «перегрева» газа на результат определения эксплуатационного расхода топлива и сроков проведения заездов использовался посекционный выпуск газа. По мере израсходовывания газа в первой секции автомобиля в течение часа газ во второй секции успевал остынуть, и его начальное давление принималось за начальное давление газа в первой секции. При этом конечное значение давления и температуры в 1-ой секции соответствовали остывшему газу.

Основываясь на данных, можно сделать вывод, что ошибка расчетной методики ВНИИГаза не ниже 5%. Учитывая, что разброс емкости газовых баллонов (ТУ 14−3-1248−84) равен + 2,5%, отнесенная ко всей поверочной выборке погрешность будет не ниже 5,5%. Устройства, основанные на прямых методах, свободны от подобных недостатков.

Кроме того, при определении расходов газа из мерного баллона во время лабораторно-дорожных испытаний на точность измерения оказывало влияние образование ледяных пробок в трубопроводах высокого давления.

Погрешность эксперимента составляла в процессе лабораторно-дорожных испытаний, эксплуатационных испытаний не менее 5,0%.

Расчет расхода газа определяется по формуле:/А? = ¥-3Р2 1]$ 2Т21 /<Го Т0Рогде АУ — количество израсходованного газа, м3-У8 — объем баллона, мР, Т,^ - соответственно давление, температура и сжимаемость газа в баллоне в стандартных условиях (0), в начале (1) и в конце (2) заправки.

Для упрощения вычисления, экспериментально полученные значения термического коэффициента расширения объединены с коэффициентом сжимаемости в один коэффициент Ъ и в этом случае: г = [56,57]1 + Ш0а расход газа из мерного сосуда составит: А7 7, 2'Г, VВ дополнение к сказанному по расчету расхода газа косвенным методом из мерного баллона можно добавить возможность расчета массы израсходованного газа по таблицам плотности метана в зависимости от «Р» и «Т»: (РначРкон)-Уб огде р — плотность газа кг/м.

Как было сказано выше, при определении расхода газа косвенным методом с применением мерного баллона используются 2-а типа основных приборов: манометр и электротермометр. При измерении мы имеем дело с отсчетами, ошибками или неопределенностями этих 2-х приборов, которые нужно рассмотреть на общей основе, что мы и сделаем. Как известно, ошибки бывают систематические, обусловленные конструкцией самих приборов и случайные (погрешность эксперимента оценивается коэффициентом вариации со = в/х).

Причем измерения должны быть организованы так, чтобы погрешность результата целиком определялась систематической ошибкой измерения, которая обычно задается погрешностью измерительного прибора. С этой целью проводится такое количество измерений, при которых случайная ошибка результата была незначительна по сравнению с систематической ошибкой. Зная величины систематической и случайной ошибок, можно оценить значение суммарных ошибок. Так, в качестве верхней границы суммарной ошибки Е предлагается принять: Е-=6+28,где 8 — величина систематической ошибки-512- дисперсия измерений.

Действительно, из приведенной выше формулы следует, что с вероятностью более 0,95 можно утверждать, что результаты измерений не будут отличаться от истинного значения на величину ЕИз формулы определения расхода газового топлива: АУ = УХкТ2А Г, Видно, что результат складывается из 2-х замеров параметров газа, содержащегося в мерном баллоне. Поэтому систематическую ошибку измерения объема газа в баллоне молено оценить по формуле [56, 57]: К^г-со, 2+<�УТ2где (Оу- 6) Ро)т — интервалы неопределенности, обусловленные точностью манометра, электротермометра (табл. 3.3), в качестве интервала неопределенности (соР) использовалась минимальная цена деления шкалы прибора-относительная погрешность манометра и термометра.(сор" «(о>г)[р) 5) Таблица 3.3Показатели точности применяемых приборов (по паспортным данным).

Заштрихованные на рис. 3.7 зоны позволяют утверждать, что систематическая погрешность используемого измерительного комплекса при одном замере объема газа в мерном баллоне составляет не более 2%, а результата не более 4%.

Погрешность эксперимента при определении расходов газового топлива при лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаниях составляет не более 5%, что отвечает требованиям ГОСТа 20 306−90.

Тогда учитывая формулу определения суммарной погрешности измерения расхода газового топлива данным методом верхний предел погрешности составит: Е<5+2 8<4+2×5 < 14%.

Сопоставления 2-х способов расчета газового топлива, измеренных косвенным методом в сравнении с весовым, показали возможность расхождения от 4 до 19% (табл. 3.4) [58].

5.7. Выводы по главе.

1. Грузовое автотранспортное средство рассмотрено с одной стороны как объект со сложной структурой в сложной организационно иерархической транспортной системе (рис. 5.2) и с другой стороны как энергетическая сложная техническая система (рис. 5.4−5.6) с жизненным циклом промышленного изделия из 11 этапов (рис. 5.1) с процессом развития, характеризующимся критериями эффективности, развития и качеством.

2. Грузовое автотранспортное средство рассмотрено как совокупность потенциальных свойств (функциональных, надежностных и технико-экономических), уровень которых формируется на стадии проектирования, в первую очередь исходя из назначения, и реализуется на стадиях производства, эксплуатации (рис. 5.8) (на стадии производства это происходит ступенчато, а в эксплуатации уровень эффективности снижается практически экспоненциально: co (t) = со, exp [-K (t-1)]. где со (t) — производительность на t-ом году эксплуатации/ u)] - производительность на 1-ом году эксплуатацииК — коэффициент интенсивности изменения показателей свойств грузовых автотранспортных средств (см. рис. 4.28 и табл. 4.41).

3. Проведен анализ физико-химических свойств газомоторных топлив, позволивший:

3.1. Получить статистические оценки химического состава природного газа различных месторождений и оценить стабильность по содержанию метана (коэффициент вариации со = 9,4%) и по теплоте сгорания (со =2,98%).

3.2. Подтвердить целесообразность применения природного газа в качестве моторного топлива на основе: диаграмм областей нормальной работы ДВС на различных видах топлив (рис. 5.9, 5.10), энергетического фактора, общего энергетического КПД и коэффициента относительной эффективности (табл. 5.6).

3.3. Показать возможность использования хладоресурса газомоторных топлив для повышения энергетической эффективности грузовых автотранспортных средств в целом (холодильные установки).

3.4. Подтвердить необходимость учета таких свойств газомоторных топлив, как сжимаемость газов, дифференциальный дроссель-эффект, точка выпадения росы, давление насыщенных паров, оказывающих влияние на работоспособность заправочной аппаратуры, редуцирующей топливно-дозирующей, систем хранения и процесса воспламенения газомоторных топлив в ДВС при отрицательных температурах. Последнее накладывает определенные требования, как к конструкции данных технических систем грузовых автотранспортных средств, так и к инфраструктуре технической эксплуатации данных грузовых автотранспортных средств.

3.5. Показать возможность увеличения эффективности преобразования химической энергии газомоторных топлив в механическую за счет высокого октанового числа, высоких значений коэффициента избытка воздуха и однофазности составляющих топливно-воздушной смеси и применения наддува.

3.6. Разработать по результатам проведенного анализа обобщенную таблицу диапазона показателей изменения свойств моторных топлив для оценки эффективности применения того или иного вида газомоторных топлив в конкретных условиях эксплуатации (табл. 5.7) и совместить её- со шкалой желательности (Приложение 1).

4. Определены методологические особенности исследования эффективности грузовых автотранспортных средств на этапе проектирования (рис. 5.16). Всесторонне и углубленно раскрыто понятие категории «эффективность» и «качество» (табл.5.8) применительно к транспортному процессу и проектированию грузовых автотранспортных средств как элемента транспортной системы и предложен принцип выбора критериев эффективности:

Э ({И}- {/.3}- (Щ) ->тахпри С ({И}) = С0.

С ({И}) -ттпри Э ({И}- {?5}- {и}) = Э0, где Э — эффективность;

С — затраты;

И — измерители свойств грузовых автотранспортных средств;

Р и и — условия первой и второй групп,.

ЭоиСозаданный уровень эффективности и затрат.

5. Разработана схема формирования потенциальных свойств грузовых автотранспортных средств в зависимости от вида топлива на основе учета системно-технической увязки элементов грузовых автотранспортных средств:

На основе анализа теоретических работ по эффективному использованию грузовых автотранспортных средств, системного подхода и дискретного представления о протекании транспортного процесса и функционирования грузовых автотранспортных средств (см. обобщенные графы состояний грузовых автотранспортных средств в системе технической эксплуатации в АТП рис. 5.23, 5.25) было определено содержание внешних условий первой (активных <ф") и второй (пассивных «С/») групп и предложена математическая модель транспортного процесса грузовых автотранспортных средств, состоящая из 3-х этапов и 9-ти фаз (см. рис. 5.27, Приложение 2).

6. Исследование эффективности на этапе проектирования предлагает решение основной задачи проектной эффективности (рис. 5.28), направленной на выбор рациональных параметров проектируемого элемента сложной системы. Ее решение основано на оценке эффективности множества вариантов элемента грузовых автотранспортных средств, удовлетворяющих заданным ограничениям, в диапазоне условий эксплуатации. Возможные постановки основной задачи могут предусматривать сравнение ККС элемента, выбора его параметров и оценку эффективности относительно заданного варианта. Типовая схема решения основной задачи (рис. 5.28) включает подготовку исходных данных, анализа характеристик и элементов грузовых автотранспортных средств, построение математической модели и выбор рационального варианта с последующим анализом результатов расчетов.

Модели проектной эффективности включают модель проектируемого элемента системы и модель операции (рис. 5.30). Модель проектируемого элемента обеспечивает расчет проектных параметров элемента (рис. 5.31, табл. 2.9, 4.40−4.43. Модель операции строится на основе модели типовых фаз, этапов операций (рис. 5.27).

Принятие решения при выборе рационального варианта ККС ГАТС в условиях неопределенности предопределяется разработанным механизмом на основе формализации исходной информации измерителей рассматриваемых свойств (ИфИ&bdquo-), конструктивных параметров (КПф и КПн) с применением факторного и регрессивного анализа, критериев теории принятия решений и шкалы желательности (рис. 5.32, Приложение 3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании проведенного комплекса исследовательских, лабораторно-дорожных эксплуатационных, производственных и научно-теоретических работ решена проблема, имевшая важное народно-хозяйственное значение для нашей страны, заложившая начало:

— крупномасштабного производства грузовых автотранспортных средств, работающих на сжатом природном газепроведению подготовительных работ по организации производства и использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива для грузовых автотранспортных средств.

2. Анализ аспектов (исторического, международной системы товародвижения, мирового производства грузовых автотранспортных средств, финансовой составляющей мирового автопрома, топливно-энергетического комплекса РФ, стратегии международной энергетической безопасности, экологической нагрузки) предопределяет стратегию проектирования грузовых автотранспортных средств: создаваемые ГАТС, их обеспечивающие структуры должны быть ориентированы на рациональное использование различных видов топлива, как нефтяного происхождения, так и альтернативных источников энергии (в первую очередь природного газа, водорода, электроэнергии) и на комплектующие, изготовленные на базе высоких технологий высокого уровня качества.

3. Решена проблема формирования на стадии проектирования заданного уровня энергопотребления и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств серийного производства, работающих на газомоторных топливах, на основе методов проектной эффективности.

4. Заложены научные основы формирования автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД) на стадии проектирования ГАТС по результатам деятельности сформированной научно-исследовательской, заводской, эксплуатационной и производственной баз.

5. Решена проблема обеспечения пожаровзрывобезопасности автотранспортного процесса при использовании природного газа в сжатом и сжиженном состоянии в качестве моторного топлива грузовыми автотранспортными средствами ЗИЛ и разработаны перспективные образцы грузовых автотранспортных средств ЗИЛ, работающих на этих видах топлива (ЗИЛ-433 530, ЗИЛ- 433 610 и ЗИЛ-4335 с газодизельным процессом).

6. Проведены испытания первого опытного образца ЗИЛ-431 410, работающего на бензоводородных смесях с металлогидридным (ТьБе) аккумулятором водорода и сформулированы требования к обеспечению безопасности: решение конструкторских задач по контролю параметров состояния водорода должны базироваться на использовании наноматериаловпроцесс аварийного выброса водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях должен отслеживаться системами воспламенения и дожигания выбросов водорода поджигающими устройстваминеобходимость учета влияния на испаряемость резервуаров с жидким водородом средней температуры кожуха и содержания в жидком водороде ортофазы, которое не должно превышать 1,5+2,0%- проектирование образовательной программы, обеспечивающей подготовку кадров для работы с водородными технологиями в автомобилестроении и обеспечении безопасности в автотранспортном процессе.

7. Разработаны теоретические основы формирования потенциальных свойств грузовых автотранспортных средств, работающих на жидких нефтяных и газомоторных топливах с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства по критериям эффективности энергопотребления, скоростных свойств и процедуры принятия решения по выбору рациональных параметров компоновочно-конструкторских схем из условий обеспечения безопасности с использованием методологии проектной эффективности и блоков феноменологических математических моделей.

Функция и параметры желательности параметров газомоторных топлив. ехр[-ехЬ (-у!)].

7 0 зо 40.

0 0 1 07 0 3.

4(1 40 70 10 0.

7 О зо 40 яп 100 120.

2000 3000.

300 500 700.

0 10 20 30.

0 70 40 60 80.

0 0 7 04 06 08.

— 200 -100 0 100.

70 40 60 80 100.

08 1,2.

1 0 20 30 40 5 0.

10 000 6000 2000.

0 70 40 60 80.

60 40 70.

1200 1600 2000.

0 1 0 70 3 0.

0.018 0.010 0.002.

200 100 0.

1 1 09 0,7.

ОЧ 1.0 1,5 —>

30 20 10,0 П оо и) С.

У], МДж/м3 — Теплота сгорашш стехномстрнчсской смссн (при 15 °C, давлении 760 мм.рт.ст.).

У2, мДж-10'3 — Минимальная энергия зажигания.

Уз, м7м' - Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания (при 15 °C, 760 мм.рт.ст.).

У4, мДж/м' - Энергетический фактор топлива Фэ.

Уз — Октановое число (ОЧ/Н).

Уб, °С — Температура горения стехиометрнчсской смеси.

У7, °С — Температура воспламенения.

У8, % - Диапазон воспламенения горючей смеси — нижний.

У9, % - Диапазон воспламенения горючей смеси — верхний.

Ут. кг/м3 (кг/см3) — Плотность топлива при 15 °C 760 мм.рт.ст.

Уп, °С — Температура кипения.

Уп, мДж/м3 -Низшая теплота сгорания.

Уп — Коэффициигт сжимаемости для компримпрованных газов (при 20,0 МПа).

Ун, МПа — Упругость паров (для сжиженных газов и жидких фаз) при 20 °C.

У]з, кДж /кт — Идеальные затраты работы для ожижения газа с начальными параметрами 300 К И 101,3 кПа.

У16, % - Концснтрашюнные пределы воспламенения газовых гчнптр и г. вттпи.

У17, % - Концентрационные пределы детонаций газовых смесей с воздухом.

Уи, °С — Температура пламени.

У и, м/с — Скорость горения.

У20, м/с — Скорость распространения в воздухе.

У21, м'/с-Ю-4 — Коэффицнс! гг диффузии в воздухе.

У22, МПа — Максимальное давление взрыва.

У23 — Коэффициент относительной эффективности Коэ (табл. 5.6).

У24, $/ гДж — Стоимость производства энерпш из различных источников [18].

Проект энергетического паспорта грузовых автотранспортных средств.

Проведенные в гл. 2 теоретические исследования энергопотребления и скоростных свойств ГАТС категории N2 и N3 с применением факторного, регрессионного анализов, построения регрессионных моделей, планирование экспериментов п3 и п4, также теоретические разработки 5 главы по проектированию ГАТС на базе методологии проектной эффективности (введение понятия «потенциальные свойства» п. 5.2 и «эффективности» п. 5.4) создают предпосылки к обсуждению изменений существующих методик оценки топливно-экономических свойств ГАТС по ГОСТ 20 306–90 и скоростных свойств по ГОСТ 22 576–90 и разработке объединенной методики оценки энергопотребления ГАТС в предельных режимах фаз движения ГАТС (рис. 5.27), т.к. в эксплуатации (при осуществлении транспортного процесса) происходит их реализация (разгон на полной подаче топлива или частичной, торможение экстренное или служебное и т. д.) на основании выше сказанного ниже приводится пример проекта формирования «энергетического паспорта ГАТС». л Режим: Разгон с места с переключением передач.

2, МДж.

Рис. 1. Энергопотребление грузовых автотранспортных средств и показатели скоростных свойств в 2-х весовых состояниях (полная масса и снаряженная масса) в различных фазах движения.

Обозначения к рис. 1:

3г) Об/грУтах, О, гУтах ~ энергопотребление при разгоне с места до максимальной скорости (например, 90 км/ч) в весовом состоянии «полная масса» и «снаряженная масса», т. е. без груза;

2х.х — энергопотребление в режиме стоянки ГАТС с работающим двигателем на холостых оборотах коленчатого вала двигателя;

О' р. г9 р б/г энергопотребление ГАТС при разгоне с минимально устойчивой скоростью Ущщ 4ст, до максимальной скорости Утах в весовых состояниях «полная масса» и «снаряженная масса»;

О г Утт «О б/г Утт ~ энергопотребление ГАТС при движение с минимально устойчивой скоростью на высшей передаче в весовом состоянии «полная масса» или «снаряженная масса" — t р. г 1б/г — время разгона ГАТС в 2-х весовых состояниях;

Зг > б/г — время торможения (замедления) в 2-х весовых состояниях с максимальной скоростью до полной остановки или до минимально устойчивой скорости движения.

Обоснование выбора параметров компоновочно-конструкторской схемы грузовых автотранспортных средств, работающего на сжатом природном газе.

В разделе 2.5.2 на основе приведенного теоретического исследования энергопотребления м скоростных свойств ГАТС, работающих на сжатом природном газе, определены значения конструктивных параметров вариантов ККС, обеспечивающих на стадии производства заданный уровень энергопотребления и скоростных свойств (см. рис. 2.19). наибольшим эффектом из 6-ти вариантов (как видно из рис. 2.19) обладают ККС ГАТС № 1 (Л^= 11,9 кВт) и № 4 =0,78).

Однако, с учетом технико-экономических (табл. 7.1, 7.2 [41]) и экологических (стр. 133 [49]) показателей ККС ГАТС, работающих на сжатом природном газе, обоснование наилучшего варианта ККС ГАТС затруднительно.

Поэтому для обоснования рационального варианта ККС сравниваемых ГАТС используем методологию предложенную в п. 5.6 данной работы на основе критериев принятия решений и шкалы желательности.

Первоначально на основе информации из указанных источников составляем табл.3 п. 1.

Т.к. в табл.3 п. 1 приведены показатели с различными единицами измерений, то для их обезличивания с целью возможности применения критериев принятия решения строим шкалу желательности (рис.Зп.1) и обезразмериваем показатели из табл. 3 п. 1 и сводим полученные оценки по шкале желательности в табл.3 п. 2.

Далее, используя данные в табл.Зп.2 осуществим обоснование рационального варианта по 2-м критериям и сравним с результатми первоначального выбора ККС ГАТС.

1. Максимальный критерий Вальда или критерий осторожного наблюдателя:

Э =шахшшЭ//к.

1 ' 11 V.

Анализ результатов табл. 3 п. 2, т. е. значений ттЭ/л^ показал, что V критерий Вальда Э = тахтшЭ//к = 0,89 гарантирует определенный.

11 ?.I V выигрыш при наихудших условиях 5-ому варианту ККС ГАТС с двигателем имеющим е= 8,0 и передаточным отношением главной передачи г’о = 5,9.

2. Проведен поиск рационального варианта ККС ГАТС по критерию минимаксного риска или критерию Сэвиджа 5 =тштахг где р V г^ = тахЭ^, -Э^ - потери эффективности, т. е. риск.

Результаты расчета и шах г представлены в табл.Зп.З и демонстрируют, что 5-ый вариант ККС ГАТС минимизирует потери эффективности при наихудших условиях.

Таким образом, оба критерия (Вальда и Сэвиджа) подтверждают приоритетность варианта ККС ГАТС с ?=8,0 и ?0=5,9 по сравнению с ранее определенными вариантами имеющих Ыуь= 11,9 кВт или =.

0,78 в источнике [41].

Исходные значения показателей функциональных и технико-экономических свойств вариантов ККС ГАТС, работающих на сжатом природном газе. пп Показатели Объекты ГАТС У, Амортизационные отчисления, % г2 Затраты на топливо, % Уз Себестоимость перевозки, % У4 Предотвращение экологического ущерба, руб. Уз (^60, кг/100км Уб Тго-бо, с.

1 ЗИЛ-431 610 (ЗИЛ-1348А) базовая модель База 3800 мм +31.9 -64 -8,3 1237,0 22,0 70,4.

2 ЗИЛ-431 610 (ЗИЛ-138АГ) База 4500 мм +39,7 -68,5 -8,7 1387,0 19,7 62,3.

3 ЗИЛ-431 610 1ЧУД=11,9 кВт/т +40,9 -73,0 -9,8 1788,1 17,2 42,9.

4 ЗИЛ-431 610 Уп/Са= 0,78 +36,2 -71,4 -9,9 1804,5 18,1 34,0.

5 ЭИЛ-431 610 8 = 8,0 10=5,9 +31,9 -69,5 -9,8 1788,1 19,1 48,6 или «-» — степень увеличения или уменьшения показателя относительно базового значения ЗИЛ-130 А = —-— -100%.

Х6аз и>