WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Центральный  ордена Трудового Красного Знамени

научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт

(ФГУП «НАМИ»)

 

         

               Коноплев Владимир Николаевич        

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНЫХ ТОПЛИВАХ

Специальность: 05.05.03  –  «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени  доктора технических наук

 

Москва - 2008

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

Центральный  ордена Трудового Красного Знамени

научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт

(ФГУП «НАМИ»)

 

         

               Коноплев Владимир Николаевич        

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗОМОТОРНЫХ ТОПЛИВАХ

Специальность: 05.05.03  –  «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени  доктора технических наук

 

Москва – 2008

Работа выполнена  в Московском государственном индустриальном университете и в Федеральном государственном учреждении, Российском научном центре «Курчатовский институт» 

Официальные оппоненты:  Доктор технических наук, профессор, Лауреат

Государственных премий, Заслуженный 

работник транспорта РФ

Грифф М.И.

Доктор технических наук, профессор

Ерохов В.И..

Доктор технических наук, профессор

Московкин В.В.

Ведущее предприятие:  АМО ЗИЛ

       Защита диссертации состоится  «______»  ____________  2008 года в __________ на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации, Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ) по адресу: 125438, г. Москва, ул. Автомоторная, 2, ФГУП «НАМИ», в конференц-зале корпус А, 3-й этаж. Электронная почта: admin@nаmi/ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НАМИ».

       Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу.

       Автореферат разослан «___»__________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник  А.Г.Зубакин

 

  1. Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Автотранспортные средства являются с одной стороны ключевой составляющей экономики любой экономически развитой страны, а с другой – крупным потребителем энергоресурсов (мировой автомобильный парк насчитывает около 800 млн. единиц общей мощностью более 51,5 млрд. кВт). В нашей стране насчитывается около 36 млн. АТС, из них более 14% - грузовых, с их годовым производством к 2007 году 293 тыс. ед. Поэтому, в нашей стране в условиях жестко централизованной экономической системы  1980-1990 г.г., выполняя соответствующие Постановления правительства страны, автозаводами ЗИЛ, ГАЗ, Камаз и МАЗ были разработаны газовые и газодизельные модификации автомобильной техники,  организовано их производство  и была  создана инфраструктура обеспечения крупномасштабного использования природного газа в качестве топлива для автотранспорта:

  • на территории СССР вошли в строй 350 автомобильных газонаполнительных  компрессорных станций (АГНКС);
  • на автозаводах ЗИЛ, ГАЗ, КАМАЗ, ЛАЗ было налажено производство 13 моделей автотранспортных средств, работающих на сжатом природном газе и 14 моделей для работы на сжиженном нефтяном газе;

В итоге к 1991 году парк газобаллонных автомобилей насчитывал свыше 315 тыс. шт. и потреблял более 510 млн. м3 газа, что обеспечивало сокращение потребления нефтяных топлив.

В связи с вышесказанным, а также современное состояние экономических условий в РФ, связанное с  ее вступлением в ВТО, подписанием Киотского протокола, внедрением норм ЕВРО 3, 4 и 5,  реструктуризацией нефтегазового комплекса страны с целью наращивания энергетического ресурса и необходимости  улучшения экологической обстановки в крупных городах, мировые тенденции, связанные с конечностью нефтяных запасов, показывают то, что переход на использование альтернативных энергоносителей – это не просто научный поиск, а необходимая практическая деятельность, развитие которой определит конкурентное преимущество страны, имеющей свой достаточно богатый опыт в этой области.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, нашедшие отражение в данной диссертации, проводились совместно с НАМИ, НИЦИАМТ, МГИУ (МАСИ), ФТИНТ АН УССР, Таджикским политехническим институтом, ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», Институтом Машиноведения АН, МГУ, АвтоВАЗом.

Цель работы. Формирование в условиях современной экономики России, характеризующейся наращиванием энергетического ресурса, предпосылок развертывания конкурирующей автотранспортной системы в евроазиатском регионе на основе:

  1. Создания научных основ проектирования грузовых автотранспортных средств (ГАТС), использующих газомоторные топлива (ГМТ), по критериям энергетической эффективности,  производительности и безопасности с учетом степени их реализации на стадии серийного производства.
  2. Выбора рациональной конструкции ГАТС категории N2 и N3, работающих на ГМТ,  по энергопотреблению и безопасности.

Задачи исследования.

  1. Провести изучение энергопотребления и скоростных свойств (ЭСС) ГАТС категории N2, N3 в системе  «автомобиль-водитель-окружающая среда-производство»  (А-В-Д-ОС-Пр).
  2. Провести формализацию системы А-В-Д-ОС-Пр на стадии проектирования и

разработать методику формирования заданного уровня энергопотребления и производительности ГАТС категории N2, N3 с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства.

  1. Разработать методологию экспериментальных и теоретических исследований функциональных, надежностных свойств ГАТС, работающих на ГМТ  и организовать их проведение.
  2. Провести исследование безопасности ГАТС, работающих на ГМТ, и разработать основы формирования стратегии их безопасности при использовании существующих видов ГМТ и в последующем к возможности использования водорода в топливных смесях ДВС ГАТС.
  3. Разработать методики проведения измерений расхода газового топлива при стендовых и лабораторно-дорожных испытаниях, в эксплуатации и методики диагностики системы хранения и подачи газового топлива.
  4. Разработать компоновочно-конструкторскую схему (ККС) и провести исследования первого образца ГАТС ЗИЛ, оснащенного металлогидридным аккумулятором водорода для обеспечения работы двигателя на бензоводородных смесях.
  5. На основе разработанных теорий, методик синтеза компонентов ГАТС, использующих газомоторные топлива (природный газ, пропан-бутан, водород и др.) предложить ККС ГАТС, работающих на ГМТ, и обеспечить их  внедрение  в промышленное производство.
  6. Разработка методологических основ проектирования ГАТС по критериям энергетической эффективности, производительности и безопасности на основе передовых технологий и перспективных материалов.

Методы исследования.

Выполненные в работе исследования базировались на основных положениях теории математической статистики, математического моделирования процессов движения, математического анализа с использованием экспериментальных факторных моделей, теории планирования эксперимента, теории корреляционного, регрессионного и факторного анализов, методов оптимизации, теории принятия решений, математических методов исследования операций и анализа систем.

Экспериментальные исследования проводились лабораторными и лабораторно-дорожными методами на натурных образцах ГАТС, работающих на ГМТ, их узлах, агрегатах, элементах системы хранения газового топлива и его подачи к двигателю с разработкой «программ – методик» стендовых испытаний по результатам дорожных испытаний на дорогах НИЦИАМТ и в стендовых условиях УКЭР АМО ЗИЛ, МГИУ.

Научную новизну работы представляют:

1. Разработка основ теории проектирования ГАТС на основе понятия «потенциальные свойства технических систем», теории проектной эффективности, теоретического обоснования комплекса критериев эффективности энергопотребления конструкции ГАТС, использующих альтернативные виды топлив и достижений высоких технологий.

  1. Разработка методологии подготовки данных для принятия решения главным конструктором по конструкции ГАТС на ГМТ и его систем на основе комплекса экспериментально исследовательских и теоретических работ.
  2. Методика прогнозирования технического уровня разрабатываемых образцов ГАТС или их систем с учетом фактора неоднородности продукции серийного производства.
  3. Результаты теоретического исследования, стендовых дорожных испытаний, подтвердивших возможность применения водорода в качестве моторного топлива для грузовых автотранспортных средств.
  4. Разработка методологии испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, на пожаровзрывобезопасность, получение экспериментальной информации  и использование математических методов прочностных расчетов и анализа.
  5. Обоснование и практическую реализацию ККС ГАТС при работе на ГМТ с учетом потенциальных свойств системы хранения газового топлива (метана) в производстве и эксплуатации.
  6. Разработка методологии испытаний по оценке энергопотребления и производительности в эксплуатации ГАТС, работающих на природном газе и водороде.

Практическая ценность заключается в следующем:

  1. Созданные методы проектной эффективности,  блоков регрессионных и феноменологических математических моделей позволяют использовать их при подготовке информации для принятия решений по выбору рациональных компоновочно-конструкторских схем систем хранения газового топлива, как при создании перспективных образцов ГАТС, так и при доводке серийно-выпускаемых ГАТС, а также позволяют сократить объем натурных испытаний.
  2. Созданная система испытаний (лабораторных, дорожно-лабораторных, эксплутационных, расчетных экспериментов с применением методов математической статистики) позволяет эффективно решать задачи доводки и проектирования автотранспортных средств серийного производства на газомоторных топливах и закладывает основы автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД).

Реализация результатов работы.

Полученные автором результаты исследований, теоретических разработок были использованы и внедрены:

1. В серийное производство ГАТС,  работающих на ГМТ:

1.1. работающих на сжиженном нефтяном газе (пропан + бутан):

(ЗИЛ-138) ЗИЛ-431810

ЗИЛ-441610 (ЗИЛ-138В1)

ЗИЛ-446210 (ЗИЛ-138Д2)

ЗИЛ-433630 новый модельный ряд

1.2. работающих на сжатом природном газе:

ЗИЛ-138А

ЗИЛ-138И (с двиг. Е=8,0)

ЗИЛ-138АГ

ЗИЛ 431610  с 8-ю и 12-ю баллонами

ЗИЛ-433530 (новый модельный ряд)

ЗИЛ-ММЗ-45054

ЗИЛ-8Э130Г  с ДВС работающим по газодизельному процессу

ЗИЛ-433500 с ДВС работающим по газодизельному процессу

2. В изготовление и испытания (заводские и эксплутационные) опытной партии в количестве 50 автомобилей ЗИЛ-138П, работающих на сжиженном природном газе в автохозяйствах г. Москвы.

3. В изготовление опытного образца и его испытании с опытной системой питания и хранения водорода в металлогидридных модулях (и под давлением 19,6 МПа).

4. В конструкцию крепления баллонов высокого давления седельных тягачей ЗИЛ-441610, обеспечивающих выполнение требований по пассивной безопасности и снижения металлоемкости.

5. В проектирование и доводку конструкции самосвала ЗИЛ-45054 с улучшенными показателями боковой устойчивости при разгрузке на площадке с поперечным уклоном под задними колесами;

6. В проектирование и создание опытных образцов газобаллонных автомобилей нового модельного ряда ЗИЛ-433630, ЗИЛ-433530;

7. В изготовление бортового автомобиля ЗИЛ-431610 с увеличенным объемом системы хранения (на 50%) природного газа под давлением  19,6 МПа с 12-ю баллонами.

Личный вклад соискателя заключается:

- в разработке основ теории проектной эффективности применительно к обоснованию рациональных параметров ККС ГАТС, работающих на ГМТ;

- в создании методик испытаний опытных образцов ГАТС, работающих  на ГМТ и систем хранения газового топлива с использованием методов планирования эксперимента;

- в разработке методик эксплутационных испытаний ГАТС, работающих на ГМТ;

- в создании методик измерения энергопотребления ГАТС в лабораторно-дорожных и эксплутационных испытаниях при работе ДВС на газомоторных топливах;

- непосредственное участие в освоении производства ГАТС на ГМТ АМО ЗИЛ и создания производственных мощностей по производству 30 тыс. газобаллонных автомобилей в год;

- в проведении заводских (в НИЦИАМТ) и эксплуатационных испытаний в опорном автохозяйстве в г. Львове 1981 г. в качестве руководителя группы испытателей;

- в руководстве бюро "По исследованию и доводке грузовых транспортных автомобилей, работающих на газообразном топливе" АМО ЗИЛ с 1988 по 1992 г.

- участие в совместных работах ЗИЛа, НАМИ, КАМАЗа, МАЗА,  НИЦИАМТ по использованию природного газа в качестве моторного топлива для дизельных автомобилей;

- в организации исследований, разработке системы и методики измерения расхода водорода при испытании 1-го образца ГАТС ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородной смеси;

-  участие в учебном процессе МГИУ по подготовке специалистов специальности 1902.01 (1501) «Автомобили и тракторостроение», а также разработка учебно-методической литературы.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации доложены и обсуждены в докладах, семинарах, симпозиумах:

  1. ТаджикНИИНТИ (г. Душанбе) семинар «Обмен опытом по применению альтернативных видов топлива на автомобильном транспорте общего пользования» 1991 г. 26.04 доклад: «Опыт работы  ПО ЗИЛ по эксплуатации газобаллонных автомобилей».
  2. Всесоюзная научно-техническая конференция «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания» Кировский сельскохозяйственный институт, Киров, 1987 г. Доклад «Оценка эффективности конструкций газобаллонных автомобилей ЗИЛ-433530 и ЗИЛ-433610».
  3. 1-ый Всероссийский семинар профессионалов автобизнеса «Топ-мастер-ХХ1 век», 22-25.06.1998 г. (ДК. АМО ЗИЛ). Доклад о роли МГИУ в подготовке кадров по техническому обслуживанию автотранспортных средств.
  4. ХХУII Научно-техническая конференция ААИ «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа, Москва МГТУ «МАМИ» 29, 30 сентября 1999 г.
  5. ХХХ Международная  научно-техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», Москва МГТУ «МАМИ», 25,26 сентября  2002 г.
  6. Х Международная научно-техническая конференция «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования» - Гервикон г. Сумы Украина, Сумской государственный университет, 10-13 сентября 2002 г.
  7. IХ Международные научные чтения Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ) семинар.  5-7 октября 2005 г.
  8.   II Международная конференция «Альтернативные источники энергии для больших городов»,  Москва, 2006 г.
  9.   V Международный автомобильный научный форум (МАНФ) в ТНЦ РФ «НАМИ», октябрь 2006 г.
  10. Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых 13-14 июня 2007 г. «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения». Институт машиноведения им. А.А.Благонравова, РАН, Москва, 2007 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 34 печатных трудах, в том числе в 3-х монографиях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5-и глав, общих выводов, списка литературы (142 наименований).

Диссертация содержит 343 стр. машинописного текста, 147 рис., 91 таблиц, 3 приложения.

Содержание работы.

Первая глава посвящена обоснованию актуальности проблемы «Проектирования ГАТС, работающих на ГМТ», исходя из различных аспектов развивающейся экономики РФ (исторического, международной системы товародвижения, мирового производства ГАТС, финансового состояния мирового автопрома, топливно-энергетического комплекса РФ, водородной энергетики, экологии), формулированию  целей работы, определению основных задач.

Трудами таких ученых как Чудаков Е.А., Фалькевич Б.С., Ротенберг Р.В., Полунгян А.А., Петрушов В.А., Певзнер Я.М., Липгарт А.А., Зимелёв Г.В., Есеновский Ю.К., Высоцкий М.С., Бухарин Н.А. и др. были заложены основы разработки ГАТС в нашей стране.

В рассмотренный период  разработкой и испытаниями ГАТС и ДВС на ГМТ, а также исследованиями проблем применения ГМТ на автотранспорте работали:  Самоль Г.И., Гольдблат И.И., Генкин Г.А., Кригер А.М., Островцев А.Н., Мазепа В.Г., Брагин А.В., Трофимов О.Ф., Морев А.И., Загладин П.Г.,  Васильев Ю.Н.,  Гриценко А.И.,  Гайнуллин Ф.Г.,  Мкртычан Я.С., Ерохов В.И., Карп И.Н., Пятничко А.И.,  Гусаров А.П., Лукшо В.А., Кабалкин В.Н., Гусаров В.В. и др.

По изучению энергопотребления ГАТС большой вклад внесли такие ученые,  как Токарев А.А., Петрушов В.А., Евграфов А.Н., Московкин В.В. и др.

Вторая глава посвящена изучению энергопотребления ГАТС на различных видах топлива на стадии проектирования и производства.

В п. 2.1. получены точечные оценки ЭСС ГАТС и показателей внешней скоростной характеристики ДВС, позволяющие осуществить:

-  проведение нормирования этих показателей и разработку карт контроля качества для управления производством;

- формирование основ методологии проектной эффективности при разработке ГАТС, работающих как на жидких нефтяных топливах, так и на газомоторных топливах (см. табл. 2.1, 2.2).

В п. 2.2. проведена оценка  уровня соответствия  ГАТС серийного производства нормативам по энергопотреблению и рассчитана удельная оценка фактора неоднородности ГАТС серийного производства:

  • по критерию энергопотребления - 4,02 МДж/100 км⋅т;
  • по критерию скоростных свойств - 0,59 с/т.

В п. 2.3. на основе использования факторного и регрессионного анализов результатов лабораторно-дорожных испытаний по оценке топливно-скоростных свойств ГАТС в соответствии с методиками ГОСТов 20306-90 и 22576-90  осуществлена формализация сложной системы «автомобиль-водитель-дорога-окружающая среда-производство» (А-В-Д-ОС-Пр) в систему А-Пр с обоснованием критериев энергопотребления, скоростных свойств и общезначимых параметров конструкции (рис. 2.1).

В п. 2.4. проведены результаты идентификации  сложной  технической системы А- Пр  в виде двадцати  регрессионных моделей (табл. 2.3).

В п. 2.5. проведено теоретическое исследование энергопотребления и скоростных свойств  ГАТС ЗИЛ-4331, работающих на дизельном топливе, и ЗИЛ-481610, работающих на природном газе, серийного производства и определены необходимые диапазоны показателей энергопотребления, скоростных свойств и пределы варьирования значений конструктивных  параметров (удельная мощность, удельный литраж ДВС, передаточное число главной  передачи), обеспечивающих заданный  при проектировании уровень реализации этих свойств на стадии серийного производства.

В п. 2.6. приведены результаты оценки энергопотребления опытных образцов ГАТС в различных весовых состояниях, работающих на природном газе, пропан+бутановых смесях, двухтопливных смесях (бензин+природный газ)  (табл. 2.4).

В п. 2.7. исследованы энергопотребление и скоростные свойства (ЭСС) ГАТС по планам полнофакторных экспериментов типа 23 и 24. Результаты эксперимента  позволили получить уравнения регрессии и  количественно оценить весомость каждого конструктивного параметра при работе ДВС ГАТС как на бензине, так и на природном  газе, определить характер функциональной связи между показателями ЭСС и конструктивными параметрами, показателями выходных свойств двигателя в режимах движения с Vconst и при разгоне (табл. 2.5).

В п. 2.8. приведены результаты испытаний ГАТС на бензоводородовоздушных смесях, показавшие целесообразность применения водорода в качестве добавки к бензину (энергопотребление в режиме городского цикла при этом сокращается на 2,4 – 5,6 %) и разработано ТЗ на систему хранения водорода для ГАТС ЗИЛ-431410.

Таблица 2.1

95% интервалы оценки истинных значений показателей энергопотребления грузовых автотранспортных средств, серийного производства, работающих на жидких нефтяных и газомоторных топливах

№№

пп

Автомобили,

автопоезда

Расход энергии (МДж/100км) при скорости (км/ч)

Q гец

МДж/100 км

Q мец

МДж/100 км

Q общ

МДж/100 км

30

40

50

60

70

80

1

ЗИЛ-431410 (шины И-Н142Б), бензин А-76

724,9÷751,4

747,0 ÷773,5

791,2÷ 835,4

844,2÷914,9

937,0÷ 1021,0

1047,5 ÷1171,3

2

ЗИЛ-431410 (шины МИ-151), бензин А-76

782,3 ÷853,1

808,9 ÷875,2

979,6÷ 941,5

941,5÷ 1012,2

1052,0 ÷1105,0

1180,1÷ 1233,2

3

ЗИЛ-431410 + ГКБ-817

(шины И-Н142Б)

861,9 ÷923,9

906,1÷976,8

968,0÷ 1038,7

1047,5÷ 1127,1

1171,3÷ 1029,9

-

4

ЗИЛ-431410 + ГКБ-817

(шины МИ-151)

954,7 ÷1034,3

998,9÷ 1078,5

1074,1 ÷1153,6

1180,1 ÷1268,5

1317,2 ÷1427,7

-

5

КамАЗ-5320, диз. топливо.

658,8 ÷701,3

684,3÷735,3

739,5÷ 790,5

816,0÷ 875,5

922,3 ÷990,3

1062,5 ÷1156,0

6

КамАЗ 5320 + ГКБ-8350Э диз. топливо.

862,8 ÷896,8

879,8÷ 922,3

935,0÷ 977,5

1032,8÷ 1083,8

1168,8 ÷1236,8

1360.0÷1436,5

7

МАЗ-5335, диз. топливо.

603,5 ÷646,0

641,8 ÷675,8

701,3 ÷752,3

794,8÷ 845,8

918,0÷969,0

1062,5 ÷1130,5

8

МАЗ-5335 + МАЗ-8926

диз. топливо.

879,5 ÷905,3

918,0÷ 986,0

998,8÷ 1083,8

1113,5÷ 1224,0

1296,3÷ 1440,8

1483,3 ÷1687,3

9

ЗИЛ-431610 бензин А-76

985,4÷1056,6

1213,3÷1270,7

1118,9÷1466,5

898,3÷933,3

947,9÷1179,5

10

ЗИЛ-431610 Vh=6л природный газ

907,8÷1076,6

1111.1÷1235,7

11

ЗИЛ-431610 Vh=7л природный газ

909,4÷989,0

1148,5÷1188,9

12

ЗИЛ-431810  (смесь пропан+бутан)

822,3÷952,5

1045,6÷1148,8

1260,2÷1542,6

868,1÷1206,5

1022,7÷1291,5

Таблица 2.2
Статистические оценки показателей энергопотребления двигателей ЗИЛ
(ГОСТ 14846-81)        

Модель двигателя

Объем выборки

Минимальный удельный расход

МДж/кВт.ч*

Si,МДж/кВт.ч

, %

ЗИЛ-130, Бензин А-76.

20

13,7

0,69

5,0

ЗИЛ-130 Ф, Бензин А-76.

20

13,3

0,65

4,9

ЗИЛ-375 Ф, Бензин А-76.

20

13,1

0,53

4,1

ЗИЛ-375, .Бензин А-76.

10

14,3

0,47

3.3

ЗИЛ-375, .Бензин АИ-93.

10

13,9

0,49

3.5

ЗИЛ-645, диз. топливо.

38

9,7

0,38

3,9

При работе на природном газе

7

14,4

1,0

6,9

При работе на смеси пропан+бутан

8

12,7

0,84

6,6

  * Величина низшей теплоты сгорания принята:

  • для бензина 44,2 МДж/кг;
  • для дизельного топлива 42,5 МДж/кг;
  • природного газа 47,7 МДж/кг (метан 49,8 МДж/кг) ;
  • смесь «пропан+бутан» - 46,1 МДж/кг .

       I- уровень

Рис.2.1. Блок-схема «Уровни - связи»

Таблица 2.3

Идентификация сложной системы «автомобиль-производство»

Наименование блоков моделей

Номер блока

№№ п/п

Единица измерений

Регрессионная модель

1

2

3

4

5

Критерии ЭСС- выходные параметры двигателя

1

1

кг/100 км

2

С

(автомобили)

3

С

(автопоезда)

4

С

Критерии ЭСС – конструктивные параметры автомобиля

2

5

кг/100 км

6

С

7

С

8

С

Показатели эксплуатационных свойств – выходные параметры двигателя

3

9

кг/100 км

10

км/ч

Показатели ЭСС – критерии ЭСС

4

11

км/ч

Vусл=97,9-0,203  Т20-60

12

С

Т400=31,0+0,106  Т20-60

13

С

Vmax=38,2-0,61  Vусл

14

кг/100 км

Qs70=0,4+1,14  Qs60

15

кг/100 км

Qs80=-3,5+1,5  Qs60

16

С

Т60=-102,7+3,90  Т400

17

С

Т80=-90,8+4,50  Т400

18

С

Т1000=3,9+1,7  Т400

Показатели эксплуатационных свойств – критерии ЭСС

5

19

кг/100 км

=-3,7+1,4  Qs60

20

км/ч

  Т20-60

Таблица 2.4

Удельные энергетические показатели грузовых автотранспортных средств, работающих на различных видах топлива (смесь пропан+бутан, природный газ, бензин А-76, смесь природный газ+А-76, природный газ+ДТ)

№№ пп

Тип, модель ГАТС, двигатель

Показатели *

QS60

МДж/100км⋅Т

QS80

МДж/100км⋅Т

Qгец

МДж/100км⋅Т

Qмец

МДж/100км⋅Т

1

Бортовой грузовой автомобиль с грузом ДВС с искровым зажиганием

ω=3,8%

ω=4,4%

ω=1,4%

2

Бортовой автопоезд с грузом ДВС с искровым зажиганием

ω=10,1%

ω=7,5%

-

-

3

Бортовой грузовой автомобиль с грузом ДВС дизельный процесс

ω=6,6%

ω=6,5%

-

-

4

Бортовой грузовой автомобиль 6х6 (ЗИЛ-131Н и УРАЛ-3750)

ω=5,8%

ω=3,2%

ω=1,6%

-

      • верхний индекс – среднее квадратическое отклонение;
      • нижний индекс в скобках – количество объектов;
      • ω -  коэффициент вариации.

Таблица 2.5

Регрессионные модели энергопотребления и скоростных свойств

грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-138А и ЗИЛ-138И

Автомобиль

Режим движения

Показатель

Обозначение

X0

Коэффициенты регрессии

X1

X2

X3

X4

X1X2

X1X3

X2X3

X1X2X

X1X3X

ЗИЛ-431610

(ЗИЛ-138А)

Разгон на пути 400м

Время, с

ТА

42,4

2,7

-2,5

-1,5

Расход топлива, г

QA

265,9

10,1

20,9

-6,4

Разгон на прямой

Время, с

ТТА

86,7

33,1

-35,2

-32,3

-19,2

-17,4

19,7

12,6

Расход топлива, г

GA

420,4

151,3

-69,9

-115,7

-60,3

-59,5

37,7

35,6

Vconst 40/60 км/ч

Расход топлива, кг/100 км

QSA

25.7

1,6

2,4

2,9

1,8*

ЗИЛ-138И

Разгон на пути 400м

Время, с

Ти

41,5

4,4

-1,75

-1,3

-0,8

Расход топлива, г

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

310,4

106,7

-24,5

-33,5

-24,0

-47,3

9,4

13,4

Vconst 40/60 км/ч

Расход топлива, кг/100 км

Qsи

24,3

1,6

2,9

1,8

1,6*

0,7

0,6

• Принято следующее кодированное обозначение варьируемых переменных:

  • полная масса автомобиля (Ga) - Х1,
  • передаточное число главной передачи (Iо) - Х2,
  • вид топлива (hu)  - Х3,
  • частота вращения коленчатого вала двигателя при переключении

передач в КП (nн)  (Vconst)  - Х4.

Кодированное значение переменной определялось по формуле:, где - натуральное, текущее значение переменной;

  - натуральное значение нулевого уровня переменной;  - натуральное значение интервала варьирования.

обозначение: X1 – Ga; X2 – I0 ; X3 – вид топлива; X4 – nн;

       В третьей главе заложены научные основы организации испытаний ГАТС и создания автоматизированной системы обработки экспериментальных данных (АСОЭД)  ГАТС на ГМТ.        

В п. 3.1. заложены научные основы формирования методологии натурных испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, и их элементов.

В п. 3.2.  разработаны:

  • общий алгоритм исследований (рис. 3.1);
  • структура этапов испытаний ГАТС, работающих на ГМТ, и получения информации (рис. 3.2);
  • структура научно-производственного комплекса для внедрения ГМТ  в автотранспортный комплекс (рис. 3.3), являющейся основой создания АСОЭД;
  • приведена разработанная и реализованная стратегия повышения эффективности использования свойств ГМТ в ДВС и ГАТС ЗИЛ, в т.ч. повышение КПД ДВС и снижения токсичности  выхлопных газов (на 17-96% по отдельным компонентам).

В п. 3.3. показано, что перечисленные выше направления деятельности позволили создать систему сопровождения  и поддержания работоспособности ГАТС на ГМТ в эксплуатации и обеспечить эффективность проведения стендовых испытаний как  ГАТС, так и их элементов на  испытательном комплексе «Гидропульс» фирмы  «Шенк» (ФРГ).

В п. 3.4. для измерения энергетических показателей при лабораторно-дорожных и эксплуатационных образцов ГАТС на природном газе и водороде была обоснована и разработана методика косвенного измерения расхода топлива с контролем результатов замеров весовым способом. Последнее позволило совместно с НИИАТом разработать расходный метод диагностирования  работоспособности систем  питания и хранения ГАТС на ГМТ.

В п. 3.5 и п. 3.6. проведены всесторонняя оценка регрессионных моделей  из табл. 2.3 по критериям значимости коэффициентов регрессии, информативности и адекватности (на основании использовании критерия Фишера табл. 3.1), а также сопоставление результатов исследований скоростных свойств и энергопотребления на основе полнофакторных экспериментов 23 и 24 (рис. 3.4 и 3.5),  подтвердивших качество моделей и методологию их построения.

Рис. 3.1. Общий алгоритм исследования

       Рис.3.2. . Этапы испытаний ГАТС на ГМТ и получения информации

поток информации

 

Рис. 3.3. Структура научно-производственного комплекса

Таблица 3.1.

Результаты оценки информационной способности и адекватности

регрессионных моделей.

№№ пп

функций из табл. 2.3

Информативность

Критерии

расч., табл.

Адекватность

И, %

1

3,4

83

0,76

2,3

+

2

7,2

168

0,16

3,2

+

3

7,2

167

0,33

3,3

+

4

20,8

356

0,16

2,3

+

5

10,7

227

0,26

2,3

+

6

1,8

34

0,71

4,1

+

7

5,5

125

0,36

3,3

+

8

3,9

97

0,87

2,3

+

9

12,2

302

0,1

2,9

+

10

2,4

55

0,76

2,8

+

11

11,8

243

0,48

2,2

+

12

11,8

243

0,55

2,2

+

13

9,4

207

0,21

2,2

+

14

55

638

0,06

2,2

+

15

6,9

163

0,52

2,3

+

16

20,4

352

0,47

2,2

+

17

12,4

252

0,06

3,2

+

18

174,0

1200

0,05

2,2

+

19

12,2

250

0,58

2,8

+

20

12,5

253

0,39

2,8

+

Четвертая глава посвящена исследованию и формированию безопасности ГАТС, работающих на ГМТ, на стадии проектирования.

Особенностям проектирования кабин и платформ ГАТС посвятили свои работы Высоцкий М.С., О.И.Гируцкий, Ю.А.Долматовский, Б.В.Гольц, А.М.Кац, Е.В.Михайловский, В.В.Осепчугов, А.Н.Островцев, А.А.Полунгян, В.Ф.Родионов, Б.М.Фиттерман, и другие. Вопросы исследования прочности кузовных и тонкостенных пространственных конструкций рассмотрели в своих работах Е.В.Александров, Р.А.Акопян, Г.М.Багров, С.Ф.Безверхий, Трофимов О.Ф.,  В.Н.Белокуров, Ю.Ф.Благородный, Б.Ф.Банков, М.В.Винокуров, В.З.Власов, Н.И.Воронцова, А.А.Захаров, А.А.Иванов, Е.А.Коган, Г.К.Мирзоев, Л.Н.Никольский, В.В.Осепчугов, В.И.Песков, И.Н.Порватов, Н.Б.Софонов, Л.Н.Орлов и другие. Исследованию пассивной безопасности, расчетам конструкций за пределами упругости при статистическом и ударном нагружениях посвящены работы В.П.Агапова, В.Н.Андронова, В.В.Берминова, Н.А.Бухарина, А.А.Гвоздева, К.И.Гвинерия, А.М.Иванова, В.Н.Коршакова, А.И.Рябчинского, В.И.Сальникова,  М.В.Лыюрова, О.В.Мельникова, Э.Н.Никульникова и других.

Исследованию пассивной безопасности конструкций автомобилей и дорог в нашей стране посвятили свои работы В.В.Амбарцумян, М.А.Андронов, А.В.Арутюнян, В.А.Астров, В.Л.Будник, В.Н.Иванов, В.А.Иларионов, И.К.Коршаков, Г.В.Максапетян, Л.Н.Орлов и др. Проведенный анализ работ по безопасности  показал, что проблема снижения тяжести последствий ДТП с участием ГАТС, работающих на ГМТ, является многоплановой и до настоящего времени комплексно не прорабатывалась.

              1.   В п. 4.1. на основе анализа литературных источников в области безопасности ГАТС,  автотранспортного процесса и существующих нормативных документов разработаны схемы структуры безопасности автотранспортного процесса при использовании ГМТ и схема системы обеспечения пассивной безопасности (рис. 4.1, 4.2).
          1. В п. 4.2. приведено обобщение исследовательского материала по результатам испытаний ГАТС моделей ЗИЛ, работающих на ГМТ, на пассивную безопасность методами опрокидывания и фронтального столкновения, характеризующееся соответственно ускорениями 5-6 g и замедлением до 130 g.
      1. В п. 4.3. на основе разработанного алгоритма процесса доводки ниппельного соединения и проведения комплекса соответствующих испытаний элементов системы подачи и хранения ГМТ  было  обеспечено:
  • гарантированная герметичность ниппельного соединения в условиях серийного производства;
  • повышение надежности соединительных трубопроводов высокого давления между баллонами за счет повышения сопротивляемости усталостным разрушениям путем оптимизации конфигурации и длины соединительных трубопроводов.
  • оптимизация компоновочно-конструкторской схемы (ККС) систем хранения ГМТ на лонжеронах рам ГАТС ЗИЛ-4331, ЗИЛ-133 ГЯ  и ЗИЛ-130 Г из условия вероятности безотказной работы 0,999 ресурса лонжерона рамы не ниже 300 тыс. км пробега по дорогам 1 категории;
  • разработка  математических моделей нагруженности лонжерона рамы для различных вариантов компоновки обоймы баллонов.

Перечисленный выше комплекс теоретических, исследовательских работ создал предпосылки для проведения модернизации ГАТС ЗИЛ, работающих на ГМТ, с целью повышения их надежности и пассивной безопасности.

  В п. 4.4. были сформированы задачи, решение которых обеспечивало послеаварийную безопасность ГАТС, работающих на ГМТ, в том числе и на сжиженном природном газе.

Разработана блок-схема пожарной опасности ГАТС на ГМТ  (рис. 4.3.) в основе которого лежит величина пожарной нагрузки (для ГАТС ЗИЛ-433610, работающего на сжатом природном газе, больше, чем для бензинового варианта на 5,6 %).

Результаты лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаний ГАТС, оборудованных криогенными системами хранения природного газа с вакуумной изоляцией (50-ть образцов СХ1.00.00.00) массой 80 кг и порошково-вакуумной (производство НПО «Криогенмаш» массой 216 кг) подтвердили возможность эксплуатации таких ГАТС и возможности выполнения при этом требований по пожаробезопасности, испаряемости, по динамике роста давления в криогенной системе при хранении:

- суточные потери 2,3 % - 5,8%,

- испаряемость 0,136÷0,196 кг/час.

- ухудшение параметров за 2 года эксплуатации составили от 11 до 15,9%.

Установлена степень влияния на приращение выдачи газа (У) из криогенного сосуда дорожных условий (Х3  - грунт, асфальтобетонные покрытия):

У = 0,268+0,081Х2+0,048Х3

Х2 – фиксированные проходные сечения газовой магистрали.

Рис. 4.1 Схема структуры безопасности автотранспортного процесса при использовании газомоторных топлив,

где: САБ  - система активной безопасности;

  СПБ  - система пассивной безопасности;

  СПАБ – система послеаварийной безопасности;

                      СПЖБ – система пожаробезопасности;

      СВ3Б  - система взрывобезопасности

          1.  

Внешняя ПБ       Внутренняя ПБ

Рис. 4.2 Структурная схема системы обеспечения пассивной безопасности:

СПБ  -  система пассивной безопасности;

ПБА  - пассивная безопасность автомобиля;

ПБД  - пассивная безопасность дороги (дорожные

  ограждения, травмобезопасные стойки и т.п.);

ПБЧ  - пассивная безопасность человека (шлемы, УС, ДУС);

А-П - автомобиль-пешеход;

А-ОУ  - автомобиль-объект удара;

А-Ч-УСч  - автомобиль-человек-удерживающее средство человека;

А-Г-УСг-Ч - автомобиль-груз-удерживающее средство груза-человек;

А-А -  автомобиль-автомобиль;

НП-А  - неподвижное препятствие-автомобиль;

БСХПГМТ  -  безопасность системы хранения и подачи газомоторного

          1.   топлива

Теоретическое исследование огнестойкости и пожарной опасности элементов ГАТС, особенно деревянных конструкции (грузовая платформа, продольные брусья, на которых устанавливаются баллоны высокого давления автомобиля ЗИЛ-431610) показало  целесообразность использования высокоэффективных огнезащитных  средств нового поколения, содержащих ортофосфорную кислоту, продукты гидролиза крахмала, дициандиамид, сульфаты  аммония и др., которые кроме  огнезащитных свойств характеризуются  технологической доступностью обработки древесных материалов (непосредственно в АТП при техническом обслуживании или переоборудовании ГАТС).

Испытания по тушению криогенного бака ЗИЛ-Э138П, заправленного природным газом, огнетушителем ОП-2 осуществлялось за 3 секунды и тем самым подтвердили достаточность штатных средств активной пожарной безопасности.

Рис.4.3. Блок-схема пожарной опасности грузового автотранспортного средства на газомоторных топливах

       В п. 4.5. на основе  проведенных натурных испытаний стальных баллонов, бывших в эксплуатации от 2 до 30 лет на борту автомобилей, работавших на сжатом природном газе, проведено точечное оценивание показателей механических свойств материала баллонов, их конструктивной прочности,  надежности и рекомендовано следующее:

1. Возможность дальнейшей эксплуатации баллонов, изготовленных из стали 38ХА, бывших длительное время в эксплуатации (более 20 лет) и показавших свои высокие эксплуатационные свойства;

       2.Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из стали 38ХА (ЧМТУ 2815-51) и стали ЗОХМА (ТУ 14-3-1248-84) с двух до пяти лет;

       3.Целесообразность увеличения срока периодического освидетельствования автомобильных баллонов, изготовленных из углеродистой стали марки «Д» с двух до трех лет и более при условии ужесточения контроля качества при их изготовлении и освидетельствовании на испытательных станциях.

4. Возможность эксплуатации баллонов из легированной стали ЗОХМА на грузовых автомобилях в условиях холодного климата.

5.В целях снижения массы систем хранения ГМТ, автомобильные баллоны  высокого давления для сжатого природного газа целесообразно изготовлять из стали ЗОХМА, что будет способствовать снижению энергопотребления ГАТС в эксплуатации.

  В п. 4.6. при создании композиционных баллонов массой меньше стальных на 25% разработан подход создания баллонов с заданными свойствами за счет разработки программ для ЭВМ «XBALLON»,  «ХМОТКА» по расчету намоточных напряжений, с улучшенными свойствами пожаровзрывобезопасности (безосколочное разрушение), герметичности.

В п. 4.7. приведены результаты  испытаний на нагрев баллонов:

    • разрушение стальных баллонов  происходило при давлении 610-635 кг/см2, а стеклопластикового -  при 400 кг/см2;
    • при оборудовании баллонов предохранительными клапанами срабатывание происходило при 310-390 кг/см2.

Результаты испытаний подтверждают достаточно высокий уровень взрывобезопасности баллонов высокого давления (время до взрыва баллонов составило от 14,2 до 37,5 мин.).

  Испытания баллона, заполненного газовой смесью пропан-бутан при наличии в конструкции предохранительного клапана подтвердили его взрывобезопасность (стравливание и горение газа длилось 40-45 минут).

  Испытания ГАТС ЗИЛ-431810, работающего на газовой смеси пропан-бутан и ЗИЛ-431610, работающего на природном газе методом создания искусственного очага загорания подтвердили взрывобезопасность ГАТС, работающих на ГМТ при наличии в системах хранения газа под давлением  предохранительного устройства. Процесс горения автомобиля длился 50 мин.

В п. 4.8. на основе проведенного комплекса исследовательских натурных испытаний лабораторно-дорожных и теоретических исследований разработан комплекс расчетных методов, позволивший  осуществить:

  • модернизацию ГАТС ЗИЛ, работающих на ГМТ;
  • оценку соответствия требованиям пассивной безопасности 2-х новых модификаций ГАТС ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе (бортовой ЗИЛ-431610 с 12-тью баллонами емкостью 50 л для хранения природного газа под давлением 19,6 МПа, ЗИЛ-138АВ – седельный тягач, оборудованный 8 баллонами емкостью по 50 л каждый);
  • разработку опытных образцов ГАТС, работающих на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном газе нового модельного ряда (ЗИЛ-433530, ЗИЛ-433610, ЗИЛ-4335 с газодизельным процессом).

       В п. 4.9 проанализированы результаты испытаний первого образца ГАТС ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородовоздушной топливной смеси, и проведен анализ систем хранения водорода применительно к ГАТС. В связи с чем были определены задачи, решение которых предопределит возможность применения водорода в качестве топлива для ГАТС из условий безопасности.

В п. 4.10 на основе проведенных исследований разработаны феноменологические математические модели с достаточной степенью точности (коэффициент множественной корреляции R-0,95) позволяющие моделировать:

— изменение  прочностных  свойств  лонжеронов  рамы  ГАТС  для различных ККС обойм крепления баллонов;

— динамику  процесса  хранения  сжиженного  природного  газа  в криогенном сосуде с вакуумной и  порошково-вакуумной изоляцией (табл.4.1);

— процесс нагрева открытым пламенем баллонов из стали «Д», металлостеклопластиковых,  заправленных  природным  газом  под давлением 155-190 кг/см2  и сжиженным нефтяным газом (смесь пропан+бутан), по величине давления и температуры;

— процесс динамики горения ГАТС, работающих на сжатом природном и сжиженном нефтяном газах, во времени по изменению давления в баллоне и температуры стенки баллонов, вентилей и в подкапотном пространстве (табл. 4.2).

Таблица 4.1

Математическая модель процесса хранения сжиженного природного газа в криогенном сосуде с вакуумной и  порошково-вакуумной изоляцией.

№№ пп

Тип балланов

Наименование функциональной зависимости

Функциональная зависимость

1

Вакуумная изоляция

Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 7,9 % в зависимости от времени, ч

P=t(0,00039t+0,055)

2

Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 14,1 % в зависимости от времени, ч

P=t(0,00014t+0,01)

3

Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 24,5% в зависимости от времени, ч

P=t(0,0006t+0,002)

4

Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 46,0 % в зависимости от времени, ч

P=t(0,00039t+0,025)

5

Изменение (рост) давления в криогенном сосуде при степени заполнения 77,0 % в зависимости от времени, ч

Р=t(0,00015t+0,015)

6

6.1

Порошково-вакуумная изоляция

Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (в начале эксплуатационных испытаний) в зависимости от времени, сут.

GГ1 (t)= - 4,686t+82

6.2

Испаряемость сжиженного природного газа при хранении в криогенном баке с открытым дренажем (после 2-х лет эксплуатации) в зависимости от времени, сут.

GГ1 (t)= - 5,325t+82

6.3

Степень увеличения испаряемости сжиженного природного газа за 2 года эксплуатации (ухудшение эксплуатационных характеристик) в зависимости от времени, сут.

Δ= GГ1 (t)- GГ2 (t)= -0,639t

7

Динамика роста давления в криогенном баке при бездренажном хранении сжиженного природного газа в зависимости от времени, ч :

к-т заполнения бака φ =0,9;

к-т заполнения бака φ =0,43;

к-т заполнения бака φ =0,3;

P=t(0,0043t+0,057)+2

P=t(0,002t+0,7)+2,1

P=t(0,006t+0, 25)+3,9

Таблица 4.2

Математическая модель имитации пожара грузовых автотранспортных средств ЗИЛ-431610, ЗИЛ-431810, работающих на природном газе

№№ пп

Топливо

Наименование функциональной зависимости

Функциональная зависимость

Примечание

Интервал, мин.

1

2

3

4

6

1

Система хранения газового топлива

(смесь пропан+бутан) на автомобиле ЗИЛ-431810 (ЗИЛ-138)

Изменение давления сжиженного газа

(смесь пропан+бутан) в баллоне, кг/см2

Рдавл=(0,11t+9)

Рдавл=9-0,7(t-16,5)

0≤t≤10

10≤t≤12

16,5≤t≤30

2

Изменение температуры стенки баллона

0≤t≤11

11≤t≤36

3

Изменение температуры предохранительного  клапана

Тпр к. = 13,4(t-2)

Тпр к. = 16(t-22)+500

2≤t≤10

10≤t≤21

21≤t≤36

4

Изменение температуры в подкапотном пространстве

Тподк . = - 3,34 t2+160,35t-1358,2

11≤t≤37

5

Система хранения природного газа под давлением 19,6 МПа на автомобиле ЗИЛ-431610

(ЗИЛ-138А)

Изменение давления в баллонах при имитации пожара

Р= 10t+160

6

Изменение температуры в подкапотном пространстве

Ткапот=0

Ткапот=80+190е

0≤t≤3

3≤t≤15

7

Изменение температуры стенки 1-го баллона

1≤t≤9

Пятая глава посвящена разработке методологических основ проектирования ГАТС, работающих на ГМТ.

В п. 5.1. ГАТС рассмотрено с одной стороны как объект со сложной структурой в сложной организационно иерархической транспортной системе (рис. 5.1) а с другой стороны как энергетическая сложная техническая система с жизненным циклом промышленного изделия из 11 этапов, характеризующимся критериями эффективности и развития.

В п. 5.2. ГАТС рассмотрено как совокупность потенциальных свойств функциональных, надежностных и технико-экономических (ФПС, ПСН, ПТ-ЭС), уровень которых формируется на стадии проектирования, и реализуется на стадиях производства, эксплуатации (рис. 5.2) (на стадии производства это происходит ступенчато, а в эксплуатации уровень эффективности снижается практически экспоненциально:

ω(t)= ω1 ехр [-K(t-1)]  …

где ω (t)  - производительность на t-ом году эксплуатации;

ω1  - производительность на 1-ом году эксплуатации;

К - коэффициент интенсивности изменения показателей свойств ГАТС.

При этом закон развития техники: Э=φ{F1,X=α[γ =f(F)]τ}  (где  τ -  время, критерии эффективности Э=φ(F:X), критерии развития X=α(γ), внутренние факторы γ=f(F), внешние факторы F)  предполагает преимущество вариантов ККС ГАТС, которые при данной совокупности внутренних и внешних условий достигают максимальной энергетической эффективности.

В п. 5.3. проведен анализ физико-химических свойств ГМТ позволивший:

  1. Получить статистические оценки химического состава природного газа различных месторождений и оценить стабильность по содержанию метана 92% (коэффициент  вариации ω = 9,4%) и по теплоте сгорания (ω =2,98%).
  2. Разработать обобщенную таблицу диапазона показателей изменения свойств моторных топлив для оценки эффективности применения того или иного вида ГМТ в конкретных условиях эксплуатации (табл. 5.1) на основании использования шкалы желательности.

В п. 5.4. Определены методологические особенности исследования эффективности ГАТС на этапе проектирования.

Всесторонне и углубленно раскрыто понятие категории «эффективность» применительно к проектированию  ГАТС как элемента транспортной системы и предложен принцип выбора численных значений критериев эффективности:

Э ({И}; {β}; {U})  →max ;  при  С ({И}) = С0

С ({И}) →min ; при Э ({И}; {β}; {U})  = Э0 ,

где  Э - эффективность;

       С  -  затраты;

       И  -  измерители свойств ГАТС;

       β и U – условия первой и второй групп.

Последнее позволяет решить проблемы:

  • выбора рациональных направлений развития техники АТС;
  • наращивания энергетического ресурса для обеспечения растущих потребностей общества в транспортных услугах, не вызывающих отрицательных экологических последствий.

Рис. 5.1. Структура организационно-иерархической транспортной системы.

Ср – внутренняя среда (масло, воздух, тормозная жидкость, тосол...);

Ср вн – внешняя среда (атмосферная, дорожная);

ΣR – совокупность режимов;

ΣВых – выходные характеристики;

Рп – рабочие процессы;

М – конструкционные материалы;

Э – целевая функция эффективности;

Ин, Иф, Иэк – измерители надежностных, функциональных, эксплуатационных свойств ГАТС;

Кф, Кн – конструктивные параметры, определяющие функциональные или надежностные свойства;

Вн  - внешняя среда.

       Таблица 5.1

Диапазон изменения показателей основных свойств газомоторных топлив

Номера блоков

№№

пп

Наименование показателя

Единица измерения

Диапазон

изменения

1

2

3

4

5

Показатели свойств ГМТ  определяющие рабочие процессы в ДВС

1

Теплота сгорания стехиометрической смеси

(при 150С, давлении 760 мм.рт.ст.)

МДж/м3

2,99÷3,99

2

Минимальная энергия зажигания

МДж

(0,02÷0,29)⋅10-3

3

Количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания (при 150С, 760мм.рт.ст.)

м3/м3

3,72÷38,1

4

Энергетический фактор топлива Фэ

МДж/м3

3,13÷3,57

5

Октановое число (ОЧ/Н)

-

56÷120

6

Температура горения стехиометрической смеси

2020÷2370

7

Температура воспламенения

220÷700

8

9

Диапазон воспламенения горючей смеси  нижний

верхний

%

%

0,6÷30

6÷77

Показатели свойств ГМТ, определяющие рабочие процессы, их конструкцию, метод хранения топливоподачи

10

Плотность топлива при 150С 760 мм. рт. ст.

кг/м3

кг/л

0,67÷2,46

0,071÷0,855

11

Температура кипения

-253÷86

12

Низшая теплота сгорания

МДж/м3

МДж/л

10,228÷111,7

8,583÷32,812

13

Коэффициент сжимаемости для компримированных газов (при 20,0 МПа)

-

0,81÷1,14

14

Упругость паров(для сжиженных газов и жидких фаз) при 200С

МПа

1,0÷5,0

15

Идеальные затраты работы для ожижения газа с начальными параметрами 300 К и 101,3 кПа

кДж/кг

140÷12019

Показатели свойств ГМТ, определяющие  безопасность своего использования в транспортном процессе

 

16

Концентрационные пределы воспламенения газовых смесей с воздухом

% по объему

0,7÷75

17

Концентрационные пределы детонаций газовых смесей с воздухом

% по объему

18,3÷59,0

18

Температура пламени

750÷2050

19

Скорость горения

м/с

0,34÷2,78

20

Скорость распространения в воздухе

м/с

0,0017÷0,025

21

Коэффициент диффузии в воздухе

м2/с

5⋅10-6÷200⋅10-6

22

Максимальное давление взрыва

МПа

0,72÷0,9

Показатели свойств ГМТ, определяющие технико-экономические свойств ГАТС

23

Коэффициент относительной эффективности КОЭ

-

0,35÷1,42

24

Стоимость производства энергии из различных источников

$ / ГДж

2,0÷20,0

В п. 5.5. Разработана схема формирования потенциальных свойств ГАТС в зависимости от вида топлива на основе учета системно-технической увязки элементов ГАТС (рис. 5.3):

входящих в состав объектов более высокого уровня ГАТС (рис.5.1) применительно к типажу ГАТС семейства ЗИЛ (рис. 5.4).

               

                                                                                                       

                                                       

Рис. 5.3. Формирование потенциальных свойств грузовых автотранспортных средств  в зависимости от вида топлива,

где - символ технического объединения,  - показатель эффективности решения задачи системой (S+1)-го уровня,    - показатель эффективности решения задачи ns системами S- го уровня  без  их системно-технической увязки.

МТЗК, МТЗП, МТЗЭ, МТЗУ – материально-технические затраты конструирования, производства, эксплуатации, утилизации.

СРЕДНИЙ КЛАСС

       

       

Рис.5.4.  Варианты компоновочно-конструкторских схем грузовых автотранспортных средств ЗИЛ и систем хранения природного газа

под давлением 19,6 МПа в баллонах емкостью 50 л, 300 л, 500 л.

       

Решению теоретических вопросов и проблем эффективного использования грузового автомобильного транспорта посвящены работы Чудакова Е.А., Лейдермана СР., Каниовского П.В., Афанасьева Л.Л. (научные аспекты эксплуатации автомобильного транспорта), Великанова Д.П. (проблемы эффективного использования автомобилей), Говорущенко Н.Я., Корчагина В.А., Резника Л.Г., (проблемы теоретических основ эксплуатации грузовых автомобилей), Николина В.И., (теоретические основы функционирования транспортных систем доставки грузов), Бронштейна Л.А. (вопросы экономики, организации и планирования АТП), Дегтярева Г.Н., Батищева И.И. (вопросы организации и механизации погрузочно-разгрузочных работ на автомобильном транспорте), Гриффа М.И., Чеботарева А.А. (вопросы эффективного использования специализированного автотранспорта), Жаворонкова Е.П., Одинцова Д.Г., Беленького С.Е. (проблемы транспортного обеспечения строительства) и многих других ученых и практиков.

На основе системного подхода к функционированию  ГАТС в транспортном процессе (обобщенные графы состояний ГАТС в АТП) было определено содержание внешних условий первой (активных «β») и второй (пассивных  «U») групп и предложена математическая модель транспортного процесса ГАТС, состоящая из 3-х этапов и 20-ти фаз (рис. 5.5).

Математическая модель транспортного процесса может быть представлена зависимостью вероятности успешного его выполнения Ртрп с учетом всех или части перечисленных выше фаз (рис. 5.5):

Ртрп =P трп [Px(Sx);  Рз(Рз/ Sx); P п.движ(P п.движ / Sx ;) S3; P разг ( Sразг/ Sx ; S3, S п.движ); РVconst (SVconst/Sx ; S п.движ, S3, S разг) ; Рзамедл( S зам/ Sx ; S3, S п.движ, S разг ; SVconst) ;

Рп/р( Sп/р/ Sx ; S3, Sп.движ, Sразг; SVconst ; Sзам) ; Рб( S б/ Sx ; S3, Sп.движ, Sразг; SVconst ;

S зам, S п/р)],

где SX...Sб - события, отражающие успешное выполнение соответствующих фаз, Рх...Рб - условные вероятности выполнения соответствующих фаз (при условии, что все предшествующие фазы выполнены).

В п. 5.6. было показано, что исследование эффективности на этапе проектирования  предполагает решение основной задачи проектной эффективности, направленной на выбор рациональных параметров проектируемого элемента сложной системы. Ее решение основано на:

  1. проведении проектного и эксплуатационного направления исследований при подготовке исходных данных (рис. 5.6);
  2. разработке математических моделей (рис. 5.7), особенностями которых является: блочный принцип, широкое использование статических методов (факторный, регрессионный анализы);
  3. использовании критериев принятия решений  (критерий Вальда, Сэвиджа) и шкалы желательности при обосновании выбора рационального вариант ККС ГАТС или его элемента (рис. 5.8).

Типовые фазы

Работа ДВС на ХХ

Разгон АТС

Движение АТС с Vconst

Замедление АТС (торможение)

Погрузка-разгрузка

Сцепка-расцепка прицепа

Буксировка прицепного состава

Транспортный процесс

Типовые фазы


Буксировка АТС

Сан .обработка

(мойка)

Самодиагностика

Замедление АТС (торможение)

Подготовка

к стоянке

Конечный этап

Типовые фазы

1.Заправка топлива

2. Хранение

3. Запуск ДВС

4. Подготовка к движению

4.1. Прогрев ДВС

4.2.  Прогрев

КП, ЗМ

4.3. Прогрев шин

4.4. Заполнение воздухом  тормозных систем

4.5. Прогоны ГАТС

4.6. Работа ДВС на ХХ

Начальный этап

Рис. 5.6. Направления исследования при подготовке исходных данных.

Рис.  5.7 Модель проектной эффективности

ДЗ – действующее звено

ККС – компоновочно-конструкторские схемы

Р Е З У Л Ь Т А Т Ы

А Н А Л И З

Рис. 5.8. Типовые формы представления результатов и их анализа

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 газе;

- проведению подготовительных работ по организации производства и использованию сжиженного природного газа в качестве моторного  топлива для грузовых автотранспортных средств.

  1. Анализ аспектов (исторического, международной системы товародвижения, мирового производства грузовых автотранспортных средств, финансовая составляющая мирового автопрома,  топливно-энергетический комплекс РФ, стратегия  международной энергетической безопасности, экологическая нагрузка) 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 новейших технологий.
  2. 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-433530, ЗИЛ- 433610 и ЗИЛ-4335 с газодизельным процессом).

6. Проведены испытания первого опытного образца ЗИЛ-431410, работающего на бензоводородных смесях с металлогидридным (Ti-Fе) аккумулятором водорода и сформулированы требования к обеспечению безопасности:

  • решения конструкторских задач по контролю параметров состояния водорода должны базироваться на использовании наноматериалов;
  • процесс аварийного  выброса водорода из топливных сосудов и магистралей в эксплуатационных условиях должен отслеживаться системами  воспламенения и дожигания выбросов водорода поджигающими устройствами;
  • 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.
  1. 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;
  • процедуры  принятия решения по выбору рациональных параметров компоновочно-конструкторских схем из условий обеспечения безопасности с использованием методологии проектной эффективности и блоков феноменологических математических моделей.

Основные публикации по теме диссертации.

Монографии.

1. Коноплев В.Н. Формирование топливно-скоростных  качеств грузовых автотранспортных средств серийного производства, работающих на газомоторных топливах, на стадии проектирования с использованием статистических методов / Изд. РНЦ «Курчатовский институт», 2006 г., 147 с., илл.

2.  Коноплев В.Н. Безопасность грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах/ Изд. РНЦ «Курчатовский институт», 2007 г., 253 с., илл.

3. Мазепа В.Г., Брагин А.В., . Коноплев В.Н.  и др. Автомобили и двигатели АМО ЗИС, ЗИЛ за 90 лет 1916-2006 г.г,. ГОУ.МГИУ, Москва, 2006 г.

Список статей в изданиях, рекомендованных ВАКом.

  1. Коноплев В.Н. Газобаллонные автомобили ЗИЛ/Автомобильная промышленность №9, 1988 г., с. 17,18.
  2. Коноплев В.Н. Соединения типа «врезающееся кольцо» в трубопроводах высокого давления грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах./Вестник машиностроения № 4, 2007 г., с. 81,82.
  3. Коноплев В.Н. Методология формирования заданного уровня качества грузовых автотранспортных средств на стадии проектирования по энергетическим показателям./ Вестник машиностроения № 7, с. 83,84.
  4. Коноплев В.Н. Прогнозирование показателей топливной экономичности и скоростных свойств грузовых автотранспортных средств на стадии их проектирования./Автомобильная промышленности № 11, 2007 г.
  5. Коноплев В.Н. Оценки качества автотранспортных средств по энергетическим показателям./Автомобильная промышленность № 2, 2008 г.

Научные статьи

  1. Супрун Г.И., Коноплев В.Н. Расчетный эксперимент на стадии проектирования автомобиля, - В сб.: Теория, проектирование и испытания автомобиля, М. 1982, вып. 1, с. 85-89.
  2. Коноплев В.Н. Исследование топливно-скоростных качеств газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А и ЗИЛ-138И, М. 1983, 12 с. Рукопись предст. Заводом-ВТУЗом при ЗИЛе. Деп. ВНИИНавтопроме 10.02.1983 г., № 845 АП-Д83.
  3. Коноплев В.Н. Исследование неустановившихся режимов движения газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А и ЗИЛ-138И, М. 1983, 12 с. Рукопись предст. Заводом-ВТУЗом при ЗИЛе. Деп. ВНИИНавтопроме 15.04.1983 № 870 АП-Д83.
  4. Коноплев В.Н. Оценка и анализ уровня топливно-скоростных качеств серийных грузовых автомобилей ЗИЛ, КАМАЗ и МАЗ. М., 1983, 12 с. Рукопись предст.Заводом-Втузом при ЗИЛе. Деп. ВНИИНавтопроме 15.04.19 № 871 АП-Д83.
  5. Коноплев В.Н., Андреев А.А. Результаты проведения стендовых испытаний автомобиля-самосвала ЗИЛ-45054 на боковую устойчивость при разгрузке на площадке с поперечным уклоном под задними колесами. Сборник научных трудов АМО ЗИЛ № 18. Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля, АМО ЗИЛ, М., 1992 г.
  6. Коноплев В.Н., Волков В.Е. К анализу стабильности топливно-скоростных свойств автомобилей массового производства/ сб. научных трудов, выпуск № 15, Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля/ Изд. ЦНИИТЭИАВТОПРОМ, М., 1987, с. 110.
  7. Коноплев В.Н. Измерение расхода газового топлива при испытаниях автомобилей/ Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля/ Сб. научных трудов, выпуск № 17/ Изд. НИИСтандартавтосельхозмаш, М., 1991, с. 94-101.
  8. Ивлев В.П., Коноплев В.Н., Латышев А.П. Оценка газовой аппаратуры для автомобилей ЗИЛ, работающих на сжатом природном газе. Ж. Грузовик № 5, 2005 г.
  9. Макарихин А.В., Коноплев В.Н. Системы пуска автомобилей с альтернативным  источником энергии. / Труды ХХVI Научно-технической конференции ААИ. «Автотракторостроение, промышленность и высшая школа»/ МГТУ «МАМИ» 09.1999 г., с. 33-34.
  10. Бей А.В., Коноплев В.Н., Шкурко Л.С. Анализ отказов в эксплуатации грузовых автомобилей, обусловленных влиянием внешней образивной среды и определение мероприятий по их устранению/ Техника, технологии и перспективные материалы: Межвузовый сборник научных трудов/ Под.редак.Шляпина А.Д. – М., МГИУ, 2003 г., с. 226-228
  11. Коноплев В.Н., Шкурко Л.С. и др. Герметизирующие и фиксирующие материалы в автомобилях. (АМО ЗИЛ, МГИУ)/ Труды XXX Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров/ Москва, МГТУ «МАМИ», 25-26 сентября 2002 г.
  12. Коноплев В.Н., Резчиков Е.А. Особенности и результаты экологических показателей газобаллонных автомобилей ЗИЛ на стадии производства./ Сборник трудов IX Международных чтений МАНЭБ с. 60.61/ Самара 2005 г.
  13. Коноплев В.Н., Карнаухов Е.А. Оценка безопасности грузовых автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах (природный газ и водород). / Тезисы докладов II Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов», с. 51/ Москва: Изд-во Прима-Пресс-М, 2006 г., с. 128.
  14. Коноплев В.Н., Карнаухов Е.А., Шкурко Л.С Особенности подбора резино-технических изделий для дизельного  двигателя грузового автомобиля ЗИЛ-5301, работающего на  демитил-эфире./ Тезисы докладов II Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших  городов», с. 58/ Москва: Изд-во Прима-Прес-М. 2006 г., с. 128.
  15. Коноплев В.Н., Лукшо В.А. и др. Исследование прочностных свойств стальных баллонов высокого давления, находившихся в эксплуатации на грузовых автотранспортных средствах от 2 до 30 лет. Сб. научных докладов по материалам докладов на III Международном автомобильном научном форуме (МАНФ) в ТНЦ РФ «НАМИ» выпуск 236, 2006 г.
  16. Коноплев В.Н. Опыт использования и перспективы применения водородного топлива на грузовых автотранспортных средствах./Ж. «Грузовик», № 1,  2006 г., с. 49-54.
  17. Коноплев В.Н., Земсков Д.В. Методы обоснования выбора легковых автомобилей. / Сб. научных трудов, т. 1, Техника, технология и перспективные материалы/ Под ред. Шляпина А.Д.- М.: МГИУ, 1999 г.
  18. Коноплев В.Н., Макарихин А.В.Энергетические показатели систем пуска ДВС/ Сб. научных трудов, Техника, технология и перспективные материалы./ Под ред. Шляпина А.Д., Таратынова О.В.- М.: МГИУ, 2001 г.
  19. Коноплев В.Н., Шкурко Л.С. О применении онаэробных герметиков в двигателе внутреннего сгорания / Сб. научных трудов, Техника, технология и перспективные материалы/ М.: МГИУ, 2003 г.
  20. Коноплев В.Н., Карнаухов Е.А. Особенности разработки функциональных свойств систем хранения природного газа под давлением для грузовых автомобилей. / Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» с. 21/ Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, Москва, 2007.
  21. Коноплев В.Н. Разработка основ безопасности для автотранспортных средств, использующих водородное топливо. / Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения» с. 56 / Институт машиноведения им. А.А.Благонравова РАН, Москва, 2007.
  22. Коноплев В.Н. Водородная энергетика, стратегия международного энергопотребления и ее связь с перспективой развития автотранспортных средств.  / Ж. «Теоретические и прикладные проблемы автосервиса» № 2, 2008 г., с.27-32.

Учебники и учебные пособия.

  1. Коноплев В.Н. Основы проектирования грузовых автотранспортных средств, М., 2008 г., Изд. МГИУ, с. 140, ил.
  2. Евграфов А.Н., Коноплев В.Н. Компоновка грузовых автомобилей, Уч. Пособие по курсу «Конструирование и  расчет автомобиля», МГИУ, 2004 г.
  1. Коноплев В.Н., Сарбаев В.И. и др. Механизация  производственных процессов технического обслуживания и ремонта автомобилей. Учебное пособие рекомендовано Департаментом автомобильного транспорта РФ, 2003 г. 284 с., ил.
  2. Демин Ю.Н., Коноплев В.Н., Сарбаев В.И. и др. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: механизация и экологическая безопасность производственных процессов/ Серия «Учебники, учебные пособия». - Ростов н/Д: «Феникс». 2004. 448 с.. ил. Рекомендовано Департаментом автомобильного транспорта России.

Коноплев Владимир Николаевич.

Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах.

Специальность 05.05.03 – «Колесные и гусеничные машины».

Подписано к печати  2008 г. Формат 60х90/16

Печать офсетная. Усл. печ. л.

Заказ Тираж 100 экз.

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт»

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.