Определение нагрузки для стендовых испытаний бензинового двигателя в условиях, приближенных к реальным



В статье рассмотрено использование методики расчёта разгона автомобиля и имитация данного разгона в условиях стендовых испытаний бензиновых двигателей. Рассмотрены возможные варианты нагрузки, произведён примерный расчёт, представлены данные для дальнейших исследований.

Ключевые слова: расчёт разгона, бензиновый двигатель, параметры, ARDC

При развитии современного двигателестроения большое внимание уделяется испытаниям двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Перед конструктором стоит задача, заключающаяся в условиях испытания, приближенных к реальным. В работах [1] указано использование европейского цикла NEDC для испытаний. Однако, многие критикуют данный цикл за недостоверность, в частности разгон до 50 км/ч, согласно данной методике длится 26 секунд [2, 3]. Поэтому были рассмотрены различные методики определения расхода топлива. Среди них была выбрана методика, разработанная в РФ, получившая название ARDC (Autoreview Driving Cycle), представленная на рисунке 1.

Рис. 1. Методика определения расхода топлива ARDC

В данной методике учитываются не только быстрый разгон, но и движение в городском режиме, в том числе в пробках, образующих ряд разгона и старта на участках рисунка 1. Подробнее преимущества данной методики были описаны в работах [2, 3].

Основываясь на цикле ARDC, была составлена методика расчёта разгона автомобиля, имитируемого в условиях стендовых испытаний [4]. Расчёт проводился при помощи программы Microsoft Excel.

Исходные данные для расчёта следующие:

− тип транспортного средства: микроавтобус;

− максимальная мощность двигателя: N_emax = 90 кВт;

− коэффициент коррекции мощности двигателя: K_p = 0.9;

− угловая скорость коленчатого вала при максимальной мощности: ω_n = 418,879 рад/с;

− максимальная угловая скорость двигателя: ω_max = 452,389 рад/с;

− минимальная угловая скорость двигателя: ω_min = 90,478 рад/с;

− среднестатистические коэффициенты, входящие в формулу для расчёта мощности двигателя: a = b = c = 1;

− суммарная сила тяжести транспортного средства: G_a = 34335 Н;

− КПД трансмиссии: η_m = 0,9;

− радиус качения колеса: r_k = 0,3697 м;

− постоянные коэффициенты, входящие в формулу для определения коэффициента учёта вращающихся масс: σ₁ = 1,04, σ₂ = 0,05;

− передаточное число раздаточной коробки: i_рк = 1;

− передаточное число главной передачи: i₀ = 5,125;

− фактор обтекаемости: kF = 0,272 Н·с²/м²;

− коэффициент сопротивления качению: f₀ = 0,0125;

− уклон дороги: i = 0;

− число ступеней в коробке передач, на которых осуществляется разгон: m = 5;

− передаточные числа в коробке передач; i_k1 = 4,05; i_k2 = 2,34; i_k3 = 1,395; i_k4 = 1; i_k5 = 0,849;

− время переключения: t_п1 = t_п2 = t_п3 = t_п4 = t_п5 = 0,5 с.

Определение окружной силы на каждой передаче.

Угловую скорость двигателя выражаем через линейную скорость автомобиля:

(1)

Результаты расчёта угловой скорости сведены в таблицу 1

Таблица 1

Угловая скорость врад/с

ωe для i-той передачи	Значение
ωe1	389,88538
ωe2	360,4273735
ωe3	349,1640181
ωe4	327,3111832
ωe5	326,9261113

По формуле Р. С. Лейдермана, находим момент двигателя:

(2)

Результаты расчета момента двигателя сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Момент двигателя

Ме для i-той передачи*	Значение
Ме1	234,3176248
Ме2	201,4122276
Ме3	189,6835388
Ме4	168,2179705
Ме5	167,8546368

*Момент в Н∙м

Окружная сила на каждой передачи:

(3)

Результаты расчёта окружной силы сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Окружная сила двигателя

Pk для i-той передачи*	Значение
Pk1	11839,8693
Pk2	5880,152897
Pk3	3301,343995
Pk4	2098,743276
Pk5	1777,984462

*Окружная сила в Н

Определение сил сопротивления.

Из формул 2 и 3 выразим:

(4)

(5)

(6)

Силы суммарного дорожного сопротивления (P_ψ) и сопротивления воздуха (P_w) выразим:

(7)

Обозначим:

(8)

(9)

(10)

Результаты расчётов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Выражение сил сопротивления

-Pψ-Pw для i-той передачи*	Значение
-Pψ-Pw	-452,988
-Pψ-Pw2	-490,118
-Pψ-Pw3	-590,081
-Pψ-Pw4	-704,325
-Pψ-Pw5	-810

*Силы сопротивления в Н

Определение ускорения.

Ускорение автомобиля при разгоне определяется по формуле:

(11)

где δ — коэффициент учёта вращающихся масс.

Учитывая преобразования в формулах (4) — (10) ускорения автомобиля будет равно:

(12)

Коэффициент учёта вращающих масс определяют по эмпирической формуле:

(13)

Значения коэффициента учёта вращающихся масс для каждой передачи приведены в таблице 5.

Таблица 5

Коэффициент учёта вращающихся масс

δ для i-той передачи	Значение
δ1	1,860125
δ2	1,31378
δ3	1,137301
δ4	1,09
δ5	1,07604

Обозначим:

(14)

(15)

(16)

(17)

Значения данных показателей сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Значения показателей для выражения ускорения

Передача	A’	B’	C’
1	-0,010199077	0,055820483	1,433432869
2	-0,002791919	0,026383642	1,133252011
3	-0,000690854	0,010831749	0,736927722
4	-0,000271828	0,005807633	0,519365571
5	-0,000172426	0,004240457	0,429471555

Учитывая формулы 15–17 ускорение будет равно:

(18)

Время разгона в интервалах изменения скорости ΔV определяется по формуле:

(19)

а путь:

(20)

Значения данных параметров сведены в таблицу 7.

Таблица 7

Значения времени разгона ипути

Передача	∆t, с	∆S, м
1	1,95867654	34,27683944
2	3,047850752	53,33738816
3	4,698971518	82,23200157
4	7,302704309	127,7973254
5	7,975355077	139,5687139

В момент переключения передач происходит замедление вращения двигателя:

(21)

где δ’ = σ₁ — коэффициент учёта вращающихся масс при переключении передач.

Падение скорости за время переключения для каждой передачи составит:

(22)

Путь, пройденный за это время, составит:

(23)

Среднее значение ΔS_п при проверке должно быть приблизительно равно ΔS_п`.

(24)

Таблица 8

Значения замедления вращения двигателя, атакже скорость ипуть, пройдённые за это время

Передача	jп, м/с2	ΔVп, км	ΔSп, м
1	-0,1243	0,22377685	3,456682
2	-0,13451	0,242118737	5,538742
3	-0,16194	0,291500739	9,007535
4	-0,1933	0,347937313	11,78139
5	-0,2223	0,400141143	13,8611

По формуле (2.18) произведём вычисление ускорение автомобиля, и результаты вычислений занесём в таблицу 9.

Таблица 9

Ускорение автомобиля

Ускорения для i-той передачи	Значение, м/с2
j1	3,54548
j2	2,27847
j3	1,47786
j4	0,95094
j5	0,87074

Одной из главных характеристик, позволяющих судить о затратах мощности автомобиля, потребной для преодоления сопротивлений при его движении является мощностной баланс. В данной работе мощностной баланс определяется для нахождения нужного крутящего момента, чтобы воспроизвести устройством нагрузку двигателя, имитирующую параметры автомобиля ГАЗ-32213–288 («Газель-Бизнес»).

Для наглядности методики расчёт будет производиться для третьего участка графика, изображённого на рисунке 2.

Рис. 2. График разгона автомобиля с выбранным участком для расчёта

Скорость автомобиля примем равной 57 км/ч, взяв за основу выделенный участок цикла ARDC на рисунке 3. Массу автомобиля примем равной 3500 кг, что соответствует параметрам ГАЗ-32213–288 («Газель-Бизнес») при полной загрузке.

Рис. 3. Методика ARDC с выбранным участком для расчёта

Определим мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления качению колёс:

(25)

Для определения мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха, примем C_x = 0,025. Отсюда:

(26)

Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления подъёму, рассчитывается по формуле:

(27)

поскольку на заданном участке подъёма не имеется, то мощность в данном случае будет равна нулю.

Мощность, затрачиваемая на преодоление инерции:

(28)

Мощностной баланс будет равен

(29)

Переведём лошадиные силы в киловатты:

(30)

Крутящий момент для данной мощности, рассчитанный по методикам, описанным в работах [5] будет равен 212,2.

Из этого следует, что частота вращения двигателя должна быть равна 2925 об/мин, что создаст нужную нагрузку на коленчатом валу двигателя.

Вывод. Расчёты показали, что применение данной методики при стендовых испытаниях позволит приблизить условия испытания двигателя к реальным. Методика ARDC, описанная в данной и предыдущих работах позволит точнее определять затрачиваемые ресурсы на испытания и проводить их в точности с принципами эксплуатации современных автомобилей.

Литература:

1. Салова Т. Ю., Боровиков А. В., Сивов А. А. Исследование показателей работы нейтрализаторов оксида азота бензинового двигателя 4Ч9,2/8,6 в условиях городского цикла // Технико-технологические проблемы сервиса. 2012. № 4(22). С. 6–9.

2. Ведрученко В. Р., Литвинов П. В. Анализ требований к нормативам выбросов вредных веществ // Архитектура, строительство, транспорт [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 970–976 (дата обращения 17.01.2017).

3. Литвинов П. В. Анализ и применение методик определения расхода топлива / Пути совершенствования системы ремонта военных гусеничных и колесных машин. Материалы научно-практической конференции научного общества курсантов Омского автобронетанкового инженерного института и студентов вузов (военных кафедр) г. Омска // ОАБИИ. — Омск, 2015. — C. 99–104.

4. Расчёт параметров обгона: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / Сост. С. А. Назарко; СибАДИ. — Омск, 1988. — 30 с.

5. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие / А. И. Колчин, В. П. Демидов. — 4-е изд., стер. — М.: Высшая школа, 2008. — 496 с.