WWW.DOC.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные документы
 

Pages:   || 2 |

«МЕТОДИКА КОРРЕКТИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ЗАРЯДА АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

САПОЖЕНКОВ Николай Олегович

МЕТОДИКА КОРРЕКТИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ

ЗАРЯДА АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ

БАТАРЕЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

05.22.10 – Эксплуатация автомобильного транспорта Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Захаров Николай Степанович Тюмень - 2016 ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….….4 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Общие сведения

1.2 Анализ факторов, влияющих на уровень заряженности АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период

1.3 Анализ изменения показателей ТС АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период

1.4 Анализ изменения пусковых качеств ДВС при эксплуатации автомобилей в зимний период

1.5 Анализ факторов, влияющих на интенсивность эксплуатации автомобилей в зимний период

1.6 Анализ методов расчёта и прогнозирования уровня заряженности АКБ 43

1.7 Анализ методов поддержания работоспособности АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период

1.8 Выводы по разделу 1. Задачи исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Общая методика исследований

2.2 Целевая функция

2.3 Структура системы

2.4 Имитационная модель формирования уровня заряженности АКБ........... 94

2.5 Разработка математических моделей

2.6 Выводы по разделу 2

3 ЭКСЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований

3.2 Общая методика экспериментальных исследований

3.3 Результаты экспериментальных исследований

3.4 Выводы по разделу 3

4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

4.1 Разработка методики корректирования периодичности заряда АКБ...... 152

4.2 Имитационное моделирование процессов формирования уровня заряженности АКБ

4.3 Оценка экономической эффективности использования результатов исследований

4.4 Выводы по разделу 4

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Автомобильный транспорт – неотъемлемая часть транспортного комплекса страны. Насыщение автомобиля потребителями электроэнергии и необходимость его ежедневной эксплуатации повышают требования к аккумуляторной батарее (АКБ), как к основному источнику электроэнергии, обеспечивающему пуск двигателя (ДВС).

На показатели технического состояния автомобильной АКБ в значительной мере влияют характеристика самой АКБ и условия эксплуатации. В настоящее время наиболее неблагоприятной, с точки зрения обеспечения оптимальных зарядных условий АКБ, является эксплуатация автомобилей в крупных городах в зимний период.

Частые пуски в относительно короткий промежуток времени, либо пуск – короткий пробег – и последующая длительная стоянка при низких температурах опасны тем, что генератор не успевает передать то количество электроэнергии, которое АКБ отдала во время предшествующих разрядов. Ежедневная эксплуатация АКБ в таких режимах без дополнительного заряда, способствует быстрому снижению уровня заряженности, в результате чего пуск ДВС в холодное время года затрудняется, либо вовсе становится невозможным.

Влияние сочетаний условий и интенсивности эксплуатации на формирование уровня заряженности АКБ не в полной мере учитывается в действующей системе технического обслуживания (ТО). В этой связи требуется разработка новых методов поддержания работоспособности АКБ для обеспечения надёжного пуска ДВС и исправной работы электрооборудования автомобилей в зимний период.

Учитывая то, что на сегодняшний день более 80% инноваций в автомобильной индустрии основано на электронике, что свидетельствует об устойчивой тенденции к увеличению мощности электропотребителей, а также то, что большая часть территории России находится в зонах умеренного и холодного климата, исследования, направленные на выявление закономерностей формирования уровня заряженности АКБ и корректирование на этой основе периодичности их заряда, актуальны.

Объект исследований – процесс формирования уровня заряженности АКБ в зимний период.

Предмет исследований – закономерности формирования уровня заряженности АКБ с учётом изменения температуры окружающего воздуха и интенсивности эксплуатации легковых автомобилей, эксплуатируемых в городе в зимний период.

Области исследований (из паспорта специальности 05.22.10): «10.

Закономерности изменения технического состояния автомобилей, агрегатов и систем. Закономерности изменения технического состояния 11.

автомобилей и агрегатов, технологического оборудования с целью совершенствования систем технического обслуживания и ремонта, определения нормативов технической эксплуатации, рациональных сроков службы автомобилей».

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации автомобилей путём корректирования периодичности заряда аккумуляторных батарей в зимний период.

Задачи исследования:

1) выявить факторы, влияющие на формирование уровня заряженности АКБ при эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период;

2) установить закономерности взаимодействия элементов системы формирования уровня заряженности АКБ;

3) разработать модель формирования уровня заряженности АКБ с учётом условий и интенсивности эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период;

4) разработать методику практического использования результатов исследований и оценить их эффективность.

Научная новизна:

1) установлены модели влияния температуры окружающего воздуха и интенсивности эксплуатации автомобилей на уровень заряженности и наработку АКБ на отказ;

2) разработана имитационная модель формирования уровня заряженности АКБ, использование которой, в отличие от существующих, позволяет определить уровень заряженности и наработку АКБ на отказ при эксплуатации автомобилей в городе в зимний период в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов;

3) разработана методика корректирования периодичности заряда АКБ легковых автомобилей, эксплуатируемых в городе в зимний период, в которой впервые учтены комплексные изменения температуры окружающего воздуха и интенсивности эксплуатации.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в установлении закономерностей и разработке моделей процессов формирования уровня заряженности автомобильных АКБ при эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период.

Практическая ценность заключается в разработке методики корректирования периодичности заряда АКБ, применение которой снижает затраты на контроль технического состояния АКБ и затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС в холодных климатических условиях.

Лежащие в основе методики модели и положения могут быть использованы для получения информации о процессах формирования уровня заряженности АКБ и направлены:

- на оптимизацию конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров АКБ, систем электроснабжения и зарядных устройств;

- на моделирование процессов формирования уровня заряженности АКБ, применяемое в качестве инструмента для разработки новых решений, обеспечивающих качество и надёжность АКБ;

- на диагностирование технического состояния, прогнозирование уровня заряженности и оценку остаточного ресурса АКБ;

- на повышение уровня знаний и качества подготовки специалистов в высших учебных заведениях и на автотранспортных предприятиях.

Методология и методы исследования. В качестве общей методологии исследований выбран системный подход. Кроме того применялись частные методы анализа, синтеза, дедукции, аналогии, сравнения, формализации, планирования эксперимента и имитационного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты отбора факторов, влияющих на формирование уровня заряженности АКБ и потенциальных затрат, возникающих в случае утраты работоспособности АКБ в зимний период;

2) закономерности влияния интенсивности эксплуатации и температуры воздуха на формирование уровня заряженности автомобильных АКБ;

3) имитационная модель формирования уровня заряженности автомобильных аккумуляторных батарей;

4) методика корректирования периодичности заряда аккумуляторных батарей с учётом изменения условий и интенсивности эксплуатации в зимний период.

Степень достоверности результатов обеспечивается применением научных методов исследования и систем автоматизированного проектирования, корректными ограничениями при разработке математических моделей и проверкой их адекватности исследуемым процессам, с использованием достаточного объёма экспериментальных данных.

Апробация результатов. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-практической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы»

(Тюмень, 2011), Международной научно – практической конференции «Экология и ресурсосберегающие технологии на промышленных предприятиях, в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве»

(Пенза, 2013), Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2013), международных научно-практических конференциях «Проблемы функционирования систем транспорта» (Тюмень, 2013, 2014, 2015, 2016 гг.).

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Общие сведения Основное назначение автомобильной аккумуляторной батареи (АКБ) – питание стартера при пуске двигателя (ДВС) [6, 7, 38, 39, 62, 63, 65, 73].

Несмотря на более чем 150-летнюю историю на автомобилях по-прежнему применяются свинцово-кислотные АКБ, так как они обеспечивают высокое напряжение во время стартерных разрядов при больших силах тока [74, с.

13]. В процессе эксплуатации автомобиля АКБ также используется для электроснабжения потребителей электроэнергии при неработающем ДВС [78] или недостаточной мощности генератора в заданном нагрузочном режиме (рисунок 1.1).

–  –  –

Ухудшение показателей технического состояния (ТС) АКБ наряду с изменением условий смесеобразования и воспламенения рабочей смеси является одной из главных причин затруднённого пуска ДВС в зимний период [38, с. 338]. Разряженные АКБ не обеспечивают заданное напряжение в системе электроснабжения автомобиля во время стоянки, что может стать причиной возникновения неисправностей электрооборудования и увеличения тока покоя в бортовой сети, ввиду некорректной работы электронных блоков управления (ЭБУ), отвечающих за работу систем самодиагностики, противоугонной сигнализации, мультимедиа, поддержания теплового состояния и пр. [93, 95, 102, 106]. Поэтому для обеспечения надёжного пуска ДВС и исправной работы электрооборудования автомобиля в условиях низких температур требуется поддерживать АКБ в заряженном состоянии.

Заряд АКБ осуществляется от генератора автомобиля, параметры которого подбираются с учётом номинальной ёмкости АКБ, мощности и режимов работы электропотребителей, что исключает использование АКБ с низким уровнем заряженности в течение длительного времени. Однако, при эксплуатации автомобилей в крупных городах в зимний период, уровень заряженности АКБ снижается. Ухудшение зарядных характеристик АКБ, повышенное энергопотребление дополнительного оборудования и малые скорости движения автомобилей в городе с частыми остановками на перекрестках являются причинами снижения эффективности заряда АКБ. В таких условиях АКБ может разряжаться не только за счёт пуска ДВС и включения потребителей на стоянке, но и при работе ДВС на холостом ходу и малых частотах вращения коленчатого вала во время движения по городским маршрутам и в часы пик.

Так, при низких температурах резко ухудшаются условия заряда, что прежде всего вызвано снижением зарядного тока при возрастании внутреннего сопротивления АКБ по причине замедления скорости протекания электрохимических реакций, поэтому холодные АКБ постоянно недозаряжаются [6, 7, 38, 74]. Даже при температуре минус 10оС АКБ, разряженная на 50%, может быть заряжена только до 60-70% [73, с. 52], а при температурах электролита ниже минус 30оС АКБ не принимает заряд и фактически эксплуатируется разряженной до 50-60 % номинальной ёмкости [38, с. 368] (рисунок 1.2).

–  –  –

Более того, в настоящее время отчётливо проявляется тенденция к неуклонному росту количества и мощности электропотребителей, которая вносит существенный вклад в процессы формирования уровня заряженности автомобильных АКБ [88, 97, 102, 106, 110, 118]. Из-за регулярного ужесточения требований законодательства в развитых странах [116, 123] производителями прилагаются немалые усилия, чтобы снизить расход топлива и количество вредных выбросов автомобиля и довести их до регламентированных значений, что на сегодняшний день возможно только при внедрении технологий, способствующих увеличению электропотребления автомобиля (рисунок 1.3.).

Рисунок 1.3 - Динамика изменения мощности электропотребителей на автомобилях [93] Электропитание требуется для обеспечения работы автоматических коробок передач, электрических переключателей, систем «старт-стоп» и рекуперативного торможения, систем обеспечения дожигания топлива во время пуска и на малой частоте вращения коленчатого вала ДВС, систем формирования топливно-воздушной смеси с использованием электромагнитного привода клапанов и др.

Количество ЭБУ на новых транспортных средствах может превышать 80 ед. [95, c. 365], они отвечают за работу ДВС, тормозной системы, АКБ, замков, системы навигации, подушек безопасности, фонарей, мультимедиа систем и пр. Электронные компоненты обеспечивают более точное управление, высокую надёжность и эффективность работы [102, 106]. Они также меньше, легче и часто дешевле механических аналогов [116, 123].

По данным статистики инноваций в [110, 114, 121] 80-90% автомобильной индустрии основано на электронике, что позволяет сделать вывод о том, что дальнейшая электрификация транспортных средств будет продолжаться, оказывая все большую токовую нагрузку на традиционные системы электроснабжения, рассчитанные на напряжение 14 вольт.

Максимальный ток заряда, который может обеспечить генератор, зависит от частоты вращения коленчатого вала ДВС и представляет собой разность между током генератора и током включенных потребителей электроэнергии. Поэтому восполнение заряда АКБ от генератора на фоне повсеместного внедрения электронных систем и устройств, повышающих комфорт и безопасность современных автомобилей, становится менее эффективным и занимает больше времени (рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4 - Динамика изменения электрической нагрузки АКБ и генератора на автомобилях [97] Изготовители легковых автомобилей в инструкциях по эксплуатации выделяют так называемые «тяжелые условия эксплуатации», к которым наряду с эксплуатацией при низких температурах окружающего воздуха относят эксплуатацию автомобилей с продолжительными периодами работы ДВС на оборотах холостого хода или малой скорости движения и работу преимущественно "на коротких" плечах – менее 8 км [38, с.

427]. Отмечается, что в таких условиях «… несмотря на выработку электроэнергии во время движения, возможен разряд АКБ» [57, c. 283]. В работе [90], указывается, что среднее время одной поездки легкового автомобиля в городе составляет 30 мин., и редко, когда превышает 3 и более часа, из-за чего не удаётся полностью зарядить АКБ. Такие режимы эксплуатации, типичные для большей части парка автомобилей, используемых в городских и пригородных условиях, оказывают негативное влияние на заряд АКБ, ввиду частых пусков, непродолжительных коротких поездок и недостаточной отдачи генератора, мощность которого зависит от частоты вращения коленчатого вала ДВС (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Токоскоростная характеристика автомобильного генератора Эффективность работы системы электроснабжения при коротких поездках на небольшие расстояния снижается, так как начальные периоды времени после пуска ДВС характеризуются высоким электропотреблением систем подогрева с последующим резким уменьшением токовой нагрузки по мере прогрева автомобиля.

Так, электрически подогреваемые каталитические нейтрализаторы требуют дополнительной мощности порядка 1-4 кВт с целью достижения рабочих температур свыше 300оС в пределах 10-30 с. после начала движения автомобиля, а время работы дополнительного насоса подачи воздуха для дожигания выпускаемых отработавших газов с момента пуска ДВС может достигать 200 с. [1, с. 794] (рисунок 1.6).

–  –  –

Применение регуляторов напряжения в генераторах позволяет улучшить заряд АКБ при низких температурах. Однако, рабочий диапазон регулируемого напряжения ограничен и недостаточен для обеспечения высокой силы зарядного тока «холодных» АКБ, так как избыточное увеличение напряжения в бортовой сети автомобиля недопустимо по условиям работы как самой АКБ, так и потребителей электроэнергии, срок службы и работоспособность которых непосредственно зависят от его численных значений [38, 73, 78, 88, 92] (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Зависимость срока службы АКБ от напряжения заряда [67, с.

131] Увеличение мощности генератора за счёт внесения конструктивных изменений (материал и форма магнитов, длина и площадь поперченного сечения провода обмоток, диаметр ротора и пр.) либо повышения передаточного отношения привода позволяет компенсировать отрицательное влияние работы ДВС при малых частотах вращения коленчатого вала на баланс тока в системе электроснабжения. С другой стороны, применение таких решений оборачивается увеличением момента сопротивления прокручиванию ротора генератора во всём диапазоне частот вращения.

Эксплуатационные исследования, проведенные в работе [72, с. 101] показывают, что увеличение максимального тока отдачи генератора на 20 А приводит к увеличению расхода топлива ДВС на оборотах холостого хода на 15-20 %, что особенно критично для автомобилей, эксплуатируемых в городе, где на езду с малой частотой вращения коленчатого вала ДВС приходится до 40-50% от общего времени эксплуатации [43, 72]. Более того, в работах [72, 95, 97, 109, 112] отмечается, что при работе генератора на максимальную электрическую нагрузку на малых частотах вращения коленчатого вала, ДВС может работать с перебоями, что вызывает значительное увеличение токсичности отработавших газов и необходимость повышения частоты вращения коленчатого вала.

Для улучшения заряда АКБ в зимний период предпринимают меры по её утеплению, поскольку обеспечение благоприятного температурного режима АКБ способствует повышению зарядного тока. Однако, при безгаражном хранении в условиях городской эксплуатации автомобилей этот метод недостаточно эффективен, так как длительность стоянки автомобиля существенно превышает время его движения, из-за чего температура АКБ стремится к среднесуточной температуре окружающей среды.

Системы подогрева АКБ и ДВС, а также совместное использование АКБ и конденсаторных накопителей энергии являются наиболее эффективными и перспективными методами улучшения пусковых характеристик и заряда АКБ при отрицательных температурах. Но подобные системы не являются «штатными» и требуют дооснащения автомобиля необходимыми комплектующими наряду с традиционными средствами облегчения пуска, в связи с чем, в данной диссертационной работе не рассматривались в качестве альтернативных, так как целесообразность их использования в значительной мере определяется конструктивными особенностями и предназначением автомобиля, условиями и интенсивностью эксплуатации, способом межсменного хранения, затратами на установку и другими конструктивными и экономическими факторами.

Применение двух АКБ компенсирует рост мощности электропотребителей в традиционных системах электроснабжения и повышает надёжность пуска ДВС. Такое решение применяется на спортивных и внедорожных автомобилях, где пуск ДВС и подвижность транспортного средства в экстремальных условиях эксплуатации могут обеспечиваться даже в случае отказа системы электроснабжения [106, 110, 116]. Первая АКБ, с тонкими намазками пластин и жидким электролитом, может быть оптимизирована для пуска ДВС с целью обеспечения высокого тока холодной прокрутки при малом падении напряжения, а вторая – для питания электропотребителей (например, АКБ конструкции AGM малой и средней мощности, которая приспособлена к частым циклическим нагрузкам [102]). Однако, отмечается [109, 123], что даже такое решение не окажется удовлетворительным без постоянного отслеживания работы АКБ с расчётом численных значений показателей её ТС и управлением потоками энергии (нагрузки) в системе электроснабжения. Это требует внедрения систем мониторинга, контроля и прогнозирования заряда АКБ, подобных «Battery Management System (BMS)» [116], и более подробного (глубокого) понимания характера распределения энергетических потоков на автомобиле.

Техническое обслуживание (ТО) АКБ включает в себя контроль уровня заряженности, корректирование плотности электролита и очищение её поверхности и контактов от пыли, грязи и продуктов окисления во время планового ТО автомобиля [47, с. 15]. При этом, как отмечает Захаров Н.С., «…планирование технических воздействий обычно связывается не со временем (продолжительностью) эксплуатации, а с количеством пройденных километров – наработкой» [29, 30, 31]. Такие меры в условиях пониженных температур оказываются недостаточными, если принять во внимание то, что периодичность ТО легковых автомобилей составляет 10-20 т. км. или один раз в календарный год [38], а их среднегодовой пробег в городских условиях зачастую не превышает этих значений [51, 65].

Проведённые ранее исследования [6, 65,72, 13, 34, 4] указывают на то, что именно низкий уровень заряженности в условиях холодного климата является главной причиной интенсивного оплывания активной массы с электродов и сокращения срока службы АКБ. Более того, при глубоких разрядах возрастает вероятность замерзания электролита АКБ, после чего она может утратить значительную часть ёмкости, либо преждевременно выйти из строя [5, 73, 95, 100].

Исследования, основанные на статистических данных о неисправностях и отказах автомобилей в Германии, свидетельствуют о том, что доля отказов АКБ существенна и превышает 30% (рисунок 1.8) [80].

–  –  –

При этом чаще всего АКБ переходит в состояние отказа из-за низкого уровня заряженности, что связано с малыми пробегами, неблагоприятными режимами эксплуатации (пробки, частые остановки на перекрёстках, работа ДВС на малых частотах вращения коленчатого вала) и большим электропотреблением основного и дополнительного оборудования в начальные моменты движения автомобиля [93] (рисунок 1.9).

–  –  –

Вместе с тем отмечается, что «… уровень заряженности АКБ имеет, с одной стороны, самостоятельное значение, так как значительно уменьшается надёжность пуска автомобильных двигателей, с другой стороны, является одним из факторов, определяющих скорость развития процессов, ограничивающих срок службы АКБ» [4, с. 22].

При этом, как указывает Дасоян М.А., «… АКБ способны надежно работать в пределах установленных сроков службы при соблюдении правил эксплуатации, обслуживания и хранения, а большинство неисправностей объясняется недостаточным уходом за ними во время эксплуатации» [66, с.

121].

Чижков Ю.П. подчеркивает, что «… работоспособность стартерных АКБ в зимний период повышается при правильной организации ТО» [74, с.

Поэтому чтобы обеспечить полный заряд АКБ в системах 67].

электроснабжения при постоянном напряжении «… рекомендуется периодически снимать АКБ с машины и проводить полный заряд при постоянной силе тока в стационарных условиях» [73, с. 73].

В работах [116, 123] указывается, что в краткосрочной перспективе переход на более высокие уровни напряжения (42 вольта) в системах электроснабжения автомобилей не является экономически целесообразной альтернативой повышения эффективности работы АКБ, в связи с чем существующие системы электроснабжения должны 14-вольтные совершенствоваться за счёт применения передовых технологий в их производстве и эксплуатации.

Вопросам эксплуатации свинцово-кислотных АКБ и повышению надёжности пуска ДВС в зимний период посвящено много трудов отечественных и зарубежных авторов [1, 3-9, 12-14, 16, 23, 24,27, 35, 38-40, 42, 44, 45, 49, 50, 56, 62- 64, 66-68, 70, 72-75, 78, 79, 81-84, 87, 88, 91-94, 97, 102, 106, 109, 110, 112, 114, 116, 119, 120, 123]. Однако процессам формирования уровня заряженности АКБ при эксплуатации автомобилей в городских условиях в зимний период уделено недостаточно внимания.

Таким образом, существуют проблема обеспечения заряда АКБ при эксплуатации автомобилей в городе в зимний период. Для эффективного использования АКБ необходимо поддерживать её в заряженном состоянии, что не всегда возможно в процессе эксплуатации. В этой связи, для обеспечения надёжного пуска ДВС и исправной работы электрооборудования автомобиля требуется корректировать периодичность осуществления операций по заряду АКБ с учётом влияния вышеуказанных факторов. Для чего, в первую очередь, необходимо выявить все факторы, влияющие на показатели ТС АКБ, определить их значимость и выявить закономерности их влияния на формирование уровня заряженности АКБ.

1.2 Анализ факторов, влияющих на уровень заряженности АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период Прогнозирование изменения показателей ТС автомобиля, его систем и агрегатов обеспечивает полноценное функционирование системы ТО и Р и способствует рациональной организации материально-технического обеспечения. Эксплуатация автомобилей в зимний период имеет ряд особенностей, поэтому для описания процессов формирования уровня заряженности АКБ необходимо проанализировать основные причины и закономерности изменения показателей ТС, связанные с влиянием следующих факторов:

- при понижении температуры АКБ возрастает вязкость электролита, замедляется скорость протекания химических реакций и повышается внутреннее сопротивление АКБ, поэтому зарядный ток АКБ в диапазоне регулируемого напряжения генератора снижается;

- перепады температур окружающего воздуха способствуют конденсации влаги под капотом в зимнее время, что ухудшает работу изделий электрооборудования из-за возникновения «утечек» по влажным проводам и увеличения тока покоя во время стоянки, из-за чего нагрузка на АКБ повышается;

- пуск холодного ДВС требует большей энергии от АКБ из-за увеличения мощности и продолжительности работы стартера, что приводит к более глубокому разряду АКБ и ухудшению пусковых качеств системы электростартерного пуска;

- сокращение продолжительности светового дня вызывает необходимость более частого использования приборов освещения и увеличения числа включенных в работу потребителей электроэнергии для безопасного движения автомобиля, что повышает нагрузку на генератор и снижает эффективность заряда АКБ;

- ухудшение дорожных условий, связанное с появлением снега и грязи на дорогах, приводит к снижению скорости движения автомобиля и уменьшению частоты вращения коленчатого вала ДВС, что уменьшает отдачу генератора и увеличивает время заряда АКБ.

Таким образом, в качестве основных факторов, влияющих на работу АКБ в зимний период можно выделить: изменение показателей ТС АКБ, ухудшение пусковых качеств ДВС, изменение условий и интенсивности эксплуатации автомобилей. Для более полного понимания процессов формирования уровня заряженности АКБ в зимний период необходимо подробно рассмотреть влияние этих факторов.

1.3 Анализ изменения показателей ТС АКБ при эксплуатацииавтомобилей в зимний период

Работа свинцово-кислотных АКБ основана на обратимых электрохимических реакциях, в которых участвуют двуокись свинца PbO2 положительного электрода, губчатый свинец Pb отрицательного электрода и электролит – водный раствор серной кислоты H2SO4. В процессе разряда АКБ активные вещества переходят в сульфат свинца PbSO4 с образованием воды, в результате чего плотность электролита уменьшается.

При заряде АКБ активные вещества восстанавливаются по следующей реакции [7, 56, 62,64, 66, 78]:

PbO2 + Pb + 2H2SO 4 2PbSO 4 + 2H2O. (1.1) В настоящее время выпускаются различные типы автомобильных АКБ, конструкция которых предопределяет степень их приспособленности для тех или иных условий эксплуатации. Среди них можно выделить: традиционные с отдельными крышками, малообслуживаемые, необслуживаемые, гибридные, герметизированные с гелеобразным электролитом, а также изготовленные по технологии «Spiral Cell» [70, 74].

Пусковые характеристики АКБ определяются её внутренним электрическим сопротивлением, которое зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов, главными из которых являются температура электролита и уровень заряженности [70, с. 48].

Соснин Д.А. отмечает, что «… низкая надежность АКБ наиболее отчетливо проявляется зимой при попытке запустить промерзший ДВС в те дни, когда температура воздуха не превышает минус 30оС» [62, с. 22].

При отрицательных температурах повышается вязкость и удельное электросопротивление электролита, а также уменьшается скорость его диффузии из межэлектродного пространства в поры активной массы электродов [35, с. 182].

Кузнецов Е.С. по этому поводу указывает, что: «… с понижением температуры возрастает сопротивление электролита, а также внутреннее сопротивление сепараторов за счёт сужения каналов, в которых находится электролит», что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на электрохимические процессы внутри АКБ [38, с. 367].

Внутреннее сопротивление АКБ рассчитывается как результирующая сумма электрических сопротивлений электролита, сепараторов, электродов и металлических частей в её составе [42, с. 142].

Удельное сопротивление электролита является основным фактором увеличения внутреннего сопротивления АКБ и потерь напряжения при «стартерных» токах. В работе Ютта В.Е. [78, с. 73] указывается, что «…при температуре минус 40оС удельное сопротивление электролита становится в 8 раз больше, чем при 30оС» (рисунок 1.10) Рисунок 1.10 - Зависимость удельного сопротивления электролита от температуры [73, с. 38] В работе Дасояна М.А. [66, с. 174] приводятся данные о том, что при о изменении температуры от 25 до минус 40 С вязкость электролита плотностью 1,28 г/см3 увеличивается в 13 раз, а электропроводность уменьшается примерно в 7 раз.

По данным Чижкова Ю.П., в начале стартерного разряда при температуре минус 18 оС сопротивление электродов и токоведущих деталей составляет приблизительно 20-30%, электролита и сепараторов 34-38%, Снижение уровня заряженности АКБ также является причиной увеличения внутреннего сопротивления из-за образования на поверхности активной массы положительных и отрицательных электродов непрореагировавшего слоя сульфата свинца, препятствующего свободному доступу электролита к активной массе (рисунок 1.12).

–  –  –

Более того, по мере разряда АКБ доля воды в растворе электролита увеличивается, вследствие чего уменьшается его плотность и повышается температура его замерзания (таблица 1.1.).

–  –  –

При малом уровне заряженности глубокие разряды АКБ в низкотемпературных условиях могут стать причиной сокращения её срока службы из-за частичного замерзания электролита. При повышении вязкости холодного электролита уменьшается скорость его перемешивания и замедляется скорость диффузии внутрь активной массы [24, 66, 95].

Стратификация электролита по объему АКБ может привести к обеднению раствора серной кислоты и кристаллизации воды в порах активной массы и на верхних участках электродов с последующим её разрушением (рисунок 1.13).

–  –  –

При отрицательных температурах электролит разряженных АКБ замерзает у пластин, образуя ледяную корку, препятствующую протеканию электрических процессов [5, 14, 73, 78, 79], из-за чего сопротивление АКБ резко увеличивается, а напряжение на выводах уменьшается. В этом случае, АКБ может питать систему зажигания, однако без предварительного нагрева невозможно получить от такой АКБ токи большой силы, обеспечивающие пуск ДВС [73, 78].

В случаях, когда АКБ остаётся в разряженном состоянии в течение длительного времени, например, во время стоянки или при безгаражном хранении автомобиля в условиях холодного климата замерзание электролита по всему объёму АКБ неизбежно влечёт за собой механические повреждения электродов и корпуса моноблока [5, 7], что в большинстве случаев приводит к её отказу без возможности дальнейшего использования.

Одновременно с падением напряжения при низких температурах понижается и ёмкость АКБ, что происходит из-за увеличения вязкости электролита и снижения скорости поступления серной кислоты в поры активной массы. В среднем при понижении температуры электролита на 1оС ёмкость АКБ снижается на 1,0-1,5 % [38, с. 338] (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 - Зависимость относительной разрядной ёмкости Ср/С20 АКБ 6СТ-82 от силы разрядного тока и температуры электролита при различной степени разряженности: а – Ср = 0; б – Ср = 25% [74, с.

52] В качестве примера в работе [66, с. 175] указывается, что ёмкость при 10-часовом разряде АКБ 6СТ-110А и 6СТ-190ТМ по сравнению с начальной температурой электролита 25оС составляет для минус 10оС уже 80%, для минус 20оС – 66%, для минус 30оС – 50% и для минус 40оС только 32%, При этом напряжение разряда быстро падает и большая часть активного вещества остается неиспользованной (рисунок 1.15).

–  –  –

Ёмкость АКБ также зависит от силы разрядного тока. Копылова Л.В. и соавторы отмечают, что «… при стартерных токах разряда образующийся на пластинах мелкокристаллический сульфат свинца закупоривает поры наружного слоя активной массы, из-за чего внутренние слои активной массы не участвуют в реакции» [68, с. 29]. В таких случаях из-за ограниченного доступа электролита в прифронтовой зоне электродов его концентрация в порах активной массы быстро снижается. По этой причине напряжение АКБ стремительно падает, что ограничивает ёмкость и приводит к необходимости более раннего прекращения разряда (рисунок 1.16).

–  –  –

Дасоян М.А. указывает, что «… чем больше значение разрядного тока, тем меньшую часть запасённой ёмкости АКБ можно направить во внешнюю цепь, например, для питания стартера. С понижением температуры эта закономерность ещё более усугубляется» [66, с. 179].

Другой отличительной особенностью работы АКБ при низких температурах является резкое ухудшение условий восстановления ёмкости вследствие уменьшения КПД заряда и снижения зарядного тока при возрастании внутреннего сопротивления АКБ [7, 14, 38, 64, 66, 78, 100]. По этому поводу Ютт В.Е. отмечает, что «… холодные АКБ заряжаются медленнее и часто остаются недозаряженными» [78, с. 79].

Болотовский В.И. указывает, что «… при низких температурах окружающей среды снижаются не только характеристики АКБ в разрядных режимах, но и значительно снижается интенсивность её заряда» [7, c. 93].

При температуре минус 10оС АКБ, разряженная на 50%, может быть заряжена до 60-70% номинальной ёмкости [74, с. 52], а при температуре минус 30оС зарядный ток современной АКБ при напряжении 14,5 В составляет всего 3-5% от зарядного тока АКБ при температуре электролита 20-25 оС и уровне заряженности 75% [74, с. 52]. В таких условиях АКБ не принимает заряд током расчётного напряжения, поэтому для улучшения заряда приходится увеличивать напряжение заряда [50, 64, 66, 68, 74, 78], что негативно сказывается на ресурсе АКБ, нитей накала и электрооборудовании на основе полупроводников. (рисунок 1.17).

–  –  –

Кузнецов Е.С. и соавторы также отмечают, что при температурах электролита ниже минус 30оС АКБ не принимает заряд и фактически эксплуатируется разряженной до 50-60% номинальной емкости [38, с. 338].

Стоит отметить, что при подкапотной установке АКБ и регулярном использовании автомобиля ввиду большой теплоёмкости АКБ и малой теплопроводности материала её моноблока [6, 22, 23, 73] такая температура труднодостижима даже при безгаражном хранении. Тем не менее, из приведенной графической зависимости (рисунок1.17) следует, что зарядный ток существенно снижается уже при 0оС. Учитывая то, что такие температуры в той или иной мере типичны для всех климатических районов страны (рисунок 1.18), ухудшение заряда АКБ в зимней период может наблюдаться при эксплуатации автомобилей в относительно тёплых регионах.

–  –  –

Так, в руководстве по эксплуатации автомобилей Volvo XC 90 в качестве рекомендаций по заряду вспомогательных АКБ, установленных под капотом, приводится информация о том, что «… При наружной температуре 15 оС АКБ следует заряжать от внешнего источника питания не менее 1 часа.

При более низкой температуре рекомендуется увеличить время заряда до 3-4 часов» [60, с. 553].

Чижков Ю.П. по этому поводу указывает, что «… заряд АКБ при низких температурах идет очень медленно, что при больших нагрузках создает значительные трудности в обеспечении положительного баланса электроэнергии на автомобиле» [73, с. 54].

Другой причиной ухудшения заряда АКБ при эксплуатации в зимний период является уменьшение зарядного тока по мере повышения уровня её заряженности. В процессе заряда активная масса восстанавливается в направлении от поверхности электродов внутрь. По мере окончания заряда, когда большая часть активной массы прореагировала, а уровень заряженности АКБ превышает 80%, выравнивание плотности в глубинных слоях электродов замедляется, в результате чего зарядный ток уменьшается [7, 8, 13, 65, 73, 77] (рисунок 1.19).

–  –  –

В работах [74, 95, 101] авторы приводят данные о том, что заряд АКБ при постоянном напряжении от 0 до 80% может занимать около 4 часов, в то время как на заряд от 80 до 100% потребуется от 2 до 4 часов.

Иными словами, систематический «недозаряд» АКБ при низких температурах также обусловлен особенностями протекания зарядных процессов внутри самой АКБ. Полностью разряженная АКБ принимает больший ток по сравнению с АКБ, разряженной на 20-30%. При этом уровень заряженности АКБ при городской эксплуатации автомобилей в зимний период стабилизируется в диапазоне значений 70-80%. При таких условиях прогрессируют процессы сульфатации и оплывания активной массы электродов, способствующие преждевременному старению и снижению ёмкости АКБ.

Таким образом, из-за ухудшения показателей ТС АКБ при понижении её температуры, система электроснабжения не обеспечивает полный заряд АКБ при коротких поездках автомобилей в зимний период. Эксплуатация АКБ с малым уровнем заряженности способствует развитию сульфатации электродов, что с учётом увеличения внутреннего сопротивления при отрицательных температурах влечёт за собой ухудшение пусковых качеств ДВС: снижение силы разрядного тока при увеличении падения напряжения.

В этой связи методы по повышению эффективности заряда АКБ в зимний период приобретают большую значимость, что предопределяет необходимость их совершенствования.

Проведенный анализ изменения показателей ТС АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период позволил сделать следующие выводы:

- с понижением температуры зарядно-разрядные характеристики АКБ ухудшаются, в процессе эксплуатации снижается уровень заряженности, увеличивается вероятность замерзания электролита;

- внутреннее сопротивление АКБ при низких температурах возрастает, уменьшаются пусковой ток и разрядная ёмкость, замедляется скорость восполнения заряда;

- на зарядный ток АКБ оказывают большое влияние напряжение заряда, температура электролита и уровень заряженности АКБ;

- ввиду среднесуточных колебаний температуры окружающего воздуха, скорости ветра и других показателей воздействия климатических факторов, условия восстановления ёмкости АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период могут ухудшаются при значениях среднесуточной температуры окружающего воздуха от 0оС и ниже.

1.4 Анализ изменения пусковых качеств ДВС при эксплуатации автомобилей в зимний период Для пуска ДВС необходим комплекс агрегатов и устройств, которые совместно с соединительными коммуникациями составляют систему электростартерного пуска (СЭП) [14, 15, 35, 40, 49, 75, 79], где АКБ, как источник энергии, является ключевым элементом (рисунок 1.20).

–  –  –

В процессе пуска АКБ должна обеспечивать высокий разрядный ток при напряжении не ниже допустимого. Минимальное напряжение с одной стороны определяется характеристиками стартера, который должен обеспечить прокручивание ДВС с частотой не ниже минимальной пусковой, а с другой – требованиями по работе системы зажигания и тягового реле стартера [63, 68, 70, 78].

В работах [6, 8, 9, 14, 35, 49] авторы отмечают ограниченность энергетического запаса АКБ и зависимость её энергетических показателей от температурных условий, что оказывает негативное влияние на эффективность работы СЭП.

Исследователи [14, 42, 45, 64, 68, 78, 79] отмечают, что характеристики АКБ не удовлетворяют требованиям, предъявляемым пуском ДВС зимой, так как от стартера требуется большая мощность и более продолжительная работа, а напряжение АКБ в этих условиях стремительно падает, вследствие чего снижается мощность стартера и уменьшается число возможных пусков.

Внешним фактором, определяющим условия пуска ДВС, является температура окружающего воздуха, поэтому проблемы пуска особенно сложны при безгаражном хранении автомобилей в зимний период, так как во время стоянки автомобиля на открытой площадке детали ДВС, охлаждающая жидкость и моторное масло из-за разницы температур и воздействия ветра быстро остывают [35, 75, 78].

Изменение температуры оказывает влияние на физико-химические свойства материалов, используемых в двигателе (топливо, масло, охлаждающую жидкость) и выходные характеристики основных и вспомогательных пусковых устройств [38, 68]. При понижении температуры моторных масел до 0оС и ниже вязкость масла увеличивается в сотни и тысячи раз с. 43], что увеличивает момент сопротивления [35, прокручиванию коленчатого вала во время пуска ДВС.

Авторы в работах [6, 7, 9, 14, 42, 66, 68] отмечают, что при низких температурах для пуска ДВС коленчатый вал необходимо вращать с большей частотой вращения при повышенной вязкости моторного масла и, соответственно, большем моменте сопротивления. Ухудшение условий для воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси при понижении давления и температуры сжатия, а также повышенная вязкость топлива и снижение его испаряемости, отрицательно влияют на протекание процессов смесеобразования и повышают требования к АКБ в составе СЭП по обеспечению пусковой частоты вращения коленчатого вала ДВС.

Момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала ДВС во время пуска описывают эмпирические уравнения, в которых помимо вязкости моторного масла учитываются конструктивные особенности ДВС: объём и количество цилиндров, степень сжатия, тип топлива, способ смесеобразования и пр.

Примером может служить расчёт момента сопротивления МДВС для ДВС ВАЗ-2110 объёмом 1500 см3 в работе [40]:

M ДВС (390 3,12 n) V,

–  –  –

где Eo – напряжение АКБ при разомкнутой внешней цепи, В;

Rб – омическое сопротивление АКБ, Ом;

Rст – сопротивление обмотки стартера, Ом;

Rпр – сопротивление проводов стартерной цепи, Ом.

Учитывая то, что сопротивление обмотки стартера и проводов стартерной цепи практически не подвержено влиянию конструктивных и эксплуатационных факторов, можно сделать вывод о том, что уменьшение пускового тока стартера при низких температурах вызвано, прежде всего, ухудшением разрядных показателей АКБ – снижением напряжения при увеличении внутреннего сопротивления. Поэтому по мере разряда и снижения температуры АКБ пусковые качества ДВС ухудшаются вплоть до отказа СЭП, в случае недостаточного напряжения для срабатывания тягового реле стартера (рисунок 1.21).

–  –  –

В работе [1, с. 794] указывается, что самая низкая температура, при которой может быть осуществлён пуск ДВС, зависит от характеристик АКБ (ёмкость, внутреннее сопротивление, уровень заряженности и пр.) и стартера (размер, сопротивление обмотки, наличие промежуточного редуктора, передаточное отношение, количество полюсов, тип возбуждения и пр.).

Учитывая малую подверженность конструктивных характеристик стартера влиянию температуры, из этого следует, что минимальный уровень заряженности АКБ для осуществления пуска ДВС будет меньше для АКБ большей ёмкости и, соответственно, наоборот больше для АКБ меньшей ёмкости (рисунок 1.22).

–  –  –

Анализ вольт-амперной характеристики АКБ также свидетельствует о том, что с понижением температуры электролита и уменьшением уровня заряженности угол наклона вольт-амперной характеристики к оси абсцисс увеличиваются [9, 68, 78]. Иными словами, при одном и том же значении разрядного тока напряжение на контактных выводах АКБ меньше. В этом случае мощностная характеристика электродвигателя стартера располагается ниже, что приводит к снижению пусковой частоты вращения ДВС (рис 1.24).

–  –  –

По этому поводу Ютт В.Е. в работе [78] отмечает, что ухудшение показателей АКБ при отрицательных температурах является причиной уменьшения не только силы разрядного тока, но и количества возможных попыток пуска ДВС (рисунок 1.25).

–  –  –

Так, количество пусков от полностью заряженной АКБ снижается в 4-5 раз при изменении температуры от 19оС до минус 12оС по следующим причинам [42, с.

46]:

- возрастает момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала ДВС (примерно в два раза);

- увеличивается сила тока стартера, в результате чего ёмкость АКБ снижается в 2,3-3,7 раза и уменьшается среднее напряжения разряда;

- ухудшаются показатели АКБ в области отрицательных температур, изза чего ёмкость АКБ снижается в 5,5-10 раз (рисунок 1.26).

Рисунок 1.26 - Зависимость числа пусков и значений средних токов стартера от температуры при различных вариантах совместного использования АКБ и стартеров [41, с.

30] По данным Квайта С.М. и соавторов средняя продолжительность пуска ДВС при положительных температурах составляет 0,5-1,5 с., в то время как для холодного ДВС при температуре от минус 10оС до минус 30оС увеличивается до 3-10 с. [35, с. 23], что требует повышенной ёмкости АКБ для осуществления надёжного пуска ДВС (рис 1.27).

–  –  –

Таким образом, проведенный анализ изменения пусковых качеств ДВС при эксплуатации автомобилей в зимний период позволил определить ключевые показатели ТС АКБ, влияющие на пуск ДВС, которыми являются ёмкость, температура электролита и уровень заряженности АКБ. Увеличение вязкости смазочных материалов и ухудшение условий смесеобразования при пониженных температурах способствуют увеличению продолжительности работы и силы тока стартера во время пуска ДВС. Поэтому для обеспечения полноценного функционирования СЭП и надёжного пуска ДВС в зимний период требуется поддерживать АКБ в заряженном состоянии.

1.5 Анализ факторов, влияющих на интенсивность эксплуатации автомобилей в зимний период Знание закономерностей изменения интенсивности эксплуатации во времени позволяет более точно планировать производственные программы автотранспортных предприятий по ТО и материальнотехническое снабжение сопутствующих технических воздействий [29, с.

Выходные характеристики генератора в составе системы 25].

электроснабжения зависят от мощности задействованных потребителей и от режимов работы ДВС, изменяющихся в процессе эксплуатации. Частота вращения коленчатого вала ДВС определяет скорость вращения ротора генератора и, следовательно, его мощность в заданном нагрузочном режиме, а длительность работы ДВС после пуска – продолжительность питания электропотребителей и заряда АКБ.

Небольшие среднесуточные пробеги, прерывистый характер работы ДВС и малые скорости движения автомобилей в условиях плотного уличного движения в городе оказывают негативное влияние на эффективность работы системы электроснабжения за счёт уменьшения частоты вращения коленчатого вала ДВС и создают трудности в обеспечении положительного энергетического баланса. Дополнительно этому способствует применение на автомобилях многоступенчатых коробок переключения передач, понижающих частоту вращения коленчатого вала ДВС во время движения для снижения токсичности отработавших газов и улучшения топливной экономичности. В таких условиях зарядный ток генератора снижается, поэтому необходимое время для восполнения заряда АКБ после работы электропотребителей во время стоянки либо предшествующего пуска ДВС увеличивается.

Суммарная энергия генератора, выработанная при одинаковых пробегах, может существенно различаться в зависимости от интенсивности эксплуатации, условий и режимов движения. Так, пробег при движении автомобиля по шоссе в дневное время с высокой эксплуатационной скоростью в установившемся тепловом и динамическом режиме, оказывает благоприятное воздействие на заряд АКБ в отличие от сопоставимого по протяженности в км. пробега в городе с частыми остановками на перекрёстках и непродолжительными поездками при малых частотах вращения коленчатого вала ДВС в вечернее и ночное время. Прогревы и невысокие скорости движения в условиях плотного транспортного потока и плохих сцепных свойств дорожного полотна в холодное время года ухудшают заряд АКБ, прежде всего, за счёт снижения отдачи генератора на малых частотах вращения коленчатого вала ДВС, повышенной мощности электрооборудования, задействованного в начальные периоды движения, а также неустановившегося теплового режима в месте установки АКБ, из-за чего она медленно нагревается и теряет потенциальную возможность к быстрому восполнению заряда в связи с уменьшением силы зарядного тока.

Иными словами, 100 км. могут быть пройдены на автомобиле за час езды по автомагистрали либо за 3 дня эксплуатации автомобиля в городе со средней скоростью 25-35 км/ч. Очевидно, что эффективность восстановления ёмкости АКБ во втором случае будет снижена, из-за чего времени для заряда потребуется больше. В этой связи, параметры движения (скорость движения, частота вращения коленчатого вала ДВС, температура АКБ, ток потребителей и пр.) и информация о том, как эксплуатируется автомобиль (интенсивность эксплуатации, суточный пробег, режим использования, длительность стоянки и пр.), представляют большую ценность для прогнозирования уровня заряженности АКБ по сравнению с данными о количестве пройденных километров (пробеге).

Такой подход реализован в методиках расчёта баланса электроэнергии [3,4], в которых исходным материалом, помимо количества, мощности и коэффициентов использования электропотребителей, является характеристика эксплуатационного режима – распределение относительного времени работы ДВС в рабочих диапазонах частот вращения при типичном использовании автомобиля [13, с. 7]. Вместе с тем, влияние интенсивности эксплуатации автомобилей на процессы формирования уровня заряженности АКБ в указанных методиках учитывается не в полной мере.

Интенсивность эксплуатации характеризуется скоростью приращения наработки во времени, то есть пробегом автомобиля в единицу времени (год, месяц) [28, с. 23].

Захаров Н.С. в работе [29], отмечает, что интенсивность эксплуатации зависит от многих факторов, среди которых наиболее значимы эксплуатационная скорость и время работы на линии. Эксплуатационная скорость зависит от скоростных качеств подвижного состава и условий эксплуатации, а время работы ДВС определяется режимом его работы.

К изменению интенсивности эксплуатации автомобилей приводят сезонные колебания в потребности автомобильной техники, а также изменение дорожных и климатических условий. По данным Романова А.Г.

интенсивность движения автомобилей в городах меньше в зимние месяцы (рисунок 1.28).

%

–  –  –

Статистические данные об изменении скорости движения транспортных средств в Москве [25] свидетельствуют о систематическом снижении средней скорости движения автомобилей как в будние, так и в выходные дни, что связано с воздействием факторов социологического, урбанистического и демографического характера (рисунок 1.30).

–  –  –

В отчёте [25] указывается, что «…основным фактором, повлекшим снижение темпов движения в городах, по-прежнему остается увеличение количества транспортных средств, при неизменной модели организации движения и протяженности улично-дорожной сети». Также отмечается, что суточное распределение скоростей движения устойчиво подчиняется единой закономерности, отклонения от которой незначительны. Так, в дневные часы средняя скорость падает в 2-2,5 раза, из-за чего ДВС большую часть времени работает на малых частотах вращения коленчатого вала либо на холостом ходу ДВС. Началу утреннего часа пик, когда скорость движения достигает минимальных значений, соответствует 7:00, а окончанию – 10:00. Вечерний час пик условно разделяется на период резкого роста загрузки уличнодорожной сети, продолжающегося с 17:00 до 19:00, и на период разгрузки с 19:00 до 0:00 (рисунок 1.31).

–  –  –

Напольский Г.М. отмечает, что на интенсивность эксплуатации автомобилей в течение года оказывают влияние климатические факторы [46].

Кузнецов Е.С. указывает, что средняя длина поездки индивидуальных легковых автомобилей обычно составляет в городских условиях 9-15 км [38, с. 427].

Звягин А.А. и соавторы в работе [32, с. 34] подчеркивают, что автомобили индивидуального пользования эксплуатируются менее интенсивно по сравнению с автомобилями общего пользования и приводят изменение интенсивности эксплуатации автомобилей ВАЗ по месяцам (рисунок 1.32).

Интенсивность эксплуатации, % среднегодового пробега

–  –  –

Сравнивая условия эксплуатации и обслуживания автомобилей общего и индивидуального пользования, Фастовцев Г.Ф. отмечает уменьшение интенсивности эксплуатации автомобилей индивидуального пользования в зимнее время [70, с. 7].

Квайт С.М и соавторы в исследовании [35, с. 22] обращают внимание на то, что при движении автомобиля по шоссе частота пусков в 2-2,5 раза меньше, чем при городской езде (суточный пробег до 150 км). При эксплуатации автомобилей в городах с населением более 100 тыс. человек в среднем осуществляется 27 пусков на 100 км, что свидетельствует о частых, но коротких и непродолжительных поездках автомобилей в городе (рисунок 1.33).

–  –  –

Кроме того при оснащении автомобилей системой «старт-стоп» частота пусков ДВС при городской эксплуатации может возрастать многократно, что также способствует ухудшению условий заряда АКБ.

Маняшин С.А. в работе [43] выделяет особенности эксплуатации автомобилей в зимний период: прогрев ДВС перед началом движения после длительной остановки с неработающим двигателем, сужение проезжей части, гололед и образование колеи на проезжей части, отсутствие видимой разметки, пар от выпускной системы автомобилей при низких температурах, ограничение видимости в снегопад, сокращение продолжительности светового дня, ограничение видимости вследствие запотевания стекол. Эти факторы требуют повышенной осторожности, соблюдения большей дистанции между автомобилями и пониженных скоростей движения.

Экспериментальные данные, полученные автором, свидетельствуют о том, что среднее время остановок в ездовом цикле «Зима Будни» выше, чем «Лето будни» на 30%, а время торможений на – 11% [43, с. 12],.

Жиганшин А.А. в работе [27, с. 15] отмечает то, что режим эксплуатации оказывает существенное влияние на распределение температуры и среднегодовую температуру АКБ. При одночасовой эксплуатации, характерной для автомобилей, находящихся в личном пользовании, среднегодовая температура АКБ составляет 11,56оС, а для восьмичасовой эксплуатации – свойственной автомобилям, эксплуатируемым частными и 22,39оС.

государственными предприятиями – Пониженные значения среднегодовой температуры АКБ при подкапотной установке на автомобилях личного пользования, свидетельствуют о большем количестве холодных пусков ДВС и меньшей силе тока заряда АКБ в процессе их эксплуатации по сравнению с автомобилями, эксплуатируемыми более интенсивно, что влечёт за собой снижение уровня заряженности АКБ и ухудшение пусковых качеств ДВС.

Таким образом, в результате анализа факторов, влияющих на изменение интенсивности эксплуатации автомобилей в зимний период, установлено:

- интенсивность эксплуатации автомобилей подвержена влиянию климатических факторов – с понижением температуры средняя скорость движения уменьшается, увеличивается время работы ДВС на малых частотах вращения коленчатого вала и холостом ходу, возрастает мощность и увеличивается продолжительность работы задействованных во время движения электропотребителей;

- городские автомобили индивидуального и коммерческого пользования эксплуатируются менее интенсивно по сравнению с автомобилями общего пользования и специального назначения;

- эксплуатация автомобилей в городе связана с частыми, короткими и непродолжительными поездками на малых частотах вращения коленчатого вала ДВС, что способствует снижению отдачи генератора, увеличению тока потребителей в начальные периоды движения и, как следствие, увеличению времени восстановления исходной ёмкости АКБ.

–  –  –

Условия работы автомобилей весьма разнообразны, а их работа не всегда связана с определенным маршрутом, режимом или циклом движения.

Электрическая нагрузка генератора и рабочая частота вращения его ротора в эксплуатации также изменяются в широких пределах и колеблются случайным образом [14, с. 119].

Для прогнозирования уровня заряженности АКБ во время эксплуатации автомобиля используют методики расчёта баланса электроэнергии, основанные на распределении времени работы генератора в рабочих диапазонах частот вращения коленчатого вала ДВС и электропотреблении включенных приборов во время движения автомобиля в заданном режиме по предполагаемому маршруту. Распределение нагрузки между генератором и АКБ зависит от ряда случайных факторов, основными из которых являются интенсивность эксплуатации, скоростной режим, токоскоростная характеристика и напряжение генератора, мощность электропотребителей, температура окружающего воздуха, конструкция и ТС АКБ. В этой связи при разработке и совершенствовании методик расчёта баланса электроэнергии используются различные подходы, определяющие оперативность, точность и степень достоверности результатов прогнозирования уровня заряженности АКБ в зависимости от указанных факторов для тех или иных условий и интенсивности эксплуатации.

Так, рекомендации фирмы Bosch [2, с. 47] по подбору генератора на основании значений суммарного тока потребителей позволяют предварительно оценить баланс электроэнергии на автомобиле. При суммировании учитывается относительное время работы потребителей во время движения, для чего номинальный ток потребления умножается на коэффициент времени работы Kt. Если потребитель работает все время движения, например, как габаритные огни ночью, то Kt = 1, а если только часть времени, как, например, обогрев стекла, то Kt = 0,3. Для потребителей, включаемых кратковременно, фирма Bosch рекомендует табличные значения величины Kt (таблица 1.2).

–  –  –

Однако, данной информации недостаточно для того, чтобы рассчитать уровень заряженности с учётом изменения мощности потребителей и генератора при различных условиях и интенсивности эксплуатации.

Методы расчёта зарядного баланса в системе электроснабжения автомобиля подробно рассмотрены Галкиным Ю.М [12, 13, 14]. В работе [12] для описания рабочего режима системы электроснабжения предложено использовать номограмму (рисунок 1.34).

–  –  –

С учётом частоты вращения коленчатого вала ДВС в заданном режиме определяется точка, лежащая на пересечении вертикали, соответствующей заданному току относительной нагрузки iн, и луча, соответствующего величине относительной продолжительности разряда ПР. Положение рабочей точки определяет установившийся зарядный ток, необходимый для уравновешивания зарядного баланса при заданных величинах iн и ПР.

В работе [14, с. 122] Галкин Ю.М отмечает, что «… несмотря на кажущееся разнообразие условий движения автомобиля и изменения режима работы ДВС, особенно при езде в городе, распределение времени работы ДВС, а, следовательно, и генератора с разными числами оборотов подчиняется устойчивой статистической закономерности, выраженной типовыми интегральными кривыми распределения» (рисунок 1.35).

–  –  –

Данный подход при расчётах зарядного баланса генераторов переменного тока, реализован в работе [13], а также положен в основу методики Акимова А.В. [3], где по типовым кривым скоростного режима определяется часовая отдача генератора (рисунок 1.36). В указанной работе соответствие полученного расчётом значения баланса электроэнергии предъявляемым требованиям оценивается суточным балансом и часовым разрядом или зарядом АКБ, что позволяет максимально достоверно определить потенциальные возможности генератора в заданных режимах эксплуатации автомобиля. Вместе с тем, расчёты баланса производятся при допущении, что генератор отдает свою полную мощность, а состояние АКБ (её уровень заряженности и температура) и величина регулируемого напряжения таковы, что АКБ полностью принимает зарядный ток, что, в свою очередь, не всегда сочетается с реальными условиями эксплуатации.

–  –  –

Стоит выделить работу [4, с. 45], где автор при расчёте изменения уровня заряженности АКБ в неустановившемся режиме движения автомобиля в условиях жаркого климата использует кривые распределения времени работы ДВС при различных скоростях на каждом участке с различными режимами движения наряду с характеристиками АКБ и генератора. Последовательное чередование кривых 1 и 2 (рисунок 1.37), значения которых соответствуют заряду и разряду АКБ, определяет вид кривой 3, которая отображает изменение уровня заряженности для переменного режима движения и асимптотически стремится к среднему установившемуся уровню заряженности в данном режиме – кривой 4.

–  –  –

Однако методика в большей мере предназначена для АКБ автомобилей, эксплуатируемых в условиях жаркого климата, что препятствует её полноценному использованию при расчётах уровня заряженности АКБ в условиях холодного климата из-за ограниченного диапазона изменения температур АКБ в зависимости от температуры окружающего воздуха и скорости ветра, а также недостаточного учёта условий и интенсивности эксплуатации автомобилей.

Применение систем контроля заряда АКБ (Battery Management System – «BMS») на автомобилях позволяет производить точную оценку состояния АКБ и корректировать стратегию обеспечения зарядного баланса в системе электроснабжения, как в режиме реального времени, на основании текущих значений напряжения, силы разрядного тока и температуры АКБ, так и в долгосрочной перспективе, в соответствии с регистрируемыми непосредственно на автомобиле значениями косвенных показателей ТС, отражающих динамику старения АКБ, компонентов СЭП, генератора, соединительных элементов, эксплуатационных материалов и пр. Такие системы тесно взаимодействуют со всеми ЭБУ автомобиля и для обеспечения заряда АКБ, помимо активного управления током возбуждения генератора, в определённых вариантах исполнения способны ограничивать силу тока потребителей вплоть до полного их отключения в том случае, если они не оказывают серьёзного влияния на безопасность движения (например, подогрев руля, сидений, подсветка салона, мультимедиа и пр.). Более того, их функции могут быть расширены до возможности управления частотой вращения коленчатого вала ДВС для увеличения отдачи генератора, посредством повышения оборотов холостого хода во время остановок и корректировки режимов переключения автоматической коробки передач при движении, путём смещения диапазона оборотов переключения на высшую передачу в область повышенных частот. Ярким примером подобных решений в автомобильной индустрии может служить интеллектуальный датчик АКБ (Intellectual Battery Sensor) «IBS», совместно разработанный компаниями Hella, Autokabel и BMW (рисунок 1.38).

–  –  –

«IBS» представляет собой мехатронный элемент для контроля ТС АКБ и работает с участием механических компонентов, электронного модуля и управляющей программы [116]. Использование «IBS» на автомобилях позволяет максимально точно оценивать уровень заряженности АКБ и осуществлять мониторинг динамики его изменения, и на основании этого предпринимать соответствующие меры по управлению её зарядом, поэтому многие автопроизводители «штатно» устанавливают её на свои автомобили, преимущественно премиум сегмента, с большим количеством ЭБУ.

Несмотря на то, что применение подобных мехатронных устройств способствует эффективной организации зарядного баланса АКБ и повышению надёжности работы электрооборудования и СЭП, по экономическим соображениям они пока не получили массового распространения на популярных и доступных автомобилях. Кроме этого, как и у любого измерительного элемента, у «IBS» есть погрешность измерений, а применение современных технологических элементов в её конструктивном исполнении не позволяет сделать заряд АКБ абсолютно независимым от отрицательного воздействия внешних факторов, в том числе от замедления скорости протекания электрохимических реакций в порах активной массы электродов АКБ при отрицательных температурах и недостаточной мощности генератора на малых частотах вращения коленчатого вала ДВС.

Учитывая значительные колебания температуры воздуха и скорости ветра в зимний период, а также непродолжительные короткие поездки автомобилей в городе, уведомление о низком уровне заряженности при использовании «IBS» может появиться слишком поздно, или, наоборот, преждевременно, поэтому эффективность таких решений также будет зависеть от методов расчёта и прогнозирования уровня заряженности АКБ.

Таким образом, расчёт и прогнозирование уровня заряженности АКБ необходимо осуществлять в соответствии с условиями и интенсивностью эксплуатации, конструктивными особенностями автомобиля, предполагаемыми стратегиями по обеспечению работоспособности АКБ и допустимыми значениями погрешности расчёта. При этом возможны различные подходы, в том числе основанные на использовании эмпирических данных, полученных при постоянном непосредственном измерении численных значений показателей ТС АКБ, и на основе данных, рассчитанных аналитическим путём. Вместе с тем, существующие методы расчёта и прогнозирования уровня заряженности АКБ не в полной мере соответствуют указанным требованиям. В исследованиях [94, 98, 109, 114, авторы отмечают необходимость совершенствования методов 123] определения уровня заряженности АКБ, а в работе [95] указывается, что для обеспечения достаточной достоверности и точности прогнозирования производительности АКБ как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе с момента начала её эксплуатации наиболее предпочтительно совместное использование нескольких методов.

1.7 Анализ методов поддержания работоспособности АКБ при эксплуатации автомобилей в зимний период Полный заряд АКБ в зависимости от конструкции, исходного уровня заряженности, температуры электролита, а также способа заряда и конструкции зарядного устройства может занимать достаточно продолжительное время (до 8-10 часов [7, 74, 92]), в течение которого автомобиль не эксплуатируется по своему назначению.

Поэтому организация проведения профилактических мероприятий по заряду АКБ должна быть согласована как с режимом эксплуатации автомобиля, так и с принятым порядком обеспечения его работоспособности, как правило, основанным на планово-предупредительной системе технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р).

Опыт эксплуатации автомобильного транспорта в России и других странах свидетельствует о большой распространенности трехступенчатой системы ТО: ежедневное обслуживание (ЕО), ТО1 и ТО2, с которыми может совмещаться сезонное обслуживание (СО) [16, 38, 76].

Вопросы ТО и Р автомобилей подробно рассмотрены в работах [16, 38], где стратегии по обеспечению работоспособности автомобиля распределены следующим образом: I – предупреждение отказов и неисправностей при ТО, II – устранение отказов и неисправностей при фактическом возникновении, а также различные варианты сочетания этих стратегий. После выбора стратегии, согласно [38], по каждой профилактической операции должна быть определена тактика выполнения ТО: по наработке (I -1) или по ТС (I В первом варианте исполнительная часть (воздействие по ТО) осуществляется для каждой операции вне зависимости от степени использования её ресурса, а при втором исполнительная часть операции выполняется по потребности в зависимости от результатов контроля или диагностических работ. [38, с. 76]. Далее, в соответствии с выбранной тактикой обслуживания, определяется оптимальная периодичность технических операций, после чего они группируются по видам обслуживания (ЕО, ТО1, ТО2 и СО) [38, с. 76].

Критериями эффективности профилактики могут служить вероятность безотказной работы, коэффициент технической готовности, эффективность использования, коэффициент эффективности профилактики, затраты на обслуживание, интенсивность отказов, параметр потока отказов и т.д. [16, 37, 38, 76].

Таким образом, владельцы автомобилей по своему усмотрению или опыту могут выбрать любую стратегию обеспечения работоспособности [38,

c. 429], а именно:

- следование рекомендациям завода-изготовителя в течение всего или части срока эксплуатации автомобиля с их реализацией на специально уполномоченных сервисных предприятиях;

- выполнение конкретных видов ТО, ремонта или отдельных работ на любых сервисных предприятиях;

- выполнение части работ вне существующих сервисных предприятий:

своими силами или с привлечением независимых специалистов – исполнителей;

- обращение к сервисным предприятиям только для устранения отказов и неисправностей (стратегия II). [38, c. 429].

Кузнецов Е.С. и соавторы отмечают, что «… предупреждение отказов (профилактическая стратегия I), как правило, более выгодно, чем ожидание отказа и последующий ремонт (стратегия II)» [38, c.126], что, прежде всего, связано со значительными потенциальными затратами, возникающими в случае внезапного отказа. Другими словами, утрата работоспособности транспортного средства и отсутствие возможности выполнения им полезной работы по прямому назначению оборачиваются значительными временными, трудовыми и материальными затратами, что особенно критично для автомобилей, эксплуатируемых при пониженных температурах либо в условиях Крайнего Севера, где надёжность техники приобретает критическую значимость. В этой связи, осуществление профилактических операций по заряду АКБ в плановом порядке наиболее предпочтительно, так как в случае её отказа для восстановления работоспособности автомобиля помимо затрат на доставку автомобиля до места осуществления технических воздействий (дилер, сервисное предприятие, универсальная СТО, гаражная мастерская и пр.), которые могут возникнуть в случае отсутствия возможности и средств для осуществления мероприятий по восстановлению работоспособности «своими силами», также может потребоваться замена как самой АКБ, так и компонентов систем зажигания, освещения и другой электроники, чувствительной к перепадам напряжения в бортовой сети автомобиля. Очевидно, что при таких условиях затраты на плановый заряд АКБ по сравнению с возможными расходами при её внезапном отказе будут значительно меньше, что выгодно отличает I стратегию от II.

Это свидетельствует о том, что заряд АКБ рационально осуществлять в рамках I стратегии и тактики I-2 при ТО, как профилактическую операцию, состоящую из контрольной (диагностической) составляющей, в ходе которой устанавливается текущий уровень заряженности АКБ и необходимость её заряда, и исполнительной части, при проведении которой осуществляется заряд, после предварительного нагрева и корректирования плотности АКБ (по необходимости).

В работе [38, c. 430] указывается, что «… на технологические процессы ТО и TP индивидуальных и коммерческих автомобилей с учётом специфики их использования распространяются все основные положения и закономерности изменения ТС автомобилей, методы, процедуры и технологии поддержания и восстановления работоспособности».

Вместе с тем, учитывая то, что «…планирование технических воздействий обычно связывается не со временем (продолжительностью) эксплуатации, а с количеством пройденных километров – наработкой» [27, 28, 30], разряд АКБ в условиях пониженных температур может возникнуть прежде, чем наступит плановое ТО. Так, например, если периодичность ТО легковых автомобилей, как в [16, 38, 47], принять за каждые 10-20 т. км. или один раз в календарный год, при небольших среднегодовых пробегах, значения которых с учётом регулярной эксплуатации на автомобилях коммерческого и индивидуального пользования согласно [51, 65] зачастую укладываются в данный диапазон, заряд АКБ при ТО, проведенном в весенний, летний или осенний период не сможет компенсировать снижение уровня заряженности при зимней эксплуатации. По этой же причине, включение профилактических технических воздействий по заряду АКБ в перечень операций, осуществляемых при СО, по аналогии с корректированием плотности обслуживаемых АКБ, также не будет иметь должного эффекта, поскольку СО проводится только 2 раза в год, при смене сезона – весной и осенью. Из этого следует, что в зимний период контроль уровня заряженности АКБ наиболее предпочтительно осуществлять при выполнении работ по ЕО либо в межсменное время, когда автомобиль не задействован по своему прямому назначению и не выполняет транспортную работу. В этом случае, для определения оптимальной периодичности проведения профилактических операций по заряду АКБ, могут использоваться рекомендации заводов-изготовителей, дилеров, СТО, нормативы системы ТО и Р коммерческого транспорта, опыт владельцев транспорта и др.[38, c. 430].

Из документов, регламентирующих систему и нормативы ТО и Р, наиболее известны для автомобильного транспорта следующие:

- положение о ТО и Р подвижного состава автомобильного транспорта [47];

- отраслевые нормативы технологического проектирования автотранспортных предприятий [48];

- заводские инструкции по эксплуатации и сервисные книжки для автомобилей [10, 57].

Несмотря на то, что последнее положение о ТО и Р подвижного состава автомобильного транспорта датировано 1984 г. и в настоящее время не является официальным документом, регламентирующим периодичность ТО современных автомобилей, оно, так же как и ОНТП 01-91, по-прежнему используется на многих автотранспортных предприятиях ввиду отсутствия других альтернативных документов по ТО, так как наиболее полно и всесторонне отражает процессы обеспечения работоспособности выпущенных ранее автомобилей. Вместе с тем, согласно положения [47], операции по контролю и заряду АКБ не входят в ЕО и осуществляются только при ТО1, ТО2 и СО, в рамках которых, как указывалось выше, не всегда удаётся поддерживать АКБ в заряженном состоянии при небольших среднесуточных пробегах в зимний период. ЕО предусматривает «… общий контроль, направленный на обеспечение безопасности движения автомобиля...» [16, 38], в том числе, путём проведения контрольных операций по определению ТС определенных узлов и агрегатов, однако уточнений, связанных с изменением перечня технических воздействий в данной группе операций для обеспечения работоспособности АКБ при низких температурах в [47] не приводится.

Периодичность ТО современных легковых автомобилей, как правило, фиксированная и обычно связывается с пробегом (7-20 т. км.), либо со временем (один раз в календарный год). Тем не менее, производители в инструкциях по эксплуатации и сервисных книжках ссылаются на сложные условия работы АКБ при низких температурах и указывают на необходимость регулярной проверки её ТС и заряда в зимний период, особенно при малых среднесуточных пробегах.

Так, в сервисных бюллетенях автомобилей BMW и Мazda отмечается, что одной из причин разряда АКБ является неблагоприятный режим движения, связанный с поездками на короткие расстояния и длительными стоянками.

В руководстве для владельцев автомобилей Volvo указывается, что «… АКБ необходимо подзаряжать, если автомобиль используется для поездок на короткие расстояния» [60, с. 549].

В рекомендациях по ТО автомобилей Peugeot [10] сообщается о необходимости регулярной проверки АКБ с помощью тестера в сервисном центре, особенно в начале зимы, для своевременного принятия решений о возможной её замене во избежание последствий неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации автомобиля. При этом производитель обращает внимание на то, что «…при коротких поездках расходуется больше всего энергии», и что «… такие поездки не позволяют генератору зарядить аккумуляторную батарею на 100%», в связи с чем «… для восстановления энергии, затраченной при пуске двигателя, необходимый минимум пробега составляет 10 км.»

В инструкциях по эксплуатации автомобилей Hyundai [58, 59] указывается, что зимой нагрузка на систему электропитания возрастает, в связи с чем, требуется регулярная проверка уровня заряженности АКБ у авторизованного дилера или на СТО.

Кроме того, рекомендуется проверять ТС автомобиля чаще, если он эксплуатируется в «тяжёлых» условиях, к которым производитель относит:

- поездки в очень холодную погоду;

- регулярные поездки на короткие расстояния менее 16 км. при температуре ниже нуля;

- продолжительные периоды работы ДВС в режиме холостого хода или движение автомобиля на малой скорости;

- езду с частыми остановками.

В руководстве по эксплуатации автомобилей Audi отмечается, что «… движение на короткие расстояния, по городу и в холодное время года повышает нагрузку на АКБ. В данных условиях вырабатывается недостаточно энергии для нормальной эксплуатации автомобиля» [57, c.

283]. В этой связи указывается, что зимой нагрузка на АКБ особенно велика, кроме того, при низких температурах её пусковая мощность составляет лишь часть от реализуемой при нормальной температуре, поэтому рекомендуется перед началом зимнего сезона проверять и, в случае необходимости, подзаряжать АКБ [57, c. 324]. Кроме того, производитель подчеркивает актуальность данных рекомендаций, для моделей Q5 и Q7, оснащённых системой контроля заряда АКБ (аналогичной «BMS»): «… поддерживая оптимальный уровень заряженности, система управления зарядом АКБ отслеживает и регулирует работу электрооборудования для того, чтобы электроэнергии потреблялось не больше, чем вырабатывалось, однако её применение не позволяет выйти за пределы физически возможного, в связи с чем, нужно учитывать то, что пусковая мощность и срок службы АКБ ограничены»[57, c. 283]. При этом не уточняется, когда именно, как часто и на протяжении какого периода времени требуется осуществлять проверку ТС либо заряд АКБ.

Таким образом, контроль ТС АКБ и её заряд (в случае необходимости), как профилактические операции по обеспечению её работоспособности и, соответственно, автомобиля регламентированы в документах, нормирующих порядок и периодичность ТО автомобилей, однако, с одной стороны, выполнение указанных операций принято осуществлять только при проведении ТО1, ТО2 и СО, что не позволяет реализовать весь эксплуатационный потенциал и надёжность автомобилей при небольших пробегах в зимний период, а с другой, отсутствуют ясные обоснования для определения оптимальной периодичности осуществления операций по контролю ТС АКБ в зависимости от климатических и эксплуатационных факторов, что может привести к неоправданным экономическим затратам за счёт излишне частого их проведения. Из этого следует, что контроль ТС АКБ в зимний период для обеспечения надёжного пуска ДВС и исправной работы электрооборудования необходимо осуществлять при выполнении работ по ЕО либо в межсменное время с учётом затрат на обслуживание и установленной периодичностью, исключающей эксплуатацию АКБ с недостаточным уровнем заряженности. В этой связи методы учёта условий эксплуатации и корректирования нормативов в рамках действующей системы ТО и Р нуждаются в совершенствовании.

1.8 Выводы по разделу 1. Задачи исследований Анализ состояния вопроса показал, что уровень заряженности АКБ оказывает существенное влияние на показатели СЭП, пусковые качества ДВС и надёжность работы электрооборудования автомобиля. По мере его снижения внутреннее сопротивление АКБ возрастает, поэтому уменьшается напряжение на выводах АКБ при неизменном токе разряда и снижается эффективность работы системы зажигания во время пуска. Питание стартера при низком напряжении приводит к тому, что его ротор вращается медленнее, что затрудняет пуск ДВС. Более того при отрицательных температурах возрастает вероятность замерзания электролита разряженных АКБ во время стоянки автомобиля. В этом случае пуск ДВС невозможен, а АКБ, как правило, теряет ёмкость, либо вовсе выходит из строя.

Своевременный заряд АКБ в зимний период обеспечивает безопасность эксплуатации автомобилей в холодных климатических условиях, снижает затраты от простоя и зависит не только от характеристик АКБ и системы электроснабжения, но и от вариации условий и интенсивности эксплуатации.

Эксплуатация легковых автомобилей в городе в зимний период при малых среднесуточных пробегах не соответствует оптимальным зарядным условиям АКБ. Частые поездки на небольшие расстояния, низкая средняя скорость движения и продолжительное время работы ДВС на холостом ходу являются причинами снижения тока генератора в заданных пределах регулируемого напряжения. При отрицательных температурах увеличиваются сила и продолжительность разрядного тока АКБ, что связано с работой стартера и дополнительного оборудования – подогрева кресел, стекол, зеркал и пр., а зарядный ток, по причине замедления протекания химических реакций свинцово-кислотных АКБ, наоборот, уменьшается. В таких условиях системе электропитания недостаточно времени для восполнения исходной ёмкости АКБ.

Закономерности изменения факторов, влияющих на формирование уровня заряженности АКБ, рассмотрены в работах Ю.П. Чижкова, В.Е. Ютта, А.В. Акимова, М.А. Дасояна, Ю.А. Купеева, С.М. Квайта, А.И. Боровских, Ю.М. Галкина, Н.И. Курзукова, E. Meissner, R. M. Fabis и других отечественных и зарубежных авторов. Исследователями отмечается, что в зимний период уровень заряженности АКБ снижается, чему способствует замедление химических реакций в свинцово-кислотных АКБ при низких температурах при одновременном повышении силы разрядных токов потребителей. Эффективность работы существующих 14-вольтовых систем электроснабжения уменьшается из-за существующей тенденции к неуклонному росту мощности электропотребителей на фоне непродолжительных поездок и малых скоростей движения в крупных городах. В качестве мер по улучшению условий заряда АКБ помимо использования систем предпускового подогрева и утепления предложено корректировать периодичность их заряда, посезонно изменять плотность электролита обслуживаемых АКБ, устанавливать АКБ повышенной ёмкости совместно с устройствами по управлению зарядом АКБ, а в настройках систем электроснабжения использовать верхние пределы регулируемого напряжения.

Определение оптимальной периодичности заряда АКБ заключается в расчёте баланса электроэнергии с учётом конструкции и мощности установленного электрооборудования, характеристик ДВС, периодичности ТО автомобиля, а также условий и интенсивности эксплуатации, что позволяет определить наработку АКБ до достижения критического уровня заряженности, при котором пуск ДВС затруднён. Для описания эксплуатационного режима автомобиля в методиках по расчёту баланса, предложенных В.Е. Юттом, Ю.М. Галкиным, А.В. Акимовым, используются экспериментальные распределения относительного времени работы генератора в рабочих диапазонах частот вращения коленчатого вала ДВС.

Вместе с тем существующие методики расчёта уровня заряженности АКБ не позволяют установить закономерности формирования уровня заряженности АКБ с достаточной точностью, так как не в полной мере учитывают интенсивность и условия эксплуатации городских автомобилей в зимний период.

Восполнение заряда АКБ осуществляется от внешнего источника питания в рамках регламентных работ по ТО автомобиля. Однако, периодичность ТО легковых автомобилей обычно связывается с количеством пройденных километров – пробегом (10-20 т. км.), либо осуществляется один раз в календарный год. В этой связи заряд АКБ при ТО, осуществлённом в весенний, летний или осенний период не позволяет компенсировать снижение уровня заряженности при небольших пробегах автомобилей в городе в зимний период, поэтому АКБ может разрядиться прежде, чем наступит очередное плановое ТО. С другой стороны, излишне частый подзаряд АКБ экономически нецелесообразен.

Контроль состояния и заряд АКБ регламентированы в документах, нормирующих периодичность ТО, вместе с тем, выполнение указанных операций принято осуществлять только при проведении ТО1, ТО2 и СО, что не позволяет реализовать весь эксплуатационный потенциал автомобилей, более того, отсутствуют ясные обоснования для определения оптимальной периодичности осуществления операций по заряду АКБ в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов.

Моделирование зарядно-разрядных характеристик АКБ, условий и интенсивности эксплуатации автомобиля позволит определить наработку АКБ до достижения предельного уровня заряженности, при котором необходимо осуществить заряд для восстановления исходных численных значений показателей ТС АКБ. Описанный подход открывает новые возможности для дальнейшего развития средств мониторинга и прогнозирования изменения показателей ТС АКБ, а также для разработки методов обеспечения её работоспособности в холодных климатических условиях, что может послужить основой для совершенствования конструкции и повышения надёжности работы АКБ, систем электроснабжения и зарядных устройств. Использование полученных результатов продлит срок службы АКБ, обеспечит надёжный зимний пуск ДВС, а также улучшит технико-экономические показатели эффективности эксплуатации автомобилей.

Таким образом, объектом исследований является процесс формирования уровня заряженности автомобильных АКБ в зимний период.

Предмет исследований – закономерности формирования уровня заряженности свинцово-кислотных АКБ с учётом изменения температуры воздуха и интенсивности эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период.

Целью работы является повышение эффективности эксплуатации автомобилей путём корректирования периодичности заряда АКБ в зимний период.

Проведенный анализ позволил сформулировать следующие задачи исследований, решение которых позволяет достичь поставленной цели.

1) выявить факторы, влияющие на формирование уровня заряженности АКБ при эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период;

2) установить закономерности взаимодействия элементов системы формирования уровня заряженности АКБ;

3) разработать модель формирования уровня заряженности АКБ с учётом условий и интенсивности эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период;

4) разработать методику практического использования результатов исследований и оценить их эффективность.

Для решения этих задач проведены теоретические и экспериментальные исследования.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Теоретические и методические положения в диссертации разработаны с участием доктора технических наук, профессора Н.С. Захарова. В данном разделе личное участие соискателя заключается в разработке целевой функции, структуры системы формирования уровня заряженности АКБ и гипотез о виде математических моделей исследуемых процессов. Доля личного вклада автора составляет 85 %.

2.1 Общая методика исследований

В качестве основы общей методики исследований выбран системный подход. Системный подход – направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объектов как системы [29]. Для этого определяется объект исследований, обосновывается актуальность и определяется цель исследований.

Общая методика исследований представлена в виде схемы (рисунок 2.1).

На первом этапе исследований проводится анализ состояния вопроса, на основе которого уточняется формулировка цели исследований и определяются задачи для её достижения. Затем для решения этих задач выполняются теоретические и экспериментальные исследования.

В основе методологии теоретических исследований лежит логический метод. На основе ранее выполненных исследований производится предварительный отбор факторов, выдвигается гипотеза о перечне значимых факторов и после её проверки на основе эксперимента определяются границы изучаемой системы. Для реализации системного подхода выполняется структурирование и декомпозиция исследуемой системы с применением методов анализа и синтеза. Выявление общих закономерностей процессов формирования уровня заряженности автомобильных АКБ и декомпозиция изучаемой системы позволяют использовать дедуктивный метод для исследования частных зависимостей. Кроме того применяются методы теории надёжности и частные методы аналогии, сравнения и формализации.

На основе полученной информации формируется общая стуктура имитационной модели системы, и разрабатываются гипотезы о виде математических моделей взаимодействия её элементов.

Экспериментальные исследования проводятся с целью проверки выдвинутых гипотез, оценки адекватности и определения численных значений параметров математических моделей, с применением методов планирования эксперимента и имитационного моделирования.

Рисунок 2.1 - Схема общей методики исследований

Заключительный этап исследований состоит в разработке программной реализации имитационной модели системы, после чего разрабатывается методика практического использования полученных результатов и производится оценка их экономической эффективности на основе техникоэкономического метода.

Для решения первой задачи – выявления факторов, влияющих на формирование уровня заряженности АКБ при эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период, проводится анализ литературных источников, опыта эксплуатации автомобилей и существующих методик расчёта уровня заряженности АКБ. На основе полученной информации формируется полный перечень факторов и после предварительного отбора выдвигается гипотеза о перечне значимых факторов, которая проверяется на основе эксперимента.

Для решения второй задачи – установления закономерностей взаимодействия элементов системы формирования уровня заряженности АКБ определяется целевая функция изучаемой системы, структура и связи между её элементами, анализируется содержательная и физическая сущность изучаемых закономерностей, а также исследуется асимптотика функций для их описания. Если нахождение закономерностей затруднено в связи с недостаточной изученностью данного вопроса, либо установленные на основе ранее выполненных исследований закономерности не в полной мере описывают характер взаимодействия элементов системы, то разрабатываются гипотезы о виде моделей влияния факторов на исследуемые процессы.

Проверка адекватности моделей осуществляется на основе эксперимента.

Третья задача – разработать модель формирования уровня заряженности АКБ с учётом условий и интенсивности эксплуатации легковых автомобилей в городе в зимний период – решается путём разработки имитационной модели рассматриваемого процесса на основе структуры изучаемой системы.

Моделирование предусматривает разработку алгоритма и программной реализации модели в целом, а также проверку её адекватности.

Имитационная модель служит для:

- моделирования показателей ТС АКБ в процессе эксплуатации;

- моделирования режимов движения автомобиля по ездовому циклу либо городскому маршруту;

- моделирования режимов использования электрооборудования автомобиля;

- расчёта затрат на заряд АКБ и затрат от простоя автомобилей в случае неудавшегося пуска ДВС;

- выбора оптимальной периодичности заряда АКБ в зависимости от условий и интенсивности эксплуатации на основе рассчитанных затрат;

- подбора оптимальной ёмкости АКБ в соответствии с предполагаемыми условиями и интенсивностью эксплуатации.

Проверка адекватности моделей взаимодействия элементов системы и имитационной модели осуществляется на основе эксперимента.

Экспериментальные исследования проходят в три этапа. На первом этапе проводится пассивный эксперимент в ходе которого собираются и обрабатываются статистические данные о количестве технических воздействий по обслуживанию АКБ и о фактических наработках до ТО на исследуемых автомобилях. На втором этапе осуществляются активные эксперименты на автомобиле, по результатам которых определяются численные значения параметров математических моделей. На третьем этапе проводятся активные эксперименты на имитационной модели.

Решение третьей и четвёртой задач предусматривает сбор и обработку некоторых статистических данных, а также оценку технических характеристик и режимов работы установленного на автомобиле электрооборудования во время движения по заранее выбранным либо предполагаемым типичным городским маршрутам.

Для решения четвёртой задачи – разработать методику практического использования результатов исследований и оценить их эффективность – необходимо разработать имитационную модель. С помощью разработанной имитационной модели определяется уровень заряженности и наработка АКБ на отказ при различных численных значениях показателей влияющих факторов. На основе полученных данных разрабатывается методика корректирования периодичности заряда АКБ.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований возможно достичь снижением суммарных удельных затрат, состоящих из затрат на заряд АКБ, затрат на покупку новых АКБ и затрат, возникающих в случае неудавшегося пуска ДВС в холодных климатических условиях, за счёт более точного определения периодичности осуществления операций по заряду АКБ.

2.2 Целевая функция

Процесс оптимизации функционирования любой системы предусматривает определение целевой функции. Целевая функция характеризует степень функционирования системы и, как правило, имеет экстремум. Определение значений параметров системы, при которых целевая функция принимает максимальное или минимальное значение является целью оптимизации [29, 37, 76].

Как правило, сфера использования автомобилей весьма обширна.

Предназначение автомобилей может варьироваться в зависимости от нужд эксплуатирующих их собственников, которыми могут являться частные предприятия, организации, акционерные общества и частные владельцы. При этом количество автомобилей, находящихся в собственности, может существенно различаться и оцениваться как многими десятками, так и единицами. Тем не менее, независимо от этого, у собственников, эксплуатирующих автомобильную технику, для поддержания её работоспособности возникает необходимость периодически принимать решения о моментах проведения и содержании перечня технических воздействий в зависимости от принятой системы ТО и используемых методов обеспечения работоспособности, а также условий и интенсивности эксплуатации.

Показатели ТС АКБ определяют своевременность и объём технических воздействий, необходимых для поддержания работоспособности автомобиля и оказывают влияние на затраты, связанные с ТО, и на затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС, которые необходимо минимизировать.

Периодичность заряда АКБ оказывает влияние на ряд затрат:

- затраты на профилактические операции по контролю ТС и, в случае необходимости, заряду АКБ;

- затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС;

- затраты на покупку новых АКБ.

В соответствии со стратегией по обеспечению работоспособности автомобилей цель ТО заключается в предупреждении I [16, 38] возникновения неисправностей и отказов в процессе эксплуатации путём восстановления исходного или близкого к нему состояния до того, как будет достигнуто предельное состояние. Исходя из этого, увеличение периодичности контроля ТС АКБ сокращает удельные затраты на осуществление технических воздействий по поддержанию её работоспособности с одной стороны, а с другой, из-за повышения вероятности отказа АКБ по мере её разряда и ухудшения показателей СЭП, увеличивает удельные затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС.

Минимум суммарных удельных затрат будет соответствовать оптимальной периодичности заряда АКБ, при которой уровень заряженности будет достаточным для обеспечения надёжного пуска ДВС с учётом условий и интенсивности эксплуатации:

ЗСУМ З П ЗЗ З АКБ min, где ЗП – затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС в холодных климатических условиях;

ЗЗ – затраты на заряд АКБ;

ЗАКБ – затраты на покупку новых АКБ.

Таким образом, минимальное значение функции суммарных затрат определяет оптимальную периодичность осуществления операций по заряду АКБ (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Определение оптимальной периодичности осуществления операций по заряду АКБ по минимуму суммарных удельных затрат

2.3 Структура системы Трудности в разработке методики корректирования периодичности заряда АКБ обусловлены влиянием на исследуемые процессы большого числа факторов. Поэтому после определения целевой функции и анализа факторов, влияющих на характеристики АКБ при городской эксплуатации легковых автомобилей в зимний период необходимо установить границы изучаемой системы. Следующий этап – параметризация системы на основе иерархического принципа с соблюдением требований по целостности, взаимосвязи и множественности [29, 37]. По каждому элементу системы необходимо выяснить, как рассчитываются численные значения показателей воздействия факторов, какие используются единицы измерения. Следующим шагом в теоретических исследованиях рассматриваются закономерности взаимодействия элементов системы, их модели. Заключительным этапом является разработка модели системы в целом – имитационной модели.

Локализация системы сводится к установлению перечня факторов, наиболее существенно влияющих на процессы формирования уровня заряженности АКБ. Отбор факторов производился с учётом теоретических исследований формирования качества автомобилей в процессе эксплуатации [29, с. 9]. В качестве методологической основы при этом использовался системный подход и концепция формирования качества автомобилей [28, 29].

Сначала формируется полный перечень факторов. Затем осуществляется предварительный отбор, выявляются группы факторов, определяются характеризующие их показатели и производится оценка их влияния.

Окончательный отбор осуществляется на основе эксперимента.

Для предварительного отбора могут применяться различные методы:

метод экспертной оценки, дисперсионный анализ, имитационное моделирование, множественный регрессионный анализ, метод главных компонент и др. [37, с. 54]. Стохастический характер влияния условий и интенсивности эксплуатации автомобилей на процессы формирования уровня заряженности АКБ затрудняет формализацию априорной информации о структуре изучаемой системы, что влечёт за собой усложнение исследования приоритетности воздействующих факторов, в связи с чем, для определения их значимости был выбран метод экспертных оценок – априорного ранжирования, отличающийся универсальностью, оперативностью проведения и, при правильной организации, достаточной достоверностью, что позволяет использовать его при решении подобных задач.

На основе анализа литературных источников, опыта эксплуатации и ранее выполненных исследований в области ТЭА были отобраны 14 факторов, представленных более чем 50 показателями. Факторы были распределены по группам: эксплуатационные; конструктивные, организационно-технологические. Необходимо отметить, что некоторые факторы, относящиеся к одной или к разным группам, тесно связаны.

Например, дорожные условия существенно зависят от температуры воздуха и осадков, и оказывают влияние на среднюю скорость движения автомобилей совместно с пропускной способностью улиц и особенностями организации дорожного движения в городе. Таким же образом изменения интенсивности эксплуатации обусловлены режимом использования и характером транспортной работы автомобиля, а организация и периодичность ТО зависят от конструктивного исполнения, совершенства и надёжности автомобиля и его компонентов, заложенных заводом-изготовителем. Тем не менее, прежде чем устанавливать корреляционную связь между этими факторами, необходимо рассмотреть механизм воздействия каждого из них на исследуемые процессы в отдельности, что позволит корректно осуществить их отбор, а также послужит основой для формулировки и обоснования допущений и ограничений при разработке математических моделей их влияния.

Экспертный опрос проводился в два этапа. На первом этапе были определены 2 группы наиболее значимых факторов. На втором этапе было проведено ранжирование факторов и их показателей. Фрагмент формы анкеты представлен в виде таблицы 2.1. Итоговый перечень факторов, влияющих на формирование уровня заряженности АКБ, приведен ниже.

Эксплуатационные факторы:

- интенсивность эксплуатации;

- природно-климатические и сезонные условия;

- дорожные условия;

- транспортные условия.

Конструктивные факторы:

- характеристики установленного на автомобиле электрооборудования;

- характеристики стартера;

- характеристики генератора;

- место установки АКБ;

- ток покоя.

–  –  –

Экспертный опрос показал, что для определения оптимальной периодичности заряда АКБ необходимо учитывать взаимосвязь эксплуатационных и конструктивных факторов, в связи с чем требуется рассматривать эти подсистемы как единое целое.

Основными характеристиками и показателями ТС АКБ при структурировании и параметризации системы были выбраны: уровень заряженности; напряжение; ёмкость; температура; ток заряда; ток разряда.

Элементы системы представлены в укрупненном виде по группам факторов. Система разбита на пять уровней.

Уровень 1 представляет собой перечень эксплуатационных факторов, влияющих на характеристики эксплуатации автомобиля: интенсивность эксплуатация автомобилей (среднесуточный пробег, средняя скорость движения, режим эксплуатации, периодичность ТО и пр.); транспортные условия (параметры перевозимого груза и характеристики маршрута, скорость движения транспортного потока на различных участках маршрута, особенности транспортного потока, пропускная способность улиц и пр.);

дорожные условия (категория условий эксплуатации, класс и техническая категория автомобильной дороги, поперечный профиль дороги; план дороги, тип и состояние дорожного покрытия, рельеф местности и пр.);

климатические условия (температура и влажность окружающего воздуха, количество осадков, скорость ветра, солнечная радиация и пр.).

Уровень 2 включает конструктивные факторы. К ним относятся:

мощность и токоскоростная характеристика генератора; мощность и режимы работы электропотребителей; ток покоя; параметры СЭП; температура в месте установки АКБ.

Уровень 3 представлен характеристиками АКБ, на которые оказывают влияние эксплуатационные и конструктивные факторы: ток заряда и разряда;

напряжение; ёмкость; температура; уровень заряженности.

Уровень 4 включает в себя следующие затраты: затраты на заряд АКБ, затраты, возникающие в случае неудавшегося пуска ДВС в холодных климатических условиях и затраты на покупку новых АКБ.

Уровень 5 позволяет определить оптимальную периодичность заряда АКБ с учётом минимума суммарных удельных затрат.

Для определения оптимальной периодичности заряда АКБ при эксплуатации автомобилей в городе в зимний период разработана схема системы формирования уровня заряженности АКБ (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Укрупнённая схема системы формирования уровня заряженности АКБ:1 – уровень эксплуатационных факторов; 2 – уровень конструктивных факторов; 3 – уровень характеристик АКБ; 4 –уровень затрат; 5 – уровень оптимизации Входы системы представляют собой факторы, влияющие на интенсивность протекания процессов, связанных её элементами, а выходом является оптимальная периодичность заряда АКБ.

При этом границы системы и число входов можно варьировать в зависимости от решаемых задач.

Анализ результатов декомпозиции позволил идентифицировать признаки системы следующим образом:

- по связям с окружением – открытая система;

- по изменению состояния – динамическая, поскольку её состояние зависит от времени;

- по характеру функционирования – стохастическая, так как можно с определенной вероятностью предполагать возможные варианты её функционирования

- по характеру зависимости выходов – секвентивная, так как выход зависит от входа и других величин;

- по виду элементов – смешанная, с элементами типа «объект» и типа «процесс».

Для дальнейшего изучения данной системы необходимо определить закономерности взаимодействия её элементов.

2.3.1 Закономерности взаимодействия элементов изучаемой системы Методы обеспечения и поддержания работоспособности автомобилей и их компонентов в рамках планово-предупредительной системы ТО и Р основываются на закономерностях изменения ТС в процессе эксплуатации [16, 37, 38]. Закономерность представляет собой объективно существующую, повторяющуюся, существенную связь явлений [28, 31, 38].

Разработка имитационной модели формирования уровня заряженности АКБ требует знания закономерностей взаимодействия элементов изучаемой системы. Аналитическим путём и на основе ранее выполненных исследований определяются закономерности взаимодействия элементов системы и разрабатываются гипотезы о виде моделей влияния факторов на исследуемые процессы. В соответствии с разработанной структурой все элементы системы разделены на пять уровней. Поэтому далее закономерности взаимодействия элементов системы рассматриваются по уровням.

2.3.2 Закономерности влияния эксплуатационных факторов.

Уровень 1 Факторы 1 уровня распределены на четыре группы: климатические, дорожные и транспортные условия, а также интенсивность эксплуатации.

К показателям воздействия факторов климатических условий относят температуру и влажность окружающего воздуха, скорость и направление ветра, количество выпавших осадков, солнечную радиацию, атмосферное давление, агрессивность среды. Факторы дорожных условий характеризуются поперечным профилем и планом дороги, типом и состоянием дорожного покрытия, рельефом местности. При моделировании режимов работы автомобиля в зимний период значимость каждого из показателей определяется мерой воздействия на формирование уровня заряженности АКБ и пусковые качества ДВС. Так, скорость ветра оказывает влияние на прогрев и остывание ДВС, салона и других компонентов автомобиля, что отражается на температуре АКБ и потребляемой мощности электрооборудования, а выпадение осадков и ухудшение состояния дорожного полотна снижают скорость движения, что влечёт за собой уменьшение отдачи генератора. Важность каждого из указанных показателей при оценке влияния климатических и дорожных факторов на исследуемые процессы не вызывает сомнений. Тем не менее, ранее выполненные исследования [28, 43, 76] показывают, что показатели воздействия климатических и дорожных факторов взаимосвязаны и имеют значимую корреляцию с температурой окружающего воздуха, в связи с чем, комплексное воздействие этих факторов допустимо объединить и выразить через влияние температуры окружающего воздуха. Вместе с тем, принимая во внимание то, что проблемы зимнего пуска ДВС особенно актуальны для автомобилей, хранящихся на открытых площадках, вместе с воздействием температуры окружающего воздуха дополнительно может учитываться влияние ветра. Повышение скорости ветра до 10-12 м/с влечёт за собой увеличение темпа охлаждения агрегатов в 1,5-3 раза по сравнению с безветрием с.77], что при безгаражном хранении оказывает [53, существенное влияние на интенсивность охлаждения АКБ, ДВС и других компонентов автомобиля. В таких условиях АКБ достигает температуры окружающего воздуха быстрее, в результате чего снижается эффективность восполнения её заряда по причине уменьшения силы зарядного тока по мере её охлаждения, а из-за быстрого остывания салона увеличивается ток дополнительных потребителей, предназначенных для его обогрева. Вместе с тем, скорость и направление ветра не являются постоянными и могут существенно изменяться в течение времени, а пространство в месте установки АКБ может быть в той или иной мере приспособлено к воздействию внешней среды (кожухи АКБ, утеплители и пр.). В этой связи при рассмотрении процессов охлаждения автомобиля и его компонентов во время стоянки для оценки влияния ветра необходимо провести экспериментальные исследования.

Среднесуточные значения температуры окружающего воздуха и скорости ветра определяются на основании метеорологических данных по исследуемому региону (области, городу и т.д.), собранных за несколько лет.

Ввиду тесной взаимосвязи факторов транспортных условий и интенсивности эксплуатации для описания эксплуатации автомобилей в городских условиях целесообразнее рассматривать их комплексное влияние, так как условия движения транспортного потока и характеристики маршрута в значительной мере оказывают влияние на среднюю скорость движения и режим работы автомобиля, а, следовательно, и на показатели интенсивности эксплуатации.

К показателям воздействия факторов транспортных условий относят параметры перевозимого груза и характеристики маршрута, скорость движения транспортного потока на различных участках маршрута, особенности транспортного потока, пропускную способность улиц и пр.

Интенсивность эксплуатации – это скорость приращения наработки во времени, то есть пробег автомобиля в единицу времени (год, месяц, неделя, день) [26, 28, 31]. Показатели воздействия факторов интенсивности эксплуатации характеризуются среднесуточным пробегом, средней скоростью движения, режимом эксплуатации, периодичностью ТО и пр.

Закономерности изменения интенсивности эксплуатации автомобилей на основе концепции формирования качества автомобилей, предложенной Захаровым Н.С.[28, 29, 31], изучались в работах Довбни Б.Е. [26].

–  –  –

Применительно к городской эксплуатации автомобилей в зимний период компоненты этого уравнения требуется уточнить. Так, для характеристики трендовой компоненты необходимо знать среднюю интенсивность эксплуатации за относительно продолжительный период времени, отражающую долговременный характер использования автомобиля.

Для её определения требуется провести экспериментальные исследования и установить среднегодовой пробег исследуемого автомобиля, что позволит рассчитать средний пробег за рассматриваемый период зимней эксплуатации:

1n lС li, (2.2) n i 1 где li – средний пробег, км;

n – количество месяцев эксплуатации.

Из-за вариации интенсивности эксплуатации пробег автомобилей прирастает во времени неравномерно, что затрудняет определение характера изменения периодической компоненты интенсивности эксплуатации аналитическим путём. Для решения этой задачи может использоваться имитационная модель, применение которой позволит определить изменения интенсивности эксплуатации на протяжении относительно малых промежутков времени (неделя, день), и разработать варианты описания типичных режимов использования автомобиля.

Очевидно, что один и тот же пробег на автомобиле может быть пройден в различных условиях: по шоссе с высокой эксплуатационной скоростью, в городских с частыми остановками на перекрёстках, либо при переменном сочетании этих режимов и их вариаций. Поэтому для описания случайной компоненты интенсивности эксплуатации необходимо конкретизировать параметры движения и режим эксплуатации автомобиля, что позволит выявить наиболее характерные и типичные режимы работы электрооборудования, трансмиссии, ДВС и его компонентов в городских условиях.

Аналитическая связь эксплуатационного режима с характеристиками автомобиля и городского движения рассмотрена Галкиным Ю.М. в работе [12]. Показано, что при расчёте эксплуатационного режима необходимо учитывать параметры двигателя и трансмиссии, особенности транспортного потока, пропускную способность улиц, а также ряд других сведений социологического, демографического и урбанистического характеров. При этом Галкин Ю.М. отмечает, что «… эксплуатационный режим ДВС является реализацией комплекса взаимосвязей в системе «водитель – автомобиль – дорога», поэтому выразить его точно аналитически через параметры автомобиля и движения затруднительно, в связи с чем его определяют экспериментально при движении автомобиля по городским реальным или испытательным маршрутам» [13, с. 7]. Учитывая то, что интенсивность эксплуатации представляет собой скорость приращения наработки во времени [26], изменения её случайной компоненты могут быть выражены через ездовой цикл – стандартизированный шаблон езды для оценки топливной экономичности и экологических качеств автомобиля в различных типичных условиях, который задается скоростью и ускорениями для каждого этапа времени (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - График зависимости скорости движения автомобиля от времени для европейского ездового цикла NEDC [17] Разработке таких циклов предшествуют большая работа по сбору и анализу данных об изменениях средней скорости, значений ускорений и замедлений, числа и продолжительности остановок, времени, проведенном в пробках и других факторов, характерных для той или иной местности исследуемого региона в определенный период.

Среди циклов и их комбинаций наиболее известны: европейские, американские и японские. Примечательно, что порядок и условия проведения ездовых циклов даже в пределах одной страны могут существенно различаться [43]. В развитых странах происходит постоянное обновление и замена устаревших циклов, так как в связи с бурным ростом числа транспортных средств, условия движения в городах и вне их быстро изменяются с течением времени. Такой подход обеспечивает хорошую сходимость параметров движения по условиям ездовых циклов с реальными данными и свидетельствует о достоверном отображении влияния факторов транспортных условий и интенсивности эксплуатации автомобилей в городе.

Таким образом, ездовой цикл наиболее полно и обоснованно отражает особенности транспортного потока и интенсивности эксплуатации автомобилей в городских условиях, что позволяет использовать его в качестве основы при описании случайной компоненты интенсивности эксплуатации. Отличительной особенностью использования ездовых циклов является возможность определения средней скорости, длительности движения и протяжённости маршрута, что позволяет отобразить процесс эксплуатации автомобиля в городе в виде последовательного чередования ездовых циклов, формирующих пробег и продолжительность движения за сутки. Учитывая то, что ездовые циклы утверждены в методиках сертификации автомобилей на соответствие требованиям экологических стандартов и топливной экономичности и подчиняются тем же самым вероятностным факторам, что и предмет настоящего исследования, было принято решение использовать их в качестве основы при моделировании городской эксплуатации автомобиля в рамках данной работы.

Для определения численных значений показателей факторов транспортных условий и интенсивности эксплуатации необходимо провести экспериментальные исследования.

–  –  –

Принимая во внимания всё многообразие существующих на сегодняшний день автомобилей и установленного на них электрооборудования, необходимо конкретизировать показатели конструктивных факторов, влияющих на формирование уровня заряженности АКБ. В соответствии со структурой изучаемой системы, требуется определить характеристики генератора, электропотребителей и стартера, температуру в месте установки АКБ и ток «покоя» во время стоянки автомобиля.

Для описания работы генератора в процессе эксплуатации используют его токоскоростную характеристику (ТСХ) – зависимость тока I, отдаваемого генератором в сеть, от частоты вращения его ротора n при постоянной величине напряжения U на силовых выводах генератора [2, с. 14]. С достаточной точностью ТСХ генератора переменного тока может быть определена по известной номинальной величине силы тока IR и типовому графику, где величины силы тока генератора даны по отношению к ее номинальной величине (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Выходные характеристики автомобильных генераторов переменного тока.

1 – токоскоростная характеристика. 2 – КПД по точкам токоскоростной характеристики [2, с. 14]

–  –  –

где Igmax – максимальная сила тока генератора, А;

nо – начальная частота вращения ротора генератора, об/мин;

nL– частота вращения ротора генератора, соответствующая началу отдачи, об/мин.

Для определения часовой отдачи генератора, то есть максимального количества электричества, которое может отдать генератор при работе на своей ТСХ в заданном скоростном режиме в течение часа, необходимо провести эксперимент, по результатам которого рассчитывается относительное время работы генератора в том или ином диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала ДВС, после чего полученные данные суммируется по формуле [3]:

q I i Ti, (2.4) где qГ– часовая отдача генератора, А·ч;

IГi– сила тока генератора для данного диапазона оборотов, А;

Ti– относительное время работы генератора в данном диапазоне частот вращения коленчатого вала.

При описании характеристик генератора необходимо учитывать регулируемое напряжение. Напряжение генератора определяется частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, создаваемого током обмотки возбуждения [74, с.86]. Работа регуляторов напряжения генератора заключается в стабилизации напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счёт воздействия на ток возбуждения. Для обеспечения заряда АКБ в алгоритме работы, помимо коррекции напряжения при изменении тока потребителей, предусмотрена термокомпенсация – изменение напряжения в зависимости от температуры окружающей среды (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Температурная зависимость напряжения, поддерживаемого регулятором EE14V3 фирмы Bosch при частоте вращения 6000 об/мин и силе тока нагрузки 5А [2, с.

6] Следует отметить, что, несмотря на единый принцип работы, конструкции и схемы управления существующих регуляторов напряжения могут отличаться, а алгоритм расчёта пределов регулирования отнюдь не ограничивается определением соотношений силы тока в бортовой сети и температуры АКБ. Новые регуляторы функционируют при участии ЭБУ автомобиля, из-за чего напряжение дополнительно может корректироваться с учётом изменений зарядного баланса АКБ, режимов работы ДВС, АКПП и мощности задействованных электропотребителей. Для этого, в зависимости от настройки регулятора, ток возбуждения может изменяться как в сторону минимальных значений, например, на холостом ходу с целью снижения момента сопротивления вращению коленчатого вала ДВС через привод генератора, для экономии топлива и уменьшения вредных выбросов в содержании выхлопных газов, так и в сторону максимальных, в режиме «торможения двигателем» и при избытке крутящего момента ДВС для увеличения отдачи генератора [94, 112]. Поэтому при проведении экспериментов на автомобилях с такими регуляторами напряжения некорректно оценивать работу генератора исключительно по ТСХ.

Вместе с тем, если функционирование регулятора напряжения осуществляется без участия ЭБУ и не корректируется программно, после предварительного анализа конструктивных и схемных особенностей его исполнения, смоделировать работу регулятора можно на основе изменения соотношений зарядного тока генератора и тока задействованных потребителей в системе электроснабжения в процессе эксплуатации.

Описание зависимости напряжения генератора от нагрузки на АКБ иллюстрирует схема, изложенная в работе В.Е.

Ютта (рисунок 2.7):

Рисунок 2.7 - Анализ совместной работы генератора и АКБ по внешним характеристикам генератора и зарядно-разрядной характеристике АКБ [78] Допуская, что функционирование регулятора напряжения обеспечивает быструю стабилизацию напряжения в бортовой сети автомобиля, что позволяет сглаживать его пульсации и поддерживать его значения на требуемом уровне, для определения уровня заряженности АКБ данные схемы можно обобщить, выделив при этом три стадии:

1. Заряд АКБ и питание потребителей.

2. Равновесное состояние, когда сила вырабатываемого генератором тока покрывает только нагрузку от потребителей и не заряжает АКБ.

3. Разряд АКБ, за счёт которого компенсируется недостаток электроэнергии в системе электроснабжения, при малой отдаче генератора либо превышении токовой нагрузи потребителей.

Для случая, когда напряжение генератора выше напряжения АКБ, ток

–  –  –

При возрастании тока нагрузки на второй стадии напряжение генератора уменьшается до уровня ЭДС АКБ. Ток заряда при этом становится равным нулю, и ток генератора расходуется только на питание нагрузки: I g I н. В случае дальнейшего возрастания тока нагрузки, напряжение генератора падает ниже ЭДС АКБ, и на питание нагрузки будет расходоваться ток генератора и ток АКБ: I н I g I АКБ – что будет соответствовать разряду АКБ.

Таким образом, если учитывать соотношения силы тока генератора и потребителей в системе электроснабжения, то в соответствии с [27] зависимость напряжения заряда от температуры АКБ можно представить в виде однофакторной линейной модели.

При повышении температуры напряжение генератора снижается с целью исключения перезаряда АКБ, а для повышения зарядного тока при её понижении, наоборот, возрастает:

U U 0 a TАКБ, (2.6) где U 0 – напряжение генератора при 0оС, В;

a – параметр модели;

о TАКБ – температура АКБ, С.

Суточный расход ёмкости АКБ на пуски ДВС стартером Qст может быть определён как на основании фактических значений, для определения которых необходимо провести экспериментальные исследования, так и в зависимости от номинальной ёмкости АКБ QN в виде усредненных данных, согласно методики [3]:

- для автомобилей с карбюраторным двигателем 0,03QN;

- для автомобилей с дизельным двигателем 0,1QN.

Установившаяся температура АКБ не постоянна в процессе эксплуатации и зависит не только от электрохимических процессов внутри самой АКБ, но и от её месторасположения. Как правило, производители легковых автомобилей устанавливают АКБ под капотом в моторном отсеке, в салоне (под сиденьем водителя или пассажира) либо в багажном отсеке (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Варианты месторасположения АКБ на легковом автомобиле: 1

– в моторном отсеке; 2 – в салоне; 3 – в багажном отсеке Установка АКБ в моторном отсеке, в отличие от других способов компоновки, способствует благоприятному температурному режиму и более интенсивному её прогреву в зимний период за счёт теплопередачи от ДВС, радиатора системы охлаждения, выпускных коллекторов и других компонентов, рабочая температура которых превышает температуру окружающего воздуха.

Согласно [69, 77], интенсивность теплоотдачи ДВС определяют плотность компоновки подкапотного пространства, скорость воздушного потока, обдувающего автомобиль, степень утепления и теплофизические свойства его составных частей, поэтому температура воздуха в подкапотном пространстве моторного отсека будет определяться температурой ДВС с одной стороны, и температурой окружающего воздуха и скоростью ветра с другой. Для определения температуры и времени прогрева моторного отсека в месте установки АКБ необходимо знать характер изменения температуры

ДВС, который может быть описан экспоненциальными моделями [53, с. 8]:

–  –  –

где t ДВС – температура ДВС в данный момент времени, оС;

t НД, t КД – начальная и конечная температура ДВС для данного процесса, оС;

k – темп изменения температуры;

– длительность процесса охлаждения или нагрева, мин.

Температура подкапотного пространства не постоянна по объёму и имеет значительный разброс в зависимости от места и метода её измерения.

После остановки предварительно прогретого ДВС температура в моторном отсеке некоторое время остаётся относительно высокой, что обусловлено выделением тепла от ДВС и его компонентов, а также высокой теплоёмкостью эксплуатационных жидкостей, циркулирующих в системах смазки и охлаждения, суммарный объём которых на легковых автомобилях достигает 10 и более литров. Вместе с тем, средняя продолжительность стоянки автомобилей при эксплуатации в городе колеблется от 1 до 10 часов, а в подкапотном пространстве автомобилей без дополнительного утепления конструктивно предусмотрены технологические отверстия и воздуховоды для охлаждения компонентов ДВС и трансмиссии, наличие которых увеличивает интенсивность охлаждения моторного отсека, особенно при воздействии ветра. В этом случае, для описания процесса охлаждения требуется учитывать временную задержку – длительность перераспределения температур в различных точках АКБ до некоторого установившегося температурного поля, после чего наступает регулярный режим охлаждения, а в качестве конечной температуры при охлаждении АКБ, ДВС и его компонентов во время стоянки автомобиля допустимо принять температуру окружающего воздуха.

Настройки системы впрыска топлива и работа терморегулирующих клапанов в системе охлаждения ДВС уменьшают влияние климатических факторов на темп прогрева ДВС, что проиллюстрировано в работе [43, с. 13], однако темп охлаждения в значительной мере зависит от скорости ветра [53, 69]. В этой связи при описании процессов охлаждения ДВС помимо градиента температур требуется дополнительно учитывать влияние ветра.

2.3.4 Закономерности изменения показателей ТС АКБ. Уровень 3 На тепловое состояние АКБ влияет множество факторов, в том числе процессы переноса вещества в свободных и пористых средах, кинетика электрохимических реакций, теплопередача и механика конструкций и пр.

Для учёта физических эффектов в конструкции АКБ применяются различные подходы, как правило, основанные на электрохимических принципах и адаптированные к специфике свинцово-кислотных АКБ.

Закономерности, описывающие изменение во времени температурного поля тела и системы тел, были установлены в работах Г.М. Кондратьева [36].

Допуская возможность замены непрерывного процесса теплообмена скачкообразным во времени и в пространстве, процесс нагревания или охлаждения тела можно разделить на три стадии: стадия нерегулярного (неупорядоченного) режима, стадия регулярного режима и стадия стационарного режима.

Первая из них характерна для начала процесса, когда путём распространения температурных возмущений осуществляется постепенной перераспределение температур по объёму тела. При этом скорость изменения температуры в отдельных точках тела различна и зависит от его свойств и особенностей начального распределения температур [29, 36]. С течением времени влияние начальных особенностей температурного поля на его дальнейшее изменение сглаживается. Процесс из стадии неупорядоченной переходит в стадию регулярного режима, при котором зависимость изменения температурного поля во времени приобретает экспоненциальную форму. Далее, по прошествии длительного времени, наступает третья стадия, характерной особенностью которой является постоянство распределения температур во времени.

В процессе эксплуатации температура АКБ определяется температурой окружающего воздуха, местом установки на автомобиле, степенью нагревания при прохождении электрического тока, а также способом её утепления или обогрева [74, с. 55].

Основными параметрами теплового состояния свинцово-кислотных АКБ являются:

а) величина мощности тепловыделения и продолжительность работы АКБ;

б) теплоемкость АКБ;

в) теплоотдача АКБ.

Известно, что теплоемкость материалов, из которых состоит АКБ, зависит от температуры, а теплоемкость активных масс электродов и от уровня заряженности [34, с. 20]. Определение коэффициента теплоотдачи свинцово-кислотной АКБ также является сложной задачей, так как его величина зависит от формы, размеров и физических свойств моноблоков АКБ, конструкции электродов, условий конвективного теплообмена и ряда других факторов. Кроме того, переход вещества из одного фазового (агрегатного) состояния в другое сопровождается резким изменением физических свойств, в том числе теплопроводности, теплоёмкости, плотности и вязкости.

Учитывая связанные с этим трудности расчёта, для описания температурных характеристик нагрева АКБ предложено использовать подход, основанный на соотношениях, определяющих теплоту, выделяющуюся при прохождении тока внутри АКБ и теплоту от ДВС и его составных частей.

Изменение температуры при заряде либо разряде АКБ, вызванное протекающим через неё током, происходит до того момента, пока не наступит баланс между тепловыделением и отводом тепла в окружающую среду (рисунок 2.8):

–  –  –

где dT– температура АКБ в данный момент времени, оС;

Qgen– количество теплоты, выделенного внутри АКБ, Вт;

Qdiss – количество теплоты, поглощенной внешней средой, Вт;

dt– длительность функционирования АКБ, мин;

Cbatt– теплоёмкость АКБ, кДж/(кг·к).

Источниками тепла в процессе заряда свинцово-кислотной АКБ являются [33, 82]:

1) обратимое тепло токообразующей реакции:Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O;

2) обратимое тепло реакции разложения воды: H2O = H2 +1/2O2;

–  –  –

стартерными токами во время пуска ДВС, однако из-за большой теплоёмкости АКБ, малой теплопроводности материала её моноблоков и замедления скорости перемешивания электролита при отрицательных температурах, а также ввиду относительно малой длительности пуска ДВС на легковых автомобилях, как правило, не превышающей 10 с., оценить и проверить на практике степень нагрева АКБ при прохождении разрядного тока в процессе пуска ДВС при столь малых промежутках времени затруднительно. В соответствии с предметом исследования, предполагая, что в процессе эксплуатации после пуска ДВС следует поездка по установленному маршруту, изменение температуры АКБ при разряде во время пуска предложено учитывать путём корректирования параметров модели её прогрева в зависимости от температуры подкапотного пространства в месте её установки.

Теплообмен между АКБ, ДВС и его составными частями в подкапотном пространстве осуществляется тремя путями:

- теплопроводностью (через непосредственный контакт стенки моноблока АКБ и нагревателя либо охладителя);

- конвекцией (тепловой поток, возникающий из-за разности температур, как внутри моноблока АКБ, так и на её поверхности);

- излучением (от нагретых частей, расположенных в непосредственной близости от АКБ).

Для описания результирующего воздействия этих способов передачи тепла в зависимости от времени на стадии регулярного режима может быть использована экспоненциальная модель, предложенная в работах [34, 53]:

–  –  –

где tАКБ– температура АКБ в данный момент времени, oС;

t0, tк– начальная и конечная температура АКБ для данного процесса, oС;

m– темп изменения температуры;

– длительность процесса охлаждения или нагрева, мин.

–  –  –

где qбд, qбн – ёмкость полученная или отданная АКБ за один час дневной или, соответственно, ночной эксплуатации, А·ч;

tд, tн– число часов движения за сутки при дневной и, соответственно, ночной эксплуатации;

Qст– расход ёмкости АКБ на пуски ДВС за сутки, А·ч;

Q0 – расход ёмкости АКБ на ток покоя, А·ч.

2.3.5 Формирование затрат. Уровень 4

Для определения затрат на заряд АКБ в имитационной модели предложено использовать среднюю стоимость заряда автомобильной АКБ на предприятии (дилер, сервисное предприятие, универсальная СТО, гаражная мастерская и пр.), где будут совершаться технические воздействия.

Зная стоимость нормо-часа работы слесаря и трудоёмкость выполнения операции, например на СТО, можно определить затраты на заряд АКБ по формуле:

ЗЗАКБ N З С НЧ, где NЗ – трудоёмкость операции по заряду АКБ, н·ч;

СНЧ – стоимость н·ч СТО, руб.

Затраты на ремонт от несвоевременного проведения заряда можно определить исходя из вероятности отказа АКБ, которая возрастает при увеличении периодичности заряда. Для этого, когда уровень заряженности АКБ достигает минимального порогового значения, в имитационной модели моделируется отказ АКБ.

Предполагая, что в случае разряда АКБ ДВС не запустился, возникающие при этом затраты можно представить в виде суммы работ по заряду АКБ и стоимости услуг эвакуатора для доставки автомобиля до места осуществления технических воздействий (дилер, СТО, гаражная мастерская и пр.) по формуле:

ЗРАКБ N З СНЧ СЭВ, где NЗ – трудоёмкость операции по заряду АКБ, н·ч;

СНЧ – стоимость н·ч СТО, руб;

СЭВ – стоимость услуг эвакуатора, руб.

Следует отметить, что перепады напряжения в бортовой сети и попытки пуска ДВС от разряженной АКБ не только влекут за собой некорректную работу программного обеспечения (ПО) систем навигации, сигнализации и мультимедиа, но и снижают ресурс компонентов систем освещения, зажигания, выпуска отработавших газов, а также могут стать причиной выхода из строя ЭБУ АКПП и ДВС. Поэтому в зависимости от конструкции исследуемого автомобиля и эксплуатационных характеристик установленного на нём электрооборудования к затратам от несвоевременного проведения заряда в определённых случаях могут быть отнесены затраты на попутно заменяемые детали с учётом недоработки их до ресурсного отказа и затраты на осуществление контрольно-диагностических операций по восстановлению исходных параметров работы ПО систем и ЭБУ.

В случае, если после серии разрядов АКБ при отрицательной температуре восстановить её исходные характеристики не представляется возможным, ввиду критического падения ёмкости, коробления или замыкания пластин активной массы либо механических повреждений корпуса АКБ, затраты на замену АКБ предложено выразить через формулу:

ЗЗЗАКБ N ЗЗ СНЧ СЭВ С АКБ,

где NЗЗ– трудоёмкость операции по замене АКБ, н·ч;

СНЧ – стоимость н/ч СТО, руб;

СЭВ – стоимость услуг эвакуатора, руб;

–  –  –

2.4 Имитационная модель формирования уровня заряженности АКБ Сложность, трудоёмкость и высокая стоимость экспериментальных исследований для прогнозирования показателей надёжности и эксплуатационных свойств автомобилей обусловлены изменением условий и интенсивности эксплуатации. Вместе с тем, применение имитационного моделирования позволяет отображать реальные явления, получать сведения о возможном поведении системы для данной конкретной ситуации и на основе этой информации принимать соответствующие решения, что существенно уменьшает временные и материальные затраты при проведении Имитация представляет собой численный метод экспериментов.

проведения экспериментов на ЭВМ с математическими моделями, описывающими, поведение сложных систем в течение заданного или формируемого периода времени, при этом поведение компонент в имитационной модели описывается набором алгоритмов, которые затем реализуют ситуации, возникающие в реальной системе [28, 29]. В этой связи, указанный метод наиболее предпочтителен для выявления закономерностей формирования уровня заряженности АКБ в зимний период.

2.4.1 Исходные данные для моделирования В соответствии со структурой изучаемой системы необходимо выбрать данные, по которым можно будет оценить каждый её отдельный элемент.

Предполагая, что автомобиль эксплуатируется равномерно в течение года, на основании данных о среднегодовых пробегах и средней скорости движения автомобилей в зимний период в городе требуется сформировать суточный цикл автомобиля – режим использования, с учётом количества и продолжительности поездок в течение одного дня.

Для моделирования зарядно-разрядных процессов АКБ необходимо конкретизировать показатели и характеристики электрооборудования исследуемого автомобиля. Учитываются следующие параметры: мощность, напряжение и ТСХ генератора, параметры АКБ, температура в месте расположения АКБ, мощность и продолжительность работы электропотребителей.

На основании экспериментальных данных, полученных во время движения автомобиля по условиям ездового цикла, определяется относительная продолжительность работы генератора в каждом интервале рабочих частот вращения коленчатого вала ДВС, время прогрева, длительность остывания и установившаяся температура ДВС и АКБ, а также характер изменения тока потребителей в зависимости от температуры окружающего воздуха и продолжительности движения после пуска ДВС.

2.4.2 Объекты и переменные имитационной модели. Генерирование их начального состояния Процесс моделирования формирования уровня заряженности АКБ начинается с определения основных функциональных и стохастических зависимостей, описывающих работу АКБ, с целью исполнения основных процедур имитационной модели.

- Номинальная ёмкость АКБ (C_20). Задаётся в соответствии с климатическим исполнением и комплектацией автомобиля.

- Уровень заряженности АКБ (Cp%). Предполагается, что изначально АКБ заряжена на 100%. В процессе моделирования уровень заряженности может варьироваться от 0 до 100%. Определяется как сумма произведений зарядных и разрядных токов и продолжительности их действия.

- Темп прогрева и темп охлаждения АКБ (kkk и kkko). Определяются экспериментально с учётом параметров исследуемых АКБ. Дополнительно учитывается влияние скорости ветра на темп охлаждения.

- Температура АКБ (T_akb). Зависит от интенсивности эксплуатации, температуры окружающего воздуха, места установки, темпа прогрева и охлаждения. Начальное значение приравнивается к температуре окружающего воздуха, при моделировании АКБ нагревается во время движения и остывает во время стоянки.

- Ток заряда АКБ (Iz). Исходя из условия, что АКБ не всегда может принять ток генератора в полном объёме, ток заряда определяется по модели, обобщающей экспериментальные данные проведённых ранее исследований.

Зависит от температуры, уровня заряженности, напряжения заряда и ёмкости АКБ. В процессе моделирования вычисляется с учётом соотношений, определяющих силу тока генератора и электропотребителей.

- Напряжение генератора (U). Определяется на основе соотношений токов генератора и электропотребителей в зависимости от температуры окружающего воздуха: при её повышении напряжение в бортовой сети уменьшается для уменьшения перезаряда АКБ, а при понижении, наоборот, повышается, для улучшения заряда АКБ при отрицательных температурах.

- Мощность генератора (Ii). Зависит от частоты вращения коленчатого вала ДВС, напряжения и способа управления током возбуждения.

Определяется в соответствии с ТСХ генератора и параметрами системы электроснабжения автомобиля

- Мощность электропотребителей (Ip). Зависит от количества и продолжительности работы электроприборов, задействованных во время движения. Определяется как произведение суммарной силы тока совокупности задействованных приборов на напряжение в бортовой сети.

Дополнительно учитывается ток покоя – разряд АКБ при работе электропотребителей в режиме «ожидания» во время стоянки автомобиля.

- Относительное время работы генератора в i-ом диапазоне частот вращения коленчатого вала ДВС (Ti). Определяется экспериментально после серии поездок по условиям ездового цикла, в ходе которых ежесекундно фиксируются значения частоты вращения коленчатого вала ДВС.

- Часовая отдача генератора (TiIi). Рассчитывается как суммарное произведение силы тока генератора на длительность его работы в рабочих диапазонах частот вращения коленчатого вала ДВС при движении автомобиля по условиям ездового цикла.



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«2.1ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 2.2 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Информационный менеджмент 1.Требования к уровню освоения содержания дисциплины Целью дисциплины "Информационный менеджмент" является изучение основ со...»

«Cirrus Inhalt Cirrus Удачный посев – залог урожая Что посеешь, то и пожнёшь..гласит старая пословица, сохранившая актуальдывается ещё при посеве. И тут к применяемой ность и в наши дни. Поскольку так же, как и раньпосевной технике предъявляются особые требоваше, основа стабильных и высоких...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" Т.В. Попова, Л.В. Архипова, Т.П. Баркова, Т.В. Губанова,...»

«ЧЕРНЫШОВ Сергей Владимирович СНИЖЕНИЕ ТРАВМИРОВАНИЯ ЗЕРНА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕХАНИЗАЦИИ ЕГО ПОСЛЕУБОРОЧНОЙ ОБРАБОТКИ Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского х...»

«Компьютерная алгебра (курс лекций) Игорь Алексеевич Малышев Computer.Algebra@yandex.ru (С) Кафедра "Компьютерные системы и программные технологии", Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Лекция...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" О. М. Замятина КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Учебное пособие 0 True Decide 1 Create 1 Process 1 Dispose 1 0 False Process 2 Dispose 2 Издательство ТПУ Томск 2007 УДК 681.3.06 ББК 32....»

«Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства УДК 631.553 В.Д. ПОПОВ, д-р техн. наук, академик РАН; А.М. ВАЛГЕ, д-р техн. наук; А.И. СУХОПАРОВ, канд. тех...»

«Строительство уникальных зданий и сооружений. ISSN 2304-6295. 2 (17). 2014. 5-24 journal homepage: www.unistroy.spb.ru Критерии QS как база для оценки работы Инженерно-строительного института СПбГПУ Д. Г. А...»

«РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ОПД.08. ОХРАНА ТРУДА 2015 г. Программа учебной дисциплины разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта (далее ФГОС) по специальности (специальностям) среднего профессиональ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. РАЗЗАКОВА Кафедра "АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТОТЕХНИКА" ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ САУ Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ для студентов специальностей 550202.01 "Автоматизация технологических...»

«Развитие дистанционного образования в университете Л.Л Товажнянский, В.А Кравец, В.М Кухаренко, Национальный технический университет, Харьковский политехнический институт АННОТАЦИЯ Дистанционное обучение оказывает больше влияние н...»

«Кадыгров Евгений Николаевич ПАССИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ АТМОСФЕРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ Специальность 05.12.14 "Радиолокация и радионавигация" Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва-2010 Работа выполнена в Государственном учреждении "Центральная...»

«ПРАВИЛА ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ И ЗАСТРОЙКИ ЗАКРЫТОГО АДМИНИСТРАТИВНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОД ЗАРЕЧНЫЙ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ (ПРОЕКТ) Часть I.ПОРЯДОК РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ И ЗАСТРОЙКИ НА ОСНОВЕ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОГО ЗОНИРОВАНИЯ Правила землепользования и застройки...»

«1.НАЗНАЧЕНИЕ 1.1.Подающий механизм ПДГ-505 (ПДГ-305), предназначен для проведения сварочных работ (в комплекте с источником питания типа ВДУсплошными сварочными проволоками диаметром 0,8-1,6мм или порошковыми проволоками типа ПП-АН4 в среде защитных газов. ВНИМАНИЕ! Для использов...»

«АКВАМАСТЕР гк г.Краснодар www.aquamaster.net.ru info@aquamaster.net.ru КОТЛЫ. РАДИАТОРЫ. КОНВЕКТОРЫ. ТРУБЫ. НАСОСЫ. АРМАТУРА. КИПиА. СТАБИЛИЗАТОРЫ. БОЙЛЕРЫ. ГОРЕЛКИ. ФИЛЬТРЫ. ВОДОПОДГОТОВКА. БиоСЕПТИКИ. БАССЕЙНЫ. ИЗОЛЯЦИЯ. ВЕНТИЛЯЦ...»

«стр. 1 из 8.Источник информации: Таныгин А.А. Решая задачи ВКО // Вестник Концерна ПВО "Алмаз-Антей". – 2012. – №1. – С.54-59. УДК 621.396.96 Таныгин А.А. Решая задачи ВКО Представлены основные нап...»

«ТОВ "Вівал Груп" Професійні рішення для будівельної галузі 01013, Київ, вул. Будіндустрії, буд. 6 Тел: +38 (044) 500-89-55 E-mail: vival@vival.ua www.vival.ua ГИДРОИЗОЛЯЦИЯ БАССЕЙНОВ _ Строительство бетонного бассейна подразумевает под собой решение нескольких технологи...»

«ЛИТОВЧЕНКО Игорь Юрьевич ЗАКОНОМЕРНОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ С ПЕРЕОРИЕНТАЦИЕЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой ст...»

«***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 4 (32), 2013 Н И Ж Н Е В О Л ЖС К О Г О А Г Р О У Н И В Е Р С И Т Е Т С КО Г О К ОМ П Л Е К С А АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО УДК 633.18.631.675 ВОЗДЕЛЫВАНИЕ РИСА ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОЛИВАХ...»

«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) И.В. ДЕМЬЯНУШКО, Е.М. ЛОГИНОВ, В.В. МИРОНОВА РАСЧЕТ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС НА СТАТИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ УЧЕБН...»

«Настоящая методика устанавливает методы и средства первичной, периодической поверки для Систем телемеханических контроля бодрствования машиниста ТСКБМ, изготовленных ЗАО "НЕЙРОКОМ", г. Москва и предназначенных для измерения временных интервалов между импульсами ко...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ) Кафедра теоретической физики ЭЛЕКТРОДИНАМИКА СПЛОШНЫХ СРЕД Отдельные вопросы 1. Распространение волновых пакетов в диспергирующих средах;2. Методы трансформационной оптики и её применение в вычисли...»

«ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ УДК 621.695 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЭРЛИФТА А.С. Глушко, А.П. Кононенко ГВУЗ Донецкий национальный технический университет Разнообразие условий практического применения эрлифтов во многих отрас...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru ГОСТ Р 51808-2001 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАРТОФЕЛЬ СВЕЖИЙ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫЙ, РЕАЛИЗУЕМЫЙ В РОЗНИЧНОЙ ТОРГОВОЙ СЕТИ Технические условия ГОССТАНДАРТ РОССИИ Москва Предисловие...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРС...»

«Приложение 3.3 М.В. ЛЕОНОВА, Ю.Н. КЛИМОЧКИН МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ Учебно-методическое пособие Самара Самарский государственный технический университет МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ У...»

«УПРАВЛЕНИЕ ЗНАНИЯМИ Method for the synthesis of the functional form of socio-economic organizations Leonid Evgenyevich Mistrov, Doctor of Engineering, Assistant professor, Central branch FGBOU of VPO of "BRINES", Voronezh A method of synthesis of the functional form of socio-...»

«2 Новые функционально-технические возможности автоматизированного диагностического комплекса, основанного на использовании портативной ЭВМ и специального программного обеспечения....»

«1. Общие положения 1.1.Настоящие Правила внутреннего трудового распорядка (далее — Правила) являются локальным нормативным актом бюджетного образовательного учреждения Орловской области среднего профессионального образования "Ливенский строительный техникум" (далее — Техникум).1.2.Правила составлены в соответ...»

«МЕ67 ИЗВЕЩАТЕЛИ ОХРАННЫЕ ПЕРИМЕТРОВЫЕ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ "ГЮРЗА-035ПЗ" и "ГЮРЗА-035ПЗ" исполнение 1 Руководство по эксплуатации ФРКМ.425160.035-02 РЭ СОДЕРЖАНИЕ 1 Описание и работа 1.1 Назначение 1.2 Технические характеристики 1.3 Состав изделия 1.4 Устройство и работ...»







 
2017 www.doc.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные документы»

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.