Development of a methodology for rationing the route fuel consumption of the LIAZ-5256.57 bus in operation

Full Text

Введение

Автобусные перевозки в перспективе остаются основным видом пассажирских перевозок для большинства городов и поселков РФ и имеют большое социальное значение. В городе Якутске около 100 % от общих объемов пассажироперевозок выполняются наземным транспортом – автобусами. При этом из них на долю городских автобусных перевозок в 2018 г. приходилось 94 % перевозок.

Повышение эффективности работы предприятий, эксплуатирующих городские автобусы, может осуществляться за счет повышения топливной экономичности при решении которой вопросы, нормирования расхода топлива городскими автобусами играет первостепенную роль.

В Якутске с 1955 г. работает автобусный парк МУП «Якутская пассажирская автотранспортная компания» (ЯПАК) (ранее – «Якутское пассажирское автохозяйство» − ЯПАХ).

В ЯПАХе имелись не только автобусы, но и легковые автомобили (М-20) и так называемые грузотакси ГАЗ-51. Филиалы предприятия работали в Ленске и Алдане. По городу курсировали автобусы марки ЗИС-155, позднее – ПАЗ-651, ЗИЛ-158.

Предприятие выпускало на линии города до 200 автобусов в день, выполняя 18 городских, 7 пригородных, 4 дачных маршрута, то в настоящее время 70 автобусов.

В настоящее время МУП ЯПАК обслуживают 7 пригородных, 2 городских и 3 дачных маршрута. Однако в планах администрации Якутска – дальнейшее развитие муниципального транспорта.

Автобусы предприятия ездят по 7 пригородным маршрутам:

• маршрут № 101 Якутск – Табага общей протяженностью 31 км;
• маршрут № 102 Якутск – Маган общей протяженностью 24 км;
• маршрут № 103 Якутск – Хатассы общей протяженностью 17 км;
• маршрут № 104 Якутск – Кангалассы общей протяженностью 40 км;
• маршрут № 105 Якутск – Тулагино – Кильдямцы общей протяженностью 27 км;
• маршрут № 109 Якутск – Жатай – Захаровка общей протяженностью 21 км;
• маршрут № 111 Якутск – Жатай общей протяженностью 19 км.

Для экспериментального исследования мы выбрали маршрут № 101 Якутск – Табага с общей протяженностью 31 км. На рис. 1 красной линией показана схема маршрута Якутск – Табага с остановками. В табл. 1 показано расписание движение автобусов МУП «ЯПАК» по указанному маршруту. На маршруте эксплуатируются автобусы ЛиАЗ-5256.57 в количестве 6 шт. Автобусы в один день делают 3 рейса, среднесуточный пробег одного автобуса составляет 93 км.

 

Рис. 1. Схема маршрута Якутск – Табага с остановками

 

Таблица 1. Расписание движение автобусов

Table 1. Bus timetable

Маршрут № 101 Якутск – Табага
Время отправления от автовокзала
6:50	8:05	9:30	11:30	12:30	13:45	15:15	16:45	18:15	19:15	21:00
Время отправления из п. Табага
6:50	8:05	9:20	10:45	12:25	13:45	15:00	16:30	18:00	19:30	20:30	22:10

 

Автобус ЛиАЗ-5256.57 (рис. 2) является городским автобусом большой вместимости и предназначен для перевозки пассажиров по дорогам с асфальтовым покрытием I и II категории общей сети страны на маршрутах с интенсивными пассажиропотоками.

 

Рис. 2. Общий вид автобуса ЛиАЗ-5256.57

 

ЛиАЗ-5256.57 был разработан и серийно производится на ООО «ЛиАЗ». Разработка автобуса была проведена с учетом требований рынка и отвечает самым высоким запросам потребителей, а также требованиям безопасности и защиты окружающей среды. Автобус изготавливается с установкой баллонов на крыше [12]. Основные технические данные автобуса ЛиАЗ-5256.57 приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Основные технические данные автобуса ЛиАЗ-5256.57

Table 2. The main technical data of the LiAZ-5256.57 bus

Длина	11400 мм
Ширина	2500 мм
Высота: по крыше по воздухозаборнику по газовые баллоны	2885 мм 3065 мм 3347 мм
Передний свес	2510 мм
Задний свес	3050 мм
Межосевое расстояние (база)	5840 мм
Двигатель
Модель	Cummins-CG 250
Тип	Газовый, четырехтактный, с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха
Расположение	В заднем свесе, продольное
Номинальная мощность	186 кВт/250 л.с. при 2400 об/мин. коленвала
Максимальный крутящий момент	1013 Нм при 1400 об/мин. коленвала
Число цилиндров	6, рядное, вертикальное расположение
Рабочий объем	8300 см куб
Диаметр цилиндров	114 мм
Ход поршня	135 мм
Степень сжатия	10,2
Система зажигания	Адаптер зажигания – RoderWerter, 24 VDC; катушка зажигания – Cummins 3964547; свечи зажигания – Champion 78PYP
Минимальное потребление газового топлива	40 нм3/100 км
Система питания и выпуска отработавших газов	Двигатель имеет топливную систему с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси, с инжекционной подачей топлива и с искровым зажиганием, позволяющую распределять, дозировать и зажигать газовое топливо с низким давлением – от 0,55 до 1 МПа (от 5,5 до 10 кгс/см2).
Газовая топливная система	Модель – «САГА-7 ЛИАЗ», максимальное рабочее давление 19,6 МПа (200 кгс/см2), давление на выходе из редуктора при давлении на входе 4,9–19,6 МПа (50–200 кгс/см2) при расходе 0,8–1 МПа (8–10 кгс/см2). Состав: редуктор высокого давления; заправочное устройство с фильтром, вентилем, заправочным отверстием и датчиком (выключателем) наличия заглушки; электромагнитный клапан высокого давления с фильтром, манометром и индикатором давления газа; баллонные вентили (по числу баллонов); магистральные вентили (3 шт.); сигнализатор утечки газа с датчиками (СУГ-3); рукава для подвода теплоносителя из системы охлаждения двигателя к редуктору высокого давления и редуктору жидкостного подогревателя; гофрированные шланги для отвода возможных утечек за пределы автобуса; трубки высокого давления из нержавеющей стали (с наружным диаметром 8 мм и толщиной стенки 1 мм); тройники для соединения трубок высокого давления.

 

Однако опыт эксплуатации автобуса ЛиАЗ-5256.57 автобусным парком МУП «ЯПАК» говорит о других показателях маршрутного расхода топлива.

Цель исследований

Разработка методики нормирования расхода топлива для автобусов ЛиАЗ-5256.57 в эксплуатации и определение на ее основе маршрутных норм расхода топлива.

Материалы и методы

Отличительной чертой работы автобусов на городских маршрутах является изменение степени наполнения автобусов пассажирами, различным расстоянием между остановками, большим числом остановок, торможений и разгоном, проездом регулируемых и нерегулируемых перекрестков и т.д. Практика показывает, что в условиях города режимы движения маршрутного автобуса существенно отличаются от режимов движения обычного автомобиля. Достаточно заметить, что количество торможений, приходящихся на 1 км пути, выполняется водителем в 1,35 раза больше, выключений сцепления – в 2,48 раза, вынужденных остановок – в 1,54 раза. Существенное различие в условиях эксплуатации наблюдается как между маршрутной сетью нескольких автобусных парков, так и в рамках одного парка [12].

Для автобусов в соответствие с международными правилами определение расхода топлива и удельных выбросов нормируемых токсичних компонентов выполняется с использованием ездового цикла на беговых барабанах [3, 11].

На этапе предварительного выбора оптимальных параметров двигателя рациональным является математическое моделирование его работы в комплексе с автомобилем в ездовом цикле [5].

В связи с дороговизной оборудования для экспериментальной реализации испытательного ездового цикла на беговых барабанах часто возникает необходимость математического моделирование данного цикла.

Для выполнения этой задачи использовалась методика моделирования показателей работы двигателя, которые обеспечивают изменение тягово-скоростных характеристик автомобиля в соответствии с заданным ездовым циклом [2, 4, 8]. От других моделей ее отличает простота в сочетании с высокой сходимостью расчетных и экспериментальных результатов. Исходные данные для математической модели ездового цикла условно можно поделить на следующие группы.

1. Неизменные параметры автомобиля: передаточные числа коробки передач (для прямых передач) u_k1, u_k2, u_k3, u_k4; полная масса автомобиля m_a, кг; передаточное число раздаточной коробки u_pb (если раздаточная коробка отсутствует, то u_pb = 1); передаточное число главной передачи u₀; статический радиус колес r_st, м; коэффициенты для построения ВСХД A₁, A₂ [1]; коэффициенты суммарного дорожного сопротивления ψ_д; КПД трансмиссии автомобиля η_т; коэффициент сопротивления воздуха K, (Н⋅с²)/м⁴; высота автомобиля B_r, м; ширина автомобиля H_r, м; коэффициенты заполнения лобовой площади автомобиля α_А.
2. Неизменные параметры двигателя: плотность топлива ρ_т, кг/м³; номинальная мощность двигателя N_{e_ном}, кВт; номинальная частота вращения двигателя n_ном, мин^-1.
3. Параметры испытательного режима: номер включенной передачи i_u; скорость автомобиля v, км/ч.
4. Выходные параметры двигателя: удельных эффективный расход топлива на режиме g_e, г/(кВт⋅ч).
5. Схема испытательного цикла, то есть заданная последовательность изменение параметров испытательного режима во времени.

Для выполнения исследования был выбран европейский ездовой цикл NEDC. Выбор этого цикла обусловлен тем, что страны СНГ, в том числе и Россия, в разработке стандартов определения и нормирования токсичности автомобильного транспорта ориентируются на стандарты ЕС, где начиная с 2000 г., NEDC – действующий ездовой цикл.

Цикл NEDC состоит из четырех следующих один за другим городских ездовым циклов ECE 15 и одного загородного ездового цикла EUDC, следующих один за другим. Схемы этих циклов представлены на рис. 3–5.

 

Рис. 3. Схема городского ездового цикла ECE 15

 

 

Рис. 4. Схема загородного ездового цикла EUDC

 

Рис. 5. Схема комбинированного ездового цикла NEDC

 

Основные показатели ездового цикла NEDC также приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Основные показатели ездового цикла NEDC

Table 3. NEDC Driving cycle key metrics

Величина	Единица измерения	Обозначение	ECE 15	EUDC	NEDC
Путь	км	sΣ	1,013	6,955	11,007
Время	с	τΣ	195	400	1180

 

Отличительной особенностью методики, предложенной в работе [4], является то, что для упрощения расчетного исследования ездовой цикл разбивается на участки, на которых параметры испытательного режима не изменяются [4]. То есть переходный режим, в течение котрого автомобиль движется с ускорением или замедлением, разбивается на элементарные квазистационарные режимы.

Переходные режимы цикла EUDC разбиваются на участки длительностью Δτ = 1 с, в течение которые параметры испытательного режима также не изменяются, скорость условно считается постоянной (рис. 6). В квазистационарных режимах учитываются изменения регулировочных параметров двигателя на переходных режимах (например, обогащение смеси при резком увеличении нагрузки), и такие элементарные режимы условно считаются стационарными. Кроме того, при расчете выбросов токсичних компонентов и расхода топлива автомобилем на квазистационарном режиме используются эмпирические поправочные коэффициенты (например, предложенные в работе [4]).

 

Рис. 6. Превращение переходного процесса в последовательность элементарные квазистационарных режимов в цикле EUDC

 

Для упрощения расчетного исследования переходные режимы в цикле ECE 15 заменяются стационарными по схеме, предложенной в работе [4] (рис. 7). Исследования, проведенные в работе [4, 6], показали, что данная схема позволяет обеспечить максимальное соответствие показателей экономичности и токсичности расчетного и экспериментального цикла.

 

Рис. 7. Расчетная схема упрощенного городского ездового цикла ECE 15: – – – – – – стандартный ездовой цикл; ––––––––– – упрощенный ездовой цикл

 

Потребная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^–1 [4]:

$n=\frac{v\cdot u_{k{i}_u}\cdot u_{pb}\cdot u_0}{\mathrm{0,377}\cdot r_{st}}$. (1)

Лобовая площадь автомобиля, м² [4]:

$F={\alpha }_A\cdot B_r\cdot H_r$. (1)

Потребная мощность двигателя, кВт:

$N_e=\frac{m_a\cdot \mathrm{9,81}\cdot {\psi }_{\text{д}}\cdot v}{3600\cdot {\eta }_{\text{т}}}+\frac{K\cdot F\cdot v^3}{46656\cdot {\eta }_{\text{т}}}$. (3)

Мощность по внешней скоростной характеристике при заданных оборотах, кВт [4]:

$\begin{array}{c}{N}_{e\_\text{ВСХД}}=N_{e\_\text{ном}}\times \\ \times \left[A_1\cdot \frac{n}{n_{\text{ном}}}+A_2\cdot {\left(\frac{n}{n_{\text{ном}}}\right)}^2-{\left(\frac{n}{n_{\text{ном}}}\right)}^3\right].\end{array}$ (4)

Потребная удельная нагрузка на двигатель при заданной мощности, %:

$\overline{P}=\frac{N_e}{N_{e\_\text{ВСХД}}}\cdot 100.$ (5)

Потребный крутящий момент, Н⋅м:

$M_e=9550\cdot \frac{N_e}{n}.$ (6)

Величины n и $\overline{P}$, рассчитанные по уравнениям (1) и (5), определяют режим работы двигателя. На основании данных режима определяются экспериментально на тормозном стенде либо рассчитываются по уточненной методике И.И. Вибе выходные параметры двигателя g_e, g_CO, g_CH, g_NOx. При расчетном определении перечисленнях показателей регулировочных параметры двигателя устанавливаются специалистом либо берутся из характеристических карт.

Расход топлива автомобилем на элементарном режиме, г [4]:

$Q_{\text{т\_реж}}=\frac{g_e\cdot N_e}{3600}\cdot {\tau }_{\text{реж}},$ (7)

где τ_реж – продолжительность элементарного режима, с.

Если режим является переходным, то это учитывается с использованием формул [4].

Расчет расхода топлива на переходном режиме, л:

$Q_{\text{т\_реж\_разгон}}=k_{\text{разгон}}^{\text{т}}\cdot Q_{\text{т\_реж}},$ (8)

$Q_{\text{т\_реж\_замедл}}=k_{\text{замедл}}^{\text{т}}\cdot Q_{\text{т\_реж}},$ (9)

где $k_{\text{разгон}}^{\text{т}},k_{\text{замедл}}^{\text{т}}$ – эмпирические коэффициенты, учитывающие изменение расхода топлива автомобилем при разгоне и замедлении соответственно [10].

В качестве примера рассмотрим двигатель Cummins типа CG 250. Данный ДВС штатно устанавливается на автобус ЛиАЗ-5256.57.

В соответствии с классификацией, принятой в работе [2], автобус ЛиАЗ-5256.57 с установленным на нем двигателем Cummins типа CG 250 относится к категории М3.

Значения коэффициентов $k_{\text{разгон}}^{\text{т}},k_{\text{замедл}}^{\text{т}}$ для транспортного средства данной категории приведены в табл. 4 [2].

 

Таблица 4. Значения коэффициентов $k_{\text{разгон}}^{\text{т}},k_{\text{замедл}}^{\text{т}}$ для транспортних средства группы М3

Table 4. Values of coefficients $k_{\text{разгон}}^{\text{т}},k_{\text{замедл}}^{\text{т}}$ for vehicles of M3 group

Режим	kт
Диапазон скорости 0…20 км/ч
Разгон	6,05
Замедление	0,24
Диапазон скорости 20…30 км/ч
Разгон	8,10
Замедление	0,14
Диапазон скорости 30…40 км/ч
Разгон	7,88
Замедление	0,10
Диапазон скорости 40…50 км/ч
Разгон	5,80
Замедление	0,06
Диапазон скорости >50 км/ч
Разгон	4,08
Замедление	0,06

 

Результаты

Итоговый расход топлива по ездовому циклу NEDC рассчитывается по формуле, (г/км):

$\begin{array}{c}\Sigma Q_{\text{т}\_\text{NEDC}}=\frac{{\displaystyle \sum _k{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_k}}{s_{\Sigma \_\text{NEDC}}}=\\ =\frac{4\cdot {\displaystyle \sum _m{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_m}+{\displaystyle \sum _n{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_n}}{s_{\Sigma \_\text{NEDC}}},\end{array}$ (10)

где $\sum _k{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_k$ – суммарный расход топлива в течение цикла NEDC, г; $\sum _m{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_m$ – суммарный расход топлива в течение цикла ЕСЕ15, г; $\sum _n{\left(Q_{\text{т\_реж}}\right)}_n$ – суммарный расход топлива в течение цикла EUDC, г.

В таблице 5 показана сравнения результатов расчетного расхода топлива по ездовому циклу NEDC с экспериментальными данными.

 

Таблица 5. Сравнения результатов

Table 5. Comparison of results

Марка автобуса	Результаты расчетного рас хода топлива по ездовому циклу NEDC на ١٠٠ км	Результаты экспериментального расхода топлива на ١٠٠ км
ЛиАЗ-5256.57	48 нм3	49 нм3

 

Выводы

1. Для оценки тягово-скоростных свойств автобуса предложено применять метод, позволяющий расчетным путем, используя в качестве исходных данных эффективный показатели двигателя, оценить показатели работы автомобиля.
2. Предложена методика расчетного моделирования испытательного ездового цикла автомобиля полной массой более 5 т.

About the authors

Peter A. Boloyev

Banzarov Buryat State University

Email: petnikvad1988@mail.ru

DrSc in Engineering

Russian Federation, Ulan-Ude

Nikolay V. Petrov

Oktem branch of the Arctic State Agrotechnological University

Email: petnikvad1988@mail.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Yakutsk

Philip A. Skrybykin

North-Eastern Federal University

Author for correspondence.
Email: petnikvad1988@mail.ru
Russian Federation, Yakutsk

References

Supplementary files