Введение. Для уверенной эксплуатации автомобилей в суровых климатических условиях необходимо предварительно осуществлять подготовку автотранспортного средства.
Одной из часто возникающих проблем эффективной эксплуатации транспортных средств является бесперебойный пуск двигателя внутреннего сгорания. Как показывает опыт эксплуатации транспортных средств в регионах севера и Сибири, бесперебойный пуск двигателя может существенно повысить эффективность эксплуатации в транспортного средства в целом. Параметрами эффективности пуска двигателя является безотказность пуска, а также продолжительность запуска, не превышающей нормативных показателей, малое значение предельной температуры, небольшой величиной минимальной пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя [1, 2]. Операцией, способной существенно повлиять на облегчение пуска двигателя является дооснащение автомобиля системой предпускового подогрева [3].
Методология. Обеспечение бесперебойного запуска двигателя и исключение самопроизвольной остановки двигателя из-за загустевания дизельного топлива и закупоривания топливных фильтров, выпавшим из топлива парафином и кристаллами льда [4], являются основными проблемами при эксплуатации в условиях низких отрицательных температур. Для улучшения пусковых и эксплуатационных качеств автомобиля в условиях низких отрицательных температур наиболее эффективен подогрев основных функциональных систем двигателя [5].
Как показал анализ подогревателей, с системой использования внешней энергии, существующие системы предпускового подогрева охлаждающей жидкости и масла, при совместной установке на автомобиль, не предполагают совместного управления процессом нагрева, а это неизбежно приводит к значительному перерасходу электрической энергии [6].
Основная часть. Была разработана математическая модель [7], описывающая процесс нагрева двигателя внутреннего сгорания. Для подтверждения которой, был проведен ряд экспериментов, в ходе которых были получены данные о зависимости температуры охлаждающей жидкости от времени в процессе нагрева с точностью +/- 0,5 ºC и шагом в 2 секунды, при этом температура окружающей среды считалась неизменной.
Известно, что процесс нагрева имеет экспоненциальную зависимость, важнейшей характеристикой которой является постоянная времени.
Таким образом, обобщенное уравнение экспоненты для нагрева можно выразить:
(1),
где – текущее значение температуры;
– максимальное значение температуры, при (
); t – текущее время;
– постоянная времени;
- температура окружающей среды,
– начальная температура двигателя.
Неизвестными в уравнении являются значения постоянной времени и максимальное значение температуры
или установившейся температурой.
Для определения значений постоянной времени применялся метод корреляционного анализа. Корреляция - статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой, допустимой степенью точности считать таковыми). При этом изменения одной или нескольких из этих величин приводят к систематическому изменению другой или других величин. Математической мерой корреляции двух случайных величин служит коэффициент корреляции ( ), который находится в диапазоне значений от 0 до 1, причём если значение находится ближе к 1, то это означает наличие сильной связи, а если ближе к 0 – слабой.
Коэффициент корреляции кривых 3 и 4 равен 0.62363753, а для кривых 1 и 2 этот коэффициент равен 1.
Рис. 1. Схема факторов, влияющих на воспламенение топлива в цилиндре дизеля
На рис. 2 представлена зависимость коэффициента корреляции для кривой нагрева полученной в процессе эксперимента и массива полученного в результате табуляции функции (1) при различных значениях .
Рис. 2. Зависимость коэффициента корреляции от постоянной времени в процессе нагрева ДВС
Используя методы математического анализа, определено максимальное значение кривой. Полученный результат считаем значением постоянной времени для полученной кривой. Зная значение ,
можно выразить из функции (1):
(2)
Таким образом, зная значения и
(при
) можно отобразить функцию нагрева (1) графически (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная и экспериментальная кривые нагрева ДВС
На графике (риc. 3) в точке A видно расхождение экспериментальной (1) и теоретической (2) кривых нагрева охлаждающей жидкости. Это можно объяснить тем, что вследствие открытия термостата охлаждающая жидкость из малого контура охлаждения смешивается с охлаждающей жидкостью из большого контура охлаждения. Таким образом, получен метод, позволяющий аппроксимировать экспериментальные данные аналитическим выражением.
При выполнении стендовых испытаний и экспериментов на реальном автомобиле, по нагреву охлаждающей жидкости и масла, получены и обработаны зависимости температуры масла и охлаждающей жидкости от времени для нагревательных элементов при различных мощностях. Коэффициент корреляции экспериментальных и теоретических кривых изменятся незначительно, было практически одинаковым. Для охлаждающей жидкости кривые выглядят также, хотя значения
и мощности были иными. Таким образом,
не зависит от мощности, а
пропорционально мощности нагревателя.
Полученные закономерности можно использовать для оптимизации процессов нагрева охлаждающей жидкости и масла. С точки зрения энергетической эффективности наиболее оптимальным можно считать такой предпусковой подогрев, при котором достигается одинаковая температура моторного масла и охлаждающей жидкости.
Выводы. Таким образом, разработанный метод позволяет определить температуру нагрева для заданного времени и наоборот, либо невозможность выполнения поставленной задачи. В качестве средства практической реализации на автомобиле можно предложить микроконтроллер, реализующий управление мощности нагрева.
