Оптимальное управление автотранспортными средствами

Роль многопараметровых характеристик и распределе­ний режимов в выборе приоритетных режимов двигателя.

Повышение энергоэффективности машины связано с увеличе­нием КПД ее элементов. Однако повышение КПД отдельных ЭСЭ либо на некоторых режимах работы не вполне правильно. Более эффективным является согласование их характеристик и использование приоритетных (с точки зрения энергозатрат) ре­жимов совместной работы всех ЭСЭ.

Весь комплекс факторов, влияющих на функционирование системы двигатель — трансмиссия — машина, формирует текущие рабочие режимы двигателя, распределения режимов работы уз­лового ЭСЭ и соответствующие этим распределениям энергоза­траты. Анализируя распределения режимов и варьируя характери­стики, можно наметить пути оптимизации управления системой.

При оптимизации вместо информации о дорожных услови­ях, интенсивности и составе транспортных потоков и приемах вождения машины можно оперировать данными о распределе­ниях режимов ЭСЭ машины. Например, для того чтобы оценить эффективность использования двигателя, необходимо располагать его МПХ а также двумерной плотностью распределения режимов

Рабочие режимы автомобильных двигателей. В рабочем поле двигателя (см. рис. 4.15) режимы отличаются разной весо­мостью и частотой использования. Среди них есть наиболее ха­рактерные. Рассмотрим их, обратившись к рис. 4.35.

Режим XX двигателя реализуется на остановках АТС, при движении АТС накатом и затянувшемся переключении передач КП. Продолжительность этого режима может составлять до 20... 30 % рабочего времени двигателя.

Частичные режимы, занимающие значительную часть сере­дины рабочего поля, имеют в основном неустановившийся ха­рактер.

Крейсерский режим реализуется в магистральных условиях, в 80...90%-ной зоне значений

Режим максимальной мощности реализуется при большом сопротивлении движению, в том числе на высоких скоростях.

Режимы принудительного ЛХ возможны тогда, когда двига­тель отсоединен от трансмиссии и при отсутствии подачи топ­лива снижает частоту вращения КВ. Если двигатель не отклю­чен от трансмиссии и подача топлива мала, то он работает в тор­мозном режиме (режим ТД).

Режимы торможения. МТ реализуются на затяжных спусках.

Состояние двигателя ТС в каждый момент может быть пред­ставлено значениями координат вектора параметров режима, который вычерчивает в поле режимов «траекторию состояния». На рис. 4.36 приведена траектория вектора состояния двигателя

Рис. 4.35. Характерные рабочие режимы двигателя (обозначения см. на рис. 4.15)

Рис. 4.36. Траектории двумерного вектора состояния двигателя ВАЗ-2103 в процессе разгона автомобиля на I—IIIпередачах КП с последу­ющим торможением двигателем:

движение на передачах переключение передач торможение двигателем; около кривых указано время от начала разгона

ВАЗ-2103 в процессе разгона — торможения двигателем автомо­биля в координатах

Непрерывно перемещаясь по рабочему полю, вектор состо­яния формирует распределение рабочих режимов. Получаемая картина представлена на рис. 4.37, где изображено реальное распределение режимов двигателя ВАЗ-2103. На осях координат отложены относительные значения частоты вращения параметра нагрузки и частости . Видны так называемые моды, соответствующие режимамXX, разгона и ПХХ.

Гистограмма распределения вектора режимных параметров двигателя автомобиля КамАЗ-53212 приведена на рис. 4.38.

Оптимальное управление силовым приводом АТС с дизе­лем. Перемещаясь по рабочему полю, вектор состояния не только формирует распределение рабочих режимов (см. рис. 4.37 и 4.38). В каждый момент в соответствии с текущим значе­нием координат этого вектора реализуются конкретные значе­ния цикловой подачи расхода топлива , кру­тящего момента соответствующих значений и КПД

Существенно также и то, что перемещение вектора состоя­ния из точки в точку МПХ в зависимости от траектории может осуществляться с разной эффективностью. На рис. 4.39, а по­казано, например, что перемещение из точки А в В в процессе разгона на передаче КП по пути 1 оптимально по быстродей­ствию, так как реализуются наибольшие значения обеспе­чивающие наивысший темп разгона. Путь 2 является оптималь­ным по топливной экономичности, поскольку проходит по ли­нии градиента с наименьшими удельными расходами топлива. Путь 3 уступает траекториям 1 и 2 как по быстродействию, так и по экономичности.

Другая ситуация: движение АТС на скорости =constпри неизменном сопротивлении движению =constтребует реали­зации мощности =const, где — размерный коэффициент пропорциональности. Например, это во­зможно на передаче КП при сочетании (рис. 4.39, б) и, кроме того, на -й передаче КП при сочетании Тогда исходя из топологии семейств кривых =constи =constболее эффективным с точки зрения энергозатрат будет режим двигателя D, так как на нем реализация той же мощности осуществляется с меньшим Для механической КП это верно всегда, поскольку , а в случае пря-

мой передачи выигрыш усиливается еще и за счет повышения КПД КП.

При разгоне с переключением передач КП вектор состояния двигателя описывает петлеобразную траекторию (см. рис. 4.36 и 4.40). При этом отношение максимальной частоты вращения

достигнутой на предыдущей передаче, к частоте с которой начинается разгон на следующей передаче, обуслов­лено отношением передаточных чисел Тогда, если на каждой передаче проводить разгон до значения то вычерчиваются петли, показанные на рис. 4.40, а. Они рас­полагаются в области высоких значений и верхние части пе­тель, соответствующие тяговым режимам, обычно минуют «ядро» экономичной работы. Если же на каждой передаче не повышать

до максимума, то и соответствующие начальные значения этой величины на последующих передачах будут меньше, и пет­ли в целом сдвинутся в область более низких частот, соответ­ствующих «ядру» экономичной работы (рис. 4.40, б). Разгон в этом случае потребует меньших затрат топлива.

Совместный анализ распределения режимов и названных характеристик приводит к следующим рекомендациям по мини­мизации расхода топлива:

• необходимо стремиться к реализации рабочих режимов дви­гателя в зонах его экономичной работы (с минимумом

• при возможности реализации установившегося режима на
требуемом мощностном уровне при нескольких сочетаниях и

Следует выбирать сочетание, соответствующее наименьше­му значению

• при реализации переходных режимов с определенным уровнем
мощности, запрашиваемым в данной ситуации со стороны АТС,
необходимо выбирать перемещение вектора состояния
с наименьшим для отрезка траектории вектора среднеинтегральным значением

• двумерный обобщенный режим двигателя нужно «стяги­вать» в зону его экономичной работы — уменьшать долю крае­вых зон МПХ и увеличивать долю режимов зоны экономичной
работы;

• трехмерный обобщенный режим следует «стягивать» в направлении оси е к минимальным значениям этого параметра.

Зная закон распределения режимов двигателя во времени и характеристику расхода топлива в единицу времени можно определить эксплуатационный расход топлива:

где — размерный коэффициент.

Вообще говоря, имея МПХ выработки любого ресурса, можно определить интегральную выработку этого ресурса:

(4.26)

Наконец, можно формализовать задачу оптимального управ­ления транспортным двигателем на обобщенном режиме: мини­мизировать исследуемый вид ресурса при реализации этого ре­жима двигателя:

(4.27)

Реализация стратегии оптимального управления сило­вым приводом большегрузных автотранспортных средств.

Большегрузные АТС имеют до 20 ступеней трансмиссии — для широкого охвата скоростей и возможности тонкого подбора зоны экономичной работы двигателя. Однако последовательный переход по плотному ряду передаточных чисел при разгоне не­рационален, поскольку теряется темп разгона. Поэтому исполь­зуют делители передач, позволяющие «перешагивать» через сту­пени сквозного ряда передач, а для тонкого подбора режима — использовать сквозной ряд.

Например, КП Т-15 автомобиля КамАЗ имеет делитель, по­зволяющий вклинить в основной ряд передаточных чисел (низ­ших — Н) промежуточные числа (высшие — В), образуя таким образом сквозной ряд из десяти передаточных чисел, показан­ный на рис. 4.41, а.

По результатам расчетного исследования вариантов разгона различных АТС КамАЗ, выполненного с помощью ППП СИМ- была предложена совокупность диаграмм зон использова­ния делителя (рис. 4.41, б) для разных состояний АТС. Это по­зволило формировать цепочки используемых передач (ЦИП) для различной нагрузки и условий движения (по типу изобра­женных на рис. 4.41, а).

Сочетание ЦИП и последовательности максимально разви­ваемых частот вращения KBпо передачам формирует стиль уп­равления разгоном (СУР). С помощью ППП СИМФА проведе­но исследование множества СУР. «Реперные» последовательно­сти максимальных значений приведены на рис. 4.41, в. На­пример, в соответствии с кривой 1 на каждой из используемых передач двигатель разгоняется до частоты 2000 а согласно

кривой 7— на передаче 1В до 2500 а на передаче 5Н — до

2000

Расчеты показали, что в зависимости от СУР разница в рас­ходе топлива на единицу пути разгона АТС КамАЗ до определен­ной скорости может достигать 17 %. При этом наиболее эконо­мичными являются варианты, отвечающие кривым 1, 4, 5 и 7 с

создавался автором как инструментальное средство для экспериментально-расчетных исследований функционалов (4.25) — (4.27).

низкочастотными невозрастающими последовательностями максимальных значений что хорошо корреспондирует с дан­ными, приведенными на рис. 4.40, б. Разница в расходе топли­ва на крейсерском режиме за счет использования повышенной передачи в отдельных случаях для АТС КамАЗ достигала 9 %.

После широкой апробации результатов приведенного иссле­дования в Руководство по эксплуатации автомобилей КамАЗ были внесены соответствующие рекомендации.