5.13 Измерительный компьютерный комплекс и его применение для оценки взаимодействия транспортных потоков и элементов улично-дорожной сети

Микрин В.И., Тихомиров А.Н. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

Предложен автомобильный компьютерный комплекс для оценки динамических характеристик автомобиля на элементах улично-дорожной сети. Рассмотрена система контроля за работой двигателя транспортного средства и расходом топлива. Показаны возможные пути решения задач, возникающих при исследованиях и оптимизации системы «транспортный поток – улично-дорожная сеть».

An automobile computer complex is offered for the automobile performance curve to be estimated at the elements of the street-road network. System controlling engine operation and fuel consumption of a vehicle is examined. There are possible ways given to solve the problems which arise when studying and optimization of the system “Traffic flow – street-road network”.

Научно-обоснованное управление дорожным движением на улично-дорожной сети города однозначно положительно влияет на снижение величины вредных выбросов от транспортных потоков и на повышение безопасности дорожного движения [1].

Важнейшим элементом автоматизированного управления движением должен являться учет фактических выбросов вредных веществ и расхода топлива транспортными потоками на дорожной сети. Сложившаяся система оценки пробеговых выбросов и расхода топлива одиночными транспортными средствами основана на том, что автомобили движутся по дороге свободно в заданном диапазоне скоростей и в любом направлении [2].

Однако, распространение принципа аддитивности при оценке выбросов вредных веществ и расхода топлива транспортными потоками не позволяет, на наш взгляд, устанавливать особенности «экологического поведения» совокупности транспортных средств на улично-дорожной сети в различных условиях. Очевидно, что минимум расхода топлива (выбросов) будет значительно меняться при различных соотношениях плотности и скорости отдельных транспортных средств, формирующих транспортные потоки.

Таким образом, исследование взаимозависимости динамики транспортных потоков и их «экологической нагрузки» с привязкой к реальной улично-дорожной сети города, требует совершенствования методики и аппаратурного оформления измерений.

Известно, что работа двигателя автомобиля, а значит и расход топлива, и связанный с ним выброс загрязняющих веществ зависит от многих факторов. Различия в настройках двигателя, трансмиссии транспортных средств значительно усложняют измерения расхода топлива на определенном участке. Устанавливаемые заводские требования в настройке и нормативные акты по расходу топлива достаточно тяжело контролировать в режиме движения транспортного средства. Непосредственные сравнения показали, что два автомобиля одной и той же марки одного и того же возраста расходуют различные объемы топлива.

Для проведения исследований взаимосвязи динамики транспортных потоков и реальной улично-дорожной сети необходимо было иметь надежную систему замеров расхода топлива транспортным средством.

Нами был разработан и изготовлен автомобильный компьютерный комплекс, включающий в себя систему датчиков, компьютер, источник вывода информации – монитор и мобильное распечатывающее устройство, подключаемые напрямую к узлам диагностики транспортного средства и способные в реальном времени выводить параметры движения транспортного средства.

Автомобильный двигатель представляет собой сложную систему, состоящую из отдельных подсистем: топливно-эмиссионной, зажигания, охлаждения, смазки и т.д. Все системы связаны друг с другом и при функционировании они образуют единое целое.

Управление двигателем нельзя рассматривать отдельно от управления автомобилем и, в частности, от реальной улично-дорожной ситуации. Скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя зависят от скоростных режимов движения автомобиля в различных условиях эксплуатации, которые включают в себя разгоны и замедления, движение с относительно постоянной скоростью, остановки. Водитель изменяет скоростной и нагрузочный режим двигателя, воздействуя на передаточное отношение трансмиссии автомобиля и педаль акселератора (дроссельную заслонку). Выходные характеристики двигателя при этом зависят от состава топливовоздушной смеси и угла опережения зажигания, управление которыми осуществляется с помощью механических, электронно-механических или электронных систем управления двигателем (рисунок 1).

Основное предназначение систем контроля двигателем состоит в обеспечении максимальной мощности двигателя при минимальном расходе топлива и, вдобавок к этому, - обеспечении минимального содержания вредных веществ в выхлопных газах [1].

Контроль работы двигателя осуществляется с помощью информации от датчиков и обработки в едином блоке управления с помощью ряда информационных систем. Для контроля работы двигателя при проведении эксперимента применялись следующие датчики: проволочный датчик определения массового расхода воздуха, датчик давления с мембранным чувствительным элементом, датчик температуры - полупроводниковый терморезистор, датчики контактного типа - для определения угловой скорости перемещения (частоты вращения) коленчатого вала, датчики кислорода (-зонды).

Интегратор сигналов (ИС) предназначен для регистрации изменяющихся во времени сигналов, их преобразования и передачи в аналогово-цифровой преобразователь. После оцифровки модулем сигнал предается через кабель USB в персональный компьютер для дальнейшей обработки и анализа.

Программа на языке Delphi позволяет фиксировать все данные, поступающие от датчиков в подсистемах зажигания и топливно-эмиссионной системе в форме базы данных посекундных показаний, которые в дальнейшем были использованы для нахождения общего расхода топлива автомобилем на испытуемом участке. Кроме того, фиксировались показания пройденного расстояния, мгновенной скорости и мгновенного ускорения транспортного средства.

Р исунок 1 – Контроль работы автомобильного двигателя

Перед началом эксперимента с испытательного автомобиля проводилась съемка показателей с сигнальных трактов системы управления двигателем. Информации о процессах, происходящих при работе двигателя, анализировалась, при необходимости проводилась настройка двигателя по заводским требованиям и нормативным данным [3].

Перед испытательными заездами в диагностическом центре проводилось исследование автомобиля с помощью анализатора VEA-501. 5-ти компонентный газоанализатор применяли для измерения углеводородов (CН), угарного газа (СО), окиси азота (NO), углекислого газа (CO₂) и кислорода (O₂), содержащихся в выхлопных газах автомобиля. Измерения выполнялись в соответствии с нормами выбросов OIML R99 CLASSI, ISO3930, ASM/BAR97, и GB14761.5-93.

Для контроля работы двигателя в процессе эксперимента на компьютере каждый час фиксировались данные с датчика определения массового расхода воздуха, датчика давления, датчика температуры, датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика кислорода.

Применение данного измерительного комплекса позволяет проводить исследования динамических характеристик технической системы «участок дорожной сети - динамические характеристики автомобиля» с высокой степенью точности при постоянном контроле работы систем автомобиля, что позволяет избегать ошибочных и неточных показателей.

Для проведения натурных испытаний были выбраны 3 участка дороги в черте г. Брянска с 2-х, 3-х, 4 полосным движением, длиной 2 км, без затяжных продольных уклонов более 10‰. Испытания проводились в двух направлениях поочередно. На каждом участке было проведено 3 заезда для каждого эксперимента.

Движение транспортного средства в фазах, отличных от фазы свободного движения, характеризуется зависимостью скорости движения автомобиля от впереди идущих участников движения. В синхронизированном потоке имеет место частое изменение скорости и большое количество торможений и разгонов с большой величиной изменения скорости.

Различия в расходе топлива для аналогичных скоростей равномерного движения объясняются, в первую очередь, различиями в динамике движения транспортного средства. При равномерном движении автомобиль значительно меньше производит резких торможений и разгонов, по сравнению с синхронизированным потоком.

Движение в потоке является процессом более сложным, чем движение в свободном потоке, о чем свидетельствует и полученная функция, математически описывающая зависимость «расход топлива – скорость движения». Полином функции, описывающий движение в потоке, равен третьей степени, а полином функции движения в свободном потоке - второй степени.

Для двух полученных зависимостей обобщающая картина расхода топлива от скорости потоков для условия прохождения автомобильной дороги по населенному пункту представлена на рисунке 2.

По полученным зависимостям возможно определить расход топлива автомобилем в зависимости от скорости движения и фазы движения. Скачок на приведенном графике объясняется определенными погрешностями при проведении эксперимента, в связи с возможными неточностями определения средних скоростей движения, округлением расчетных параметров и несоответствующими единице коэффициентами детерминации функций. Однако существующая погрешность не оказывает большого воздействия на расчет конечных параметров.

Рисунок 2 – Зависимость расхода топлива от скорости движения при свободной (правая ветвь)

и синхронизированной (левая верхняя ветвь) фазах транспортного потока

Литература

1 Больте Ф. Влияние управления транспортными потоками на окружающую среду и безопасность движения // Автомобильные дороги: безопасность, экологические проблемы, экономика (российско-германский опыт) / Под ред. В.Н. Лукунина, К.-Х. Ленца. – М.: Логос, 2002. – С.357-363.

2 Луканин В.Н., Трофименко Ю.В., Буслаев А.П., Яшин М.В. Выбросы вредных веществ и расход топлива транспортным потоком на дорожной сети // Автомобильные дороги: безопасность, экологические проблемы, экономика (российско-германский опыт) / Под ред. В.Н. Лукунина, К.-Х. Ленца. – М.: Логос, 2002. – С.545-568.

3 Нормы расхода топлива и смазочных материалов на автомобильном транспорте: рук. док. Р3112194-0366-03.