Автотракторные топливомеры

Концепция. Проблемы. Отдельные технологические решения

1. Актуальность.

Расход топлива и запасных частей определяют основную часть эксплуатационных издержек на содержание автотранспортного средства (АТС). Известна взаимосвязь величин расхода топлива трактором или автомобилем и скорости изнашивания деталей сопряжений узлов и агрегатов. При этом одному проценту перерасхода топлива соответствуют 2...4 процента роста скорости изнашивания деталей узла, механизма, вызвавшего перерасход, в зависимости от его функционального назначения и силовой нагрузки. Согласно известным данным, в условиях рядовой эксплуатации отечественных тракторов средний перерасход топлива составляет 6...10%; соответственно, реальная скорость изнашивания отдельных деталей выше нормативной на 12...40%, т.е. расход запасных частей в среднем на 20...25% больше номинального.

Известна также пропорциональная зависимость величин перерасхода топлива и предельного уровня развиваемой трактором или автомобилем мощности. Из вышеизложенного следует, что расход топлива АТС является интегральным (обобщающим) диагностическим параметром, определяющим затраты на эксплуатацию АТС.

Точный штатный контроль запасов и расхода топлива в процессе эксплуатации АТС позволит своевременно предупреждать развитие процессов изнашивания и, таким образом, сэкономить значительные материальные, финансовые, временные и экологические ресурсы как общества в целом, так и отдельных владельцев.

2. Состояние вопроса.

Несмотря на актуальность задачи по созданию и промышленному производству высокоточных и надежных штатных топливомеров для АТС, ни одна из передовых стран мира их не выпускает.

Данный факт, вообще говоря, подтверждает достаточно высокую категорию сложности решения этой научно-технической и практической проблемы. Ее особенность заключается в реализации высокой точности измерений в условиях рядовой эксплуатации АТС (например, трактора).

Другой проблемой на пути решения задачи является согласование объективной стоимости топливомера (соответствующего современным требованиям экономической полезности, точности и надежности) с заводами-производителями автомобилей и тракторов.

Это обстоятельство играет важную роль для разработчика-производителя топливомеров, ибо определяет экономическую базу (допустимый уровень затрат) на разработку и производство топливомеров.

Как правило, отдельное предприятие не интересует снижение затрат на эксплуатацию его автомобиля или трактора. По-видимому, имеет место недооценка того, что потребительская цена АТС за срок службы для пользователя определяется суммой цены производителя АТС и затратами на его эксплуатацию. Таким образом, особенно в условиях рынка, величина эксплуатационных затрат, экологическая безопасность и экономичность АТС, зависящие от расхода тепловой энергии топлива, являются определяющими составляющими конкурентоспособности автомобиля или трактора.

При прочих, относительно близких, потребительских характеристиках АТС, использование высокоточных топливомеров обеспечит сокращение эксплуатационных затрат на 10...15%, повысит комфортность эксплуатации, уровень экологической безопасности и топливной экономичности.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что внедрение высокоточного топливомера позволит расторопному производителю ТС приблизиться к конкуренту, или оторваться от него путем расширения рынка сбыта своих машин.

И последнее по данному вопросу. В качестве объективной меры стоимости топливомера, в зависимости от его функциональных возможностей, следует принять 10...20% от эксплуатационных издержек, обусловленных применением поплавковых датчиков уровня на АТС.

Автотракторные поплавковые датчики уровня (ПДУ), использующие механический принцип измерения, по точностным характеристикам не относятся к измерительным средствам. Они относятся к советующим приборам и не могут быть использованы для измерения расхода и запасов топлива в баке ввиду неудовлетворительной достоверности. Схематично ПДУ изображен на рис.1. Для представленной здесь конструкции, а это серийное изделие, характерна «мертвая», т.е. неизмеряемая зона, выделенная желтым цветом. Вклад «мертвой зоны» в ошибку для пользователя составляет 0,8 от величины этой зоны при равновероятном законе распределения топлива выше ее нижней границы. Просуммировав ошибку «мертвой зоны», инструментальную погрешность поплавка и указателя, получаем полную ошибку указателя для любого значения уровня, о величине которой обычно не говорят. Оценка в динамике (во время езды), по-видимому, недопустима даже в качестве совета. Об оценке расхода топлива с помощью ПДУ вообще говорить не приходится, т.к. расход определяется по разнице двух значений указателя, но ошибка при этом дополнительно возрастает в 1,4 раза. В этой связи эксплуатация АТС, оснащенных ПДУ, приводит к дополнительным издержкам или стрессовым ситуациям (которых могло бы и не быть), обусловленным невозможностью принятия оптимального (точного) решения по «советам» ПДУ, например, по следующим практическим вопросам: 1) сколько осталось топлива в баке; 2) каков будет реальный пробег на остатке топлива, хватит ли его до известного заправочного пункта; 3) сколько заказать топлива, чтобы залить полный бак без переполнения и недолива; 4) насколько изменился расход топлива за 1...2 года эксплуатации; 5) целесообразно ли продолжать эксплуатацию (старого) АТС; 6) как объективно оценить качество текущего ремонта, технического обслуживания, регулирования и др.

3. Ожидаемая экономическая эффективность.

Экономический эффект от использования точного топливомера, альтернативного ПДУ, следует ожидать за счет:

1. оперативного обнаружения по величине расхода топлива отклонений в техническом состоянии (возникших неисправностей и разрегулировок) АТС;

2. сокращения среднегодового расхода топлива на 10 – 15%;

3. сокращения расхода запасных частей и затрат на текущий ремонт на 15...20%;

4. сокращения времени на заправки, роста беззаправочного пробега, исключения переливов топлива;

5. снижения трудоемкости и обеспечения достоверности оценки качества текущего ремонта и технического обслуживания;

6. обеспечения точности принятия решения при оценке стоимости АТС на этапах его покупки, продажи, списания.

4. Практические результаты.

В ходе разработки автотракторного топливомера учитывался тот факт, что в современных системах впрыска автомобильных и тракторных двигателей часть нагнетаемого топлива перепускается (возвращается обратно) в топливный бак. Поэтому точно оценить одновременно текущие запас и расход топлива АТС можно только на основе высокоточного датчика уровня (количества) топлива, расположенного в баке. При этом расход топлива должен определяться средствами электроники, либо, в простейших топливомерах, может быть определен с помощью наручных часов.

В 1991 году по заказу ПО «Кировский завод» автором, в качестве руководителя и главного конструктора была завершена опытно-конструкторская работа по тракторному варианту топливомера. Пять опытных образцов прошли стендовые и предварительные испытания на колесном тракторе К702М. Они были переданы заводу, установлены на серийные машины и проданы. Имеются положительные протоколы испытаний на соответствие требованиям технического задания. Техническая характеристика топливомера обеспечивала при высоте бака 1100 мм: линейную выходную характеристику датчика и стрелочного указателя; независимость показаний указателя от динамических колебаний уровня топлива в баке трактора как при движении, так и при трогании и торможении; нечувствительность к уровню вибраций; погрешность измерения со стрелочным индикатором не более 1,5%; контроль допускаемого уровня воднотопливной эмульсии на дне бака.

Высокие характеристики надежности и точности топливомера обеспечивал резонансный датчик, выполненный на основе отрезка так называемой «длинной линии» (электромагнитной колебательной системы с распределенными постоянными), расположенной по высоте бака. По существу, чувствительный элемент датчика может быть представлен в виде электромагнитной «следящей линейки», длина (длина волны) которой пропорционально увеличивается при заполнении бака топливом частично или полностью и уменьшается до первоначальной величины при опорожнении топливного бака.

На самом деле, в приборе измеряется резонансная частота датчика, по изменению которой определяется уровень или объем. Электронный блок топливомера стандартно преобразует частоту в напряжение постоянного тока, которое выводится на стрелочный индикатор. Начало отсчета (ноль) датчика определяется положением конца всасывающего патрубка. Нестабильность частоты датчика при полном заполнении дизельным топливом в диапазоне температур –20...+50°С не превышала 0,33%. Стрелочный прибор не пригоден для полной реализации точностных возможностей датчика. Разрешающая способность датчика с измерительной базой в 1 метр была не хуже 0,7мм и определялась по частотомеру.

В связи со сложным финансовым положением работы по завершению проекта были временно приостановлены. В 1997 г. на средства творческого коллектива разработан и создан не имеющий аналогов экспериментальный образец топливомера для автомобиля нового поколения с короткой измерительной базой, особенностью которого является использование микропроцессора. На фото представлен общий вид автомобильного топливомера.

Микропроцессорный вариант топливомера значительно расширяет его возможности, в частности, не только на оценку количества и расхода топлива, но и его сортность (качество). При измерении расхода топлива легкового автомобиля время измерения не превысит 10 – 12 минут на холостом ходу и 5 – 6 минут при скорости от 70 до 100 км/ч, что позволит оперативно выявлять возникновение отклонений в техническом состоянии.

Резюме.

Этап НИР подтвердил высокую точность и надежность резонансных датчиков при измерении запасов и расхода топлива АТС.

Автор благодарит всех без исключения сотрудников, принимавших участие в реализации проекта на различных его стадиях и этапах.