Лекция 9. ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ 1. Оценочные показатели топливной экономичности 2. Уравнения расхода топлива 3. Топливная характеристика автомобиля 4. Топливная экономичность автопоезда 5. Расход топлива в ездовом цикле

Топливной экономичностью называют совокупность свойств автомобиля, определяющих расходы топлива при выполнении им транспортной работы в различных условиях эксплуатации. Топливная экономичность непосредственно зависит от конструкции автомобиля. Она определяется степенью совершенства рабочих процессов двигателя и трансмиссии, оцениваемой их КПД, совершенством формы автомобиля, характеризуемым потерями на преодоление сопротивления воздуха, рациональностью использования массы автомобиля, оцениваемой коэффициентом грузоподъемности. Топливная экономичность автомобиля очень важна с точки зрения экономики, так как стоимость топлива составляет до % всех затрат на перевозки. Ее анализ позволяет осуществить обоснованный выбор подвижного состава автотранспортного предприятия и рациональное его использование при выполнении транспортных работ.

1. Оценочные показатели топливной экономичности Основным измерителем топливной экономичности автомобиля в большинстве стран является расход топлива в литрах на 100 км пройденного пути путевой расход топлива Q s (л/100 км). Эффективность использования топлива оценивают его расходом на единицу выполненной транспортной работы удельным расходом топлива. Удельный расход топлива представляет собой отношение среднего путевого расхода к выполненной полезной работе по перевозке грузов или пассажиров: (1) (2) где т г масса перевезенного груза, т; n П количество перевезенных пассажиров. Стандартом [14] предусмотрено определение следующих показателей и характеристик топливной экономичности автомобиля:

1. контрольный расход топлива; 2. расход топлива в магистральном цикле на дороге; 3. расход топлива в городском цикле на дороге; 4. расход топлива в городском цикле на стенде; 5. топливная характеристика установившегося движения; 6. топливная характеристика на магистрально-холмистой дороге. Контрольный расход топлива (Q sk (л/100 км) определяют при установившемся движении на высшей передаче при двух значениях скоростей: 40 и 60 км/ч для городских автобусов и полноприводных автомобилей полной массой свыше 3,5 т; 60 и 80 км/ч для грузовых автомобилей, автобусов специального назначения, междугородных и дальнего следования, автопоездов полной массой свыше 3,5 т; 90 и 120 км/ч для легковых автомобилей, автобусов и грузовых автомобилей полной массой до 3,5 т. Испытания проводят на горизонтальной дороге с твердым покрытием в сухую погоду. Расход топлива измеряют на мерном участке длиной 1 км. При этом выполняется не менее трех заездов и полученные значения расхода усредняются. Испытания должны проводиться при нормальных тепловых режимах двигателя и механизмов трансмиссии. Для этого осуществляется пробег автомобиля на расстояние не менее 50 км при скорости не ниже 2/3v max.

Контрольный расход топлива оценивает техническое состояние автомобиля, поэтому испытания по определению Qsk широко распространены в эксплуатационной практике. Путевой расход топлива при циклическом движении Q sц (л/100 км) оценивает показатели 2-4. Стандартом регламентированы три вида ездовых циклов: магистральный, городской и стендовый. Ездовые циклы дифференцированы в зависимости от типа автомобиля и его полной массы. При испытаниях автомобиля полной массой до 3,5 т нагрузка на него должна составлять половину номинальной грузоподъемности, но не менее 180 кг. Автомобили полной массой свыше 3,5 т испытывают с полной нагрузкой. Ездовые циклы представляют собой соответствующие программы движения автомобиля на участке дороги длиной 4000 м, предусматривающие этапы разгона, равномерного движения, торможения и остановок. Топливная характеристика установившегося движения представляет собой график зависимости путевого расхода топлива от скорости в заданных дорожных условиях. Испытания проводят при полной нагрузке, без груза и с прицепом. Заезды совершают при нескольких постоянных значениях скоростей, определяя при этом объемы израсходованного топлива.

Условия испытаний те же, что и при определении Q sk. Усреднив полученные значения расходов и умножив их на 100, получают значения путевого расхода топлива в л/100 км. Топливная характеристика на магистрально-холмистой дороге это зависимость путевого расхода топлива от допустимой на маршруте скорости движения. Строят также характеристики зависимости расхода топлива от средней скорости движения. Они позволяют судить о топливной экономичности автомобиля при переменных режимах движения в условиях, когда скорости ограничены. 2. Уравнения расхода топлива Показатели и характеристики топливной экономичности можно получить не только эмпирически, но и теоретически, вычисляя их значения по соответствующим формулам. Для этого используются характеристики удельного и часового расходов топлива двигателя и характеристики мощностного баланса автомобиля.

Удельный расход топлива двигателя g Д [г/(к Вт · ч)] представляет собой отношение расхода топлива в единицу времени при установившемся режиме работы двигателя к развиваемой на этом режиме мощности. Для оценки расхода топлива в единицу времени используют часовой расход топлива G T (кг/ч). Удельный и часовой расходы связаны соотношением (3) где Р д.н мощность, развиваемая двигателем на установившемся режиме при ω д = const, Вт. Мощность Рд.н характеризует нагрузку двигателя, определяемую сопротивлениями движению автомобиля, потерями в трансмиссии и затратами мощности на привод вспомогательного оборудования двигателя и систем управления автомобилем. Значения Р д.н определяют по графику мощностного баланса автомобиля либо вычисляют по формуле (4)

Путевой расход топлива автомобиля Q s (л/100 км) зависит от часового расхода G Т и скорости v и вычисляется по формуле (5) где v скорость автомобиля, м/с; ρ т плотность топлива, кг/м 3 (плотность бензина ρ т = 730 кг/м 3, дизельного топлива ρ т = 860 кг/м 3). Выразим G T через g д и подставим в формулу (5): (6) Удельный расход топлива g Д зависит от режима работы двигателя. На рис. 1 приведена характеристика топливной экономичности двигателя, на которой нанесены линии мощностей нагрузки Р д.н.i при постоянных значениях удельных расходов топлива gdi = const. Их называют линиями равных удельных расходов топлива. Они отражают зависимости g Д от угловой скорости коленчатого вала ωд и мощности нагрузки Р д.н.

Номера линий g Дi соответствуют номерам индекса i, причем чем больше номер, тем выше g Дi т.е. g Д1 <g Д2 … <g Д6. Точке А соответствует минимальный удельный расход топлива gДmin, а точке В максимальной мощности двигателя Р этах удельный расход топлива g eP. На внешней скоростной характеристике g Д min удельный расход топлива обозначают g e =f(ω д ). Из рис. 1 следует, что при одной и той же мощности нагрузки двигателя Р д.н удельный расход топлива различен и зависит от скоростного режима двигателя. Рис. 1. Характеристика топливной экономичности двигателя

На линиях равных уровней g Дi отметим точки, соответствующие максимальным значениям мощностной нагрузки P ДHi и проведем через них линию АВ. Эта линия представляет собой характеристику оптимальной нагрузки двигателя по удельному расходу топлива. Ее также называют характеристикой минимального удельного расхода топлива двигателя. Минимальный удельный расход топлива g Дmin [г/(к Вт ч)] зависит от типа, конструктивных особенностей и совершенства рабочего процесса двигателя и находится в пределах для карбюраторных двигателей; для бензиновых с впрыском топлива; для дизельных. Удельный расход топлива при максимальной мощности обычно на % больше g Дmin : Удельный расход топлива g Д зависит от нагрузки двигателя и скоростного режима. Эту зависимость можно представить выражением (7) где k И коэффициент, учитывающий зависимость g Д от уровня нагрузки двигателя;

k Е коэффициент, учитывающий зависимость g д от скоростного режима двигателя. Коэффициент k И представляется в виде функции k И = f(И), где И коэффициент использования мощности двигателя, равный отношению мощности нагрузки двигателя РДH к эффективной мощности Ре, определяемых на одном и том же скоростном режиме. Значение И вычисляется по формуле. Коэффициент kЕ представляется в виде функции k Е = f(Е), где Е коэффициент использования угловой скорости коленчатого вала двигателя, равный отношению угловой скорости ω д (или частоты коленчатого вала nд) на данном скоростном режиме к угловой скорости ω Р (или частоте п р ) при максимальной мощности двигателя Р еmaх : (8)

Коэффициенты k И и k Е определяются по эмпирическим формулам, которые получают путем статистической обработки результатов экспериментов, проводимых для построения нагрузочных характеристик двигателей. Испытаниям должно подвергаться возможно большее количество однотипных двигателей, различающихся между собой основными параметрами Но испытания требуют значительных материальных и временных затрат. Вместе с тем полученные результаты довольно быстро устаревают в связи с постоянным совершенствованием рабочих процессов двигателей. Для двигателей, разработанных до 1980 г., получены формулы в виде полиномов третьего порядка: для карбюраторных двигателей (9) для дизельных двигателей (10) для всех типов двигателей (11)

При определении Q s по формуле (5) необходима эмпирическая зависимость вида часовой расход топлива при Р этах. В учебнике [6] предлагается более простая зависимость:. Значение к и вычисляется по формуле (12) где α 0, α 1, a 2 эмпирические коэффициенты, значения которых для некоторых двигателей приведены в табл. 1. Таблица 1. Эмпирические коэффициенты для двигателей При отсутствии данных для современных четырехтактных дизельных двигателей можно принимать а 0 = 0,20; а 1 = 0,44; а 2 = 0,36.

В заключение отметим, что формулы (9)...(12) позволяют осуществлять лишь приближенную сравнительную оценку топливной экономичности автомобиля. Более высокую точность можно получить при наличии экспериментальных характеристик топливной экономичности двигателя в виде, представленном на рис. 1. Такие характеристики позволяют получить уравнение регрессии, связывающее безразмерный коэффициент расхода топлива k G с коэффициентами И и Е. Часовой расход топлива при этом вычисляется по формуле (13) Регрессия второго или третьего порядка обеспечивает достаточно высокую точность определения GT. Уравнение регрессии второго порядка имеет вид (14) 3. Топливная характеристика автомобиля Топливная характеристика автомобиля представляет собой график зависимости путевого расхода топлива Qs от скорости v при установившемся движении.

Рис. 2. Топливная характеристика автомобиля: а на различных передачах; б в зависимости от нагрузки (1 полная нагрузка; 1 без нагрузки); в в зависимости от дорожного сопротивления

При эксплуатации автомобиля в условиях широкого изменения дорожных условий используется характеристика, приведенная на рис. 2, в. Эту характеристику строят на нескольких высших передачах при различных коэффициентах суммарного дорожного сопротивления ψ 1 = const. Из рис. 2, в видно, что при изменении коэффициента ψ в пределах ψ 1 ψ ψ 4 автомобиль может работать на IV передаче, а при ψ > ψ 4 движение возможно только на III передаче. С увеличением дорожного сопротивления путевой расход топлива Q s существенно возрастает. Кривые III и IV, ограничивающие сверху топливные характеристики на соответствующих передачах, представляют собой зависимости Q s от скорости при работе двигателя на внешней скоростной характеристике. Для построения топливной характеристики необходимо определить мощности нагрузки двигателя Р дн при заданных значениях ψ, варьируя скорость автомобиля v на всех передачах, а затем, используя формулы (6)...(11), вычислить соответствующие им значения путевого расхода топлива Q s. По топливной характеристике (см. рис. 2, а) можно определить экономичную скорость vЭK, обеспечивающую минимальный путевой расход топлива при движении по дороге с заданным коэффициентом ψ.

Очевидно, что v ЭK < v max. Топливная характеристика используется также для определения контрольных расходов топлива Q sk 4. Топливная экономичность автопоезда При работе автомобиля в составе автопоезда суммарное сопротивление движению значительно возрастает, что обусловлено увеличением массы и сопротивления воздуха, создаваемого прицепами. Увеличение массы эквивалентно увеличению коэффициента суммарного дорожного сопротивления. Из топливной характеристики (см. рис. 2, в) видно, что путевой расход топлива при этом увеличивается. Однако несмотря на это, удельный расход топлива q г значительно снижается. Одновременно существенно повышается производительность автотранспортного средства (см. рис. 7.3). В результате себестоимость перевозок грузов автопоездом меньше, чем одиночным автомобилем, и поэтому достигается значительный экономический эффект. Этим объясняется широкое применение автопоездов. Определим удельный расход топлива автопоезда. Подставим в формулу (1) значение Q s из выражения (6):

(15) Мощность Р д.н при равномерном движении определяется по формуле (4). Вычислив g Д и Р д.н для автопоезда и одиночного автомобиля с учетом скорости движения v в заданных дорожных условиях, можно сравнить получаемые значения q Г и оценить эффективность использования топлива автопоездом. Основное влияние на уменьшение q Г оказывает увеличение массы перевозимого груза. Удельный расход топлива двигателя g Д также уменьшается, что обусловлено возрастанием коэффициента использования мощности И. Средняя скорость автопоезда обычно на % ниже, чем у одиночного автомобиля, поэтому, несмотря на увеличение фактора обтекаемости автопоезда (k w A Л ), силы сопротивления воздуха у обоих оказываются сопоставимыми. КПД трансмиссии в связи с увеличением передаваемой нагрузки повышается, поэтому потери мощности в трансмиссии хотя и возрастают, но не пропорционально нагрузке. Мощности Р отб у автопоезда и одиночного автомобиля практически одинаковы.

Учитывая отмеченные особенности, примем в первом приближении, что Р отб + P тр + P w у автопоезда и одиночного автомобиля примерно одинаковы, а значение мощности, затрачиваемой на преодоление дорожного сопротивления, определим по формуле P w = m ап gψv и подставим в выражение (15). Представим q Г в виде суммы слагаемых q Г = q Г1 + q Г2, где q Г1 составляющая удельного расхода топлива автопоезда, обусловленная дорожным сопротивлением; q T2 составляющая q T, обусловленная остальными сопротивлениями: (16) (17)

Из формулы (16) следует, что q Г1 зависит от отношения собственной массы автопоезда т 0 к его грузоподъемности т Г. С уменьшением этого отношения q Г1 снижается, а следовательно, уменьшается и q Г. Собственная масса прицепа значительно меньше массы автомобиля той же грузоподъемности. Поэтому в случае применения прицепа масса перевозимого груза увеличивается примерно вдвое, а собственная масса автопоезда возрастает всего на %. 5. Расход топлива в ездовом цикле Ездовой цикл представляет собой чередование режимов разгона, установившегося движения, торможения и остановок. На основе ездового цикла определяют путевой расход топлива при циклическом движении Q sц (л/100 км). Определим суммарные расходы топлива на всех участках ездового цикла. Участки разгонов. Для определения расхода топлива на участках разгона необходимо построить характеристики часового расхода топлива G T (кг/ч) как функции скорости автомобиля v на всех передачах.

Двигатель при разгонах работает на внешней скоростной характеристике, поэтому часовой расход топлива можно определить по формуле (18) где g e удельный расход топлива двигателя при работе на внешней скоростной характеристике, г/(к Вт ч); Р е мощность двигателя, Вт. Так как при этом Тогда (19) Определив значения Р е и к Е при принятых значениях ω д и вычислив при этом скорость v на соответствующих передачах, получим необходимые данные для построения характеристик часового расхода топлива, показанных на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики часового расхода топлива автомобиля на передачах На схеме ездового цикла для каждого участка разгона указана начальная v i0 и конечная v ik скорости. Время разгона t il на i-м участке определяется по графику характеристики разгона v = f(t) (рис. 4, а). При этом отрезок времени t pi разбивается на т примерно равных интервалов Δ tj.

Количество интервалов т принимается в зависимости от кривизны характеристик v = f(t) и G T =f(v). Чем больше их кривизна, тем больше необходимо принять интервалов. Минимальное количество т = Для каждого интервала по графику на рис. 3 находятся G Tj и (G Tj +1, а затем вычисляется расход топлива за время Δt j (20) Суммируя ΔG pj для всех интервалов т, получаем расход топлива на i-м участке разгона (21) Путь s Ti проходимый автомобилем на i-м участке разгона, находится по графику рис. 4, б по значениям скоростей в начале v i0 и конце v iK разгона.

Рис. 4. Характеристики разгона автомобиля: а v = f(t); б v = f(s)

Суммарный расход топлива на всех участках разгона (л) определяется по формуле (22) где N p количество участков разгона в ездовом цикле. Участки установившегося движения. Определение расхода топлива Q ycтk (л) на участках установившегося движения с заданными постоянными скоростями v ycтk осуществляется по формуле (23) где Q sk путевой расход топлива (л/100 км) при скорости v ycтk, определяемый по топливной характеристике установившегося движения (рис. 5); s ycтk часть длины к-го участка, на которой автомобиль движется с постоянной скоростью v ycтk.

Рис. 5. Топливная характеристика установившегося движения автомобиля При определении s ycтk необходимо из длины k-го участка вычесть путь разгона s pk и путь торможения s Tk, отнесенные к k-му участку. Суммарный расход топлива на всех N ycт участках установившегося движения (24)

В схемах ездовых циклов предусмотрены режимы торможения для снижения скорости до заданных значений и до полной остановки на указанном отрезке пути s Tk. При этом осуществляется служебное торможение, при котором наряду с тормозными механизмами используется торможение двигателем. В системах питания современных двигателей предусмотрены.устройства, отключающие подачу топлива при торможении двигателем. Поэтому расход топлива на участках торможения незначителен и им можно пренебречь. В городском цикле предусмотрены остановки автомобиля. Расход топлива (л) за время остановки t ост вычисляется по формуле (25) где G T.X часовой расход топлива на холостом ходу двигателя. В первом приближении где G TP часовой расход топлива при максимальной мощности двигателя.

Путевой расход топлива при циклическом движении Q sц (л/100 км) определяется по формуле (26) где s ц длина пути ездового цикла, м (обычно 4000 м).