ПАЛИВНА ЕКОНОМІЧНІСТЬ АВТОМОБІЛЯ

Рівняння витрати палива при русі автомобіля

Вартість палива складає до 14—20 % від усіх витрат на авто­мобільні перевезення, тому необхідно його використовувати з мак­симальною ефективністю для виконання транспортної роботи. Із зниженням витрати палива автомобілями також зменшуватимуть­ся викиди шкідливих речовин в атмосферу, і це покращить еколо­гію довкілля. Паливна економічність автотранспортного засобу виз­начає ступінь раціонального використання палива при перевезенях у різних експлуатаційних умовах.

Для розрахунку оціночних показниквів паливної економіч­ності автомобіля необхідне рівняння витрати палива.

В усіх випадках, коли двигун виробляє ефективну потужність М, кВт, а питома витрата ним палива складає #е, г/кВттол. при русі автомобіля буде витрачатися палива за одну годину

де рт — щільність палива, кг/м3.

Для проїзду автомобілем загальної відстані у 100 км із шекдк-істю поступального руху V, км/год, необхідна кількість палива скла­датиме величину

&-77Г7Г-' л/ІООкм. ,4.2)

Загальна потужність Nдвигуна, яка використовується при русі автомобіля на подолання сил зовнішнього опору, відповідно до балансу потужності (див. розділ 1.7) може включати такі складові

4.1. Рівняння витрати палива при русі автомобілі

частини: уУТр — втрати потужності у трансмісії; N. — потужність опору кочення коліс; Л^, УУ, Ц — потужність відповідно для подо­лання підйому дороги, опору повітря та на розгін АТЗ. Із цих скла­дових частин обов'язково мають бути враховані постійно наявні

втрати потужності у трансмісії (7УТр - N^)т) і на подолання опору кочення коліс ИІ та повітря УУ згідно формул (1.46), (1.48). А скла­дові частини у вигляді витрат для подолання підйому УУА та на розгін автомобіля N. відповідно до виразів (1.47), (1.49) включаються у величину N пля. відображення конкретних особливостей умов по­ступального руху автомобіля. У загальному вигляді використану сумарну потужність А/" двигуна можливо представити як

Після підстановки виразу (4.3) в формулу (4.2) показника витрати палива та скорочення на швидкість V, одержуємо:

Замінивши у виразі (4.4) силу Р. виразом (1.38) та розмірність Кіз м/сек на км/год, записуємо:

3,6 Ш )

У вираз (4.5) часто доцільно вводити сумарний коефіцієнт опору дороги у - /со5 а ± 5іп а, тоді рівняння витрат палива АТЗ в загальному вигляді буде таким

Рівняння (4.6) дозволяє оцінювати кількісний вплив основних факторів на паливну економічність автомобіля у різних режимах.

При усталеній швидкості руху автомобіля на горизонтальній дорозі будуть відсутні сили опору Рк, тому рівняння (4.6) спро­щується до вигляду

Вихідні параметри, що визначають витрату палива

автомобілем

Формули (4.3—4.8) містять змінний параметр — повну масу АТЗ Ма. Інколи для зручності краще її виразити через суму складо­вих частин, позначених так: споряджена маса автомобіля Мо або сідельного тягача Мог> маса вантажу Мв в кузові автомобіля, повна маса завантаженого причепу Л/пр або напівпричепу Мпп. Тоді замість параметру Ма в рівняння (4.6-4.8) підставлятимуться вирази:

- для одиночного автомобіля М = Мп+ М •

- для причіпного автопоїзда Л/^ = Мо+ Мв+ Л/пр;

- для сідельного автопоїзда Л/АП = Мот + Мпп.

Рівняння витрати палива (4.6) визначає її чисельне значення в безпосередній залежності від різнорідних факторів, які чітко под­іляються на конструктивні параметри конкретної моделі АТЗ (де, г\т, Мо, Кд, Р, 6ВР) та експлуатаційні характеристики умов і режимів

АУ

його поступального руху (\|>, V, ——, Мв, МПР, Мпп, рт). Той або

ш

інший кількісний вплив окремих факторів виявляється шляхом аналізу чисельних результатів розрахунку витрат палива АТЗ. Тен­денція якісного впливу різних факторів видна вже із розгляду са­мої структури рівнянь витрат палива АТЗ, в зв'язку з чим звернемо увагу на такі переважні напрямки.

4.2. Вихідні параметри, що визначають витрату палива аетомооисм

Загальна паливна економічність автомобільного двигуна відіграє велику роль у витратах палива автомобілем, що підтверд­жується рівняннями (4.5—4.8). Головний показник економічності двигуна — питома витрата палива ^€ — стоїть в цих рівняннях як множник перед дужкою із сумою досить великих чисельних вели­чин (завдяки впливу повної маси Ма автомобіля). Саме тому навіть невисокі абсолютні значення зміни параметру <7Г будуть кожного разу впливати на кінцевий параметр (25 — витрату палива АТЗ. Можливо більш точному визначенню параметру де має приділяти­ся велика увага.

З іншої сторони збільшення коефіцієнту корисної дії трансмісії г\т, який входить до знаменника дробу перед дужками, має пози­тивний вплив на зниження показника фу Відомо, що для найбільш поширеної механічної трансмісії автомобілів ККД знаходиться в межах 0,85—0,95. Більш складні типи трансмісій (гідрооб'ємна, електромеханічна) мають ККД порядку 0,75—0,85. З інших важли­вих конструктивних параметрів в рівняннях (4.5—4.8) слід вказати на споряджену масі Мо і коефіцієнт обтічності К^ На їх зменшен­ня постійно спрямовані пошуки в конструюванні нових автомобілів.

При експлуатації різноманітних моделей АТЗ, конструктивні параметри яких вже визначені, на витрату палива (^головним чи­ном впливають такі експлуатаційні характеристики умоз викорис­тання автомобіля, як швидкість Р'та прискорення ^а руху, а особ­ливо коефіцієнт гр опору дороги, який помножується на повну масу Ма. Висвітлені у розділі 3 методи визначення та завдання у розра­хунках величин коефіцієнту гр, а також параметрів руху V. /, цілком зберігають свою роль для розгляду витрати палива автотранспорт­ним засобом. Вибір того чи іншого методу залежатиме від поста­новки вирішуваної задачі та сформульованих до неї експлуатацій­них умов. Значення щільності палива рт кг/м3, задаються середніми величинами — для бензинів — 0,73, а для дизельного палива — 0,86 (літнє паливо) та 0,83 (зимове паливо).

Характеристика паливної економічності автомобільного двигу­на є визначальною для встановлення поточних значень питомої вит­рати <7г в розрахунках величин Оу При виробленні необхідної для руху автомобіля ефективної потужності двигуна в його циліндрах спа­люється певна кількість рідкого або газового палива. Вказані витрати не залишаються постійними, а навпаки, безперервно змінюються за­лежно від навантаженості та швидкісного режиму роботи двигуна.Кількість палива, в грамах, яка витрачена на вироблену за годину одиницю потужності двигуна, кВт, називають питомою ефективною витратою палива це. Цей нормований, широко роз­повсюджений показник паливної економічності двигуна, який має розмірність г/кВттод, обчислюють за даними стендових лабора­торних випробувань. В кожному швидкісному режимі випробу­вань двигуна вимірюють годинну витрату палива (7год та ефективну потужність ТУ, яку розвиває при цьому двигун, тоді #е = С?год/Ж За такими даними складаються зведені таблиці для побудови наван­тажувальної характеристики двигуна. На відповідних графіках <\ зображають в функції двох аргументів — кутової швидкості ше та ступеня використання И потужності двигуна.

Навантажувальна характеристика двигуна безпосередньо відтворює особливості впливу типу робочого процесу, фаз газороз­поділ ення, системи паливоподачі, ступеня стиску та інших еле­ментів конструкції на питому витрату палива. Досягнутий на заводі, можливо високий початковий рівень його паливної економічності, надалі буває ефективно реалізованим тільки при вдалому його ви­користанні в загальній системі «автомобіль—дорога—двигун—транс­місія—водій». Таке складне і відповідальне завдання вирішують кон­структори при проектуванні автомобіля, а працівники експлуатації та водії — при наступному використанні АТЗ.

Для того, щоб встановлений на автомобілі двигун забезпечував економічні витрати палива, бажано досягти такого протікання мінімального рівня функції де =Аше> И), яке співпадало б з найчаст­ішими значеннями швидкості руху автомобіля і використаної потуж­ності двигуна. Тому мабуть не випадково менший рівень питомої витрати палива зосереджено в середньому інтервалі кутової швид­кості колінчастого валу двигуна, навіть при різному використанні його потужності. Підвищення показника ^ при великій кутовій швидкості пов'язане із збагаченням горючої суміші, зростанням витрат енергії на тертя деталей і привід допоміжних механізмів двигуна. Збільшен­ня питомої витрати палива де при малій кутовій швидкості обумовле­но підвищенням витрати тепла, погіршенням якості змішування па­лива з повітрям в циліндрах. З другого боку, питома витрата палива двигуном дуже чутлива до ступеня використання його потужності И. Для паливної економічності автомобіля більш задовільним буде ви­користання потужності двигуна в межах И = (0,4 - 0,9)Лгтах. Значно підвищені значення де при малому завантаженні двигуна викликані палива автомобілем

збагаченим складом горючої суміші, збільшеними тепловими та віднос­ними механічними втратами енергії. При великому навантаженні дви­гуна (понад 0,9^^) в цілях підвищення літрової потужності приму­сово збагачується горюча суміш, наприклад, економайзером в карбюраторі або системою впорскування палива.

Для обчислення показників та досліджень паливної економі­чності АТЗ розроблено відповідні засоби використання наванта­жувальної характеристики в підрахунках на ПК. Виявилось доціль­ним застосувати математичну обробку експериментальних даних по залежності де =Л^е, И), з її наступним узагальненням емпірич­ними рівняннями. Наведемо відомий метод такої апроксимації.

В практиці інженерних розрахунків та для учбових цілей досить поширена методика, що розроблена в Московському автомобільно-дорожньому технічному університеті (МДДІ) для визначення ефек­тивної питомої витрати палива за простим емпіричним виразом:

де деН — питома витрата палива при максимальній потужності дви­гуна А^, г/кВттод; К^ — емпіричний коефіцієнт, що визначає вплив на значення де відносної кутової швидкості Хі обертання колінчастого валу; Ки — емпіричний коефіцієнт впливу на значен­ня д€ ступеню використання И потужності двигуна.

Середні значення питомої витрати палива деАП яка відповідає максимальній потужності Nтлx двигуна, залежно від його типу складають: для бензинових двигунів — 330...360 г/кВтгод, для дизе­ля — 220...240 г/кВтгод.

Безрозмірний коефіцієнт А^ для бензинових двигунів і ди­зелів обчислюється за емпіричним рівнянням:

а безрозмірний коефіцієнт К^ — за рівняннями: - для карбюраторних двигунівЖ X] — відносні готова швидкість коліегчлстого валу; И — ступінь використання іотухності двигуна.

Відносна ктаа швидкість Х{ в рівг-і^нні (4.12) відповідає зна­ченням пототнеі ізидкості УІ руху автоз*збіля, попередньо обчис­леної вище за тівнгнням (1.62), і кутовій швидкості ши, розрахова­ної за виразом 11. і "«. Щоб знайти веліто^у Х{ необхідно розділити параметр ь)еі на :с~зу швидкість о^ що зідповідає максимальній -отужності АГ із^гуна і вказану в його технічній характеристиці.

Ступінь Еи>.:гістання потужності двигуна И дорівнює відно­шенню обчисленії а рівнянням (4.3) фа_:-спгшої потужності А1", дви­гуна до тої поГ'ігісті ТУ, яку можливо було б досягти двигуном іти повній ползч: изша і поточній кутовій швидкості а>в, впповідній до швидкості У &ті АТЗ. Нагадаємо, шо про визначення фактич­ної потужності Ил а виразом (4.3) вже бузо сказано вище, а значен­ні найбільшої гхггошості Им можливо обчислити за емпіричним рзнянням (1.19)3 гозділу 1.4 відповідно до кутової швидкості ак.

Відношення И » \ ' N1 визначає факпгчну ступінь використання

потужності ДВИГ.Т2. тому після підстановжм його в рівняння (4.11) ■со (4.12) сшержюв емпіричний коефіцієнт Аи. Після цього обчис-."хеться питомі =гл;ата палива це за фор_*гулою (4.9).

Війладеюй ігпе метод відрізняється високим рівнем осеред-ВЕННЯ експеріоеЕп.тьних даних, які є єдиними взагалі відповідно ЗЯ бензинових ізг-шв та дизелів. В зв'язку з цим, неможливо виз­начити значенні і іля окремих конкретнііх моделей, які різняться зоєю конструює : особливостями робочого процесу. Враховуючи зо обставину. !■ 5~ьш поглиблених досліджень паливної економі­чності різних ткіз лТЗ застосовують безпосередньо апроксимацію нізант2Ж>Баль:-з?. пгактеристик для встановлених для них двигунів.

Обчвсіеяня паливних витрат автомобіля з використаним юоротноі економ іч мої характеристики

двигуна

Незалежно з^: розглянутої вище навантажувальної характе­ристики двигуні, йлх) паливну еконол^гчиість визначають також я допомогою обоостної економічної характеристики. Методика її посадови базуєтьсі зі експериментальних даних лабораторних вип­робувань двип-нз. ш проводять у відпежадності до діючих норма-

7»4.3. Обчислення паливних витрат

тивних документів. За визначеною навантажувальною харахтез~-йс-такою після нескладних розрахунків можна отримати оборотну' ^.ло-номічну характеристику. Для цього необхідно мати значення го­динної витрати палива (7^, кг/год, та ефективної потужнос~~ .Л двигуна, кВт, зафіксованої відповідно до кількості обертів пе :<г^г^-нчастого валу. Для кожного із значень пе буде обчислено ряд віл~ :-відних витрат палива <?0 за один оберт валу, розрахованих як ві^ге^ з-шення (?од до кількості обертів валу пе, хв-1:

Відповідний до значення д0 кругами момент двигуна виття» -чається як М% = 1000 • И/п^ що дозволяє побудувати оборо ■._— у екокомічну характеристику. Для неї за наслідками математичної обробки експериментальних даних із випробувань різних моделей двигунів встановлена така емпірична залежність:

де дт — витрата палива при холостому ході двигуна, г/об; питома оборотна витрата палива, г/обл; V — робочий об'єм (лі

двигуна, л; Мк — крутний момент на валу, кНм; V — емпіричнжЗ! коефіцієнт.

Вираз (4.14) для оборотної витрати палива д0 двигуном вказ^-=є на безпосередній вплив на неї круглого моменту, який знімається з колінчастого вату. А залежності (4.15) наочно ілюструють на­явність збільшення оборотної витрати палива д0 по мірі зростаі£=£Я робочого об'єму (літражу) Ук двигуна.

Для бензинових двигунів параметр дт у виразі (4.14) практич­но має постійне значення —- 0,0065...0,0080 г/обл. Коефіцієнт «г допустимо вважати незалежним від кутової швидкості колінчасте:— го валу для потужності двигуна не вище 0,75—0,85 від максималь­ної і приймати однаковим в межах 0,0035.-0,0050 г/кНмоб.

Для обчислень витрати палива автомобілем, л/100 км, запи­сується такий початковий вираз:

де <70 — оборотна витрата палива, в грамах, за один оберт валлу двигуна; рг — щільність палива, кг/м3; /7100 — сумарна кількісгть обертів колінчастого валу двигуна при проходженні автомобілем 100 км шляху, об/ЮО км.

Значення змінного параметру л100 допустимо встановити за

де Пт — загальне передаточне число трансмісії автомобіля; радіус кочення ведучих коліс, м.

Якщо підставити залежність (4.18) до виразу (4.17) та ти скорочення на параметр Кіз чисельним упорядкуванням, ттоді одержимо:

л.оо-15,9103^. (4 19)

Після заміни в (4.16) множника д0 його виразом із (4.15) та гцщггга-новки на місце параметру л100 формули (4.19), можливо записатиі

де Л/к — ефективний крутний момент двигуна, який реалізу< при русі автомобіля із швидкістю V.

де V — середня швидкість руху автомобіля на 100-кілометровса»му відрізку шляху, км/год; пе — кількість обертів валу двигуна, хет'1, що відповідна до швидкості V.

Для визначення залежності поміж величинами Кі пе викорі)и-стана відома формула (1.17) і на її основі записано

*..>. начислення паливних витрат автомобіля

Щоб знайти значення використаного при русі АТЗ крутного моменту Мк на валу двигуна для підстановки до формули (4.20), попередньо треба обчислити необхідний крутний момент Мр на ведучих колесах автомобіля. Для цього визначають при заданих умовах його руху сили опору, що входять до силового балансу АТЗ, користуючись формулами (1.2), (1.5), (1.10), (1.38). За рівнянням (1.41) підраховують суму усіх діючих сил опору руху, якою вста­новлюється потрібна сила Р? тяги на ведучих колесах автомобіля. Це дозволяє обчислити спочатку необхідний крутний момент Мр на ведучих колесах АТЗ

МР -Р,гЛ, (4.21)

де гд — динамічний радіус колеса, м.

Зокрема, при прямолінійному прискореному русі автомобіля на підйомі дороги:

Після визначення моменту Мр для. АТЗ із механічною транс­місією нескладно встановити відповідний йому крутний момент Л/к двигуна для підстановки у формулу (4.20):

М*- (4-22>

Кінцево отримано вираз для витрати палива (?5 автомобілем, при складанні якого використана оборотна економічна характери­стика його двигуна, у вигляді

Одержаний вираз (4.23) не підміняє розглянуті у розділі 4.1 рівняння витрати палива автомобілем (4.5—4.8), але при цьому роз-

ширює методику дослідження його паливної економічності за ра­хунок аналізу нових впливаючих чинників. Зокрема, безпосеред­ньо виявляється суттєвий кількісний вплив літража Ун двигуна на паливну економічність АТЗ. Збільшення Ум забезпечує більш висо­ку максимальну потужність двигуна, що позитивно позначається на тягово-швидкісних властивостях автомобіля. Поряд із цим, при русі АТЗ з неповним завантаженням або при малому опорі дороги запас потужності двигуна може помітно недовикористовуватись, внаслідок чого будуть підвищені питомі витрати палива двигуном та показник (?5 для автомобіля.

Рівняння (4.23) вказує на збільшення витрат палива 03 (при однаковому значенні крутного моменту Мк двигуна) прямо про­порційно використаному передаточному числу 1/Т трансмісії. Та­ким чином, математично визначена доцільність руху АТЗ на більш високій передачі в трансмісії із меншим загальним передаточним числом. Наявність у рівнянні (4.23) величини сумарного крутного моменту Мр на ведучих колесах автомобіля є зручним для пошуків при його конструюванні оптимальних параметрів шин з метою змен­шення загального моменту опору кочення коліс. Наприклад, для автомобілів підвищеної прохідності, обладнаних централізованою системою змінювання тиску повітря у спеціальних шинах, визна­чені його оптимальні значення для умов переміщення по дефор­мованим ґрунтовим поверхням та бездоріжжі. Згідно виразам (4.20), (4.23) за результатами досліджень показана залежність витрати па­лива автомобілів від параметрів криволінійного руху (радіус пово­роту; швидкість руху; використана передача). Із аналізу розрахун­кових даних з'ясовано, що при маневруванні із малими радіусами повороту (до 100 м) автомобілем витрачається на 20—30 % більше палива у порівнянні з прямолінійним рухом. Вказана різниця змен­шується до 6—15 % при радіусах траєкторії в межах від 100 до 400 м та до 4—5 % для радіусів 600—800 м, досягаючи 2—3 % на до-рожних закругленнях великої кривизни. При цьому певну, але не­велику роль відіграють тип та літраж двигуна, швидкість руху, ККД трансмісії і маса автомобіля.