Тема 3. Топливная экономичность автомобиля

3.1. Измерители топливной экономичности

Топливная экономичность - свойство автомобиля рационально использовать энергию сжигаемого топлива при эксплуатации в различных условиях.

Стоимость топлива составляет 30-50 % от всех затрат на автоперевозки. Поэтому даже небольшое улучшение топливной экономичности автомобиля позволяет существенно снизить себестоимость перевозок.

Расход топлива на заданном отрезке пути зависит от топливной экономичностью двигателя, технического состояния автомобиля, режима движения, грузоподъемномти или пассжировместимомсти автотранспорта, квалификации водителя и многих других факторов.

Основным измерителем топливной экономичности двигателя является удельный расход в граммах на единицу эффективной мощности. Он представляет собой отношение часового расхода топлива Q_{t (}кг/ч) к эффективной мощности N_е (кВт) для определенного скоростного режима двигателя:

(3.1)

В качестве измерителей топливной экономичности автомобиля применяют расход топлива на 100 км пути и расход топлива на единицу транспортной работы, измеряемый в тонно-километрах или пассажиро-километрах. Связь между расходами часовым Q_t и путевым на 100 км пути устанавливается соотношением

( 3.2)

здесь Q_S – расход на 100 км в кг/100 км или в л/100 км, что зависит от размерности Q_t.

Подставив в формулу (3.2) выражение_. (3.1), получим

кг/100 км. (3.3)

Выразив в формуле (3.3) эффективную мощность N_е через мощности сопротивлений движению автомобиля (2.57), получим

(3.4)

Запишем мощности сопротивлений движению в формуле (3.4) через силы (2.56), тогда из выражений (3.3) и (3.4) находим:

(3.5)

Расход топлива на 100 км, определенный по формулам (3.3) или (3.5) не позволяет правильно оценить влияние полезной нагрузки автомобиля на его топливную экономичность. На основании этих формул создается впечатление, что порожний автомобиль имеет лучшую топливную экономичность, чем груженый, так как у него расход топлива на 100 км меньше. Поэтому более правильно оценивать топливную экономичность расходом топлива, отнесенным к единице транспортной работы (тонно-километру или пассажиро-километру):

(3.6)

где q_т – расход топлива на тонно-километр в кг; G_т - полезная нагрузка автомобиля в тоннах.

Как видно из формул (3.6) или (3.5), расход топлива зависит от удельного расхода топлива двигателем, потерь в трансмиссии, внешних сопротивлений движению и режимов движения автомобиля.

3.2. Топливно-экономическая характеристика автомобиля

Зависимость расхода топлива на 100 км от скорости автомобиля при различных значениях коэффициента суммарного сопротивления дороги для установившихся режимов движения называется топливной характеристикой. Из формулы (3.4) следует, что расход топлива при движении с одной и той же скоростью и в одинаковых дорожных условиях, но при разных передаточных числах трансмисси, оказывается разным (рис. 3.1).

В пределах каждой кривой коэффициент дорожного сопротивления ψ имеет постоянную величину. По мере увеличения скорости автомобиля расход на 100 км уменьшается, достигается минимума и затем начинает увеличиваться. Такой характер изменения Q_s связан с законом изменения удельного расхода топлива g_е в зависимости от частоты вращения n_е коленчатого вала двигателя. Увеличение n_е вначале ведет к снижению g_е, а затем – к его росту (рис. 2.2). Поскольку V_а связана с ω_е линейным законом (V_к= ω_кr_к), то изменение Q_s с увеличением скорости автомобиля связано с характером изменения удельного расхода топлива при этом.

На экономической характеристике можно выделить точки, соответствующие минимальным расходам топлива при различных коэффициентах ψ. Точки кривой АВ представляют расход топлива в зависимости от коэффициента сопротвления дороги ψ при максимальных значениях скорости на данной передаче. Точки кривой СД соответствуют расходам топлива при минимальных устойчивых скоростях автомобиля. Сравнивая экономические характеристики автомобилей можно судить о расходе топлива ими в различных условиях движения.

Рис. 3.1. Топливно-экономическая характеристика автомобиля

Экономическую характеристику можно построить по результатам стендовых испытаний двигателя и автомобиля, а также на основе дорожных испытаний автомобиля. Исходными данными для этого по результатам стендовых испытаний двигателя являются внешняя скоростная и нагрузочная характеристики двигателя.

Нагрузочная характеристика представляет собой зависимости удельного g_е и часового Q_t расходов топлива от нагрузки двигателя N_е в процентах при различной, но постоянной в пределах каждой кривой частоте вращения коленчатого вала двигателя (рис.3.2). Увеличение нагрузки двигателя ведет к увеличению часового Q_t и снижению удельного g_е расходов. Однако, когда нагрузка двигателя достигает примерно 80 % от полной, вступает в работу экономайзер, обогащая смесь, приготовляемую карбюратором, и удельный расход несколько увеличивается.

Нагрузку двигателя определяют для различных скоростных режимов. Предположим, что двигатель работает с частотой вращения n^׳_е (рис.3.2). Тогда отношение мощности N^׳_е, при некотором частичном открытии дроссельной заслонки, к мощности N_е, развиваемой двигателем при полном ее открытии, выраженное в процентах, и есть нагрузка или коэффициент использования мощности двигателя:

,%. (3.7)

Таким же образом рассчитывают нагрузку двигателя и на других скоростных режимах двигателя.

Рис. 3.2. Нагрузочная характеристика двигателя

Выразим частичную мощность двигателя N^׳_е через мощности сопротивлений движению автомобиля (N^׳_ψ + N^׳_в)/η_м . Тогда

(3.8)

здесь – мощность на ведущих колесах автомобиля при полном открытии дроссельной заслонки, соответствующая частоте вращения n^׳_е коленчатого вала двигателя. Для большего удобства в формуле (3.8) заменим мощности силами из соотношения N = РV_a /η_м. Тогда для установившегося движения

Рис. 3.3. Зависимость тягового усилия на ведущих колесах автомобиля от часового расхода топлива для разных скоростных режимов

При определении топливно-экономической характеристики путем стендовых испытаний автомобиль устанавливают на стенд с беговыми барабанами и снимают зависимости тягового усилия Р_к на ведущих колесах для заданного скоростного режима. Замеряя расход топлива за определенный промежуток времени рассчитывают часовой расход в л/ч:

(3.9)

где q – расход топлива в см³ за время t, с.

Для первого замера нагрузка на беговых барабанах равна нулю, расход топлива при установившейся скорости сотавляет Q¹_t (рис. 3.3, точка 1). Увеличивая нагрузку на беговые барабаны, открывают дроссельную заслонку так, чтобы скорость автомобиля не изменялась при этом (например, была равна ), производят замеры величины q, t, и Р_к, плучают точку 2 зависимости тягового усилия от часового расхода топлива (рис. 3.3). Аналогично определяют данные для построения указанной зависимости при скорости и других скоростных и нагрузочных режимах. На этой же схеме показывают в виде графиков расчетные значения сил сопротивления воздуха и дороги (Р_в, Р_в+Р_g) при тех же скоростях.

Поскольку при установившемся режиме движения Р_к = Р_в + Р_g, то точки пересечения перпендикуляров к оси V_а с кривой Р_в + Р_g (а, в и с) показыват величины тяговых усилий при сответствующих скоростях. Точки a`, b`, c` указывают величины часовых расходов Q_t для тех же скоростей. Таким образом, для каждого значения скорости и коэффициента сопротивления дороги можно определить величины часовых расходов топлива, а затем по формуле (3.2) или (3.5) рассчитать расходы на 100 км пути. Полученные значения Q_s откладывают на перпендикулярах вверх из точек оси скоростей V_a (рис. 3.3.) для одного из значений коэффициента дорожного сопротивления. Аналогично строят зависимость Q_s от скорости при других значениях ψ.

Для определения топливно-экономической характеристики путем испытаний автомобиля в дорожных условиях выбирают участок длиной 1км с известным значением ψ. В момент пересечения автомобилем начала мерного километра включают секундомер и отмечают уровень топлива в измерительном приборе, а в конце мерного километра фиксируют время и уровень топлива. По полученным величинам t и q по формуле (3.9) рассчитывают часовой расход топлива на данном участке дороги. Расход топлива на 1000 км производят на основе формулы (3.9), подставляя средние значения скорости, т.е.

.

При дорожных испытаниях интервал скорости для легковых автомобилей выбирают в пределах 15-20 км/ч, а для грузовых – 5-10 км/ч.