Топливная экономичность автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

^1,2 КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калуга, 248000, Россия

Топливная экономичность автомобиля

А.Ю. Андросов №, Б.П. Садковский І

Одной из самых важных характеристик автомобиля является его топливная экономичность. Топливную экономичность двигателя оценивают, главным образом, экспериментально, удельным расходом топлива (расход топлива в граммах в час на каждый киловатт мощности , развиваемой двигателем при заданной загрузке и текущей угловой скорости коленчатого вала) - (рисунок 1).

удельный расход топливо автомобиль

Рис. 1 Зависимость удельного расхода топлива от развиваемой двигателем мощности и его угловой скорости : 1 - 5 - линии равных удельных расходов топлива , соответственно, от максимального до минимального; 6 - удельный расход топлива двигателем без нагрузки; ABC- кривая мощности двигателя по внешней скоростной характеристике; DB- характеристика оптимальной нагрузки по удельному расходу топлива (характеристика минимального удельного расхода топлива)

При одной и той же мощности сопротивления движению автомобиля (на некоторой постоянной скорости движения без изменения внешних сил сопротивления) в зависимости от передаточного числа в трансмиссии двигатель может иметь разную угловую скорость от до . Но только в диапазоне - удельный расход топлива будет минимальным. Наиболее эффективным будет разгон автомобиля по характеристике DB. Именно эту характеристику используют в алгоритмах управления бесступенчатыми КП (вариаторами).

Удельный расход топлива изменяется в широких пределах в зависимости от загрузки двигателя и его угловой скорости. Например, двигатель ЗМЗ-409 (рисунок 2), устанавливаемый на автомобили семейства УАЗ, характеризуется при скорости чуть более 2000 об/мин при загрузке по мощности и на холостом ходу.

Рис. 2 Зависимость мощности двигателя ЗМЗ-409, крутящего момента , удельного и часового GT расходов топлива от угловой скорости и загрузки по мощности (%)

График зависимости (, ), приведенный на рисунке 2, характерен для слабо форсированных бензиновых двигателей (30…50 л. с. на один литр рабочего объема) с рабочим объемом более 2,5 л. Для более форсированных двигателей (50…70 л. с./л) область наименьшего расхода топлива несколько смещена в область более высокой угловой скорости двигателя.

Легковые автомобили с двигателем большого объема (более 3 л) обладают существенным преимуществом по эластичности: двигатель хорошо «тянет» как на «низах», так и на «верхах». Такие автомобили были широко распространены в США до конца прошлого века. Однако большой расход топлива и низкие экологические показатели привели к резкому сокращению числа таких двигателей.

Большинство современных бензиновых двигателей имеют систему распределенного впрыска. Управление количеством топлива, поданным в цилиндр, осуществляется по длительности ее открытия.

В последнее время появились автомобили со сдвоенным впрыском: в каждом цилиндре есть и «распределенная» форсунка во впускном коллекторе, и «непосредственная» в цилиндре.

Форсунки дизельных двигателей по принципу действия напоминают форсунки непосредственного впрыска бензина, но давление впрыска у дизелей значительно выше: у современных моделей доходит до 2200 бар. Такое высокое давление позволяет уменьшать диаметр отверстий форсунки, что улучшает распыл топлива, но резко ужесточает требования к его качеству, в первую очередь, по содержанию абразивных частиц (соединений серы).

Дизельный двигатель имеет существенно меньший удельный расход топлива

Удельный расход топлива как параметр удобен для сравнения двигателей между собой, но для оценки расхода топлива двигателем на конкретном автомобиле более удобен часовой расход топлива (расход топлива в килограммах в час, расходуемого двигателем при заданной загрузке по мощности и текущей угловой скорости коленчатого вала) (кг/ч).

. (1)

Из рисунка 2 в части можно ошибочно заключить, что при расход топлива минимален, а на холостом ходу максимален. Но развиваемая мощность на холостом ходу мала и график все ставит на свои места: расход топлива на холостых оборотах минимален.

Все-таки наиболее информативной и полезной характеристикой автомобиля является «путевой расход топлива» (расход топлива в литрах на 100 км пути при различных режимах движения: 90 км/ч; 120 км/ч; условные городской, магистральный или смешанный циклы) , л/100 км.

, (2)

где - удельный расход топлива плотностью на текущей скорости автомобиля и мощности на ведущих колесах или силы тяги .

Размерность зависимости (2) не соответствует заявленной выше (л/100 км). Для приведения размерности к требуемому виду необходимо учесть, что обычно задается в г/кВт·ч, мощность - в кВт, скорость - в м/с,

плотность топлива - в кг/л, а сила тяги - в Н. Тогда

; (3)

(4)

или

, (5)

где - удельный расход топлива при максимальной мощности ; - коэффициент, учитывающий влияние загрузки двигателя по мощности и угловой скорости двигателя на текущий удельный расход топлива (рисунок 3); , - мощность сопротивления качению колес и аэродинамического сопротивления автомобиля соответственно, кВт; , - сила сопротивления качению и аэродинамического сопротивления соответственно, Н; - КПД трансмиссии; - коэффициент коррекции мощности, учитывающий потери мощности на привод дополнительного оборудования (генератора, насоса гидроусилителя руля, насоса кондиционера и т. п.), на практике принимают = 0,95.

Рис. 3 Зависимость коэффициента от загрузки двигателя по мощности / и угловой скорости двигателя / на текущий удельный расход топлива : а - полиномиальная зависимость (6); б- реальная зависимость для двигателя ЗМЗ-409

Большинство параметров в зависимостях (4) и (5) известны или легко определимы. В заводских характеристиках двигателей (если нет графика ()), часто вместо приводят - минимальный удельный расход топлива при работе по внешней скоростной характеристике. Однако эти два значения отличаются на 5…10%. Оба параметра могут быть применены в вышеприведенных зависимостях, но тогда необходимо применять и соответствующий поправочный коэффициент.

Наиболее часто применяют независимые коэффициенты по безразмерной скорости / и по безразмерной загрузке по мощности /.

; (6)

; (7)

(8)

или

; (9)

, (10)

где - текущая угловая скорость двигателя,; - угловая скорость двигателя при максимальной мощности, ; - мощность двигателя, развиваемая при текущей угловой скорости при заданной степени открытия дроссельной заслонки, кВт; - максимальная мощность, которую может развить двигатель при текущей угловой скорости (не путать с ), кВт; , - соответственно, мощность и сила сопротивления качению; , - соответственно, мощность и сила аэродинамического сопротивления автомобиля; - КПД трансмиссии в текущих условиях; - коэффициент коррекции мощности, учитывающий потери на привод генератора, насосов ГУР и кондиционера.

Полиномы (7) - (9) очень приближенно описывают реальные зависимости и актуальны лишь для всех карбюраторных двигателей старых моделей (до 1970-х годов). В учебной литературе имеются подобные зависимости для дизельных двигателей, но из-за их низкой точности здесь не приводятся.

Как видно на рисунке 3, реальная зависимость от / (от оборотов) и / (степени открытия дроссельной заслонки) сильно отличается от универсальной полиномиальной. На самом деле этот полином должен зависеть от обоих аргументов, причем он должен учитывать и их взаимозависимость. Такой полином можно получить методами математической статистики. Однако он будет слишком громоздким - более 100 слагаемых- и при ручном счете неприемлем, но для компьютерной обработки такой полином вполне подходит.

Список литературы

[1]. Садковский Б.П., Андросов А.Ю. Двигатель будущего. Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всероссийской научно-технической конференции, 10 - 12 декабря 2013 г. Т. 3. / Б.П. Садковский, А.Ю. Андросов. -- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. -- 324 с. ISBN 978-5-7038-3871-6.

[2]. Садковский Б.П., Андросов А.Ю. Современный способ увеличения емкости источников электроэнергии. Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Региональной научно-технической конференции, 22 - 25 апреля 2014 г. Т. 2. / Б.П. Садковский, А.Ю. Андросов. -- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. -- 254 с. ISBN 978-5-7038-3957-7.

[3]. Садковская Н.Е., Садковский Б.П. Пути повышения уровня экологической безопасности технических средств и технологий: монография / Н.Е. Садковская, Б.П. Садковский. -- Калуга: Манускрипт, 2011.--156 с. ISBN 978-5-94627-071-7.

[4]. Пузанов А.Т. Автомобили: Конструкции, теория и расчет: Учебник / А.Т. Пузанов. -- М.: Академия, 2007. -- 543 с. ISBN 978-5-7695-3566-6.

Андросов Алексей Юрьевич - студент КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

E-mail: armogen99@gmail.com.

Садковский Борис Петрович - преподаватель, доктор технических наук, профессор КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

E-mail: 1012sbp@gmail.com.

Размещено на Allbest.ru