Лекция 10. Топливная экономичность

План лекции

10.1. Измерители топливной экономичности

10.2. Уравнение расхода топлива

10.3. Топливно-экономическая характеристика автомобиля

10.4. Построение топливно-экономической характеристики

10.5. Топливная экономичность автопоезда

10.6. Нормы расхода топлива

Топливная экономичность автомобиля имеет важное значение в эксплуатации, так как топливо — один из основных эксплуата­ционных материалов, потребляемый автомобилем в большом ко­личестве. Себестоимость перевозок существенно зависит от топ­ливной экономичности автомобиля, поскольку затраты на топли­во составляют примерно 10... 15 % всех затрат на перевозки. По­этому чем выше топливная экономичность автомобиля, тем меньше расход топлива и ниже себестоимость перевозок.

10.1. Измерители топливной экономичности

Рекомендуемые материалы

Топливная экономичность автомобиля оценивается двумя груп­пами измерителей. К первой группе относятся измерители топ­ливной экономичности самого автомобиля, ко второй — измери­тели топливной экономичности двигателя автомобиля.

Измерителями первой группы являются расход топлива в лит­рах на единицу пробега автомобиля (путевой расход топлива) q_П, л на 100 км, и расход топлива в граммах на единицу транспортной работы q_Р, г/(т-км) или пасс.-км.

К измерителям второй группы относятся расход топлива в ки­лограммах за час работы двигателя (часовой расход топлива) G_T, кг/ч, и удельный эффективный расход топлива в граммах на ки­ловатт-час q_e, г/(кВт-ч).

Рассмотрим указанные измерители топливной экономичности.

Путевой расход топлива

q_n = 100f*Q/S_a

где Q — общий расход топлива, л; S_a — пробег автомобиля, км.

В указанном выражении единицей пробега являются 100 км пути (принято для автомобилей в России и многих европейских стра­нах).

Путевой расход топлива — легко определяемая величина, но не учитывающая полезной работы автомобиля. Так, например, ав­томобиль, который перевозит груз, расходует больше топлива, чем автомобиль без груза. Поэтому согласно формуле он оказыва­ется менее экономичным по сравнению с автомобилем, соверша­ющим порожний рейс.

Расход топлива на единицу транспортной работы

где m_ГР — масса перевезенного груза (число пассажиров), кг (пасс); S_ГР — пробег автомобиля с грузом, км; _Т — плотность топлива, кг/л.

Расход топлива на единицу транспортной работы более пра­вильно оценивает топливную экономичность автомобиля. Однако практическое использование этой величины сопряжено с опреде­ленными трудностями вследствие того, что объем транспортной работы, выполненной автомобилем, не всегда поддается точному измерению.

Часовой расход топлива

где Т_д — время работы двигателя, ч.

Удельный эффективный расход топлива

где N_e — эффективная мощность двигателя, кВт. -

С учетом удельного эффективного расхода топлива определим его путевой расход:

где величина g_e выражена в г/(кВт-ч), N_e — в кВт, a v — в м/с.

10.2. Уравнение расхода топлива

В процессе движения автомобиля эффективная мощность дви­гателя затрачивается на преодоление сил сопротивления движе­нию. Для ее определения воспользуемся уравнением мощностного баланса автомобиля:

Подставив найденную величину N_e в выражение для путевого расхода топлива, получим уравнение расхода топлива автомоби­лем

,

Или

В этих выражениях мощность представлена в кВт, сила — в Н, а скорость — в м/с.

Из уравнения расхода топлива следует, что путевой расход топ­лива зависит от топливной экономичности двигателя (g_e), техни­ческого состояния шасси (), дорожных условий (Р_Д), скорости движения и обтекаемости кузова (), нагрузки и режима движе­ния (Р_И).

При использовании уравнения расхода топлива для определе­ния путевого расхода топлива в различных дорожных условиях должна быть известна зависимость удельного эффективного рас­хода топлива от степени использования мощности двигателя при разных значениях угловой скорости коленчатого вала. Такая зави­симость для бензинового двигателя приведена на рис. 10.1.

Из этого рисунка следует, что удельный эффективный расход топлива g_e существенно зависит от степени использования мощ­ности двигателя И и в меньшей степени — от угловой скорости коленчатого вала ω_е. При увеличении степени использования мощности двигателя и снижении угловой скорости коленчатого вала g_e уменьшается. Возрастание удельного эффективного расхода топлива при низкой степени использования мощности двигателя вызвано уменьшением механического коэффициента полезного действия двигателя и ухудшением условий для сгорания смеси в цилиндрах. Удельный эффективный расход топлива также несколь­ко возрастает при высокой (близкой к полной) степени исполь­зования мощности из-за обогащения горючей смеси.

Рис. 10.1. Зависимости удельного эффектив­ного расхода топлива g_e от степени исполь­зования И мощности двигателя при разных значениях угловой скорости коленчатого вала ω_е:

ω_е1- ω_е3 значения угловой скорости коленча­того вала двигателя

10.3. Топливно-экономическая характеристика автомобиля

Топливно-экономической характеристикой автомобиля назы­вается зависимость путевого расхода топлива от скорости при рав­номерном движении автомобиля по дорогам с разным сопротив­лением.

Топливно-экономическая характеристика позволяет определять расход топлива по известным значениям скорости движения и коэффициента сопротивления дороги. Она может быть построена для любой передачи, однако обычно ее строят для высшей пере­дачи.

На рис. 10.2 представлена топливно-экономическая характерис­тика автомобиля для трех различных дорог с разными коэффици­ентами сопротивления, причем ψ₁, < ψ₂ < ψ₃.

Каждая кривая топливно-экономической характеристики име­ет три характерные точки — a, b и с.

Точка а соответствует минимальной устойчивой скорости дви­жения автомобиля.

Точка b (точка минимума) определяет наименьший расход топ­лива q_min при движении автомобиля по дороге с определенным коэффициентом сопротивления ψ. Скорость, соответствующая этой точке, является оптимальной для данной дороги с точки зрения топливной экономичности.

Точка (с) характеризует расход топлива при его полной подаче, т. е. при полной нагрузке двигателя. Она соответствует максималь­но возможной скорости движения на данной дороге. Кривая, про­веденная через точки с₁ с₂ и с₃, отвечает расходу топлива при полной нагрузке двигателя.

Из рис. 10.2 видно, что каждому значению сопротивления доро­ги соответствуют определенный минимальный расход топлива, оптимальная и максимально возможная скорости движения авто­мобиля. При возрастании сопротивления дороги увеличивается рас­ход топлива, а эти скорости уменьшаются.

Рис. 10.2. Топливно-экономическая характеристика автомобиля:

ψ₁^—ψ₃ ^— значения коэффициента сопро­тивления дороги, соответствующие трем кривым путевого расхода топлива; a₁—a₃ — точки, отвечающие минимальной устой­чивой скорости движения v_min; b₁—b₂ — точки минимума кривых; с₁ — с₃ — точки,  соответствующие максимальной скорос­ти движения по каждой дороге; q_min, v_ЭКI, v_max1, — минимальный расход топлива, оп­тимальное и максимальное значения ско­рости движения по дороге, характеризуе­мой коэффициентом ψ.

Хотя движение автомобиля с оптимальной скоростью сопро­вождается наименьшим расходом топлива, из этого не следует, что при выполнении транспортной работы необходимо двигаться с указанной скоростью. При выборе скорости движения нужно исхо­дить не из условий, обеспечивающих топливную экономичность, а из времени перевозок, безопасности движения, сохранности груза и комфортабельности пассажиров. Так, например, увеличение ско­рости движения приводит к повышению производительности ав­томобиля и уменьшению себестоимости перевозок.

Представленная топливно-экономическая характеристика ти­пична для автомобилей с бензиновыми двигателями. Аналогич­ный вид имеет и топливно-экономическая характеристика авто­мобилей с дизелями. Ее отличительной особенностью является менее крутой подъем кривых в области низких значений скорости движения, что можно объяснить более высокой экономичностью дизелей при малой угловой скорости коленчатого вала.

10.4. Построение топливно-экономической характеристики

Существует несколько способов построения топливно-эконо­мической характеристики автомобиля:

•  по результатам дорожных испытаний;

•  по результатам стендовых испытаний;

•  приближенный расчетный способ.

В первом и втором случаях топливно-экономическая характе­ристика строится на основании экспериментальных данных, тог­да как при использовании третьего способа она может быть пост­роена при отсутствии экспериментальных данных. Рассмотрим рас­четный способ построения топливно-экономической характерис­тики автомобиля.

В соответствии с этим способом удельный эффективный рас­ход топлива определяется по формуле

где g_N— удельный эффективный расход топлива при максималь­ной мощности двигателя, г/(кВтч); k_ω — коэффициент измене­ния удельного эффективного расхода топлива в зависимости от угловой скорости коленчатого вала двигателя; k_и — коэффициент изменения удельного эффективного расхода топлива в зависимо­сти от степени использования мощности двигателя.

Удельный эффективный расход топлива при максимальной мощ­ности для бензиновых двигателей составляет 300...340 г/(кВт-ч), а для дизелей — 220...260 г/(кВт-ч).

Коэффициент k_ω определяется в зависимости от отношения ω_е / ω_N, угловых скоростей коленчатого вала двигателя при текущем и максимальном значениях мощности.

Коэффициент k_и определяется в зависимости от степени использования двигателя.

Коэффициенты k_ω и k_и могут быть также найдены по специ­альным графикам, представленным на рис. 10.3.

Расчет и построение топливно-экономической характеристи­ки выполняют в такой последовательности:

• задают коэффициент сопротивления дороги ψ;

• выбирают пять-шесть значений угловой скорости коленчато­го вала двигателя ω_е в диапазоне от ω_min до ω_max;

• для выбранных значений ω_е определяют отношения ω_е /( ω_N (зна­чение ω_N известно) и по полученным отношениям находят значе­ния k_ω;

• для выбранных значений ω_е определяют соответствующие скорости движения автомобиля v и для этих скоростей по задан­ному коэффициенту сопротивления дороги ψ находят мощнос­ти, затрачиваемые на преодоление сопротивления дороги N_Д и воздуха N_B;

• по внешней скоростной характеристике двигателя для выб­ранных значений ω_е определяют эффективную мощность двигате­ля N_e или для соответствующих скоростей движения по графику мощностного баланса находят значения тяговой мощности N_T на ведущих колесах;

• по известным значениям мощностей N_a + N_B и N_e (или N_T) для каждого значения ω_е (или v) определяют степень использования мощности двигателя И и по полученным значениям находят k_и;

• по найденным значениям коэффициентов k_ω и k_и определяют удельный эффективный расход топлива g_e;

• по полученным значениям g_e находят путевой расход топлива q_n для дороги с заданным коэффициентом сопротивления ψ, для чего используют уравнение расхода топлива при равномерном движении автомобиля.

Рис. 10.3. Графики для определения коэффициентов k_и (а) и k_ω (б):

1 — дизели; 2 — бензиновые двигатели

Повторив указанные выше расчеты для других коэффициентов сопротивления дороги ψ, строят топливно-экономическую харак­теристику автомобиля.

10.5. Топливная экономичность автопоезда

Работа грузового автомобиля в составе автопоезда сопряжена с повышенным расходом топлива на единицу пробега вследствие возрастания сил сопротивления движению. Однако увеличение рас­хода топлива непропорционально возрастанию указанных сил. Это связано с тем, что при буксировке прицепов и полуприцепов сте­пень использования мощности двигателя автомобиля-тягача выше, нем при движении одиночного автомобиля, поэтому удельный эффективный расход топлива уменьшается. Кроме того, существен­но снижается расход топлива на единицу выполненной транспорт­ной работы или на единицу массы перевезенного груза, что сни­жает себестоимость перевозок.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием, не имеющих кру­тых и затяжных подъемов, в случае использования прицепов эко­номия топлива при выполнении 1 т • км транспортной работы мо­жет достичь 15... 20 %.

Для выяснения причины повышения топливной экономично­сти автопоезда при использовании прицепов определим расход топлива на единицу транспортной работы:

где G_ГР — вес перевезенного груза, Н. Сила сопротивления дороги

где G_ап — вес автопоезда с полной нагрузкой, Н; G_0ап — вес авто­поезда без груза, Н. Следовательно:

Учитывая, что скорость автопоезда относительно невелика, си­лой сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда расход топ­лива на единицу транспортной работы

Из последнего выражения следует, что расход топлива, суще­ственно зависящий от отношения веса автопоезда к весу груза, снижается при уменьшении этого отношения.

Собственная масса прицепа значительно меньше массы авто­мобиля той же грузоподъемности. Поэтому при использовании прицепа масса перевозимого груза может увеличиться в два раза, а собственная масса автопоезда — лишь на 50...60%.

У седельного автопоезда расход топлива на единицу транспорт­ной работы также меньше, чем у одиночного автомобиля, по­скольку у автомобиля-тягача выше степень использования мощ­ности двигателя и меньше удельный эффективный расход топли­ва. Кроме того, КПД трансмиссии седельного тягача выше, чем у бортового автомобиля, благодаря большей нагрузке, передавае­мой трансмиссией.

10.6. Нормы расхода топлива

Расчетные формулы для определения путевого расхода топли­ва не учитывают ряда факторов, вызывающих его увеличение при эксплуатации автомобиля. Поэтому для определения действитель­ного расхода топлива в процессе эксплуатации используется нор­мативный метод. В соответствии с ним расход топлива на автомо­бильном транспорте строго нормируется.

Общий расход топлива согласно нормам определяется по сле­дующей формуле:

где К_Т1 — норма расхода топлива на передвижение самого автомо­биля, л на 100 км; К_Т2 — норма расхода топлива на единицу транс­портной работы, л на 100 т-км; К_Тз — норма дополнительного расхода топлива на каждую ездку; S_a — пробег автомобиля, км; S_ГР — пробег с грузом, км; m_ГР — масса перевезенного груза, т; Z_e — число ездок.

Нормы расхода топлива К_Т1, К_Т2 и К К_Т3 зависят от типа автомо­биля и условий его работы.

Грузовые автомобили общего назначения (с бортовыми плат­формами) обычно совершают перевозки на большие расстояния, и число ездок на 100 км пробега у них невелико. Поэтому норму расхода топлива К_Т3 у этих автомобилей включают в норму расхо­да топлива К_Т2 Общий расход топлива по нормам для указанных автомобилей

Самосвалы обычно осуществляют перевозки на небольшие рас­стояния, загружены полностью и перевозят груз только в одном направлении. В связи с этим норму расхода топлива К_Т2  у этих ав­томобилей включают в норму расхода топлива К_Т1

Общий расход топлива согласно нормам для самосвалов

Для автопоездов общий расход топлива по нормам

В этом выражении К_ап — норма расхода топлива на передвиже­ние автопоезда, л на 100 км, зависящая от типа двигателя, уста­навливаемого на тягаче автопоезда:

для автопоезда с бензиновым двигателем

для автопоезда с дизелем

где т_пр — полная масса прицепа, т.

Для грузовых автомобилей общего назначения и автопоездов предусмотрены надбавки расхода топлива на каждые 100 т- км вы­полненной транспортной работы. Размер такой надбавки зависит от типа двигателя (бензиновый или дизель) автомобиля. Для са­мосвалов установлена надбавка на каждую ездку с грузом.

В зимнее время нормы расхода топлива для автомобилей уве­личиваются.

10.7. Влияние различных факторов на топливную экономичность автомобиля

Топливная экономичность автомобиля зависит от его конст­рукции и технического состояния, квалификации водителя, дорожно-климатических условий эксплуатации и организации транс­портного процесса.

Рассмотрим влияние различных конструктивных и эксплуата­ционных факторов на топливную экономичность автомобиля.

Тип двигателя. Автомобили с дизелями экономичнее, чем с бензиновыми двигателями: расход топлива у автомобилей с дизе­лями на 25... 30 % меньше.

Техническое состояние двигателя. Ухудшение технического со­стояния двигателя приводит к повышению расхода топлива. Не­исправности в системах питания и зажигания двигателя также вызывают перерасход топлива. Так, например, неисправность кар­бюратора увеличивает расход топлива на 10... 15 %, неправильная регулировка холостого хода — на 15...20%, подгорание или за­масливание свечей — на 7... 10 %, а наличие одной неработающей свечи зажигания — на 20...25 %.

Тепловой режим двигателя. При чрезмерном охлаждении дви­гателя топливная экономичность автомобиля снижается, так как часть топлива поступает в цилиндры не в газообразном состоянии и не сгорает при рабочем ходе. Так, при снижении температуры охлаждающей жидкости с 85 °С, при которой двигатель имеет наи­лучшие показатели по экономичности, до 65 °С путевой расход топлива увеличивается на 15...25 % (рис. 10.4).

Техническое состояние шасси. Ухудшение технического состо­яния шасси вызывает увеличение расхода топлива. Например, не­правильная регулировка тормозных механизмов, главной переда­чи и затяжки подшипников ступиц колес приводит к перерасходу топлива на 10...20 %, нарушения в установке управляемых колес и пониженное давление воздуха в шинах — на 10... 15 % (рис. 10.5), неполное выключение или пробуксовка сцепления — на 5...6%. Указанный перерасход топлива происходит вследствие уменьше­ния коэффициента полезного действия трансмиссии и возраста­ния сопротивления движению автомобиля.

Рис. 10.4                                             Рис. 10.5

Рис. 10.4. Зависимости путевого рас­хода топлива от скорости движения автомобиля при различной темпе­ратуре охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя: 1-85°С; 2-75°С; 3-65 "С

Рис. 10.5. Изменение путевого рас­хода топлива в зависимости от скорости движения автомобиля при различном давлении возду­ха в шинах:

 1 - 0,3 МПа; 2- 0,2 МПа

Сопротивление дороги. При увеличении сопротивления дороги расход топлива возрастает. Так, например, при движении в тяже­лых дорожных условиях используются низшие передачи. При этом передаточное число трансмиссии увеличивается, а степень исполь­зования мощности двигателя уменьшается. В результате расход топ­лива повышается.

Нагрузка на автомобиль. При увеличении нагрузки на автомо­биль расход топлива возрастает.

Режим движения. При разгоне автомобиля увеличение скорос­ти движения вызывает возрастание сил сопротивления движению и расхода топлива.

При торможении расход топлива повышается вследствие за­трат энергии на торможение и последующий разгон.

При импульсивном движении по методу «разгон — накат» об­щий расход топлива может быть меньше или больше, чем при равномерном движении. Данный режим движения заключается в интенсивном разгоне на высшей передаче до определенной ско­рости и последующем движении накатом со снижением скорости до определенного значения. При этом цикл «разгон — накат» пе­риодически повторяется. При разгоне расход топлива растет, а при накате уменьшается. Такой метод движения приводит к ин­тенсивному износу двигателя и трансмиссии и усложняет работу водителя, так как он больше утомляется. Кроме того, при движе­нии накатом двигатель работает на режиме холостого хода, что приводит к повышенному содержанию оксида углерода в отрабо­тавших газах.

Рекомендация для Вас - 4. Эффект первого впечатления.

Условия движения. При увеличении числа остановок расход топлива возрастает вследствие затрат энергии на торможение до полной остановки, трогание с места и последующий разгон. Квалификация водителя. При работе в одинаковых условиях (тип дороги, автомобиля и др.) У водителей различной квали­фикации разница в расходе топ­лива достигает 20 %.

Сорт топлива и масла. Ис­пользование бензина с малым октановым числом приводит к перерасходу топлива на 15... 20 %. При применении некаче­ственного масла расход топли­ва увеличивается на 8 % из-за Интенсивного образования на­гара в цилиндрах двигателя и Увеличения трения.

Рис. 10.6. Зависимости путевого рас­хода топлива от скорости движе­ния автомобиля при использо­вании шин различных типов:

1 — широкопрофильных; 2 — торои­дальных (обычных); 3 — арочных

Тип шин. Радиальные шины по сравнению с диагональными снижают расход топлива на 2...7%, так как имеют меньшее со­противление качению. По сравнению с тороидальными шинами широкопрофильные шины уменьшают, а арочные увеличивают расход топлива во всем диапазоне эксплуатационных скоростей движения (рис. 10.6).