Топливная экономичность автомобиля

В качестве показателей топливной экономичности автомобилей принят расход топлива в кг или литрах на 100 км пройденного пути.

Экономичность автомобиля зависит от экономичности его двигателя и затрат мощности на преодоление сопротивлений движению. Показателями топливной экономичности автомобильного двигателя служат: удельный эффективный расход топлива g_е (г/кВт.ч) и эффективный КПД η_е.

Эти показатели не могут в полной мере отражать эффективность топливной экономичности автомобиля. При известных величинах часового расхода топлива (G_Т = g_еN_е) двигателем и скорости движения автомобиля, связь между топливной экономичностью двигателя и автомобиля может быть выражена формулой:

, л/100 км, (0)

или Q_s = , кг/100 км,

где Q_s – расход топлива автомобилем в л или кг на 100 км пробега;

v – скорость движения автомобиля, км/ч;

ρ – плотность топлива, кг/л;

N_е – эффективная мощность ДВС, соответствующая режиму движения автомобиля на данной скорости, кВт;

g_е – удельный эффективный расход ДВС, г/(кВт·ч).

В приведенной формуле время t₁₀₀ прохождения автомобилем 100 км пути определено как 100/v.

Топливная экономичность автомобиля зависит от конструктивных и эксплуатационных факторов. Удельный эффективный расход топлива двигателя определяется уровнем совершенства его конструкции и параметрами скоростных и нагрузочных характеристик.

Эффективная мощность двигателя в режиме движения автомобиля на данной скорости равна сумме мощностей, затрачиваемых на преодоление всех сопротивлений (см. раздел Тяговый и мощностной балансы автомобиля). Поэтому приведенную выше формулу можно представить в таком виде:

.

Последняя зависимость показывает, что расход топлива автомобилем возрастает с увеличением мощности, необходимой на преодоления сопротивления в трансмиссии N_тр, а также сопротивлений дороги N_ψ=N_f + N_h и воздуха N_w. Плотность топлива ρ введена в зависимость для перевода расхода из единиц массы в литры, так как заправку топливного бака оценивают в литрах.

Мощность двигателя, которая затрачивается на движение автомобиля по заданной дороге, определяют из уравнения мощностного баланса:

. (1)

Тогда:

. (2)

Как видно, эффективная мощность двигателя при движении автомобиля без ускорения расходуется на преодоление суммарных сил дорожного сопротивления (качения и подъема), сопротивления воздуха с учетом потери энергии в трансмиссии η_тр.

Использование уравнения для теоретического определения путевого расхода топлива Q_s затруднено из-за того, что удельный эффективный расход топлива двигателем меняется в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов его работы. При отсутствии этих характеристик, приближенно удельный эффективный расход топлива двигателем определяют по эмпирической зависимости:

g_e = g_N·k_n·k_N, (3)

где g_N - удельный эффективный расход топлива при максимальной (номинальной) мощности двигателя N_емах (берется согласно результатам теплового расчета двигателя);

k_n - коэффициент, учитывающий изменение удельного эффективного расхода топлива в зависимости от частоты вращения вала двигателя (таблица 2);

k_N - коэффициент, учитывающий изменение удельного эффективного расхода топлива в зависимости от мощности двигателя (табл. 3.5).

Частота вращения вала двигателя для рассчитываемого скоростного режима автомобиля v определяется как:

, (4)

где u_к - передаточное число коробки передач;

u₀ - передаточное число главной передачи;

r_k - радиус качения колеса автомобиля.

Таблица 3.5.

Значение коэффициентов k_N и k_n для бензиновых двигателей и дизелей

Примечание: N_e / N_емах – отношение текущей эффективной мощности двигателя к максимальной (для оценки коэффициента k_N ) ; n/n_N – отношение текущей частоты вращения к частоте, соответствующей максимальной мощности (для оценки коэффициента k_n ).

Расход топлива в литрах на 100 км пройденного пути подсчитывают не менее, чем для пяти скоростных режимов движения автомобиля на данной передаче по хорошей горизонтальной дороге (с коэффициентом сопротивления качению ψ₁ = f₁ ) и дороге несколько худшего качества (ψ₂ = f₂). Обычно для автомобиля, имеющего четырехступенчатую коробку передач, расчет проводят для высшей (прямой) передачи. Для легкового автомобиля с пятиступенчатой коробкой передач рассчитывают топливно-экономическую характеристику для двух передач: четвертой и пятой.

Разделив диапазон изменения скорости автомобиля на рассчитываемой передаче от v_min до v_max на несколько (например, пять) интервалов, для каждого значения скорости опреде­ляют по формуле (4) соответствующую ей частоту вращения двигателя n, а затем - отношение n/n_N , и с помощью таблицы 2 на­ходят значение k_n .

Для одного из значений v₁ по формуле (1) или по графику мощностного баланса определяют мощность двигателя N_e на данной скорости, которая затрачивается на преодоление всех сопротивлений движению. Затем находят отношение N_e / N_емах, а далее по табл. 2 определяют коэффициент k_N. Подставляя найденные значения k_n и k_N в формулу (3), вычисляют значение g_e , а затем по формуле (2) определяют путевой расход топлива Q_s при движении автомобиля со скоростью v₁ по дороге с дан­ным коэффициентом сопротивления качению f. Повторив расчеты для других значений v, по полученным точкам строят топливно-экономическую характеристику автомобиля для данной передачи. Расчеты могут проводится для нескольких значений f. Например, для сухой асфальтовой дороги f₁ = 0,015 и для грунтовой дороги f₂ = 0,03 и т.д. (рис.8).

По данным расчета строят экономическую характеристику Q_s =f(v). На рис.6 приведен вариант выполнения экономической характеристики автомобиля.

На построенной экономической характеристике выделяют точку (скоростной режим движения машины), соответствующую минимальному путевому расходу топлива и соответствующую ей скорость, которую называют экономичной.

На пониженных передачах путевой расход топлива возрастает, так как увеличивается число оборотов двигателя на единицу пройденного пути. При последовательном увеличении скорости движении автомобиля от минимально устойчивой скорости на прямой передачи расход топлива несколько уменьшается в связи с переходом на более экономичный режим работы двигателя. Это соответствует характеру протекания кривой удельного эффективного расхода топлива по его внешней скоростной характеристике. Далее, в связи с увеличением сопротивления воздуха (оно возрастает пропорционально квадрату скорости) и переходом работы двигателя на менее экономичные режимы начинает повышаться.

Рис.8. Топливно-экономическая характеристика автомобиля.

Построенная таким образом топливно-экономическая характеристика представляет собой график зависимости путевого расхода топлива от скорости автомобиля v (рис. 8 и 9). Этот график характеризует топлив­ную экономичность автомобиля при равномерном движении и позволяет определить расход топлива по известным величинам v и \|/. Например, при движении автомобиля со скоростью v₁ по дороге, качество которой характеризуется коэффициентом ψ₁, расход топлива равен q_nl.

Можно решить и обратную задачу: определить максимально возмож­ную скорость, которую может развивать автомобиль при данном расходе топлива (рис.9). Так, если расход топлива не должен превышать q_n2, то на дороге с коэффициентом сопротивления ψ₃ скорость автомобиля не должна превы­шать v₂. Задачи подобного рода возникают при выявлении экономически .целесообразной скорости движения автомобиля на автомагистралях.

Каждая кривая графика имеет характерные точки. Одна из них опре­деляет минимальный расход топлива при движении на дороге с данным коэффициентом ψ (например, q_min при ψ₁). Скорость v^/_эк, соответствую­щую этому расходу, называют экономической. Другая (конечная) точка кривой определяет расход топлива при полной нагрузке двигателя, что соответствует скорости движения, максимально возможной при данном коэффициенте ψ (точки с, b…), Огибающая кривая АА_Т, проведенная через эти точки, представляет собой изменение путевого расхода топли­ва в зависимости от скорости при полной нагрузке двигателя.

Q_s , л/100 км

Рис.9. Определение максимально возмож­ной скорости, которую может развивать автомобиль при заданном расходе топлива.

Показателем топливной экономичности автомобиля служит минималь­ный путевой расход топлива, соответствующий скорости при испытаниях автомобиля с полной нагрузкой на горизонтальном участке дороги с твер­дым покрытием. Указываемый в технических характеристиках автомо­билей контрольный расход топлива практически мало отличается от ми­нимального расхода топлива, что трудно достижимо в реальных условиях эксплуатации автомобиля.

В технических характеристиках указывают контрольный расход топлива, полученный при равномерном движении автомобиля с полной нагрузкой на высшей передаче по сухому асфальтированному шоссе с уклоном не более ± 1,5% и со скоростью, близкой к экономичной.

Для оценки экономичности автомобиля может применяться и другой показатель, т.н. экономический фактор (Э), который определяет количество км пути, который проходит автомобиль, расходуя 1 л топлива, и имеет размерность, обратную показателю Q_s, т.е (км/л). Например, легковой автомобиль ВАЗ-2109 расходует на 100 км пути 8 л бензина. Тогда экономический фактор будет равен: 100/8 = 12,5 км/л. Чем больше величина этого фактора, тем более высокими экономическими характеристиками обладает автомобиль.

Применение экономического фактора позволяет более наглядно сравнивать экономичность различных автомобилей, определять их запас хода, то есть количество километров, которое автомобиль проходит на одной заправке топливного бака. Например, если емкость топливного бака автомобиля ВАЗ-2109 равна 40 л, то его запас хода равен 12,5·40 = 500 км.

Средние дифференциальные нормы расхода топлива, рекомендуемые для автохозяйств, учитывают большое число факторов, встречающихся в эксплуатации грузовых автомобилей. В частности, величину полезной нагрузки, маневрирование в пунктах погрузки-разгрузки, вынужденные простои с работающим двигателем, движение по плохим дорогам. Кроме этого учитываю факторы сезонности эксплуатации, климатического пояса, а также специфику автомобиля (бортовой, самосвал, тентовый и т.д.), вид перевозки, плечи перевозки и др.

В качестве удельного показателя путевого расхода топлива для грузового автомобиля принят расход топлива в литрах на тонно-километр:

q = Q_s/100·m_г ,

где m_г –масса перевозимого груза в Т .

Чем больше полезная нагрузка машины, тем меньше расход топлива на массу перевозимого груза.

Для легковых автомобилей нормы путевого расхода топлива иногда назначают на единицу пробега (л/км).