Куда девается топливо?

Из теории автомобиля и практики его эксплуатации известно, что показатели тяговых, скоростных свойств и топливной экономичности автотранспортных средств (АТС) среди всех его эксплуатационных свойств выделяются как основные. Разработка современных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках АТС с высокими перечисленными показателями обеспечивается правильным выбором двигателя, согласованием и оптимизацией его характеристик с параметрами трансмиссии, движителя и конструктивных характеристик АТС применительно к конкретным условиям эксплуатации. Конструктивными характеристиками являются полная масса АТС и ее распределение по осям, аэродинамические свойства, габаритные размеры, коэффициенты сопротивления качению шин и т.д.

Топливная эконолия

Необходимость обеспечения высоких показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности в рыночных условиях диктуется не только стремлением приблизиться к лучшим зарубежным аналогам, но и требованиями потребителя. Ведь именно эти свойства формируют такие важные для него эксплуатационные показатели, как средние скорость Vcp (км/ч) и расход топлива Qcp (л/100 км). Последние, в свою очередь, определяют производительность и эффективность АТС у потребителя.

Сложность одновременного обеспечения высоких показателей трех выделенных свойств обусловлена еще и тем, что в отечественном автомобилестроении они определяются и нормируются в соответствии с требованиями различных нормативно-технических документов и различным образом зависят от конструктивных параметров АТС.

Так, топливная экономичность определяется по ГОСТ 20306-90, скоростные свойства – по ГОСТ 22576-90, установившаяся скорость на подъеме крутизной 3% и максимальный подъем, преодолеваемый АТС регламентируются ГОСТ 21398-89. Ряд показателей (максимальная скорость, время разгона до заданной скорости и т.д.) указываются в технических условиях завода-изготовителя.

Улучшение тягово-скоростных свойств обеспечивается при увеличении номинальной мощности, максимального крутящего момента двигателя и передаточного числа главной передачи. Однако эти мероприятия, как правило, приводят к увеличению расхода топлива. И, наоборот, стремление уменьшить расходы топлива, например, путем уменьшения передаточного числа главной передачи ведет к ухудшению тяговых и скоростных свойств.

Как видим, попытка улучшения одного показателя приводит к ухудшению других. Выход из создавшейся ситуации – найти «золотую середину», когда конструкцией АТС обеспечивается оптимальное сочетание трех основных эксплуатационных свойств. Поиск этой самой «середины» невозможен без понимания сущности мощностного и топливного балансов. К объяснению этих понятий мы сейчас и приступим. При этом ограничимся рассмотрением автомобиля-самосвала КАМАЗ-65115 полной массой 25 тонн.

Крутящий момент, передаваемый трансмиссией со стороны двигателя на ведущие колеса автомобиля, позволяет последнему выполнять свою основную функцию - перемещать груз или пассажиров из одного населенного пункта в другой - с преодолением всех внешних сопротивлений движению со стороны дороги и внешней среды. В общем случае движения автомобиля на подъеме с ускорением присутствуют следующие силы сопротивления:
- сила сопротивления качению, возникающая в пятне контакта шин с дорогой; зависит от вертикальной нагрузки на шину, свойств материала шины, рисунка протектора и т.д.;
- сила сопротивления воздушной среды; определяется совершенством формы и скоростью движения;
- сила сопротивления в агрегатах трансмиссии – ведущих мостах и коробке передач; зависит от типа и конструкции, сорта масла, температурного режима и т.д.;
- потери на привод вспомогательного оборудования, которые зависят от режима эксплуатации АТС и конструкции навесного оборудования;
- сила сопротивления подъему – зависит от крутизны подъема;
- сила сопротивления, связанная с инерцией автомобиля (так называемое сопротивление разгону – определяется величиной ускорения). В процессе движения по горизонтальной дороге с постоянной скоростью двух последних сил нет. Именно такие режимы движения мы и будем рассматривать для простоты при анализе топливного и мощностного балансов.

Простым сложением перечисленных составляющих определяем суммарную силу сопротивления движению. Произведение суммарной силы сопротивления на скорость движения АТС (при фиксированной скорости) дает суммарную мощность сопротивления. Аналогичным образом, т.е. перемножением соответствующей силы на скорость, определяются и мощности, затрачиваемые на преодоление перечисленных выше внешних сопротивлений. В итоге, получаем так называемый мощностной баланс: суммарная мощность сопротивления движению равна сумме мощностей, характеризующих каждую из сил по отдельности. Найдем теперь их по очереди.

Потери в трансмиссии автомобилей.

Потери в главных передачах автомобилей КАМАЗ-65115 с передаточным отношением 6,53 и 5,43 и в коробке передач мод. 15 (при включенной 5 повышенной передаче) в зависимости от скорости движения автомобиля представлены в табл.1 величинами сил сопротивления Рг.п. (кГс) и мощности сопротивления Nгп и Nкп (л.с.). Указанные потери определены в режимах затухающего движения агрегатов трансмиссии по инерции. При этом ведущие колеса автомобиля были выведены (вывешены) из контакта с опорной поверхностью путем установки ведущих мостов на подставки. Здесь и далее подробно на методиках определения исследуемых характеристик останавливаться не будем.

Таблица 1

Полученные результаты показывают, что суммарные потери мощности в трансмиссии (без учета потерь от передачи крутящего момента) составляют от 7,9 л.с. при V = 40 км/ч до 25,9 л.с. при V = 90 км/ч.

Потери в трансмиссии от передачи крутящего момента учитываются постоянным коэффициентом полезного действия трансмиссии м = 0,94 для одиночного автомобиля. Указанная величина назначается на основе анализа информации по испытаниям агрегатов трансмиссии.

Затраты мощности на привод вспомогательного оборудования.

Затраты мощности на привод вспомогательного оборудования в режиме движения АТС с заданной постоянной скоростью на прямолинейном участке дороги отражены в табл.2.

Таблица 2

Анализ полученных результатов испытаний показывает, что потери мощности на привод вспомогательного оборудования возрастают от 1,1...1,2 л.с. при V = 40 км/ч до 7,6...8,0 л.с. при V = 90 км/ч.

Определение затрат мощности на преодоление потерь в шинах и воздушной среды представляет из себя достаточно сложную инженерную задачу, поэтому ограничимся рассмотрением уже обработанных с помощью соответствующего математического аппарата экспериментальных данных.

Мощностной баланс

Результаты испытаний по раздельной оценке составляющих мощностного баланса двух автомобилей при их комплектовании отечественными и импортными шинами приводятся в таблицах 3 и 4.

В таблицах используются следующие обозначения:
- Nво - затраты мощности (л.с.) на привод вспомогательного оборудования;
- Nкп - затраты мощности (л.с.) в коробке передач;
- Nгп - затраты мощности (л.с.) в главных передачах;
- Nтр - затраты мощности (л.с.) в агрегатах трансмиссии;
- Nw = kV3 - затраты мощности на преодоление аэродинамического сопротивления;
- k - коэффициент пропорциональности в формуле, определяющей мощность на преодоление аэродинамического сопротивления;
- Nf - затраты мощности (л.с.) на преодоление потерь в шинах;
- Nв = Nгп + Nw + Nf - мощность сопротивления в режиме выбега;
- Nс = Nво + Nкп + Nв - потери мощности автомобиля и двигателя в ведомом режиме;
- Nм - потери мощности в трансмиссии и шинах от передачи крутящего момента в ведущем режиме;
- f - коэффициент сопротивления качению шин;
- Nсв - суммарные потери мощности в ведущем режиме движения;
- м - механический КПД, учитывающий потери в трансмиссии и шинах в ведущем режиме.

Таблица 3 Таблица 4

Из приведенных данных следует, что суммарная мощность сопротивления движению автомобиля с отечественными шинами изменяется от 52 до 185 л.с. в интервале скоростей 40-90 км/ч. Установка импортных шин приводит к уменьшению этого параметра от 38 до 152 л.с. в том же интервале скоростей. Связано это с уменьшением сопротивления качению автомобиля с импортными шинами по сравнению с отечественными: от 21,9 л.с. при скорости 40 км/ч до 49,7 л.с при скорости 90 км/ч в первом случае против 34,7 л.с. (40 км/ч) и 79,3 л.с. (90 км/ч) во втором.

На автомобиле с отечественными шинами во всем скоростном диапазоне превалируют мощностные потери в шинах. На автомобиле с импортными шинами при скорости 80 км/ч затраты мощности на преодоление потерь в шинах и воздуха практически равны – 42,9 и 41, 8 л.с., соответственно. При возрастании скорости до 90 км/ч аэродинамические потери становятся доминирующими. Приведенные данные по балансу дают представление о том, сколько лошадиных сил затрачивается на преодоление той или другой составляющей.

Но потребитель на заправочной станции платит деньги не за лошадиные силы, а за количество топлива, заправленного в бак его автомобиля. Поэтому попытаемся перевести «лошадей» в литры. Для этого-то нам и понадобится топливный баланс, формула которого также проста: суммарный расход топлива при фиксированной скорости движения равняется сумме расходов топлива, затрачиваемых на преодоление каждой из составляющих сопротивления движению по отдельности.

Топливный баланс

Топливные балансы автотранспортных средств представлены в таблицах 5 и 6.

В таблицах приняты следующие обозначения:
- Qс - суммарный расход топлива при данной скорости движения, л/100 км (для всех остальных составляющих расход топлива так же представлен в л/100 км);
- Qво - расход топлива на преодоление потерь на привод вспомогательного оборудования;
- Qтр - расход топлива на преодоление потерь в трансмиссии;
- Qм - расход топлива на преодоление потерь при передаче крутящего момента трансмиссией и шинами в ведущем режиме;
- Qw - расход топлива на преодоление аэродинамического сопротивления;
- Qf - расход топлива на преодоление потерь в шинах.

Топливные балансы рассчитаны с использованием выражения:

где Nсв - суммарная мощность сопротивления в ведущем режиме движения.

Таблица 5  Таблица 6
(двигатель мощностью 260 л.с., передаточное число ведущих мостов i0 = 5,94, импортные шины Michelin)

Анализ полученных данных показывает:
- наибольший удельный вес в топливном балансе автомобилей составляют потери в шинах, на долю которых приходится от 16,76 до 19,3 л/100 км (43-68 %) для отечественных моделей шин и от 11,83 до 12,68 л/100 км (33 – 55 %) для шин Michelin;
- затраты топлива на преодоление аэродинамического сопротивления автомобилей с ростом скорости возрастают и изменяются от 2,5 л/100 км (9,7 %) при скорости 40 км/ч до 15,0 л/100 км (33,3%) при скорости 90 км/ч при комплектовании отечественными шинами;
- на автомобиле с импортными шинами аэродинамика «съедает» 3,1 л/100 км при скорости 40 км/ч (13,8 %) и 14,6 л/100 км (39,3 %) при скорости 90 км/ч.

Таким образом, на преодоление потерь в импортных шинах затрачивается в среднем на 5…6,5 л/100 км меньше, чем на преодоление потерь в отечественных шинах. Конечно, данный вывод справедлив только для исследованных режимов движения по дорогам с асфальтобетонным покрытием. На грунтовых дорогах расклад будет иным.

Тем не менее, мы выяснили главное: основной «потребитель» топлива в грузовом автомобиле – шины. Причем отечественные шины в этом аспекте существенно уступают импортным. На втором месте уверенно располагается аэродинамика. Далее в порядке убывания следуют: потери в трансмиссии, потери, возникающие при передаче крутящего момента и затраты на привод вспомогательного оборудования. Для повышения эффективности автомобиля уменьшать надо все составляющие.

Учитывая столь большой удельный вес шин в топливном балансе, начинать надо с них и им всегда следует уделять самое пристальное внимание. Во избежание дополнительных потерь топлива в эксплуатации, следует регулярно контролировать их состояние на предмет равномерности износа протектора, внутреннее давление в шине и т.д. А найти «золотую середину» - это уже задача конструктора.

Комментарии пользователей

Извините, но у Вас не достаточно прав для добавления комментария.

Авторизация