Тягово-динамические и топливно-экономические показатели автомобиля

Лекция №8 «ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИЕ И ТОПЛИВНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОМОБИЛЯ» Динамический фактор и динамическая характеристика. При оценке эксплуатационных свойств автомобилей необходимо прежде всего:  знать его тягово-динамические и топливно-экономические показатели;  выявить, какие максимальные дорожные сопротивления, включая подъёмы, способен преодолеть автомобиль при разных весовых нагрузках;  какие максимальные скорости движения способен развивать автомобиль при разных дорожных сопротивлениях;  как быстро может разгоняться автомобиль;  чему равен расход топлива в разных дорожных условиях, при разной скорости движения и весовой загрузке автомобиля. Для оценки тягово-динамических свойств используют уравнения тягового баланса автомобиля: Тяговый баланс получают из уравнения проекций всех сил (см. рис. 2.7) на ось, параллельную поверхности пути: Рк = Pf + Ркрcosγ±Gsinα + Pw ±Pj (2.30) Знаки ±Gsinα относятся к движению на подъем под уклон, ±Рj — ускоренное и замедленное движение. Рис. 2.7 Если принять cosγ ≈1, а sinα ≈ tgα = i (где i — подъем (уклон), выраженный в сотых долях для небольших значений γ и α), то тяговый баланс примет вид Рк = Pf + Ркр±Рi + Pw ±Pj (2.31) Где Pi=G∙i Для автомобилей, работающих с прицепом при малом значении α, имеем Pf±Pi=PΨ=(G + Gпр,)(f± i) = Ga∙ Ψ , (2.33) где PΨ и Ψ — сила и коэффициент дорожного сопротивления; Gпp и Gа, — вес прицепа и всего автопоезда. Тогда для автомобиля при выполнении им транспортных работ тяговый баланс имеет вид Pк=PΨ+Pкр + Рw ±Pj (2.34) Основным показателем для оценки этих свойств принята не касательная сила тяги Рк, а динамический фактор Д, определяемый по формуле Д = (Рк − Pw)/G (2.72) Этот показатель характеризует запас силы тяги (свободную силу тяги), приходящийся на единицу веса автомобиля (автопоезда) с учетом затрат силы Рк на преодоление сопротивлений воздуха. Единицы измерения Д [ Н/Н] безразмерная величина. Он показывает величину свободной силы тяги на единицу веса автомобиля. Если Д=0,8 это значит что на колёсах автомобиля будет свободная сила тяги 80% от веса машины. Расписав составлявшие получим (2.73) Таким образом, динамический фактор зависит от крутящего момента двигателя, передаточного числа трансмиссии и веса автомобиля. Поэтому его называют динамическим фактором по двигателю. С помощью динамического фактора сравнивают тягово-скоростные и разгонные свойства различных автомобилей между собой независимо от их грузоподъемности, веса и обтекаемости, дорожных условий. Графическое изображение зависимости Д=f(v) на разных передачах, построенное для определенного веса автомобиля (порожнего или полностью груженого), называют динамической характеристикой, (рис. 2.17). Рис. 2.17. Внешняя скоростная характеристика двигателя (а) и динамическая характеристика автомобиля с четырьмя передачами при определенном его весе (б) Характерные точки динамической характеристики следующие: —максимальная скорость vmax и динамический фактор при максимальной скорости Д v; —максимальное значение динамического фактора на первой передаче Д max1 и соответствующая ему скорость vкр1; —максимальное значение динамического фактора на каждой передаче и соответствующая ему скорость vкр (критическая). Критическая скорость свойственна каждой передаче. Она называется так потому, что левее точки Дmах находится область неустойчивой работы автомобиля, а правее — устойчивой. При этой скорости двигатель работает на режиме максимального крутящего момента Мд max с минимально устойчивостью частотой n дmin (рис. 2.17, а). Кривые изменения динамического фактора получают для полностью загруженного двигателя при его работе на внешней скоростной характеристике (рис. 2.17, а), т.е. при предельном положении дроссельной заслонки или рейки топливного насоса (соответственно у бензиновых и дизельных двигателей). Значит, динамическая характеристика показывает изменение предельной удельной силы тяги автомобиля в зависимости от скорости движения. Ниже кривых Д =f(v) значения Д соответствуют частичной загрузке двигателя. Характер изменения Д =f(v) близок к характеру изменения Мд= f(nд), что объясняется зависимостью Д от Мд (2.73). На динамической характеристике можно указать значение Д, соответствующие максимальному сцеплению колес с дорогой. Если принять Pw=0 потому что предельной по буксованию является низкая скорость, при которой силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда при Рк = Рφмах имеем Дφ= Рφмах /G (2.74) С учетом, что Рφ =φ λк G , получаем Дφ=φ λк, (2.75) где φ — коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой; λк — коэффициент нагрузки ведущих колес. Для полноприводного автомобиля λк = 1, поэтому Дφ =φ. В рассматриваемом случае максимальное значение динамического фактора, развиваемого автомобилем на I передаче, не может быть реализовано по условиям сцепления колес с дорогой, так как Дφ < Д max1 . Из формулы Pк=PΨ+Pкр + Рw ±Pj с учетом выражения Pf±Pi=PΨ=(G + Gпр,)(f± i) = Ga∙ Ψ получим уравнение тягового баланса автомобиля в безразмерной форме: —при неустановившемся движении Д = Ψ ±𝛿врj, (2.76) —при установившемся движении Д = Ψ =f+i. (2.77) В формуле (2.76) j = dv/dt (линейное ускорение). С помощью зависимостей (2.76) и (2.77) можно решать ряд задач: 1) сравнивать автомобили разного веса и типа по максимально преодолеваемому подъему при j = 0: imax= Д max1 –f; (2.78) 2) определять максимальное ускорение j, которое может развить автомобиль при заданном значении коэффициента f или Ψ : jmax =(Д max - Ψ )/ 𝛿вр g (2.79) Из выражения i = Д- f + j 𝛿вр /g - видно, что преодолеваемый подъем может быть увеличен за счёт использования сил инерции автомобиля. 3) рассчитывать, на каких передачах сможет работать автомобиль в заданных дорожных условиях при j = 0. В рассматриваемом случае Ψ = Д; 4) вычислять максимальные дорожные сопротивления, которые способен преодолеть автомобиль: Ψ max = Д max Разгон автомобиля. Одним из основных эксплуатационных свойств автомобиля является способность к быстрому разгону. Разгонные свойства оцениваются максимальным ускорением j max по формуле (2.79) jmax =(Д max - Ψ )/ 𝛿вр g продолжительностью разгона tр до определенной скорости (у грузовых автомобилей до 60 км/ч, у легковых — до 80... 100 км) пройденным расстоянием за время разгона Sp. В технической характеристике автомобилей указывается время tр в хороших дорожных условиях, оба последних показателя зависят от ускорения jmax. Из формулы (2.79) следует, что улучшение разгонных свойств достигается прежде всего за счет увеличения Д, т.е. на низших передачах разгон более интенсивен, чем на высших из-за влияния передаточного числа i тр. Однако на низших передачах более высокое значение имеет коэффициент учета вращающихся масс 𝛿вр, что снижает интенсивность разгона. Поэтому грузовые автомобили лучше разгоняются на второй передачи чем на первой Коэффициент 𝛿вр приближенно определяют по эмпирической формуле 𝛿вр = 1,04 + 0,05 iкп, где iкп — передаточное число коробки передач. (2.80) Увеличение Д достигается прежде всего за счет повышения удельной мощности автомобиля Nуд=Nemax/G уменьшение сопротивления воздуха, также приводит к улучшению разгонных свойств. К другим способам улучшения этих свойств относятся: • умелое маневрирование передачами при разгоне, • выбор рациональной структуры передаточных чисел коробки передач (такая структура представляет собой геометрическую прогрессию), • использования автоматических коробок передач, • содержание автомобиля в технически исправном состоянии. У автомобилей, имеющих высокое значение удельной мощности Nуд, при интенсивном разгоне наблюдается повышенное буксование ведущих колес, т.е. Дφ < Д max . Для устранения этого некоторые современные легковые автомобили имеют ограничитель силы тяги, действующей при разгоне, так называемую противобуксовочную систему. Топливная экономичность автомобилей Оценочные показатели топливной экономичности. Основной показатель топливной экономичности автомобиля — расход топлива, отнесенный к пройденному расстоянию с учетом массы перевезенного груза (пассажиров). В России эталонным принято расстояние 100 км. Таким образом, размерность показателя топливной экономичности следующая: л/100 км или л/100 т км. Стандартизованы следующие оценочные показатели топливной экономичности автомобиля (ГОСТ 20306—90; ГОСТ 4.401—88; ГОСТ 4.396-88): • контрольный расход топлива (КРТ); • расход топлива в магистральном ездовом цикле на дороге (РТМЦ); • расход топлива в городском ездовом цикле на дороге (РТГЦд); • расход в городском цикле на стенде (РТГЦ); • топливная характеристика при установившемся движении (ТХ); • топливно-скоростная характеристика на магистральнохолмистой дороге (ТСХ). Эти оценочные показатели топливной экономичности не нормированы. Их используют для сравнительной оценки автомобилей. КРТ определяют для автомобилей всех видов, как правило, при двух (от 40 до 120 км/ч) регламентируемых скоростях движения по прямой горизонтальной дороге на высшей передаче. Для различных категорий автотранспортных средств установлены свои скорости движения при испытаниях. РТМЦ измеряют для автотранспортных средств всех категорий, кроме городских автобусов, при их движении по измерительному участку с соблюдением заданных режимов движения согласно технологической карте. РТГЦд определяют для автотранспортных средств всех категорий, кроме магистральных автопоездов, междугородних и туристических автобусов, используя методику измерения РТМЦ. Различие состоит в режиме движения, указанном в карте цикле. РТГЦ определяют только для автомобилей, вес которых G <35 кН, при ездовом цикле в соответствии с операционной картой. Испытания проводят на стенде с беговыми барабанами. Также этот стандарт оговаривает операционные карты циклов 1. МАГИСТРАЛЬНЫЙ ЦИКЛ НА ДОРОГЕ для автомобилей полной массой до 3,5 т, автобусов дальнего следования Операционная карта ---------+-----------+-------------------------------------------Номер ¦ Отметка ¦ Последовательность операций операции ¦ пути, м ¦ ---------+-----------+-------------------------------------------1 ¦ ¦ Установление постоянной скорости 40 км/ч 2 ¦Нуль ¦ В момент пересечения отметки "нуль" (начало ¦ ¦мерного участка) включение одновременно ¦ ¦приборов, измеряющих время движения и расход ¦ ¦топлива 3 ¦ 0 - 100 ¦ Движение со скоростью 40 км/ч 4 ¦ 100 - 500 ¦ Разгон до скорости 70 км/ч и движение ¦ ¦с этой скоростью 5 ¦ 500 - 700 ¦ Замедление двигателем до скорости 60 км/ч, ¦ ¦далее движение с этой скоростью 6 ¦ 700 – 1300 ¦ Движение со скоростью 60 км/ч 7 ¦1300 – 1900 ¦ Разгон до скорости 90 км/ч и движение ¦ ¦с этой скоростью 8 ¦1900 – 2200 ¦ Замедление двигателем до скорости 80 км/ч, ¦ ¦далее движение с этой скоростью 9 ¦2200 – 3600 ¦ Разгон до скорости 90 км/ч, далее движение ¦ ¦с этой скоростью 10 ¦3600 - 3800¦ Замедление двигателем до скорости 60 км/ч 11 ¦3800 - 4000¦ Движение со скоростью 60 км/ч 12 ¦ ¦ В момент пересечения отметки 4000 м ¦ ¦выключение измерительных приборов 13 ¦ ¦ Занесение результатов измерений в протокол ¦ ¦испытаний Схема магистрального цикла на дороге для автомобилей полной массой до 3,5 т и автобусов дальнего следования Схема городского цикла на стенде для АТС полной массой до 3,5 т (расстояние, проходимое за каждое испытание, т.е. два цикла, - 2026 м) ТХ и ТСХ представляют собой зависимости расхода топлива Qs от скорости. Зависимость ТХ получают по результатам измерений при установившемся движении на высшей передаче по горизонтальной дороге, а характеристику ТСХ получают при движении по магистрально-холмистой дороге с заданным профилем. График этой характеристики строят для магистральных автопоездов, междугородних и туристических автобусов в зависимости от максимально допустимой скорости vдоп при движении по специальной скоростной дороге автодрома. Для оценки факторов, влияющих на топливную экономичность, теоретически определяют показатель Qs при движении с постоянной скоростью по дорогам с разными значениями коэффициента дорожных сопротивлений Ψ. Исходным выражением является QS= Gт 100/v∙ γт, (2.81) где Gт — часовой расход топлива, кг/ч; γт — плотность топлива, кг/л. Известно, что Gт =Ne ge 10-3 (2.82) где ge, — удельный расход топлива двигателем (г/кВт∙ч). Эффективную мощность двигателя выразим через затраты его энергии на преодоление дорожных NΨ и воздушных сопротивлений, а также потерь в трансмиссии (КПД ηтр) Nе= NΨ + Nw/ ηтр где Nw = Pvv, Nw = Pwv. Подставив в (2.81) выражения (2.82) и (2.83), получим QS = ge (G Ψ +kwFv2)/10 γт ηтр (2.84) Из (2.84) следует, что основными факторами, определяющими топливную экономичность являются: удельный расход топлива двигателя ge, потери в трансмиссии ηтр, вес автомобиля G, состояние дорог — коэффициент Ψ аэродинамические показатели автомобиля kw F и скорость движения V. Применение на автомобилях дизельных двигателей вместо бензиновых обеспечивает уменьшение #,,, замена карбюраторных двигателей на двигатели с впрыском способствует не только снижению выброса в атмосферу вредных веществ, но и снижению ge особенно с впрыском бензина непосредственно в цилиндры. Снижению ge способствует повышение загрузки двигателя. С этой целью многие современные автомобили имеют ускоряющие передачи (передаточное число коробки передач iкп <1). Применяют одну-две такие передачи. Включение этих передач в хороших дорожных условиях (малое значение Ψ) уменьшает частоту вращения коленчатого пала двигателя nд и увеличивает загрузку по крутящему моменту Мд так как Ne = Мд nд, (при v = const мощность Ne = const). Большое влияние на топливную экономичность оказывает сопротивление воздуха, т.е. аэродинамические сопротивления. Их снижение осуществляется за счет улучшения обтекаемости, включая применение обтекателей, обтекаемой укладки груза уменьшенной платности в кузов. Можно ли самостоятельно улучшить аэродинамику автомобиля? Снять ненужные накладки и декоративные элементы, а необходимые функционально, например антенны, выбирать обтекаемой формы. Не открывать при движении окна и люк (при наличии) салона. Прикрепить, подвязать к несущим конструкциям все выступающие элементы под днищем автомобиля (трос ручника, тормозные шланги, трубки и т.д.). Приобретая багажник или прицеп, позаботиться об их аэродинамических характеристиках. Уменьшение дорожного просвета, может дать положительный эффект Большое влияние на Qs оказывает скорость движения автомобиля (см. выражение (2.84)). Зависимость QS =f(v) при установившейся скорости движения называют топливной характеристикой (рис. 2.18). Такую характеристику получают на высшей передаче по горизонтальной дороге (f = const и G = const). Рис. 2.18. Топливная характеристика автомобиля Наиболее экономичные скорости движения автомобиля (QS min) v = 30...60 км/ч. При высоких скоростях движения (v > 80 км/ч) Qs повышается не только из-за зависимости Pw = f(v2) , но и из-за возрастающего коэффициента сопротивления перекатыванию колес f (шина не успевает восстановить свою форму за время контакта с дорогой), а также из-за увеличения потерь в трансмиссии на перебалтывание масла. . С точки зрения экономии топлива всегда выгоднее перевозить грузы большегрузными автомобилями и автопоездами (рис. 2.19). Влияние повышения полной массы автомобиля на топливную экономичность особенно эффективно при малых и средних значениях его массы. Топливная экономичность заметно повышается при увеличении полезной нагрузки. В целях достижения этого применяют автопоезда Рис. 2.19. Характеристика топливной экономичности автомобиля: 1— с бензиновым двигателем; 2— с дизелем; Ga — вес автопоезда Техническое состояние автомобиля влияет на силу сопротивления воздуха и силу сопротивления качению, а следовательно, и на удельный расход топлива. Топливная экономичность бензинового двигателя зависит: от угла опережения зажигания топлива, состояния свечей и инжекторов, фаз газораспределения, теплового режима эксплуатации. Топливная экономичность дизеля зависит: давление начала впрыскивания топлива форсункой и состояние сопел ее распылителя; неравномерность цикловой подачи топливного насоса; правильность установки насоса и каждой его секции по углу опережения впрыскивания топлива; состояние воздухоочистителя и фаз газораспределения; тепловой режим эксплуатации. Существенно большую экономичность имеют автомобили с дизелями по сравнению с автомобилями, оснащенными бензиновыми двигателями, особенно на режимах частичных нагрузок. В ходовой системе к наиболее важным факторам топливной экономичности относят давление воздуха в шинах и состояние протектора. Расход топлива существенно зависит от умения водителя выбрать экономичный режим работы двигателя в данных дорожных условиях, а также использовать кинетическую энергию разгона при движении под уклон для преодоления подъемов. Из условий экономии топлива можно рекомендовать следующие приемы вождения автомобиля: —на горизонтальном участке дороги соблюдать скорость движения на 25% ниже максимальной; —средняя частота вращения вала двигателя должна быть на 30.. .40% ниже номинальной; —по возможности использовать более высокие передачи; —обеспечивать равномерное движение автомобиля без резких разгонов и торможений; —по возможности реже переключать передачи и использовать тормоза. Поскольку экономичность двигателя всегда выше в режиме работы, соответствующем большой загрузке по крутящему моменту при низкой частоте вращения коленчатого вала, то целесообразно как можно раньше включать высокую передачу.