CC BY
68
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 656.13/73.31.41
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ПРИ РАБОТЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ
Л. Н. Буракова
Аннотация. В статье на основе результатов экспериментальных исследований устанавливаются: зависимости изменения расхода топлива двигателя внутреннего сгорания при работе климатической системы от эффективной температуры окружающего воздуха, коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова и мощности автомобиля.
Ключевые слова: расхода топлива,
светоотражения, мощность двигателя.
Введение
Особое значение для поддержания микроклимата в салоне автомобиля в летний период имеет работа климатической системы. Увеличение показателей расхода топлива при её работе происходит по причине повышения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
В действующих нормативных документах дополнительный расход топлива, связанный с необходимостью обеспечения оптимальных тепловых условий в салоне автомобиля при простоях в летнее время года не учитывает факторы, влияющие на её работу. По данным различных источников были установлены зависимости влияния эффективной температуры окружающего воздуха, коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова на работу климатической системы и микроклимат в салоне автомобиля.
1. Анализ зависимости по влиянию эффективной температуры воздуха на расход топлива при работе климатической системы. Изменение эффективной температуры окружающего воздуха оказывает тепловое влияние, как на элементы конструкции автомобиля, так и на микроклимат в салоне.
С целью создания комфортной температуры в салоне автомобиля требуется дополнительное охлаждение воздуха, так как баланс между количеством теплоты, поступающим извне и изнутри и теплообменом через поверхность кузова за счет уноса теплоты вентиляционным воздухом
эффективная температура, коэффициент
особенно затруднен летом в условиях прямого действия солнечных лучей.
При движении автомобиля воздух, обтекающий кузов, оказывает некоторое охлаждающее действие, но если не применяются дополнительное
кондиционирующее устройство, температура в салоне постоянно выше температуры внешней среды на 3°- 4°С. [1]
Высокотемпературные условия
эксплуатации существенно влияют на температурный режим в салоне автомобиля и через увеличение нагрузки на работу климатической системы отражаются на изменении расхода топлива. Так в проведенных нами исследованиях установлено, что повышение эффективной температуры окружающего воздуха приводит к увеличению расхода топлива дВс при работе климатической системы. При увеличении окружающей температуры повышается температура в салоне автомобиля, так как не происходит естественного охлаждения. Для достижения комфортного микроклимата требуется увеличение мощности
холодопроизводительности климатической системы, что ведет к увеличению нагрузки ДВС и соответственно к возрастанию расхода топлива. На основании проведенных экспериментальных исследовании
установлены зависимости изменения расхода топлив при работе климатической системы для автомобилей Ford Focus, Toyota Porolla, Mitsubishi Lancer, представленны на рисунке 1.
Рис. 1. Зависимость изменения расхода топлива от эффективной температуры воздуха
Из рисунка следует, что при повышении эффективной температуры окружающего воздуха увеличивается расход топлива при работе климатической системы, при этом видно, что у всех автомобилей он разный.
Анализируя график зависимости можно подтвердить рабочую гипотезу функции, описывающей эту зависимость. Данная функция является линейной и представлена в виде уравнений: для:
Ford Focus
q = 0,9842 + 0,0136 • t ; (1)
Toyota Porolla
q = 0,413 + 0,0252 • t ; (2)
Mitsubishi Lancer
q = 0,0096 + 0,0303 • t, (3)
где q - расход топлива при работе климатической системы; t - эффективная температура окружающего воздуха.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований
установлена функциональная зависимость между расходом топлива ДВС при работе климатической системы и эффективной температуры окружающего воздуха.
2. Анализ зависимости по влиянию коэффициента светоотражения
непрозрачных элементов кузова на
расход топлива при работе климатической системы. По законам физики белыми принято считать поверхности с высоким коэффициентом отражения по всей видимой области спектра и неселективным или слабовыраженным селективным
поглощением света. Кроме того, для белой поверхности характерно диффузное отражение света, т.е. отражение его во всех направлениях. Такая поверхность полностью отражает все монохроматические лучи видимой зоны спектра, белизна ее принимается равной 100 %.
Черная поверхность полностью поглощает поток светового излучения и имеет слабовыраженный коэффициент отражения, что и приводит к нагреванию т.к. происходит преобразование света в тепловую энергию.
На основе проведенных ранее исследований американских ученых [7] установлено, что автомобили с покрытием различных цветов имеют различную отражательную способность непрозрачных элементов кузова. В связи с этим были разработаны коэффициенты в соответствии с определенным цветом непрозрачных элементов кузова, некоторые данные по определенным цветам представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Взаимосвязь цвета непрозрачных элементов кузова и коэффициента отражения
Цвет автомобиля Коэффициент отражения
белый 0,95
серебристый 0,57
серебристо-серый 0,38
черный 0,05
На основе полученных данных был проведен эксперимент, который определяет влияние коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова автомобиля, на расход топлива.
В ходе экспериментальных исследований была получена зависимость расхода топлива ДВС при работе климатической системы от коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова автомобиля. Во время эксперимента сравнивался расход топлива при работе климатической системы автомобилей одной марки с разными коэффициентами отражения непрозрачных элементов кузова при различных эффективных температурах окружающего воздуха.
Было установлено, что изменение коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова приводит к изменению расхода топлива ДВС при работе климатической системы. Данная зависимость линейная и определяется не только коэффициентом отражения непрозрачных элементов кузова, но и эффективной температурой окружающего воздуха.
В научно-исследовательской работе к рассмотрению приняты четыре цвета автомобиля, так как данные коэффициенты позволяют рассмотреть данную зависимость во всем цветовом диапазоне и шагом коэффициентов 0,3. Данная зависимость представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость изменения расхода топлива от коэффициента светоотражения непрозрачных элементов кузова
Из графика видно, что увеличение расхода топлива связано с повышением эффективной температуры воздуха и коэффициентом светоотражения
непрозрачных элементов кузова на примере автомобилей Ford Focus с мощностью двигателя 91,24 кВт. Чем выше коэффициент отражения, тем ниже поглощения тепла кузовом автомобиля и меньшим прогревом салона, что и объясняет уменьшение расхода топлива при работе климатической системы.
В результате обработки
экспериментальных данных в программе Statistica были определены численные значения однофакторной математической модели, рассмотренной в качестве гипотезы: при:
t -+200 C t -+300C t -+400 C
q = 1,3589 - 0,1407 -р ; (4) д = 1,3432 - 0,1973 -р; (5) д = 1,2106 - 0,097- р , (6) где q - расход топлива при работе климатической системы;
р- коэффициент светоотражения непрозрачных элементов кузова.
Погрешность полученных зависимостей не превышает 7 % при уровне доверительной вероятности 92 %.
3. Анализ зависимости по влиянию мощности двигателя на расход топлива при работе климатической системы.
Расход топлива двигателем автомобиля на холостом ходу при включении в работу климатической системы состоит из двух частей: минимальный расход топлива двигателем и дополнительный расход топлива двигателем возникший вследствие подключения в работу климатической системы.
Климатическая система полностью интегрирована в алгоритм работы контроллера двигателя. Калибровки ДВС учитывают её наличие, и позволяют минимизировать нагрузку от компрессора при старте и ускорении. Связь между ДВС и компрессором осуществляется по помощи
электромагнитной муфты, которая при включении компрессора создает магнитное силовое поле и подпружиненный диск сдвигается к вращающему ременному шкиву, что образует связь между ременным шкивом и приводным валом компрессора. [1, 3]
Внутренняя система регулирования компрессора с переменным рабочим объемом позволяет ему поддерживать требуемое давление в системе, оставаясь постоянно во включенном состоянии (кроме случаев ускорения или движения с места, когда кратковременное отключение компрессора производится принудительно для экономии мощности двигателя).
В компрессорах с постоянным рабочим объемом система включается и выключается при помощи электромагнитной муфты только при потребности холодопроизводительности.
В научно-исследовательской работе к рассмотрению приняты климатические системы с компрессором переменного рабочего объема, что позволяет определить изменение расхода топлива ДВС, так как он постоянно находиться в рабочем режиме и поддерживает заданные
температурные параметры микроклимата в салоне автомобиля.
Также проведен анализ ранее выполненных работ о влиянии мощности двигателя на расход топлива при работе климатической системы, где было теоретически установлено, что при работе двигателя на больших скоростях и нагрузках (на трассе) влияние кондиционера на расход топлива незначительно. [1, 5] В этих параметрах работы мощность двигателя высокая и частью энергии, затраченной на работу компрессора климатической системы можно пренебречь, а при работе на холостом ходу кондиционер отбирает часть мощности ДВС на работу компрессора, чем увеличивает расход топлива. Кроме того установлено, что чем меньше мощность ДВС, тем большая доля отбора мощности идет на работу компрессора климатической системы и соответственно увеличивается расход топлива.
Изменения расхода топлива ДВС при изменении мощности автомобиля имеет линейную зависимость и представлена на рисунке 3.
1,5
1,4
1,3
»д
cd
£ ц 1,1
h. а 1,0
В 0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Ford Focus при pi бот г климатической сист емы ■ Toy ом Corolla при pi бот е климатической системы + . Mitsubishi L апсег при работ е климатической сист емы Ford Focus без работы климатической системы • Toyota Corolla безработы климатической системы
■ Mitsubishi Lancer безработы климатической системы * - ~
• * А ______'
90 95 100
Мощность дзигат еля, кВт
Рис. 3. Зависимость изменения расхода топлива от мощности двигателя внутреннего сгорания при эффективной температуре окружающего воздуха + 250 С
Установлено, что работа климатической системы оказывает большее влияние на изменение расхода топлива при уменьшении мощности двигателя. Так как происходит увеличение нагрузки на генератор. Это снижает частоту вращения коленвала, и контроллер двигателя увеличивает количество подаваемого в цилиндры топлива. [3, 4]
Математические модели для расчета коэффициентов представлены в виде линейных зависимостей: для:
Ford Focus
q = 0,7325 + 0,0048 • N ; (7)
Toyota Porolla
q = 0,3702 + 0,0145• N ; (8)
Mitsubishi Lancer
q = 1,2553 + 0,023 • N . (9)
Численные значения коэффициентов множественной корреляции для моделей составили 0,92.. .0,98, коэффициентов детерминации - 0,86.0,98, что указывает на достаточную полноту учета факторов. Значения дисперсионного отношения Фишера, полученные на основе экспериментальных данных, больше табличных значений F-
критерия для доверительной вероятности 0,95, что свидетельствует об адекватности однофакторных моделей результатам эксперимента[6].
Вывод
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что на расход топлива ДВС при работе климатической системы влияет множество факторов, к основным из которых относятся: эффективная температура окружающего воздуха, коэффициент светоотражения непрозрачных элементов кузова и мощности ДВС.
В действующих нормативных документах дополнительный расход топлива, связанный с необходимостью обеспечения оптимальных тепловых условий в салоне автомобиля при простоях с повышенной температурой внешней среды, устанавливается нормой из расчета, что один час простоя соответствует до 10 % от базовой нормы. [8]
Следовательно, существующая методика не учитывает факторы, влияющие на расход топлива ДВС при работе климатической системы и имеется необходимость её совершенствовать.
Библиографический список
1. Анисимов И. А., Буракова Л. Н., Буторин В. Ф. Оценка влияния работы электрических систем на расход топлива автомобиля // Научно-технический вестник Поволжья . - 2012. -№5. - Р. 79-83.
2. Анисимов И. А. Сравнительная оценка приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации при работе на различных видах топлива //Транспорт Урала . - 2008. - №4(19). - С. 90-92.
3. Анисимов И. А., Буракова Л. Н., Буторин В.Ф. Результаты эксплуатационных испытаний работы электрических систем автомобиля и их влияние на расход топлива // Научно-технический вестник Поволжья . - 2013. - №3. - С. 68-72.
4. Анисимов И. А., Иванов А. С. Корректирование норм расхода топлива газодизельных автомобилей при выполнении транспортной работы в низкотемпературных условиях // Автотранспортное предприятие. - 2011. - №7 . - С.51.
5. Анисимов И. А., Буторин В. Ф. Актуальные вопросы экономии топлива на автомобильном транспорте в условиях низких температур // Вестник ОГУ . - 2011. - №10. - С. 181-186.
6. Боровиков В. П. Программа STATISTIPA для студентов и инженеров. 2-е изд. - М.: КомпьютерПресс, 2001. - 301 с.
7. Pool - Polored Pars to Reduce Air - Conditioning Energy Use and Reduce PO2 Emission - Lawrence Berkeley National Laboratory One Pyclotron Road Berkeley.2011. 102 p.
7. Методические рекомендации «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» Приложение к распоряжению Минтранса России от 14.03.2008 N АМ-23-р
PILOT STUDIES OF INFLUENCE OF FACTORS ON FUEL CONSUMPTION CHANGES DURING THE
WORK OF CLIMATIC SYSTEM OF THE CAR
L. N. Burakova
On the basis of experimental results shall be established: the dependence of changes in motor fuel consumption of the internal combustion engine with the climate system and work effectively in the temperature of the surrounding air, the coefficient of retro-reflective body parts and engine power.
Keywords: fuel consumption, effective temperature, light reflection coefficient, engine power.
Biblioqraphic list
1 .Anisimov I. A. Burakova L. N. Butorin V. F. Otsenka of influence of work of electric systems on car fuel consumption // Scientific and technical messenger of the Volga region. - 2012. - No. 5. - P. 79-83.
2 Anisimov I. A. Comparative assessment of fitness of cars to low-temperature conditions of operation during the work on different types fuel// transport of Ural. - 2008. - No. 4(19). - P. 90-92.
3 . Anisimov I. A. Burakova L. N. Butorin V. F. Results of operational trials of work of electric systems of the car and their influence on a consumption of fuel // Scientific and technical messenger of the Volga region . - 2013. - № 3. - Page 68-72.
4 . Anisimov I. A. Ivanov A. S. Korrektirovaniye of consumption rates of fuel of gas-diesel cars when performing transport work in a bottom-kotemperaturnykh conditions // the Motor transportation enterprise . - 2011. - No. 7. - P. 51.
5 . Anisimov I. A. Butorin V. F. Topical issues of economy of fuel on the motor transport in the conditions of low temperatures// Messenger of regional public institution. - 2011. - No. 10. - P. 181-186.
6. Borovikov V. P. Statistica program for students and engineers. 2nd prod. - M.: Pomputerpress, 2001. -301 p.
7. Pool Polored Pars to Reduce Air Conditioning Energy Use and Reduce PO2 Emission - Lawrence Berkeley National Laboratory One Pyclotron Road Berkeley.2011. 102 pp.
8. Methodical recommendations "Ponsumption rates of fuels and greases on the motor transport" the Annex to the order of the Ministry of Transport of the Russian Federation of 14.03.2008 N AM-23-r.
Буракова Людмила Николаевна - аспирант Тюменского Ггосударственного нефтегазового университета. Основное направление научных исследований: корректирование норм расхода топлива при работе климатической системы. Email: burakova.1992@mail.ru
