CC BY
154
УДК 629.1.018
В. П. Лобах, канд. техн. наук, доц., Л. В. Рублевский
НОРМИРОВАНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
В статье приведен анализ расчетных формул и методик для определения норм расхода топлива на автомобильном транспорте. Разработана программа расчета норм, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований. Даны рекомендации. Предложена схема прибора, позволяющего выбирать наиболее экономичный режим движения автомобиля в различных условиях эксплуатации.
Постоянный рост количества автотранспортных средств, использующих в качестве топлива нефтепродукты, ограниченность природных ресурсов и др. требуют экономного расходования топлива [1-7]. Один из путей экономии топлива - правильное нормирование его расхода на стадии планирования перевозок, для чего применяют расчетный метод. Однако он дает различные результаты в зависимости от применяемых формул, требует громоздких вычислений и подготовки большого количества исходных данных как конструктивного, так и эксплуатационного плана.
Например, при нормировании расхода топлива для грузовых автомобилей учитывается основная норма расхода на пробег и дополнительная норма на транспортную работу. Основная норма корректируется надбавками в процентах с учетом времени года, климатических и дорожных условий, рельефа местности и прочего. Указанные нормы и надбавки устанавливаются соответствующими распоряжениями вышестоящих организаций, что не всегда соответствует действительности, т. к. расход топлива зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов: передаточного отношения и КПД трансмиссии, сопротивления дороги, скорости движения и т. д. Кроме того, в их применении существует субъективное мнение по времени и количеству. Дополнительная норма расхода вообще остается постоянной для всего многообразия условий работы автомобиля. Описанное нормирование расхода производится по формуле
в = но-^+нд-^~, 0)
Ж
100
100
где Н0 - основная норма расхода топлива, л/100 км; Нд - дополнительная норма расхода топлива, л/100 т • км; Ь - пробег автомобиля, км; Ж - транспортная работа, т-км.
Все вышеуказанное не отражает реальную картину расхода топлива.
Более правильным при нормировании расхода топлива является аналитическое определение его с учетом как можно большего количества конструктивных и эксплуатационных факторов. В известных работах Н. Я. Говорущенко и других исследователей приводятся уравнения, которые учитывают ряд дополнительных факторов, например, удельный эффективный расход топлива, что видно из следующей формулы [1, 2]:
в = ку-К-Чм /+ 0,077• к^^Уа2)-Ь , (2)
3,6 • 106 • т)тр • РТ
где ку - коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от скоростного режима двигателя; км -коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от загрузки двигателя; чм - удельный расход топлива при номинальной мощности, г/(кВт -ч); Оа - вес автомобиля, Н; / -коэффициент сопротивления дороги; к -коэффициент сопротивления воздуха; Р - площадь лобового сопротивления автомобиля, м2; Уа - скорость автомобиля, м/с; Ь - пробег автомобиля, км; ПТР - КПД трансмиссии автомобиля;
рТ - плотность топлива, т/м .
Данная формула дает достаточно точный результат, но значение удельного эффективного расхода топлива может изменяться до двух раз, что при расчетах приводит к такому же изменению нормы расхода топлива. Более точный результат при нормировании расхода топлива может быть получен при использовании следующей зависимости [2]:
в = 100-А • iк + B•iK * Уa + C х
100- ц
х (Оа •/ + 0,077 • к^Уа2)!, (3)
где п - индикаторный КПД; ¡к - передаточное число коробки передач; А, В, С -постоянные коэффициенты, зависящие от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов.
Коэффициент А определяется по формуле
А = 7,95 • аУИ-10
Н И • рТ • Г1
(4)
к
где У, - рабочий объем цилиндров двигателя, л; а - постоянный для данного двигателя коэффициент, определяется экспериментально; НИ - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; 10 - передаточное число главной передачи; гК - радиус качения колеса, м.
Коэффициент В равен:
В = 0,69 • ЪУ, п • ¡0 , (5)
Н и • Рт • гк
где Ъ - постоянный для данного двигателя коэффициент, определяется экспериментально; 8п - ход поршня двигателя, м.
Постоянный коэффициент С будет равен:
С =
100
Ни • рт • Лтр
(6)
Используя вышерассмотренную методику, можно рассчитать норму расхода топлива на 100 км. Для облегчения расче-
тов была разработана программа [3], алгоритм работы которой представлен на рис. 1.
Московским институтом НАМИ была произведена серия расчетов по формулам (2) и (3) для грузовых автомобилей, работающих на дорогах с асфальтобетонными покрытиями. Расчет учитывал такие переменные факторы, как скорость автомобиля, коэффициент дорожного сопротивления, массу автомобиля. Нами повторены расчеты с использованием разработанных программ по формулам (2) и (3), а также определен расход по формуле (1).
На полигоне института НАМИ была произведена также серия опытов для каждого из грузовых автомобилей и определены экспериментальные значения нормы расхода топлива [2]. Результаты расчетов, выполненных нами и институтом, и экспериментов для грузового автомобиля МАЗ-5325 приведены в табл. 1.
Для наглядности сравнения расчетных и экспериментальных данных были построены соответствующие зависимости. Зависимость норм расхода топлива от массы груза представлена на рис. 2.
Из табл. 1 и рис. 2 следует, что расчет по формулам (1)-(3) дает различные результаты. При этом расчет по формуле (1), которая используется на практике с целью планирования расхода топлива, отличается до 50 % в сторону увеличения, что является недопустимым. В то же время такой расчет удовлетворяет практиков, что позволяет покрыть перерасход топлива из-за погрешностей в работе (неудовлетворительное техническое состояние подвижного состава, плохие организация работ при перевозках и состояние дорог и пр.).
Расчетные и экспериментальная зависимости норм расхода топлива от скорости движения порожнего автомобиля и загруженного массой груза 8 т представлены на рис. 3.
С Н АТ, Ро,
То, є, и>, Т г, 'ют, а, %, рк, <р„і
Расчет индикаторного КПД п:
Расчет
коэффициента
А
(}в, В а, V в, І о, б а, В а, На, К, у/, Уь, Не, у, 5 п, і/ ір, а, 8, і
Расчет радиуса качения колеса гк
Расчет
коэффициента
В
Определение нормы расхода топлива О
Печать
результатов
Расчет площади лобового сопротивления Ра
Расчет
коэффициента
С
Рис. 1. Алгоритм расчета нормы расхода топлива на ЭВМ
Табл. 1. Результаты расчетов и экспериментов по определению норм расхода топлива
Номер формулы Расход топлива, л/100 км
Масса груза, т Скорость автомобиля, км/ч Коэффициент сопротивления до эоги
0 4 8 40 50 60 0,015 0,020 0,025
1 28,0 33,2 38,4 38,4 38,4 38,4 38,4 38,4 38,4
2 19,4 26,1 32,8 29,5 31,0 32,8 26,1 32,8 39,5
3 23,5 29,0 34,5 30,0 32,2 34,5 29,0 34,5 40,0
1пор 28,0 28,0 28,0
2пор 16,1 17,6 19,4
3пор 19,0 21,1 23,5
Эксппор 18,9 20,8 23,5
О
л
50
4 О
30
20
10
1 .
^2
■
8
10 12 /4 16
18
т л
Рис. 2. Графики зависимости норм расхода топлива от массы груза
а
л
50 4 О 30 20 10
__3 , >— 7 ^2
— С 1-Л 1пор !=-_ Зпор.
—С — — — — 2пор
, Эксппор
35 4 О
50
60
км/ч
Рис. 3. Графики зависимости норм расхода топлива от скорости автомобиля: 1, 2, 3, 1пор, 2пор, 3пор -
расчетные нормы по формулам (1), (2) и (3) для груженого и порожнего автомобиля соответственно; Эксппор - экспериментальные нормы для порожнего автомобиля
Как видно из графических зависимостей (рис. 3), расчетная формула (1) дает весьма приближенный результат, норма расхода топлива в этом случае остается постоянной величиной, что противоречит логике. Это в очередной раз подтверждает непригодность данной формулы для нормирования расхода топлива.
Из табл. 1 и рис. 2 и 3 следует, что результаты расчета по формулам (2) и (3) также отличаются между собой. Тем не менее сравнение экспериментальных и расчетных результатов показывает, что формула (2) дает заниженный результат, в то время как графики экспериментального и расчетного значений по формуле (3) практически совпадают. Это свидетельствует о достоверности данной формулы и обосновывает ее возможность дальнейшего применения на практике. Следует отметить, что при расчете нормы расхода топлива индикаторный КПД принимается постоянным для всех режимов движения, что не совпадает с действительностью. На самом деле КПД изменяется в зависимости от мощности двигателя и коэффициента избытка воздуха, в связи с этим некоторые результаты расчетов могут оказаться заниженными.
К сожалению, рассмотренная методика расчета расхода топлива имеет очевидный недостаток - она требует громоздких вычислений и подготовки большого количества исходных данных конструкторского и эксплуатационного характера, что не представляется возможным из-за их многообразия. Поэтому использовать её в повседневной практике невозможно.
Ввиду этого необходимо разработать такое устройство, которое в любой момент времени могло бы предоставить водителю визуальную информацию об экономичном режиме движения, способствуя тем самым выдерживанию расчетных норм расхода топлива. Принцип действия данного устройства основан на определении удельного эффективного расхода топлива при движении автомобиля в определенных условиях на конкретной передаче. Удельный эффективный расход
топлива при движении автомобиля будет постоянно изменяться в зависимости от скорости движения, дорожных сопротивлений, массы автомобиля, сопротивления воздуха и др. и определяется по выражению
О_ N
(7)
где ge - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт-ч); ОТ - часовой расход топлива, кг/ч; Ые - эффективная мощность, кВт.
Поскольку в основу работы прибора положено выражение (7), то в его конструкцию необходимо включить датчик часового расхода топлива и датчик мощности. Как известно, мощность определяется выражением
N0 = мв'п ,
(8)
где Ме - момент на валу двигателя, Н-м; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, с-1.
Из выражения (8) видно, что для реализации датчика мощности необходимо на уровне электрических сигналов перемножить импульсы датчика крутящего момента на импульсы датчика частоты вращения.
На основании вышеизложенного материала предложена [4-7] схема прибора экономичного режима движения, представленная на рис. 4.
Устройство включает в себя датчик мощности 1, смонтированный на первичном валу коробки передач, датчик 2 часового расхода топлива с крыльчаткой, который крепится на головку блока цилиндров двигателя и монтируется в топливопровод между топливным насосом и карбюратором при помощи шлангов в тканевой оплетке и винтовых стяжных хомутов. Прибор также включает в себя контактный датчик переключения передач 4, работающий по принципу замыкания цепи при переходе на определенную передачу. Контактный датчик коробки передач соединен с микропроцессорной системой 3,
осуществляющей алгебраическое деление сигналов с датчиков мощности и часового расхода топлива, и связь датчика включения передач 4 с блоком контрольных ламп 5 на щитке приборов 6. Для вывода и визуального представления обработанной микропроцессором информации предусмотрен дисплей прибора со шкалой, на которой отме-
чены диапазоны допустимого удельного эффективного расхода топлива на каждой передаче. Диапазоны имеют соответствующую нумерацию: 2, 3, 4 и т. д. Кроме того, на дисплее прибора имеется отметка «0», символизирующая, что прибор находится в неактивном состоянии (не функционирует).
Рис. 4. Прибор выбора экономичного режима движения: 1 - датчик мощности; 2 - датчик часового расхода топлива; 3 - микропроцессорная система; 4 - контактный датчик переключения передач; 5 - блок контрольных ламп; 6 - шкала прибора
Прибор работает следующим образом. При запуске двигателя стрелка прибора остается неподвижной. Водитель включает первую передачу, при этом стрелка прибора остается неподвижной (на отметке «0»), контрольные лампы, расположенные возле дисплея, не горят. Это объясняется тем, что прибором не предусмотрен контроль расхода топлива на первой передаче, поскольку она используется редко. В коробке передач отсутствует контактный датчик, реагирую-
щий на включение первой передачи, следовательно, никакой сигнал на микропроцессор и измерительный прибор не поступает. При переходе на вторую передачу загорается контрольная лампа «2», стрелка прибора должна переместиться на шкалу «2». Пределы шкалы «2» указывают допустимое значение расхода топлива на второй передаче, середина шкалы «2» указывает минимальный расход на второй передаче. В процессе движения на второй передаче
водитель при помощи педали управления подачей топлива должен установить стрелку прибора на шкалу «2» (на середину шкалы). Это будет означать, что на данной передаче автомобиль двигается на экономичном режиме с минимальным расходом топлива.
Далее водитель переходит на другие передачи, срабатывает контактный датчик соответствующей передачи и загорается контрольная лампа, информируя водителя о том, что стрелка прибора должна установиться в пределах соответствующих шкал на третьей передаче. По окончании движения водитель переходит на нейтральную передачу, отсоединяя двигатель от коробки передач. Прибор отключается, стрелка прибора устанавливается на отметку «0».
Таким образом, в процессе движения водитель, используя установленный прибор, имеет возможность выбрать и установить экономичный режим движения автомобиля на каждой конкретной передаче, добиваясь экономии топлива на маршруте в целом.
Таким образом, в выполненной работе решены следующие вопросы:
1) проведен анализ расчетных формул по нормированию расхода топлива, в результате чего установлено, что нормы, определенные по различным формулам, существенно отличаются друг от друга;
2) установлено, что формула (1) не может быть использована в качестве расчетной для нормирования расхода топлива из-за большой неточности, а формулы (2) и (3) - из-за большой громоздкости вычислений и подготовки большого количе-
ства исходных данных конструкторского и эксплуатационного характера;
3) подтверждено, что расчеты по формуле (3) дают наиболее точный результат, практически совпавший с экспериментом;
4) предложен метод экономии топлива с учетом использования измерительных приборов на автомобиле;
5) разработана принципиальная схема прибора для выбора экономичного режима движения автомобиля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Говорущенко, Н. Я. Основы управления автомобильным транспортом / Н. Я. Говорущенко. - Харьков : Вища шк., 1978. - 224 с.
2. Говорущенко, Н. Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте / Н. Я. Говорущенко. - М. : Транспорт, 1990. - 135 с.
3 Козловский, П. А. Анализ методов нормирования расхода топлива на автомобильном транспорте / П. А. Козловский, В. П. Лобах // 44-я студенческая научно-техническая конференция : материалы науч.-техн. конф. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2008. - С. 30.
4. Лобах, В. П. Энергосбережение на автомобильном транспорте / В. П. Лобах // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2006. - № 4. - С. 23-27.
5. Лобах, В. П. Анализ методов определения расхода топлива / В. П. Лобах, П. А. Козловский // Материалы междунар. науч.-техн. конф. -Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2008. - С. 44.
6. Лобах, В. П. Пути энергосбережения на автомобильном транспорте / В. П. Лобах // Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : МГТУ, 2001. - С. 75-76.
7. Технологическое оборудование для улучшения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов на автомобильном транспорте / В. В. Геращенко [и др.]. -Могилев : Облтипография, 1996. - 116 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 16.03.2009
V. P. Lobakh, L. V. Ryblevsky Techniques for evaluating the norms of fuel consumption in automobile transport
The paper gives the analysis of calculated formulae and techniques for evaluating the norms of fuel consumption in automobile transport. The program for calculating the norms of fuel consumption has been developed. The results of theoretical and experimental studies are given in the paper. Also, some recommendations are given. Offered is the scheme of the device enabling to choose the most economical mode of automobile traffic under various conditions of operation.
