CC BY
34
УДК 621.436
АНАЛИЗ РЕЗЕРВОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦОННОЙ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
С.В. Гусаков, Абдел Муним Музхер Хашим
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье приводится анализ возможности повышения эксплуатационной топливной экономичности транспортных средств путем применения устройства накопления и рекуперации энергии.
В апреле 2002 г. состоялся тестовый заезд по открытой трассе нового сверх экономичного автомобиля корпорации "Фольксваген" [1]. Расход топлива составил 0,89 л на 100 км. Такой показатель был достигнут на двухместном автомобиле массой 290 кг, с одноцилиндровым дизелем номинальной мощностью 6,25 кВт. Важность этого проекта обуславливается тем, что в Германии стоимость автомобильного топлива примерно в 3 раза выше, чем в России или США.
Представляет интерес оценить затраты энергии данным транспортным средством и существующие резервы снижения эксплуатационного расхода топлива.
Энергия, высвобождающаяся при сгорании 0,89 л дизельного топлива марки J1 с низшей удельной теплотой сгорания #„ = 43 МДж/кг и плотностью 860 кг/м3, составляет около б = 33 МДж. При удельном эффективном расходе топлива 235 г/(кВт ч), который можно рассматривать как перспективный для такого типа дизелей (см. табл.1), эффективный КПД составит
= 3600 = 0356 (1)
H„g.
Таблица 1
Характеристики современных одноцилиндровых дизелей
Марка дизеля, (страна) Номинальная мощность, кВт / при частоте вращения, мин'1 Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч)
ВСН-6Д (Россия) 4,4 / 3000 272
Т450-Д (Россия) 8,0/3600 280
Honda GD411 (Япония) 6,6 / 3600 245
Hatz 1D41 (Германия) 6,3 / 3600 265
Следовательно, полезная работа двигателя при расходовании 0,89 л топлива на 100 км составит
А+ = Я?1е= П,8 МДж. (2)
Известно, что при равномерном движении по горизонтальной дороге мощность двигате-
ля расходуется на преодоление суммы сил: сопротивления качению и аэродинамического сопротивления воздуха. На скоростях, не превышающих 120-130 км/ч, сопротивление качению с достаточной для практики точностью может считаться постоянной величиной, не зависящий от скорости движения [2]. Сила сопротивления, связанная с сопротивлением качению, равна
Рг=/Оа, (3)
где /=0,014 - средняя величина коэффициента сопротивления качению для асфальтового
покрытия; С?а— сила тяжести автомобиля при сухой массе автомобиля 290 кг и двух пассажирах, составляющая около 4500 Н.
Сила сопротивления воздуха может быть вычислена по зависимости
Р,=С,Р^2а/2> (4)
где сх - коэффициент сопротивления воздуха, имеющий численное значение порядка 0,3 для
автомобиля с аэродинамически предельно совершенным кузовом; р= 1,24 кг/м3 - плотность воздуха; - лобовая площадь; для двухместного автомобиля может быть принята равной 1,5 м2; уа - скорость автомобиля, м/с.
Работа, которую должен совершить двигатель при перемещении транспортного средства на расстояние 100 км со скоростью уа, равна
Л_=105(РГ + Р„)Ъ, (5)
где 77а = 0,95 - КПД трансмиссии.
Равенство располагаемой (2) и потребной (5) работы двигателя достигается при средней скорости движения для данного транспортного средства 13,3 м/с (47,8 км/ч), при этом от двигателя требуется средняя мощность 1,57 кВт, что составляет менее трети от номинальной мощности. Минимальные затраты энергии могут быть получены из условия уа -> 0 и, соответственно, Рп-> 0. При этом условии двигатель совершает работу 5,99 МДж, а путевой расход топлива составил бы предельно малую величину, порядка 0,5 л на 100 км.
Показанные результаты достаточно тривиальны, так аналогичный расчет с параметрами легкового автомобиля среднего класса: Са = 10000 Н; сх = 0,4; Ра = 1,92 м3, движущегося со скоростью 120 км/ч, дает путевой расход топлива 5,4 л на 100 км, что является для автомобиля с дизелем такого типа вполне естественным.
В отличие от равномерно движущегося транспортного средства при работе его двигателя в режимной точке с максимальным эффективным КПД, реальное ухудшение топливной экономичности происходит в связи с следующими факторами:
текущая режимная точка не совпадает с режимом максимальной топливной экономичности;
затрачиваемая энергия на ускорение транспортного средства безвозвратно теряется при торможении.
На рис.1 приведена многопараметровая характеристика транспортного дизеля 4ЧН 11/12,5, на которой видна режимная область с минимальным расходом топлива. Однако в условиях реальной эксплуатации дизель в этой точке практически не работает (табл.2).
Рис.1. Многопараметровая характеристика транспортного дизеля: —»
---- удельный эффективный
расход топлива, г/(кВт-ч);
------ часовой расход топлива,
кг/ч.
«е
Л/е
«е,,
Перераспределение
Рис.2, энергии
Используя распределение времени работы Ц в каждой нагрузочно-скоростной зоне (табл. 2) и часовой расход топлива Ощ в соответствующей режимной точке можно определить суммарный расход топлива при движении в соответствии с ездовым циклом
10 12 *
7Е ^¿^3600
'г и
Расчет по зависимости (6) дает значение суммарного расхода топлива 0-ц: кг/цикл. Используя данные табл.2 и соотношение
(6) : 2,074
10 12
а=11 го
/=1 м
где Ыеп - мощность двигателя в соответствующей режимной точке, можно оценить суммарную работу, совершаемую двигателем при движении автомобиля в цикле, исключив время работы на холостом ходу. Расчет дает значение Ах = 23440 кДж. Такую работу двигатель выполнит, работая в режиме минимального удельного расхода топлива (Ре = 0,65 МПа, п = 1590 мин'1, Ые&т^ = 40,93 кВт, Ст = 9,59 кг/ч) за Ц = Ах //^¡¡шт = 573 с, израсходовав при этом 1,53 кг топлива, или на 26% меньше, чем в реальном цикле.
Таблица 2
Распределение времени работы (сек) дизеля 4ЧН 11/12,5 при движении транспортного средства в соответствии с Европейским ездовым циклом
Ре, МПа п, 1/мин
600... 780 780... 960 960... 1140 1140... 1320 1320... 1500 1500... 1680 1680... 1860 1860... 2040 2040... 2220 2220... 2400
1,1-1,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0
1, о-и 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 14,3 19,3 11,9 0,0 0,0
0,9-1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 9,1 12,0 1,8
0,8-0.9 0,0 0,0 0,0 0,0 5,1 5,7 5,9 5,7 5,9 12,3
0,7-0,8 0,0 0,0 0,0 0,0 5,8 6,5 0,6 0,0 0,0 0,5
0,6-0,7 0,0 0,0 0,0 0,0 1,7 1,9 1,9 1,9 76,6 1,9
0,5-0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
0,4-0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 9,7 7,0 6,8 6,8 6,8 7,0
0,3-0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,1 1,1 1,0 1,1 94,5
0,2-0,3 9,1 5,3 5,5 41,7 5,3 5,3 121,0 5,5 5,3 5,5
0,1-0,2 8,8 0,6 0,5 0,6 0,6 0,6 85,0 0,6 0,6 0,6
0,0-0,1 369 17,9 17,8 24,3 29,4 63,0 6,3 4,7 3,6 3,0
В соответствие с рис.2, двигатель, совершая работу Ах за время цикла ?ц развивает среднюю мощность АГеСр. Работая в режиме максимальной топливной экономичности и развивая мощность > Ыеср, двигатель совершает за время Ц дополнительную работу, которая
может быть использована на участке движения ^ - (ц . При этом должно выполняться условие равенства работ
- №" )^рек = /Уеср (/ц - ^), (8)
где т]рек - КПД устройства накопления энергии.
Устройством для накопления энергии может служить сверхскоростной маховик или "электрическая трансмиссия" с буферным аккумулятором. Коэффициент полезного действия этих устройств может меняться в широких пределах в зависимости от типов применяемых электромоторов-генераторов и аккумуляторов. В первой части табл.З приведены результаты расчета необходимого времени работы дизеля Ц на режиме максимальной топливной экономичности по зависимости (8), расхода топлива за цикл С-,? и относительного изменения расхода топлива по сравнению с работой двигателя без устройства накопления энергии в функции его КПД, рассчитываемого по зависимости
Сг =
°гц )
•100%- (9)
Применение устройства накопления энергии позволяет осуществлять рекуперативное торможение с возвратом кинетической энергии транспортного средства. При этом общие затраты энергии на преодоление цикла уменьшатся на количество возвращаемой энергии с учетом КПД устройства накопления энергии. Соответственно, уменьшится и требуемая от двигателя в цикле средняя мощность
где К - количество участков торможения в цикле, на которых скорость уменьшается от ут до уак; та - масса автомобиля, кг.
Таблица 3
Время работы дизеля, абсолютный и относительный расход топлива
^рек Без рекуперации энергии то] рможения С рекуперацией энергии торможения
'j,c Gti, кг/цикл AGT, % 4, с G'tz, кг/цикл A GT, %
0,4 834,4 2,222 + 7,17 776,3 2,068 -0,29
0,5 775,3 2,065 + 0,42 697,1 1,857 -10,5
0,6 724,1 1,929 -7,00 626,4 1,669 -19,6
0,7 679,2 1,809 -12,8 563,1 1,500 -27,7
0,8 639,5 1,704 -17,9 506,4 1,349 -35,0
0,9 604,2 1,610 -22,4 455,6 1,214 -41,5
1,0 572,6 1,530 -26,4 409,9 1,092 -47,4
Результаты расчета по зависимости (8) с учетом рекуперации (10) для автомобиля полной массой тй = 5000 кг приведены во второй части табл.З.
В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Непостоянство величины удельного эффективного расхода топлива в различных нагрузочно-скоростных зонах поля рабочих режимов транспортного дизеля приводит к увеличению расхода топлива в городском цикле движения автомобиля на 36%, что обуславливает важность расширения зоны работы дизеля с минимальным удельным расходом топлива и снижения темпа его увеличения при выходе за пределы зоны.
2. Использование устройств для накопления энергии позволяет снизить эксплуатационный расход топлива, однако существенную роль при этом играет КПД системы накопления энергии. Так, положительный эффект существует при КПД более 0,5, а при его значении 0,9 выигрыш в топливной экономичности достигает более 20%.
3. В отличие от безвозвратных потерь на сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление работа по ускорению транспортного средства может быть возвращена с учетом потерь устройства накопления энергии. Так, рекуперация кинетической энергии транспортного средства при его движении в соответствии с городским циклом, при КПД системы накопления энергии равном 0,5 дает 10% выигрыш по эксплуатационной топливной экономичности, а при КПД равном 0,9 расход топлива снижается более чем на 40%.
4. Проведенный анализ не учитывает изменение массовых характеристик транспортного средства при оборудовании его гибридной силовой установкой, не проведены расчеты потребной энергетической емкости накопительного устройства и стратегия ее управления, что требует проведения дальнейших расчетно-экспериментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Литровый "Фольксваген"//Время событий. - 2002. - №68 (916). - с. 2.
2. Бекман В. В. Гоночные автомобили. - J1.: Машиностроение, 1980. - 320 с.
UDC 621.436
VEHICLE EXPLOITATION FUEL ECONOMY IMPROVING RESERVE ANALYSIS S.V. Gusakov, Abdel Munim Muzher Hashim
Departament of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117198 Moscow, Russia
Vehicle exploitation fuel economy improving possibility analyzes by recuperation and accumulation of energy device is consideerd.
