CC BY
200
УДК 629.33.03; 621.43.068.4
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ АВТОМОБІЛЬНОГО ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ ЯК МІРА ПРІОРИТЕТУ РЕЖИМІВ ЙОГО РОБОТИ
В.Ф. Шапко, доцент, к.т.н., С.В. Шапко, к.т.н., Кременчуцький державний політехнічний університет
Анотація. Наведено методику визначення оптимальних режимів роботи автомобільного ДВЗ з використанням багатопараметрової характеристики. Проведено аналіз розподілу режимів за швидкістю обертання колінчастого валу двигуна та його навантаження в умовах експлуатації, виходячи з критерію забезпечення максимального ККД.
Ключові слова: автомобільний двигун внутрішнього згоряння, режими роботи, ефективний ККД.
Вступ
Для зменшення впливу автомобіля на навколишнє середовище необхідно підвищувати ефективність використання енергії палива. Це одночасно вирішує вказану проблему в двох аспектах -сприяє підвищенню паливної економічності ДВЗ та зменшенню об’єму викидів шкідливих речовин.
Режими роботи ДВЗ формуються опором та швидкістю руху автомобіля, а паливна економічність автомобіля в свою чергу залежить від його режимів роботи. Причому режими роботи ДВЗ рівної потужності відповідають різним питомим ефективним витратам палива.
Об’єктивною мірою пріоритету режимів роботи ДВЗ є величина реалізованого двигуном ефективного коефіцієнта корисної дії (ККД) це.
Використовувати ефективний ККД для аналізу у загальному вигляді більш доцільно, через те, що він є безрозмірним показником. Тому його можливо використовувати у поєднанні з іншими залежностями, описаними у загальному вигляді, які формуються залежно від режимів руху автомобіля. Крім того, у разі відсутності навантаження gе стає нескінченним, що не дозволяє проводити розрахунки на цих режимах, а ефективний ККД дорівнює нулю.
Мета та постановка задачі
Метою досліджень є визначення ефективного ККД та режимів роботи ДВЗ, виходячи з умови забезпечення максимального ефективного ККД з
урахуванням характеристик ДВЗ та експлуатаційних режимів руху автомобіля.
Матеріал і результати досліджень
В літературі відсутні залежності ефективного ККД від параметрів, які характеризують режими роботи автомобіля.
Ефективний ККД є зворотнопропорційним ефективній питомій витраті палива gе, яка виражена у кг/кДж
1
£е • би
(1)
де Qн - нижча теплота згоряння палива, кДж/кг.
Таким чином, визначення ефективного ККД можливо за відомою ефективною витратою палива.
Доцільно використовувати багатопараметрову характеристику, яка відображає поле можливих режимів роботи ДВЗ (рис. 1). На багатопарамет-ровій характеристиці наносять лінії рівної питомої ефективної витрати палива
gе = І (Ме , ю) = сonst та лінії постійних ефективних потужностей Ше, яким відповідають гіперболи Ме = І (ю) .
Як параметри, що визначають режими, взяті від-
М„
ношення
ю
та ---- (де МеN та юИ - значен-
' еИ ЮИ
ня величин ефективного обертального моменту
М
Ме та кутової швидкості колінчастого валу двигуна ю, що відповідають максимальній потужності Же^, точка Щ.
Рис. 1. Багатопараметрова характеристика:
- ізолінії Яе = сonst та Це = сош^
- ізолінії Ие = сош^
лінія §е тіп та пе тах
Виходячи із формули (1), багатопараметрова характеристика несе в собі інформацію про значення ККД на різних режимах.
законів функціонування автоматичної системи трансмісії автомобіля.
Для аналітичного визначення показників роботи двигуна за зовнішньою швидкісною характеристикою, використовують емпіричне рівняння [1]
і+ Ь ■
(2)
де а, Ь,с - емпіричні коефіцієнти.
Питому ефективну витрату палива можна визначити аналітичним шляхом, використовуючи методику, яка запропонована І.С. Шліппе [2], за формулою
8е = 8ем ■
(3)
де gеN - питома ефективна витрата палива на номінальному режимі роботи двигуна; k - коефіцієнт, що враховує зміну питомої витрати палива в залежності від зміни кутової швидкості обертання колінчастого вала двигуна; kgм - коефіцієнт, що враховує ступінь використання навантаження двигуна при певній швидкості.
Коефіцієнти kgю та kgм можна визначити за формулами [3]
Найекономічнійшим режимом є режим, відзначений точкою А, на якому питома витрата палива мінімальна, а ефективний ККД максимальний. В міру віддалення від режиму А в будь-яку сторону питома ефективна витрата палива зростає, а ефективний ККД зменшується.
На режимі, відзначеному точкою А, при відсутності автоматичної системи керування передаточними числами трансмісії двигун працює випадково. Навіть при впровадженні автоматичної системи задати цей режим роботи двигуна можливо лише у випадку його відповідності опору та швидкості руху автомобіля.
Визначити оптимальні режими роботи двигуна в залежності від його навантаження та швидкості обертання колінчастого вала можливо, використовуючи ізолінії потужності та ізолінії ефективного ККД. Найбільше значення ККД при відповідній потужності забезпечується на режимах, де
ізолінія Ие має спільну дотичну з ізолінією Пе
(рис. 1, штрих-пунктирна лінія).
Закономірності зміни параметрів, які відповідають режимам роботи ДВЗ з максимально високим ККД, можуть використовуватися для формування
k = а — Ь
яю ю ю
+ сю
и
k = а — Ь ■
ЯМ м м
м м
М.
V МеЗШХ у
М.
V МеЗШХ у
(4)
(5)
де аю, Ью, Сю і ам , Ьм , См - емпіричні
які залежать від типу та конструкції двигуна.
При відсутності даних для двигуна, який розраховують, можливо використовувати значення коефіцієнтів, наведених в роботі [4] (табл. 1).
Т аблиця 1 Коефіцієнти залежностей k _і_ kм
Коефіцієнт Тип двигуна
Бензиновий Дизель
аю 1,26
Ью 0,85
сю 0,59
ам 2,74 1,65
Ьм 4,65 2,3
с м 2,91 1,65
—с
у
ю
N
\юМ у
у
2
+ см ■
та k = /
Ям Л
Залежності k ю = (
яю л
являють собою параболи (рис. 2. та рис. 3).
V МеЗШХ у
Після диференціювання отримаємо
—Ью + 2с
юю
= 0,
Рис. 2. Залежність коефіцієнтів, що враховують зміну питомої витрати палива та ефективного ККД при зміні кутової швидкості обертання колінчастого вала
Рис. 3. Залежність коефіцієнтів, що враховують ступінь використання навантаження двигуна: 1 - бензинового; 2 - дизеля
Положення точки А, що відповідає мінімальній питомій ефективній витраті палива та максимальному ККД, отримаємо диференціювавши рівняння (4) та (5), які прирівняємо до нуля
дk„
= 0,
ю
N у
дk„
= 0.
Ме
(6)
(7)
V МеЗШХ у
—Ь„ + 2с
м м
(_Мл
V М еЗШХ у
= 0 .
Звідси
М.
МеЗШХ 2см
(9)
(10)
(11)
За даними коефіцієнтів, наведених в табл. 1, екстремуми парабол за швидкістю обертання колінчастого вала відповідають близько 0,7 від юИ, а за навантаженням біля 0,7 - 0,8 від ефективного моменту за зовнішньою швидкісною характеристикою.
Підставивши до формули (1) формулу (3), отримаємо
Пе =
1
1
ёе ■ бн 8еИ ■ <2н ■ kgю ■ ^м
Звідси
Пе = ПеИ ■ ^ К
(12)
де ПеИ =
- ефективний ККД на режимі
вала двигуна; ^м = -— - коефіцієнт, що врахо-
максимальної потужності; =------------- - коефі-
kgю
цієнт, що враховує зміну ефективного ККД від зміни кутової швидкості обертання колінчастого І
k
вує зміну ефективного ККД від навантаження двигуна при певній швидкості.
Залежність коефіцієнтів та ^м відповідно від
швидкості обертання колінчастого вала та від навантаження наведені на рис. 2 і рис. 3.
Максимуми цих коефіцієнтів співпадають з мінімумами відповідних коефіцієнтів, які враховують зміну ефективної питомої витрати палива.
Для забезпечення найбільшої паливної економічності автомобіля режими максимального ефективного ККД за швидкістю обертання колінчастого вала двигуна та його навантаженням повинні відповідати максимумам щільності розподілу режи-
у
ь
ю
ю
ь
м
1
ю
д
д
мів роботи двигуна на автомобілі в умовах експлуатації.
Розглянемо експлуатаційні режими автомобіля КрАЗ, на якому встановлено двигун ЯМЗ-238.
За даними роботи [4] розподіл режимів роботи двигуна ЯМЗ-238 при експлуатації автомобіля за швидкістю обертання колінчастого вала наведено на рис. 4.
н—
0,2
-Ы-
0,4
°,6 — ё(п)
1,0
ю
Рис. 4. Розподіл режимів роботи двигуна ЯМЗ-238 за швидкістю обертання колінчастого вала на автомобілі КрАЗ
За навантаженням розподіл режимів роботи двигуна ЯМЗ-238 при експлуатації автомобіля КрАЗ в кар’єрі наведено на рис. 5 [5].
Р
1—1------1-----1-----0
4-
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 Ме
МеЗ
ё(П)
1,0 Ме
М„
Рис. 5. Розподіл режимів роботи двигуна ЯМЗ-238 за навантаженням на автомобілі КрАЗ при роботі в кар’єрі
В автомобіля КрАЗ максимуми розподілу режимів роботи за швидкістю обертання колінчастого вала двигуна в умовах експлуатації відповідають максимумам ефективного ККД.
При експлуатації автомобіля на магістральних дорогах максимум розподілу навантажувальних режимів співпадає з його роботою в кар’єрі, а гальмівні режими роботи ДВЗ майже не використовуються [4]. Під час руху автомобіля на гірських дорогах максимум розподілу за швидкістю обертання колінчастого вала різко зміщується до максимальної, а за навантаженням має три максимуми: близько до максимального моменту, середніх навантаженнях та гальмівних режимів [6].
Поєднуючи режими ДВЗ, на яких ефективний ККД має максимальні значення, та розподіл режимів роботи двигуна на автомобілі в умовах експлуатації, можна за відомими методами математичної статистики розрахувати потрібну потужність ДВЗ та його характеристики.
Висновки
Мірою пріоритету режимів двигуна внутрішнього згоряння доцільно використовувати ефективний ККД.
Встановлена залежність ефективного ККД від параметрів, які визначають режими роботи ДВЗ.
Характеристики ДВЗ повинні формуватися, виходячи з умови забезпечення максимального ефективного ККД з урахуванням експлуатаційних режимів руху автомобіля.
Література
1. Красиков С.М. Обобщенная эмпирическая фо-
рмула скоростной характеристики карбюраторного двигателя. Труды Всесоюзного заочного машиностроительного института. -Вып. 1. - 1957.
2. Иларионов В.А. Эксплуатационные свойства
автомобиля. - М.: Машиностроение, 1966.
3. Шапко В.Ф., Нарбут Т.А. К вопросу о расчете
топливной экономичности автомобиля // Известия высших учебных заведений. - 1977. -№5.
4. Арсеньев Р.Н. и др. Комплексная система
управления качеством / Верх.-Волж. кн. изд., 1973.
5. Архангельский В.М. и др. Автомобильные дви-
гатели. - М.: Машиностроение, 1977.
6. Токарев А.А. Топливная экономичность и тя-
гово-скоростные качества автомобиля. - М.: Машиностроение, 1982.
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 21 лютого 2007 р.
ю
N
