CC BY
25УДК 629.113
В.Н. Кравец, Р.А. Мусарский
ВЛИЯНИЕ МАКРОПРОФИЛЯ ДОРОГИ НА РАСХОД ТОПЛИВА ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Представлена методика определения показателей топливной экономичности автомобилей на дорогах с переменным продольным профилем.
Ключевые слова: топливная экономичность автомобилей, макропрофиль дороги.
Методики определения показателей топливной экономичности автомобилей, содержащиеся в нормативных документах [1,2], предусматривают проведение дорожных испытаний на горизонтальных участках дорог. В действительных условиях эксплуатации автомобили выполняют транспортную работу на дорогах с переменным продольным профилем, содержащим не только горизонтальные участки, но подъёмы и спуски различной протяжённости и крутизны.
Для оценки расхода топлива на дорогах с различными величинами коэффициентов сопротивления академик Чудаков Е.А. ввёл в теорию автомобиля понятие о топливной характеристике автомобиля [3], которую в современной научной литературе называют топливно-экономической характеристикой [4]. Топливно-экономическая характеристика установившегося движения автомобиля представляет зависимость путевого расхода Qs от скорости установившегося движения (F=const) на дорогах с различными коэффициентами сопротивления у.
Путевой расход топлива (л / 100 км) рассчитывают по формуле
Q = gД ^ P ) , (1)
36РАЛтр
где g - удельный расход топлива двигателя, г/(кВт • ч ); Pv и PS - мощность сопротивления дороги и воздуха соответственно, кВт;К - скорость автомобиля, м/с; pt - плотность топлива, кг/л; kc - коэффициент коррекции стендовой характеристики двигателя; Птр- КПД трансмиссии.
Входящие в формулу (1) параметры рассчитывают по известным в теории автомобиля выражениям:
- удельный расход топлива двигателя (г/( кВт • ч ):
gд = gePkEkM , (2)
где geP - удельный эффективный расход топлива двигателя по внешней скоростной характеристике при максимальной мощности, г/(кВт • ч ); kE и кИ - коэффициенты, учитывающие степень использования угловой скорости (частоты вращения) вала и мощности двигателя соответственно.
Поправочные коэффициенты в формуле (2) рассчитаны по аналитическим зависимостям, предложенным Гришкевичем А.И. [5] и Песковым В.И. [6]:
кЕ = 1.25 - 0.99E + 0.98E2 - 0.24E3; (3)
кИ = 3,52 -17,24И + 44,85И2 - 55,28И3 + 31,23И4 - 6,08И5, (4)
где kE и кИ - степень использования угловой скорости (частоты вращения) и мощности двигателя соответственно;
- мощности сопротивления дороги и воздуха (кВт):
© Кравец В.Н., Мусарский Р.А., 2014.
Материалы 87-й Международной научно-технической конференции «Эксплуатационная безопасность автотранспортных средств»
р = WmagV . v 1000 ' ( )
WV3
Р- = Т0оо. (6)
где у - коэффициент сопротивления дороги; - масса автомобиля, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; W - фактор обтекаемости, Н • с2/м2; V - скорость автомобиля, м/с; - скорость автомобиля (м/с):
V = 0Л05Я-* , (7)
u,u
k o
где n - частота вращения вала двигателя, об/мин; гк - радиус качения ведущих колёс, м; ик и и - передаточные числа коробки передач и главной передачи соответственно. Коэффициент сопротивления дороги в формуле (5)
у = f cos а± sin а, (8)
где f - коэффициент сопротивления качению; а - угол продольного уклона дороги, рад или град.
Угол определяют по принятому в дорожной технике продольному уклону i
а = arctgi, (9)
В теории автомобиля под макропрофилем дороги понимают неровности длиной 25 м и более. Такие неровности называют уклонами, которые состоят из подъёмов и спусков. Из формул (1),(5),(8) и (9) следует, что макропрофиль дороги оказывает влияние на путевой расход топлива.
Детальный анализ макропрофилей дорог общетранспортного назначения приведён в работе [7]. В данной статье были приняты наибольшие продольные уклоны дорог общего пользования, которые в зависимости от категории составляют, согласно требованиям СНиП 2.05.02 - 85 [8] , от 3 до 7 %.
Расчёт топливно-экономической характеристики был выполнен для легкого коммерческого грузового автомобиля, который относится к транспортным средствам категории N1 , конструктивные параметры которого близки к параметрам автомобиля ГАЗель Next:
• полная масса шл =3500 кг , в том числе : на переднюю ось 1250 кг, на заднюю ось 2250 кг;
• двигатель дизельный с турбонаддувом, максимальная мощность Ретах = 90 кВт при частоте вращения вала пгР = 3200 об/мин, максимальный крутящий момент ^тах = 289 Н • м при пеГ = 2400 об/мин;
• коробка передач механическая пятиступенчатая с передаточными числами:
• ик1 = 4,05; uKlI =2,34; urin =1,395; иriV=1,00; ukV = 0,849;
• главная передача одинарная гипоидная с передаточным числом и = 4,556;
• шины 185/75R16C, статический радиус колёс rcT = 0,33 м;
• коэффициент полезного действия трансмиссии ^ = 0,93;
• аэродинамические характеристики: коэффициент лобового сопротивления сж = 0,6; площадь миделя A = 3,6 м2; фактор обтекаемости W = 1,32 Н • с2 /м2.
На основании статистических данных для дизельного двигателя удельный расход топлива при максимальной мощности g = 200 г/(кВт • ч), плотность дизельного топлива
р т = 0,82 кг/л [4].
Характеристики дорог: коэффициент сопротивления качению f = 0,012, продольные уклоны i = ±(0,03... 0,07).
График топливно-экономической характеристики автомобиля на IV (прямой) передаче приведён на рис. 1 Он позволяет выявить влияние величин продольных уклонов на путевой расход топлива.
Оз. л /100 КМ
40
30
20
10
;
\
- т\
2%
| i
£ п 0 20 И,, ,
V, м/с
Рис. 1. Топливно-экономическая характеристика исследуемого автомобиля на IV (прямой) передаче трансмиссии
Топливно-экономическая характеристика была использована для определения расхода топлива на заданном маршруте по методике, изложенной в работе [4]. Методика предусматривает использование динамической характеристики автомобиля и характеристики маршрута его движения. Динамическая характеристика, представляющая зависимость динамического фактора от скорости движения на всех передачах трансмиссии П=/(У), была рассчитана и построена по формулам [4] и приведена на рис. 2.
¿7
Рис. 2. Динамическая характеристика исследуемого автомобиля
Характеристика маршрута движения представляет совокупность участков дороги, имеющих на всей длине £г неизменный коэффициент сопротивления дороги щ . Для исследуемого маршрута Нижний Новгород - Павлово его характеристика (рис. 3) построена путём обработки спутниковой информации по методике, изложенной в [7].
Материалы 87-й Международной научно-технической конференции «Эксплуатационная безопасность автотранспортных средств»
Рис. 3. Характеристика маршрута Нижний Новгород - Павлово
Графоаналитическое определение расхода топлива выполнено с использованием графика (рис. 4), на котором топливно-экономическая характеристика Qs = / (V, у) расположена в правом нижнем квадранте, динамическая характеристика V = / (V) - в правом верхнем квадранте и характеристика маршрута у = /(Я) - в верхнем левом квадранте. Расчёт выполнен при допущении о том, что на каждом участке дороги с постоянным коэффициентом сопротивления автомобиль движется с максимально возможной скоростью 1.
Оз, л/100 км
Рис. 4. Схема определения расхода топлива на маршруте Нижний Новгород - Павлово
При каждом заданном значении коэффициента сопротивления дороги у по графику динамической характеристики определяют максимальную скорость движения 1, и при этой скорости по графику топливно-экономической характеристики вычисляют путевой расход топлива . Площади в левом нижнем квадранте в соответствующем масштабе эквивалентны затратам топлива на каждом участке маршрута (л):
а =
100
(10)
где - путевой расход топлива на I -м участке маршрута, л/100 км; Я - протяжённость
I -го участка маршрута, км.
Общий расход топлива на маршруте равен сумме расходов топлива на каждом участке маршрута:
n
Q = £ &t, (11)
i=1
где n - количество участков маршрута.
Расчёты с использованием рис. 4 показали, что общий расход топлива на маршруте Нижний Новгород - Павлово протяжённостью 78 км составил 5,5 л. Расход топлива учитывался только при движении автомобиля на горизонтальных участках и на подъёмах.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 54810 - 2011. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний. - М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: Стандартинформ, 2012.
2. Кравец, В.Н. Измерители эксплуатационных свойств автотранспортных средств: учеб. пособие / В. Н. Кравец; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2014. - 157 с.
3. Чудаков, Е.А. Избранные труды. Т. 1. Теория автомобиля / Е.А. Чудаков. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - 464 с.
4. Кравец, В.Н. Теория автомобиля: учебник для вузов / В.Н. Кравец, В.В. Селифонов. - М.: ООО «Гринлайт+», 2011. - 884 с.
5. Гришкевич, А.И. Автомобили: теория / А.И. Гришкевич. - Минск: Вышэйш. шк., 1986. -208 с.
6. Песков, В. И. Совершенствование эксплуатационных качеств автомобиля / В.И. Песков, В.И. Сердюк, А.Е. Сердюк; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2009. -135 с.
7. Мусарский, Р.А. Структурный и фрактальный анализ макропрофилей дорог // Автомобильная промышленность. 2014. №2. С. 21-23.
8. СНиП 2.05.02-85. Строительные нормы и правила. Автомобильные дороги. - Введ. 1987-01-01. - М.: Госстрой СССР, 1986.
Дата поступления в редакцию 20.09.2014
V.N. Kravets, R.A. Musarsky
INFLUENCE MACRO PROFILE OF THE ROAD ON FUEL CONSUMPTION OF TRUCK
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev The article presents a method of determining the fuel economy of cars on the roads with a variable longitudinal
profile.
Key words: fuel economy car, macro profile of the road.
