Лекция 4.3. Разгон и топливная экономичность колёсной машины

4.3.1. Характеристика разгона автомобиля

В предыдущей лекции мы рассмотрели динамические свойства колёсной машины при установившемся движении. Но по характеру своей работы колёсная машина, а особенно автомобиль часто меняет скорость движения, трогается с места, обгоняет впереди идущие машины. Поэтому важнейшим динамическим свойством автомобиля является приемистость, т.е. способность его к быстрому разгону. В связи с этим в данной лекции мы рассмотрим, прежде всего, разгонную характеристику автомобиля. С разгоном колёсного трактора мы познакомимся позже.

Разгон автомобиля, как правило, совершается поэтапно, начиная с низших передач с постепенным переходом на более высокие передачи.

Основные измерители, характеризующие приемистость (разгонные свойства) автомобиля: значение ускорений машины в процессе разгона; продолжительность разгона , т.е. время, в течение которого скорость машины возрастает от принятого начального значения до заданного конечного ; путь разгона , проходимый автомобилем за время разгона.

При теоретическом анализе процесса разгона автомобиля не учитывают начальное время, в течение которого выравниваются угловые скорости коленчатого вала двигателя и первичного вала трансмиссии при буксующем сцеплении, поскольку оно весьма незначительно и не оказывает существенного влияния на общую продолжительность разгона. Кроме того, предполагают, что водитель, включая сцепление, мгновенно выжимает до отказа педаль подачи топлива, вследствие чего двигатель сразу же переходит на режим работы, соответствующий полному открытию дроссельной заслонки.

При таком допущении ускорения автомобиля будут наибольшими, и величина их определяется выражением

.

Отсюда видно, что ускорение зависит от двух факторов: от разности и от величины . Чем ниже номер передачи, на которой начинается разгон, тем больше , но с понижением передачи увеличивается коэффициент , причём он растёт пропорционально . Поэтому иногда ускорение на первой передаче, может оказаться меньше, чем на второй. В этих случаях целесообразно разгон начинать сразу со второй передачи. Такие условия обычно у грузовых автомобилей, поскольку у них .

Для определения максимальных значений ускорения автомобиля разность следует найти по динамической характеристике с учётом конкретных дорожных условий , а значения коэффициента по эмпирической зависимости или приближённо

,

где - передаточное число коробки передач автомобиля.

По результатам расчёта строят кривые максимальных ускорений автомобиля на разных передачах в функции скорости движения (рис. 24).

Общий характер кривых на этих графиках подобен характеру кривых динамического фактора, но в связи с тем, что коэффициент при увеличении передаточного числа трансмиссии растёт, кривые ускорений с уменьшением номера передачи располагаются несколько ближе одна к другой по сравнению с аналогичными кривыми динамической характеристики.

4.3.2. Определение времени и пути разгона автомобиля

Продолжительность разгона может быть представлена в виде интеграла элементарных отрезков времени , в течение каждого из которых скорость автомобиля получает последовательно бесконечно малые приращения . Так как ускорение

, то ,

а общее время разгона будет определяться выражением

.

Аналогично путь разгона представляет собой сумму элементарных отрезков пути , т.е.

.

Решение этих уравнений затруднено отсутствием аналитических зависимостей между и в первом случае и между и во втором. Поэтому воспользуемся для их решения приближённым графоаналитическим методом, предложенным профессором Яковлевым.

Разделим кривые ускорений, как показано на рисунке 24, на несколько отрезков, которым соответствуют на оси абсцисс определённые для каждой кривой интервалы скоростей . Примем, что в пределах одного интервала автомобиль разгоняется с постоянным средним ускорением

,

где и - ускорения в конечных точках интервала.

На каждом - ом интервале время разгона

.

Общая продолжительность разгона от скорости до скорости

.

Для определения пути разгона примем, что в пределах каждого интервала скоростей автомобиль движется равномерно со средней скоростью

.

Соответственно путь, проходимый автомобилем в пределах каждого - го интервала скоростей

,

а общий путь разгона от скорости до скорости

.

Чтобы полученные результаты характеризовали динамичность автомобиля при разгоне с максимальной интенсивностью, в расчёт вводят те участки кривых на рисунке 24, , на которых при данной скорости движения ускорения имеют наибольшие значения.

Изложенная методика определения измерителей разгона автомобиля не учитывает неустановившееся движение вала двигателя, время переключения передач и снижение скорости движения при переходе с одной передачи на другую. Эти факторы зависят от динамических свойств автомобиля, его двигателя, от способа переключения передач, от индивидуальных качеств и квалификации водителя и не поддаются точному учёту при теоретическом анализе. Поэтому действительный процесс разгона несколько отличается от условного процесса, принимаемого при расчёте.

4.3.3. Топливная экономичность автомобиля

В себестоимости автомобильных перевозок затраты на топливо составляют 15…20%, поэтому снижение расхода топлива имеет большое значение для потребителя.

Одним из основных измерителей топливной экономичности как эксплуатационного свойства принято считать количество топлива , расходуемого на 100 км пути при равномерном движении с определённой скоростью в заданных дорожных условиях.

Расход топлива, л/100 км,

,

где - мгновенный расход топлива двигателем автомобиля, л/ч, ; - время прохождения 100 км пути, , ч.

Отсюда

,

где - удельный расход топлива, соответствующий данному режиму работы двигателя, равный 250…320 г/кВт ч для карбюраторного и 210…280 г/кВт ч для дизельного двигателей; - мощность, развиваемая двигателем при работе автомобиля в рассматриваемых условиях, кВт; - плотность топлива, кг/л; - скорость движения автомобиля, м/с.

При известных сопротивлениях дороги и воздуха мощность, необходимая для преодоления сопротивлений движению определяется выражением

В эксплуатационных условиях качество дороги, нагрузка автомобиля и скорость движения непостоянны. Поэтому автомобильному двигателю приходится работать на различных нагрузочных и скоростных режимах.

Удельный расход топлива зависит от экономичности и режима работы двигателя, установленного на автомобиле. Значение этого расхода изменяется в широких пределах с изменением мощности и частоты вращения вала двигателя. Поэтому режим работы двигателя при движении автомобиля существенно влияет на его топливную экономичность.

Для определения удельных расходов топлива , соответствующих различным режимам работы автомобиля, можно пользоваться графиком, изображённым на рисунке 25.

График представляет собой дроссельную характеристику двигателя, на которой нанесены кривая эффективной мощности , развиваемой двигателем при полном открытии дроссельной заслонки, и несколько кривых удельных расходов топлива , получаемых при различной загрузке двигателя. Загрузка характеризуется степенью использования мощности двигателя, т.е. отношением мощности, развиваемой двигателем на данном режиме, к мощности, развиваемой им при той же частоте вращения и полном открытии дроссельной заслонки. Кривые построены пот данным стендовых испытаний.

Чтобы установить взаимосвязь частоты вращения вала двигателя со скоростями движения автомобиля, к оси абсцисс графика проводят наклонные линии с нанесёнными на них переводными масштабами. Масштабы строят на основании соотношения: . Число масштабных шкал должно быть равно числу ступеней передач (на рассматриваемом графике приведена одна шкала). Порядок пользования переводными масштабами показан штриховой наклонной линией.

Расчёт топливной экономичности автомобиля ведут в следующей последовательности. Отмечают на соответствующей шкале переводных масштабов заданную скорость движения . С помощью вспомогательных построений, показанных на графике штриховой линией, находят частоту вращения вала двигателя при указанной скорости и определяют на кривой соответствующую ей максимальную мощность двигателя. Далее подсчитывают мощность двигателя , необходимую для преодоления сопротивлений движению в заданных условиях по формуле

.

Затем находят степень загрузки двигателя как отношение подсчитанной мощности к установленной по графику максимальной мощности . Зная частоту вращения и степень загрузки двигателя, на соответствующей кривой удельных расходов находят искомое значение удельного расхода .

По заданному значению скорости движения автомобиля и определённым выше удельному расходу топлива и мощности определяют расход топлива на 100 км пути по формуле

.

Наглядное представление о топливной экономичности автомобиля при различных условиях установившегося движения даёт его экономическая характеристика, представленная на рисунке 26. На ней приведено несколько кривых , каждая из которых построена при определённых дорожных условиях, характеризуемых значениями приведённого коэффициента дорожных сопротивлений. Из анализа кривых видно, что изменение расхода топлива на 100 км пути при различных скоростях движения на рассматриваемой передаче зависит от дорожных условий.

Кривые построены для дорог с различными, постепенно возрастающими значениями коэффициента .

Максимальные скорости движения автомобиля по мере ухудшения дорожных условий и повышения коэффициента уменьшаются. Их значения ограничены огибающей кривой , представляющей собой геометрическое место точек, соответствующих максимально возможному количеству топлива, расходуемому при соответствующей частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Кривая соответствует минимальным расходам топлива на 100 км пути, т.е. наиболее экономичным скоростям движения в различных дорожных условиях при работе на данной передаче. Наиболее экономичные скорости всегда ниже возможных максимальных скоростей.

Чтобы определить влияние отдельных факторов на изменение кривых экономической характеристики, подставим в уравнение для определения расхода топлива на 100 км пути вместо мощности её значение необходимое для преодоления сопротивлений движению в заданных условиях. В результате получим зависимость:

.

Следовательно, изменение кривых экономической характеристики зависит в основном от двух факторов – удельного расхода топлива и сопротивлений движению.

На участках характеристики, расположенных левее кривой , увеличение расхода топлива обусловлено переходом на менее экономичные режимы работы двигателя (повышается ). На участках правее кривой расход топлива растёт в основном в результате увеличения сопротивления движению (в частности, сопротивления воздуха ). На этих участках характеристики экономичность работы двигателя сначала повыщается до точек, соответствующих минимуму удельного расхода . После перехода через эти точки экономичность двигателя постепенно снижается, что также способствует росту кривых .

Экономичные скорости грузовых автомобилей обычно находятся в пределах 10…15, а легковых – в пределах 15…20 м/с и выше в зависимости от класса автомобиля. Однако при выборе скоростей движения нельзя исходить только из условия получения оптимальной топливной экономичности. При этом нужно учитывать также и факторы, влияющие на производительность автомобиля и себестоимость перевозок.

В справочниках по автомобилям часто указывают контрольный расход топлива на 100 км. Такой расход должен получаться при равномерном движении с полной загрузкой двигателя на прямой передаче в типичных для данного автомобиля дорожных условиях. Для автомобилей обычной проходимости имеется в виду движение в летнее время по дороге с сухим асфальтовым покрытием хорошего качества, на участке с уклонами продольного профиля, не превышающими 1,5%. При этом автомобиль должен двигаться на наиболее экономичной скорости.

Запас хода автомобиля, т.е. путь, который может пройти автомобиль без дозаправки топливом определяется по формуле

,

где - вместимость топливного бака, л.

Экономическая характеристика не учитывает такие факторы как движение с часто изменяющейся скоростью (остановка, разгон, торможение), техническое состояние автомобиля (неисправности, нарушающие рабочий процесс в двигателе, потери на трение, увеличивающие сопротивление движению и т.п.) и мастерство вождения.

Работа на наиболее экономичных режимах двигателя, рациональное торможение, умелое применение на отдельных участках движения по инерции (накатом) и других приёмов могут значительно снизить расход топлива. Так в зависимости от опыта и квалификации водителя расход топлива изменяется в пределах 6…7% от среднего значения.