Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на топливную экономичность автомобиля

Топливно-экономические характеристики автомобиля зависят от многих факторов: параметров двигателя, трансмиссии; весовых и компоновочных параметров автомобиля; характеристик шин; условий эксплуатации.

Движение автомобиля осуществляется за счет энергии сжигаемого в двигателе топлива. Уравнение топливного баланса, характеризующее расход выделяемой при сгорании топлива энергии, можно представить в виде:

W_Q=W_Т+Wc,

где w_q — количество теплоты, выделяемой при сгорании топлива;

W_Т — потери энергии при ее преобразовании в двигателе и при передаче к ведущим колесам (тепловые и механические потери в двигателе, затраты энергии на привод вспомогательных агрегатов, потери в трансмиссии);

W_с— затраты энергии на преодоление сил сопротивления движению автомобиля (дороги, воздуха и разгону).

Анализ составляющих топливного баланса показывает, что основными потерями энергии являются термодинамические и механические потери в двигателе (при установившемся режиме работы, двигателя—50...55 % общей энергии, выделяемой при сгорании топлива, на режимах разгона — до 70 %). Поэтому, одним из резервов повышения экономических показателей работы автомобильного транспорта является уменьшение термодинамических и механических потерь энергии непосредственно в двигателе. Пути повышения эффективного КПД двигателя изучаются в курсах двигателей внутреннего сгорания.

Затраты энергии на привод вспомогательных агрегатов совместно с потерями во впускном и выпускном трубопроводах и подкапотном пространстве составляют 7...9 % энергии, выделяемой при сгорании топлива. В связи с этим следует обращать особое внимание на конструктивное оформление места установки двигателя. Целесообразно максимально уменьшать сопротивление всасывающих и выхлопных трактов, применять различные устройства, включающие вентилятор и другие вспомогательные механизмы только на тот период, когда это необходимо.

Топливно-экономические характеристики автомобиля в значительной мере определяются типом и максимальной мощностью используемого двигателя. Сравнительная оценка автомобилей обычно производится по удельной мощности Р_уд — отношению максимальной эффективной (стендовой) мощности двигателя к массе автомобиля. Минимальное значение удельной мощности обычно регламентируется. Это способствует выравниванию скоростей транспортных потоков на дорогах.

Уменьшение удельной мощности до определенных пределов способствует, как правило, снижению расхода горючего и стоимости автомобильных перевозок.

В то же время при слишком малой удельной мощности путевой расход горючего может увеличиться за счет более частого использования промежуточных ступеней в коробке передач. При принятых дорожных условиях минимальный путевой расход топлива имеет место при удельной мощности около 8,5 кВт/т. При дальнейшем увеличении удельной мощности средняя скорость движения автомобиля практически не изменяется, путевой же расход топлива возрастает значительно.

При одинаковой номинальной мощности двигателей характер изменения их внешних скоростных характеристик может быть различным. Возьмем автомобили с двумя двигателями одинаковой максимальной мощности, но коэффициенты приспособляемости по крутящему моменту которых различны. При установке двигателя с большим коэффициентом приспособляемости запас мощности, который может быть использован автомобилем для разгона при движении по дороге с определенным сопротивлением, будет большим, чем в случае установки другого двигателя. Из этого следует, что при установке такого двигателя автомобиль будет обладать лучшей приемистостью и, соответственно, большей средней скоростью, а расход горючего будет ниже за счет уменьшения времени использования промежуточных передач.

Уменьшение расхода топлива достигается также в случае понижения номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя при одновременном соответствующем увеличении крутящего момента.

Проектируя автомобиль, конструктор при выборе мощности двигателя должен учитывать различные факторы: назначение автомобиля, предполагаемые условия эксплуатации, тип и характер трансмиссии, форму внешней характеристики и др.

В определенных дорожных условиях силы сопротивления движению зависят от массы и размеров автомобиля. Сопротивление дороги пропорционально массе автомобиля. Поэтому увеличение массы всегда приводит к увеличению расхода топлива.

У легковых автомобилей эта пропорциональность не наблюдается. Объясняется это тем, что основным сопротивлением движению грузовых автомобилей является сопротивление качению, пропорциональное их массе; у легковых автомобилей сопротивление воздуха оказывается соизмеримым, а при больших скоростях движения — и превосходящим сопротивление качению. В условиях, когда максимальные скорости ограничены и примерно одинаковы у всех легковых автомобилей, сопротивление воздуха практически не зависит от массы автомобиля, поскольку площадь лобового сопротивления не пропорциональна ей.

Пропорциональная зависимость между расходом топлива и массой перевозимого груза не наблюдается. Это объясняется тем, что с увеличением полной массы автомобиля уменьшается коэффициент снаряженной массы, представляющий отношение снаряженной массы автомобиля то к номинальной массе груза. Поэтому с точки зрения экономии топлива всегда выгоднее осуществлять перевозку грузов большегрузными автомобилями и автопоездами.

Снижение расхода топлива при одновременном повышении тягово-скоростных свойств автомобиля может быть достигнуто за счет уменьшения сил сопротивления движению: сопротивления качению и сопротивления воздуха. Несмотря на то, что работы в этом направлении ведутся, есть и неиспользованные резервы. Так, коэффициенты сопротивления качению современных шин при движении по дорогам с твердым покрытием в зависимости от конструкции и применяемых материалов составляют пока 0,009...0,018, коэффициенты обтекаемости однотипных автомобилей также различаются более чем в два раза. Снижение потерь энергии на сопротивление воздуха особенно важно для автомобилей, работающих на магистралях.

При снижении коэффициента обтекаемости магистральных автомобилей на 12 % путевой расход топлива уменьшается на 20...25 %. Основные конструктивные мероприятия, способствующие уменьшению дорожного сопротивления и сопротивления воздуха, обсуждались ранее.

Важным условием эффективной реализации мощности двигателя в различных условиях эксплуатации является рациональный выбор параметров трансмиссии: передаточного числа главной передачи, числа и диапазона передаточных чисел коробки передач, а также закономерности построения ряда передаточных чисел.

При проектировании трансмиссии нужно стремиться обеспечивать наиболее высокие средние скорости движения и наименьшие расходы топлива в тех условиях эксплуатации, для которых автомобиль предназначен.

Автомобильный двигатель в реальных условиях эксплуатации только незначительную часть времени работает на режимах максимальной мощности. Причем, чем больше удельная мощность автомобиля, тем реже используется режим максимальной мощности. Одна и та же мощность двигателя при его работе на частичных режимах может быть получена при различной частоте вращения. Идеальная трансмиссия и система управления работой двигателя должна обеспечивать такое регулирование передаточных чисел трансмиссии, чтобы при любых дорожных сопротивлениях и скоростях движения двигатель работал бы по характеристике, соответствующей наименьшим удельным расходам топлива. С этой точки зрения применение бесступенчатых и ступенчатых трансмиссий с большим числом ступеней должно способствовать повышению топливной экономичности и средних скоростей движения автомобилей в любых условиях эксплуатации.

В последнее время на некоторых автомобилях применяют механические многоступенчатые передачи с системами автоматического переключения и системами управления режимами работы двигателя, созданными на базе специализированных ЭВМ. Такое направление развития автомобильных трансмиссий является перспективным. Предварительные расчеты показывают, что внедрение таких систем на магистральных автомобилях приведет к уменьшению расхода топлива на 10... 15 % при одновременном повышении их тягово-скоростных свойств. Еще больший эффект может дать применение таких систем на автомобилях, работающих с резко изменяющимися режимами движения.

Передаточное число главной передачи определяет диапазоны дорожных сопротивлений и скоростей движения, в пределах которых автомобиль работает на высшей ступени в коробке передач. Поскольку движение на высшей ступени является наиболее экономичным, от правильности согласования характеристик двигателя, назначения автомобиля и передаточного числа главной передачи в значительной степени зависит себестоимость перевозок.

Средняя скорость и расход топлива в немалой степени зависят от дорожных условий. При работе автомобилей в высокогорных условиях вследствие снижения плотности воздуха и соответствующего уменьшения коэффициента наполнения цилиндров двигателя средняя скорость автомобилей снижается на 40...50 %, а расходы топлива увеличиваются на 10...15 %. В высокогорных условиях примерно в 5...6 раз возрастает путь, проходимый автомобилем на низших ступенях в коробке передач. В качестве мероприятий, позволяющих частично компенсировать потери мощности в этих условиях, принимают специальные регулировки карбюраторов или топливоподачи у дизельных двигателей, регулировку фаз газораспределения, повышение степени сжатия двигателей, турбонаддув. По имеющимся данным, использование турбонаддува может полностью компенсировать разреженность воздуха на высотах до 4000 м.

Средняя скорость и расход топлива при движении автомобиля, особенно в сложных условиях, в немалой степени зависят от квалификации водителя и стиля управления автомобилем.

Достижению низких расходов способствует плавное движение без резких разгонов и торможений. Вследствие того, что экономичность двигателя всегда выше при работе с высоким крутящим моментом и малой частотой вращения, чем при работе с малым моментом и высокой частотой, целесообразно осуществлять переход на высшую передачу как можно раньше. Следует, где это целесообразно, использовать накат при выключенной передаче в коробке передач.

При движении автомобиля в городских условиях обычно наблюдается повышенный расход горючего. Это обусловлено необходимостью остановок на перекрестках, необходимостью частых разгонов и торможений. В зимние месяцы расход больше, чем летом. Существенное влияние на расход горючего оказывает техническое состояние автомобиля, главным образом состояние двигателя и ходовой части.