Значение и способы снижнения расхода топлива

Затраты на топливо в общей стоимости перевозок являются наибольшими и составляют для грузовых автомобилей 30 % и более. Значительны они и для других типов автомобилей и автобусов. За весь срок службы грузового автомобиля стоимость израсходованного топлива может в несколько раз превысить начальную стоимость автомобиля. Поэтому снижение расхода топлива является важнейшей задачей, стоящей перед создателями автомобилей, как в нашей стране, так и в других странах. Достигнутые здесь успехи, прежде всего в области легковых автомобилей, довольно существенные: расход топлива снижен по сравнению с прежними моделями на 20 % и более. Снижение достигнуто за счет совершенствования двигателя, повышения кпд трансмиссии и создания кузовов более обтекаемой формы с меньшим сопротивлением воздуха. Под топливной экономичностью автомобиля понимается расход топлива на единицу транспортной работы. Чаще – это расход топлива в литрах на а 100 км, при движении полностью груженого автомобиля

Для оценки топливной экономичности используются также: расход топлива в граммах на тонно-километр перевезенного груза (г/ т ×км), расход на одного пассажира на километр (г/п ×км). Зависимость расхода топлива на единицу пути от скорости движения принято называть топливноэкономической характеристикой автомобиля. Двигатель характеризуется расходом топлива на единицу развиваемой мощности в течение часа – q_T. Параметр этот называется удельным часовым расходом топлива, его размерность – г/кВт ×ч или г/л.с.×ч. Зависимость удельного часового расхода от частоты вращения коленчатого вала n_e показана на графике внешней скоростной характеристики двигателя (рис. 76).

Минимальный удельный часовой расход топлива бензиновых двигателей равен 300...330 г/кВт×ч (220...240 г/л.с.ч), дизелей – 200...230 г/кВт×ч (145... 170 г/л.с.ч). При максимальной мощности удельный часовой расход возрастает в среднем на 10%.

Рис. 76. Внешняя скоростная характеристика

двигателя КАМАЗ-740: 1– удельный часовой расход;

2 – мощность; 3 – крутящий момент

С увеличением скорости расход топлива увеличивается. Минимальный расход имеет место для грузовых автомобилей при 20...30 км/ч, для легковых – 40...50 км/ч (рис. 77).

При меньших скоростях на низших передачах на автомобилях с бензиновыми двигателями расход также может возрастать.

а ) б)

Рис. 77. Топливно-экономические характеристики автомобилей:

а – авомобили: 1 - "Волга-ГАЗ-3102"; 2 - "Москвич-2140"; 3 - "Жигули-2105";б – автообили: 1 - ЗИЛ - 130; 2 - КАМАЗ-5320; 3 - МАЗ-5335

Расход топлива на единицу развиваемой двигателем мощности зависит от степени загрузки двигателя: с увеличением загрузки расход снижается. Часовой расжод топлива на едиицу мощности Q_T в зависимости от мощности, развиваемой двигателем N_e, а также изменением удельного часового расхода топлима q_e при этом показано на рис. 78. Такой график называется нагрузочной характеристикой двигателя.

Расход топлива аа единицу полной массы легковых автомобилей, имеющих мощные, но менее нагруженные двигатели, значительно выше, чем грузовых автомобилей. Так при скорости 40-50 км/ч расход топлива на 100 км автомобиля ГАЗ-24 составляет 8 литров, что при полной массе автомобиля 1820 кг на 1 тонну на 100 км приходится 5 литров. Автомобиль ЗИЛ-130 при скорости 50 км/ч расходует на 100 км 29 литров бензина. Его полная масса 10525 кг. На тонну полной массы на 100 км ЗИЛ-130 потребляет 2,74 литра, т.е. почти в два раза меньше, чем ГАЗ-24.

Рис. 78. Нагрузочные характеристики

двигателя ГАЗ-53А при частоте вращения

коленчатого вала :

1 – 1000 мин ^-1; 2 – 2000 мин ^-1; 3 – 3000 мин ^-1

По этой причине выгодно эксплуатировать грузовой автомобиль с прицепом: реальная экономия топлива на тонну перевезенного груза составляет 15...20%.

Рассмотрим некоторые факторы, позволяющие снизить расход топлива.

Поступающая в цилиндры двигателя топливо-воздушная смесь должа быть определенного состава. Для сгорания одного килограмма бензина необходимо 15 кг воздуха. Отношение имеющегося в бензо=воздушной смеси количества воздуха к необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха a. Влияние коэффициента избытка воздуха на мощность двигателя показано на графике рис. Максимальная мощность развивается при a = 0,8… 0,85. Бедная смесь с a ³ 1,2…1,3 не воспламеняется, экономить бензин уменьшением его количества в топливо-воздушной невозможно. Зажечь топливо-воздушную смесь с a > 1,3, можно если разделить камеру сгорания на две: основную 10 (рис. 79) большого объема и дополнительную малую 8 объемом 3...4 % от основной. Такой двигатель получил название форкамерный - рис. В основную камеру сгорания поступает сильно обедненная топливо-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха a = 1,7...1,8. В дополнительную малую камеру поступает смесь с a = 0,1...0,2. Искрой от свечи 7 зажигается топливо-воздушная смесь в малой камере. Вылетающий из малой камеры в основную факел пламени зажигает находящуюся в ней бедную смесь, которая от искры системы зажигания не воспламеняется. Форкамерный двигатель работает на обедненной смеси и расходует топлива в среднем на 15% меньше Широкое применение форкамерных двигателей сдерживается их большей сложностью. В России форкамерные двигатели изготавливались на Горьковском автозаводе в Нижнем Новгороде, велись работы над нгими на ЗИЛе в Москве и других заводах

Рис. 79. Форкамерный

бензиновый двигатель

Совершенствование бензиновых двигателей с целью снижения расхода топлива идет в основном по пути увеличения степени сжатия и усложнения системы смесеобразования. Каждые две дополнительные единицы степени сжатия уменьшают расход топлива в среднем на 15%. Зависимость мощности двигателя от степени сжатия показана на рис. Степени сжатия некоторых бензиновых двигателей легковых автомобилей приблизились к степеням сжатия дизелей. Возникающая при этом детонация устраняется автоматическим уменьшением угла опережения зажигания, для чего ставится антидетанационный датчик.

Зависимость мощности двигателя и удельного часового расхдожа топлива от коэффициента избытка воздуха в топлио-воздушной смеси показана на рис. 80.

Инжекторный впрыск бензина вместо подачи его через карбюратор дает возможность получать состав топливо-воздушной смеси более точный и одинаковый во всех цилиндрах двигателя, что ведет к снижению расхода топлива до 10 %.

Антидетанационные качества бензина сравниваются с такими же качествами смеси, состоящей из очень стойкого к детанации изооктана с нормальным гептаном. Антидетанационные качества изооктана – 100, нормального гептан – 0. Процентное содержание изоактана в такой равноценной смеси принято называть октановым числом бензина.

Рис. 80. Влияние состава топливо-воздушной

смеси на мощность двигателя

Важным для снижения затрат на топливо является использование дизелей, расходующих топлива при одинаковой мощности с бензиновыми на 25...35% меньше. Степень сжатия дизелей составляет 16-18 на грузовых автомобилей (КАМАЗ – 17, МАЗ, КРАЗ, УРАЛ – 16,5) и до 24 быстроходных дизелей легковых атомобилей (ВАЗ – 23). Количество подаваемого воздуха в цилиндры дизеля – 20 кг на один килограмм топлива при полной подаче и до 50 кг воздуха на холостых оборотах.

Самовоспламенение дизельного топлива происходит при температуре, близкой к 350⁰ С, низкоактанового бензина – 550⁰С, высокоактанового – 650⁰ С.

На рис. 81 показана зависимость температуры воздуха в камере сгорания в зависимости от степени сжатия при окружающей температуре 15...20⁰С.

Рис. 81. Зависимость температуры воздуха в

камере сгорания от степени сжатия

Воспламеняемость дизельного топлива после его впрыска в ицилиндр двигателя характеризуется периодом задержки самовоспламенения и оценивается цетановым числом – процентным содержанием цетана в смеси с метилнафталаномвым, которая по воспламеняемости равноценна дизельному топливу. Чем выше цетановое число, тем меньше период задержки, двигатель работает менее жестко, экономичность его повышается, снижается дымность выпуска.

В многотопливных двигателях, работающих по принципу дизеля, используется широкая номенклатура нефтяных топлив, что упрощает снабжение потребителей. Особенно это важно для армии в боевых условиях, когда снабжение затруднено. Многотопливные двигатели нашли применение на армейских автомобилях США, Англии, Германии, Франции. Чтобы температура воздуха в конце такта сжатия была не ниже температуры самовоспламенения топлива, степень сжатия в многотопливных двигателях повышается до 22...24. При низкой температуре запустить дизель без предварительного его разогрева невозможно.

На рис. 82 показан автомобиль ЗИС-5 с газогенераторной установкой, применявшейся во время второй мировой войны. Работала она на древеснх чурках и позволяла экономить бензин.

Рис. 82. Газогенераторная установка

на автомобиле ЗИС-5.

Использование природного сжатого и сжиженного газа для двигателей автомобилей, в том числе дизелей, снижает затраты на топливо в несколько раз. Теплотворная способность газа ниже, чем бензина, поэтому мощность двигателя уменьшается. Чтобы её поднять, увеличивается степень сжатия. Детанация при этом не происходит, т.к. октановое число газа составляет 104.

Турбонаддув дизелей снижает расход топлива на 4...6 %, а карбюраторных двигателей – до 12 % . Автоматическое отключение вентилятора системы охлаждения двигателя уменьшает расход топлива на 3...5 %.

Расход топлива зависит также от условий эксплуатации. При снижении температуры охлаждающей жидкости двигателя с 95⁰ С до 75⁰ С расход топлива увеличивается на 3...5 %, а при снижении до 65⁰ С – на 10...15 %. Причиной этого является конденсация топлива в цилиндрах двигателя и неполное его сгорание.

Снижение давления воздуха в шинах грузового автомобиля с 0,35 МПа до 0,2 МПа при скорости 50 км/ч увеличивает расход топлива в среднем на 20 %.

Чтобы уменьшить расход топлива, сокращается время работы гидротрансформатора в режиме трансформации передаваемого крутящего момента. Нередко при разгоне гидротрансформатор автоматически блокируется как только частота вращения коленчатого вала превысит среднее значение.

На автомобилях с гидромханическими коробками передач расход топлива выше, чем с механическими коробками передач. Так на грузовых и самосвалах он выше на 10...15 % , на городских автобусах – до 20 %, на легковых автомобилях, где работа гидротрансформатора в режиме трансформации момента непродолжительная, – на 3-5%.

Переднеприводные легковые автомобили на дорогах с большим количеством поворотов, например, горных расходуют топлива на 10...15%. меньше, чем заднеприводные

В зависимости от качества сборки и регулировки разница в расходах топлива даже новых автомобилей может составлять до 20 %.

С появлением износа двигателя расход увеличивается на 10...12 %. В ночное время расход топлива выше, чем в дневное на 3...5 %, т.к. водитель проявляет осторожность, дольше ведет автомобиль на пониженных передачах, когда двигатель работает при более высокой частоте вращения коленчатого вала.

Включение на сухих асфальтированных дорогах переднего моста полноприводного автомобиля, если отсутствует дифференциал в раздаточной коробке, увеличивает расход топлива на 5...7 % .

Постоянно включенный дифференциальный привод передних мостов на полноприводных автомобилях (ВАЗ-2121, Урал-4320) по сравнению с отключаемым передним мостом по исследованиям Ю.В. Пирковского снижает расход топлива на 7...9 % .

Повышающая передача в коробке передач позволяет снизить расход топлива на автомобилях с дизельными двигателями до 10 % с бензиновыми –до 12,5 % .

Радиальные шины, имеющие меньшее сопротивление качению, снижают расход по сравнению с диагональными на 5...10 %.

Интенсивный разгон автомобиля с последующим движением по инерции дает возможность снизить расход топлива до 20%. Такой режим движения получил название "разгон-накат", он хорошо изучен и рекомендуется для использования. Средняя скорость при этом уменьшается на 20...30 %.

Контроль водителем за расходом бензина с помощью установленного на автомобиле эконометра дает возможность уменьшить расход на 10...15%. Датчик эконометра фиксирует разряжение во впускном коллекторе двигателя, которое тем меньше, чем больше открыта дроссельная заслонка. Наиболее высокий расход имеет место, когда дросселбная заслонка открыта полностью, т.е. повернута на 90^о. Разряжение при этом составляет 0,005... 0,025 МПа, стрелка эконометра располагается на участке шкалы обычно красного цвета, что по замыслам изготовителей прибора должно предупреждать водителя о высоком расходе топлива.

Опытные водители добиваются снижения расхода топлива на 20... 25 %, не пользуясь эконометром.

Расход топлива может быть снижен, если кинети­ческую энергию автомобиля при торможении накапливать в специальном маховике. Так фирма «Локхид» (США) создала аккуму­ляторную установку, предназначенную для использования на троллейбусах (рис. 83).

Установка размещается под полом троллейбуса, имеет диаметр 1140 мм и высоту 570 мм, содержит маховик массой 314 кг гиперболического профиля с вертикальной осью вращения. Маховик вращается в герметически закрытом корпусе, откуда отка­чен воздух. На оси маховика установлен электро­двигатель-генератор. Маховик разгоняется от электросети до скорости 20 000 об/мин.

Запасенной кинети­ческой энергии маховика хватает для дви­жения троллейбуса с опущенными штангами на рас­стояние 9,6 км, когда скорость вращения маховика составляет примерно 10 000 об/мин.

Рис. 83. Троллейбус с маховиком

фирмы “Локхид”

Гибридный привод

Одной из возможностей снижения расхода топлива на автомобиле является использовние “гибридных” приводов, в который кроме обычного двигателя внутреннего сгорания входит ещё электродвигатель, работающий за счет электрической энергии, накопленной в аккумуляторах при движении накатом, торможениях автомобиля и движении с постояной скоростью.

Первый в мире серийный автомобиль с гибридным приводом был создан японской фирмой Toyota. Модель названа Prius. На рынке автомобиль появился в 1997 году.

Ежегодно в Японии производится несколько десятков тысяч таких автомобилей и выпуск их увеличивается, несмотря на значительную сложность. Этому способствует низкий расход топлива, малые выбросы с выхлопными газами вредных составляющих и невысокая цена (в Японии Prius стоит около 18 000 долларов). Другие известные фирмы (Фольксваген, Вольво, Дженерал моторс, Форд, Даймлер-Крайслер и др.) также занимаютсягибридными автомобилями.

Автомобиль Prius с бензиновым двигателем выбрасывает вредных веществ значительно меньше, чем допускает стандарт EURO IV. Выброс СО в смешанном цикле у него равен всего 104 г/км. По сравнению с традиционным бензиновым автомобилем выбрасы в атмосферу Prius на 85% меньше несгоревших углеводородов и окислов азота, вполовину снижено и содержание в выхлопныз газах СО. По данным фирмы Prius на 100 км расходует лишь 3,5 л бензмна, на скоростных трассах – 5,5 л. На остановках, например, перед светофором двигатель выключается электроникой, бензин во время остановок не расходуется. До 100 км/ч Prius разгоняется за 14 с, максимальная скорость автомобиля – 160 км/ч.

Двигатель в гибридном автомобиле может работать либо только на зарядку аккумулятора, а движение происходит за счет электромотора, либо в движение автомобиль приводится бензиновым двигателем или электромотором в зависимости от режима. Как показала практика эксплуатации автомобиля Prius, оптимальный является совмещение обоих этих приводов.

Силовая установка Toyota Hybrid Synergy Drive Prius включает полуторалитровый бензиновый двигатель мощностью 78 л.с. и 68-сильный электромотор, развиваюший крутящий момент 400 Нм. Вся установка развивает мощность 113 л.с. и крутящий момент 478 Нм.

Основных режимов работы у Hybrid Sinergy Drive четыре. При трогании с места и на небольших скоростях бензиновый двигатель отключен – движение происходит за счет электромотора, питаемого от 40 никельметаллогидридных аккумуляторов, размещенных в богажнике. Электромотор беззвучно трогает Prius с места. Когда скорость достигает 16-20 км/ч, включается бензиновый двигатель, а электродвигатель выключается. Prius модели 2005 года может двигаться на электродвигателе до 50 км/ч. Нажав кнопку EV (Electric Vehicle; - электрический автомобиль), водитель, может задать режим, при котором двигатель внутреннего сгорания вообще не включится. С полностью заряженными аккумуляторами Prius проезжает на элкетродвигателе до 2 км со скоростью не более 50 км/ч.

Коробка передач в автомобиле Prius отсутствует. Роль коробки выполяет планетарный редуктор. Бензиновый двигатель соединен с водилом планетарного редуктора, электроэвигатель привода колес – с коронной шестерней, солнечная шестерня – с генератором. Крутящий момент бензинового двигателя делится в пропорции 3 : 7. 30 % крутящего момента направляются на генератор.

Управляет работой трансмиссии электронный блок, отдавая команды исполнительным механизмам планетарной передачи, подтормаживающим нужные шестерни, педаль акселератора управляет электрической частью установки. Часть мощности бензинового двигателя передается на колеса, а другая генератором преобразуется в электроэнергию и поступает в аккумуляторы, от которых - к электродвигателю привода колес. При равномерном движении и торможении бензиновый двигатель выключается, а тяговый электродвигатель становится генератором и заряжает аккумуляторы. Если уровень заряженности аккумуляторов низок, компьютер запускает бензиновый двигатель и аккумуляторы заряжаются.

В автомобиле Prius очень много электроники, электроусилитель руля. Электронное управление кондиционера позволяет экономить энергию.

Гибридный автомобиль «Хонда» выполнен по иной схеме. Электромотор мощностью 7 кВт лишь помогает двигателю внутреннего сгорания и один не работает. Как и у Prius, бензиновый двигатель на остановках выключается, топливо не расходуется, атмосфера не загрязняется. Для запуска двигателя достаточно нажать педаль сцепления и включить первую передачу.

При разгоне электромотор на гибридной «Хонде», модель «Инсайте» увеличивает крутящий момент бензинового двигателя, а при торможении работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, отдавая ток металлогидридной батарее, расположенной под полом за сидениями. По емкости и габаритам батарея меньше, чем у Prius. Зато электродвигатель Priuы Тойота в несколько раз мощнее. При выходе из строя электромотора на «Инсайте» в отличие от Prius можно ехать на бензиновом двигателе.

В зимних условиях многие плюсы гибридного автомобиля могут не проявляться. Аккумуляторы на холоде теряют емкость и в мороз должы постоянно заряжаться, расходуя бензин.