Determination of fuel consumption of light commercial truck on a given route

Full Text

Цель работы - теоретическое и экспериментальное определение расхода топлива лёгкого коммерческого грузового автомобиля на заданном загородном маршруте движения. Объектом исследования является лёгкий коммерческий грузовой автомобиль ГАЗель «Next», относящийся к транспортным средствам категории N1. Конструктивные параметры автомобиля [1]: полная масса = 3500 кг, в том числе: на переднюю ось - 1250 кг, на заднюю - 2250 кг; двигатель Cummins ISF 2.8 дизельный с турбонаддувом, экологического класса Евро5, максимальной мощностью 96,3 кВт при частоте 3600 об/мин, максимальным крутящим моментом 285 при частоте 2400 об/мин, минимальном удельным расходом топлива 218 г/( ), удельным расходом топлива при максимальной мощности 245 г/( ); коробка передач механическая пятиступенчатая с передаточными числами: = 4,05; = 2,34; = 1,395; =1,00; = 0,849; главная передача одинарная гипоидная с передаточным числом = 4,556; шины 185/75R16C, статический радиус колёс = 0,33 м; динамический радиус = 0,33 м; радиус качения = 0,34 м коэффициент полезного действия трансмиссии = 0,93; аэродинамические характеристики: коэффициент лобового сопротивления = 0,6; площадь миделя = 3,6 ; фактор обтекаемости = 1,32 . Для расчёта расхода топлива при работе автомобиля на заданном маршруте использована методика его графоаналитического определения, предложенная Г.В. Зимелёвым [2, 3]. Графоаналитическое определение расхода топлива выполняют с использованием: 1) характеристики маршрута движения; 2) динамической характеристики автомобиля; 3) топливно-экономической характеристики автомобиля. Характеристика маршрута движения представляет совокупность участков дороги, имеющих на всей длине неизменный коэффициент сопротивления дороги . Для исследуемого маршрута Нижний Новгород - Павлово его характеристика построена путём обработки спутниковой информации по методике, изложенной в работе [4]. По данным системы Глонасс / GPS была измерена протяжённость отдельных участков маршрута, имеющих постоянные величины продольного уклона . Результаты измерений представлены на рисунке 1. Рисунок 1. Распределение протяжённости участков маршрута в зависимости от величин их продольного уклона При построении характеристики маршрута для каждого значения продольного уклона дороги рассчитаны: угол продольного уклона (рад или град): и коэффициент сопротивления дороги: , где: = 0,012 [3] - коэффициент сопротивления качению; - угол продольного уклона дороги, рад или град. Знаки «+» - на подъёме,«-» - на спуске. При = 0; 1; 2; 3; 4% 0,012; 0,022; 0,032; 0,042; 0,052. Динамическая характеристика автомобиля - это зависимость его динамического фактора от скорости движения на всех передачах трансмиссии: ; (1) , (2) где: - коэффициент коррекции стендовой характеристики двигателя; - стендовый крутящий момент двигателя, ; - КПД трансмиссии; - фактор обтекаемости; ; - скорость автомобиля, ; - масса автомобиля, ; - ускорение свободного падения, ; - частота вращения вала двигателя, ; и - передаточные числа коробки передач и главной передачи, соответственно; и - динамический радиус и радиус качения ведущих колёс, соответственно, . В формулах (1) и (2) = 0,95 [5], частота вращения вала двигателя = 1000 , = 3960 . График динамической характеристики автомобиля показан на рисунке 2 . На этот график нанесены численные значения коэффициента сопротивления дороги при всех значениях продольного уклона, взятых из рисунка 1. В точках пересечения величин с кривыми определены максимальные скорости движения автомобиля . Рисунок 2. Динамическая характеристика автомобиля Из рисунка 2 следует, что на заданном маршруте, имеющем сравнительно небольшие уклоны, не превышающие 4% , автомобиль имеет возможность двигаться на V передаче коробки передач, максимальный динамический фактор на которой равен 0,07. Топливно-экономическая характеристика установившегося движения автомобиля представляет зависимость путевого расхода от скорости установившегося движения = const на дорогах с различными коэффициентами сопротивления . Характеристика построена по методике, изложенной в работе [6]. Путевой расход топлива (л / 100 км) рассчитывают по формуле: , (3) где: - удельный расход топлива двигателя, г/( ); и - мощности сопротивления дороги и воздуха, соответственно, кВт; - скорость автомобиля, км/ч; - плотность топлива, кг/л; - коэффициент коррекции стендовой характеристики двигателя; - КПД трансмиссии. Удельный расход топлива , зависящий от скоростного режима и нагрузки двигателя, рассчитан по приближённой аналитической методике, разработанной И.С. Шлиппе [7]: , (4) где: - удельный эффективный расход топлива двигателя по внешней скоростной характеристике при максимальной мощности, г/( ); и - коэффициенты, учитывающие степень использования угловой скорости (частоты вращения) вала и мощности двигателя, соответственно. Поправочные коэффициенты рассчитаны по аналитическим зависимостям, приведённым в работах [8] и [9]: ; (5) . (6) Входящие в формулу (3) мощности сопротивления дороги и воздуха (кВт) рассчитаны по формулам: и , где: - коэффициент сопротивления дороги; - масса автомобиля, кг; - ускорение свободного падения, м/с2; - фактор обтекаемости, ; - скорость автомобиля, км/ч. Скорость автомобиля определена по формуле (2). Мощность сопротивления дороги вычислена при значениях = 0,012; 0,022; 0,032; 0,042; 0,052. Плотность дизельного топлива , входящая в формулу (3), принята равной 0,82 кг/л [3]. Топливно-экономическая характеристика исследуемого автомобиля при движении на V передаче ( = 0,849) приведена на рисунке 3. Рисунок 3. Топливно-экономическая характеристика автомобиля на V передаче при коэффициентах сопротивления дороги: 1 - 0,012; 2 - 0,022; 3 - 0,032; 4 - 0,042; 5 - 0,052 Рисунок 4. Схема определения расхода топлива на заданном маршруте Рассмотренные выше характеристики были использованы для расчёта расхода топлива на заданном маршруте графоаналитическим методом. На схеме (рисунок 4) топливно-экономическую характеристику располагают в правом нижнем квадранте, динамическую характеристику - в правом верхнем квадранте, характеристику маршрута - в левом верхнем квадранте, причём величины и в верхних квадрантах наносят в одинаковом масштабе. Расчёты выполнены при допущении о том, что на каждом участке дороги с постоянным коэффициентом сопротивления автомобиль движется с максимально возможной скоростью . Площади в левом нижнем квадранте в соответствующем масштабе эквивалентны затратам топлива на каждом участке маршрута (л) , где: - путевой расход топлива на -м участке маршрута, л/100 км; - протяжённость -го участка маршрута, км. Общий расход топлива на маршруте равен сумме расходов топлива на каждом участке маршрута , где - количество участков маршрута. Расчёты с использованием изображённой на рисунке 4 схемы показали, что общий расход топлива на маршруте Нижний Новгород - Павлово, протяжённостью 71,3 км, составил 8,3 л. Расход топлива учитывался только при движении автомобиля на горизонтальных участках и на подъёмах. Для проверки расчётных данных были проведены дорожные испытания автомобиля ГАЗель «Next» на маршруте Нижний Новгород - Павлово. Подготовка автомобиля к дорожным испытаниям была выполнена в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54810 - 2011 [10, 11, 12]. Испытания проводились при полной массе автомобиля = 3500 кг. В процессе испытаний была предусмотрена регистрация следующих параметров: общий пробег, пробег на участке, высота участка над уровнем океана, уклон дороги, номер и длина участка, расход топлива на участке, суммарный общий расход, скорость движения автомобиля, суммарный общий пробег, время движения, положения педали сцепления, дроссельной заслонки и тормоза, проверка холостого хода, массовый расход воздуха, мгновенная топливная экономичность, передаточное число коробки передач, степень использования мощности и частота вращения вала двигателя. Методика регистрации экспериментальных данных. Во время движения по маршруту производилась запись скорости многофункциональным измерителем скорости, Racelogic LTD, Великобритания; расхода топлива расходомером, Kistler Automotive GmbH, Германия; параметров работы двигателя посредством прибора для сбора данных Tokyo Sokki Kenkyujo Co., Ltd, Япония, включающего: а) модуль управления; б) полномостовой тензометрический модуль; в) CAN модуль; диагностический комплекс CUMMINS Inc., КНР. Регистрация всех параметров осуществлялась посредством персонального компьютера GETAC, КНР. Процесс испытаний фиксировался на автомобильный видеорегистратор SHO-ME, КНР. Связь блока управления CUMMINS с персональным компьютером осуществлялась через шину CAN. Применение современного измерительного оборудования позволило регистрировать все параметры с высокой точностью. Результаты и выводы 1. Применённая авторами методика обработки спутниковой информации позволила получить характеристику маршрута движения автомобиля, необходимую для расчёта расхода топлива. 2. Расчётная величина расхода топлива на исследуемом маршруте Нижний Новгород - Павлово - 8,3 л. 3. При дорожных испытаниях автомобиля расход топлива на заданном маршруте составил 8,36 л. 4. Высокая сходимость результатов теоретического и экспериментального определения расхода топлива на заданном маршруте свидетельствует о возможности использования графоаналитической методики для ориентировочных расчётов показателей топливной экономичности современных автомобилей. 5. Дальнейшее совершенствование использованной в данной работе методики расчёта расхода топлива на заданном маршруте движения следует проводить в следующих направлениях: o учитывать расход топлива при разгонах и замедлениях автомобиля; o учитывать распределение скоростей движения при прохождении автомобилем заданного маршрута; o учитывать время работы на различных ступенях трансмиссии; o при расчётах использовать экспериментально определяемые величины коэффициентов сопротивления качению колёс исследуемого автомобиля по реальной опорной поверхности участков маршрута движения.

About the authors

V. N Kravets

Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: musarsky@list.ru
Prof.; +7 831 462-33-68

R. A Musarsky

Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: musarsky@list.ru
Prof.; +7 831 462-33-68

P. C Moshkov

Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: musarsky@list.ru
+7 831 462-33-68

E. I Toropov

Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Email: musarsky@list.ru
+7 831 462-33-68

References

Supplementary files