Топливная экономичность двигателей внутреннего сгорания

Стоимость мероприятия меняется в зависимости от использованных материалов и площадей покрытия.

Современные кольцевые пересечения [4]

Современные кольцевые пересечения представляют собой перекресток с круговым движением (в англоязычной литературе термины: roundabouts, rotaries) типа «кольцевое пересечение», в котором основной поток транспортных средств должен двигаться в одном направлении вокруг центрального островка. Скорость движения транспортных средств, входящих в основной поток, снижается, преимущество движения -у транспортных средств основного потока [1]. Технически такие перекрестки называют современными кольцевыми пересечениями, для того чтобы подчеркнуть их отличие от иных кольцевых пересечений типа traffic circles, которые имеют различные конструктивные характеристики и правила эксплуатации. Современные кольцевые пересечения имеют большой диаметр и скорость движения на них значительно выше, чем на кольцевых пересечениях типа traffic circles.

В странах с правосторонним движением основной поток движется против часовой стрелки. В странах, где левостороннее движение, основной поток движется по часовой стрелке (рис. 8-10).

Современные кольцевые пересечения особенно распространены в Великобритании, Ирландии, Марокко, Австралии, Объединенных Арабских Эмиратах, Катара и Франции. Половина перекрестков с кольцевым движением - во Франции (более 30000 по состоянию на 2008 г.) [2]. Первое современное кольцевое пересечение в Соединенных Штатах было организовано в г. Саммерлин, штат Невада, в 1990 г. [3], и перекрестки с круговым движением с тех пор получили большое распространение в Северной Америке.

Рекомендуются к применению на участках с:

• большим количеством ДТП;

• с высокой вероятностью возникновения заторов на подходе к перекрестку.

Основным преимуществом успокоения движения является возможность одновременного сочетания контроля скорости и ограничения транзитного движения через территорию с обеспечением доступа автомобильного транспорта для обслуживания данной территории. Успокоение движения в сочетании с элементами УДС, имеющими большую разрешаемую скорость движения, позволит получить желаемое перераспределение транспортных потоков по территории города.

Статья поступила 8.04.2014 г.

Библиографический список

1. Куприянова А.Б. Методы успокоения движения. М., 2009. 26 с. Деп. в ВИНИТИ 24.12.09; № 821.

2. Half Closures [Электронный ресурс] // Traffic Calming Measures. Institute of Transportation Engineers. [сайт]. [2011]. URL: http://trafficcalming.org/volume-control/half-closures. (дата обращения: 4.03.2014).

3. Speed Humps [Электронный ресурс] // Traffic Calming Measures. Institute of Transportation Engineers. [сайт]. [2011]. URL: http://trafficcalming.org/measures/speed-humps. (дата

обращения: 5.03.2014).

4. Full Closures [Электронный ресурс] // Traffic Calming Measures. Institute of Transportation Engineers. [сайт]. [2011]. URL: http://trafficcalming.org/volume-control/full-closures. (дата обращения: 5.03.2014).

5. Traffic Circles [Электронный ресурс] // Traffic Calming Measures. Institute of Transportation Engineers. [сайт]. [2011]. URL: http://trafficcalming.org/measures/traffic-circles. (дата обращения: 3.03.2014).

УДК 656.13/73.31.41.

ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1 9

© В.Н. Карнаухов1, И.В. Карнаухова2

Тюменский государственный нефтегазовый университет, 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, 48.

Приведены результаты исследований топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания в зависимости от температуры, давления и влажности окружающего воздуха. В результате: разработана математическая модель влияния параметров окружающей среды на экономичность двигателя; установлены интервалы температур при различных давлениях и относительной влажности, обеспечивающих минимальный расход топлива; определены параметры чувствительности расхода топлива от температуры воздуха и поправочные коэффициенты, учитывающие влажность воздуха. Ил. 2. Табл. 3. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; температура воздуха; атмосферное давление; влажность воздуха; расход топлива.

1 Карнаухов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры эксплуатации автомобильного транспорта, тел.: 89044995959, e-mail: karnauhov1948@yandex.ru

Karnaukhov Vladimir, Doctor of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport Operation, tel.: 89044995959, e-mail: karnauhov1948@yandex.ru

2Карнаухова Инна Владимировна, аспирант кафедры эксплуатации автомобильного транспорта, тел.: 89044903525, e-mail: ikarka13@yandex.ru

Karnaukhova Inna, Postgraduate of the Department of Motor Transport Operation, tel.: 89044903525, e-mail: ikarka13@yandex.ru

FUEL EFFICIENCY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES V.N. Karnaukhov, I.V. Karnaukhova

Tyumen State Oil and Gas University, 48 Volodarsky St., Tyumen, 625000, Russia.

The article introduces the results of studying the fuel efficiency of internal combustion engines depending on the ambient air temperature, pressure and humidity. Conducted research enabled to develop a mathematical model of environmental parameter effect on the engine efficiency; to determine the temperature ranges ensuring minimum fuel consumption under various pressures and relative humidity; to identify the parameters of fuel flow sensitivity depending on air temperature and correction factors with regard to air humidity. 2 figures. 3 tables. 7 sources.

Key words: internal combustion engine; air temperature; atmospheric pressure; air humidity; fuel consumption.

С помощью теоретической таблицы определения температуры воздуха во впускном коллекторе при влажности, давлении и температуре воздуха во впускном коллекторе, используя нижеприведенные формулы, можно определять для любых двигателей параметр чувствительности, зная указанный в паспорте или определенный в результате экспериментов расход топлива. Можно также мгновенно находить с помощью бортовых компьютеров, имеющихся в каждом современном автомобиле, необходимую температуру воздуха во впускном коллекторе при вышеперечисленных параметрах для минимального расхода топлива данного типа двигателя. Все вышеперечисленное приводит к увеличению мощности двигателей внутреннего сгорания при колебаниях атмосферного давления, влажности и температуры воздуха, а также экономии топлива за счет подогрева воздуха или его неподогрева во впускном коллекторе, то есть за счет регуляторов поддержания во впускном коллекторе такой температуры воздуха, которая обеспечивает минимальный расход топлива любых ДВС при изменении атмосферных параметров.

Согласно ГОСТ 491-55 при определении мощности двигателей нормальными условиями считаются: давление 760 мм рт.ст. и температура +15°С. Однако В.А. Бунчук в учебнике «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов и газа» дает определение «нормальных» и «стандартных» условий состояния газа. Данная терминология применяется для сравнения объемных количеств газа. «Нормальными» называются условия состояния газа при 0°С и 760 мм рт.ст., а «стандартными» - при 20°С и 760 мм рт.ст. Для низкого и среднего давлений коэффициент сжимаемости газов невелик, поэтому для теоретических расчетов при исследованиях пользуются приведением объемов к нормальным условиям. В своих исследованиях для более точных расчетов по температуре, расходу топлива, плотности воздуха пользуемся барометрическим давлением в момент измерения. Нормальные условия были приняты при исследованиях и определении параметра чувствительности расхода топлива к изменению температуры воздуха.

В соответствии с проведенными исследованиями Тюменского нефтегазового университета расход топлива в современных условиях эксплуатации двигателей может быть представлен в следующем виде:

где AQ - оптимальный (минимальный) расход топлива; tax - температура окружающего воздуха; t0 - оптимальная температура воздуха на входе в двигатель, при которой обеспечивается минимальный расход топлива; S - параметр чувствительности расхода топлива к изменению температуры воздуха.

Исследования проводились при разных значениях температуры воздуха и давления, учитывалась также влажность воздуха через газовую постоянную R, которая при относительной влажности воздуха от 60% и выше при расчетах принимается R=289 Дж/кгК, а при влажности менее 60% - R=287 Дж/кгК.

Исследования проводились на грузовых автомобилях КАМАЗ 5410 с двигателем КАМАЗ-740 и Урал 4420 с двигателем ЯМЗ-236, а также на легковых автомобилях Киа Сид с двигателем D4FB (1,6 CRDi) и Mazda CX-7 с двигателем MZR 2,3-L3T .

В результате получены характерные зависимости расхода топлива двигателями от температуры воздуха на входе в двигатель.

В результате обработки и анализа экспериментальных данных подтверждено известное положение об ухудшении топливной экономичности двигателей при температуре ниже 0°С и температуре выше +70°С. При давлении воздуха 720 мм рт.ст. оптимальный расход топлива наблюдается при температуре +40°С или в интервале температур +30-+50°С. При давлении 760 мм рт.ст. оптимальная температура для ДВС +30°С и минимальный расход топлива находится в интервале +20-+30°С, при давлении воздуха 790 мм рт.ст. оптимальная температура +10°С и интервал находится или равен 0 - +20°С.

Обработка результатов произведена по уравнению

Т  Р „ , тр тр ,2

q = qn + S

0 vp r  273 о

q = qn+S(t -1 )2,

1 J0 v вх О7

0 в

где q - расход топлива при фактической температуре на входе в двигатель; q0 - расход топлива оптимальный при оптимальной температуре ^ на входе в двигатель; S - параметр чувствительности расхода топлива к изменению температуры воздуха; Ттр - температура во впускном трубопроводе; Ртр - давление в Па во впускном трубопроводе; р0 - плотность воздуха; - универсальная газовая постоянная воздуха.

В этой формуле обозначим дополнительный расход топлива как

Ад = Я • (

Т • Р

тр тр

-г )2 • Я •273 о

0 в

тогда формула (2) примет вид

д = д0+Ад

Дополнительный расход топлива (Ад) определяется с учетом следующих параметров воздуха во впускном коллекторе: давления Ртр; температуры Ттр; влажности, которая учитывается через универсальную газовую постоянную Рв; плотности р. Он рассчитывается с помощью компьютеров как таблица поправочных коэффициентов, или бортовых компьютеров у дорогостоящих легковых автомобилей в режиме реального времени, с учетом поддержания постоянной оптимальной температуры воздуха во впускном коллекторе за счет его нагрева или охлаждения следующими системами: установкой нагревательного элемента в воздушном фильтре или подключения выпускного коллектора в виде нагревателя и охлаждения воздуха (забор напрямую из атмосферы) путем отключения воздухонагревателя.

Для нахождения среднего значения расхода топлива необходимо применять формулу

Т • Р тр тр

д = д0+я •

Рп- Я 0 в

- гп )2+а2

• 273 О7 г

где 01 - дисперсия температуры воздуха во впускном коллекторе за время испытаний.

Данная математическая модель применяется для больших промежутков пробега автомобилей, режим эксплуатации которых нельзя считать постоянным, так как он имеет выраженный переменный характер.

Дисперсия определяется по формуле

(и - г )2 + (г. - г )2....(г - г )2

2_ 1 ср 2 ср п ср

at =

п

п-1

Е (г. - г )2

. л г ср' г = 1 Г

п-1

Параметр чувствительности расхода топлива к изменению температуры у разных моделей ДВС определяется конкретно для каждой модели. В данном случае средний параметр чувствительности определен по формуле 5 = и означает, что в случае сложения результатов параметров чувствительности модель системы будет иметь оптимальное значение выходного параметра Б, который находится в пределах 0<8<» и определяется по формуле

Я = -

д - д.

о

(Ъ - г )2

4 0 вх'

где д0 - минимальный расход топлива при нормальной температуре ^ воздуха на входе в двигатель; д - расход топлива при температуре воздуха.

С учетом теоретических и экспериментальных данных были определены параметры чувствительности для грузовых автомобилей 8=0,0038 л/(оС)2 и легковых - 8=0,0019 л/(оС)2.

В результате экспериментов получены данные Ад, которые сведены в табл. 1 и 2 с учетом изменения значений температуры, плотности, давления и влажности. На основании данных табл. 1 и 2 построены графики дополнительного расхода топлива в зависимости от температуры, влажности и давления окружающего воздуха.

Таблица 1

Данные по определению дополнительного расхода топлива при влажности 25-60%, Й=287

№ п/п Температура, °С Давление, мм рт.ст.

720 730 740 750 760 770 780 790

1 -60 32,3 30,3 28,4 26,6 24,87 23,2 21,5 19,97

2 -50 26 24,1 22,4 20,75 19,1 17,6 16 14,7

3 -40 20,4 18,7 17,1 15,6 14,1 12,74 11,4 10,2

4 -30 15,2 13,9 12,5 11,2 9,85 8,7 7,6 6,51

5 -20 11,2 9,9 8,6 7,5 6,36 5,4 4,5 3,65

6 -10 7,76 6,5 5,46 4,5 3,63 2,87 2,2 1,61

7 0 4,735 3,8 3 2,3 1,68 1,15 0,72 0,38

8 10 2,54 1,86 1,29 0,82 0,97 0,2 0,05 0,0001

9 20 1,02 0,6 0,285 0,09 0,003 0,0032 0,17 0,43

10 30 0,286 0,034 0,0046 0,095 0,3 0,6 1 1,68

11 40 0,24 0,017 0,44 0,855 1,4 2 2,8 3,75

12 50 0,55 1 1,61 2,3 3,22 4,2 5,4 6,64

13 60 1,76 2,6 3,49 4,6 5,79 7,2 8,76 10,35

14 70 3,65 4,79 6,08 7,5 9,2 10,9 12,8 14,9

15 80 6,23 7,73 9,5 11,25 13,3 15,42 17,7 20,3

16 90 9,5 11,37 13,45 15,7 18,4 20,8 23,5 26,4

17 100 13,4 15,7 18,1 20,92 23,8 26,5 30 33,4

Согласно графикам, приведенным на рис. 1, оптимальный расход топлива у грузовых автомобилей находится в интервале температур от 0 до +40°С при всех значениях давления и относительной влажности воздуха до 60%. При влажности более 60% (рис. 2) интервал температур смещается в положительную сторону и находится в промежутке от +10 до +55°С. Причем отрицательные температуры воздуха во впускном коллекторе понижаются при падении давления во впускном коллекторе в среднем на 8-9%, а при относительной влажности воздуха 80% - на 21-22%.

При определении Аа по формуле (4) видно, что ср

минимальное значение для дизельных двигателей

Аа =5,2 л/100 км получается при нормальном ат-ср

мосферном давлении 760 мм рт.ст., Ад^ =5,9 л/100

км - при 720 мм рт.ст., Аа =5,97 л/100 км - при 790

ср

мм рт.ст. В табл. 3 приведены интервалы температур при различных значениях давления и относительной влажности воздуха, обеспечивающих минимальный расход топлива.

40

790 мм.

780 мм.

770 мм. 760 мм. 750 мм. 740 мм. 730 мм. 720 мм.

рт.ст

рт.ст

рт.ст рт.ст рт.ст рт.ст рт.ст рт.ст

0

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ГС

Рис. 1. Дополнительный расход топлива при влажности 25-60% в зависимости от температуры и давления

окружающего воздуха

Данные по определению дополнительного расхода топлива при влажности выше 60%

Таблица 2 Я=289

№ п/п Температура, °С Давление, мм рт.ст.

720 730 740 750 760 770 780 790

1 -60

2 -50 26 ,9 25 23 ,3 21 ,7 19 ,9 18 ,4 16 ,8 15 ,4

3 -40 21,2 19,5 17,93 16,4 14,9 13,5 12,1 10,8

4 -30 16,2 14,7 13,3 11,9 10,5 9,3 8,2 7,1

5 -20 11,9 10,5 9,3 8 6,9 5,9 4,9 4,1

6 -10 8,2 7,06 5,99 4,93 4,1 3,3 2,6 1,092

7 0 5,2 4,3 3,42 2,67 1,98 1,42 0,94 0,6

8 10 2,9 2,2 1,52 1,05 0,63 0,32 0,11 0,123

9 20 1,3 0,8 0,43 0,2 0,34 0,003 0,095 0,3

10 30 0,3 0,09 0,003 0,034 0,18 0,46 0,86 1,3

11 40 0,001 0,095 0,31 0,64 1,7 1,68 2,4 3,3

12 50 0,38 0,8 1,29 2 2,7 3,65 4,74 6,1

13 60 1,42 2,134 3 3,99 5,2 6,4 7,87 9,4

14 70 3,14 4,2 5,5 6,77 8,3 9,96 11,75 13,7

15 80 5,55 7,03 8,5 10,3 12,1 14,23 16,5 18,9

16 90 8,61 10,4 12,35 14,6 16,8 19,32 22 24,8

17 100 12,4 14,6 16,9 19,7 22,2 24,9 28 31,5

790 мм.рт.ст. 780 мм.рт.ст. 770 мм.рт.ст. 760 мм.рт.ст. 750 мм.рт.ст. 740 мм.рт.ст. 730 мм.рт.ст. 720 мм.рт.ст.

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Рис. 2. Дополнительный расход топлива при влажности 80% в зависимости от температуры и давления

окружающего воздуха

Таблица 3

Интервалы температур при различных значениях давления и относительной влажности воздуха, _обеспечивающих минимальный расход топлива_

Относительная влажность воздуха <60% Относительная влажность воздуха >60%

Р, мм рт.ст 1, °С Р, мм рт.ст

720 +10-+70 720 +20-+80

760 -10++60 760 0-+70

790 -20-+40 790 -10++50

Из табл. 3 видно, что при повышении относительной влажности воздуха для обеспечения минимального расхода топлива необходимо повышать температуру воздуха во впускном коллекторе как минимум на 10°С.

Из табл. 3 можно определить, что в интервале температур +10+40°С Ад имеет минимальное значение как при относительной влажности <60%, так и при относительной влажности >60%, то есть влажность воздуха в этом интервале температур не оказывает существенного влияния на расход топлива и Ад увеличивается и при понижении, и при повышении температур во впускном коллекторе. Особенно резко, на 50% и более, при повышении температуры более +70°С и понижении температуры ниже -25°С. Поэтому необходимо при определении Ад вводить поправочные коэффициенты, учитывающие влажность воздуха:

Ад

Т  Р

„ ( тр тр ч2 .

+10++40 '' 5 ^(р • Я  273 V ' 0 в

Ад>+50 = 1,5  5  ( Ттр 'Ртр - Ь )2; -+50 р • Я  273 0

0 в

Ад 25 . 50 = 1,45  5  ( Ттр ' Ртр - Г )2. (10) 25^-5^ р  Я  273 0'

0 в

При понижении барометрического давления от 790 до 720 мм рт.ст. и повышении температуры воздуха во впускном коллекторе до 67оС уменьшается расход топлива до 42%, а при отрицательных температурах воздуха наоборот увеличивается до 57%, что необходимо учитывать при работе двигателей внутреннего сгорания.

Статья поступила 14.04.2014 г.

Библиографический список

1. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский [и др.]; отв. ред. М.С. Ховах. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.

2. Карнаухов В.Н., Карнаухова И.В. Определение коэффициента наполнения в ДВС // Транспортные и транспортно-технологические системы: мат. Междунар. науч.-техн. конф., Тюмень, 16 апреля 2014 г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2014. С.121-123.

3. Карнаухов В.Н., Карнаухова И.В. Влияние влаги в воздухе на работу двигателя внутреннего сгорания // Организация и безопасность дорожного движения: мат. VII Всерос. науч.-практ. конф., Тюмень, 4 апреля 2014. Тюмень: Изд-во

ТюмГНГУ, 2014. С. 99-100.

4. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1976. 364 с.

5. Резник Л.Г., Ромалис Г.М., Чарков С.Т. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации. М.: Транспорт, 1989. 128 с.

6. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2009. 440 с.

7. Ютт В.Е., Рузавин Г.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2007.104 с.