Топливный баланс ТС

Количество тепла, приходящегося на каждую составляющую силового баланса ТС, включает в себя тепло Li  = ∫SРi(S)dS, преобразованное в полезную механическую работу (при установившемся режиме движения ТС можно принять равным Li = РiSi), и тепло LП, потерянное в двигателе при получении тепла, необходимого для совершения полезной работы при преодолении  сил  сопротивления. Таким образом, теплота или энергия (L = GShu), выделяющаяся при полном сгорании топлива на установившемся режиме движения, будет равна

L = GShu = LП + РiSi,                                               (77) где GS – масса топлива, израсходованная двигателем за пройденный путь S; hu – низшая теплотворная способность топлива, численное значение которой составляет для дизельного топлива 43 кДж/г и бензинового 44 кДж/г. Используя уравнение (76) и (77), получим уравнение теплового баланса при установившемся движении ТС

L = LП + РiSi, = LП + SiPfi + SiPП + SiPB + SiPJ + SiРКР.          (78) Тепло, потерянное при производстве единицы механической работы, определяется отношением LП/PiS, следовательно, можно получить зависимости для вычисления теплоты, затраченной на преодоление каждой составляющей силового баланса ТС.

Например, формула для определения теплоты, затраченной на преодоление сопротивления воздуха, будет иметь вид

LW = PWS + LПPW/Pi = PW(PiS + LП)/Pi = LPW/Pi        (79)

Количество топлива, затраченное на преодоление того или иного

вида сопротивления, равно

QGi = GSi/hu. (80)

Или расход топлива на 100 км пути (л/100 км) будет равен

QS = GS/ρ,     (801)

где ρ удельная плотность топлива, г/см3. При температуре 200С численное значение ρ для бензина 0,73, для дизельного топлива 0,86  –

летнее; 0,83 и 0,82 – соответственно зимнее и арктическое.

При других значениях температуры плотность корректируется по выражению

ρТ = ρ20  кТ(Т0  200С),

где Т0  – температура топлива; кТ  = 0,00072 – постоянный коэффициент, г/см3⋅0С.

Следовательно, количество топлива, затрачиваемого на преодоление сопротивлений на 100 км пути (л/100 км), входящих в уравнение силового баланса, будет

QS = (GS/ρPi)(Pfi + PП + PB + PJ + РКР).  (81)

 

Уравнение (81) является уравнением топливного баланса.

Рис.10. Нагрузочная характеристика двигателя:

1 QT = f(Ne); 2 qe = f(Ne); Ne – текущая мощность двигателя;

ni – частота вращения коленчатого вала двигателя

5.4. Уравнение расхода топлива

Для определения часового QT и удельного qе расхода топлива исходной является нагрузочная характеристика двигателя (см. рис.10)

 

QT = f(Ne) и qe = f(Ne), работающего на установившемся режиме.

Рис.11. Зависимость удельного расхода топлива от коэффициента кN

Удельный расход топлива связан с часовым

qe = 103 QT/Ne.         (82)

Для определения расхода QS в ряде случаев используется график зависимости удельного расхода от коэффициента использования мощности двигателя кN (см. рис.11).

Примечание. KN (%) = 100(Nmax N∑C)/ Nmax, где Nmax – максимальная мощность двигателя при полной подаче топлива

(Nmax = NeηTPrK/rd) или полная тяговая мощность, кВт; N∑C – сумма мощностей сопротивления движению ТС; ηTP – КПД трансмиссии.

Как видно из графика (рис.11), для каждого значения частоты ni расход qe имеет минимальное значение при кN близком к 100%. У бензиновых двигателей удельный расход топлива значительно зависит от значений коэффициента использования мощности; в то время как у дизельных двигателей эта зависимость проявляется не столь сильно.

Таким образом, с учетом (83)

QT = qeNe/1000 = qeNmax/1000ηTP = qeV(Pf+PП+PB+PJ+PKP)/ ηTP.   (83)

Между величинами QT и QS существует зависимость

QS = 103 QT/36Vρ,   (84)

где ρ плотность топлива, кг/л.

Подставляя выражение (83) в уравнение (84), получим формулу уравнения расхода топлива

QS = qeV(Pf+PП+PB+PJ+PKP)/36VρηTP  =

 

=qe(Pf+PП+PB+PJ+PKP)/1036ρηTP.           (85)

Рис.12. Топливно-экономическая характеристика ТС при установившемся режиме движения

Связь расхода топлива с условиями движения отображается графиком топливно-экономической характеристики QS  = f(V) при установившемся режиме движения, предложенным Е.А. Чудаковым (рис.12).

В общем случае движения по дорогам с различным сопротивлением [ψ = (f + i)] кривые QS = f(V) имеют минимум.

Слева семейство кривых QS = f(V) ограничивается линией, соединяющей точки, соответствующие минимально устойчивым скоростям движения, зависящим от ψ.

Справа и сверху топливно-экономическая характеристика ограничивается кривой, соответствующей расходам топлива при kN=100%. Построение топливно-экономической характеристики осуществляется как по экспериментальным данным, так и по результатам расчета.

Расчет проводится в следующем порядке: задаются коэффициентом ψ и несколькими значениями скорости V, для которых находят

Ne  = (Nf  + NП  + NB  + NKP) = N∑  и частоту вращения вала двигателя n. При наличии нагрузочной характеристики двигателя определяется мощность Ne  = N∑/ηTP, необходимая для движения на каждой из  заданных скоростей. По нагрузочной характеристике определяется qe  и далее по формуле (85) –  QS. Проведя расчеты для  нескольких  ψ, строят топливно-экономическую характеристику. При наличии графика qe=f(kN) (см. рис.11) для каждого значения частоты n  по внешней характеристике находят значение мощности Ne   и  определяют kN.  По графику (см. рис.11) для каждого значения  скорости и соответствующей ей частоты и коэффициента kN  определяют qe. По формуле (85) определяется QS.

При приближенных расчетах QS по формуле (85) величина

qe = qeNкNкЧ,           (86)

где qeN  – удельный расход топлива при Nmax; коэффициенты кN  и кЧ

учитывают соответственно зависимость qe  от степени использования

мощности и частоты вращения двигателя n.

qeN = (1,15…1,05)qemin,

где qeN – удельный расход топлива при Nmax; qemin для kN = 100% принимается равным:

бензиновые двигатели – 280…340 г/кВт•ч;

дизельные двигатели – 220…260 г/кВт•ч.

Материал взят из книги Расчет тягово-скоростных свойств и топливной экономичности специальных транспортных средств (А.М. Петренко)