Теоретические основы экономии топлива и снижения токсичности отработавших газов

Проблема экономии топлива во всех странах мира приобре­тает первостепенное значение, поскольку крупные запасы газа и нефти с каждым годом резко снижаются. При суще­ствующем уровне добычи топлива мировых запасов его хватит лишь на 30—50 лет. С увеличением темпов добычи они могут быть исчерпаны значительно раньше.

Автомобильный транспорт — один из основных потребителей нефтепродуктов. На перевозку автомобилями грузов и пассажи­ров расходуется около 30 % светлых нефтепродуктов. Удельный вес затрат на горючесмазочные материалы в себестоимости одного тонна-километра составляет 15—20%. Следовательно, борьба за экономное расходование топлива при эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте автомобилей приобретает важное народнохозяйственное значение. Бережное расходование позволит сохранить тысячи тонн топлива и смазочных материа­лов. Этому также будет способствовать строгое соблюдение государственной дисциплины, научно обоснованное нормирова­ние и планирование, точное выполнение правил учета, транс­портировки, хранения и раздачи горючесмазочных материалов.

В экономии топлива нет особых секретов. Каждое авто­транспортное предприятие, каждый водитель, овладев основны­ми методами борьбы за его экономию, может добиться хороших результатов. Это подтверждается опытом работы многих кол­лективов и отдельных водителей. Практически при эксплуата­ции автомобилей можно экономить до 20—30% топлива.

При разработке мероприятий по экономии следует рассмат­ривать и анализировать все элементы системы водитель — авто­дорога — воздух — топливо — транспортные условия. Эти меро­приятия можно разделить на организационные (эксплуатаци­онные) и технические. К организационным относятся способы и средства уменьшения расхода топлива на единицу транспорт­ной работы: повышение грузоподъемности подвижного состава, коэффициентов использования грузоподъемности и пробега, вы­бора рациональных маршрутов, улучшение диспетчерского руко­водства, совершенствование методов нормирования, учета и анализа расхода топлива. Технические мероприятия связаны с повышением технической готовности автомобилей, совершенст­вованием методов контроля их состояния и технического обслу­живания, улучшением качества топлива.

Внедрение на автотранспортных предприятиях нового обо­рудования, использование контрольно-диагностических станций, централизованных постов смазки, установок для обогрева дви­гателей, хранение автомобилей в закрытых стоянках и т. д. также способствуют экономии топлива и смазочных материа­лов. Важная роль отводится повышению культуры эксплуата­ции, квалификации водителей и ремонтно-обслуживающего пер­сонала.

Экономия горючесмазочных материалов органически связана с защитой воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств. Эти проблемы необходимо решать одновременно, в комплексе. Борясь за экономию топли­ва, снижаем загазованность воздуха. Уменьшая загазованность, экономим топливо. Практически любое мероприятие, направ­ленное на экономию топлива, способствует снижению выбросов вредных веществ с отработавшими газами. В этой связи особый научный и практический интерес представляет исследование взаимосвязи между экономией топлива и уменьшением выброса в атмосферу вредных компонентов отработавших газов, поиск общих рекомендаций, способствующих успешному решению поставленной задачи.

Теоретические основы этих проблем связаны с качеством применяемых топлив, способами приготовления и процессами сгорания рабочих смесей в двигателях, особенностями протека­ния рабочих процессов на различных режимах, влиянием конст­руктивных и эксплуатационных параметров двигателя и автомо­биля, а также с методами управления автомобилями в различ.-ных условиях эксплуатации.

Очень важно уметь рассчитывать и определять нормы рас­хода топлива при движении автомобиля в дорожных условиях и испытании на стенде с беговыми барабанами. В основу этих расчетов должна быть положена математическая модель рас­хода топлива, учитывающая основные эксплуатационные и кон­структивные параметры двигателя и автомобиля.

Уравнение расхода топлива в литрах на 100 км можно получить из известного выражения Q = 100Q₁/V_aр, где Q — часовой расход топлива, кг/ч; ρ — плотность топлива, г/см³; V_а — скорость дви­жения автомобиля, км/ч.

Часовой расход топлива выразим через удельный расход топлива и мощность двигателя:

,

где g_е — удельный расход топлива, г/(кВт·ч); N_e—эффективная мощность двигателя, кВт; Р_е — среднее эффективное давление, кПа; H_и — теплота сгорания топлива, кДж/кг; η_е, — к. п. д. эффек­тивный; V_h — рабочий объем цилиндров двигателя, л; n_дв — час­тота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Частоту вращения коленвала определяем, зная скорость дви­жения автомобиля: n_дв = 2,65 i₀i_k Va/r_k, где n_дв — частота вращения коленвала, мин-¹; i₀, i_K — передаточные числа главной передачи и коробки передач; r_к — радиус качения, м.

Эффективный к. п. д. выразим через индикаторный к. п. д. η_e следующим образом:

,

(Р_п — среднее давление потерь в двигателе, кПа). Значение сред­него эффективного давления приведено в формуле (3).

Для определения среднего давления потерь на трение в дви­гателе существует ряд эмпирических формул. В общем виде можно записать Р_П = а₁ + b₁S_Пn_дв, где S_П — ход поршня, м.

Коэффициенты a₁, b₁ экспериментально находят для каждого типа двигателя. Для дизельных двигателей они несколько больше, чем для карбюраторных. С достаточным приближением для даль­нейших расчетов можно принять a₁ ≈ 45, b ≈ 0,55.

Подставив значения Q₁, n_дв, η_е, Р_e, Р_п в формулу расхода топ­лива (в литрах на 100 км), получим

.

В общем виде уравнение расхода топлива представим в виде

, (32)

где

; ; .

Подставив значения а₁, b₁, запишем

, .

Например, для ЗИЛ - 130 А = 0,83, В = 0,032, С = 0,0035. Согласно последнему уравнению, расход топлива зависит от многих конст­руктивных и эксплуатационных факторов. Некоторые из них яв­ляются функцией других параметров. Конструкция двигателя выражена через к. п. д. индикаторный η _i, рабочий объем цилиндров V_h и ход поршня S_П. Вид и марка топлива для данного дви­гателя характеризуются теплотой сгорания S_П и плотностью топ­лива ρ. Конструкция автомобиля выражена через передаточные числа главной передачи i₀ и коробки передач i_к, радиуса качения колеса r_к, к. п. д. трансмиссии η_tp, веса автомобиля G_a, фактора обтекаемости автомобиля kF.

К эксплуатационным факторам относятся средняя техническая скорость V_а, вес перевозимого груза G_rp и суммарное сопротив­ление дороги ψ.

Индикаторный коэффициент полезного действия двигателя (отношение теплоты, преобразованной в механическую работу цикла, ко всей теплоте, внесенной в двигатель с топливом), характеризующий экономичность двигателя, зависит от степени сжатия двигателя, коэффициента избытка воздуха α, быстро­ходности двигателя и развиваемой мощности. Для карбюратор­ных двигателей к. п. д. индикаторный равен 0,20 — 0,35, для быстроходных дизельных — 0,40 — 0,50, для газовых — 0,28 — 033. С достаточной точностью можно принять, что к. п. д. индика­торный изменяется пропорционально коэффициенту избытка воздуха (для карбюраторных двигателей при α = 0,7 — 1,15, для дизельных при α = 1 — 2).

Для карбюраторных двигателей значение η_i с достаточной точностью определяется по формуле В. Ю. Гиттиса:

,

где α — коэффициент избытка воздуха; β — степень сжатия в дви­гателе; n_дв —обороты двигателя.

При повышении значения α от 0,6 до 1,15,(β = 6,5, n_дв = 2000 мин⁻¹) η_i изменяется от 0,20 до 0,34. При изменении β от 6 до 9 (при α = 1,15, n_дв = 2000 мин^-1) индикаторный к.п.д. увеличи­вается от 0,32 до 0,39. Если α = 1,15 и β = 6,5, η_i при увеличе­нии оборотов от 1000 до 3000 мин^-1 возрастает от 0,32 до 0,36. Практически на рабочих режимах в легковых автомобилях, име­ющих высокую степень сжатия (8,2 — 8,8), η_i изменяется в пре­делах 0,34 — 0,37. В грузовых автомобилях со степенью сжатия 6,5 — 6,7 η_i изменяется в пределах 0,32—0,34. К.п.д. индикаторный входит в знаменатель уравнения, поэтому при его уменьшении расход топлива возрастает. В случае увеличения, наоборот — снижается. В карбюраторных двигателях он повышается при возрастании массы перевозимого груза, увеличении скорости дви­жения и суммарного сопротивления дороги. В дизельных двига­телях, наоборот, η_i увеличивается, если нагрузка уменьшается. Это положительный фактор, повышающий эксплуатационную эко­номичность дизеля на частичных нагрузках.

При малых нагрузках и низких скоростях к.п.д. η_i колеб­лется в пределах 0,25 — 0,28, на средних и больших нагрузках он увеличивается на 20—25%. Таким образом, к.п.д. индика­торный существенно влияет на топливную экономичность авто­мобилей, поэтому в процессе эксплуатации необходимо стре­миться к повышению мощности двигателя увеличением грузо­подъемности и скорости движения автомобиля, добиваться та­кой регулировки карбюратора, чтобы двигатель работал на объединенных рабочих смесях.

К.п.д. индикаторный изменяется с колебаниями температу­ры окружающего воздуха. При снижении температуры возра­стают потери тепла и нарушается нормальный тепловой режим работы двигателя. Эти изменения необходимо учитывать при эксплуатационных расчетах расхода топлива. В условиях очень низких температур по сравнению с нормальными значение η_i снижается примерно на 10 — 20%.

Эксплуатационные качества топлива определяются его теп­лотой сгорания Н_u и плотностью ρ. Теплота сгорания изме­няется в незначительных пределах (примерно 44000 кДж/кг для бензинов и 42000 кДж/кг для дизельных топлив). Плот­ность топлива в зависимости от температуры окружающего воздуха изменяется по формуле

где ρ₂₀ — плотность топлива при 20 °С; t — температура окружающего воздуха (при отрицательной температуре принимается знак плюс, при положительной — минус).

В случае понижения температуры воздуха плотность топ­лива возрастает и расход его несколько снижается. Темпера­тура воздуха двояко влияет на расход топлива: с одной сторо­ны, при понижении температуры расход его уменьшается вслед­ствие некоторого увеличения ρ, с другой — в этих же условиях возрастают потери тепла в окружающую среду и в конечном итоге уменьшается к.п.д. индикаторный. Поскольку влияние последнего значительнее, чем плотности топлива, в результате снижения температуры воздуха эксплуатационный расход топ­лива увеличивается по сравнению с расходом топлива при нор­мальных температурных условиях.

Конструктивные параметры двигателя — рабочий объем цилиндров V_h и ход поршня S_П — входят в первое и второе сла­гаемые уравнения расхода топлива в первой степени. Значение рабочего объема цилиндров входит в первое и второе слагае­мое, поэтому расход топлива зависит от него в большей мере, чем от хода поршня.

На расход топлива заметно влияют передаточные числа глав­ной передачи i₀ и коробки передач i _K. С их увеличением возра­стают обороты двигателя и повышаются потери на трение внут­ри двигателя. Передаточные числа в первой степени входят в первое слагаемое и в квадрате — во второе. Передаточное число главной передачи постоянно для данного автомобиля.

Поэтому на расход топлива существенно влияет передаточное число коробки передач. Подставив численные значения пара­метров ЗИЛ-130 в исходное выражение и приняв η_i ≈ 0,33, урав­нение расхода топлива с учетом i_K запишем так:

(33)

Расход топлива на прямой (пятой) передаче при G_aψ = 1000Н (например, для порожнего автомобиля на асфальтобетоне) составляет 24 л/100 км, на третьей — 50 л/100 км, т. е. увели­чивается более чем в два раза. Если G_aψ = 3000 Н, например, для груженого автомобиля на грунтовой дороге, можно двигаться на третьей, второй и первой передачах. При этом расход топ­лива возрастает с 40 до 120 л/120 км, т. е. в три раза. Таким образом, правильный выбор передаточного числа при движении автомобилей в разных дорожных условиях значительно эконо­мит топливо. Наблюдения показывают, что в случае длитель­ного движения на промежуточных передачах расход топлива возрастает на 20 — 25%, моторного масла — на 40 — 60%.

При эксплуатации автомобилей передачи необходимо выби­рать так, чтобы передаточные числа были минимальные по усилию и скорости. Правильный выбор и включение повышен­ных передач позволяют снизить расход топлива, уменьшить износ двигателей и увеличить их долговечность.

Расход топлива существенно зависит также от радиуса каче­ния r_к, который входит в знаменатели первого и второго сла­гаемых уравнения в первой и второй степени. С уменьшением радиуса колеса на 15% (вследствие износа протектора и умень­шения давления воздуха) расход топлива увеличивается на 10%. При уменьшении давления воздуха почти в два раза увеличива­ется коэффициент сопротивления качения, поэтому в общем расход топлива возрастает примерно на 45%.

К.п. д. трансмиссии зависит от технического состояния агре­гатов силовой передачи. Для разных автомобилей он в среднем изменяется от 0,85 до 0,90. В зависимости от технического состояния автомобиля к. п. д. трансмиссии может колебаться в пределах ±10%, при этом расход топлива может увеличиться или уменьшиться примерно на 8 %.

В случае движения автомобиля с высокой скоростью зна­чительная часть энергии затрачивается на преодоление сопро­тивления воздушной среды. Слагаемое уравнения расхода топ­лива, учитывающее затраты энергии на преодоление воздушно­го сопротивления, запишем так:

Коэффициент k в последнем выражении равен ρ_в С_x, где ρ_в —
массовая плотность воздуха при разных температурах; С_х — без­
размерный коэффициент аэродинамического (лобового) сопротивле­ния.

Плотность воздуха в зависимости от температуры и давления воздуха определяется по формуле ρ_в = ρ₀Т₀Р/(273 + t)P₀, где ρ₀ = 1,22 Н с²/м⁴, Т₀ = 288 К, P₀ = 1013 гПа.

Подставив значения k в выражение для Q_B, получим

Согласно последнему выражению расход топлива возрастает с увеличением атмосферного давления Р, коэффициента аэроди­намического (лобового) сопротивления С_х, лобовой площади авто­мобиля F, скорости движения автомобиля V_a и с уменьшением произведения η_iH_uρη_тр и температуры воздуха t.

При изменении атмосферного давления воздуха в пределах 985 — 1040 гПа расход топлива изменяется на ±3%. Коэффи­циент аэродинамического сопротивления С_х в зависимости от формы и силуэта кузова изменяется от 0,3 до 0,8; для грузовых автомобилей и автобусов — в пределах 0,6 — 0,8; для бортовых с кабиной за двигателем — 0,60 — 0,62; для бортовых с кабиной над двигателем — 0,66 — 0,68; для седельных автопоездов с полу­прицепами и автобусов — 0,72 — 0,76. Улучшение аэродинамиче­ских качеств автомобиля — значительный резерв снижения рас­хода топлива. Так, при снижении С_х для легковых автомобилей от 0,5 — до 0,3 расход топлива уменьшается на 15%. Лобовая площадь F определяется умножением ширины колеи автомобиля на его высоту.

На расход топлива, как видно из последнего уравнения вли­яет температура воздуха. При снижении температуры плотность воздуха увеличивается, поэтому сопротивление воздуха возра­стает. Зимой, например, при t = — 40 °С сопротивление воздуха на 25 % больше, чем при нормальной температуре. Летом при t = 40 °С она на 8 % ниже. Кроме того, в условиях низкой тем­пературы снижается к.п.д. двигателя и расход топлива также возрастает.

Значительное влияние на расход топлива оказывает ско­рость движения автомобиля. Для ЗИЛ-130, например, при уве­личении скорости от 30 до 70 км/ч расход топлива, затрачива­емый на преодоление сопротивления воздуха возрастает с 2,4 до 13,2 л/км, т. е. в 5,5 раза. При скоростях движения менее 30—35 км/ч расход топлива Q_B незначителен и им можно пре­небречь.

В процессе эксплуатации автомобилей необходимо стре­миться к уменьшению аэродинамического сопротивления возду­ха С_х и лобовой площади автомобиля F. При работе седельных автопоездов с высокими скоростями (более 60 — 65 км/ч) целе­сообразна установка над кабиной автомобиля специальных обтекателей (дефлекторов). Установка багажника на легковом автомобиле может повысить расход топлива на 20 — 30%. Для автомобиля с прицепами необходимо учитывать увеличение сопротивления воздуха на каждый прицеп. С достаточной точ­ностью можно принять, что каждый прицеп увеличивает сопро­тивление на 20 %. Тогда в последнюю формулу следует ввести множитель (1 + 0,2 n_пр), учитывающий количество прицепов n_пр.

При эксплуатационных расчетах следует принимать такие факторы обтекаемости автомобилей: ЗИЛ-130 — 3,2; МАЗ и КамАЗ — 4,4; легковые автомобили — 1 — 1,5.

В нормальных атмосферных условиях (Р = 1013 гПа, t = 15°С) для одиночного автомобиля

Значительное влияние на общий расход топлива оказывает скорость движения автомобиля. Между расходом топлива и ско­ростью существует довольно сложная зависимость. При возра­стании скорости увеличивается выражение, стоящее в квадрат­ных скобках уравнения (32). Первые два слагаемых отража­ют расход энергии, затрачиваемой на трение внутри двигателя, третье на перемещение груза G_a по дороге с коэффициентом сопротивления качению ψ, четвертое — на преодоление сопро­тивления воздуха.

Знаменатель уравнения (к.п.д. индикаторный) уменьшает­ся при малых скоростях и нагрузках и увеличивается при боль­ших скоростях и высоких нагрузках. Уменьшение к.п.д. инди­каторного увеличивает расход топлива. Поэтому для автомоби­лей с карбюраторными двигателями кривые расхода топлива на прямой передаче изменяются так, что при скоростях 40 — 60 км/ч для грузовых автомобилей и 60 — 80 км/ч для легковых наблюдается минимальный расход топлива. В дизельных авто­мобилях с увеличением скорости расход топлива плавно воз­растает. Таким образом, при рациональном выборе скоростей движения можно добиться значительной экономии топлива.

Расход топлива также значительно зависит от веса автомо­биля и суммарного дорожного сопротивления. Влияние этих двух очень важных эксплуатационных параметров удобно оце­нивать произведением G_aψ. Практически между расходом топ­лива и произведением G_aψ наблюдается линейная зависимость. Это объясняется тем, что при средних и больших нагрузках к.п.д. индикаторный изменяется в небольших пределах. Для ЗИЛ-130 с увеличением G_aψ от 1000 до 5000 Н расход топли­ва при разных скоростях увеличивается более чем в два раза. Поэтому, нормируя расход топлива, необходимо учитывать мас­су перевозимого груза и дорожные условия.

Правильное нормирование расхода топлива автомобилей и совершенствование методики нормирования — один из резер­вов экономии топлива. Поэтому разработка и совершенствова­ние теории нормирования имеет важное значение. Рассмотрим некоторые теоретические вопросы нормирования расхода топ­лива.

На автомобильном транспорте действует два вида норм рас­хода топлива — линейные (индивидуальные) и групповые (удель­ные). Индивидуальное нормирование осуществляется по фор­муле

(34)

где Н — линейная норма, л; Н₀ — основная норма, л/100 км; l _сс — среднесуточный пробег, км; Н_д—дополнительная норма, л/100 ткм; W — транспортная работа, ткм; К_д, К_т — коэффициенты, учиты­вающие дорожные условия и температуру воздуха.

Основные нормы установлены для порожних автомобилей, работающих в средних условиях. Эти нормы снижаются до 15 % при работе автомобилей на внегородских дорогах с усо­вершенствованными покрытиями, повышаются до 10 % при работе на дорогах в горных местностях (свыше 1500 м над уровнем моря), на дорогах со сложным планом, при перевозке грузов, требующих пониженных скоростей движения и при частых остановках, при постоянной работе автомобилей в ка­честве технологического транспорта. До 20% увеличиваются основные нормы при работе автомобилей в карьерах, в тяже­лых дорожных условиях, при движении по полю. Для тяжелых дорожных условий в период сезонной распутицы и снежных заносов, как исключение, норма повышается до 35 % на срок не более одного месяца.

Дополнительные нормы установлены в размере 2 л на каж­дые 100 тонн-километров для бензиновых автомобилей и 1,3 л для дизельных автомобилей.

В зимнее время (при установившейся средней температуре ниже 0 °С) нормы повышаются до 5 % в южных районах, до 10 % — в районах с умеренным климатом, до 15 % — в северных районах и до 20 % в районах Крайнего Севера.

Индивидуальные нормы расхода топлива составлены с уче­том различных весовых состояний автомобилей: грузовых авто­мобилей и автопоездов (сдельные) — без учета нагрузки, авто­самосвалов и городских автобусов — 50 % полезной нагрузки, междугородных автобусов — 100°/₀ нагрузки. Для легковых автомобилей учитываются масса водителя, одного пассажира 'и полная нагрузка в багажнике.

Удельные нормы расхода бензина и дизельного топлива рас­считываются для грузовых (сдельные, арендовые) автомобилей, автобусов и легковых таксомоторов. По удельному расходу топлива можно достаточно глубоко анализировать организацию транспортного процесса и выбирать наиболее экономичный тип "подвижного состава. Рассмотрим основные зависимости, рекомёндуёмые для расчета удельного расхода топлива в граммах на тонно−километр.

Для грузовых (сдельных) автомобилей

где q — грузоподъемность автомобиля, т; γ, β — соответственно коэффициент использования грузоподъемности и пробега автомо­биля.

Для автомобильных поездов

Здесь G_пр — собственный вес прицепа (полуприцепа), т; q — общая грузоподъемность автомобиля и прицепа, т.

Для автомобилей-самосвалов

(Z_e — число ездок автомобиля самосвала с грузом; 0,25 — надбавка за каждую ездку самосвала, л).

При почасовой оплате работы грузовых автомобилей Q_г = 0,1К_тН_0n/qγβ (Н_оп — норма расхода топлива при почасовом учете работы, л/100 км).

Для автомобилей-такси удельная норма расхода топлива (в грам­мах на 100 пассажиро-километров) определяется по формуле

где Н — норма расхода топлива, л/100 км; q_т — число мест в такси; γ _t — коэффициент наполнения такси; β — коэффициент платного пробега.

Удельный расход топлива на один платный километр (в грам­мах на платный километр) Q_т = 10ρK_T(H/β) (39). При расчете удельных норм для всего автопредприятия следует принимать средневзвешенные линейные нормы расхода с учетом плановых коэффициентов использования грузоподъемности и пробегов.

Основной резерв снижения удельных норм — увеличение грузоподъемности автомобилей и коэффициентов использова­ния грузоподъемности и пробега. Практически повышение коэф­фициентов γ на 1% снижает удельный расход топлива на 1,3 — 1,5 г/ткм. Сокращение только порожних пробегов в мас­штабе страны на 1% позволит сэкономить около 1 млн. т топлива. При повышении грузоподъемности грузовых автомо­билей от 0,75 до 7,5 т удельные нормы для бензиновых авто­мобилей изменяются в пределах 95 — 340 г/ткм, для дизельных при изменении грузоподъемности от 7 до 12 т эти нормы умень­шаются до 55 — 65 г/ткм.

По действующей методике нормы не учитывают изменение фактических скоростей движения автомобилей, приближенно учитывают дорожные, транспортные и климатические условия.

Поэтому действующие нормы расхода топлива требуют даль­нейшего совершенствования на основе более глубоких теорети­ческих исследований, установления единой классификации усло­вий эксплуатации автомобилей и разработки механизирован­ных методов учета условий их работы.

Более точные расчетные уравнения для определения основной (Н₀ л/100 км) и дополнительной (Н_д л/100 ткм) норм можно получить из уравнения (32). Основную норму (в литрах на 100 км) определим из выражения

(G₀ — вес порожнего автомобиля, Н). Дополнительная норма для карбюраторных двигателей равна 100ψ, а для дизельных — 65ψ. При нормировании η_i для карбюраторных двигателей можно при­нять 0,32 — 0,34, а для дизельных — 0,47 — 0,50.

Средневзвешенное передаточное число i_K и среднее суммарное сопротивление дороги ψ выразим через скорость автомобиля. С достаточной точностью для грузовых автомобилей можно принять

С учетом последних зависимостей определим основную норму расхода топлива для порожнего автомобиля: Н₀ ≈ k₁/V_a + k₂V²_a, где k₁, k₂ — постоянные для данного автомобиля коэффициенты.

Дополнительную норму за перевозку 1 т груза на расстояние 100 км для карбюраторных автомобилей рассчитаем по формуле H_д ≈ 100ψ ≈ V_max/V_a; для дизельных Н_д ≈ 65ψ ≈ 0,65V_max/F_a. Для автомобиля, например ЗИЛ-130, основная норма Н₀ =800/V_а + 0,0026V²_a, а дополнительная Н_д = 90/V_а. Полученные уравнения учитывают скорость движения автомобиля, а следовательно, дорож­ные и транспортные условия эксплуатации.

В табл. 23 приведены результаты расчетов основной и допол­нительных норм для автомобиля ЗИЛ-130. Расчетные (средние) значения суммарного сопротивления дороги и скоростей движе­ния взяты из приведенной классификации условий работы авто­мобилей.

Таблица 23

Группа условий эксплуатации	Расчетное значение ψ	Расчетное значение Va	Основная норма H0, л/100 км	Дополнительная норма Hд, л/100 ткм
	0,017 0,023 0,029 0,035 0,041	53,5 39,0 31,0 25,0 22,0	22,4 24,4 28,2 33,6 37,5	1,7 2,3 2,9 3,6 4,1

В процессе эксплуатации основную норму можно снизить за счет умелого управления автомобилем и правильного выбора передач, поддержания в разумных пределах высокой средней скорости движения автомобиля, выбора маршрутов движения с меньшими суммарными сопротивлениями дороги, поддержа­ния автомобилей в технически исправном состоянии и т. д.

Дополнительная норма карбюраторных и дизельных авто­мобилей различна, так как зависит от к.п.д. индикаторного и эксплуатационных качеств топлива (Н_и, ρ). Дополнительная норма для дизельных автомобилей меньше, поскольку у них примерно в полтора раза выше к.п.д. индикаторный и не­сколько выше плотность топлива. Эти нормы могут быть замет­но снижены за счет уменьшения суммарного дорожного сопро­тивления, повышения к. п. д. индикаторного, тщательной регу­лировки систем питания и зажигания, улучшения технического состояния ходовой части автомобиля и применения топлив соответствующих марок.

Коэффициент Кт определим по формуле К_т = 1,045 ± 0,3·10⁻²t_в, где t_B — температура окружающего воздуха. При t_в = 0°С Кт =1,045.

В условиях t_B = — 50 °С коэффициент возрастает до 1,2. Пользо­ваться этой формулой следует при нулевой температуре воздуха и ниже. Применение дифференцированных по температуре окру­жающего воздуха надбавок даст возможность в зимнее время снизить норму расхода топлива в среднем на 4 — 6%.

В окончательном виде аналитическое уравнение нормирова­ния расхода топлива, учитывающее дорожные, транспортные и атмосферно-климатические условия эксплуатации грузовых автомобилей запишем в виде

(Н — норма расхода топлива, л). Практическое применение этого уравнения нормирования в автотранспортных предприя­тиях позволит повысить культуру нормирования расхода и существенно снизить расход топлива.

При успешном решении проблемы экономии горючесмазочных материалов косвенно решается и ряд других важнейших экономических и социальных проблем, прежде всего проблемы снижения себестоимости перевозок и загазованности воздуха от­работавшими газами автомобиля.

Бурное развитие автомобильного транспорта во всех стра­нах ведет к значительному загрязнению окружающей атмосфе­ры токсичными веществами отработавших газов. При сжига­нии одной тонны автомобильного топлива двигатели грузовых автомобилей выбрасывают в атмосферу до 600 — 800 кг окиси углерода. В течение года один грузовик выбрасывает около 10 — 12 т только окиси углерода. В крупных городах около 80 % углеводорода и 60 % окиси азота выделяется автомобиль­ными двигателями.

К токсичным компонентам относятся окись углерода (СО), окислы азота (NО_x), углеводороды (СН), альдегиды, сажа и бенз(а)пирен. Они составляют около 3 — 4% общего объема отработавших газов. Эти вещества отрицательно влияют на организм человека и окружающую среду. Так, под воздействи­ем окиси углерода эритроциты крови (красные кровяные шари­ки) утрачивают способность участвовать в газовом обмене. Наступает кислородное голодание и внутреннее удушье. Нор­ма содержания СО в воздухе 1 мг/м³.

Рис. 117. Содержание токсичных веществ в отработавших газах

карбюраторных (а) и дизельных (б, в) автомобилей: 7 — окись углерода, 2 — альдегиды и углеводороды, 3 — сажа, 4 — окислы азота

Окись и двуокись азота, попадая в дыхательные пути, обра­зует с водой соединения азотной и азотистых кислот, которые разрушающе действуют на легкие. Опасные заболевания на­ступают при концентрации окислов азота 0,01%. Норма содер­жания окислов азота 0,1 мг/м³ (в десять раз меньше, чем для СО).

Альдегиды (формальдегид, акролеин) вредно действует на нервную систему и органы дыхания человека. Сильное раздра­жение слизистых оболочек носа и глаз наступает при концен­трации 0,18%. Акролеин более ядовитый, уже при концентра­ции 0,002% он вызывает сильное раздражение слизистых обо­лочек.

Токсичными веществами являются углеводороды (этан, ме­тан, этилен, бензин, пропан, ацетилен). Допустимая средне­суточная концентрация паров бензина—1,5 мг/м³, т. е. всего в полтора раза выше концентрации СО. Сажа (С) засоряет дыхательные пути и является переносчиком канцерогенных веществ, главным образом бенз(а)пирена.

Состав отработавших газов в значительной мере зависит от режимов работы двигателя, его технического состояния, условий эксплуатации. Состав газов карбюраторных двигателей в основном определяется коэффициентом избытка возду­ха а. Из рис. 117 видно, что в области низких значений а (богатые смеси) вследствие недостатка кислорода для окисления топлива увеличивается количество окиси углерода (СО) и угле­водородов (СН), снижается эмиссия окислов азота NO_х. При α = 1,05 ÷ 1,11 содержание СО незначительно (десятые доли процента), невелико также количество СН (0,04%), но рез­ко возрастает содержание окислов азота. Если α > 1,1, вслед­ствие замедленного сгорания сильно обедненных смесей не-

Рис. 118. Номограмма для определения состава отработавших газов:

1, 2, 3 — 1 — G_аψ = 100, 2 — 400, j — 1000 Н

сколько повышается содержание углеводородов. Содержание окислов азота также снижается. Это объясняется тем, что при таком составе бензиновоздушной смеси резко падает темпера­тура цикла. Изменением α в пределах 0,8 — 1,2 нельзя добиться одновременного снижения концентрации всех токсичных ве­ществ. Это достигается при α > 1,5, но бензиновоздушная смесь в таком составе практически не воспламеняется. Если приме­нять специальные топлива (например, водород) с широкими пределами воспламенения и высокими скоростями сгорания бедных смесей, в отработавших газах содержание вредных компонентов будет очень мало. Например, добавка водорода в количестве 5 — 15% расхода бензина обеспечивает работу двигателя при α = 2. В этом случае снижается токсичность и повышается топливная экономичность.

В карбюраторных двигателях при работе на богатых смесях (холостой ход, малые нагрузки) основными токсичными компо­нентами являются окись углерода и углеводороды, на бедных смесях — окислы азота. В дизельных двигателях основные токсичные компоненты при разных оборотах и нагрузках — са­жа и окислы азота.

С помощью рис. 118 можно определить процентное содер­жание основных вредных компонентов отработавших газов при движении автомобиля с различными скоростями на дорогах с разными коэффициентами суммарного сопротивления каче­нию. Например, при малых нагрузках и скоростях довольно высокий процент содержания СО (8 —10%) и малое содер­жание окислов азота (1 мг/л). При больших нагрузках и высо­ких скоростях движения а увеличится до 1,15, поэтому содер­жание СО снизится до 0,5 %, но возрастет содержание угле­водородов до 5 — 6 мг/л и окислов азота до 20 мг/л.

Дата добавления: 2015-11-16