8 PERFORMANŢELE CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL Consumul de combustibil este o caracteristică economică a automobilului şi reprezintă cantitatea de combustibil consumată de motorul automobilului la parcurgerea unei distanţe date. Pentru autovehiculele existente determinarea parametrilor consumului de combustibil este reglementată în concordanţa cu normativele internaţionale prin STAS 6926/10- 76. In cazul autovehiculelor aflate în faza de proiectare aprecierea consumului de combustibil trebuie să aiba în vedere estimarea parametrilor cuprinşi în standardele de consum de combustibil. La autoturisme evaluarea conventională a consumului de combustibil se face după ciclul european ECE-ONU/342, Regulamentul 15 prin: - simularea unui parcurs urban; - efectuarea unui parcurs la doua viteze constante pe o şosea orizontala, asfaltată. Pentru celelalte autovehicule evaluarea consumului de combustibil se face prin: - consumul de combustibil de control la parcurgerea unui traseu rectiliniu orizontal de 110 km cu 3/4 din V max , având sarcina utilă de 50% din valoarea maximă; - consumul de combustibil mediu la parcurgerea unui traseu de 10 km cu pornire de pe loc şi demarare până la vitezele de: - 35…35 km/h la autobuze urbane şi autobasculante; - 55…75 km/h la autobuze interurbane şi turistice;
Transcript
8
PERFORMANŢELE CONSUMULUI DE COMBUSTIBIL
Consumul de combustibil este o caracteristică economică a automobilului şi reprezintă cantitatea de combustibil consumată de motorul automobilului la parcurgerea unei distanţe date.
Pentru autovehiculele existente determinarea parametrilor consumului de combustibil este reglementată în concordanţa cu normativele internaţionale prin STAS 6926/10-76.
In cazul autovehiculelor aflate în faza de proiectare aprecierea consumului de combustibil trebuie să aiba în vedere estimarea parametrilor cuprinşi în standardele de consum de combustibil.
La autoturisme evaluarea conventională a consumului de combustibil se face după ciclul european ECE-ONU/342, Regulamentul 15 prin:
- simularea unui parcurs urban;- efectuarea unui parcurs la doua viteze constante pe o şosea orizontala,
asfaltată.Pentru celelalte autovehicule evaluarea consumului de combustibil se face
prin:- consumul de combustibil de control la parcurgerea unui traseu rectiliniu
orizontal de 110 km cu 3/4 din Vmax, având sarcina utilă de 50% din valoarea maximă;
- consumul de combustibil mediu la parcurgerea unui traseu de 10 km cu pornire de pe loc şi demarare până la vitezele de:
- 35…35 km/h la autobuze urbane şi autobasculante;- 55…75 km/h la autobuze interurbane şi turistice;- 50…70 km/h la autocamioane solo;- 45…65 km/h la autocamioane cu semiremorci şi/sau cu
remorci.Rezultatele de evaluare a consumului de combustibil al autovehiculelor se
exprimă în litri/100 km.
In evaluarea analitică a consumului de combustibil al autovehiculelor se disting două metodologii de determinare, în funcţie de datele detinute şi anume:
a) când autovehiculul urmează a fi echipat cu un motor existent iar prin determinări experimentale pe standul motor sunt cunoscute caracteristicile consumului de combustibil;
b) când motorul ce urmează a echipa autovehiculul nu este existent fizic, sau nu se dispune de caracteristicile experimentale ale consumului de combustibil.
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
Deplasarea urbană presupune simularea ciclului de functionare descris in tabelul 8.1 şi ilustrat în figura 8.1.
Tabelul 8.1. Ciclul european ECE/324-Regulamentul 15
14322. Viteză constantă - 50 12 15523. Decelerare -0,52 50…35 8 16324. Viteză constantă - 35 13 17625. Schimbare treaptă viteză - - 2 III-II 17826. Decelerare -0,86 35…10 7 II 18527. Decelarea cu ambreiajul decuplat -0,92 10…2 3 TII 18828. Mers în gol - - 7 PM 195
Conform parcursului urban simulat, în parametrul de consum de combustibil sunt cuprinse :
a) deplasări cu viteză constantă;b) deplasări uniform accelerate;c) deplasări uniform decelerate;d) mers în gol.
* PM-cutia de viteze in punct mort;TI-cutia de viteze cuplată în I-a treaptă de viteză şi ambreiaj decuplat; TII-cutia de viteze cuplată în treapta a II-a de viteză şi ambreiaj decuplat;I,II,III – cutia de viteze este cuplată in I-a, a II-a sau a III-a treaptă şi ambreiajul cuplat
125
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
Fig 8.1. Fazele ciclului european ECE /324, regulamentul 15
8.1. Determinarea consumului de combustibil pentru autovehiculul ce urmează a fi echipat cu un motor la care sunt cunoscute caracteristicile consumului de combustibil
Pentru calculul în etapele a) şi b) se propune utilizarea graficului din fig. 8.2.
Fig. 8.2.. Evaluarea consumului de combustibil in faza de mers cu viteză constantă şi/sau accelerat
În cadranul II cu coordonatele p,V sunt curbele puterilor necesare la deplasarea cu viteză constantă (Pu1) şi cu viteză uniform accelerată (Pu2). Diferenţa
126
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
pe ordonată dintre cele două curbe corespunde puterii consumate pentru accelerare cu o anumită acceleraţia constantă (a). Aceste curbe se obţin cu relaţii analitice de calcul din bilanţul de putere:
(8.1)
(8.2)În cadranul I este reprezentată în coordonate (P-n) caracteristica complexă
a motorului. Caracteristica complexă este o caracteristică multiparametrică obţinută prin completarea caracteristicii de turaţie cu curbele izoconsumurilor specifice
de combustibil (Cei). Această caracteristică este obţinută experimental pentru motorul ce urmează a echipa autoturismul.
În cadranul IV sunt reprezentate un număr de drepte egal cu al treptelor din cutia de viteze, drepte date de ecuaţia :
(8.3)
cu k = 1...n -numărul de trepte de viteză; rr - raza de rulare a roţii; itk - raportul de
transmitere al transmisiei în treapta "k".Dreptele din cadranul IV fac trecerea de la abcisa "v" la abcisa "n".a) Determinarea consumului de combustibil la deplasarea cu viteză constantă ( V = ct.)Fie v1, viteza constantă de deplasare. Parcurgând sensul indicat de săgeţi
se determină în caracteristica puterilor puterea “P1” necesară autopropulsării iar în
caracteristica complexă consumul specific de combustibil (s-a considerat deplasarea în treapta a patra, deci schimbarea absciselor s-a făcut după dreapta it4.)
Cu valorile determinate se obţine un consum orar:
(8.4)
şi un consum în litri / 100km:
(8.5)
unde este greutatea specifică a combustibilului.După procedeul de mai sus se procedează pentru orice valoare constantă
a vitezei.b) Determinarea consumului de combustibil la deplasarea uniform accelerată.Se împarte abscisa v în "k" intervale echidistante de lăţime “v”. Se
cuprinde astfel regimul uniform accelerat sub forma :(8.6)
în şirul :
127
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
(8.7)
unde: vo este viteza iniţială; a - accelaraţia mişcării;t - timpul mişcării accelerate.
În fig. 8.2 parcurgând sensul indicat prin săgeti se determină pe curba Pu2
ordonata P2 şi prin punctul a2 consumul specific de combustibil (ce7) (s-a considerat demarajul în treapta a doua).
Conform valorilor P2 şi cef se calculează consumul orar de combustibil :
(8.8)
Se repetă procedeul pentru alte valori ale vitezei : (8.9)
şi se calculează parametrii Qh după relaţia (8.8).
Cu valorile obţinute se construieşte graficul din figura 8.3La sporirea vitezei de la v la v+v se consumă o cantitate de combustibil :
(8.10)unde t este timpul în ore de sporire a vitezei cu v.
Fig. 8.3.Caracteristica consumului orar al automobilului Qh=f(v).
Din expresia acceleraţiei relaţia (8.10) devine :
(8.11)
Din relaţia de mai sus rezultă că determinarea consumului de combustibil consumat la demarajul cu accceleraţia "a" se face integrând grafic sau numeric funcţia Qu = f(u), reprezentată în figura 8.3.
128
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
Combustibilul consumat în faza demarajului va fi :
(8.12)
Corespunzător sporirii vitezei în intervalul V0…Vn automobilul va parcurge
un spaţiu :
(8.13)
Raportul :
(8.14)
dă valoarea parametrului de consum la deplasarea automobilului cu viteză accelerată.
c) Determinarea consumului la deplasarea uniform deccelerată (mers în gol forţat)Metoda propusă se foloseşte pentru a determina dependenţele din graficul
cuprins în figura 8.4.În cadranul I este cuprinsă variaţia consumului de combustibil al motorului
la mersul în gol forţat (cu motorul decuplat de transmisie) funcţie de transmisie. O asemenea caracteristică se obţine experimental prin încercări de stand ale motorului. În cadranul II sunt construite dreptele iti de schimbare a ordonatei “v” în abcisa “n” funcţie de treapta cuplată în cutia de viteze.
Fig.8.4 Caracteristica consumului specific la mersîn gol forţat
129
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
Se împarte ordonata “v” în k intervale v echidistante. Din definirea deceleraţiei (d) :
, se obţine: v = d·t (8.15)
Pentru o valoare vi a vitezei după direcţia săgeţilor se obţine valoarea la
cgi a consumului specific la mers în gol forţat.
Rezultă după procedeul de mai sus că la decelerarea de la viteza iniţială vi la cea finală vf se consumă o cantitate de combustibil :
(8.16)
Raportând consumul Qf la spaţiul :
(8.17)
se obţine :
(8.18)
care dă valoarea parametrilor de consum la mers într-un regim de decelerare.d) Determinarea consumului de combustibil la mersul în gol liber.În condiţiile de autopropulsare sunt două situaţii de mers în gol a motorului:- deplasare prin inerţie cu motorul decuplat;- oprire de aşteptare cu motorul în funcţiune.Pentru mersul liber prin inerţie un timp de “t” secunde de la viteza vi până
la vf cu decelaraţia d se obţin mărimile:
(8.19)
În cazul opririlor de aşteptare un timp ta se obţine:
(8.20)
Pentru determinarea consumului de combustibil la parcursul urban care cuprinde secvenţele ciclului se calculează cu relaţia :
(8.21)unde : m - este numărul de viteze constante folosite ti ore;
Qh (rel. 8.4);
n - numărul valorilor de acceleraţii constante;
130
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
Qd (rel. 8.11); Sd (rel. 8.12);
o - numărul valorilor de deceleraţie constante pentru mersul în gol forţat; Qf (rel. 8,16); Sf (rel. 8.17);
p- numărul de deceleraţii constante pentru mersul în gol liber; Qe şi Se (rel. 8.19);
r - numărul valorilor de timp pentru opriri de aşteptare: Qa (rel. 8.20);
Deoarece regulamentele ECE, consideră în afara consumurilor din norme STAS şi consumul mediu echivalent definit pentru un parcurs de 100 km din care 50 km pe ciclul descris mai sus, 25 km cu viteza v=90 km/h, cu elementele determinate mai sus rezultă :
(8.22)
unde:c,Vi este spaţiul relativ de deplasare în condiţiile: c - ciclul urban; vi –viteze de valori constante (vi = constantă); ( = 1);
- consumul de combustibil pentru 100 km parcurşi pe
ciclul urban;
- consumul de combustibil pentru 100 km parcurşi cu
fiecare din vitezele Vi.
Exemplu de calculPentru un autoturism de clasă medie, rezultatele obţinute prin calcul cu
ajutorul calculatorului, pentru combustibilul consumat la parcurgerea ciclului sunt urmatoarele (procentele sunt din consumul total pe ciclu):
Consum pentru mersul în gol: 11.8 l/100km, (9.5%)Consum în accelerare : 43.5 l/100km, (34.9%)Consum la viteze constante: 48.3 l/100km, (38.8%)Consum în decelerare: 21.0 l/100km, (16.8%)
Consumul de combustibil pentru 100 km parcurşi pe ciclul urban:7,41 l/100km
Consumul mediu echivalent pentru 100 km: 7,83 l/100 km.
8.2. Determinarea consumului de combustibil pentru autovehiculul ce urmează a fi echipat cu un motor la care nu sunt cunoscute caracteristicile consumului de combustibil.
In cazul în care nu se cunosc caracteristicile de consum de combustibil ale motorului, evaluarea parformanţelor consumului de combustibil al autovehiculului se face prin calculul cantitătii de combustibil necesară efectuării parcursului de referinţă in condiţiile specifice standardele de consum de combustibil.
131
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
Conform principiului lui Carnot nu se poate transforma în energie utilă mai mult de 40% din energia consumată.
In practică la un motor cu aprindere prin scânteie se risipeşte 70…75% din energia combustibilului consumat (în oraş până la cca 85%), iar la un motor cu aprindere prin comprimare, având un randament mai ridicat, numai 60%. Aceasta înseamnă că din 10 litri de combustibil pot fi utilizaţi cel mult 3 litri la autovehiculele echipate cu MAS şi de cel mult 4 litri la autoturismele echipate cu MAC. Energia acestor 3 sau 4 litri de combustibili într-un bilanţ energetic este reprezentată astfel:
- imperfecţiunile motorului care face ca o parte din combustibil să treaca fară a se transforma, in gazele de evacuare;
- disiparea energiei sub formă de căldură transmisă prin chiulasă, colector, ţeavă de eşapament, bloc motor etc;
- frecări mecanice: piston-cilindru, bielă-arbore cotit, lagăre;- antrenare accesorii: pompe, ventilator, alternator etc;- efectul de pompaj al amestecului de admisie;- organele transmisiei: angrenajele cutiei de viteze, punţi motoare, jocuri în
arborii transmisiilor etc;- învingerea rezistenţei la rulare şi a rezistenţei aerului;- sporirea vitezei de deplasare a autovehiculului;- invingerea eventualelor pante ale drumului.
Regulamentul ECE, consideră consumul mediu echivalent pentru un parcurs de 100 km din care 50 km pe ciclul descris mai sus, 25 km cu viteza v=90 km/h.
Din expresia lucrului mecanic necesar efectuării parcursului de control de 100 km, obţinut prin arderea combustibilului, cantitatea de combustibil consumat,
exprimată in litri pentru 100 km ( ) este dată de relaţia:
(8.23)unde:
q [J/kg] este puterea calorifică a combustibilului cu valorile: benzina: q=46.106 j/kg;motorină: q=42.106 j/kg;
[kg/m3] – densitatea combustibilului, cu valoarile:benzina: =750 kg/m3;motorină: =780 kg/m3;
irandamentul indicat al motorului cu valorile:la funcţionarea pe caracteristica externă:
MAS: 0,25…0,33;MAC: 0,35…0,40
la funcţionarea pe caracteristici parţiale:MAS: 0,10…0,20;MAC: 0,15…0,30.
mrandamentul mecanic al motorului cu valorile:MAS: 0,70…0,85;MAC făra supraalimentare: 0,70…0,82MAC cu supraalimentare: 0,80…0,90
132
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
trrandamentul transmisiei automobilului, cu valoarea determinata in paragraful 5.1.Lciclu – lucru mecanic necesar parcurgerii ciclului ECE /324, regulamentul 15.Sciclu =1018 m – lungimea spaţiului parcurs de autovehicul la efectuarea unui ciclu.
- suma forţelor de rezistenţă la înaintare corespunzătoare
deplasării autovehiculului pe distanţa de 25 km cu viteza constanţa de 90 km/h;
- suma forţelor de rezistenţă la înaintare corespunzătoare
deplasării autovehiculului pe distanţa de 25 km cu viteza constanţa de 120 km/h.
Conform parcursului urban simulat, secvenţele ciclului descris cuprind deplasări cu viteză constantă, deplasări uniform accelerate, deplasări uniform decelerate şi mers în gol.
Din cele patru regimuri, semnificative pentru consumul de combustibil, sunt primele trei deoarece necesită un consum de energie pentru parcurgerea lor dat de relaţia:
(8.24) unde:
Lrul este lucrul mecanic consumat de rezistenţa la rulare;Laer – lucrul mecanic consumat de rezistenţa aerului;Ld – lucrul mecanic consumat de rezistenţa la demarare.
a. Lucrul mecanic al rezistentei la rulare,Expresia lucrului mecanic al rezistenţei la rulare este dat de realaţia:
(8.25)unde:
ma [kg] este masa totală a autovehiculului;g=9,81 [m/s2] – acceleraţia gravitaţionala;f0 – coeficientul rezistentei la rulare.Sciclu=1018 [m] - lungimea spaţiului parcurs de autovehicul la efectuarea unui ciclu.
Legat de coeficientul rezistentei la rulare, luând in considerare vitezele reduse de deplasare la parcurgerea secventelor din ciclul referit, valoarea adoptata a coeficientului rezistenţei la rulare va ţine seama de indicaţiile din paragraful 3.1.3.
Cu valorile f=f0, la parcurgerea ciclului definit mai sus, lucrul mecanic necesar învingerii rezistenţei la rulare este:
[J](8.26)
b. Lucrul mecanic al rezistenţei aerului,
133
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
Expresia lucrului mecanic al rezistenţei aerului este dată de relaţia:
(8.27)unde:
=1,22 [kg/m3] este densitatea aerului;cx – coeficientul de rezistenţă al aerului (paragraful 3.2.3.);A [m2] – aria secţiunii transversale maxime (paragraful 3.2.3.);vi [m/s] – viteza autovehiculului la parcurgerea unei secvente “i” a ciclului; sI [m] – spaţiul parcurs de autovehicul în secventa “i”.
In funcţie de regimul de deplasare al autovehiculului în diversele secventele ale ciclului - deplasări cu viteză constantă, deplasări uniform accelerate, deplasări uniform decelerate - expresiile lucrului mecanic consumat de rezistenţa aerului sunt prezentate în tabelul 8.1.
Tabelul 8.1. Expresii de calcul ale lucrului mecanic al rezistenţei aeruluiNr.crt.
SecvenţaAcceleraţia
[m/s2]Viteza [m/s] Durata
[s]Lucrul mecanic al rezistentei
aerului [J]initială finală
1. Accelerare a1 vi vf t 1
2.Viteză
constantă- vi=vf=v2 t 2
3. Decelerare a3 vi vf t 3unde:
4.Schimbare
treaptă viteză- vi=vf=vo t 0
Cu valorile de mai sus, la parcurgerea ciclului definit mai sus, lucrul mecanic necesar învingerii rezistenţei aerului este:
Laer= 93.500 [J] (8.28)
c. Lucrul mecanic al rezistenţei la demarare,Expresia lucrului mecani al rezistenţei la demarare este dată de relaţia:
(8.29)
unde:ma [kg] – masa totală a autovehicululuik – coeficientul de influenţă al maselor aflate în mişcare de rotaţie când este cuplată treapta ‘k’ de viteză (paragraful 3.4.);ai [m/s2] – acceleraţia autovehiculului in secventa “i” considerată; si [m] – spaţiul parcurs de autovehicul în secventa “i”.
134
DINAMICA AUTOVEHICULELOR – Indrumar de proiectare
In funcţie de regimul de deplasare al autovehiculului în diversele secventele ale ciclului, este necesar un consum de energie pentru învingerea rezistenţei aerului numai în regimul accelerării.
Lucrul mecanic de decelerare este pierdut prin frânare, astfel că el nu se regaseşte in bilantul consumului de combustibil al autovehiculului.
Corespunzător secvenţei din ciclu, expresiile lucrului mecanic consumat de rezistenţa la demarare sunt prezentate în tabelul 8.2.
Tabelul 8.2. Expresii de calcul ale lucrului mecanic al rezistenţei la demarare
Nr.crt.
SecvenţaAcceleraţi
a[m/s2]
Viteza [m/s]Durata
[s]Lucrul mecanic al rezistentei
aerului [J]initială finală
1.Accelerare de pe
loca1 0 vf t 1
2.Accelerare intre
două vitezea2 vi vf t 2
Cu valorile de mai sus, la parcurgerea ciclului definit mai sus, lucrul mecanic necesar învingerii rezistenţei la demarare este:
[J]
(8.30)Din dezvoltarile de mai sus, se obţine pentru lucrul mecanic necesar
parcurgerii ciclului ECE relaţia:
Lciclu= +3.500 +
(8.31)
8.2.1. Determinarea lucrului mecanic necesar deplasării cu viteze constante
Pentru determinarea consumului de control de combustibil Regulamentul ECE, consideră consumul mediu echivalent exprimat în litri pentru un parcurs de 100 km din care 25 km sunt parcurşi cu viteza constantă v=90 km/h şi 25 km sunt parcurşi cu viteza constantă v=120 km/h
Expresia lucrului mecanic necesar deplasării cu viteza constantă este:
[J] (8.32)
unde:
este suma rezistentelor la
înaintere corespunzătoare deplasării cu viteze constante vi;
135
Determinarea performanţelor consumului de combustibil
vi [m/s] este viteza constantă de deplasare (după caz
m/s şi respectiv m/s);
fi – coeficientul rezistenţei la rulare corespunzătoare vitezei constante de deplasare (vezi paragraful 3.1.3);Si= 25.103 m – parcursul cu viteza vi= constantă.
8.3. Exemplu de calcul
Tema de proiect: pentru un autoturism cu caroseria de tipul limizină care are viteza maximă , să se determine pentru parcursului de control
de 100 km, cantitatea de combustibil consumat, ( ).
Pentru autoturismul din tema de proiectare principalele mărimi de calcul sunt prezentate în tabelul 8.3.
Tabelul 8.3. Parametrii de calcul ai autoturismuluimo cx A tr f0 f90 f120 Tip motor i m
