5. Влияние равномерности движения на расход топлива

Значительное влияние на расход топлива оказывает способ вождения автомобиля. Наиболее близким к оптимальному является движение с постоянной скоростью по горизонтальному участку шоссе, когда необходимо преодолевать только сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. Расход топлива при таком движении меньше, чем при движении по городу или дороге с переменным профилем с такой же средней скоростью.

Каждая остановка автомобиля и его новый разгон требуют значительной энергии. При остановке автомобиля его кинетическая энергия через торможение превращается в теплоту. При последующем разгоне автомобилю необходимо придать ускорение, чтобы достичь скорости, которую он имел до торможения. При этом ускорение нужно сообщить не только всей поступательно движущейся массе автомобиля, но и придать вращение маховику двигателя с кривошипным механизмом, всем шестерням в коробке передач и раздаточной коробке, карданным передачам, шестерням главной передачи и, наконец, всем колесам. Приведение всех этих масс к оси колес дает весьма значительные величины, в особенности на низких передачах.

У легкового автомобиля при первой передаче приведенные массы достигают 1,6-1,8 массы автомобиля, и даже на прямой передаче это значение все еще составляет 1,05-1,06. У грузовых автомобилей эти значения на низшей передаче доходят до 2,5-3. Поэтому, например, на первой передаче при использовании полной мощности двигателя грузовым автомобилем достигается меньшее ускорение, чем на второй.

Если принять во внимание, что при каждом переключении передачи необходимо уменьшать скорость вращения всех вращающихся масс двигателя, сцепления и части шестерен коробки передач, то следует задуматься над тем, каким способом можно устранить потери, возникающие при этом процессе.

При разгоне автомобиля его двигатель должен работать с наибольшей возможной мощностью в экономичной зоне характеристики, и его частота вращения не должна, по возможности, изменяться. Такой режим работы двигателя требует бесступенчатой коробки передач, о которой речь пойдет ниже. После разгона и перехода на постоянную скорость движения требуемая мощность двигателя снижается. И в этом случае двигатель также должен работать при минимально возможном расходе топлива. Это осуществимо при частоте вращения двигателя, меньшей той, при которой достигается максимальная мощность двигателя. Поэтому неэкономично эксплуатировать двигатель длительное время на оборотах максимальной мощности и использовать при этом только ее часть. Мощность потерь в двигателе при его постоянных оборотах изменяется незначительно, но ее доля в общей мощности с уменьшением нагрузки увеличивается, что вызывает ухудшение механического КПД. Этот КПД равен нулю при работе двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу. Зависимость механического КПД η_м от степени использования мощности двигателя N_e при постоянной частоте вращения показана на рис. 27.

Рис. 27. Влияние нагрузки двигателя на его механический КПД при постоянной частоте вращения

По этой причине при переходе на меньшую мощность целесообразно уменьшить обороты двигателя, включая более высокую ступень коробки передач (т. е. уменьшая передаточное отношение трансмиссии), и тем самым достичь одинаковой мощности, но при большей нагрузке двигателя и сниженном удельном расходе топлива. У современных бензиновых двигателей область наименьшего удельного расхода топлива находится в зоне частоты вращения, равной 50 % от максимальной и при почти полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора.

Характеристика мощности двигателя Ne в зависимости от его частоты вращения п приведена на рис. 28. Из общего поля удельных расходов топлива g можно выделить пунктирную кривую зависимости минимальных удельных расходов топлива от мощности двигателя. Вплоть до точки А эта кривая проходит ниже кривой максимальной мощности двигателя N_e. Это означает, что при снижении мощности двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, меньшей частоты вращения в точке А, удельный расход топлива снижается до значения, соответствующего пунктирной кривой, а потом вновь повышается. При мощности двигателя, большей, чем мощность в точке А, удельный расход топлива с ростом мощности только увеличивается. Для достижения минимального расхода топлива необходимо, чтобы при движении автомобиля двигатель постоянно работал в режиме, близком к тому, который обозначен пунктирной кривой.

Рис. 28. Области удельных расходов топлива на внешней характеристике двигателя: - - - - наибольшая мощность двигателя при минимальных удельных расходах топлива; g - кривые постоянных удельных расходов топлива

В какой степени можно выполнить это условие, видно из графика мощностного баланса, изображенного на рис. 29. На графике показано изменение мощности сопротивления движению по горизонтальному участку шоссе (N_f + N_v) и при подъеме с уклоном 2 и 5 % (штрихпунктирные линии). Сила, необходимая для преодоления подъема с уклоном 2 %, на горизонтальной дороге может придать автомобилю ускорение 0,1448 м/с², а с уклоном 5 % - соответственно 0,362 м/с². Сплошными кривыми показаны также зависимости максимальной мощности на колесах автомобиля от скорости его движения при различных (III, IV или V) включенных ступенях коробки передач. Здесь же пунктирной линией нанесены кривые максимальной мощности на колесах автомобиля при работе двигателя с минимальными удельными расходами топлива.

Рис. 29. Мощностной баланс легкового автомобиля: N_f - сопротивление качению; N_f + N_v - сопротивление движению по горизонтальному участку шоссе; - - - -. наибольшая мощность на колесах автомобиля на III, IV и V передачах при минимальных расходах топлива двигателем

Видно, что условиям достижения наименьшего удельного расхода топлива при движении с включенной IV передачей соответствует движение на подъеме с уклоном 4-5 %. При движении по горизонтальному участку шоссе со скоростью 90 км/ч двигатель использует лишь 45 % своей мощности с соответствующим высоким удельным расходом топлива. Для полноты картины пунктирной прямой в нижней части графика отдельно изображена только мощность сопротивления качению N_f.

Если коробка передач имеет V ступень с общим передаточным отношением трансмиссии 3 : 1 (число в скобках), то нагрузка двигателя при движении по горизонтальному шоссе со скоростью 90 км/ч составит 67 %, и показатели топливной экономичности улучшатся. Запаса мощности при этом хватит только на преодоление подъема с уклоном 1 %. Оптимальные условия достигаются при движении по горизонтальному шоссе на V ступени коробки передач со скоростью 107 км/ч и при отсутствии запаса мощности для преодоления подъема или разгона. На сплошных кривых частота вращения двигателя обозначена точками с цифрами, которые соответствуют числу тысяч оборотов в минуту.

В приведенном случае (v = 107 км/ч) двигатель работает при n = 3000 мин^-1. Максимально достигаемая скорость при движении по горизонтальному участку шоссе на IV передаче была бы 140 км/ч, а на V передаче - только 124 км/ч. Таким образом, выбор передаточных отношений трансмиссии связан с определенными трудностями.

Если бы высшая ступень коробки передач обеспечила приближение кривой мощности сопротивления движению к кривой мощности двигателя, оптимальной по удельному расходу топлива, то был бы достигнут минимальный расход топлива при движении по горизонтальному шоссе, но не осталось бы никакого запаса мощности для преодоления подъема или разгона. Автомобиль не мог бы быстро ускоряться и не обладал бы необходимой "эластичностью". При каждом изменении угла подъема или для дополнительного ускорения при обгоне надо было бы переходить на более низкую ступень в коробке передач.

Однако для обеспечения экономичного движения вне города такая высшая ступень коробки передач была бы выгодна. Неудобства частого переключения могла бы устранить автоматическая коробка передач, обеспечивающая при всех условиях оптимальную нагрузку двигателя при его хорошем механическом КПД.

Способ вождения также оказывает большое влияние на расход топлива. Водитель должен следить за тем, чтобы движение проходило с оптимально загруженным двигателем, т. е. при почти полностью нажатой педали управления дроссельной заслонкой карбюратора или топливным насосом. Когда достигается заданная (или желаемая) скорость, водитель не должен отпускать педаль, так как двигатель перейдет к работе с большим удельным расходом топлива. Поскольку продолжать ускорение дальше водитель не может (например, если он превысил допустимую правилами движения скорость), ему не остается ничего другого, как перевести коробку передач в нейтральное положение и далее двигаться по инерции. Такой режим приводит к необходимости постоянного чередования разгона и выбега (наката).

Описанный способ вождения "разгон - накат" давно известен и часто используется в соревнованиях на достижение минимального расхода топлива. Двигатель при этом постоянно работает в области, близкой к минимальному расходу топлива. При движении по инерции (накат) экономично вообще выключить двигатель, устраняя расход им топлива при холостом ходе, но при этом резко возрастает усилие на педаль тормоза с вакуумным усилителем.

Экономичное движение по горизонтальному шоссе заключалось бы в том, что нужно было бы разгонять автомобиль на V передаче при почти полной нагрузке двигателя до скорости 90 км/ч, затем выключить передачу в коробке, переведя двигатель в режим холостого хода или вообще выключив его, и двигаться по инерции до скорости 60 км/ч и даже ниже. Потом следовало бы снова, включив двигатель и передачу в коробке, разогнать автомобиль до скорости 90 км/ч. На рис. 29 такой режим изображен в виде замкнутого трапециевидного пунктирного контура в диапазоне скоростей 60-90 км/ч.

Такой режим, однако, тяжело реализовать на шоссе с интенсивным движением, так как нарушалось бы равномерное движение транспортного потока. Однако, если частое переключение передач и многократное повторение цикла "разгон - накат" приемлемо, то чередование 10-секундного разгона с 25-секундным накатом может обеспечить уменьшение расхода топлива на 2 л/100 км.

Такой способ вождения можно хорошо использовать на пересеченной местности с чередующимися подъемами и спусками. Значительно снижает расход топлива движение на длинных и пологих спусках с выключенным двигателем и ограничение торможений. Весьма поучителен график (рис. 30), на котором показаны четыре случая разгона автомобиля: при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора (100 %), при ее открытии на 75 %, при разрежении во впускном трубопроводе соответственно 53,3 и 74,7 кПа. На всех кривых зависимости скорости от пути разгона автомобиля можно найти точки, соответствующие моменту израсходования навесок топлива массой от 10 до 25 г.

Рис. 30. Зависимость скорости автомобиля υ в процессе разгона от пути S при разных способах разгона

При разгоне с открытой на 75 % дроссельной заслонкой автомобиль достиг скорости 65 км/ч, израсходовав 20 г топлива и проехав при этом 200 м. Затем последовало движение накатом, закончившееся торможением в конце испытательного участка общей длиной 800 м.

Когда автомобиль разгоняли при разрежении во впускном трубопроводе 53,3 кПа, то он достиг скорости 60 км/ч, израсходовав 22 г топлива и перейдя на движение по инерции приблизительно через 300 м. Разгоняя автомобиль при разрежении во впускном трубопроводе 74,7 кПа, достигли скорости 52 км/ч, израсходовав 27 г топлива. Во всех случаях был пройден путь 800 м, но при разгоне с частичной нагрузкой двигателя расход топлива был больше на 10-35 %, причем, чем меньше открыта дроссельная заслонка, тем больше возрастает расход топлива.

При движении в городе можно экономить топливо при разгоне с открытой на 3/4 дроссельной заслонкой, но лишь в диапазоне средних частот вращения двигателя и при скорости, достаточной для преодоления накатом расстояния до следующего перекрестка. При длительных остановках двигатель необходимо выключать. Такая манера вождения автомобиля является наиболее экономичной и позволяет сэкономить до 50 % топлива. О числе ступеней в коробке передач и их передаточных отношениях речь пойдет в следующих главах.

Торможение не должно всегда нести с собой потери энергии. Энергию, необходимую для уменьшения скорости движения автомобиля, можно аккумулировать и снова использовать при последующем начале движения. Особенно легко это обеспечить у электромобилей, так как при торможении приводные двигатели работают как генераторы, и вырабатываемая ими энергия используется для зарядки аккумуляторов. У троллейбусов и электровозов возникающие при торможении обратные токи направляются в питающую сеть. Применив электропривод у транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, можно было бы использовать накопление энергии в электрических аккумуляторах, однако такие схемы привода имеют большой вес и очень дороги.

В условиях движения по холмистой местности самым простым способом аккумулирования энергии является увеличение скорости автомобиля на спусках. При разгоне на спуске за счет инерции автомобиль может проехать затем накатом значительную часть следующего подъема. При этом потери энергии топлива практически не происходит. При включенной коробке передач аккумулирование энергии незначительно, так как потери на трение с увеличением частоты вращения быстро растут и на их преодоление уходит практически вся энергия, которую можно было бы аккумулировать.

Торможение двигателем по потерям энергии равнозначно обычному торможению. Различие состоит в том, что при таком способе торможения изнашиваются не тормозные накладки, а элементы двигателя и трансмиссии: цилиндры, поршни, валы, подшипники, зубчатые колеса. При торможении трением, т. е. переключением на низшую передачу в коробке, можно убедиться, как велики потери энергии в двигателе.