Chương 4 - Tính kinh tế nhiên liệu

Chương 4 - Tính kinh tế nhiên liệu (Phần 4 - Lý thuyết ô tô) - tài liệu đại học - cao đẳng - thư viện tri thức - kho tài liệu

Chương 4 - Tính kinh tế nhiên liệu 4.1 Các chỉ tiêu đánh giá tính kinh tế nhiên liệu Phương trình tiêu hao nhiên liệu

4.1.1 Các chỉ tiêu đánh giá

Tính kinh tế chung của ô tô được đánh giá bằng giá thành theo đơn vị số lượng và quãng đường vận chuyển: tấn – km hoặc một hành khách – km

Tổng giá thành chuyên chở của ô tô phụ thuộc vào: kết cấu của ô tô, tình trạng kỹ thuật của chúng, giá thành lượng nhiên liệu tiêu thụ, điều kiện đường sá, điều kiện khí hậu khi sử dụng ô

tô, tiền lương lao động… Ở đây ta chỉ khảo sát tính kinh tế nhiên liệu của ô tô

Trong quá trình vận chuyển hàng hóa, chi phí cho xăng dầu chiếm (10 ÷ 15) % tổng chi phí vận

chuyển; do vậy rất tốn kém Cần phải tìm các giải pháp giảm tiêu hao, không cho phép tốn phí

vô ích

Tính kinh tế nhiên liệu là tổng hợp các tính chất xác định lượng tiêu hao nhiên liệu khi vận chuyển hàng hóa hoặc hành khách trong các điều kiện sử dụng khác nhau

Tính kinh tế nhiên liệu được xác định chủ yếu bởi các chỉ tiêu của động cơ, như: lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ (kG/h); suất tiêu hao nhiên liệu (lượng nhiên liệu tiêu hao trong một

đơn vị thời gian) g e (g/ml.h)

Có thể sử dụng một số chỉ tiêu để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu sau:

- Mức tiêu hao nhiên liệu (Q s) cho 100km xe chạy;

Q s=Q 100(km)

Trong đó: Q s [l/100km]; Q[l]_lượng nhiên liệu tiêu hao cho quãng đường S d (km)

- Mức tiêu hao nhiên liệu cho một tấn – km

- Số km xe chạy ứng với mỗi gallon xăng (dầu) Đây là một chỉ tiêu sử dụng cách đánh giá ngược với các chỉ tiêu đã nêu trên, được các nước Tây Âu hay sử dụng

- Mức tiêu hao nhiên liệu q nl cho một tấn – km hoặc một hành khách – 100km

Nếu gọi q nl – mức tiêu hao nhiên liệu đơn vị trên một đơn vị hàng hóa, thì:

q nl=Q ρ nl

G t S d[tan km kG hoặc

kG

Trong đó: G t _khối lượng hang hóa chuyên chở (t); S d _quãng đường xe đi được (km); Q(l); ρ nl

_khối lượng riêng của nhiên liệu (kg /l)hoặc N s2/m3

4.1.2 Phương trình tiêu hao nhiên liệu

Khi ô tô chuyển động, tính kinh tế nhiên liệu của nó phụ thuộc vào tính kinh tế nhiên liệu của động cơ đặt trên nó và tiêu hao công suất để khắc phục các lực cản chuyển động Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thử, ta xác định được lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian và

công suất động cơ N e

Mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian được xác định theo biểu thức:

G t=Q ρ nl

Trong đó: Q l ; ρ nl(kg /l) hoặc Ns2/m3

; t (h )_ thời gian làm việc của động cơ.

Để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của động cơ ta sử dụng suất tiêu hao nhiên liệu:

g e=G t

N e=

Q ρ nl

N e t [kg /kW h] (4-4)

Trong đó: N e_công suất có ích của động cơ (kW)

Thông qua thí nghiệm động cơ và tính toán ta xây dựng được đồ thị mối quan hệ giữa N e và

g e theo số vòng quay của trục khuỷu động cơ: N e=f (n e) và g e=f(n e) Đồ thị cũng có tên: đặc

tính ngoài của động cơ (hình 4-1)

Từ (4-1) và (4-4) ⟹ biểu thức xác định mức tiêu hao nhiên liệu Q s:

Q s=100 g e N e t

S d ρ nl =

100 N e

Với: v= S d

t – vận tốc chuyển động của ô tô, [km/h].

Mặt khác, từ phương trình cân bằng công suất động cơ ta có:

N e=(P ψ+P ω ± P j) v

Trong đó:

v – vận tốc chuyển động của ô tô, [m/s];

P ψ ; P ω ; P j – các lực cản chuyển động của ô tô, [N].

Như vậy, mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ phụ thuộc g e và công suất tiêu hao để khắc

phục các lực cản chuyển động P ψ ; P ω ; P j:

Q s=0,36 g e (P ψ+P ω ± P j)

Phương trình (4-7) ứng với khi ô tô chuyển động không ổn định Khi xe chuyển động ổn định

(P j=0) ta có:

Q s=0,36 g e(P ψ+P ω)

Nhận xét từ (4-7) và (4-8):

- Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ (Q s) giảm khi động cơ có g e giảm;

- Khi lực cản chuyển động tăng, Q s tăng;

- Khi ô tô có HTTL hoàn thiện (η tl lớn) sẽ giảm được Q s;

- Khi tăng tốc (P j ≠ 0)⟹ tăng mức tiêu hao nhiên liệu (Q s ↑).

4.2 Đặc tính kinh tế nhiên liệu của ô tô

4.2.1 Tính kinh tế nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định

Sử dụng phương trình (4-8) ta có thể xác định được mức tiêu hao nhiên liệu Q s của động cơ

Tuy nhiên, g e=f(n e , γ N) với γ N_hệ số sử dụng công suất động cơ Và không phải lúc nào ta cũng xác định được g e Vì vậy, để giải quyết vấn đề này, ta tiến hành xây dựng đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô

- Trước hết, dựa vào kết quả thí nghiệm động cơ trên bệ thử ta xây dựng đường đặc tính

tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo mức độ sử dụng công suất của động cơ g e=f(γ N)

tương ứng với các số vòng quay khác nhau của động cơ n ' e , n ' ' e , n ' ' ' e …với n ' e>n' ' e>ne ' ''

(hình 4-2);

Nhận xét từ đồ thị:

Mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ càng giảm khi mức độ sử dụng công suất động cơ càng lớn và số vòng quay của động cơ càng giảm

Vì vậy, khi mức độ sử dụng công suất động cơ như nhau (ví dụ, tại điểm (γ N 1)) thì KFv3

η tl suất tiêu hao nhiên liệu_g e ở vận tốc góc n ' ' ' e là nhỏ nhất (so với các điểm có vận tốc góc lớn hơn,

là n ' e , n ' ' e)

- Tiếp theo, xây dựng đồ thị cân bằng công suất của ô tô khi chuyển động trên các loại đường có hệ số cản (ψ i) để tìm mức độ sử dụng công suất (γ¿) của động cơ Ở đây, ta xây dựng đồ thị N e=f (v ) cho một tỷ số truyền của HTTL (hình 4-3);

- Căn cứ vào phương trình cân bằng công suất của ô tô khi chuyển động ổn định:

N e=N ψ+N ω

η tl =

N ψ

η tl +

N ω

η tl

Lập đường cong biểu thị công suất tiêu hao cho lực cản không khí, có kể đến tổn thất trong

hệ thống truyền lực

N=f (v )= N ω

η tl=

KVv3

η tl

Và đường cong công suất tiêu hao cho lực cản của đường ứng với các hệ số cản ψ i (có kể đến tổn thất trong HTTL)

N=f (v )= N ψ

η tl =

ψ G v

η tl (hình 4-3)

Căn cứ vào đồ thị ta có thể xác định được mức độ sử dụng công suất động cơ (γ N) ứng với

số vòng quay n e nào đó (tương ứng với vận tốc (v i) của ô tô) theo điều kiện của đường (ψ i).

Ví dụ: để ô tô có thể chuyển động được ở vận tốc v1 trên loại đường có hệ số cản ψ i thì cần

một công suất bằng tổng số số hai đoạn (a+ c ) Trong khi đó công suất N e ứng với v1 là đoạn

(a+ b) Từ đó ta xác định được hệ số sử dụng công suất γ N với

γ N=a+c

a+b hoặc γ1%=a+c

a+b.100 %

Cũng tương ứng với vận tốc (v1) và số truyền đã cho, ta xác định được số vòng quay tương

ứng (n e) của trục khuỷu động cơ:

n e=60 v i h

2 π r k (v / p)

Từ trị số của hệ số sử dụng công suất (γ1) và n e vừa tìm được, dựa vào đồ thị 4-2, ta xác định được g e có ích của động cơ

Tiếp tục tính toán để có các lực cản chuyển động P ψ , P ω ; thay các trị số g e , P ψ , P ω vào phương trình (4-8) sẽ suy ra được mức tiêu hao nhiên liệu, và từ đó xây dựng đường cong mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định (hình 4-4) Đồ thị này có tên: đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định

Đồ thị (hình 4-4) cho ta xác định được mức độ tiêu hao nhiên liệu (l/100 km) khi biết hệ số cản của đường ψ và vận tốc chuyển động v của ô tô.

Nhân xét từ đồ thị:

Trên mỗi đường cong đồ thị có hai điểm đặc trưng cơ bản:

- Điểm thứ nhất xác định mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất q nlmin ứng với loại đường ψ1;

vận tốc ô tô tại điểm đó gọi là vận tốc kinh tế, ký hiệu là v kt;

- Điểm thứ hai của đường cong (điểm mút cuối các đường cong) đặc trưng cho lượng tiêu hao nhiên liệu khi động cơ làm việc ở chế độ toàn tải (các điểm a,b,c), tương ứng với vận

tốc lớn nhất của ô tô v max ứng với các ψ i

Ngoài ra còn có điểm bất thường trên mỗi đường cong (d,e,f) nằm về phía phải của v kt và lồi lên trên, ứng với thời điểm bộ tiết kiệm nhiên liệu bắt đầu hoạt động, nhiên liệu được làm giàu thêm

Cần lưu ý rằng, khi ô tô chuyển động ở vận tốc kinh tế (v kt) thì sẽ đạt được mức tiêu hao

nhiên liệu nhỏ nhất (q nlmin) Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là ta mong muốn ô tô chuyển

động ở tốc độ đó vì khi tăng vận tốc chuyển động sẽ có khả năng tăng được năng suất vận chuyển và giảm giá thành chung trong vận tải ô tô Vì vậy, vận tốc chuyển động thích hợp không nhất thiết phải xuất phát từ vận tốc kinh tế (v kt), mà phải căn cứ vào các điều kiện

sau:

- Thời gian vận chuyển là ít nhất;

- Đảm bảo an toàn chuyển động trong điều kiện đã cho;

- Đảm bảo điều kiện thích nghi cho lái xe và hành khách

4.2.2 Tính kinh tế nhiên liệu khi ô tô chuyển động không ổn định

Trong thực tế sử dụng ô tô, tình trạng mặt đường luôn thay đổi do đó vận tốc của ô tô, chế

độ tải trọng của động cơ cũng luôn thay đổi Vì vậy, phần lớn thời gian hoạt động của ô tô là chuyển động không ổn định: khi thì tăng tốc, khi thì lăn trơn và khi thì phanh xe

Khi ô tô tăng tốc, tốc độ của ô tô được tăng lên làm tăng lực cản chuyển động (P j ≠ 0) dẫn

đến tăng mức tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, lúc đó lại sử dụng tôt nhất công suất động cơ

và do đó, giảm g e có ích Lượng tiêu hao nhiên liệu trong thời gian tăng tốc sẽ lớn hơn so với

khi ô tô chuyển động với vận tốc ổn định ( v=const ) vì ngoài phần nhiên liệu tiêu hao để

khắc phục các lực cản chuyển động, còn phải sử dụng thêm nhiên liệu để tăng tốc (tăng động năng của ô tô)

Nếu cho ô tô chuyển động đến vận tốc v1 rồi cho lăn trơn đến khi vận tốc giảm xuống là v2

thì phần động năng dùng để tăng tốc sẽ được trả lại ở giai đoạn lăn trơn này (khi lăn trơn, động cơ ở chế độ chạy không tải nên tiêu thụ rất ít nhiên liệu) Do vậy, mức tiêu thụ nhiên

liệu chung có thể giảm hơn so với khi ô tô chuyển động có v=const Quá trình ô tô chuyển

động tăng tốc – lăn trơn đó gọi là chu kỳ gia tốc – lăn trơn (hình 4-5) Chu kỳ được lặp đi lặp lại nhiều lần

a) Lượng nhiên liệu tiêu hao trong quá trình tăng tốc

Lượng tiêu hao nhiên liệu trong quá trình này được xác định theo biểu thức:

Q J=A jth g etb

Trong đó:

Q J – lượng nhiên liệu tiêu hao trong quá trình tăng tốc, [kg];

g etb – suất tiêu hao nhiên liệu trung bình của động cơ trong khoảng từ v1 đến v2, [kg/kWh];

A jth - tổng công tiêu tốn trong quá trình tăng tốc (có kể đến tổn thất năng lượng cho lực cản

trong HTTL):

A jth=A c+A đ

η tl

Trong đó:

A c – công tiêu tốn để khắc phục các lực cản khi ô tô tăng tốc, [Nm];

A c=(P ψ+P ω) S j

P ψ – lực cản tổng cộng của đường: P ψ=ψ G

P ω – lực cản không khí: P ω=KF v tb2

v tb – vận tốc trung bình của ô tô: v tb=v1+v2

2

A đ – công cần thiết để tăng động năng cho ô tô khi chuyển động tăng tốc, [Nm].

A đ= G

2 g(v12

−v22

)+1

2J b(ω2b1−ωb 22

) Trong đó:

J b – tổng momen quán tính của các bánh xe;

ω b 1 , ω b 2 – vận tốc góc của các bánh xe ứng với lúc cuối và lúc đầu tăng tốc (ứng với v1, v2).

b) Lượng nhiên liệu tiêu hao trong quá trình lăn trơn

Nếu trong thời gian 1 giờ, lượng tiêu hao nhiên liệu là G xx [kg] thì trong thời gian t l tr [s] nào

đó, lượng tiêu hao nhiên liệu khi lăn trơn sẽ là:

Q ltr=G xx t ltr

Thời gian lăn trơn (t ltr):

t ltr=v1−v2

Trong đó: j tb – gia tốc chậm dần trung bình khi ô tô lăn trơn, [m/s2]

j tb=[ψ+(P ψ+P xx)

G ] g

δ i [m/s2]

Ở đây:

P xx – lực ma sát trong HTTL khi động cơ làm việc ở chế độ không tải, quy dẫn về bánh xe chủ

động, N;

δ i – hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay khi ô tô lăn trơn.

Thay các giá trị t ltr ở (4-11) vào (4-10) ta được:

Q ltr=G xx(v1−v2)

Như vậy, tổng lượng tiêu hao nhiên liệu cho một chu kỳ gia tốc – lăn trơn sẽ là:

Q Σ=Qj+Qltr

Q Σ=Qj+Qltr=A jth g etb

36.105+G xx (v1−v2)

3600 j tb [kg] (4-13) Nếu xác định được quãng đường khi ô tô chuyển động tăng tốc S j và khi ô tô lăn trơn S ltr, ta

có thể tìm được mức tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị quãng đường:

Q stb= 100Q Σ

(S j+S ltr) ρ nl[100 km1 ] (4-14)

Cần lưu ý rằng, trong (4-14) chưa tính đến năng lượng tiêu hao để tăng tốc bánh đà và các

chi tiết khác của động cơ Vì vậy, sau khi xác định được Q stb ta cần bổ sung thêm vào đó một lượng nhiên liệu tiêu thụ nữa

4.3 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu đến tính kinh tế nhiên liệu của ô tô

1) Một trong các biện pháp cơ bản để tăng tính kinh tế nhiên liệu của ô tô là diesel hóa động

cơ ô tô (thay động cơ xăng bằng động cơ diesel)

Động cơ diesel có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với động cơ xăng vì có g emin thấp hơn;

đồng thời trị số của g e cũng ít bị thay đổi khi thay đổi hệ số sử dụng γ Thông thường, khi giảm γ từ 100% xuống còn 10%, g e ở động cơ xăng tăng gấp 3 lần, còn ở động cơ diesel chỉ tăng khoảng 30%

Khi thay thế động cơ xăng bằng động cơ diesel, mức tiêu hao nhiên liệu giảm từ (20 ÷ 30) %

ở xe du lịch và từ (30 ÷ 40) % với ô tô vận tải, xe khách Ưu điểm trên càng rõ rệt khi hệ số sử dụng công suất γ thay đổi trong khoảng rộng.

Với những ưu điểm như vậy, động cơ diesel ngày càng được sử dụng rộng rãi trên ô tô Tuy nhiên, ta cũng cần lưu ý rằng, trong sản phẩm dầu mỏ có xăng!

2) Tính kinh tế nhiên liệu của ô tô cũng được cải thiện một cách đáng kể khi thay hệ thống đánh lửa thường bằng hệ thống đánh lửa điện tử; khi lắp đặt các thiết bị tối ưu hóa việc điều chỉnh thành phần hỗn hợp, thời điểm đánh lửa và góc đánh lửa sớm; sử dụng hệ thống phun xăng trực tiếp;…

3) Khi sử dụng các loại động cơ xăng và diesel có tăng áp và làm mát dòng khí nạp, tính kinh

tế nhiên liệu cũng được cải thiện

4) Khi sử dụng loại động cơ có chế độ ngắt tạm thời một số xi lanh ở chế độ tải cục bộ, cũng

giảm được g e

Sử dụng các thiết bị nhằm giảm tổn hao công suất cho dẫn động các thiết bị phụ Thí dụ, sử

dụng cơ cấu tự ngắt quạt gió có thể giảm được (2 ÷3 )% mức tiêu hao nhiên liệu.

Bằng các biện pháp giảm tổn thất trong động cơ, có thể tiết kiệm được khoảng (4 ÷10 )%

lượng tiêu hao nhiên liệu

5) Công suất riêng của động cơ N γ cũng ảnh hưởng tới mức tiêu hao nhiên liệu Ở điều kiện

như nhau, N γ càng lớn thì hệ số sử dụng công suất γ càng nhỏ ⟹ g e càng cao

6) Sử dụng HTTL vô cấp cũng tăng được tính kinh tế nhiên liệu vì về nguyên tắc, bộ truyền vô cấp đảm bảo cho ô tô có tính kinh tế nhiên liệu tốt nhất ở bất cứ điều kiện sử dụng nào

7) Tỷ số truyền HTTL cũng ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu Khi N γ=const, hệ số sử dụng công suất γ, và do đó là g e cũng sẽ phụ thuộc vào tỷ số truyền HTTL Ta biết rằng, công suất cần thiết để cho xe chuyển động trên một loại đường (cho trước) với một vận tốc xác định không phụ thuộc vào tỷ số truyền của HTTL Do đó, mức tiêu hao nhiên liệu lớn là ở các

số truyền thấp

Ở bộ truyền có cấp, khi tăng số lượng số truyền cũng sẽ cho phép chọn lựa các tỷ số truyền thích hộp để nhận được hệ số sử dụng công suất gần với giá trị tối ưu Vì vậy, trên các ô tô vận tải cỡ lớn hiện nay, hộp số thường có tới 8, 10 số truyền Thậm chí trên một số ô tô còn

có tới 16 cấp số

4.4 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến tính kinh tế nhiên liệu của ô tô

4.4.1 Vận tốc chuyển động của ô tô

Từ đồ thị hình 4-4 ta thấy tại v kt, mức tiêu hao nhiên liệu là nhỏ nhất Với các vận tốc chuyển động động khác (v>v kt hoặc v< v kt), mức tiêu hao nhiên liệu luôn lớn.

Khi v< v kt , ô tô cần tiêu tốn năng lượng để tăng tốc Do đó, mức tiêu hao nhiên liệu Q s là lớn Tuy nhiên, ở vùng vận tốc thấp, lực cản không khí không lớn lắm, hầu như không ảnh

hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu Trong khi đó hệ số sử dụng công suất tăng lên, do đó g e

giảm và làm giảm Q s

Khi v> v kt , mức tiêu hao nhiên liệu Q s tăng là do tăng lực cản không khí

4.4.2 Trọng tải và hệ số sử dụng trọng tải

Hệ số sự dụng trọng tải (γ t) là tỷ số giữa khối lượng hàng chuyên chở thực tế M ch và khối lượng tải định mức M dm Với ô tô chở khách, sử dụng khái niệm sức chứa và mức độ sử dụng sức chứa

γ t=M ch

M dm

Để so sánh tính kinh tế nhiên liệu của ô tô có chất tải khác nhau và để đánh giá ảnh hưởng của mức độ sử dụng trọng tải đến tính kinh tế nhiên liệu ta sử dụng mức tiêu hao nhiên liệu

Q s /T (mức tiêu hao nhiên liệu tính bằng lít trên quãng đường chạy 100km, ứng với 1 tấn khối

lượng hang chuyên chở)

Với xe tải, khi chở một khối lượng hàng bằng (M dm γ t), mức tiêu hao nhiên liệu Q s /T được

xác định theo công thức:

Q s /T= Q s

M dm γ t=

36 g (P ψ+P ω ± P j)

ρ nl η nl M dm γ t

Khối lượng toàn bộ ô tô xác định theo công thức:

M=M dm γ t+M a+60 n

Trong đó: n_số lượng người ngồi trong buồng lái (kể cả lái xe).

Sau khi biến đổi:

Q s /T=

0,36 g e [ (1+η σ

γ t+

60

M γ t) (ψ g+δ j)+ P ω

M γ t]

ρ nl η nl

(4-15)

Trong đó: n σ= M a

M dm.

Nhận xét từ (4-15): tính kinh tế nhiên liệu tăng lên khi:

- Tăng M dm Khi tăng M dm sẽ làm giảm n σ ⟹Q s/ T giảm;

- Giảm tỷ số P ω/M dm.