3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu a topografia terenu
3.2. Energochłonność ruchu pojazdów w zmiennej topografii terenu
Rozpatrując układ napędowy pojazdu można, z pewnymi uproszczeniami, ustalić wymagania osiągania prędkości maksymalnej. W pierwszym przybliżeniu można usta-lić, że prędkość maksymalna jest osiągana wtedy, gdy moc oporów ruchu jest równa mocy na kołach pojazdu. Moc na kołach pojazdu jest mniejsza od mocy silnika z powo-du strat, które występują podczas jej przenoszenia od silnika do kół napędowych:
UN s
k N
N (3.6)
gdzie: Nk – moc na kołach, Ns – moc silnika, UN – sprawność układu napędowego (dla rozpatrywanych pojazdów przyjęto 0,9).
Dla pojazdu z silnikiem ZI charakterystykę zewnętrzną silnika przedstawiono na ry-sunku 3.12. Z jej przebiegu można wyznaczyć charakterystyczne punkty wykresu mocy silnika, który największą wartość (206 kW) osiąga przy prędkości obrotowej 6350 obr/min.
Rys. 3.12. Charakterystyka zewnętrzna silnika ZI o objętości 3,6 dm3 rozpatrywanego pojazdu Charakterystykę tą wykorzystano również przy określeniu maksymalnej mocy na ko-łach (linia kreskowana na rys. 3.13) i wyznaczeniu maksymalnej prędkości samochodu wynoszącej 220 km/h. Określona maksymalna prędkość pojazdu dla płaskiej drogi różni się od danych katalogowych o 5% (według katalogu prędkość maksymalna to 210 km/h). Natomiast dla pozostałych wartości pochylenia drogi wynoszącej 10%, 20%
i 30% wartości maksymalnej prędkości określono na rys. 3.14. Wyznaczają je punkty przecięcia charakterystyki mocy na kołach oraz wartości mocy oporów ruchu (sumy mocy oporu toczenia, mocy oporu wzniesienia oraz oporu powietrza).
206 kW
342 Nm
0 50 100 150 200 250
100 200 300 400 500 600
1000 3000 5000 7000
Ne [kW]
Mo[Nm]
n [obr/min]
Rys. 3.13. Wyznaczenie maksymalnej prędkości rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZI (ruch jednostajny po poziomej drodze)
Rys. 3.14. Wyznaczenie maksymalnej prędkości rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZI dla ruchu jednostajnego po drodze o wzniesieniu wynoszącym 10%, 20% i 30%
Na tej podstawie wyznaczono maksymalne wartości prędkości pojazdu podczas po-ruszania się na wzniesieniu o różnym kącie nachylenia drogi, które wynoszą:
– dla wzniesienia 10% – maksymalna prędkość wynosi 163 km/h, – dla wzniesienia 20% – maksymalna prędkość wynosi 99 km/h, – dla wzniesienia 30% – maksymalna prędkość wynosi 40 km/h.
Są to wartości teoretyczne bez uwzględniania przełożeń w skrzyni biegów i służą w pracy jedynie poglądowo do przedstawienia ważności zagadnienia poruszania się po-jazdu w zróżnicowanej topografii terenu.
Zdolność do przyspieszenia w terenie górskim można rozpatrywać jedynie w aspek-cie nadwyżki mocy:
N = Nk – (Nt + Nw + Np) (3.7)
1000 2000 3000 4000 5000 6000 V [km/h]
1000 2000 3000 4000 5000 6000 V [km/h]
3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu 34 Wyznaczone na rysunku 3.15 wartości nadwyżki mocy na kołach dla poszczegól-nych wartości pokonywanego wzniesienia mogą posłużyć do określenia maksymalnej mocy oporów bezwładności, a następnie do wyznaczenia maksymalnego przyspieszenia uzyskiwanego w wybranych warunkach drogowych (wartości wzniesienia). Dla warto-ści pochylenia drogi wynoszącej 0% maksymalna nadwyżka mocy wynosi 87 kW, na-tomiast dla wzniesienia 30% wartość ta wynosi jedynie 7 kW.
Rys. 3.15. Wartości nadwyżki mocy na kołach dla rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZI przy różnych wartościach pochylenia drogi
Rozpatrując wartości zmiany momentu obrotowego silnika przy tej samej prędkości obrotowej dla zmiany pochylenia drogi, np. z 0% do 10% powoduje zwiększenie warto-ści obciążenia od 27% do 40%, odpowiednio dla prędkowarto-ści obrotowej od 2000 obr/min do 5000 obr/min. Efektem takiego postępowania będzie również zwiększenie zużycia paliwa i natężenia emisji związków szkodliwych spalin.
Rys. 3.16. Wartości minimalnego momentu oporów na kołach skorygowane do wartości mo-mentu obrotowego silnika dla rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZI przy różnych wartościach
pochylenia drogi
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Mo/Momax[%]
Dla pojazdu z silnikiem ZS charakterystykę zewnętrzną przedstawiono na rysunku 3.17. Z jej przebiegu wyznaczono charakterystyczne punkty wykresu mocy silnika, któ-ry największą wartość (125 kW) osiąga przy prędkości obrotowej 4000 obr/min (któ-rys.
3.17).
Rys. 3.17. Charakterystyka zewnętrzna silnika ZS o objętości 2,0 dm3 rozpatrywanego pojazdu Podobnie jak poprzednio, charakterystykę tą wykorzystano przy określeniu maksy-malnej mocy na kołach (linia kreskowana na rys. 3.18) i wyznaczeniu maksymaksy-malnej prędkości samochodu wynoszącej 181 km/h. Określona maksymalna prędkość pojazdu dla płaskiej drogi pokrywa się z danymi katalogowymi (według katalogu prędkość mak-symalna to 180 km/h). Dla pozostałych wartości pochylenia drogi wynoszącej 10%, 20% i 30% wartości maksymalnej prędkości określono na rys. 3.19. Wyznaczają je punkty przecięcia charakterystyki mocy na kołach oraz wartości mocy oporów ruchu (sumy mocy oporu toczenia, mocy oporu wzniesienia oraz oporu powietrza).
Rys. 3.18. Wyznaczenie maksymalnej prędkości rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZS (ruch jednostajny po poziomej drodze)
350 Nm 125 kW
0 50 100 150
100 200 300 400
1000 2000 3000 4000 5000
Ne [kW]
Mo[Nm]
n [obr/min]
0 50 100 150 200
0 50 100 150 200 250
0 50 100 150 200 250
1000 2000 3000 4000 5000
V [km/h]
Nt+ Nw+ Np[kW]
n [obr/min]
Moc na kołach Moc silnika
Moc oporów ruchu A = 0%
ZS, 4 x 2 m = 2020 kg 113
181
3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu 36
Rys. 3.19. Wyznaczenie maksymalnej prędkości rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZS dla ruchu jednostajnego po drodze o wzniesieniu wynoszącym 10%, 20% i 30%
Na tej podstawie wyznaczono maksymalne wartości prędkości pojazdu podczas po-ruszania się na wzniesieniu o różnym kącie nachylenia drogi, które wynoszą:
– dla wzniesienia 10% – maksymalna prędkość wynosi 126 km/h, – dla wzniesienia 20% – maksymalna prędkość wynosi 68 km/h, – dla wzniesienia 30% – maksymalna prędkość wynosi 32 km/h.
Dla wartości pochylenia drogi wynoszącej 0% maksymalna nadwyżka mocy wynosi 62 kW, natomiast dla wzniesienia 30% wartość ta wynosi jedynie 18 kW (rys. 3.20).
Rys. 3.20. Wartości nadwyżki mocy na kołach dla rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZS przy różnych wartościach pochylenia drogi
Rozpatrując wartości zmiany momentu obrotowego silnika przy tej samej prędkości obrotowej dla zmiany pochylenia drogi, np. z 0% do 10% powoduje zwiększenie warto-ści obciążenia od 35% do 52%, odpowiednio dla prędkowarto-ści obrotowej od 1500 obr/min do 3000 obr/min (rys. 3.21). Zwraca uwagę znacznie mniejsze dostępne pole pracy sil-nika, niż pole pracy dla sinika ZI.
1000 2000 3000 4000 5000
V [km/h]
Rys. 3.21. Wartości minimalnego momentu oporów na kołach skorygowane do wartości mo-mentu obrotowego silnika dla rozpatrywanego pojazdu z silnikiem ZS przy różnych wartościach
pochylenia drogi
Przedstawione rozważana teoretyczne miały na celu oszacowanie wartości zmian ob-ciążenia silnika i na tej podstawie sprawdzenie, czy w warunkach eksploatacji pojazdu z różnym rodzajem silnika topografia terenu ma wpływ na wielkość zużycia paliwa i na-tężenie emisji (lub emisję drogową) związków szkodliwych spalin. Uzyskane wielkości świadczą o znaczącym wpływie wielkości wzniesienia na parametry pracy zespołu na-pędowego pojazdów. Znaczący wzrost obciążenia silnika (zarówno ZI, jak i ZS) zwięk-szy przebiegowe zużycie paliwa, co w konsekwencji negatywnie powinno wpłynąć na emisję drogową związków szkodliwych spalin. Autor ma świadomość, że przeprowa-dzona analiza teoretyczna zawiera uproszczenia w algorytmie obliczeniowym, ale za-mierzeniem było jakościowe oszacowanie wpływu pokonywania wzniesienia na zamia-nę parametrów pracy układu napędowego.
Dalsze postępowanie zostanie przeprowadzone na wspomnianych wcześniej pojaz-dach, w badaniach na hamowni podwoziowej i w rzeczywistych warunkach ruchu.
0 20 40 60 80 100
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Mo/Momax[%]
n [obr/min]
A = 0%
A = 10%
A = 20%
A = 30%
+35%
+42%
+47%
+52%
+34%
+42%