94 CHƯƠNG 6 TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA Ô TÔ Mục tiêu: Sau khi học xong chương này các sinh viên có khả năng: 1. Nêu được các chỉ tiêu kinh tế nhiên liệu của ôtô. 2. Viết được phương trình tiêu hao nhiên liệu của ôtô. 3. Trình bày được đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định. 4. Trình bày được đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển không động ổn định. 95 6.1. CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA ÔTÔ: Tính kinh tế chung của ôtô 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 vận chuyển của ôtô phụ thuộc vào: kết cấu của ôtô, tình trạng kỹ thuật của chúng, giá thành lượng nhiên liệu tiêu thụ, điều kiện đường xá, điều kiện khí hậu khi sử dụng ôtô, tiền lương phải trả… Tính kinh tế nhiên liệu của ôtô được đánh giá bằng mức tiêu hao nhiên liệu trên quãng đường 100km hoặc mức tiêu hao nhiên liệu cho một tấn-km. Đối với ôtô khách được tính theo mức tiêu hao nhiên liệu trên một hành khách-km hoặc 100km. Mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị quãng đường chạy q d của ôtô được tính theo biểu thức: * d S 100Q q        km100 l (6.1) Trong đó: Q – Lượng tiêu hao nhiên liệu (l). S * – Quãng đường chạy được của ôtô (km). Mức tiêu hao nhiên liệu trên đơn vị quãng đường chạy tính theo công thức (6.1) không kể đến khối lượng hàng hố mà ôtô vận chuyển được mặc dù khi ôtô chuyên chở hàng hố thì lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ lớn hơn khi không có chuyên chở hàng hố. Cho nên cần đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của ôtô theo một đơn vị hàng hóa vận chuyển. Ví dụ đối với ôtô vận tải, mức tiêu hao nhiên liệu cho một đơn vị hàng hóa q c được tính theo biểu thức sau: tt n c SG Q q         km.t kg (6.2) Trong đó: G t – Khối lượng hàng hố chuyên chở (t). S t – Quãng đường chuyên chở của ôtô khi có hàng hóa (km). n  – Tỷ trọng nhiên liệu (kg/l). 6.2. PHƯƠNG TRÌNH TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA ÔTÔ: Khi ôtô chuyển động, tính kinh tế nhiên liệu của nó phụ thuộc vào tính kinh tế nhiên liệu của động cơ đặt trên ôtô và tiêu hao công suất để khắc phục lực cản chuyển động. Khi thí nghiệm động cơ trên bệ thí nghiệm, ta xác định được mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian (kg/h) và công suất phát ra của động cơ P e (kW). Mức tiêu hao nhiên liệu theo thời gian được xác định theo biểu thức: t Q G n T         h kg (6.3) Trong đó: t – Thời gian làm việc của động cơ (h). Để đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của động cơ, ta dùng suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e : 96 tP Qρ P G g e n e T e        h.kW kg (6.4) Trong đó: P e – Công suất có ích của động cơ (kW). Thông qua thí nghiệm động cơ và tính tốn, ta xây dựng được đồ thị quan hệ giữa công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu với số vòng quay của trục khuỷu động cơ: P e = f(n e ) và g e = f(n e ) Đồ thị này được trình bày trên hình 6.1 và được gọi là đường đặc tính ngồi của động cơ. Hình 6.1: Đặc tính ngồi của động cơ. Từ công thức (6.1) và (6.4) ta rút ra được biểu thức để xác định mức tiêu hao nhiên liệu như sau: n ee n * ee d vρ P100g ρS tP100g q        km100 1 (6.5) Trong đó: t S v *  vận tốc chuyển động của ôtô (km/h). P e n e P e g e g e 97 Khi ôtô chuyển động, công suất của động cơ phát ra cần thiết để khắc phục các lực cản chuyển động và được biểu thị theo phương trình cân bằng công suất như sau: 1000η v)FFF( P jωψ e   (kW) (6.6) Trong đó: j F;F;F  – Các lực cản chuyển động (N). v – Vận tốc chuyển động của ôtô (m/s). Như vậy mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô phụ thuộc vào suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ và công suất tiêu hao để khắc phục các lực cản chuyển động. Từ công thức (6.5) và (6.6) ta có công thức tính mức tiêu hao nhiên liệu: ηρ )FF(F0,36g q n jωψe d         km100 1 (6.7) Phương trình (6.7) gọi là phương trình đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu cho ôtô chuyển động không ổn định. Khi ôtô chuyển động ổn định F j = 0, thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ là: ηρ )F(F0,36g q n ωψe d         km100 1 (6.8) Từ phương trình (6.7) và (6.8) ta rút ra nhận xét sau: Mức tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị quãng đường chạy giảm khi khi suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ giảm, nghĩa là nếu động cơ có kết cấu và quá trình làm việc hồn thiện thì giảm được mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô trên một đơn vị quãng đường chạy. Tình trạng làm việc của hệ thống truyền lực không tốt sẽ làm giảm hiệu suất truyền lực và làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị quãng đường chạy. Khi lực cản chuyển động tăng lên thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng. Trong quá trình ôtô tăng tốc sẽ làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu. 6.3. ĐẶC TÍNH TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA ÔTÔ KHI CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH: Sử dụng phương trình (6.8) để phân tích tính tốn mức tiêu hao nhiên liệu, ta sẽ gặp nhiều khó khăn vì trị số suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e phụ thuộc vào số vòng quay của trục khuỷu động cơ n e và mức độ sử dụng công suất của động cơ Y P . Vì vậy ta giải quyết vấn đề này bằng phương pháp xây dựng đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô. Đầu tiên, dựa vào thí nghiệm động cơ trên bệ thí nghiệm để lập đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ theo mức độ sử dụng công suất của động cơ g e = f(Y P ) tương ứng với các số vòng quay khác nhau của động cơ (hình 6.2). Qua đồ thị này ta có nhận xét: mức độ sử dụng công suất của động cơ càng tăng và số vòng quay của trục khuỷu động cơ càng giảm thì mức tiêu hao nhiên liệu càng giảm, vì g e càng giảm. Vì thế khi mức độ sử dụng công suất động cơ như nhau (ví dụ tại điểm Y P1 ) thì 98 suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e ở số vòng quay n e ’’’ sẽ nhỏ hơn khi ở số vòng quay n e ’’ và n e ’ . Hình 6.2: Đồ thị đặc tính tải trọng của động cơ( n e ’ > n e ’’ >n e ’’’ ). Tiếp đó ta xây dựng đồ thị cân bằng công suất của ôtô khi chuyển động ổn định với các hệ số cản  của các loại mặt đường khác nhau để tìm được mức độ sử dụng công suất khác nhau của động cơ Y P (hình 6.3). Ta xây dựng đồ thị P e = f(v) cho một tỉ số truyền của hệ thống truyền lực. Căn cứ vào phương trình cân bằng công suất của ôtô khi chuyển động ổn định, ta có:     FF P e (6.9) Lập đường cong công suất phát ra của động cơ P e =f(v), xuất phát từ đường cong này, xây dựng về phía dưới của nó đường cong biểu thị công suất tiêu hao cho lực cản không khí và có kể đến công suất tiêu hao cho ma sát trong hệ thống truyền lực:     3 Wv )v(f F (6.10) Sau đó lập các đường cong biểu diễn công suất cản của mặt đường với các hệ số cản khác nhau )v(f η F ψ  và có kể đến công suất tiêu hao cho ma sát trong hệ thống truyền lực:      Gv F (6.11) Dựa vào đồ thị (hình 6.3), ta có thể xác định được mức độ sử dụng công suất của động cơ Y P ứng với số vòng quay nào đó của động cơ, tức là ứng với một vận tốc v nào đó ở số truyền đã cho và phụ thuộc vào điều kiện đường xá đã cho. 0 Y P Y P1 g e n e ’ n e ’’ n e ,,, 99 Hình 6.3: Đồ thị cân bằng công suất của ôtô ứng với các hệ số cản  khác nhau của mặt đường. Chẳn hạn như trên hình 6.3, để đảm bảo cho ôtô có thể chuyển động được với vận tốc v 1 trên loại đường có hệ số cản 1  thì cần phải có công suất được xác định bằng tổng số hai đoạn (a+c). Còn công suất của động cơ phát ra tại vận tốc này bằng tổng số hai đoạn (a+b). Từ đó ta xác định được mức độ sử dụng công suất động cơ Y P theo tỷ số: ba ca Y P    (6.12) Nếu tính Y P theo phần trăm ta có: 100% ba ca %Y P    (6.13) Như vậy dựa vào đồ thị hình 6.3, ta xác định được trị số Y P (ứng với v,  cho trước), cũng tương ứng với vận tốc v và số truyền đã cho, ta xác định được số vòng quay của trục khuỷu động cơ n e tương ứng theo biểu thức: b t e r vi n π           ph vg (6.14) Từ trị số Y P và n e tìm được, dựa vào đồ thị hình 6.2, ta xác định được trị số suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ g e . Sau khi tính tốn được trị số của các lực cản chuyển động  F và  F , rồi thay các trị số vừa tìm được: g e ,  F ,  F vào phương trình (6.8), ta xác định được trị số của mức tiêu hao nhiên liệu và từ đó xây dựng đường cong mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định. v 1 a b c P c   F   F g e v n e 0 P e Q s 100 Hình 6.4: Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định. Đồ thị ở hình 6.4 được gọi là đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ôtô khi chuyển động ổn định. Đồ thị hình 6.4 cho phép ta xác định được mức độ tiêu hao nhiên liệu (l/100km) khi biết các trị số  và v. Qua đồ thị này ta có nhận xét rằng: Trên mỗi đường cong của đồ thị có hai điểm đặc trưng cơ bản nhất. Điểm thứ nhất xác định mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất q đmin khi ôtô chuyển động trên loại đường có hệ số cản  (ví dụ q đmin ứng với đường 1  ), vận tốc tại điểm đó được gọi là vận tốc kinh tế và ký hiệu là v kt . Điểm thứ hai của đường cong (điểm cuối cùng của đường cong) đặc trưng cho lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ làm việc ở chế độ tồn tải (các điểm a,b,c). Các điểm này ứng với vận tốc chuyển động lớn nhất của ôtô v max với các hệ số cản  khác nhau. Ngồi ra còn có điểm bất thường trên mỗi đường cong (d,e,f) nằm về phía bên phải của v kt và lồi lên trên ứng với sự bắt đầu hoạt động của bộ tiết kiệm nhiên liệu, hỗn hợp hòa khí được làm giàu thêm. Đối với động cơ diêden thì ở khu vực vận tốc nhỏ, đường cong sẽ thoải hơn so với ôtô có đặt động cơ xăng, vì tính kinh tế nhiên liệu của động cơ diêden ở khu vực vận tốc nhỏ tốt hơn so với động cơ xăng. Cần chú ý rằng khi ôtô chuyển động với vận tốc kinh tế v kt thì đạt được mức tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất q đmin . Tuy nhiên điều này không có nghĩa là ta mong muốn ôtô chuyển động với vận tốc này, vì tăng vận tốc chuyển động của ôtô sẽ tăng được năng suất vận chuyển và giảm được giá thành chung cho trong vận tải ôtô. Vì vậy khi chọn vận tốc chuyển động thích hợp, không nhất thiết xuất phát từ điều kiện tính kinh tế của nhiên liệu của ôtô mà cần phải căn cứ vào các điều kiện sau đây: - Thời gian vận chuyển cần ít. - Đảm bảo an tồn chuyển động trong điều kiện đã cho. - Đảm bảo điều kiện thích nghi cho người lái và hành khách. 6.4. ĐẶC TÍNH TIÊU HAO NHIÊN LIỆU KHI XE CHUYỂN ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH: Trong điều kiện sử dụng thực tế của ôtô, tình trạng mặt đường luôn thay đổi và chế độ tải của động cơ cũng luôn luôn thay đổi. Vì vậy phần lớn thời gian hoạt động của ôtô là chuyển động không ổn định, lúc thì chuyển động có gia tốc lúc thì lăn trơn, lúc thì phanh ôtô. v q đmin c b a f e d 1  2  3  v kt 0 101 Khi ôtô chuyển động tăng tốc thì tốc độ của ôtô tăng lên, làm tăng lực cản chuyển động và dẫn đến làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên lúc đó lại sử dụng tốt nhất công suất của động cơ và dẫn đến giảm suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong thời gian ôtô chuyển động tăng tốc sẽ lớn hơn so với khi ôtô chuyển động với vận tốc không đổi ( v = const; j = 0 ) vì ngồi phần nhiên liệu tiêu hao để khắc phục các lực cản chuyển động, còn phần nữa phải sử dụng để tăng tốc ( tăng động năng của ôtô ). Nếu như cho ôtô chuyển động tăng tốc đến vận tốc 1 v , rồi sau đó cho ôtô chuyển động lăn trơn đến khi vận tốc giảm đến 2 v thì phần động năng này được trả lại ( khi ôtô lăn trơn thì động cơ làm việc ở chế độ không tải hoặc tắt máy ) lượng tiêu hao nhiên liệu rất nhỏ. Vì vậy mức tiêu hao nhiên liệu chung có thể giảm hơn so với khi chuyển động với vận tốc không đổi. Quá trình ôtô chuyển động tăng tốc và lăn trơn gọi là chu kì gia tốc – lăn trơn và được minh họa trên đồ thị 6.5. Chu kì này được lặp đi lặp lại. Sau đây chúng ta sẽ xác định mức tiêu hao nhiên liệu của ôtô trong quá trình gia tốc – lăn trơn. 6.4.1. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong quá trình tăng tốc của ôtô: Lượng tiêu hao nhiên liệu trong quá trình này được tính theo biểu thức sau đây: 5 etb tj 36.10 g .AQ  (6.15) Ở đây: j Q - Lượng tiêu hao nhiên liệu của ôtô trong quá trình tăng tốc (kg). etb g - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích trung bình của động cơ trong khoảng vận tốc từ 1 v đến 2 v ( kg/kWh). t A - Tổng số công tiêu tốn trong quá trình tăng tốc ôtô có kể đến tổn thất năng lượng cho lực cản trong hệ thống truyền lực : t dc t η AA A   Trong đó: c A - Công tiêu tốn để khắc phục các lực cản khi ôtô chuyển động tăng tốc. c A = ( ωψ FF  ) j S j S - Quãng đường ôtô chuyển động tăng tốc (m). ω F - Lực cản không khí: ω F = W. 2 tb v tb v - Vận tốc trung bình của ôtô. tb v  2 vv 21  ψ F - Lực cản tổng cộng của đường. 102 ψ F = ψ.G d A - Công cần thiết để tăng động năng của ôtô khi chuyển động tăng tốc (Nm): d A = 2g G )ω(ωJ 2 1 )v(v 2 b2 2 b1b 2 2 2 1  Trong đó: b J - Tổng mômen quán tính của các bánh xe. b2b1 ω,ω - Vận tốc góc của bánh xe ứng với lúc cuối và lúc đầu của quá trình tăng tốc (ứng với vận tốc 1 v và 2 v của ôtô). Hình 6.5 : Đồ thị ôtô chuyển động gia tốc – lăn trơn 6.4.2. Xác định lượng tiêu hao nhiên liệu của ôtô trong thời gian chuyển động lăn trơn: Nếu trong thời gian một giờ, lượng tiêu hao nhiên liệu là xx G (kg) thì trong thời gian (s)t lt nào đó, lượng tiêu hao nhiên liệu khi lăn trơn sẽ là: 3600 .tG Q ltxx lt  (kg) (6.16) Thời gian (s)t lt chuyển động lăn trơn xác định theo biểu thức : tb 21 lt j vv t   (s) (6.17) Ở đây: tb j - Gia tốc chuyển động chậm dần trung bình khi ôtô chuyển động lăn trơn ( 2 s m ). s v s j s lt v 1 v tb v 2 t chu kì 0 103 i xxψ tb δ g ] G FF [ψj   ( 2 s m ). Trong đó: xx F - Lực ma sát trong hệ thống truyền lực khi động cơ làm việc ở chế độ không tải thu gọn về bánh xe chủ động (N). i δ - Hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay khi ôtô chuyển động lăn trơn. Thay trị số lt t ở công thức (6.17) vào công thức (6.16) ta được: tb 21xx lt 3600.j )v.(vG Q   (kg) (6 .18) Như vậy tổng lượng tiêu hao nhiên liệu cho một chu kì gia tốc – lăn trơn sẽ là: ltjt QQQ  (kg)  5 etbt t 36.10 .gA Q tb 21xx 3600.j )v.(vG  (kg) (6 .19) Nếu xác định được quãng đường khi ôtô chuyển động tăng tốc và khi chuyển động lăn trơn , ta có thể tìm được mức tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị quãng đường chạy như sau: nltj t st )ρS(S 100Q Q   ) 100 1 ( km (6.20) Cần chú ý rằng ở phương trình (6.20), ta không tính đến năng lượng tiêu hao cho phần gia tốc bánh đà động cơ và các tiêu hao nhiên liệu phụ khác nữa dẫn đến một lượng tiêu hao nhiên liệu phụ thêm vào lượng tiêu hao nhiên liệu chung. . tô. tb v  2 vv 21  ψ F - Lực cản tổng cộng của đường. 1 02 ψ F = ψ.G d A - Công cần thiết để tăng động năng của tô khi chuyển động tăng tốc (Nm): d A = 2g G )ω(ωJ 2 1 )v(v 2 b2 2 b1b 2 2 2 1  Trong đó: b J - Tổng. khi tô chuyển động tăng tốc. c A = ( ωψ FF  ) j S j S - Quãng đường tô chuyển động tăng tốc (m). ω F - Lực cản không khí: ω F = W. 2 tb v tb v - Vận tốc trung bình của tô. tb v  2 vv 21  ψ F -. của tô khi chuyển động ổn định. 4. Trình bày được đặc tính tiêu hao nhiên liệu của tô khi chuyển không động ổn định. 95 6.1. CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA ÔTÔ: Tính kinh tế chung của ôtô