В настоящее время все двигатели оснащаются системой автоматической самодиагностики, позволяющей производить запись и анализ данных, характеризующих состояние двигателя в реальном режиме времени (частота дискретизации потока данных по наиболее распространённому диагностическому протоколу OBD II составляет 1 секунду). Однако такого важного параметра, как расход топлива, в общем протоколе обмена данных не имеется.
Для современных бензиновых двигателей, поскольку для выполнения экологических норм стехиометрическое соотношение воздуха и бензина поддерживается практически на всём диапазоне нагрузок, расход топлива можно считать пропорциональным расходу воздуха. Потребление топлива на дизельных двигателях, работающих в условиях обеднённой рабочей смеси, может быть рассчитано из такого параметра, как коэффициент нагрузки на двигатель, который, исходя из SAE J1979 [6, 7] (редакция 2010 г.) может быть рассчитан как
, (1)
где Мi – индикаторный момент, развиваемый двигателем в рассматриваемый момент времени, представляющий собой сумму эффективного момента, выдаваемого двигателем, и момента на преодоление внутренних потерь (как механических, так и термодинамических и насосных), MMAX (n) – величина максимального индикаторного крутящего момента для данной частоты вращения вала двигателя, К1 и К2 – коэффициенты, учитывающие изменение величины максимального момента от температуры окружающего воздуха и атмосферного давления:
; 
, (2)
где ТВ – температура воздуха в градусах Цельсия на момент испытаний, а РВ – атмосферное давление в барах на момент испытания. С учётом того, что определение «коэффициент нагрузки на двигатель» определяется исходя из индикаторного момента двигателя, уравнение (1) примет вид
, (3)
где qi – величина подачи топлива в цилиндры дизельного двигателя, а qMAX (n) – максимальная подача топлива в цилиндры дизельного двигателя для данных оборотов.
Максимальная подача топлива для двигателя определяется из его внешней скоростной характеристики как
. (4)
Решение данного уравнения показано на рис. 1.
Рис. 1. Методика получения зависимости максимального расхода топлива от оборотов; 1 – зависимость изменения максимальной мощности двигателя от оборотов; 2 – зависимость изменения удельного расхода топлива от оборотов
Рис. 2. Изменение величины расчётной нагрузки, числа оборотов двигателя и скорости потока воздуха в течение времени; 1 – холостой ход, n = 750 об./мин; расчётное значение нагрузки – 7,5 %; 2 – разгон двигателя, величина расчётной нагрузки нестабильна, имеет место влияние динамического фактора; 3 – средние обороты, n = 2000 об./мин; расчётное значение нагрузки 4,5 %; 4 – высокие обороты, n = 3000 об./мин; расчётное значение нагрузки – 3,5 %; 5 – возвращение к холостому ходу, n = 750 об./мин; расчётное значение нагрузки – 6,7 % (уменьшилось сопротивление вращения из-за разогрева двигателя); 6 – режим торможения двигателем, топливо не поступает, величина расчётной нагрузки равна 0 %
Рис. 3. Изменение мощностных потерь двигателя при работе на холостом ходу; 1 – абсолютные величины, полученные расчётным методом; 2 – относительные величины, получаемые по протоколу OBD II
Рис. 4. Изменение удельного расхода топлива на полезную мощность, вырабатываемую двигателем, от его оборотов
Рис. 5. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по определению расхода топлива, с использованием данных диагностического протокола OBD II; 1 – на холостом ходу; 2 – при развитии двигателем полезной мощности в 30кВт; 3 – при развитии двигателем полезной мощности в 60кВт
Снимая при помощи диагностического протокола OBD II [12, 13] параметры холостого хода двигателя, а именно удельную величину нагрузки холостого хода, как это показано на рис. 2, получим значения потерь мощности двигателя при работе на холостом ходу, которая является произведением максимальной мощности двигателя от оборотов на величину данного коэффициента:
.
Результаты расчётов данного параметра приведены на рис. 3. Разница между максимальной мощностью и мощностью, затрачиваемой на холостой ход, определяет возможность достижения двигателем мощности на выполнение той или иной работы, а разница между расходом топлива на холостом ходу и максимальным расходом топлива определяет расход топлива двигателем на преодоление внешней нагрузки в зависящей от режимов [7, 10, 11] и условий движения [4, 5, 8, 9].
Тогда удельный расход топлива на развитие двигателем полезной мощности будет определяться из уравнения
, (5)
где QXX – расход топлива на холостом ходу в размерности л/час, определяется экспериментальным методом путём выработки топлива при вращении двигателя с различными оборотами без дополнительной нагрузки.
Решение данного уравнения показано на рис. 4.
Тогда расход топлива для конкретных условий движения определится как:
. (6)
В период с сентября по ноябрь 2014 года сотрудниками Центра безопасности дорожного движения и технической экспертизы НГТУ был проведён комплекс мероприятий по экспериментальной оценке показателей автомобиля ГАЗель NEXT (A22R22), оснащённого двигателем CUMMINS, в том числе и по его топливной экономичности. Экспериментальные исследования выполнены с использованием измерительного оборудования Центра коллективного пользования НГТУ «Транспортные системы» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проекта по договору № 02.G25.31.0006 от 12.02.2013 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года №218). При этом на автомобиле одновременно были установлены как диагностический сканер, так и расходомер топлива DFL3x-5bar, что позволяло получать данные о расходе топлива с того и с другого прибора одновременно.
Сравнение реального расхода топлива и расхода, полученного по представленной методике, с учётом требований, изложенных в [3].
Применение данной методики позволяет оценить подвижность [1, 2] и эффективность транспортных средств и других объектов исследования в области общего машиностроения, где необходимо оценить расход топлива силовых установок.
Рецензенты:
Шапкин В.А., д.т.н., профессор кафедры «Строительные и дорожные машины», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород;
Вахидов У.Ш., д.т.н., заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины», ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород.