EN
Инженерная связь между ограничителями скорости и расходом топлива
Как нагрузка на двигатель, аэродинамическое сопротивление и эффективность сгорания зависят от скорости
Расход топлива дизельным двигателем зависит от трёх взаимосвязанных факторов, обусловленных скоростью транспортного средства. Во-первых, по мере увеличения скорости транспортного средства проявляется явление, известное как аэродинамическое сопротивление. Оно напрямую связано со скоростью движения транспортного средства. При удвоении скорости аэродинамическое сопротивление возрастает в четыре раза. Сопротивление воздуха становится значительным потребителем энергии при скорости выше 55 миль в час. Во-вторых, оптимальная эффективность двигателя достигается при частоте вращения коленчатого вала около 1200–1800 оборотов в минуту. При таких условиях — подача топлива, воздуха и давление наддува — обеспечивается наиболее эффективное сгорание и управление давлением. При скорости ниже 40 миль в час двигатель работает в режиме неполного сгорания, что приводит к образованию сажи и углеводородов. В-третьих, при скорости выше 70 миль в час эффективность двигателя снижается, а энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения в транспортном средстве, становится значительной.
Количество работы, выполняемой двигателем, зависит от того, насколько сильно нажата педаль акселератора и сколько топлива подается в каждый цилиндр. Эти параметры регулируются регуляторами, задача которых — обеспечить контроль за процессами с целью минимизации чрезмерных механических нагрузок и тепловых проблем. Например, если у грузовика ограничение максимальной скорости составляет 65 миль/ч вместо 75 миль/ч, то аэродинамическое сопротивление воздуха снижается примерно на треть, и двигатель может дольше работать в режиме пиковой эффективности.
Что особенного в «зоне оптимального расхода топлива» для дизельных силовых установок?
Активация «зоны оптимального расхода топлива» дизельного двигателя при скорости от 50 до 65 миль в час обеспечивает наилучший показатель «удельного расхода топлива при торможении» (BSFC) для двигателя. Такой режим даёт наилучший результат по расходу топлива за счёт достижения оптимального теплового баланса внутри двигателя, наилучшего воздушного потока вокруг кузова грузовика и максимальной эффективности трансмиссии. При скоростях ниже 50 миль в час дизельный двигатель выходит из своей оптимальной зоны мощности, а трансмиссия работает на пониженных передачах, что приводит к увеличению потерь на трение. При скоростях выше 65 миль в час экономичность снижается из-за роста аэродинамического сопротивления, которое при 70 милях в час составляет примерно две трети всей мощности, необходимой для поддержания этой скорости. Именно поэтому дизельные транспортные средства достигают оптимального расхода топлива, работая в этой «промежуточной зоне», которая и является «зоной оптимального расхода топлива».
Турбокомпрессоры обеспечивают непрерывное и эффективное наддувное давление в диапазоне 15–25 фунтов на квадратный дюйм
Инжекторы высокого давления с общей топливной рампой работают вблизи пределов объёмного КПД
Сопротивление качению остаётся в основном неизменным
Трансмиссии позволяют непрерывную работу на высшей передаче при 1200–1800 об/мин
Такое согласование обеспечивает улучшение топливной экономичности на 30 % по сравнению с неограниченной эксплуатацией на скорости 75 миль/ч. Ограничители скорости надёжно обеспечивают соблюдение этого режима, особенно для грузовых автомобилей, коэффициент аэродинамического сопротивления которых превышает 0.65 из-за их прямоугольной формы и конфигурации с прицепом.
Влияние различных ограничителей скорости на реальную топливную эффективность
Режим работы ограничителя скорости может быть как жёстким, так и мягким пределом, что соответственно либо ограничивает, либо ослабляет воздействие на положение дроссельной заслонки и способ управления подачей топлива электронным блоком управления (ЭБУ)
Подача топлива в двигатель полностью прекращается при срабатывании жёстких ограничителей, что приводит к ощущаемому водителем резкому закрытию дроссельной заслонки; это особенно заметно при движении транспортного средства по автомагистрали. Внезапное отключение подачи топлива нарушает стабильность работы двигателя, в результате чего транспортное средство расходует топливо менее эффективно. Эффективность использования топлива может ухудшиться на 12–8 % по сравнению с системой, функционирующей в соответствии с проектными требованиями. Именно здесь принцип действия мягких ограничителей отличается. Эти системы используют механизм, при котором ЭБУ заранее корректирует карту подачи топлива, чтобы предотвратить её увеличение. Такой механизм сохраняет эксплуатационную надёжность транспортного средства и его топливную эффективность как при обгоне (с учётом агрессивных ограничений), так и при интенсивном ускорении (с целью защитного поддержания топливной эффективности и снижения общей частоты вращения двигателя).
Данные о требуемом крутящем моменте, уклоне дороги и массе груза для адаптивной настройки регулятора скорости.
Например, современные системы ограничителей скорости используют данные от ИМУ (инерциальных измерительных устройств) и датчиков нагрузки на оси для динамической корректировки предельной скорости в зависимости от запроса крутящего момента для транспортного средства. Эти интеллектуальные системы, например, «знают», что при движении вверх по подъёму с уклоном 5 % им следует увеличить время работы в определённой передаче, чтобы минимизировать чрезмерные переключения на пониженные передачи и превышение допустимых оборотов двигателя. Эксплуатационные службы автопарков эмпирически зафиксировали включение таких систем и в обратном сценарии: исходя из грузоподъёмности, которую перевозят грузовики, система ограничителя скорости снижает максимально разрешённую скорость. После анализа телематических данных нескольких крупных североамериканских автопарков было установлено, что такой подход позволяет сократить общий расход топлива на 3,1 галлона на каждые 1000 миль пробега. В отличие от этого, традиционный подход — установка фиксированного ограничения скорости для конкретного участка дороги на основе исторических данных, независимо от уклона участка или груза, перевозимого грузовиком, — является чрезмерно упрощённым. Эти новые адаптивные системы преобразовали управление скоростью из упрощённого метода в динамичное регулирование производительности, основанное на реальных условиях эксплуатации. Экономия топлива за счёт применения ограничителей скорости.
Калиброванные ограничители скорости доказали, что экономия топлива достижима при эксплуатации коммерческого автопарка. Ограничение скорости в диапазоне, обеспечивающем максимальную топливную эффективность дизельных двигателей (50–65 миль/ч), позволяет снизить расход топлива на 10–15 % по сравнению с неограниченным режимом вождения. Такая экономия обусловлена как уменьшением аэродинамического сопротивления, так и стабилизацией процесса сгорания.
Экономия топлива при использовании ограничителей скорости в коммерческих автопарках обусловлена следующими факторами:
- Экономия за счёт снижения аэродинамического сопротивления: чем выше скорость движения (в пределах диапазона 50–65 миль/ч), тем значительнее экономия топлива.
- Поддержание стационарного режима: поддержание заданной скорости движения предотвращает изменения положения дроссельной заслонки и обеспечивает оптимальное время впрыска топлива форсункой, а также оптимальный отклик турбокомпрессора.
- Парки из 100 грузовиков с пробегом в среднем 160 000 км в год позволяют ежегодно экономить 567 800 литров дизельного топлива. При использовании в сочетании с обучением водителей и оптимизацией маршрутов такая экономия достигается без увеличения времени в пути и с одновременным снижением выбросов CO₂.
Выход за рамки базового ограничения: интеллектуальная система помощи в соблюдении скоростного режима как передовая форма ограничителя скорости
От реактивного контроля скорости — к прогнозирующему экологичному круиз-контролю, основанному на GNSS, высокоточных картах и технологиях V2X
Интеллектуальная система помощи в поддержании скорости — это прогнозирующая альтернатива устаревшим ограничителям скорости и их реактивному принципу работы. Устаревшие ограничители вмешиваются только ПОСЛЕ превышения установленного лимита скорости, причём делают это деструктивным и неэффективным способом, вызывая резкое снижение мощности и колебания скорости. Система интеллектуальной помощи в поддержании скорости обеспечивает прогнозирующее экономичное движение благодаря интеграции GNSS, детализированных дорожных карт и связи транспортного средства с дорожной инфраструктурой. Прогнозирующее экономичное движение позволяет этим системам занимать проактивную позицию, то есть заранее предвидеть препятствия на дороге с учётом рельефа местности (подъёмы, повороты), дорожного движения и ограничений скорости на расстоянии до 3 км. Это обеспечивает оптимальное управление подачей мощности на колёса и предотвращает возникновение проблем, а не реагирует на них после их появления.
Алгоритмы ускорения, адаптивный круиз-контроль и интегрированные системы управления трафиком приводят к сглаживанию профилей скорости транспортных средств и оптимизации всего цикла движения с точки зрения энергопотребления. В результате совместного применения этих технологий достигается снижение дисперсии скорости на 15–20 % — величины, которая традиционно считается причиной неэффективного расхода топлива из-за реактивной работы таких систем, — а также повышение эффективности технологий экономии топлива, основанных на интеллектуальном подходе вместо механического решения в виде простого ограничителя скорости.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Какие факторы влияют на расход топлива в дизельных двигателях?
Эти переменные зависят от сочетания скорости транспортного средства, аэродинамического сопротивления и частоты вращения коленчатого вала двигателя (об/мин). Взаимосвязь этих переменных заключается в том, что при высоких скоростях аэродинамическое сопротивление возрастает экспоненциально, тогда как при низких скоростях частота вращения коленчатого вала двигателя может обеспечить более высокую эффективность.
По какой причине диапазон скоростей 50–65 миль/ч считается оптимальным для топливной эффективности дизельных двигателей?
Именно в этом диапазоне скоростей достигается идеальный баланс между двигателем и механическими компонентами трансмиссии, что обеспечивает максимальную топливную экономичность.
Что представляют собой жёсткие и мягкие ограничения в контексте ограничителей скорости?
Жёсткие ограничения приводят к резкому прекращению подачи топлива, вызывая нестабильную работу двигателя и снижение топливной экономичности, тогда как мягкие ограничения позволяют оптимизировать подачу топлива и обеспечить устойчивую работу на эффективном уровне с минимальными потерями топлива, поскольку они прогнозируют изменения в подаче топлива.
Каким образом адаптивные ограничители скорости способны повысить топливную экономичность?
Адаптивная система изменяет свои ограничения скорости в зависимости от меняющихся условий дороги и массы груза, что позволяет достичь оптимальной и адаптированной производительности системы, а также снизить расход топлива, поскольку она соответствует фактическим потребностям транспортного средства в мощности.
Что такое интеллектуальная система помощи в поддержании скорости (ISA) и чем она отличается от традиционных ограничителей скорости?
Система ISA объединяет контроль скорости с предотвращением событий, приводящих к неоправданному расходу топлива, а также обеспечивает общее повышение энергоэффективности по сравнению с простым ограничением скорости за счёт использования передовых технологий, таких как внешние карты, спутниковая навигация и связь «автомобиль–автомобиль».
