Коэффициент полезного действия (КПД) — это показатель эффективности машины, который выражается в процентах. По общепринятой формуле КПД определяют, как отношение полезной работы (мощности) к затраченной. Такой подход позволяет оценить эффективность системы в целом, но не дает четкого понимания о том, от каких процессов сильнее всего зависит уменьшение или увеличение коэффициента. Ученые ПНИПУ разработали собственную методику определения КПД автомобиля, которая позволяет оценить сильные и слабые стороны при его эксплуатации.
Определение коэффициента полезного действия автомобилей необходимо для того, чтобы можно было оценить, насколько эффективно работает система. Чем выше значение КПД, тем лучше энергоустановка преобразует затраченную мощность в полезную работу. Однако до сих пор неизвестно, какие показатели оказывают наибольшее влияние на это значение.
Исходя из существующей формулы определения КПД, ученые ПНИПУ предположили, что полезную работу автомобиля можно вычислить, если рассчитать интеграл развиваемого энергоустановкой крутящего момента по углу поворота колес.
Затраченной работой при этом будет изменение энергии, выделившейся при расходовании топлива. Причем такой подход работает независимо от типа двигателя, поскольку в основе расчета лежит произведение расхода топлива на его энергоемкость.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, политехники провели эксперимент на модели полноприводного гоночного болида TuringTamiya на водородных топливных элементах. Ее установили на динамический стенд для проведения испытаний, оснащенный специальными роликами — «барабанами». К стенду подключили дополнительное оборудование и датчики для регистрации нужных параметров. Сначала ученые определили КПД установки традиционным методом, а затем своим, новым. Результаты сравнили.
Когда автомобиль находится на стенде, происходит передача крутящего момента от двигателя на ведущие колеса. Последние, в свою очередь, действуют на барабаны стенда посредством сухого трения, заставляя их вращаться. В обратную сторону действует такая же сила. Эти две силы трения в итоге заставляют модель двигаться вперед.
В исследовании были выделены четыре последовательные подсистемы в конструкции болида, которые сильнее всего могут влиять на итоговый КПД системы: хранение водорода, преобразование водорода и кислорода в электроэнергию постоянного тока, электродвигатель и трансмиссия автомобиля.
КПД хранения рассчитали путем отношения изменения энергии водорода, заправленного в картридж, и водорода, затраченного на проведение эксперимента, через отношение масс «до» и «после» заправки. Так получился КПД преобразования водорода в топливном элементе. Он составил 0,055 и оказался допустимым.
Далее политехники рассмотрели дальнейшее движение электроэнергии в системе болида. Для этого им было необходимо рассмотреть КПД электродвигателя. Согласно паспорту, он равен 0,8.
Механическая мощность электродвигателя затрачивается на приведение болида в движение с учетом потерь в трансмиссии (при передаче энергии от двигателя). Так КПД трансмиссии, рассчитанный по формуле, оказался равен 0,8. Экспериментальный КПД автомобиля, согласно расчетам, составил 0,052. Расхождение результатов определения КПД болида в расчетной и экспериментальной методиках составило 0,38.
— Расчетная методика оценки КПД транспортного средства основывается на параметрах, взятых из паспортных данных или рассчитанных по известным формулам. При этом она не отображает текущее техническое состояние системы, поскольку относительное расхождение расчетного и экспериментального значений КПД составило 38%. Решением этой проблемы может стать разработанный нами способ, — объясняет доктор технических наук, заведующий кафедрой автомобилей и технологических машин ПНИПУ Николай Лобов.
— В результате работы мы подтвердили, что полезную работу автомобиля можно оценить не только по существующей формуле, но и в процессе испытаний на стенде с беговыми барабанами, умножив развиваемый энергоустановкой крутящий момент на угол поворота колеса автомобиля. Совместное применение нашей экспериментальной и расчетной методик позволит проанализировать вклад различных систем автомобиля в его итоговый КПД, — комментирует ассистент кафедры автомобилей и технологических машин ПНИПУ Ольга Иванова.
В дальнейшем ученые ПНИПУ планируют проводить исследования на промышленных автомобилях, чтобы иметь возможность проверять полученные результаты методом сравнения между разными транспортными средствами. Основная работа будет направлена на совершенствование методики.