تاثیر گاز نیتروژن در تایر بر مصرف سوخت خودرو

تاثیر گاز نیتروژن در تایر بر مصرف سوخت خودرو

صیاد نصیری، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف، nasiri@sharif.ir

حبیب رضایی، دانشجوی مهندسی مکانیک خودرو،دانشگاه جامع علمی کاربردی ساپکو،habib.rezaii@gmail.com

رسول اوتادی، دانشجوی مهندسی مکانیک خودرو، دانشگاه جامع علمی کاربردی ساپکو، rasoul70otadi@gmail.com

میلاد بیات، دانشجوی مهندسی مکانیک خودرو، دانشگاه جامع علمی کاربردی ساپکو، bayat.m69@gmail.com

 

چکیده

با توجه به افزایش مصرف سوخت های فسیلی، آلایندگی زیست محیطی و قیمت این نوع سوخت ها، انجام اقداماتی به منظور کاهش مصرف سوخت اجتناب ناپذیر می باشد. هدف از این پژوهش بررسی تاثیر گاز نیتروژن در تایر بر مصرف سوخت موتور خودرو بنزینی می باشد. لذا در این پژوهش شرایطی به عنوان شرایط مبنا تعریف شد و میزان مصرف سوخت اندازه گیری شد، سپس با تغییر در نوع گاز داخل تایر و تغییر در فشار، میزان تغییر دور موتور و زمان پاشش انژکتور اندازه‌گیری و نمودارهای مختلف مصرف سوخت خودروی مورد نظر نشان داده شد. نتایج نشان می داد که افزایش فشار تایر و استفاده از گاز نیتروژن در تایر، سبب کاهش مصرف سوخت بطور قابل ملاحظه ای می شود.

واژه های کلیدی: نیتروژن – فشار باد تایر- مصرف سوخت- پالس انژکتور

 

مقدمه

یکی از مهمترین عواملی که می تواند بر مصرف سوخت تاثیر گذار باشد، فشار باد تایر و نوع گازی که در آن وجود دارد، می باشد. در طراحی و ساخت تایر، معیار مؤثر در مصرف سوخت خودرو با پارامتری به نام مقاومت غلتشی سنجیده می شود که کاهش آن به معنای کاهش نیروی مقاوم در برابر حرکت یا کاهش مصرف سوخت وسیله نقلیه است. تحقیقات نشان می دهد که نیروی مقاومت غلتشی با عوامل مختلفی نظیر فشار باد تایر، ساختار تایر، سرعت خودرو و غیره مرتبط است [1].

فشار باد تایر، مشخص کننده قابلیت ارتجاعی تایر و در ترکیب با بار، تعیین کننده انحراف (تغییر شکل) در دیواره های تایر و ناحیه تماس با جاده است. فشار باد تایر در انعطاف پذیری آن مؤثر است و روی سطوح سفت، مقاومت غلتشی با افزایش فشار باد تایر کاهش پیدا می کند [2,3].

مقاومت غلتشی در اصل به علت توزیع نامتقارن بار عمودی در محل تماس تایر و زمین ایجاد می گردد. توزیع نامتقارن بار عمودی حاصل از خاصیت میرایی لاستیک است، بدین ترتیب که نیروی عمودی مورد نیاز جهت فشرده کردن لاستیک در نیمه فشاری محل تماس با زمین به طور کامل در نیمه کششی بازیابی نشده و منجر به عدم تقارن توزیع بار می شود[4].

تحت شرایط عادی کارکرد خودرو، یک درصد کاهش در مقاومت غلتشی تایر، مصرف سوخت را تا حد 25/0-35/0 درصد کاهش می دهد[5].

با افزایش سرعت از 80 به سرعت 100 کیلومتر در ساعت در دنده های 3،4و5 مصرف سوخت به ترتیب 1/30 %، 9/16% و 15% افزایش می یابد. به نوعی دیگر می توان گفت که تاثیر افزایش سرعت بر روی افزایش مصرف سوخت با سبک کردن دنده ها کاهش می یابد[6].

بر مبنای یک آزمایش تجربی، تاثیر فشار باد تایر بر مصرف سوخت مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که با افزایش فشار باد تایر، نیروی مقاومت غلتشی کاهش می یابد. مثلاً نشان‌ می‌دهد که‌ با افزاش فشار تایر به میزانpsi  36 در سرعت‌های‌تست  70 و  ‌‌90 به ترتیب مصرف سوخت 1/3% و3/9% کاهش می یابد[7].

تغييرات نيروي عمودي وارد شده به چرخ ها باعث تغيير سطح تماس بين تاير و زمين مي شود. تغييرات دما باعث تغيير فشار در داخل تاير مي شود. تغييرات فشار در داخل تاير باعث تغييرات سختي تاير مي شود. ضريب اصطکاک با افزايش سرعت افزايش مي يابد. بنابراين تغييرات اين عوامل به طور مشترک، سطح تماس تاير با زمين و ضريب اصطکاک را تحت تاثير قرار مي دهند.[8]

با توجه به شکل(1)، میزان نشت گاز در تایر پر شده با هوا، بالاتر از تایر پر شده با گاز نیتروژن است، بدلیل بزرگ بودن مولکول نیتروژن نسبت به اکسیژن، تایر با گاز نیتروژن می تواند برای مدت طولانی در فشار مناسب و ثابتی نسبت به تایر حاوی هوا قرارگیرد، زیرا اکسیژن تقریباً 25% هوای جو را در بر می گیرد، لذا از این بابت نیروی مقاومت غلتشی تایر پر شده از هوا بیشتر از نیروی مقاومت غلتشی تایر پر شده از نیتروژن می باشد. به طور مثال، یک کامیون مسافت 2500 مایل را در هفته طی می کند، نرخ نشت هوا در تایر کامیون  11/0 درهفته می باشد. درحالی که نرخ نشت نیتروژن در تایر کامیون  029/0 می باشد. در نهایت سطح تماس تایر پر شده از هوا با زمین، نسبت به تایر حاوی نیتروژن بیشتر می شود و به این معناست که  مقاومت غلتشی تایر پر شده از  نیتروژن کمتر از تایر پر شده با هوا می باشد[9].

شکل (1)- مقایسه نیروی مقاوم غلتشی تایر حاوی گاز نیتروژن در مقایسه با هوا را در مکان های مختلف[9]

 

هدف از این پژوهش بررسی تاثیر گاز نیتروژن در تایر بر مصرف سوخت موتور خودرو بنزینی می باشد. ابتدا خودرو به تجهیزات داده برداری مجهز شد و پس از آن در شرایط کنترل شده تاثیر هوا و گاز نیتروژن در تایر بر مصرف سوخت موتور بنزینی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان می دهند که استفاده از گاز نیتروژن در تایر می تواند بر مصرف سوخت موتور بنزینی تاثیرگذار باشد.

 

شرایط انجام آزمایش

قبل از اجرای آزمایش ها، برنامه دستگاه ها و تجهیزات مورد نیاز مطابق با شرایط آزمایش ها توسط کامپیوتر تنظیم شده، سپس بر روی خودرو نصب گردید. دستگاه موتوراسکن عملیات اندازه گیری اطلاعات را بر عهده دارد. در طی کلیه آزمایش ها سعی شد، حتی الامکان تمامی شرایط را ثابت نگه داشته و تنها با تغییر یک پارامتر از حالت استاندارد و مبنا، تاثیر آن پارامتر روی میزان مصرف سوخت بررسی شود و همچنین سعی شد که آزمایش ها در شرایطی انجام شود که حتی الامکان دمای هوا، سرعت، بار اعمالی بر روی خودرو، جهت وزش باد در تمامی اوقات انجام آزمایش یکسان و تحت نظر باشد و مسیر بدون شیب باشد. شرایط ذیل نیز در نظر گرفته شد:

  • حداقل مسافت به اندازه یک کیلومتر برای آزمایش انتخاب شود.
  • فن موتور حداقل یک بار روشن و خاموش گردد تا موتور به حد کافی گرم شده باشد.

 

روش انجام آزمایش

برای انجام آزمایش از یک خودروی پراید استفاده شد که برخی مشخصات فنی آن در جدول 1 داده شده است.

   جدول (1): برخی از مشخصات فنی خودروی مورد آزمون

 

1ـ در آزمایش ها با هوای معمولی و گاز نیتروژن، فشار باد تایر به ترتیب 20 ،30 و40 پوند بر اینچ مربع psi تغییر داده شد.

2ـ خودرو نیز در سرعت های تست 70 ، 90 و 100 کیلومتر بر ساعت در فشارهای مختلف تایر و نوع گاز پر شده به حرکت در آورده شد.

3ـ در تمام طول آزمایش، خودرو در دنده 4 قرار داشت.

4ـ با توجه به شکل 2، با استفاده از دستگاه موتوراسکن، اطلاعات مربوط به زمان پاشش انژکتور، دور موتور، سرعت لحظه ای و سایر اطلاعات مورد نظر استخراج و ذخیره گردید.

شکل(2) – خودروی مجهز به ادوات اندازه گیری

 

5- جهت تنظیم فشار باد تایرها از یک نشانگر درجه باد مشخص استفاده شده است، تا احتمال بروز خطا بین نشانگرهای متعدد نیز به صفر برسد.

 

بررسی و تحلیل آزمایش:

پیش از ارائه نتایج آزمایش، لازم است توضیحاتی را در مورد نمودارها و نحوه محاسبه درصد مصرف سوخت داده شود. شکل های (3) تا (17)، نشان دهنده ی مدت زمان پاشش انژکتور در طول زمان آزمایش می باشند. در این شکل ها محور عمودی میزان مصرف سوخت (مدت زمان پاشش انژکتور) و محور افقی زمان آزمایش را نشان می دهند. برای بدست آوردن میزان درصد مصرف سوخت دو تایر با گاز مختلف در یک خودرو، باید سطح زیر نمودار پالس انژکتور خودرو با تایر نیتروژن را نسبت به سطح زیر نمودار پالس انژکتور خودرو با تایر هوای معمولی را از عدد یک کم کنیم تا میزان درصد مصرف سوخت در گاز نیتروژن نسبت به هوا مشخص گردد.

 

الف)درسرعت 70 کیلومتر بر ساعت با فشارهای 20،30،40 psi :

اشکال(3)، (4) و (5) نشان می دهند که در سرعت های پایین، یعنی 70 کیلومتر در ساعت، تاثیر مصرف سوخت بین نیتروژن و هوا قابل پیش بینی نیست. اما با توجه به اشکال (6) و (7) می توان گفت با افزایش فشار تایر از psi 20 به psi 40، زمان پاشش سوخت کاهش یافته و مصرف سوخت در مجموع کاهش می یابد که ناشی از کاهش نیروی مقاوم غلتشی تایر می باشد.

شکل(3)- تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی بر مصرف سوخت با سرعت و فشار از 20 psi

 

شکل(4)- تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر بر مصرف سوخت با سرعت 70 کیلومتر برساعت و فشار از psi 30

 

شکل(5)- تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر بر مصرف سوخت با سرعت 70 کیلومتر بر ساعت و فشار از psi 40

 

اشکال (6) و (7) و اشکال دیگری که شبیه به این اشکال می باشند، در واقع نمودارهایی هستند که هدفشان مقایسه مصرف سوخت کلی در سه فشار مختلف تایر برای نیتروژن و هوا می باشند. پس از اندازه گیری و ثبت اطلاعات، نمودار میزان زمان پاشش سوخت طی زمان آزمایش اندازه گیری شد و در ادامه با ترسیم نمودار میزان زمان پاشش سوخت در طی زمان آزمون، تاثیر نوع گاز و فشار بر مصرف سوخت بررسی گردید.

شکل(6)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار هوا        شکل (7)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار گاز نیتروژن

 

ب)درسرعت با فشارهای 20 ،30 و 40 psi :

در اشکال (8)، (9) و (10) مشاهده می شود که برای پیمودن مسیر آزمایش با سرعت  90 کیلومتر بر ساعت در دنده چهار با فشارهای تایر  20،  30 و 40 psi یکبار با هوای معمولی و یکبار با گاز نیتروژن با طی یک مسیر مشخص، مصرف سوخت در خودرو با تایر حاوی گاز نیتروژن نسبت به خودرو با تایر حاوی هوا،  به ترتیب به میزان 3 ٪ ، 5 ٪ و 6٪ کاهش یافته است.

شکل (8): تاثیر نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 90 کیلومتر بر ساعت و فشار psi 20

 

شکل (9)ـ تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 90 کیلومتر بر ساعت و فشار 30psi

 

شکل (10)ـ تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 90 کیلومتر بر ساعت و فشار psi 40

 

اشکال (11) و (12) بیانگر مقایسه میزان مصرف سوخت خودرو در سه فشار برای نیتروژن و هوا می باشند، که شکل نزولی کاهش مصرف سوخت را در اثر افزایش فشار تایر نشان می دهد که می توان نتیجه گرفت که با افزایش فشار از از  20 به  40 psi، در هر دو نوع گاز داخل تایر، مصرف سوخت کاهش چشمگیری پیدا می کند.

شکل(11)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار هوا    شکل(12)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار گاز نیتروژن

 

ج) در سرعت 100 کیلومتر بر ساعت بافشارهای 20 ،30 و 40 psi :

در اشکال (13)، (14)و (15) مشاهده می شود که برای پیمودن مسیر آزمایش با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت در دنده چهار با فشارهای تایر  20،  30 و  40  psi یکبار با هوای معمولی و یکبار با گاز نیتروژن با طی یک مسیر مشخص، مصرف سوخت در خودرو با تایر حاوی گاز نیتروژن نسبت به خودرو با تایر حاوی هوا، به ترتیب به میزان 4٪، 8٪ و 9٪ کاهش یافته است.

شکل(13)- تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت و فشار psi 20

 

شکل(14)ـ تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت و فشار psi 30

 

شکل(15)- تاثیر گاز نیتروژن نسبت به هوای معمولی تایر در مصرف سوخت با سرعت 100 کیلومتر بر ساعت و فشار psi 40

 

اشکال (16) و(17) مانند اشکال (6) و (7) و (11) و (12) بیانگر مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار برای نیتروژن و در سه فشار برای هوا می باشند، که با تغییر فشار، درصد تغییرات مصرف سوخت را نشان می دهد. باید توجه داشت که نه تنها فشار تایر، بلکه سرعت خودرو نیز در مصرف سوخت تاثیر گذار است به طوریکه درصد کاهش مصرف سوخت در سرعت 100 کیلومتر بر ساعت بیشتر از سرعت های 70 و 90 کیلومتر در ساعت می باشد.

شکل(16)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشارهوا      شکل(17)- مقایسه میزان پالس انژکتور در سه فشار گاز نیتروژن

 

جداول 2 تا 4 تاثیر نوع گاز استفاده شده در تایر در فشارهای مختلف بر مصرف سوخت خودرو را نشان می دهد.

جدول (2): درصد مصرف سوخت خودرو با تایر حاوی نیتروژن نسبت تایر حاوی هوا

 

جدول (3): میزان زمان پاشش انژکتوردر خودرو با تایر نیتروژن (ms)

 

جدول(4): میزان زمان پاشش انژکتوردر خودرو با تایر هوای جو (ms)

 

نتیجه گیری

با بررسی نتایج ناشی از آزمون های انجام شده، میزان مصرف سوخت خودرو با تایر حاوی گاز نیتروژن نسبت به تایر حاوی هوا در سرعت 90 کیلومتر بر ساعت در فشارهای 20، 30 و 40 پوند بر اینچ مربع باعث کاهش مصرف سوخت به میزان 3٪، 5٪ و 6٪ شده است. همچنین در سرعت 100کیلومتر بر ساعت در فشارهای 20، 30 و 40 پوند بر اینچ مربع باعث کاهش مصرف سوخت به میزان 4٪، 8٪ و 9٪ شده است. ملاحظه می گردد که خودرو با تایر حاوی گاز نیتروژن دارای مصرف سوخت کمتری می باشد. پیشنهاد می گردد که در پژوهش های آتی میزان تاثیر پذیری گاز نیتروژن از گرمای تایر نسبت به تاثیرپذیری هوا از گرمای تایر مورد بررسی قرار گیرد تا بتوان دلیل اصلی کاهش مصرف سوخت خودرو با تایر حاوی گاز نیتروژن را استحصال نمود.

 

تشکر و قدردانی

لازم است سپاس گزاری و قدردانی ویژه ای  از تمامی زحمات برادران بزرگوار جناب آقایان علی محمدی و ناصر سینا که قطعا در تمامی مراحل این پژوهش قوت قلب بوده اند را داشته باشیم. همچنین از همکاری شرکت  موتور آزمای ثمین در انجام آزمایش های این پژوهش تشکر می شود.

 

مراجع

 

[1] Thomas D.Gillespie, (1992) “Fundamental of vehicle dynamic” SAE

[2] Wong, J. Y, (1993). “Theory of Ground Vehicle”. Publisher: Wiley.

[3] Hans B. Pacejka, (2006), Tire and Vehicle Dynamics, second edition, Elsevier.

[4] Rajamani, Rajesh, “Vehicle Dynamics and Control”, Springer, 2006.

[5] V.I.Konoroz, (1968), The influence of tyre rolling resistance on vehicle fuel consumption, Avtom.Prom. March, 11-14 1968, Journal of terramechanics, volume 5, Issue 3, page 88-89.

[6] صیاد نصیری، امیرحسین مومن، سیدحسن آقا محمدی، شهرزاد رشکی، (بهمن ماه 1390)، “اندازه گیری وتحلیل تاثیر برخی خصوصیات فنی خودرو برمصرف سوخت درشرایط واقعی به کمک شبکه عصبی”، چهارمین کنفرانس سوخت و احتراق.

[7] صیاد نصیری، ناصر سینا، وحید کارخانه،” تاثیر فشار باد تایربر مصرف سوخت خودرو”، نشریه صنعت لاستیک،  شماره 68، 1391.

[8] صياد نصيري ، رسول اکبري، حسين مصطفي زاده شبلو،” پايش وضعيت فشار باد تاير خودرو”،هفتمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت وعیب یابی ماشین آلات، اسفند ماه 1391.

[9]  Jalili N., Zhou Y., Venkataraman P., “Tire Nitrogen Filling System”, A Final

Report to Ingersoll Rand Industrial Technologies, Clemson University,

Department of Mechanical Engineering, August 2006.

گروه فنی مهندسی اِیمِگ