Symulacja emisyjności silnika diesla dla testu "NEDC" z wykorzystaniem środowiska MATLAB

Transkrypt

1 Konferencja Naukowa Problemy gospodarki energią i środowiskiem w rolnictwie, leśnictwie i przemyśle spożywczym Warszawa, września 2016 r. Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Wydział Inżynierii Produkcji Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji Remigiusz Mruk, Karol Tucki, Katarzyna Botwińska, Mateusz Zalewski Symulacja emisyjności silnika diesla dla testu "NEDC" z wykorzystaniem środowiska MATLAB

2 2 Cel pracy Celem pracy było opracowanie modelu symulacyjnego hamowni podwoziowej i symulacji emisji spalin silnika wysokoprężnego zastosowanego w Fiat Panda 1.3 MultiJet. Praca stanowi część projektu badawczego: Green fuels and human health toxicity of engine emission from 1st and 2nd generation biodiesel fuels Pol- Nor/201040/72/2013

3 3 Zakres pracy Opis wymagań dla hamowni podwoziowej w ramach testu NEDC; Opracowanie modelu symulacyjnego umożliwiającego przeprowadzanie badania dla różnych typów pojazdów; Opracowanie modelu symulacyjnego emisji wybranych składników spalin dla Fiat Panda 1.3 MultiJet.

4 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu UDC 4 Urban Driving Cycle (UDC) został wprowadzony w 1970 roku, jako pierwsza część przepisów ECE. Cykl został zaprojektowany w celu przedstawienia typowych warunków jazdy w europejskich miastach [Merkisz, 2011, Mamala i in. 2011]. Charakteryzuje się on niskim obciążeniem silnika, niską temperaturą gazów spalinowych i maksymalną prędkością 50km/h. Pozamiejski cykl pracy EUDC został wprowadzony w 1990 roku. Celem tego testu było przedstawienie warunków pracy oraz emisji spalin silnika przy większym obciążeniu jednostki napędowej. Maksymalna prędkość w trakcie cyklu EUDC wynosi 120km/h w przypadku samochodów o mniejszej mocy silnika zostaje ona ograniczona do 90km/h.

5 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu UDC 5

6 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu NEDC 6 New European Driving Cycle wprowadzony w roku 1997 jest to test mający na celu ocenę poziomu emisji spalin oraz zużycia paliwa w pojazdach osobowych. NEDC składa się z czterech powtarzających się cykli jazdy miejskiej oraz jednego cyklu pozamiejskiego [Mamala, Brol, Jantos, 2011]. Pomiar rozpoczyna się, gdy temperatura silnika pojazdu wynosi C. Cykle wykonywane są na stanowisku badawczym gdyż w znacznym stopniu umożliwia to osiągnięcie powtarzalnych wyników. Tego typu stanowiska wyposażone są w urządzenia elektryczne pozwalające naśladować opór aerodynamiczny oraz masę pojazdu (bezwładność). Jednym z takich urządzeń są rolki najazdowe, na których odbywa się pomiar. Zastosowanie wstecznego momentu obrotowego, umożliwia testowanie wszystkich typów nadwozia pojazdu (sedan, coupe, hatchback, combi).

7 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu NEDC W trakcie przeprowadzania badania, wszystkie systemy dodatkowe takie jak klimatyzacja, nawiew czy oświetlenie, zostają wyłączone. W przypadku tego testu istotne są nie tylko jak najmniejsze opory silnika, ale i samego pojazdu. W tym celu producenci samochodów stosują ogumienie o niskich współczynnikach toczenia oraz zwiększają ciśnienie do wartości ponadnormatywnych. Regulacji podlega również zawieszenie pojazdu, dzięki czemu powierzchnia przylegania opon do powierzchni zostaje zminimalizowana. Egzemplarze poddawane badaniu są wersjami z podstawowym wariantem wyposażenia w celu osiągnięcia minimalnej masy całkowitej. Szczeliny między elementami nadwozia są zaklejane, a okładziny cierne układu hamulcowego zostają manualnie odsunięte, aby nie zwiększać oporów toczenia. Stosowane są również specjalne środki smarne w silniku i skrzyni biegów. Tak przygotowany pojazd zostaje poddany badaniu NEDC 7

8 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu NEDC 8

9 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) Od kilku lat komisja europejska pracuje nad wprowadzeniem nowego systemu WLTP. Test NEDC funkcjonuje od ponad 20 lat na terenie Unii Europejskiej, a jego zasady są nieadekwatne do poziomu dzisiejszej motoryzacji. Sposób przeprowadzania badania umożliwia osiąganie producentom bardzo niskich poziomów emisji spalin. Na całym świecie dopuszczalne normy są wyższe natomiast wynika to z innych zasad przeprowadzania testu. Nowoczesne badanie WLTP odbywa się przy bardziej dynamicznych warunkach jazdy, a czas i dystans został zwiększony dwukrotnie. Jednocześnie w stosunku do NEDC, średnia prędkość wzrosła o 40% natomiast czas postoju został skrócony o 50% co w znacznym stopniu zmniejszy możliwość uzyskiwania tak dobrych wyników dzięki systemowi SART/STOP. W odróżnieniu do testu NEDC, w badaniu biorą udział dwa egzemplarze danego modelu w dwóch różnych wersjach wyposażenia w podstawowej charakteryzującej się najmniejszymi oporami i maksymalnej o największej masie całkowitej. 9

10 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) 10 Proponowane klasy WLTP : Class 1 - low power vehicles with PWr <= 22 kw/tonne ; Class 2 - vehicles with 22 kw/tonne < PWr <= 34 kw/tonne; Class 3 - high-power vehicles with PWr > 34 kw/tonne;

11 Badanie zużycia paliwa i emisji spalin dla testu WLTP 11

12 Normy emisji spalin EURO 1-6 W 1993 roku komisja europejska wprowadziła pierwsze normy dla pojazdów osobowych, mające na celu zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do środowiska. Jednym z pierwszych rozwiązań stosowanych przez producentów były reaktory katalityczne [Merkisz, 1997] System ten charakteryzował się dużą wydajnością, niskim poziomem awaryjności natomiast wysoką ceną jednostkową. W 2000 roku weszło w życie kolejne rozporządzenie EURO 3, które przyczyniło się do rozwoju wielu dzisiaj stosowanych systemów oczyszczania spalin przede wszystkim w silnikach wysokoprężnych. Po raz pierwszy, producenci zaczęli stosować na masową skalę filtry cząstek stałych. Norma Euro 4 wprowadzona w 2006 roku zmniejszyła dozwoloną ilość emisji cząstek stałych z 0,05 do 0,009 [g/km], a Euro 5 wprowadziło limit obowiązujący do dziś na poziomie 0,005 [g/km] (limit ten nie uległ zmianie w przypadku EURO 6) Euro 6 wprowadzono w 2014 r. 12

13 13 Normy EURO dla silników wysokoprężnych Emisja [g/km] EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5 EURO 6 CO 3,16 1 0,64 0,5 0,5 0,5 HC - 0,15 0,06 0,05 0,05 0,05 NOx - 0,55 0,5 0,25 0,18 0,08 HC+NOx 1,13 0,7 0,56 0,3 0,23 0,13 PM 0,14 0,08 0,05 0,009 0,005 0,005

14 Podstawa prawna 14

15 15 Sposób wyznaczania obciążenia całkowitego zgodny z NEDC W zakresie prędkości km/h zaleca się zastosowanie hamowni podwoziowej o następującej charakterystyce. F = (a + b V 2 ) ± 0, 1 F 80 ( nie przyjmuje wartości ujemnej) gdzie: F = obciążenie całkowite pochłaniane przez hamownię podwoziową (N), a = wartość równoważna z oporem toczenia (N), b = wartość równoważna ze współczynnikiem oporu powietrza (N/(km/h)²), V = prędkość (km/h), F 80 = obciążenie przy prędkości 80 km/h (N).

16 16 Sposób wyznaczania obciążenia całkowitego zgodny z NEDC

17 17 Wymogi dla stanowisk badawczych zgodne z NEDC Na przebieg badania nie może mieć wpływu czas, przez jaki hamownia jest wykorzystywana. Hamownia musi być w pełni sprawna, nie może powodować żadnych wibracji wyczuwalnych w pojeździe ani wpływać na jego charakterystykę pracy; Hamownia podwoziowa zbudowana jest z jednej bądź dwóch rolek. Przednia rolka napędza pośrednio lub bezpośrednio urządzenie absorbujące siłę bezwładności masy oraz mocy; Zadane obciążenie musi być możliwe do zmierzenia i odczytania z dokładnością ±5%;

18 18 Wymogi dla stanowisk badawczych zgodne z NEDC W przypadku hamowni inercyjnych, wartość obciążenia przy prędkości 80km/h musi wynosić ± 5 %. W przypadku hamowni obciążeniowej, dokładność pracy odpowiadająca obciążeniu drogowemu mieści się w przedziale ± 5 % dla prędkości 120, 100, 80, 60 i 40 km/h. Przy prędkości 20 km/h wartość ta wynosi ± 10 %; Bezwładność całkowita części obrotowych stanowiska badawczego, musi być znana i wynosić ± 20 kg klasy bezwładności danego badania; Prędkość pojazdu musi być mierzona z dokładnością ± 1 km/h przy prędkości powyżej 10 km/h.

19 Uzupełnione dane dla fragmentu testu NEDC dotyczącego cyklu miejskiego na hamowni podwoziowej 19 Działanie Faza Przyspieszenie (m/s2) Czas każdego/każdej Czas każdego/każdej Prędkość (km/h) działania (s) Faza (s) Łączny czas (s) Bieg używany w przypadku ręcznej skrzyni biegów Łączny czas (s) Bieg Sprzęgło wł. 0 Start Praca na biegu jałowym s PM + 5 s K1 (1) Przyspieszenie 2 1, Prędkość stała Zmniejszenie prędkości 4-0, Zmniejszenie prędkości, sprzęgło wyłączone , K1 (1) Praca na biegu jałowym s PM + 5 s K1 (1) Przyspieszenie 6 0, Zmiana biegów Przyspieszenie 0, Prędkość stała Zmniejszenie prędkości 8-0, Zmniejszenie prędkości, sprzęgło wyłączone , K 2 (1)

20 Wygląd komponentu umożliwiającego wprowadzenie zbioru danych wraz z widokiem wprowadzonych sygnałów 20

21 Generowanie sygnałów sterujących testem 21

22 Przebiegi sterujące uzyskane dla weryfikacji poprawności wprowadzania danych 22

23 Fragment modelu symulacyjnego odpowiadający za określenia wartości sił 23 Następnie został opracowany fragment modelu symulacyjnego odpowiadający za określenia wartości sił tarcia wewnętrznego hamowni podwoziowej zgodnie z zależnością: F T t = a + bv(t) 2 Gdzie: F T t obciążenie z procesu tarcia pochłaniane przez hamownię podwoziową (N), a wartość równoważna z oporem toczenia (N), b wartość równoważna ze współczynnikiem oporu powietrza (N/(km/h) 2 ), v t prędkość (km/h),

24 Fragment modelu symulacyjnego odpowiadający za określenia wartości sił 24 Siły wytwarzane przez hamownię związane z wymaganą bezwładnością masową w czasie zmian prędkości pojazdu zostały określone na podstawie zależności: F m t = m dv(t) dt Gdzie: F m t obciążenie bezwładności pochłaniane przez hamownię podwoziową (N), m Bezwładność równoważna (kg), v t prędkość (km/h),

25 Wybrane do symulacji zestawy konfiguracyjne hamowni podwoziowej 25 Masa odniesienia pojazdu (RM) (kg) Bezwładność równoważna Moc i obciążenie pochłaniane przez hamownię przy 80 km/h Współczynniki obciążenia drogowego kg kw N a (N) b (N/(km/h) 2 ) RM , ,8 0, < RM , ,2 0, < RM , ,4 0, < RM , ,6 0, < RM , ,8 0, < RM , ,0 0, < RM , ,2 0, < RM , ,7 0, < RM , ,1 0, < RM , ,4 0, < RM , ,8 0, < RM , ,1 0, < RM , ,4 0, < RM , ,6 0, < RM , ,9 0, < RM , ,2 0, < RM , ,5 0, < RM , ,7 0, < RM , ,9 0, < RM , ,1 0, < RM , ,5 0, < RM , ,9 0,0674

26 Wyliczenie sił tarcia wewnętrznego, sił bezwładności, chwilowej mocy 26

27 Przebiegi sił tarcia wewnętrznego uzyskane w czasie symulacji testu NEDC dla wybranych konfiguracji 27

28 Przebiegi wartości chwilowej mocy tarcia wewnętrznego uzyskane w czasie symulacji testu NEDC dla wybranych konfiguracji 28

29 Przebiegi sił związanych z bezwładnością wymaganych mas uzyskane w czasie symulacji 29

30 Przebiegi wartości chwilowej mocy związanych z bezwładnością wymaganych mas 30

31 Przebiegi łącznej mocy uzyskiwane na hamowni podwoziowej uzyskane w czasie symulacji 31

32 Wyniki symulacji emisji dla Fiata Panda z silnikiem diesel 1.3 Multijet 32 Kolejnym elementem było opracowanie modelu symulacyjnego testu NEDC dla konfiguracji hamowni podwoziowej zgodnej z parametrami Fiata Pandy z sinikiem diesla 1.3 JTD.

33 Wyliczenie prędkości obrotowej kół, przełożenia skrzyni biegów, prędkości obrotowej silnika i momentu obrotowego 33

34 Wyliczenie chwilowych wartości strumieni wybranych składników spalin 34

35 Wyliczenie chwilowych wartości strumieni wybranych składników spalin 35

36 Przebieg zmian godzinowego zużycia paliwa [kg/h] 36

37 Przebiegi zmian zużycia paliwa [g/s] w czasie symulacji 37

38 Skumulowane zużycie paliwa [g] w czasie symulacji 38

39 Przebieg zmian godzinowego zużycia powietrza [kg/h] 39

40 Przebieg zmian zużycia powietrza [g/s] w czasie symulacji 40

41 Skumulowane zużycie powietrza [g] w czasie symulacji 41

42 Przebieg zmian emisji tlenku węgla CO [%] 42

43 Przebieg zmian emisji tlenku węgla CO [g/s] w czasie symulacji 43

44 Skumulowana emisja tlenku węgla CO [g] w czasie symulacji 44

45 Przebieg zmian emisji tlenków azotu NO x [ppm] 45

46 Przebiegi zmian emisji tlenków azotu NO x [g/s] w czasie symulacji 46

47 skumulowana emisja tlenków azotu NO x [g] w czasie symulacji 47

48 48 Podsumowanie Proces budowy modeli symulacyjnych dotyczących testów NEDC ze względu na zmienność parametrów pracy oraz badania pojazdów w warunkach dynamicznych wymaga zastosowania zaawansowanych metod obliczeniowych. Wykorzystanie pakietu MATLAB Simulink pozwala przedstawiać w sposób graficzny algorytmy matematyczne.

49 Podsumowanie Po przeprowadzonym procesie budowania modeli związanych z testem NEDC można wyciągnąć następujące wnioski : Uzupełnione wymagania dla hamowni podwoziowej w ramach testu NEDC o dodatkowe parametry umożliwiły opracowanie stabilnych symulacji; Model symulacyjny dla różnych konfiguracji hamowni podwoziowej pozwala na uzyskanie informacji, niezbędnych do doboru parametrów hamulca; Model symulacyjny dla Fiat Panda 1.3 MultiJet pozwala na uzyskanie nie tylko przebiegów chwilowych emisji dla poszczególnych faz testu lecz, także przebiegi skumulowane, które odpowiadają wartością w rzeczywistych procesach testów homologacyjnych Opracowane modele symulacyjne mogą być podstawą budowy rzeczywistych systemów sterowania hamownią podwoziową z symulacją bezwładności masy. 49

50 Literatura Ambrozik A., Ambrozik T. i Kurczyński D. External speed characteristics in engine with multi-stage fuel injection [Książka]. - Warszawa : KONES, Ambrozik A., Ambrozik T. i Kurczyński D. Charakterystyki obciążeniowe turbodoładowanego silnika 1,3 Multijet [Artykuł] // Postępy Nauki i Techniki. - Lublin : Oddział SIMP w Lublinie, Tom strony Ambrozik A., Ambrozik T. i Kurczyński D. Examination of fast-changing quantities in engine with common rail injection system [Książka]. - Warszawa : KONES, Bielaczyc P., Merkisz J. i Pielecha J. Stan cieplny silnika spalinowego a emisja związków szkodliwych [Książka]. - Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Hunt B., Lipsman R. i Rosenberg J. A guide to Matlab for beginners and expeienced users [Książka]. - [brak miejsca] : Cambridge, Idzior M. Emisja toksycznych składników spalin a stan techniczny silnika [Dziennik]. - Poznań : Nowoczesny Warsztat, Jonason J. Performance, fuel economy and emissions. - Londyn : Internal Combustion Engines, Kędziera R. Systemy common Rail - parametry systemów i ich diagnostyka [Książka]. - Poznań : CSM, Kuranc A. A continous measurement of CO, CO2, HC and NOX at the work of a combustion engine fed with petrol in unstable thermal conditions. [Książka]. - Warszawa : 2005, strony Mamala J., Brol S. i Jantos J. Parametry pracy silnika spalinowego w teście drogowym. Silniki Spalinowe [Książka] strony

51 Literatura Merkisz J. Emisja cząstek stałych przez silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym - wybrane zagadnienia [Książka]. - Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, strony Merkisz J. i Pielecha J. Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych [Książka]. - Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Merkisz J. Real Road Tests - Exhaust emission Results from passengers cars. [Książka]. - [brak miejsca] : KONES Powertrain and Transport, Tom 18 : strony Merkisz J., Pielecha J. i Radzimirski S. Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych [Książka]. - Warszawa : WKŁ, Mrozek B. i Mrozek Z. MATLAB i Simuling [Książka]. - [brak miejsca] : Helion, Pietras D. i Świątek P. Dobór kalibracji sterowania silnika 1,3 Multijet w aspekcie jego osiągów i składu spalin. [Dziennik]. - Poznań : Silniki Spalinowe, 2/ Serdecki W. Badania silników spalinowych [Książka]. - Poznań : Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Szczotka A., Pajdowski J. i Bielaczyc P. Development od automotive emission testing equipment and test methods in response to legislative, technical and commercial requirements. Silniki Spalinowe [Książka] Tom 1 : strony Tarasińska J. i Kuranc A. The analysis of significance level of relation between ambient temperature and exhaust emission in the initial term of SI engine work. [Książka]. - Warszawa : Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, strony Vojtisek-Lom M., Fenkl M. i Dufek M. Off-cycle, real-world emission of modern light duty diesel vehicles [Książka] SAE