Porównanie klasycznych i alternatywnych uk adów zasilania silników na podstawie charakterystyk zewn trznych

Transkrypt

1 Porównanie klasycznych i alternatywnych uk adów zasilania silników na podstawie charakterystyk zewn trznych DARIUSZ SZPICA JAROS AW CZABAN Monta alternatywnych uk adów zasilania w zamierzeniu ma przynosiç oszcz dnoêci, zw aszcza w aspekcie ponoszonych w dalszym czasie wydatków na paliwo. Cena gazu LPG nadal stanowi podstaw adaptacji pojazdów do tego rodzaju paliwa. Pierwsze instalacje gazowe powstawa y we W oszech w latach 40. XX wieku, z przeznaczeniem do zasilania metanem. Okaza o si jednak, e z biegiem czasu popularniejsze sta y si instalacje na skroplony gaz ropopochodny (LPG). Ostatnio roênie zainteresowanie instalacjami na spr ony gaz naturalny (CNG). Niestety, k opot z magazynowaniem gazu CNG w pojeêdzie i zwiàzany z tym ograniczony zasi g pojazdu, przy znikomej infrastrukturze stacji tankowania, nie pozwala na rozpowszechnienie tego rodzaju êród a zasilania. Jak ju wspomniano, przy monta u alternatywnego uk adu zasilania LPG kierujemy si przewa nie ni szà uk ad zasilania, wraz z ich opracowaniem i wnioskowaniem statystycznym, starajàc si w ten sposób odpowiedzieç na zadane pytanie. Przedmiot badaƒ Przedmiotem badaƒ by y pojazdy, których podstawowe dane techniczne zawarto w tab. I, II i III. Z uwagi na obszernoêç pomini to analiz zgodnoêci wskaêników zewn trznych, które otrzymano na hamowni podwoziowej z danymi fabrycznymi producentów. Metodyka badaƒ Badania porównawcze polegajà na analizie cech badanych przedmiotów i zjawisk w celu ustalenia podobieƒstw i ró nic. Warunkiem ich stosowania jest porównywalnoêç przedmiotów badaƒ ze wzgl du na ich istot, gatunek, kategori lub form. TABELA I. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG I generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Benz. P, kw/n, Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG 1 VW Golf II MPI I ,1/ ,2/ ,2/ ,3/4140 1,444 1,393 2 Mercedes MPI I ,5/ ,2/ ,3/ ,1/2270 1,379 2,354 3 VW Golf II MPI I ,9/ ,2/ ,9/ ,3/2635 2,192 2,160 4 VW Golf II MPI I / ,9/ ,6/ ,2/2705 2,189 2,286 5 Skoda Felicia MPI I ,3/ ,2/ ,3/ ,3/3770 1,582 1,735 6 VW Golf II MPI I ,3/ ,7/ ,8/ /2795 1,335 2,362 7 VW Golf II 1.8 GT 1800 SPI I ,7/ / / /2280 2,261 2,823 cenà litra paliwa. Pomija si przy tym wydatek zwiàzany z monta em i póêniejszà k opotliwà eksploatacj. Zach tà sà te slogany reklamowe, które mówià o mniejszej toksycznoêci spalin, co jak przedstawiono w [1] nie znajduje odzwierciedlenia w badaniach laboratoryjnych. Pomijajàc fakt wi kszego zu- ycia paliwa w przeliczeniu na 100 km przy zasilaniu LPG, g ównym zagadnieniem, które wymaga rozpatrzenia, jest utrzymanie wskaêników zewn trznych silnika. Dodatkowo pojawia si pytanie: jakie ró nice w wartoêciach mocy, momentu obrotowego, czy elastycznoêci mogà wystàpiç przy uzupe nieniu wyposa- enia pojazdu o alternatywny uk ad zasilania LPG? W artykule dokonano zestawienia wyników badaƒ pojazdów wyposa onych w klasyczny i alternatywny Dr in. Dariusz Szpica i dr in. Jaros aw Czaban sà pracownikami Katedry Budowy i Eksploatacji Maszyn, Wydzia u Mechanicznego Politechniki Bia ostockiej. Rys. 1. Hamownia podwoziowa LPS 3000 MAHA 26 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009

2 TABELA II. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG II generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç 1 VW Passat SPI II ,6/ ,5/ ,3/ /2455 2,085 2,143 2 Daewoo Lanos MPI II ,7/ ,7/ ,6/ ,9/3360 1,839 1,983 3 VW Golf III MPI II ,9/ ,7/ ,2/ ,8/4255 2,363 1,514 4 Honda MPI II / ,2/ / ,9/2425 1,352 2,162 5 VW Golf MPI II ,3/ ,7/ ,9/ ,6/4215 1,448 1,418 6 VW Golf II MPI II ,3/ ,8/ ,8/ ,7/3340 1,956 1,908 7 Daewoo Lanos MPI II ,9/ ,3/ ,4/ ,4/3235 2,244 2,222 8 Audi MPI II / ,9/ ,8/ ,4/2940 1,9 2,063 9 Daewoo Nexia MPI II ,3/ / ,4/ ,3/2130 2,387 3, VW Golf II 1.8 GTI 1800 MPI II ,5/ ,5/ ,3/ ,4/4265 1,764 1, Ford Sierra MPI II ,8/ ,5/ ,7/ ,7/2670 3,018 2, Renault Clio MPI II ,4/ / ,6/ ,6/4300 1,314 1, Fiat Seicento SPI II ,5/ / ,5/ ,8/3510 2,156 1, Renault Laguna MPI II ,3/ ,8/ ,4/ /3620 1,659 1, Audi 80 B MPI II ,2/ ,1/ ,5/ ,5/2915 2,195 2, Opel Vectra MPI II ,1/ ,4/ ,3/ ,4/4230 1,41 1,48 17 VW Golf III MPI II / ,5/ ,1/ ,5/2335 3,029 2, VW Golf II 1.8 GT 1800 SPI II ,8/ ,4/ / ,7/3625 2,721 1,69 19 VW Golf II MPI II ,5/ ,1/ ,9/ ,7/4480 1,461 1, Audi MPI II / ,7/ ,7/ ,9/3320 2,34 2, Daewoo Nubira MPI II ,8/ ,2/ ,8/ ,3/2330 1,445 2, Nissan Almera MPI II ,9/ ,5/ ,5/ ,5/3640 1,967 1, Daewoo Lanos MPI II ,2/ ,1/ ,8/ ,3/3420 1,929 1, Nissan Almera MPI II ,9/ / ,2/ ,6/3675 2,359 2, Opel Vectra SPI II / ,3/ ,7/ ,1/3245 1,85 1, Volvo MPI II ,2/ ,5/ ,8/ ,8/2765 2,487 2, Daewoo Nubira MPI II ,2/ ,7/ ,4/ ,6/2215 1,526 2, Nissan Almera MPI II ,1/ ,3/ ,2/ ,8/3700 2,358 1, Fiat Punto MPI II ,7/ ,9/ ,1/ ,9/4140 1,208 1, Mazda MPI II ,1/ ,7/ ,5/ ,8/4145 2,444 1, Honda Civic MPI II ,7/ ,7/ ,3/ ,2/4935 1,238 1, Opel Omega MPI II ,7/ ,9/ ,6/ ,6/4090 1,543 1,515 Benz. P, kw/n, LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG WÊród badaƒ porównawczych uk adów zasilania silników spalinowych mo na wyró niç m.in.: badania czasów rozp dzania, analiz sk adników spalin pod wzgl dem iloêciowym i jakoêciowym, badanie zu ycia paliwa i porównanie wskaêników zewn trznych. Podstaw prowadzonych badaƒ stanowi o porównanie wskaêników zewn trznych. W toku badaƒ doêwiadczalnych wykorzystano hamowni podwoziowà LPS 3000 MAHA (rys. 1). Pomiar mocy, wyznaczany poêrednio przez sum mocy na ko ach i mocy oporów ruchu pojazdu, pozwala na wnioskowanie o wartoêciach wskaêników zewn trznych. Zaniechano powtórzeƒ pomiarów, ka dy pojazd badano po jednym razie przy zasilaniu LPG i benzynowym. W poczàtkowej fazie poddano kolejnym badaniom jeden z pierwszych pojazdów, wykazujàc, i w kolejnych 5 próbach ró nice nie by y wi ksze ni 1%, czyli mieêci y si w granicach tolerancji b du podawanego przez producenta urzàdzenia (hamowni). Pojedynczy pomiar wyklucza równie ewentualne uszkodzenia badanych pojazdów, gdy by y to pojazdy u yczane grzecznoêciowo, które niejednokrotnie mia y przebieg powy ej 200 tys. km, a od daty ich produkcji min o ju ponad 10 lat. Wyniki badaƒ i ich analiza Porównanie obejmowa o wartoêci maksymalne mocy i momentu obrotowego oraz elastycznoêci (rys. 2). ElastycznoÊç silnika spalinowego mówi o jego zdolnoêci przystosowania si do zmiennych obcià- eƒ i pr dkoêci obrotowej. Dla silników trakcyjnych jest to bardzo istotny wskaênik mo liwoêci eksploatacyjnych. Liczbowym wyrazem elastycznoêci silnika jest wspó czynnik elastycznoêci. ElastycznoÊç silnika ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/

3 TABELA III. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG II generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç 1 Opel Astra MPI IV ,6/ ,6/ ,9/ ,5/2885 2,25 2,144 2 Volvo S MPI IV ,2/ ,2/ ,8/ ,4/4210 1,193 1,586 3 Audi A MPI IV ,5/ / ,6/ ,2/3420 1,906 2,031 4 Toyota Yaris MPI IV ,9/ ,6/ ,4/ /3770 1,413 1,706 5 Seat Ibiza MPI IV ,8/ ,2/ ,4/ ,2/3210 1,741 1,382 6 Ford Mondeo MPI IV / ,7/ ,9/ ,6/3725 1,552 1,479 7 Fiat Panda MPI IV ,7/ ,5/ ,3/ ,3/3575 1,509 1,469 8 Audi A MPI IV / ,8/ / /2680 3,118 2,551 9 VW Golf III 2.8 VR MPI IV ,6/ ,3/ ,8/ ,2/4540 1,49 1, Audi A MPI IV ,5/ ,4/ ,8/ ,5/2555 3,078 2,19 11 Peugeot MPI IV / ,5/ ,3/ ,4/4075 1,554 1, Skoda Fabia MPI IV ,3/ ,8/ ,2/ ,4/3210 2,213 2, Seat Ibiza 1.4i 1400 MPI IV ,4/ ,6/ ,9/ ,7/3045 1,421 1, Audi A MPI IV ,9/ ,5/ ,2/ ,3/2515 3,028 2, Opel Astra MPI IV ,3/ ,1/ ,9/ ,4/3765 1,951 2,06 16 Opel Astra MPI IV / ,7/ ,9/ ,8/3705 2,019 2,02 Benz. P, kw/n, LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG okreêlana jest na podstawie charakterystyki zewn trznej silnika w sposób nast pujàcy: gdzie: M max maksymalny moment obrotowy silnika, M Nmax moment obrotowy odpowiadajàcy mocy znamionowej, n Mmax pr dkoêç obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n N znamionowa pr dkoêç obrotowa. Na rys. 2 przedstawiono przyk adowà charakterystyk zewn trznà silnika (Honda Civic 1.4 tab. II) klasycznie wyposa onego w wielopunktowy uk ad (1) wtryskowy benzyny MPi i alternatywnie w instalacj gazowà LPG generacji II. Na tej podstawie mo liwe jest wyznaczenie maksymalnych wartoêci niezb dnych do porównania. W celu porównania zasilania klasycznego z alternatywnym mo na pos u yç si korelacjà rang, która umo liwi odpowiedê na pytanie: czy zasilanie alternatywne wp ywa na wskaêniki zewn trzne silnika spalinowego? Uznano, i taka odpowiedê jest niewystarczajàca, stàd wybór oceny zgodnoêci Êrednich dwóch prób, gdzie próby tworzà pary. Stawiajàc hipotez zerowà, uznano, e Êrednia ró nic wszystkich par danych obu zbiorów jest równa zeru. H 0 : D = 0 (2) Oznacza to, e gdyby w celu sprawdzenia, czy alternatywny uk ad zasilania istotnie wp ywa na wskaêniki zewn trzne silnika, nie poddano badaniom tylko losowo wybranych reprezentantów poszczególnych grup, a wszystkie pojazdy w poszczególnych grupach, to Êrednia ró nic by aby równa zeru. Wobec tego, je eli nie badamy wszystkich pojazdów, to wartoêç granicznà testu t-studenta odczytujemy dla n-1 stopni swobody, przy poziomie istotnoêci 0,05. Rys. 2. Porównawcze charakterystyki zewn trzne silnika pojazdu Honda Civic 1.4 przy uk adzie zasilania klasycznym MPI (-) i alternatywnym LPG generacji II (- - -) 28 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009

4 Rys. 3. Histogramy ró nic mocy, momentu obrotowego i elastycznoêci silników wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG I generacji uk ad zasilania Zestawiajàc wyniki pomiarów (rys. 3) i porównujàc ró nice LPG benzyna dla 7 par, w których zamiennie wykorzystano uk ady LPG I generacji, mo na stwierdziç, i przy zasilaniu alternatywnym moc maksymalna obni a si o ok. 7,6%, maksymalny moment obrotowy o 10,2%, natomiast elastycznoêç silnika wzrasta o 0,4%. W przypadku alternatywnych uk adów zasilania LPG II generacji (rys. 4), gdzie stosuje si dodatkowà regulacj przep ywu gazu w fazie lotnej zaworem uruchamianym silnikiem krokowym, uzyskane na podstawie informacji z modu u sterowania wyniki badaƒ 32 par sà podobne. Moc silnika spada o ok. 5,5%, maksymalny moment obrotowy o 8%, elastycznoêç silnika pozostaje prawie na niezmiennym poziomie (0,04% ró nicy). Uk ady LPG IV generacji (rys. 5) sà najbardziej rozbudowane pod wzgl dem strukturalnym. Modu sterowania wtryskiwaczami gazowymi przechwytuje klucze sterujàce wtryskiwaczami benzynowymi i przekszta ca je, wykorzystujàc tzw. map kalibracji. W tym przypadku ró nica mocy maksymalnej wynosi 3,9%, maksymalnego momentu obrotowego 3,5%, a elastycznoêci 0,1% przy 16 parach, na niekorzyêç zasilania LPG. Zestawiajàc Êrednie ró nic (tab. IV) mo na zauwa- yç, e silnik zasilany LPG b dzie cechowa si mniejszà mocà maksymalnà o 5,71%, momentem obrotowym mniejszym o 7,27% i elastycznoêcià wi kszà o 0,08%. Oceniajàc istotnoêç wartoêci Êredniej ró nic, statystyk t-studenta obliczono: gdzie: d ró nica, TABELA IV. Zestawienie wyników pomiarów wartoêci Êrednie Zasilanie Ârednia ró nica z prób, % benzyna - LPG Moc maksymalna Maksymalny moment obr. ElastycznoÊç I generacja 7,63 10,27-0,39 II generacja 5,56 8,02 0,05 IV generacja 3,95 3,53 0,11 Êrednia 5,71 7,27-0,08 (3) ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/

5 Rys. 4. Histogramy ró nic mocy (a), momentu obrotowego (b) i elastycznoêci silników (c) wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG II generacji uk ad zasilania s d odchylenie standardowe, n liczba par. TABELA V. Zestawienie wartoêci statystyki t obliczeniowej z krytycznà Grupy porównawcze (pary) Wskaêniki benzyna benzyna benzyna I generacja II generacja IV generacja LPG LPG LPG Moc maksymalna 2, , ,85205 Maks. moment obr. 5, , ,10374 ElastycznoÊç silnika 2, , ,26944 t gr (n; α = 0,05) 2,447 2,042 2,120 OkreÊlajàc z tabeli krytycznà wartoêç t [3] dla poszczególnych grup i zestawiajàc je z wartoêciami t obliczeniowymi (tab. V), widaç, e jedynie w przypadku elastycznoêci silnika nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej, w pozosta ych natomiast mo na stwierdziç, i zasilanie alternatywne istotnie wp ywa na wskaêniki zewn trze silnika spalinowego wzgl dem klasycznego uk adu zasilania. Niezale nie od generacji LPG (rys. 6) moc i moment obrotowy b dà osiàga y wartoêci mniejsze w tym przypadku zasilania [4]. Jedynie elastycznoêç silnika w pewnej liczbie przypadków jest wi ksza przy zasilaniu gazowym, na co majà wp yw instalacje gazowe I generacji [4]. Podsumowanie Przeprowadzone badania wykaza y istotny wp yw zasilania LPG na zmniejszenie wartoêci wskaêników zewn trznych silników spalinowych o zap onie iskrowym. Moc maksymalna spada Êrednio o 5,71%, moment obrotowy o 7,27%. Jedynie elastycznoêç jest wi ksza o 0,08%, ale nie ma co do tego pewnoêci przy poziomie istotnoêci 0,05. Oczywiste jest, e pary, które zosta y zaszeregowane do poszczególnych grup, mo na jedynie uznaç za ich reprezentantów, co pozwala wnioskowaç jedynie o ró nicach w ca ym zbiorze pojazdów. Szczególnie porównanie z LPG 30 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009

6 Rys. 5. Histogramy ró nic mocy, momentu obrotowego i elastycznoêci silników wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG IV generacji uk ad zasilania I generacji przy 7 próbach wymaga oby uzupe nienia o kolejne pomiary. Z drugiej zaê strony uk ady I generacji sà rzadko spotykane, jedynie w silnikach gaênikowych. Pojazdy takie obecnie sà ma o popularne. LITERATURA 1. Czaban J., Szpica D., Nachimowicz J.: Comparison of SI car exhaust components emission in engines powered by petrol and LPG. Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 16, No. 2A,/2007, pp Luszniewicz A., S aby T.: Statystyka z pakietem komputerowym STATISTICA TM PL. Teoria i zastosowania. Wydawnictwo C.H. Beck, Warszawa Puchalski T.: Statystyka Wyk ad podstawowych zagadnieƒ. PWN, Warszawa Szpica D., Czaban J.: Analiza porównawcza silników z klasycznymi i alternatywnymi uk adami zasilania na hamowni podwoziowej: [w:] Motrol: Motoryzacja i energetyka rolnictwa. Praca zbiorowa pod red. E. Krasowskiego. T 6. Wydawnictwo PAN, Komisja Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, Lublin 2006, s Rys. 6. Wykres ramka wàsy wnioskowania o ró nicach w wartoêciach wskaêników zewn trznych ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/