PROGNOZOWANIE ZUŻYCIA PALIWA W SAMOCHODZIE OSOBOWYM W RUCHU RZECZYWISTYM

Transkrypt

1 ALEKSANDER UBYSZ PROGNOZOWANIE ZUŻYCIA PALIWA W SAMOCHODZIE OSOBOWYM W RUCHU RZECZYWISTYM EXAMINATION OF THE USED FUEL MANEUVERING VOLUME IN A CAR UNDER BOUNDARY CONDITIONS Streszczene Abstract W artykule przedstawono opracowane przez autora metody oblczeń przebegowego zużyca palwa w ruchu rzeczywstym w samochodze osobowym na podstawe zużyca w pęcu wybranych cyklach jezdnych. W oblczenach uwzględnono wpływ ważnejszych czynnków za pomocą współczynnka dynamk sterowana prędkoścą pojazdu K D scharakteryzowano kerujących pod względem energooszczędnośc ruchu pojazdu. Słowa kluczowe: zużyce palwa, cykle jezdne, objętość manewrowa palwa Methods of calculatng the mleage fuel consumpton n a car basng on fuel consumpton n fve selected drvng cycles have been elaborated and presented by the wrter of ths paper. The mportant factors have been consdered n all calculatons and K D coeffcent of dynamcs control was used for assessng and characterzng the drvers mode of drvng as far as energysavng was concerned. Keywords: fuel consumpton, drve cycle, maneuverng volume Dr nż. Aleksander Ubysz, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych, Wydzał Transportu, Poltechnka Śląska w Glwcach.

2 Wstęp W przemyśle motoryzacyjnym na śwece neprzerwane trwają poszukwana unwersalnego cyklu jezdnego, w którym zużyce palwa emsja toksyn w spalnach badanego samochodu możlwe dokładne przedstawałaby jego rzeczywste parametry eksploatacyjne [1 3]. Jednak w dotychczas opracowanych w USA UE stałych cyklach jezdnych założone profle prędkośc pojazdu mogą znaczne odbegać od rzeczywstych z welu powodów: warunków włączana sę do wyłączana z ruchu, warunków ruchu drogowego na trase przejazdu, długośc trasy, parametrów techncznych pojazdu, warunków atmosferycznych tp. Same warunk ruchu drogowego spowodowały utworzene welu nekonwencjonalnych cykl jezdnych typowych dla danego regonu, warunków drogowych, a nawet dla konkretnego modelu pojazdu [4 6]. Autor na podstawe własnych dośwadczeń opracował unwersalny cykl jezdny dla ruchu w potoku, pozwalający na jego symulację ze zróżncowaną prędkoścą średną w przedzale 2,43 6,91 km/h [5]. Jednak nawet najlepszy cykl jezdny jest tylko zborem faz ruchu pracy slnka w ścśle określonych warunkach na jezdn pozomej o określonej, suchej nawerzchn. Dlatego autor na podstawe oblczeń zużyca palwa dla klkuset montorowanych tras przejazdów welu zespołów kerujący pojazd próbuje odpowedzeć na pytane: jak można na podstawe charakterystyk ogólnej slnka prognozować zużyce palwa w samochodze w ruchu rzeczywstym, wykorzystując oblczone zużyce w wybranych cyklach jezdnych? 2. Odwzorowane proflu prędkośc ruchu za pomocą wybranych cykl jezdnych Na rysunku 1 zestawono wynk pomarów przebegowego zużyca palwa w samochodze osobowym klasy B/K z slnkem ZI. Znaczny rozrzut przebegowego zużyca palwa dla każdej wartośc zmennej nezależnej jest wynkem stochastycznego charakteru skojarzena procesu sterowana pojazdem warunków ruchu. W opracowanym algorytme oblczeń prorytetem jest uwzględnene jak najwększej lczby czynnków mających stotny wpływ na całkowtą energochłonność ruchu pojazdu zużyce palwa. Zagadnene właścwego doboru udzału pęcu cykl jezdnych szczegółowo opsał autor we wcześnejszych publkacjach [7, 8]. Udzał dwóch cykl jezdnych mtujących ruch w warunkach zatłoczonych ulc (wolny SG S v śr = 2,43 km/h szybk SG F v śr = 6,91 km/h) oblcza sę na podstawe średnej prędkośc ruchu w tych specyfcznych warunkach. Udzał cyklu mejskego dobera sę, zależne od przyjętej metody, na podstawe czasu wymuszonych zatrzymań pojazdu lub metodą kwantyfkacj prędkośc średnej lub chwlowej z przedzału 18,7±12 km/h. Natomast udzały drogowe cykl drogowego autostradowego program EKO DRIVE 2005 oblcza na podstawe średnej prędkośc na pozostałym do przebyca odcnku trasy przejazdu. Dobór parametrów do oblczena udzału poszczególnych cykl jezdnych, zależne od zastosowanej metody pomarowej, przeprowadza sę jedną z trzech następujących metod: wybranych parametrów, kwantyfkacj prędkośc średnej (mnutowa podstawa czasu pomaru), kwantyfkacj prędkośc chwlowej (sekundowa podstawa czasu pomaru).

3 211 a) b) Q, dm 3 /100km R 2 = 0,4087 n = 627 L, km 1 0,01 0, y = 1E-07x 4-5E-05x 3 + 0,0079x 2-0,4885x +... R 2 = 0,51 n = V ś /h Rys. 1. Zależność przebegowego zużyca palwa samochodu klasy B/K z slnkem ZI od długośc trasy przejazdu (a) średnej prędkośc przejazdu (b) Fg. 1. The dependence of mleage fuel consumpton n a B/K class car wth SI engne on the length of covered dstance (a) and drvng speed (b) Oblczone za pomocą wybranych cykl jezdnych przebegowe zużyce palwa w samochodze jest zużycem odnesena dla temperatury otoczena 266 K (Q 7 ) [9]. Jego wartość może ulec znacznej zmane po uwzględnenu wpływu temperatury otoczena T ot, długośc trasy przejazdu współczynnka wrażlwośc przebegowego zużyca palwa na temperaturę otoczena Q K [10]. Na rzeczywste przebegowe zużyce palwa Q c mogą meć wpływ: technka sterowana pojazdem, zmana energ potencjalnej pojazdu oraz tzw. manewrowa objętość palwa V m [11]. Objętość ta wylczona została jako błąd statystyczny nedolczanej objętośc zużytego palwa dla krótkch bardzo krótkch tras przejazdu samochodam A B, sterowanym przez tego samego kerującego. Zmana brzegowych warunków ruchu na jednej z tras przejazdu spowodowała zmanę welkośc V m o 75%. 3. Sens fzyczny objętośc zużytego palwa V m Objętość manewrową zużytego na trase przejazdu palwa V m w samochodze osobowym zdefnowano oblczono w [11]. Poneważ dotyczy główne brzegowych warunków ruchu, jej udzał w zużytym na trase przez zespół pojazd kerujący palwe rośne odwrotne proporcjonalne do długośc przebytej drog. Uwzględna nerzadko bardzo trudne warunk pracy slnka układu przenesena napędu w okrese włączana sę do wyłączana z ruchu na dowolnej trase. Berze pod uwagę równeż zużyce palwa na pokonane zróżncowanych dodatkowych oporów zwązanych ze zmanam kerunku ruchu, neprzewdzanych w przyjętych do oblczeń cyklach jezdnych. Poza tym objętość manewrowa uwzględna rozbeżność pomędzy zużycem rzeczywstym palwa przez slnk w warunkach stablzacj ceplnej a zużycem oblczonym za pomocą lnowego modelu, uwzględnającego stopeń wychłodzena slnka w określonej temperaturze otoczena przed trasą przejazdu o długośc zapewnającej jego stablzację ceplną [10]. Uwzględnene w oblczenach metodą wybranych parametrów czasu trwana brzegowych warunków ruchu zapewna wylczene blższego rzeczywstośc udzału w przebytej

4 212 drodze wybranych cykl jezdnych. Objętość manewrowa V m jako pochodna błędu oblczeń umożlwa jego zmnejszene na trasach bardzo krótkch ultrakrótkch rys. 1 [3]. Ma na ną równeż wpływ czas pracy slnka na begu jałowym w warunkach brzegowych. Tak węc neuwzględnona w oblczenach, brakująca objętość palwa może być sumą objętośc palwa pochodzącego z czterech źródeł (rys. 2). V bj V m V n nestacjonarne warunk pracy V ł straty na łukach V n, s slnka V n, p u.p.n. Rys. 2. Relacje pomędzy składowym zużytego palwa na warunk manewrowe V m Fg. 2. The relatons between the components of consumed fuel on V m maneuverng condtons Tabela 1 Objętość manewrowa zużytego palwa dla zamknętych, złożonych tras przejazdu samochodów klasy B/K Lp. Trasa złożona (lczba tras) V m [dm 3 ] Ops warunków brzegowych 1 L = 19 km (2) 0,10 ΔH = 0 m (parkowane uproszczone) 2 L = 20 km (2) 0,12 ΔH = 0 m (garaż/plac parkngowy) 3 L = 21 km (3) 0,20 Jw. + postój 1,5 h na trase powrotnej 4 L = 29 km (4) 0,25 Jak p. 2 + dodatkowa trasa 2 x 4,5 km 5 L = 20 km (2) 0,20 Jak w (2) lecz bardzo trudne warunk garażowana Wększość strat palwa objętośc manewrowej V m generowana jest na trase w brzegowych warunkach ruchu pojazdu w stane ceplne neustalonym (rys. 2). W warunkach tych, zależne od temperatury otoczena, np K, zużyce palwa wzrasta w perwszych sekundach pracy slnka, odpowedno, o % w slnku ZI o 75 93% w slnkach ZS [12]. Natomast z powodu ogranczeń topografcznych w warunkach brzegowych pojazd nerzadko porusza sę na 1. begu z tak małą prędkoścą, że koneczna jest praca cągła zespołu na tzw. półsprzęgle, obnżająca sprawność układu przenesena napędu η p w tych fazach napędowych do 10 40% [13]. W tabel 1 przedstawono statystyczne oblczone średne wartośc nedolczonej objętośc palwa V m na wybranych trasach przejazdu. 4. Fzyczny model rzeczywstego zużyca palwa w samochodze osobowym Zużyce palwa w samochodze osobowym w ruchu rzeczywstym zależy od znaczne wększej lczby czynnków nż w homologacyjnych cyklach jezdnych. W ruchu

5 213 Dane pomocnze H, T, I z, L w, V m, η e, Q w I z = f ( t p, T ot ) n I z = Iz = 1 Średna droga stablzacj ceplnej Lc L z, śr = Iz N T 0 T L Q T = T Q zw k 130 Qk Δ QT = 130 ΔT L z,śr T Czy trasa otwarta? H 0 N( H = 0) Q H= 100 (m g H)/L c / (η e, śr W dv ) T Czyj jest wybeg? L w > 0 N(L w = 0) 2L w Δ Qwt, = L c Δ Q w 3 dm 100km 100 ΔQ m = V m Lc Q c =Q 7 Q T + Q H Q w + Q m Q rz = K D Q c Rys. 3. Algorytm prognozowana rzeczywstego zużyca palwa na podstawe zużyca ważonego w temperaturze odnesena 266 K Q 7 Fg. 3. The algorthm of the actual fuel consumpton forecastng based on weghted average of fuel consumpton at reference temp. of 266 K Q 7 rzeczywstym na zużyce palwa wpływają dodatkowo: długość trasy przejazdu, temperatura otoczena, dynamka zman energ potencjalnej knetycznej pojazdu, brzegowe warunk ruchu, natężene zman kerunku ruchu. Poza tym stotny wpływ mają równeż stany ceplny slnka nawerzchn drog oraz stopeń załadowana pojazdu, technka

6 214 sterowana pojazdem, sprawność napędu, stan rodzaj opon tp. Jednym z ważnych czynnków nemożlwych do uwzględnena jest wpływ prędkośc watru. Skuteczne można go zmnmalzować, prowadząc badana dla małych prędkośc ruchu (do 55 km/h). Uwzględnene jak najwększej lczby czynnków mających wpływ na zużyce palwa w samochodze pozwala na dokładnejsze jego oblczene. Autor w ostatnch latach opracował program numerycznych oblczeń przebegowego zużyca palwa w samochodze na dowolnej trase na podstawe udzału drogowego u zużyca Q w wybranych cyklach jezdnych Σ(Q u ). Na rysunku 3 przedstawono algorytm oblczeń końcowych, a na rys. 4 fzyczny model przebegowego zużyca palwa. Uwzględnono w nm wpływ na oblczane zużyce palwa Q c klku ważnych poprawek ΔQ Q c = Q 7 Q T + Q H Q W + Q m (1) Jego zwązek z zużycem rzeczywstym charakteryzuje współczynnk dynamk sterowana prędkoścą ruchu K D Q rz = K D Q c (2) gdze: Q T przebegowe zużyce palwa w zmennym cyklu ważonym (266 K) [dm 3 /100 km], Q rz zmerzone (rzeczywste) zużyce palwa [dm 3 /100 km], ΔQ T poprawka uwzględnająca temperaturę otoczena, stan ceplny pojazdu długość trasy [dm 3 /100km], ΔQ H poprawka uwzględnająca zmanę energ potencjalnej samochodu [dm 3 /100 km], ΔQ W poprawka uwzględnająca udzał jazdy wybegem [dm 3 /100 km], ΔQ m poprawka uwzględnająca objętość manewrową zużytego palwa [dm 3 /100 km]. QU Q U Q U Rys. 4. Udzał poszczególnych składowych zużyca palwa w samochodze w funkcj długośc trasy Fg. 4. Partcpaton of partcular fuel consumpton components of a car n the functon of drvng dstance W przebegowym zużycu palwa w samochodze w warunkach jazdy rzeczywstej często nezbędne jest uwzględnene zaznaczonej na rys. 4 poprawk zmany energ potencjalnej pojazdu ΔQ H. Współczynnk dynamk sterowana prędkoścą samochodu K D stanow bardzo ważny wskaźnk oceny kerującego pojazdem.

7 5. Ocena technk jazdy za pomocą współczynnka K D 215 Technkę sterowana pojazdem przez kerującego najlepej charakteryzuje tzw. współczynnk dynamk sterowana prędkoścą pojazdu K D. Z dośwadczeń autora wynka, że dla różnych kerujących samochodam osobowym z slnkam ZI ZS meśc sę on w przedzale 0,8 1,6. Wyznacza sę go, dzeląc rzeczywste przebegowe zużyce palwa Q rz przez oblczone Q c. Im wartość lorazu mnejsza, tym dynamka sterowana pojazdem bardzej energooszczędna. Znaczne precyzyjnej nż dotychczas można za pomocą współczynnka K D charakteryzować technkę sterowana prędkoścą samochodu przez kerującego: jazda ekonomczna: K D = 0,8 1,1; normalna: 1,1 1,3; dynamczna: 1,3 1,6. lość dośwadczeń przypadkowych, N Rys. 5. Zależność charakterystyk punktowych współczynnka dynamk jazdy K D od lczby dośwadczeń przypadkowych Fg. 5. The dependence of pont characterstcs of K D drvng dynamcs coeffcent on the number of random cases Aby wyznaczyć warygodny dla danego kerującego konkretnym samochodem współczynnk K D, należy przeprowadzć badane określonej lczby pomarów. Na rysunku 5 za pomocą wartośc średnej K D oraz średnego odchylena standardowego przedstawono wymaganą mnmalną lczbę dośwadczeń [13]. Jak wdać na powyższym rysunku, średne odchylene standardowe dla tras krótkch stablzuje sę po 8 10 próbach. Krzywa K D lustruje wartość średną (1,09), a proste dolna górna oznaczają granczne z 70 pomarów wartośc K D. Tak węc w celu dokładnejszego wyznaczena współczynnka K D należy wząć pod uwagę co najmnej 8 10 przejazdów jednego kerującego danym pojazdem. 6. Wnosk Na podstawe przedstawonych wynków oblczeń ch analzy można wycągnąć następujące wnosk: 1. Prognozowane przebegowego zużyca palwa w samochodze w ruchu rzeczywstym, uwzględnając zużyce w wybranych cyklach jezdnych, dzęk lcznym poprawkom ΔQ, pozwala za pomocą rzeczywstej lub adaptowanej charakterystyk ogólnej slnka na dokładne (± 5%) jego oblczene w 65 80% przypadków.

8 W ruchu rzeczywstym na najkrótszych trasach przejazdu warunk ruchu wychodzą poza standardy sterowana samochodem, przewdzane w wybranych pęcu cyklach jezdnych; dotyczą one tzw. brzegowych manewrowych warunków ruchu, obecnych w każdej oblczanej trase przejazdu, a charakteryzują je czas trwana t m objętość manewrowa zużytego palwa V m. 3. Wprowadzony do oblczeń, charakterystyczny ze względu na stablną wartość dla każdego kerującego współczynnk dynamk sterowana samochodem K D może służyć jako najbardzej precyzyjny z dotychczas znanych współczynnków ocenających styl jazdy kerującego pojazdem pod względem energochłonnośc ruchu. 4. Na przebegowe zużyce palwa w samochodze w ruchu rzeczywstym mają stotny wpływ temperatura otoczena współczynnk wrażlwośc przebegowego zużyca palwa Q K oraz stopeń jego schłodzena, długość przebytej drog, topografa trasy przejazdu (w tym zmana energ potencjalnej samochodu) zwązany z ną udzał drogowy jazdy wybegem oraz warunk ruchu. Lteratura [1] Merksz J., Radzmrsk S., Kerunk zman w europejskch przepsach o emsj zaneczyszczeń pojazdów, Archwum Motoryzacj , [2] R o m a n s z y n K., Alternatywne zaslane samochodów benzyną oraz gazam LPG CNG, WNT, Warszawa [3] N a s s e r S.H. n., Computer Smulaton of Vehcle s Performance and Fuel Consumpton Under Steady and Dynamc Drvng Cnodtons, Socety of Automotve Engneers, [4] C h ł opek Z., Analza testów jezdnych do celów oceny ekologcznych właścwośc slnków spalnowych, Konferencja Pojazd a Środowsko, Radom 1999, [5] U b y s z A., Opracowane testu jezdnego unwersalnego dla ruchu w warunkach zatłoczonych ulc, Zeszyty Naukowe Poltechnk Śląskej, sera Transport, nr 42, Glwce 2001, [6] L e d u c P. n., Downszng of Gasolne Engne: an Effcent Way to Reduce CO 2 Emssons, Ol & Gas Scence and Technology Rev. IFP, Vol. 58, 2003, [7] U b y s z A., Warunk brzegowe w oblczenach numerycznych rzeczywstego zużyca palwa w samochodze, Zeszyty Naukowe Poltechnk Śląskej, sera Transport, z. 63, Glwce 2006, [8] U b y s z A., Problem nedolczana w programe EKO-DRIVE 2005 przebegowego zużyca palwa w samochodze na krótkch trasach przejazdu, Problemy Transportu, t. 2, z. 1, Glwce 2007, [9] U b y s z A., Numeryczne metody oblczana przebegowego zużyca palwa samochodu osobowego w warunkach jazdy rzeczywstej za pomocą zużyca w wybranych cyklach jezdnych, Konferencja Mędzynarodowa Konmot Autoprogres 2004, Czasopsmo Technczne, z. 6-M/2004, t. II, Wyd. Poltechnk Krakowskej, [10] U b y s z A., Wpływ temperatury otoczena na przebegowe zużyce palwa samochodu Opel Astra 1,4 16 V Komb, Konferencja Mędzynarodowa Konmot Autoprogres 2004, Czasopsmo Technczne, z. 6-M/2004, t. II, Wyd. Poltechnk Krakowskej,

9 217 [11] U b y s z A., Badane objętośc manewrowej zużytego palwa w samochodze w brzegowych warunkach ruchu, Problemy Transpotru, t. 3, z. 4, Wydawnctwo Poltechnk Śląskej (zgłoszony do druku). [12] U b y s z A., Metodyka prognozowana zużyca palwa w samochodze osobowym w ruchu rzeczywstym, manuskrypt rozprawy habltacyjnej, Poltechnka Śląska w Glwcach, 186. [13] Neunzg D., Benmmoun A., Potentale der vorausschauenden Fahrerassstenz zur Redukton des Kraftstoffverbrauchs, Aachener Kolloquum Fahrzeug und Motorentechnk 2002, 1-27.