( t) Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania w autobusie miejskim. 1. Wprowadzenie T = (3) ZDZISŁAW CHŁOPEK

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 2, pp (27) Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania w autobusie miejskim ZDZISŁAW CHŁOPEK Politechnika Warszawska W artykule przedstawiono wyniki bada warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania w autobusie miejskim. Badania wykonano w czasie eksploatacji autobusu na linii komunikacyjnej w Poznaniu. Rejestrowano przebiegi m.in. prdkoci obrotowej silnika oraz jego sterowania. Na podstawie wyników pomiarów przeanalizowano statyczne stany pracy silnika odpowiadajce stanom dynamicznym w warunkach rzeczywistego uytkowania. W wyniku analizy statycznych stanów silnika zaproponowano warunki bada silnika ze wzgldu na emisje zanieczyszcze i zuycie paliwa.. Wprowadzenie Stan pracy silnika spalinowego jest okrelony w warunkach dynamicznych przebiegami wielkoci, charakteryzujcych intensywno jego działania oraz stan cieplny [2, 3]. Do opisu intensywnoci działania silnika moe by wykorzystana prdko obrotowa oraz wielko, charakteryzujca obcienie, najczciej moment obrotowy lub rednie cinienie uyteczne, rzadziej w silnikach o zapłonie iskrowym podcinienie w układzie dolotowym [2]. Stan cieplny silnika jest okrelony zbiorem temperatur czci silnika oraz jego czynników eksploatacyjnych. Jako parametr stanu cieplnego silnika mona przyj temperatur cieczy chłodzcej lub oleju silnikowego [2]. W warunkach rzeczywistego uytkowania stan silnika jest opisany procesami: prdkoci obrotowej n, momentu obrotowego M e i wektora stanu cieplnego T, bdcymi funkcjami czasu t: ( t) f Me( t) ( t) n = fn () M = (2) e T = (3) f T

2 86 Z. Chłopek W warunkach cigłej pracy silnika spalinowego w autobusach miejskich stan cieplny silnika mona przyj jako ustabilizowany, w zwizku z czym dalsze rozwa- ania bd prowadzone jedynie dla prdkoci obrotowej i momentu obrotowego. W celu umoliwienia zastosowania opracowanych procedur badawczych do silników o rónych parametrach uytecznych wprowadza si pojcia wzgldnych wielko- ci: prdkoci obrotowej i momentu obrotowego, odnoszone do wielkoci na zewntrznej charakterystyce szybkociowej silnika. Wzgldna prdko obrotowa jest to [, 3]: n n n bj w = (4) n N nbj gdzie: n prdko obrotowa, n bj minimalna prdko obrotowa biegu jałowego, n N znamionowa prdko obrotowa. Wzgldny moment obrotowy dla prdkoci obrotowej n wynosi [, 3]: ( n) M M = e ew M (n) (5) gdzie: M e (n) moment obrotowy dla prdkoci obrotowej n, M ez (n) moment obrotowy na charakterystyce zewntrznej dla prdkoci obrotowej n. Podobnie jest definiowana wzgldna moc uyteczna dla prdkoci obrotowej n: ez ( n) N N = e ew N (n) (6) gdzie: N e (n) moc uyteczna dla prdkoci obrotowej n, N ez (n) moc uyteczna na charakterystyce zewntrznej dla prdkoci obrotowej n. We współrzdnych wzgldnych stan pracy silnika spalinowego jest opisywany do procesami: n = w fnw ( t) (7) M = ew fmew ( t) (8) Istot procedur badawczych silników spalinowych jest opracowanie testów, symulujcych rzeczywiste warunki uytkowania lub rzeczywistych właciwoci uytkowych zgodnie z przyjtymi kryteriami podobiestwa [2 5]. Jeli przyj załoenie, e synteza testu badawczego jest zadaniem apriorycznym [2, 3], tzn. jest dokonywana zgodnie z kryterium podobiestwa warunków uytkowania i bada, to opracowane testy s uniwersalne w stosunku do wszystkich silników o rozpatrywanym zastosowaniu [2, 3]. ez

3 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 87 Synteza testu dynamicznego polega na budowie funkcji czasu [2, 3]: wzgldnej prdkoci obrotowej n = w fns ( t) 7) wzgldnego momentu obrotowego M = ew fmes( t) (8) zgodnie z przyjtymi kryteriami podobiestwa stanów pracy i właciwoci silnika w warunkach bada i rzeczywistego uytkowania. Synteza testu statycznego sprowadza si do wyznaczenia [2 5]: współrzdnych punktów pomiarowych: wzgldnej prdkoci obrotowej n [ ] T ws = n ws,n ws2,, nwsk (9) oraz wzgldnego momentu obrotowego M = M,M,, M () ews [ ] T ews udziałów (współczynników wagowych) poszczególnych punktów w całym tecie, zgodnie z którymi s uredniane wyniki bada w poszczególnych punktach testu u = [ u ] T, u2,, uk () gdzie: k liczba punktów testu. Do opracowania procedur badawczych silników autobusów miejskich konieczna jest analiza wyników bada warunków pracy silników rzeczywicie uytkowanych w autobusach na liniach komunikacyjnych. Z dowiadcze wiadomo, e warunki te mog si znacznie róni ze wzgldu na specyfik uytkowania autobusów miejskich od warunków silników innych pojazdów samochodowych [6 ]. 2. Analiza warunków pracy silnika spalinowego w autobusie miejskim Badania przeprowadzono na autobusie MAN A27 solo w czasie dwóch przejazdów na półkursach linii komunikacyjnej w Poznaniu, reprezentatywnej dla ruchu w duych miastach europejskich. W czasie jazdy rejestrowano z czstotliwoci Hz m.in.: prdko obrotow silnika, ews2 sterowanie silnika, przełoenia biegów. W rozwaaniach przyjto załoenie, e wzgldny moment obrotowy jest proporcjonalny do sterowania silnika. Z bada własnych autora wynika, e dla silników o zapłonie samoczynnym w zastosowaniach do autobusów jest uzasadnione przyjcie takiego załoenia. Na rysunkach 3 przedstawiono przebiegi wzgldnej prdkoci obrotowej, wzgldnego momentu obrotowego oraz wzgldnej mocy uytecznej w tecie. ewsk

4 88 Z. Chłopek,2 n w,6, t [s] Rys.. Przebieg wzgldnej prdkoci obrotowej w tecie. Fig.. The relative engine speed in the test No.,2 M ew,6, t [s] Rys. 2. Przebieg wzgldnego momentu obrotowego w tecie. Fig. 2. The relative engine torqe in the test No.

5 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 89,2 N ew,6, t [s] Rys. 3. Przebieg wzgldnej mocy uytecznej w tecie. Fig. 3. The relative engine effective power in the test No. Przebiegom tym odpowiadaj statyczne stany pracy silnika w tecie dla nastpujcych warunków: w całym tecie, bez uwzgldniania faz hamowania, bez uwzgldniania faz hamowania oraz biegu jałowego. Statyczne stany pracy silnika we współrzdnych: wzgldna prdko obrotowa wzgldny moment obrotowy oraz wzgldna prdko obrotowa wzgldna moc uyteczna dla wymienionych warunków zostały przedstawione na rysunkach 4 9. Na wykresach zaznaczono punkty o współrzdnych wartoci rednich: wzgldnej prdko- ci obrotowej, wzgldnego momentu obrotowego i wzgldnej mocy uytecznej.

6 Z. Chłopek 9,2 Mew,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 4. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dny moment obrotowy. Fig. 4. The set of the engine static work states in the test No in the coordinates: the relative engine speed the relative engine torque.,2 New,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 5. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dna moc u yteczna. Fig. 5. The set of the engine static work states in the test No in the coordinates: the relative engine speed the relative engine effective power.

7 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego u ytkowania 9,2 Mew,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 6. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie bez uwzgl dniania faz hamowania we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dny moment obrotowy. Fig. 6. The set of the engine static work states in the test No without the phases of a braking with an engine in the coordinates: the relative engine speed the relative engine torque.,2 New,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 7. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie bez uwzgl dniania faz hamowania we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dna moc u yteczna. Fig. 7. The set of the engine static work states in the test No without the phases of a braking with an engine in the coordinates: the relative engine speed the relative engine effective power.

8 Z. Chłopek 92,2 Mew,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 8. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie bez uwzgl dniania faz hamowania oraz biegu jałowego we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dny moment obrotowy. Fig. 8. The set of the engine static work states in the test No without the phases of a braking with an engine and an idle engine in the coordinates: the relative engine speed the relative engine torque.,2 New,6,2 -,2,2,6,2 nw Rys. 9. Zbiór statycznych stanów pracy silnika w te cie bez uwzgl dniania faz hamowania oraz biegu jałowego we współrz dnych wzgl dna pr dko obrotowa wzgl dna moc u yteczna. Fig. 9. The set of the engine static work states in the test No without the phases of a braking with an engine and an idle engine in the coordinates: the relative engine speed the relative engine effective power.

9 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 93 Na rysunkach 3 przedstawiono dwuwymiarowe histogramy wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w tecie dla rozpatrywanych warunków. Histogramy te róni si znacznie szczególnie due znaczenie ma dla tej rónicy duy udział czasu pracy silnika na biegu jałowym w czasie uytkowania autobusu na trasie linii komunikacyjnej. Na rysunkach 3 22 zestawiono zbiorcze charakterystyki punktowe badanych procesów. Na rysunku 3 przedstawiono udziały stanów biegu jałowego u A, hamowania u B oraz zerowego momentu obrotowego u C w tecie. Na rysunkach 4 6 s przedstawione wartoci rednie, na rysunkach 7 9 odchylenie standardowe, a na rysunkach 2 22 współczynnik zmiennoci wzgldnej prdkoci obrotowej, wzgldnego momentu obrotowego i wzgldnej mocy uytecznej dla rozpatrywanych wczeniej warunków. Rys.. Dwuwymiarowy histogram wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w tecie. Fig.. The two dimensional distribution of the relative engine speed and the relative engine torque in the test No.

10 94 Z. Chłopek Rys.. Dwuwymiarowy histogram wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w tecie bez uwzgldniania faz hamowania. Fig.. The two dimensional distribution of the relative engine speed and the relative engine torque in the test No without the phases of a braking with an engine. Rys. 2. Dwuwymiarowy histogram wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w tecie bez uwzgldniania faz hamowania oraz biegu jałowego. Fig. 2. The two dimensional distribution of the relative engine speed and the relative engine torque in the test No without the phases of a braking with an engine and an idle engine.

11 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 95 Bieg jałowy Hamowanie Moment równy,,2,3,5,6 ua, u A, ub, u uc u C Rys. 3. Udziały stanów biegu jałowego, hamowania oraz zerowego momentu obrotowego w tecie. Fig. 3. The fractions of an idle engine, a braking with an engine and the engine torque equal zero in the test No.,,2,3,5 ua, AV(n ub, w) uc Rys. 4. Wartorednia wzgldnej prdkoci obrotowej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 4. The average value of the relative engine speed in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,,2,3,5,6 ua, AV(Mew) ub, uc Rys. 5. Wartorednia wzgldnego momentu obrotowego w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 5. The average value of the relative engine torque in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,5,,5,2,25,3,35 ua, AV(New) ub, uc Rys. 6. Wartorednia wzgldnej mocy uytecznej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 4. The average value of the relative engine effective power in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.

12 96 Z. Chłopek,5,,5,2,25,3 ua, D(nw) ub, uc Rys. 7. Odchylenie standardowe wzgldnej prdkoci obrotowej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 7. The standard deviation of the relative engine speed in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,,2,3 ua, D(Mew) ub, uc Rys. 8. Odchylenie standardowe wzgldnego momentu obrotowego w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 8. The standard deviation of the relative engine torque in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,5,,5,2,25,3,35 ua, D(New) ub, uc Rys. 9. Odchylenie standardowe wzgldnej mocy uytecznej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 9. The standard deviation of the relative engine effective power in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.

13 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 97,2,6,2 ua, w(n ub, w) uc Rys. 2. Współczynnik zmiennoci wzgldnej prdkoci obrotowej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 2. The variation coefficient of the relative engine speed in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,2,6,2,4,6 ua, w(mew) ub, uc Rys. 2. Współczynnik zmiennoci wzgldnego momentu obrotowego w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 2. The variation coefficient of the relative engine torque in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine.,2,6,2,4,6 ua, w(n ub, ew) uc Rys. 22. Współczynnik zmiennoci wzgldnej mocy uytecznej w tecie : całkowitym oraz bez uwzgldniania hamowania i biegu jałowego. Fig. 22. The variation coefficient of the relative engine effective power in the test No : the total test and the test without the phases of a braking with an engine and an idle engine. Due wartoci współczynnika zmiennoci badanych procesów potwierdzaj znaczny wpływ stanów dynamicznych silnika w eksploatacji w autobusie na trasie linii komunikacyjnej na ogólne warunki pracy silnika. W wyniku analizy gstoci prawdopodobiestwa procesów wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego oraz statycznych stanów pracy silnika w tecie zaproponowano statyczny test badawczy, symulujcy stany pracy silnika w warunkach dynamicznych testu, bdcego wynikiem bada empirycznych w czasie eksploatacji autobusu na linii komunikacyjnej rysunek 23. Statyczny test badawczy opracowano zgodnie z zasad podobiestwa dwuwymiarowej gstoci prawdopodobiestwa wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w te- cie eksploatacyjnym i w badaniach statycznych przy uwzgldnieniu udziału biegu jałowego w tecie eksploatacyjnym.

14 98 Z. Chłopek,2 M ew,6,5,9,9,5,2,7,7 7 -,2 -,2,2,6,2 Rys. 23. Statyczny test badawczy opracowany zgodnie z zasad podobiestwa dwuwymiarowej gstoci prawdopodobiestwa wzgldnej prdkoci obrotowej i wzgldnego momentu obrotowego w tecie i w badaniach statycznych (pola kół proporcjonalne do udziałów statycznych stanów w tecie). Fig. 23. The static reseach test developed on the basis of a similarity of the two dimensional distribution of the relative engine speed and the relative engine torque in the test No and in the static research (the circle areas are proportional to the static fractions in the test). Opracowany statyczny test badawczy jest zbudowany zgodnie z kryterium podobiestwa wielkoci determinujcych właciwoci silnika w warunkach bada i warunkach rzeczywistego uytkowania jest to synteza testu na zasadzie apriorycznej [2, 3]. Wyniki bada uzyskiwane w testach tworzonych na zasadzie apriorycznej mog by w ogólnoci niezgodne z właciwociami silników w warunkach rzeczywistego uytkowania, ale testy te maj charakter powszechny w stosunku do wszystkich silników [2, 3]. n w Podsumowanie Wyniki empirycznych bada warunków pracy silnika spalinowego w autobusie w czasie jazdy na linii komunikacyjnej potwierdziły du zmienno tych warunków, charakteryzujc si m.in. duym udziałem czasu pracy silnika na biegu jałowym (ponad 4%) oraz znacznym udziałem stanów dynamicznych, czego dowodem s due wartoci współczynnika zmiennoci procesów: wzgldnej prdkoci obrotowej, wzgldnego momentu obrotowego i wzgldnej mocy uytecznej. Mimo znacznego udziału stanów dynamicznych w warunkach pracy silnika w czasie rzeczywistej eksploatacji celowe jest rozpatrywanie moliwoci badania silników w warunkach statycznych, odpowiadajcych rzeczywistym warunkom dynamicznym zgodnie z przyjtymi kryteriami podobiestwa. Celowo takich bada wynika głównie z przesłanek praktycznych. Badania w warunkach statycznych s duo łatwiejsze do przeprowadze-

15 Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania 99 nia ni w warunkach dynamicznych, przede wszystkim ze wzgldu na wymagania sprztowe laboratoriów [, 3 5]. Drugi powód, upowaniajcy do rozwijania statycznych metod bada silników do autobusów, wynika z właciwoci tych silników w warunkach statycznych i dynamicznych. Właciwoci silników o zapłonie samoczynnym o wtrysku bezporednim s stosunkowo mało wraliwe na wystpowanie stanów dynamicznych, cho wpływ tych stanów na emisj niektórych zanieczyszcze jest istotny, sporód zjawisk najbardziej dotkliwych dla rodowiska szczególnie na emisje czstek stałych [2, 4, 5]. Wyniki planowanych bada hamownianych silnika w warunkach opracowanego testu statycznego oraz w warunkach dynamicznych, odpowiadajcych warunkom pracy silnika w rzeczywistej eksploatacji, zgodnie z zasad wiernej symulacji w dziedzinie czasu, bd stanowiły weryfikacj zaproponowanej metody badawczej silników autobusów komunikacji miejskiej. Podzikowanie Wyrazy wielkiego podzikowania kieruj do Pana dra in. Marka Gajdowicza Dyrektora Technicznego Voith Turbo Sp. z o.o. za wykonanie dla mnie bada autobusu w warunkach trakcyjnych oraz za udostpnienie mi wyników tych bada do celów prac naukowych. Literatura [] CHŁOPEK Z., ROSTKOWSKI J.: y dynamiczne do bada emisji zanieczyszcze z silników spalinowych. The Sixth International Symposium Combustion Engines in Military Applications. Jurata 23. [2] CHŁOPEK Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z. 73. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 999. [3] CHŁOPEK Z.: O kryteriach równowanoci warunków eksploatacji i warunków bada silników spalinowych. Fourth International Symposium on Combustion Engines in Military Applications. Jurata 999. [4] CHŁOPEK Z.: Statyczne testy badawcze silników spalinowych do symulacji testów dynamicznych. Journal of KONES 2. [5] CHŁOPEK Z.: Synteza statycznych testów badawczych silników spalinowych. PAN Oddział w Krakowie. Teka Komisji Naukowo Problemowej Motoryzacji. Zeszyt 8, Kraków 999. [6] Emission Cycles. [7] ROSTKOWSKI J., BRADY J., TORRES J.: Exhaust emissions testing of fifteen buses in Santafe de Bogotá, D.C. operating with and 3 ppm sulphur diesel. Technical report. Environment Canada, Environmental Technology Centre, Emissions Research Measurement Division and Empresa Colombiana de Petróleos and Instituto Colombiano del Petroleo Ecopetrol. Ottawa 2. [8] SAE Recommended Practise: Procedure for the Measurement of Gaseus Exhaust Emissions from Small Utility Engines. SAE J88; February 993. [9] TURNER J.E.: Ontario s experience with natural gas powered buses. Conferenza Europea sul metano nei transporti. Bologna 992. [] UITP International Association of Public Transport: SORT Standardised On Road s Cycles. Brussels Belgium 23.

16 2 Z. Chłopek Research of internal combustion engine conditions in a real operation in a city bus S u m m a r y In the paper are presented research results of engine conditions in a real operation in a city bus. Research were carried out on a city bus operation in Poznan. The processes of the engine speed and the engine torque were recorded. On the research result ground were the static states of the engine analysed. On the analysis result ground were worked out the conditions of engine research for the pollution emission and the fuel consumption.