Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 2, pp (2007) Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych JACEK KROPIWNICKI Politechnika Gdaska Wydział Mechaniczny W pracy zaproponowana została koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych, którego wyniki bd reprezentatywne dla pełnego zakresu warunków ruchu spotykanych przez uytkowników pojazdów. Głównym zastosowaniem takiego testu bdzie moliwo obiektywnej oceny efektywnoci energetycznej badanego pojazdu. Pełen zakres eksploatacji badanego pojazdu zostanie uwzgldniony dziki długoterminowej rejestracji parametrów pracy silnika i pojazdu w czasie jego codziennej eksploatacji. 1. Wstp Podczas oceny eksploatacyjnego zuycia paliwa pojazdów samochodowych najczciej uywanym parametrem jest przebiegowe zuycie paliwa (Q [dm 3 /100 km]), który to wynik odnoszony jest do szczególnych warunków ruchu. Kierowcy stosuj kilka uproszczonych kategorii warunków ruchu, dla których podawana jest warto przebiegowego zuycia paliwa. S to: jazda w miecie (czasami tworzona jest kategoria nisza jazda w godzinach szczytu), jazda poza miastem (w warunkach Polski wyrónia si jeszcze jazd w szczególnie korzystnych warunkach poza miastem, tzn. po autostradzie) oraz jazda mieszana, na któr składaj si dwa wczeniej wymienione stany eksploatacji w równym udziale. Chocia taka kategoryzacja pozbawiona jest jednoznacznych granic cieszy si najwiksz popularnoci, poniewa pozwala kierowcom prowadzi osobicie niezalene pomiary oraz stwarza niezwykł łatwo interpretacji wyników. Zaufanie kierowców do takich wyników spowodowane jest równie tym, e pomiary przebiegowego zuycia paliwa przeprowadzone s w rzeczywistych warunkach ruchu i uwzgldniaj: specyfik warunków ruchu w okrelonym miecie lub dzielnicy oraz specyfik sposobu prowadzenia pojazdu przez danego kierowc. Testy zuycia paliwa prowadzone przez producentów pojazdów musz by natomiast wykonywane według jednolitego wzorca z moliwie małym udziałem indywidualnego sposobu prowadzenia pojazdu. Daje to w efekcie powtarzalne wyniki, które mog by wykorzystywane do porównania rónych pojazdów tej samej klasy

2 170 J. Kropiwnicki pod wzgldem przebiegowego zuycia paliwa dla warunków ruchu okrelonych testem. Przykładem mog by testy jezdne ze zdefiniowanym profilem prdkoci pojazdu w czasie, wykonywane na hamowni podwoziowej, które wykorzystywane s do bada homologacyjnych pojazdów na obecno składników toksycznych w spalinach. Test NUDC (New Urban Driving Cycle) [1-5] wykonywany jest w Europie zgodnie z obowizujc w Unii Europejskiej dyrektyw 94/12/EC i 96/69/EC oraz w krajach wywodzcych si z RWPG z regulaminem ECE R83. Składa si on z dwóch czci: segmentu miejskiego UDC (Urban Driving Cycle) oraz segmentu pozamiejskiego EUDC (Extra Urban Driving Cycle). W USA opracowany został przez Amerykask Agencj Ochrony rodowiska EPA (Environmental Protection Agency) podobny test FTP-75 (Federal Test Procedure) odwzorowujcy ruch w miecie oraz test HWFET (Highway Federal Emissions Test) odwzorowujcy ruch poza miastem [1-5]. Powysze testy maj w załoeniach odwzorowywa typowe warunki ruchu pojazdów w miecie lub poza miastem, które zostały rozpoznane w drodze bada rzeczywistego ruchu drogowego. Test FTP-75 i test UDC róni si jednak znaczco od siebie nie tylko ze wzgldu na inne warunki ruchu pojazdów w USA i Europie ale równie ze wzgldu na metodyk konstrukcji samego testu. Test FTP-75 jest zapisem rzeczywistego przebiegu prdkoci w czasie, a test UDC jest przebiegiem prdkoci w postaci uproszczonych elementów okrelonych na podstawie bada statystycznych warunków ruchu. Realizowaniu powyszych profili prdkoci pojazdów na hamowni podwoziowej przez kierowców testowych towarzyszy kontrola składu spalin. Na podstawie składu spalin okrelane jest nastpnie zuycie paliwa metod bilansu wgla. Pomimo tego, e profil prdkoci testu NUDC został opracowany w latach 60. nadal jest przez producentów samochodów bardzo chtnie wykorzystywany do okre- lania zuycia paliwa pojazdów w warunkach klasyfikowanych według podobnych kryteriów jak czyni to kierowcy. Segment miejski profilu prdkoci słuy do wyznaczenia zuycia paliwa podczas jazdy w miecie, a segment pozamiejski podczas jazdy poza miastem [4]. Dla współczesnych warunków ruchu wyniki takich testów nie s jednak reprezentatywne, a obserwowane rónice w przebiegowym zuyciu paliwa osigaj bardzo due wartoci. Przykładowo: rednie przebiegowe zuycie paliwa, podczas bada 12. samochodów osobowych z silnikami ZI w warunkach testu reprezentatywnego dla Parya, przewysza o 89% zuycie okrelane zgodnie z warunkami testu NUDC [6]. Podobne prawidłowoci co do rónic w rzeczywistym zuyciu paliwa i tym wykazywanym przez producentów samochodów na podstawie bada homologacyjnych (według testu NUDC) obserwuj uytkownicy samochodów. Ponadto sterowniki współczesnych silników samochodowych s optymalizowane w celu zmniejszenia emisji substancji szkodliwych i zuycia paliwa dla warunków szczególnego zakresu pracy, tj. dla warunków testu NUDC [7, 8]. Jak wynika z powyszych rozwaa ocena eksploatacyjnego zuycia paliwa prowadzona przez kierowców samochodów napotyka na podstawowe trudnoci zwizane z brakiem wiarygodnego wzorca, z którym pomierzone w czasie eksploatacji zuycie

3 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych 171 paliwa mona porówna. Tworzenie testów reprezentatywnych dla jednego miasta, bd dzielnicy nie wydaje si by rozwizaniem perspektywicznym chociaby ze wzgldu na skal takiego przedsiwzicia. Konieczne byłoby np. badanie wszystkich typów sprzedawanych pojazdów przy uyciu testów drogowych, opracowanych dla kolejnych lokalnych warunków ruchu. Ponadto testy takie przy aktualnej dynamice rozwoju motoryzacji i infrastruktury miast naleałoby czsto aktualizowa. Alternatywnie opis warunków ruchu pojazdu moe zosta wykonany poprzez wyznaczenie dwuwymiarowych rozkładów prawdopodobiestwa stanów pracy silnika [9, 10]. Redukujc opis stanu pracy silnika do dwóch parametrów najwygodniej jest posługiwa si momentem obrotowym (M o ) oraz prdkoci obrotow (n). Dwuwymiarowy rozkład prawdopodobiestwa stanu pracy silnika mona wówczas przedstawi w postaci równania: f = f(m o, n) (1) s Okrelenie M o oraz n moliwe jest na drodze pomiarowej lub obliczeniowej. Chwilowe wartoci M o oraz n wynikaj z wartoci poboru mocy przez układ napdowy pojazdu oraz nastaw (np. wybranego biegu) i parametrów konstrukcyjnych układu napdowego (np. promienia dynamicznego koła). Wyznaczenie funkcji rozkładu prawdopodobiestwa stanów pracy silnika w formie dyskretnej wymaga okrelenia pola pracy silnika i podzielenia go na prostoktne elementy ( Ls ) o wymiarach: M omax M omin M o =, (2) i max nmax nmin n =, (3) jmax gdzie: i max, j max liczby całkowite okrelajce ilo elementów Ls, na które podzielone zostało pole pracy silnika, a nastpnie przypisaniu poszczególnym elementom prawdopodobiestwa zdarzenia, e punkt pracy silnika opisany parametrami: M o oraz n ley w polu tego elementu. W pracy [9] dwuwymiarowy rozkład prawdopodobiestwa przedstawiono jako charakterystyk gstoci czasowej, tzn. poszczególnym elementom pola pracy silnika L s przypisane zostało nie prawdopodobiestwo a czas (t [s]) współpracy silnika z odbiornikiem energii, w którym parametry: M o oraz n nale do pola Ls oznaczonego numerami i, j (rys. 1). Uzyskana charakterystyka gstoci czasowej moe nastpnie zosta uyta do okrelenia przyblionego redniego zuycia paliwa na podstawie statycznej trójwymiarowej charakterystyki zuycia paliwa konkretnego silnika: gdzie: i max j max ti, j G e = Ge( M oi, j,ni, j ) [kg/h] (4) i= 1 j= 1 tc t c [s] całkowity czas trwania testu lub okresu eksploatacji.

4 172 J. Kropiwnicki Rys. 1. Czas pracy t [s] w polu elementu L si, dla silnika samochodu Polonez j w tecie jezdnym ECE-15 [9]. Fig. 1. Engine from vehicle Polonez time of operation t [s] in area of element L si, j for driving cycle conditions ECE-15 [9]. Obliczone t drogrednie zuycie paliwa stanowi moe wzorzec do porównywania zmierzonego w czasie eksploatacji zuycia paliwa. Pomimo tego, e warto wzorcowa zuycia paliwa obliczona została dla tych samych warunków eksploatacji, w jakich uytkowany był pojazd to moliwe jest popełnienie pewnego błdu, wynikajcego z uycia charakterystyki statycznej do okrelenia zuycia paliwa w warunkach nieustalonych. Współczesne sterowniki samochodów ciarowych oraz autobusów w duej mierze automatycznie rejestruj uproszczon charakterystyk gstoci czasowej w formie dyskretnej za przyjty okres eksploatacji, co czyni opisan powyej metod szczególnie perspektywiczn.

5 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych 173 W niniejszej pracy zaproponowana została koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych, którego wyniki bd reprezentatywne dla pełnego zakresu warunków ruchu spotykanych przez uytkowników współczesnych pojazdów. Głównym zastosowaniem takiego testu bdzie moliwo obiektywnej oceny efektywnoci energetycznej badanego pojazdu dla pełnego zakresu jego eksploatacji. Pełen zakres eksploatacji badanego pojazdu zostanie uwzgldniony dziki długoterminowej rejestracji parametrów pracy silnika i pojazdu w czasie jego codziennej eksploatacji. Wykonanie pomiarów parametrów niezbdnych do analizy energetycznej nie wie si wiec z zastosowaniem hamowni podwoziowej a z odpowiedni obróbk cyfrow informacji dostpnych w sterownikach współczesnych pojazdów. 2. Zwizek przebiegowego zuycia paliwa z energi mechaniczn dostarczan do kół napdowych Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych bazuje na spostrzeeniu, i dla wybranego egzemplarza samochodu przebiegowe zuycie paliwa pozostaje w cisłej korelacji z energi mechaniczn dostarczon do kół napdowych w czasie cyklu pomiarowego, odniesion do przejechanej drogi i masy pojazdu. Zaleno powysza moe by aproksymowana funkcj liniow w postaci: gdzie: Q = k 1 Φ + k 0 (5) Q [dm 3 /100 km] przebiegowe zuycie paliwa (z wyłczeniem paliwa zuywanego przez silnik na biegu jałowym), E Φ = [J/(m kg)] energochłonno jednostkowa [4], (6) L m E energia mechaniczna dostarczona przez układ przeniesienia napdu (UPN) do kół w czasie cyklu pomiarowego t c, L całkowita droga pokonana przez pojazd, m masa całkowita pojazdu, k 1, k 0 - współczynniki funkcji aproksymujcej. Z analizy pozwalajcej wyznaczy zaleno (5) wyłczone zostały niewłaciwe stany eksploatacji bdce wynikiem złego wyboru biegu w przekładni wybieralnej. Mog one prowadzi do zwikszenia zuycia paliwa, np. jazda z wybranym II biegiem w przekładni wybieralnej przy stałej prdkoci 70 km/h, jak równie do zmniejszenia zuycia paliwa, np. przyspieszanie od prdkoci 40 km/h z wybranym IV biegiem. Eliminacja niewłaciwych stanów eksploatacji jest prowadzona poprzez rozpoznanie zastrzeonych konfiguracji: wybranego biegu, osiganego przez pojazd przyspieszenia oraz prdkoci obrotowej silnika. Eliminacja taka ma miejsce wyłcznie wtedy, gdy takie samo przyspieszenie i prdko pojazd moe osign na innym właciwym biegu.

6 174 J. Kropiwnicki Wyniki dowiadcze prowadzonych w warunkach ruchu ulicznego [4] potwierdzaj wstpnie przyjt tez (5). Były one jednak wykonane z uwzgldnieniem paliwa zuywanego przez silnik w czasie pracy na biegu jałowym, a wic w czasie gdy układ napdowy nie dostarcza energii kołom. Ponadto w zaproponowanej w niniejszej pracy metodzie uwzgldnione maj by równie krótkotrwałe stany pracy zwizane z du energochłonnoci przebiegow, np. intensywne przyspieszanie. Konieczne jest w zwizku z tym taktowanie kolejnych pomiarów przyjtymi zdarzeniami: zmiana biegów, osignicie załoonej drogi lub czasu próby. W zamieszczonym poniej przykładzie obliczeniowym cykle pomiarowe koczyły si po osigniciu przez pojazd załoonej drogi. W niniejszej pracy zaprezentowane zostan 2 przykłady obliczeniowe wyznaczania zalenoci (5) na podstawie symulacji pracy układów napdowych dwóch pojazdów z silnikami ZI. W pracy posłuono si symulacj, by ograniczy wstpne koszty bada. Energia mechaniczna przekazywana kołom napdowym moe by obliczona na 2 sposoby. Pierwszy sposób wymaga pomiarów momentu obrotowego silnika M o [11] i prdkoci obrotowej n oraz okrelenia sprawnoci układu przeniesienia napdu η : UPN E t = c ( M gdzie: t c długo cyklu pomiarowego, ω =2πn prdko ktowa silnika. 0 o ω η ) dt (7) Drugi sposób wymaga okrelenia energii przeznaczanej, w czasie przyjtego cyklu pomiarowego t c, na pokrycie oporów toczenia: t = c t 0 gdzie: F t siła oporów toczenia pojazdu, V prdko pojazdu, i oporów powietrza pojazdu: UPN E ( F V ) dt (8) t = c t E ( F V ) dt (9) p 0 gdzie: F p siła oporów powietrza, oraz energii przeznaczanej na wzrost energii kinetycznej pojazdu (w wyniku przyspieszania): p 2 t c V E k = mz j (10) 2 gdzie: m z masa zredukowana pojazdu, j i wzrost energii potencjalnej pojazdu (w wyniku pokonywania wzniesie): 0

7 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych 175 t c h = m g h 0 E (11) gdzie: g przyspieszenie ziemskie, h wysoko, na której znajduje si pojazd. Energia mechaniczna przekazywana kołom napdowym moe by wówczas obliczona według nastpujcego równania [12]: E = E + E + E + E (12) t p W niniejszej pracy wykorzystano sposób opisany równaniem (12) na okrelenie energii mechanicznej przekazywanej kołom napdowym. Przy obliczaniu poszczególnych składników równania (12) oraz wyznaczaniu parametrów pracy silnika: M o, ω wykorzystano model silnika i pojazdu samochodowego opracowanego w Katedrze Silników Spalinowych i Sprarek (SSiS) Politechniki Gdaskiej (rys. 2) [13, 14]. Model układu przeniesienia napdu oraz oporów ruchu pojazdu wykonany został z uyciem metody grafów wiza i równa stanu, która daje moliwo modelowania elementów o rónej naturze fizycznej [13]. Jest to niezwykle istotne przy analizie energetycznej pojazdów o złoonej i zrónicowanej strukturze energetycznej, np. w przypadku pojazdów hybrydowych. k h Y R G e Mo M M W d S S PW PG K S PW 1 PG 1 K 1 ω ω ω U U R R S PW PW PG (m) PW (m) PG F V (m) m z j PEW V sin α mg U R H R t R p H h Rys. 2. Model pojazdu w formie grafów wiza. Fig. 2. Vehicle s model in bond graph form. W tradycyjnym układzie napdowym (rys. 2) powizanie modelu silnika (S) oraz modelu oporów ruchu nastpuje przez przekładni wybieraln (PW), przekładni główn (PG) oraz koła jezdne (K). Siły niezachowawcze zwizane s z oporami toczenia (R t ), oporami powietrza (R p ) oraz oporami hamowania (R H ). Wyodrbniono 2 akumulatory energii zwizane z siłami zachowawczymi: energii kinetycznej w postaci zredukowanej masy ( m z j ) oraz energii potencjalnej w postaci połoenia na drodze (h). Wprowadzenie modulowanego przetwornika energii (PEW) wynikało z przyjcia rónych kierunków wektorów dla sił równoległych do drogi i sił grawitacji okrelajcych energi potencjaln. Kt α okrela odchylenie drogi od poziomu.

8 176 J. Kropiwnicki Zuycie paliwa zostało obliczone przy wykorzystaniu matematycznego modelu zawierajcego wielowymiarow charakterystyk statyczn silnika [15, 16]. W systemach energetycznych, w których ródłem energii jest silnik spalinowy, mona okreli wielowymiarow, statyczn charakterystyk silnika zdefiniowan jako funkcja wektorowa: Y = f M, ω ; M, ω L (13) gdzie: S ( ) ( ) s o o Y s wektor parametrów charakterystyki wielowymiarowej (jej parametrami mog by: sekundowe zuycie paliwa, sprawno ogólna silnika, poło- enie organu sterowania silnikiem, jednostkowa emisja składników toksycznych, itd.), L s zbiór moliwych do osignicia punktów pracy silnika (M o, ω). W niniejszych badaniach wektor Y s zawiera tylko jeden potrzebny do bada symulacyjnych parametr i jest to godzinowe zuycie paliwa G e. Wymagana do symulacji funkcja powstała poprzez aproksymacj zalenoci nazywanej charakterystyk ogóln zuycia paliwa: Ge = f ( ω,m o ). (14) Przestrzenny przebieg (14) został uzyskany w czasie bada hamownianych silników w stanach ustalonych. Nastpnie charakterystyk zuycia paliwa aproksymowano trójwymiarow funkcj, która została opracowana w Katedrze SSiS [17] i bazuje na funkcji typu Spline, która składa si z wielomianów stopnia N sklejanych w wzłach j=1...k. Spotykajce si w wzłach wielomiany s tego samego stopnia (N), maj takie same wartoci oraz wartoci pochodnych do wysokoci N-1. Uycie charakterystyki statycznej do celów symulacji pracy silnika w warunkach nieustalonych moe powodowa powstanie pewnych błdów, lecz jest to powszechnie stosowane rozwizanie, gdy istotna jest szybko oblicze [12, 15, 18]. Ponadto dowiadczenia własne autora wykazuj i popełniane błdy s w przypadku współczesnych silników ZI małe [16]. Na rysunku 3 pokazany został przebieg jednostkowego zuycia paliwa silnika pierwszego samochodu uzyskany zgodnie z zalenoci: g e Ge( ω,m = ω M o o ) (15)

9 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych g [g/kwh] e Mo [Nm] [rad/s] Rys. 3. Przebieg jednostkowego zuycia paliwa pojazdu nr 1 aproksymowany trójwymiarow funkcj. Fig. 3. Specific fuel consumption of 1 st vehicle, approximated by three-dimensional function. W tabeli 1 przedstawione zostały wybrane parametry modelowanych pojazdów. Tabela 1. Wybrane parametry modelowanych pojazdów. Table 1. Selected parameters of modeled vehicles. Nazwa parametru Warto parametru pojazd 1 pojazd 2 Masa samochodu, m [kg] Promie dynamiczny, r d [mm] Przełoenie przekładni i g ,73 głównej, Przełoenie na biegu I, i bi ,91 Wsp. oporu powietrza, C X ,32 Wsp. oporu toczenia (gładki asfalt), Sprawno ukł. przen. napdu, f to ,012 η UPN ,91

10 178 J. Kropiwnicki Prezentowane poniej wyniki symulacji pracy układów napdowych pojazdów: 1 i 2 przygotowane zostały z uyciem rzeczywistych charakterystyk statycznych silników opracowanych według metody (13). Do symulacji pracy układu przeniesienia napdu oraz oporów ruchu pojazdu został uyty model przedstawiony na rysunku 2. W obliczeniach przyjto, i sprawno układu przeniesienia napdu η UPN jest stała. Jest to powszechna praktyka przy realizacji podobnych zagadnie badawczych [4, 13]. Przyjto równie, i współczynnik mas wirujcych δ jest stały i wynosi 1. Na rysunku 4 przedstawiono wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 1 wraz ze szczegółowym opisem warunków pracy pojazdu Q [dm /100 km] normalna eksploatacja niewłaciwa eksploatacja Jazda dynamiczna Jazda spokojna NUDC Φ [J/(m. kg)] a= 1.3 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 180 km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 130 km/h ; b: V a= 1.35 m/s ² ; V= km/h ; b: II III ECE Segment miejski a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: IV a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 40 km/h ; b: III Rys. 4. Wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 1. Fig. 4. Results of simulation tests for 1 st vehicle. W dolnej czci rysunku 4 podano: maksymalne przyspieszenie, które osiga pojazd (a), zakres zmian prdkoci postpowej (V) oraz numery biegów, które były wykorzy-

11 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych 179 stane w trakcie testu (b). Kropkami zaznaczone zostały stany eksploatacji, które uwzgldniono przy wyznaczaniu prostej aproksymacyjnej (5). Krzyykami natomiast zaznaczone zostały niewłaciwe stany eksploatacji, które nie zostały uwzgldnione przy konstruowaniu prostej aproksymacyjnej (5). Szarym polem z oznaczeniem NUDC oznaczono zakres zmian parametru Φ w cyklu jezdnym NUDC. Przedstawione na rysunku 4 warunki pracy pojazdu nr 1 obejmuj zarówno krótkie stany rozpdzania pojazdu, jak równie jazd pojazdu ze stał prdkoci, a wic warunki ustalone. Odpowiednio due wartoci parametru Φ osignito dziki skróceniu wybranych do analizy fragmentów pracy układu napdowego pojazdu, np.: bardzo intensywne przyspieszanie na biegu III (ostatni punkt włczony do analizy) Q [dm /100 km] normalna eksploatacja niewłaciwa eksploatacja Jazda dynamiczna 15 Jazda spokojna 10 5 Φ [J/(m. kg)] a= 1.2 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 160 km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 130 km/h ; b: V a= 1.35 m/s ² ; V= km/h ; b: II III a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: IV a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 40 km/h ; b: III Rys. 5. Wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 2. Fig. 5. Results of simulation tests for 2 nd vehicle. Dla porównania, warunki pracy pojazdu odpowiadajce spokojnej jedzie mog zosta uzyskane podczas realizacji segmentu miejskiego testu NUDC. Na tej podstawie mona wnioskowa, e rejestracja rzeczywistych długotrwałych warunków pracy bdzie

12 180 J. Kropiwnicki powodowa znaczce zawanie analizowanych zakresów zmian parametru Φ i dlatego podczas tworzenia prostej aproksymacyjnej (5) naley wyodrbnia równie krótkie stany pracy odpowiadajce duym wartociom Φ. Wykonana na rysunku 4 aproksymacja liniowa przebiegowego zuycia paliwa Q potwierdza wstpnie przyjt tez (5) o zachowaniu cisłej korelacji przebiegowego zuycia paliwa z energochłonnoci jednostkow Φ, po odrzuceniu z analizy punktów odpowiadajcych niewłaciwej eksploatacji układu napdowego. Aproksymacja została wykonana z uyciem metody najmniejszych kwadratów a współczynnik korelacji osignł w tym wypadku bardzo du warto: ρ = Podobne rezultaty osignito przy analizie pracy układu napdowego pojazdu nr 2. Wyniki analogicznej symulacji jak dla pojazdu nr 1 zamieszczono na rysunku 5. Aproksymacja dla danych zamieszczonych na rysunku 5 wykonana została równie przy bardzo duym współczynniku korelacji: ρ = Analiza wyników Uzyskane proste aproksymacyjne w przykładach przedstawionych na rysunkach 4 i 5 mona traktowa jako funkcyjny lub dwuparametrowy (współczynniki k 1 i k 0 ) opis efektywnoci pracy układu napdowego. W odrónieniu od dotychczas uywanego przebiegowego zuycia paliwa Q [dm 3 / 100 km] opis za pomoc funkcji (5) obejmuje pełen zakres pracy układu napdowego. Nie nastpuje tutaj take niejednoznaczna klasyfikacja warunków pracy na ruch miejski i pozamiejski. Na rysunku 6. pokazane zostało wzajemne połoenie prostych aproksymacyjnych (5) uzyskanych w czasie bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i nr 2. Na rysunku 6 pokazane zostały równie równania opisujce proste aproksymacyjne. Wyniki bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i 2 pokazuj jednoznacznie, i pojazd nr 2 posiada układ napdowy, który pracuje bardziej efektywnie przy kadych spotykanych warunkach ruchu. Warunki ruchu pojazdu opisane s parametrem Φ, którego warto dla załoonego czasu trwania cyklu t c, mona obliczy korzystajc z równania (6). Wynikajc std oszczdno w zuyciu paliwa mona obliczy, przyjmujc bd jedn okrelon warto Φ, bd te jej przedział zmian z przypisan do niego funkcj gstoci rozkładu parametru Φ: fφ = f ( Φ ) (16) Funkcja gstoci rozkładu f Φ jest funkcj charakteryzujc okrelone miejsce eksploatacji (intensywno ruchu) oraz sposób prowadzenia pojazdu i moe by wyznaczona na drodze okresowej rejestracji podstawowych parametrów opisujcych warunki ruchu pojazdu: prdko, przyspieszenie, wybrany bieg w przekładni wybieralnej, kt pochylenia drogi (warto wyznaczana z uyciem czujnika przyspieszenia i przebiegu prdkoci postpowej pojazdu). W przypadku, gdy proste aproksymacyjne (5) przecinaj si (rys. 7), jednoznaczne okrelenie, który z pojazdów posiada bardziej efektywny układ napdowy nie jest moliwe. W takim wypadku naley do analizy włczy funkcj gstoci rozkładu parametru Φ (16).

13 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych Q [dm /100 km] Nieefektywna eksploatacja Pojazd nr 1 Q = Pojazd nr 2 Q = Φ Φ Efektywna eksploatacja Φ [J/(m. kg)] Rys. 6. Wzajemne połoenie prostych aproksymacyjnych (5) uzyskanych w czasie bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i nr 2. Fig. 6. Relative position of approximation straights (5), which have been obtained during simulation tests of 1 st and 2 nd vehicles. Na rysunku 7 pokazane zostały przykładowe przecinajce si proste aproksymacyjne oraz przykładowa funkcja f Φ. Przy obcieniu układu napdowego według funkcji f Φ zaproponowanej na rysunku 7 decydujcy wpływ na wybór jednostki efektywniejszej bdzie miało niewtpliwie jej przebiegowe zuycie paliwa Q w obszarze tzw. jazdy spokojnej. W ogólnym przypadku dysponujc funkcj f Φ, okrelajc sposób eksploatacji pojazdu, mona wyznaczy przecitne zuycie paliwa przez pojazd na podstawie równania: Q Φ = max Φ Φmin [ f ( k k )] Φ + Φ (17) 1 0 d gdzie: Φ min, Φ max granice zmian parametru Φ. Dla przyjtych granic zmian parametru Φ spełniony musi by ponadto warunek: Φmax f Φ dφ = 1 (18) Φmin Uproszczon analiz efektywnoci układów napdowych pojazdów mona take wykona wykorzystujc wskanik równy polu zamknitemu pod prost aproksymacyjn (5): 1 ef = ( Q + Q ) ( Φmax Φmin ) (19) 2 Φmax Φmin

14 182 J. Kropiwnicki Przyjmujc, e: f Φ = const mniejsza warto tego wskanika bdzie odpowiadała bardziej efektywnemu układowi napdowemu. Q f Φ Jazda dynamiczna Q Pojazd nr 1 f Φ Q Pojazd nr 2 Jazda spokojna Φ min Φ Φ max Rys. 7. Wzajemne połoenie przecinajcych si prostych aproksymacyjnych (5) wraz z funkcj gstoci rozkładu parametru Φ. Fig. 7. Relative position of approximation straights (5) with density function of distribution of parameter Φ. 4. Nowy test energetyczny dla pojazdów samochodowych Koncepcja nowego testu energetycznego polega na wyznaczeniu w czasie regularnej eksploatacji pojazdu zbioru punktów: {Q; Φ} poprzez pomiar i rejestracj podstawowych parametrów pracy silnika i pojazdu. Zakłada si, i parametr Φ zostanie wyznaczony przy uyciu metody (7) lub (12), natomiast przebiegowe zuycie paliwa Q zostanie obliczone na podstawie czasu otwarcia wtryskiwacza oraz prdkoci obrotowej silnika [19]. Wynikiem przeprowadzonego testu bdzie wyznaczenie prostej aproksymacyjnej opisanej równaniem (5), której połoenie okrela efektywno układu napdowego pojazdu dla pełnego zakresu jego pracy. Im niej prosta (5) jest połoona tym wiksza jest efektywno pracy układu napdowego pojazdu. Wykorzystania prostej aproksymacyjnej (5) upatruje si głównie przy porównaniach rónych pojazdów pod wzgldem efektywnoci pracy ich układów napdowych (zuycia paliwa dla tych samych warunków pracy). Prosta aproksymacyjna (5) moe stanowi metryk energetyczn pojazdu a jej biece, zbyt wysokie połoenie moe kwalifikowa pojazd do naprawy bd wycofania z ruchu ze wzgldu na zbyt du emisj CO 2 (w przypadku, gdy ograniczenie takie zostanie ju wprowadzone).

15 Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych 183 Literatura [1] CHŁOPEK Z.: Ochrona rodowiska naturalnego. WKiŁ, Warszawa [2] GRONOWICZ J.: Ochrona rodowiska w transporcie ldowym. Politechnika Poznaska, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu, [3] MERKISZ J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna [4] SIŁKA W.: Teoria ruchu samochodu. WNT, Warszawa [5] MERCEDES-BENZ: Grenzwerte, Vorschriften und Messung der Abgas-Emissionen sowie Berechnung des Kraftstoffverbrauchs aus dem Abgastest. [6] CAYOT J. F.: Compared fuel consumption between gasoline and diesel cars during short urban drive. Reducing automobile fuel consumption: a challenge for the turn of the century, Rueil- Malmaison, 4 X [7] ABAFFY J., RUDZISKA K., i in.: Modeling and optimizing fuel consumption and pollutant emissions in a car. Instituto Universitario di Bergamo [8] NITA J., SCHUBRING T.: Zastosowanie funkcji sklejanych w modelowaniu silnika benzynowego dla syntezy jego sterowania. Journal of KONES, Warszawa-Gdask 1998, ss [9] CICHY M.: Nowe teoretyczne ujcie charakterystyki gstoci czasowej. Silniki spalinowe Nr 2-3, [10] CHŁOPEK Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Oficyna Wydawnicza Politechnik Warszawskiej, Warszawa [11] FEHRENBACH H., HOHMANN C., SCHMIDT TH., SCHULTALBERS W., RASCHE H.: Bestimmung des Motordrehmoments aus dem Drehzahlsignal. MTZ 12/2002, s [12] COMBE T., KOLLREIDER A., RIEL A., SCHYR CH.: Modellabbildung des Antriebsstrangs- Echtzeitsimulation der Fahrzeuglaengsdynamik. MTZ 1/2005, s [13] CICHY M.: Modelowanie systemów energetycznych. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask [14] CICHY M., KROPIWNICKI J.: Model procesu hamowania w pojedzie hybrydowym. Archiwum Motoryzacji, Wydawnictwo Naukowe PTNM 2005/4, s [15] CICHY M., KROPIWNICKI J., MAKOWSKI S.: Model silnika spalinowego w formie grafów wiza (GW). A model of the IC engine in the form of the bond graph (BG). Silniki Spalinowe - Combustion Engines, 2004 s [16] KROPIWNICKI J.: The possibilities of using of the engine multidimensional characteristics in fuel consumption prediction (Moliwoci uycia charakterystyki wielowymiarowej silnika w obliczeniach zuycia paliwa). J. KONES 2002 vol. 9 nr 1-2 s [17] KROPIWNICKI J.: The Application of spline function for approximation of engine characteristics. Archiwum Motoryzacji, PWN Warszawa 2000/4, s [18] LUDMANN J., WEILKES M.: Fahrermodelle als Hilfsmittel fuer die Entwicklung von ACC-Systemen. ATZ 5/1999, s [19] KNEBA Z., KROPIWNICKI J.: Porednie metody pomiaru chwilowego zuycia paliwa w silniku ZI o wtrysku porednim. V Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Pojazd a rodowisko: Jedlnia-Letnisko, czerwca 2005, Wydaw. P. Radom., S Conception of new energetic test for vehicles S u m m a r y In the paper conception of new energetic test for vehicles has been presented. Results of the test will be representative for full range of operation conditions, which can be meet by vehicle users. Main application for such test will be possibility of objective estimation of tested vehicle s energetic efficiency. Full range of vehicle s operation conditions will be included using long-period engine s and vehicle s parameters recording during ordinary use.