ESTIMATION OF ENERGY EFFECTIVENESS OF VEHICLE USING CRUISE OPERATING DATA

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No ESTIMATION OF ENERGY EFFECTIVENESS OF VEHICLE USING CRUISE OPERATING DATA Jacek Kropiwnicki Gdask Uniwersity of Technology, Mechanical Engineerging Faculty ul. Narutowicza 11/12, Gdask tel.: , fax jkropiwn@pg.gda.pl Abstract New method of estimation of energy effectiveness of vehicle has been presented in this work. The opinion on the energy effectiveness of automobile vehicle has measurable meaning both for indyvidual users, and also for of transport firms and communication firms. The complex analysis of results can contribute to the lowering of the expenditure of the energy (fuel) and the emission of toxic complexes in engine exhaust. The opinion on the energy effectiveness of car vehicle enables: the delimitation of a optimum control of car powerplant system, the detection of defects in car powerplant system, the choice of the optimum road route, the choice of proper exploitation materials, the choice of the best powerplant unit (of applied design solutions). Its results will be representative for whole range of propulsion system operation. The whole range of propulsion system operation will be included using long-time recording of the car s basic operating parameters. This method can also be used for comparison of energy effectiveness of different cars in the same operating conditions. For example: when somebody wants to buy a car, he can compare different vehicles with regard to the amount of fuel consumed in car operating conditions specific for him as a driver. Keywords: operation of vehicles, fuel consumption OCENA DOBROCI ENERGETYCZNEJ POJAZDU SAMOCHODOWEGO NA PODSTAWIE DANYCH POCHODZCYCH Z BIECEJ EKSPLOATACJI Streszczenie W pracy zaproponowana zostaa nowa metoda oceny dobroci energetycznej pojazdu samochodowego, którego wyniki bd reprezentatywne dla penego zakresu warunków ruchu spotykanych przez uytkowników pojazdów. Ocena dobroci energetycznej pojazdu samochodowego ma wymierne znaczenie zarówno dla idnywidualnych uytkowników, jak równie dla firm transportowych i komunikacyjnych. Kompleksowa analiza wyników moe si przyczyni do obnienia zuycia energii (paliwa) oraz emisji zwizków toksycznych w spalinach. Ocena dobroci energetycznej pojadów samochodowych umoliwia: wyznaczenie optymalnego sterowania ukadem napdowym, wykrycie usterek w ukadzie napdowym, wybór optymalnej drogi przejazdu, dobór waciwych materiaów eksploatacyjnych, wybór najlepszej jednostki napdowej (zastosowanych rozwiza konstrukcyjnych). Peen zakres eksploatacji badanego pojazdu zostanie uwzgldniony dziki dugoterminowej rejestracji parametrów pracy silnika i pojazdu w czasie jego codziennej eksploatacji. Metoda ta moe równie posuy do przeprowadzenia porównania efektywnoci energetycznej rónych pojazdów dla tych samych, szczególnych warunków eksploatacji. Przykadowo, kto decydujc si na zakup samochodu moe przeprowadzi porównanie rónych egzemplarzy ze wzgldu na ilo zuywanego paliwa przy sposobie eksploatacji waciwym dla niego jako kierowcy. Sowa kluczowe: eksploatacja pojazdów samochodowych, zuycie paliwa 1. Wstp Ocena dobroci energetycznej pojazdu samochodowego ma wymierne znaczenie zarówno dla idnywidualnych uytkowników, jak równie dla firm transportowych i komunikacyjnych. Kompleksowa analiza wyników moe si przyczyni do obnienia zuycia energii (paliwa) oraz

2 J. Kropiwnicki emisji zwizków toksycznych w spalinach. Ocena dobroci energetycznej pojadów samochodowych umoliwia: - wyznaczenie optymalnego sterowania ukadem napdowym, - wykrycie usterek w ukadzie napdowym, - wybór optymalnej drogi przejazdu, - dobór waciwych materiaów eksploatacyjnych, - wybór najlepszej jednostki napdowej (zastosowanych rozwiza konstrukcyjnych). Do ocena dobroci energetycznej pojazdu samochodowego wykorzystywany jest najczciej jeden z dwóch parametrów: - sprawno eksploatacyjna: exp [%] - przebiegowe zuycie paliwa: Q [dm 3 /100 km]. Uycie drugiego z wymienionych parametrów do oceny dobroci energetycznej pojazdu cieszy si zdecydowanie najwiksz popularnoci wród kierowców poniewa pozwala im prowadzi osobicie niezalene pomiary oraz stwarza niezwyk atwo interpretacji wyników. Zaufanie kierowców do takich wyników spowodowane jest równie tym, e pomiary przebiegowego zuycia paliwa prowadzone s w rzeczywistych warunkach ruchu i uwzgldniaj specyfik warunków ruchu w okrelonym miecie lub dzielnicy oraz specyfik sposobu prowadzenia pojazdu przez danego kierowc. Ocena eksploatacyjnego zuycia paliwa prowadzona przez kierowców samochodów napotyka jednak na podstawowe trudnoci zwizane z brakiem wiarygodnego wzorca, z którym pomierzone w czasie eksploatacji zuycie paliwa mona porówna. Konieczna jest w zwizku z tym identyfikacja warunków eksploatacji pojazdu i przypisania im wedug przyjtego modelu referencyjnego zuycia paliwa. 2. Charakterystyka metody Zaproponowana metoda oceny dobroci energetycznej pojazdu samochodowego bazuje na spostrzeeniu, i dla wybranego egzemplarza samochodu przebiegowe zuycie paliwa pozostaje w cisej korelacji z energi mechaniczn dostarczon do kó napdowych w czasie cyklu pomiarowego, odniesion do przejechanej drogi i masy pojazdu. Zaleno powysza moe by aproksymowana funkcj liniow w postaci [10]: Q k 1 k 0, (1) gdzie: Q [dm 3 /100 km] - przebiegowe zuycie paliwa (z wyczeniem paliwa zuywanego przez silnik na biegu jaowym), E [J/(m kg)] - energochonno jednostkowa [15], (2) L m E - energia mechaniczna dostarczona przez ukad przeniesienia napdu do kó w czasie cyklu pomiarowego t c, L - cakowita droga pokonana przez pojazd, M - masa cakowita pojazdu, k 1, k 0 - wspóczynniki funkcji aproksymujcej. Zaleno (1) bdzie dalej nazywana metryk energetyczn pojazdu. Z analizy pozwalajcej wyznaczy zaleno (1) wyczone zostay niewaciwe stany eksploatacji bdce wynikiem zego wyboru biegu w przekadni wybieralnej. Mog one prowadzi do zwikszenia zuycia paliwa, np. jazda z wybranym II biegiem w przekadni wybieralnej przy staej prdkoci 70 km/h. Eliminacja niewaciwych stanów eksploatacji jest prowadzona poprzez rozpoznanie 240

3 Estimation of Energy Effectiveness of Vehicle Using Cruise Operating Data zastrzeonych konfiguracji: wybranego biegu, osiganego przez pojazd przyspieszenia oraz prdkoci obrotowej silnika. Eliminacja taka ma miejsce wycznie wtedy, gdy takie samo przyspieszenie i prdko pojazd moe osign na innym waciwym biegu. Wyniki dowiadcze prowadzonych w warunkach ruchu ulicznego [15] potwierdzaj wstpnie przyjt tez (1). Byy one jednak wykonane z uwzgldnieniem paliwa zuywanego przez silnik w czasie pracy na biegu jaowym, a wic w czasie gdy ukad napdowy nie dostarcza energii koom. Ponadto w zaproponowanej w niniejszej pracy metodzie uwzgldnione maj by równie krótkotrwae stany pracy zwizane z du energochonnoci przebiegow, np. intensywne przyspieszanie. Konieczne jest w zwizku z tym taktowanie kolejnych pomiarów przyjtymi zdarzeniami: zmiana biegów, osignicie zaoonej drogi lub czasu próby. Energia mechaniczna przekazywana koom napdowym moe by obliczona na podstawie pomiarów momentu obrotowego silnika M o [6] lub wyznaczana z odpowiedniego modelu [11] i prdkoci obrotowej n oraz okrelenia sprawnoci ukadu przeniesienia napdu UPN : E t c 0 ( M o UPN ) dt, (3) gdzie: t c - dugo cyklu pomiarowego, 2n - prdko ktowa silnika. Poniej zamieszono przykad symulacji pracy ukadów napdowych pojazdów: 1. i 2., które przygotowane zostay z uyciem modelu w formie grafów wiza [4, 5, 11] przedstawionego na Rys. 1. oraz rzeczywistych charakterystyk statycznych silników [10]. Y R G M M M e W d S S o PW PG K S PW 1 PG 1 K 1 U U R R S PW PW PG (m) PW (m) PG F V (m) m z j PEW V sin mg R R H p R U t H Rys. 1. Model pojazdu w formie grafów wiza Fig. 1. Model of engine in bond graph form h Zuycie paliwa zostao obliczone przy wykorzystaniu matematycznego modelu zawierajcego wielowymiarow charakterystyk statyczn silnika [3, 9]. Na Rys. 2. przedstawiono wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 1 wraz ze szczegóowym opisem warunków pracy pojazdu. W dolnej czci rysunku podano: maksymalne przyspieszenie, które osiga pojazd (a), zakres zmian prdkoci liniowej (V) oraz numery biegów, które byy wykorzystane w trakcie testu (b). Kropkami zaznaczone zostay stany eksploatacji, które uwzgldniono przy wyznaczaniu prostej aproksymacyjnej (1). 241

4 J. Kropiwnicki Q [dm /100 km] normalna eksploatacja niewaciwa eksploatacja Jazda dynamiczna Jazda spokojna NUDC [J/(m. kg)] a= 0 m/s ² ; V= 40 km/h ; b: III a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: II a= 0 m/s ² ; V= 70 km/h ; b: IV ECE Segment miejski a= 1.35 m /s ² ; V= km /h ; b: II III a= 0 m/s ² ; V= 130 km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: V a= 0.5 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 0 m/s ² ; V= 180 km/h ; b: V a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: II a= 1.0 m/s ² ; V= km/h ; b: III a= 1.3 m/s ² ; V= km/h ; b: III Rys. 2. Wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 1 Fig. 2. Results of simulation tests for 1 st vehicle Krzyykami natomiast zaznaczone zostay niewaciwe stany eksploatacji, które nie zostay uwzgldnione przy konstruowaniu prostej aproksymacyjnej (1). Szarym polem z oznaczeniem NUDC [13] oznaczono zakres zmian parametru w cyklu jezdnym NUDC. Przedstawione na Rys. 2. warunki pracy pojazdu nr 1 obejmuj zarówno krótkie stany rozpdzania pojazdu, jak równie jazd pojazdu ze sta prdkoci, a wic warunki ustalone. Odpowiednio due wartoci parametru osignito dziki skróceniu wybranych do analizy fragmentów pracy ukadu napdowego pojazdu, np.: bardzo intensywne przyspieszanie na biegu III (ostatni punkt wczony do analizy). 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 dugotrwaych warunków pracy bdzie powodowa znaczce zawanie analizowanych zakresów zmian parametru i dlatego podczas tworzenia prostej aproksymacyjnej (1) naley wyodrbnia równie krótkie stany pracy odpowiadajce duym wartociom Wykonana na Rys. 2. aproksymacja liniowa przebiegowego zuycia paliwa Q potwierdza wstpnie przyjt tez (1) o zachowaniu cisej korelacji przebiegowego zuycia paliwa z energochonnoci jednostkow po odrzuceniu z analizy punktów odpowiadajcych niewaciwej eksploatacji ukadu napdowego. Aproksymacja zostaa wykonana z uyciem metody najmniejszych kwadratów a wspóczynnik korelacji osign w tym wypadku warto = Podobne rezultaty osignito przy analizie pracy ukadu napdowego pojazdu nr 2. (Rys. 3), wspóczynnik korelacji wyniós 0,

5 Estimation of Energy Effectiveness of Vehicle Using Cruise Operating Data 20 3 Q [dm /100 km] normalna eksploatacja niewaciwa eksploatacja Jazda dynamiczna 15 Jazda spokojna 10 5 [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. 3. Wyniki bada symulacyjnych pojazdu nr 2 Fig. 3. Results of simulation tests for 2 nd vehicle 3. Ocena dobroci energetycznej pojazdu samochodowego Uzyskane proste aproksymacyjne w przykadach dla pojazdów 1. i 2. mona traktowa jako funkcyjny lub dwuparametrowy (wspóczynniki k 1 i k 0 ) opis efektywnoci pracy ukadu napdowego. W odrónieniu od dotychczas uywanego przebiegowego zuycia paliwa Q [dm 3 / 100 km] opis za pomoc funkcji (1) obejmuje peen zakres pracy ukadu napdowego. Nie nastpuje tutaj take niejednoznaczna klasyfikacja warunków pracy na ruch miejski i poza-miejski [1, 2, 7, 14, 15]. Na Rys. 4. pokazane zostao wzajemne pooenie metryk energetycznych pojazdów (1) uzyskanych w czasie bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i nr 2. Na Rys. 4. pokazane zostay równie równania opisujce proste aproksymacyjne. Wyniki bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i 2 pokazuj jednoznacznie, i pojazd nr 2 posiada ukad napdowy, który pracuje bardziej efektywnie przy kadych spotykanych warunkach ruchu. Warunki ruchu pojazdu opisane s parametrem, którego warto dla zaoonego czasu trwania cyklu t c, mona obliczy korzystajc równania (2). Wynikajc std oszczdno w zuyciu paliwa mona obliczy przyjmujc bd jedn okrelon warto, bd te jej przedzia zmian z przypisan do niego funkcj gstoci rozkadu parametru : f f ( ). (4) Funkcja ta moe zosta wyznaczona na drodze okresowej rejestracji podstawowych parametrów opisujcych warunki eksploatacji pojazdu, midzy innymi: prdkoci obrotowej wau korbowego silnika i momentu obrotowego (z modelu ukadu napdowego pojazdu - w przypadku braku systemu pomiaru tego parametru), przejechanej drogi. 243

6 J. Kropiwnicki W przypadku, gdy proste aproksymacyjne (metryki energetyczne) (1) przecinaj si (Rys. 5) jednoznaczne okrelenie, który z pojazdów posiada bardziej efektywny ukad napdowy nie jest moliwe. W takim wypadku naley do analizy wczy funkcj gstoci rozkadu parametru (4) Q [dm /100 km] Nieefektywna eksploatacja Pojazd nr 1 Q = Pojazd nr 2 Q = Efektywna eksploatacja [J/(m. kg)] Rys. 4. Wzajemne pooenie prostych aproksymacyjnych (1) uzyskanych w czasie bada symulacyjnych pojazdów nr 1 i nr 2 Fig. 4. Relative position of approximation straights (1), which have been obtained during simulation tests of 1 st and 2 nd vehicles Na Rys. 5. pokazane zostay przykadowe przecinajce si proste aproksymacyjne oraz przykadowa funkcja f Przy obcieniu ukadu napdowego wedug funkcji f zaproponowanej na Rys. 5 decydujcy wpyw na wybór jednostki efektywniejszej bdzie miao niewtpliwie jej przebiegowe zuycie paliwa Q w obszarze tzw.,,jazdy spokojnej. W ogólnym przypadku dysponujc funkcj f, okrelajc sposób eksploatacji pojazdu, mona wyznaczy przecitne zuycie paliwa przez pojazd na podstawie równania: max 1 Q Ln f ( k1 k0 ) d b. j. h, (5) L min gdzie: min, max - granice zmian parametru. [dm 3 ] - paliwo zuyte podczas pracy silnika na biegu jaowym, b. j. h [dm 3 ] - paliwo zuyte podczas hamowania (w czasie hamowania silnikiem: h 0 ), L [m] - cakowita droga przebyta przez pojazd, L n [m] - droga przebyta przez pojazd gdy by on napdzany przez silnik. Dla przyjtych granic zmian parametru speniony musi by ponadto warunek: max min f d 1. (6) Uproszczon analiz efektywnoci ukadów napdowych pojazdów mona take wykona wykorzystujc wskanik równy polu zamknitemu pod prost aproksymacyjn (1): 244

7 Estimation of Energy Effectiveness of Vehicle Using Cruise Operating Data Q Q max min 1 ef. (7) 2 max min Przyjmujc, e: f const mniejsza warto tego wskanika bdzie odpowiadaa bardziej efektywnemu ukadowi napdowemu. Q f Jazda dynamiczna Q Pojazd nr 1 f Q Pojazd nr 2 Jazda spokojna min Rys. 5. Wzajemne pooenie przecinajcych si prostych aproksymacyjnych (1) wraz z funkcj gstoci rozkadu parametru Fig.5. Relative position of approximation straights (1) with density functionof distribution of parameter 4. Wnioski Ocena dobroci energetycznej pojazdu samochodowego wedug przedstawionej koncepcji polega na wyznaczeniu w czasie regularnej eksploatacji pojazdu zbioru punktów: [Q; ] poprzez pomiar i rejestracj podstawowych parametrów pracy silnika i pojazdu. Zakada si, i parametr zostanie wyznaczony przy uyciu metody (3), natomiast przebiegowe zuycie paliwa Q zostanie obliczone na podstawie czasu otwarcia wtryskiwacza oraz prdkoci obrotowej silnika [8]. Wynikiem przeprowadzonego testu bdzie wyznaczenie prostej aproksymacyjnej (metryki energetycznej pojazdu) opisanej równaniem (1), której pooenie okrela efektywno ukadu napdowego pojazdu dla penego zakresu jego pracy. Im,,niej prosta (1) jest pooona tym wiksza jest efektywno pracy ukadu napdowego pojazdu. Wykorzystania prostej aproksymacyjnej (1) upatruje si gównie przy porównaniach rónych pojazdów pod wzgldem efektywnoci pracy ich ukadów napdowych (zuycia paliwa dla tych samych warunków pracy). Prosta aproksymacyjna (1) moe stanowi metryk energetyczn pojazdu a jej biece, zbyt wysokie pooenie 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). Metoda umoliwia take ocen eksploatacyjnego zuycia paliwa pojazdu samochodowego dziki porównaniu zarejestrowanego zuycia paliwa z referencyjnym dla tych samych warunków eksploatacji [12]. Przykadowo, kto decydujc si na zakup samochodu moe przeprowadzi porównanie rónych egzemplarzy ze wzgldu na ilo zuywanego paliwa przy sposobie eksploatacji waciwym dla niego jako kierowcy. Literatura [1] 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 max 245

8 J. Kropiwnicki [2] Chopek, Z., Ochrona rodowiska naturalnego, WKi, Warszawa [3] 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, s , [4] Cichy, M., Kropiwnicki, J., Model procesu hamowania w pojedzie hybrydowym, Archiwum Motoryzacji, Wydawnictwo Naukowe PTNM 2005/4, s [5] Cichy, M., Modelowanie systemów energetycznych, Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask [6] Fehrenbach, H., Hohmann, C., Schmidt, Th., Schultalbers, W., Rasche, H., Bestimmung des Motordrehmoments aus dem Drehzahlsignal, MTZ 12/2002, s [7] Gronowicz, J., Ochrona rodowiska w transporcie ldowym, Politechnika Poznaska, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu, [8] 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 , [9] Kropiwnicki, J., The Application of spline function for approximation of engine characteristics, Archiwum Motoryzacji, PWN 2000/4, s , Warszawa. [10] Kropiwnicki, J., Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych, Archiwum Motoryzacji, Nr 2, s , [11] Kropiwnicki, J., Modeling of Reciprocating Engine Transient Torque, Materiay konf. Battiechmasz, Kaliningrad , [12] Kropiwnicki, J., Possibilities of operating fuel consumption estimation of vehicles. Developments in Mechanical Engineering, Gdask University of Technology Publishers,, Vol. 2, Gdask [13] Mercedes-Benz, Grenzwerte, Vorschriften und Messung der Abgas-Emissionen sowie Berechnung des Kraftstoffverbrauchs aus dem Abgastest. [14] Merkisz, J., Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna [15] Sika, W., Teoria ruchu samochodu, WNT, Warszawa