WIRTUALNA MASA SAMOCHODU MIARĄ JEGO SPRAWNOŚCI TECHNICZNEJ CAR VIRTUAL MASS AS A MEASURE OF ITS TECHNICAL EFFICIENCY

Transkrypt

1 PIOTR ŚWIDER Streszczenie Abstract WIRTUALNA MASA SAMOCHODU MIARĄ JEGO SPRAWNOŚCI TECHNICZNEJ CAR VIRTUAL MASS AS A MEASURE OF ITS TECHNICAL EFFICIENCY Prowadzi się wyrafinowane metody doboru przełożeń stopniowych, przełożeń bezstopniowych oraz hybrydowych układów napędowych celem zmniejszenia zużycia paliwa i emisji toksycznych składników spalin. Wprowadza się też różne strategie wykorzystania przełożeń i silnika, aby cel ten uzyskać. Niesprawność samochodu (która nie może być odpowiednio wcześnie zauważona) może powodować znaczne zwiększenie eksploatacyjnego zużycia paliwa. Chodzi tu np. o zwiększenie oporów ruchu, zmniejszenie sprawności układu napędowego, zmiany w charakterystyce uniwersalnej silnika. Autor proponuje obliczenie masy teoretycznej (wirtualnej) samochodu na podstawie znajomości punktu pracy silnika i oporów ruchu samochodu i porównanie jej z masą rzeczywistą. Nadmierna różnica tych mas może wskazywać na usterkę techniczną samochodu. Słowa kluczowe: masa samochodu, sprawność techniczna To reduce fuel consumption and exhaust gas toxic content sophisticated methods of selection of step transmission ratio, stepless transmission ratio as well as hybrid power transmission system are used. To achieve this aim various strategies of transmission and engine exploitation are introduced. Car inefficiency, including for example increase of resistance to motion, decrease of power transmission system efficiency, changes in engine universal characteristics (which cannot be observed in advance) can cause significant increase of exploitation fuel consumption. The author proposes calculation of a theoretical (virtual) mass of a car on the basis of engine working point and resistance to motion to compare it with the real mass. If the difference between the two masses is too huge, it could indicate the car technical failure. Keywords: mass of a car, technical efficiency Dr inż. Piotr Świder, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

2 4 Oznaczenia c x współczynnik kształtu f współczynnik oporu toczenia F pole powierzchni czołowej samochodu [m] g przyspieszenie ziemskie [m/s ] G ciężar całkowity samochodu [kg] i przełożenie całkowite J s,k masowy moment bezwładności silnika, kół [kgm ] M moment silnika [Nm] m a masa maksymalna samochodu [kg] m u masa wirtualna samochodu [kg] q b jednostkowa siła oporu bezwładności q d jednostkowa siła oporu drogowego q n jednostkowa siła napędowa r średni promień koła ogumionego [m] v aktualna prędkość samochodu [m/s] α kąt podłużnego pochylenia jezdni [ ] η sprawność całkowita układu napędowego ω prędkość kątowa silnika [rad/s] 1. Wstęp Intensywne prace prowadzone praktycznie od kryzysu energetycznego, przez wiele ośrodków naukowych oraz producentów samochodów, mające na celu zmniejszenie zużycia paliwa oraz emisji toksycznych składników spalin zmierzają do budowy wyszukanych układów napędowych o przełożeniach stopniowych (w tym dwusprzęgłowych), bezstopniowych (CVT), z rozdziałem strumienia mocy w hybrydach itp. Oddzielnym zagadnieniem jest odpowiednie wykorzystanie pola pracy silnika i przełożeń w układzie napędowym. Przykładowo, można znaleźć takie rozważania zarówno w literaturze krajowej, jak i zagranicznej [1 19]. Wszystkie te działania mogą powodować określone ograniczenie zużycia paliwa i toksycznych składników spalin pod warunkiem pełnej sprawności technicznej samochodu. O ile bieżące diagnozowanie pracy silnika oraz układów jego zasilania i sterowania jest już dzisiaj standardem, o tyle o usterkach układów jezdnych kierowca może dowiedzieć się nierzadko dopiero w ramach przeglądu diagnostycznego po przebiegu rzędu 30 tys. km. O usterkach układu napędowego, takich jak nadmierne opory, nadmierne luzy itp. użytkownik samochodu może dowiedzieć się jeszcze później. W artykule zaproponowano zastosowanie stosunkowo prostej metody stanu technicznego elementów samochodu, które mogą decydować o zwiększeniu zużycia paliwa, a więc i emisji toksycznych składników spalin. Metoda ta polega na obliczeniu wirtualnej masy samochodu i porównaniu jej z rzeczywistą. Rozważania zawarte w artykule są natury teoretycznej i wymagają one jeszcze weryfikacji stosownymi badaniami drogowymi.

3 . Wirtualna masa samochodu 43 Przez wirtualną masę samochodu [18] należy rozumieć masę obliczoną na podstawie parametrów ruchu samochodu. Najprościej jest ją określić, korzystając z bilansu jednostkowych sił w postaci q = q + q + q (1) gdzie: jednostkowa siła napędowa jednostkowa siła oporu powietrza n q q n jednostkowa siła oporu drogowego jednostkowa siła oporu bezwładności stąd, po przekształceniu jest m u p p d b M i η = () G r cx F v = 1,631 G mu qd = ( f ( v) cos α ± sin α) (4) m a q dv 1 mu i η J k = b + J s + dt g ma r ma r ma ( J s i Jk ) M i η cx F v dv 1 η+ r 1, 631 dt r = dv g ( f( v) cosα± sin α ) + dt Jest to zasadniczy wzór, który umożliwi nam porównanie masy wirtualnej z masą rzeczywistą. Aby obliczyć tę masę na bieżąco podczas jazdy samochodu, potrzebny jest pomiar takich parametrów, które są aktualnie w samochodzie znane, a mianowicie: moment silnika (znajomość mierzonej prędkości kątowej silnika i stopnia naciśnięcia na pedał przyspiesznika pozwala na jednoznaczne wskazanie spodziewanego momentu obrotowego silnika, łącznie z jego wartościami ujemnymi), aktualnie włączony bieg, prędkość jazdy (jako wartość wynikowa z poprzednich pomiarów), przyspieszenie liniowe samochodu (również wartość wynikowa z poprzednich pomiarów), oraz dodatkowo: kąta pochylenia podłużnego samochodu (co po wprowadzeniu dodatkowego żyroskopu powinno być proste), czujnika ciśnienia w układzie zawieszenia lub stopnia jego ugięcia. (3) (5) (6)

4 44 3. Sprawność techniczna samochodu Miarą sprawności technicznej samochodu jest różnica pomiędzy tą masą a masą rzeczywistą. Należy więc mierzyć masę rzeczywistą niezależnie. W tym przypadku zaproponowano pomiar pośredni zależny od rodzaju zawieszenia poprzez: pomiar ugięcia zawieszeń, ciśnienie w układzie zawieszeń hydropneumatycznych lub pneumatycznych. Zwłaszcza przy niewielkich prędkościach jazdy, kiedy opory powietrza są pomijalnie małe i na jezdniach płaskich, parametr różnicy mas wirtualnej i rzeczywistej jest bardzo czuły. Przykładowo można drogą symulacji wykazać, że dla samochodu osobowego: masie rzeczywistej 18 kg, jeździe nim po jezdni asfaltowej gładkiej, poziomej z prędkością 0 km/h, zwiększeniu zbieżności kół przednich po, wykorzystaniu modelu opony TM-easy współczynnik oporu toczenia wzrasta z wartości od ok. 0,008 (przy zbieżności 0 ) do ok. 0,019 (przy zbieżności po na koło), a masa wirtualna wzrasta z 18 kg do 830 kg. Takiej masy nie osiągnie ten samochód nawet będąc znacznie przeciążony. 4. Podsumowanie Wprowadzając stosunkowo prosty algorytm do komputera pokładowego samochodu oraz dwa czujniki, można w prosty sposób diagnozować cały szereg usterek samochodu powodujących konieczność zwiększenia momentu silnika podczas eksploatacji samochodu. Taka bieżąca diagnostyka może m.in. skutkować działaniami prowadzącymi do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji toksycznych składników spalin przy eksploatacji nie w pełni sprawnych samochodów. Literatura [1] A l e k s a n d r o v I. K., An internal combustion engine and an adaptive transmission, Vestnik Mashinostroeniya, No., 007, [] A n F., R o s s M., Model of fiuel economy with applications to driving cycles and trafic manegement, Transportation Research Record, No. 1416, 1993, [3] C a r b o n e G., M a n g i a l a r d i L, Mantriota G., Fuel Consumption of a Mid Class Vehicle With Infinitely Variable Transmission, SAE Technical Papers [4] C a m p o D., B r o o k e S c i a r r o t t a M., A Profile of The New Generation of Transmission. [5] D e N a y e r P., The Multitronic Alternative, Automotive Engineer, Oct. 005, [6] D e l s e y J., How tu reduce fuel consumption of road vehicle, In Proc. OBCD/IEA Informal Expert Panel on Low Comsumption Low Emission Automobile, Rome [7] Dong Song, Mohamed El-Sayed, Multi-objective optimization for automotive performance, International Journal of Vehicle Design, Vol. 30, No. 4, 00, [8] F u c h s R., B l e u l e r H., M ü l l h a u p t P., Dynamics of torque control continuously variable transmissions, Lausanne EPFL, 006.

5 45 [9] G i a c o m o M., Fuel consumption of a vehicle with power split CVT system, International Journal of Vehicle Design, Vol. 37, No. 4, 005. [10] G i a n e l l i R. A., N a m E., Medium and heavy duty dieselvehicle modeling using a fuel consumpcion methodology. [11] G o e t z M., L e v e s l e y M. C., C r o l l a D. A., Dynamics and control of gearshifts on twin-clutch transmissions, Proceedings of the I MECH E Part D, Journal of Automobile Engineering, No. D8, August 005. [1] K i m b e r l y W., Transmission Trends, Power train 006, 0-1. [13] S i ł ka W., Energochłonność ruchu samochodów, WSI, z. 16, [14] Ś w i d e r P., Metoda doboru i wykorzystania przełożeń stopniowych w układzie napędowym z uwzględnieniem modelu użytkowania pojazdów samochodowych, Monografia 140, Politechnika Krakowska, Kraków 199. [15] Ś wider P., Rozkład czasu pracy samochodu, KONMOT [16] Ś w i d e r P., Wpływ przełożenia przekładni głównej na zużycie paliwa przez pojazd oraz na jego parametry dynamiczne, KONMOT [17] Ś w i d e r P., Modified objective function "D z " for optimization of step transmission ratios in vehicles, Archiwum Budowy Maszyn, nr 1/, Warszawa [18] Ś w i d e r P., Virtual mass as a criterion of intelligent choice of car driving strategy, Archiwum Budowy Maszyn, nr 1, Warszawa [19] Ś w i d e r P., Optymalizacja przełożeń stopniowego układu napędowego z uwzględnieniem sprzężeń pomiędzy przełożeniami, KONMOT 96.