Research of the work states of car engines in conditions simulated a traffic in cities

Transkrypt

1 Zdzisław CŁOPEK, Jacek BIEDRZYCKI PTNSS 211 SC 132 Research of the work states of car egies i coditios simulated a traffic i cities Abstract: The study presets the empirical research results of static operatig coditios of iteral combustio egies of passeger cars ad light trucks (delivery vas) i traffic coditios i cities. The study formally itroduced the cocept of coditios ad status of iteral combustio egie. Results of researches were coducted i drivig tests: urba UDC ad for compariso purposes o urba EUDC. Egie operatig coditios were aalyzed i the areas of process value, settig amog others oe dimesioal ad two dimesioal probability desity processes of speed ad torque. Sigificat differeces were foud i the specified characteristics both because of traffic coditios, determied by the type of test, ad because of the aalyzed processes. Such sigificat differeces i characteristics of egie work states i differet vehicle operatig coditios justify the purposefuless of more complex adjustig the cotrol algorithms for the workig processes of egies to their workig coditios. Key words: iteral combustio egies, egie work states, drivig tests, simulatio of cofitios of car traffic. Badaia staów pracy silików samochodów w warukach symulujących ruch w miastach Streszczeie: W pracy przedstawioo wyiki badań empiryczych statyczych staów pracy silików spaliowych samochodu osobowego i lekkiego samochodu ciężarowego (dostawczego) w warukach ruchu w miastach. W pracy wprowadzoo formalie pojęcia waruków i stau pracy silika spaliowego. Przeprowadzoo wyiki badań w testach jezdych: miejskim UDC oraz w celach porówawczych pozamiejskim EUDC. Stay pracy silika aalizowao w dziedziach wartości procesu, wyzaczając m.i. jedowymiarowe i dwuwymiarowe gęstości prawdopodobieśtwa procesów prędkości obrotowej i mometu obrotowego. Stwierdzoo zacze różice w wyzaczoych charakterystykach zarówo ze względu a waruki ruchu pojazdów, zdetermiowae rodzajem testu, jak i ze względu a aalizowae procesy. Tak zacze różice właściwości staów pracy silików spaliowych w różych warukach pracy pojazdów uzasadiają celowość coraz bardziej złożoego dostosowywaia algorytmów sterowaia procesów roboczych silików do waruków ich pracy. Słowa kluczowe: siliki spaliowe, stay pracy silika, testy jezde, symulacja waruków ruchu samochodów. 1. Wprowadzeie Właściwości użytkowe silików spaliowych są zdetermiowae staami statyczymi, w których te siliki zajdują się, oraz występowaiem staów dyamiczych. W związku z tym jest celowa idetyfikacja tych staów w typowych warukach użytkowaia silików spaliowych, w szczególości w warukach zdetermiowaych w przepisach certyfikacyjych. W literaturze spotyka sie licze przykłady takich badań [4 8]. Sta pracy silika spaliowego jest opisay zbiorem S wielkości, charakteryzujących tę pracę, przede wszystkim procesy zachodzące w siliku podlegające sterowaiu oraz właściwości eergetycze, ekoomicze i ekologicze, a także ie procesy towarzyszące pracy silika [3]. Waruki pracy silika są zdetermiowae warukami otoczeia, sterowaiem silika przez operatora oraz oporem, zależym od charakteru pracy wykoywaej przez pojazd lub maszyę. Waruki pracy silika mogą opisae zbiorem wielkości W [3]. Pracę silika opisuje zbiór P, będący sumą zbiorów S i W, przy czym w ogólości iloczy zbiorów S i W ie jest zbiorem pustym [3]. Formalie praca silika ma charakter statyczy, jeśli wszystkie wielkości, opisujące pracę silika, są iezależe od czasu t, tz. [3] ( t) P = (1) t Jeśli dla którejkolwiek wielkości, opisującej pracę silika, te waruek ie jest spełioy, praca silika ma charakter dyamiczy. Taka defiicja procesu statyczego ma ses tylko w teorii. W rzeczywistości ależy sformułować tę defiicję w zależości od rozpatrywaego zakresu częstotliwości procesów i w zależości od przyjętej dokładości. Zatem waruek statyczości procesu w zakresie 1

2 częstotliwości miejszej od f g, z dokładością ε, będącą wielkością dodatią, jest astępujący [3]: przy czym proces ( t) ( t) Pi < ε (2) i t P jest procesem P(t), poddaym filtracji idealym filtrem doloprzepustowym o częstotliwości zaporowej rówej f g. W zbiorze staów pracy silika spaliowego moża wyróżić wielkości, determiujące właściwości użytkowe silika. Należą do ich wielkości, charakteryzujące itesywość wykoywaia pracy, a więc prędkość obrotową, obciążeie, którego miarą jest zazwyczaj momet obrotowy M e oraz sta cieply, scharakteryzoway zbiorem temperatur części silika oraz jego czyików roboczych T [2]. Przy ustabilizowaym staie cieplym silika jego właściwości użytkowe są zależe zatem od prędkości obrotowej i obciążeia. Te wielkości są z kolei zdetermiowae warukami pracy urządzeia, apędzaego przez silik, oraz właściwościami układu apędowego i roboczego. W wypadku silików samochodowych procesem determiującym sta pracy silika spaliowego jest przede wszystkim proces prędkości pojazdu [2]. Z tego powodu właściwości silików samochodowych bada się w testach jezdych, w których waruki pracy silika są określoe przebiegiem prędkości pojazdu. Jedocześie jedak sta pracy silika jest zależy m.i. od parametrów układu apędowego i jezdego. Zatem zapewieie spełieia przez silik wymagań jest zależe ie tylko od właściwości silika, związaych z jego immaetymi cechami, ale i od staów pracy, zdetermiowaych przeiesieiem apędu. W związku z tym w pracy przedstawioo wyiki badań statyczych staów pracy silików dwóch samochodów, różiących się zasadiczo, użytkowaych w warukach symulujących eksploatację trakcyją. Obiektami badań były: samochód osobowy Opel Corsa 1.3 CDTI z czterocylidrowym rzędowym silikiem o zapłoie samoczyym o zamioowej mocy użyteczej 55 kw przy prędkości obrotowej 4 mi 1, o objętości skokowej 1248 cm 3, z pięciobiegową skrzyią sterowaą ręczie, lekki samochód ciężarowy rcedes Spriter 513 CDI z czterocylidrowym rzędowym silikiem o zapłoie samoczyym o zamioowej mocy użyteczej 95 kw przy prędkości obrotowej 43 mi 1, o objętości skokowej 2143 cm 3, z sześciobiegową skrzyią sterowaą ręczie. Badaia przeprowadzoo w teście UDC (Urba Drivig Cycle), symulującym jazdę miejską oraz dla porówaia w teście EUDC (Extra Urba Drivig Cycle), odpowiadającym jeździe poza miastami. 2. Badaia empirycze staów pracy silików Badaia staów pracy silików przeprowadzoo a hamowi podwoziowej w Przemysłowym Istytucie Motoryzacji w Warszawie. Laboratorium jest wyposażoe w hamowię podwoziową typu EMDY 48 firmy Scheck Komeg z jedą rolką o średicy 48. Na rysukach 1 i 2 przedstawioo przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w testach EDC i EUDC dla silika samochodu Opel Rys. 1. Przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w teście UDC dla silika samochodu Opel Rys. 2. Przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w teście EUDC dla silika samochodu Opel Przebiegom tym odpowiadają zbiory staów a charakterystyce prędkościowej rysuki 3 i

3 Rys. 3. Zbiór staów pracy silika samochodu Opel w teście UDC we współrzędych charakterystyki prędkościowej Rys. 6. Przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w teście EUDC dla silika samochodu rcedes Na rysukach 7 i 8 przedstawioo we współrzędych charakterystyki prędkościowej zbiory staów pracy silika samochodu rcedes w testach UDC i EUDC Rys. 4. Zbiór staów pracy silika samochodu Opel w teście EUDC we współrzędych charakterystyki prędkościowej Na rysukach 5 i 6 przedstawioo przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego dla silika samochodu rcedes w testach UDC i EUDC Rys. 7. Zbiór staów pracy silika samochodu rcedes w teście UDC we współrzędych charakterystyki prędkościowej Rys. 5. Przebiegi prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w teście UDC dla silika samochodu rcedes Rys. 8. Zbiór staów pracy silika samochodu rcedes w teście EUDC we współrzędych charakterystyki prędkościowej Aalizy staów pracy silików przeprowadzao w dziedziie wartości procesów. Na rysukach 9 i 1 przedstawioo histogramy prędkości obrotowej silika samochodu Opel, a a rysukach 11 i 12 samochodu rcedes w testach UDC i EUDC. 3

4 Rys. 9. istogram prędkości obrotowej silika samochodu Opel w teście UDC Rys. 12. istogram prędkości obrotowej silika samochodu rcedes w teście EUDC Na rysukach 13 i 14 przedstawioo histogramy ieujemego mometu obrotowego silika samochodu Opel, a a rysukach 15 i 16 samochodu rcedes w testach UDC I EUDC Rys. 1. istogram prędkości obrotowej silika samochodu Opel w teście EUDC Wyraźie jest widocze przesuięcie mediay w stroę większych prędkości obrotowych dla testu EUDC, co jest aturalym skutkiem większych prędkości jazdy w teście pozamiejskim iż w teście miejskim Rys. 13. istogram ieujemego mometu obrotowego silika samochodu Opel w teście UDC Rys. 11. istogram prędkości obrotowej silika samochodu rcedes w teście UDC Rys. 14. istogram ieujemego mometu obrotowego silika samochodu Opel w teście EUDC Podobie, jak w wypadku prędkości obrotowej, tak i dla ieujemego mometu obrotowego jest widocze wyraźe przesuięcie mediay w stroę większego obciążeia dla testu pozamiejskiego. 4

5 Rys. 15. istogram ieujemego mometu obrotowego silika samochodu rcedes w teście UDC 1 8 Rys. 18. Dwuwymiarowy histogram prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego dla silików samochodów rcedes w teście UDC Rys. 16. istogram ieujemego mometu obrotowego silika samochodu rcedes w teście EUDC Różice w charakterach histogramów prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego w testach UDC i EUDC są w zasadzie podobe dla silików samochodów Opel i rcedes, co potwierdzają dwuwymiarowe histogramy prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego, przedstawioe a rysukach 17 i 18. Rys. 19. Dwuwymiarowy histogram prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego dla silików samochodów Opel w teście EUDC Rys. 17. Dwuwymiarowy histogram prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego dla silików samochodów Opel w teście UDC Rys. 2. Dwuwymiarowy histogram prędkości obrotowej i ieujemego mometu obrotowego dla silików samochodów rcedes w teście EUDC 5

6 Bardziej szczegółowa aaliza wskazuje jedak, że w wypadku silika samochodu rcedes wrażliwość a waruki ruchu jest miejsza dla prędkości obrotowej, zaś większa dla obciążeia iż w wypadku silika samochodu Opel rysuki 21 i 22. AV[M e ] [Nm] Opel rcedes AV[] [mi -1 ] Opel rcedes UDC Test EUDC Rys. 21. Wartość średia prędkości obrotowej w teście UDC i EUDC dla silików samochodów Opel i rcedes 5 UDC Test EUDC Rys. 22. Wartość średia ieujemego mometu obrotowego w teście UDC i EUDC dla silików samochodów Opel i rcedes 3. Uwagi końcowe Mimo zaczych podobieństw wpływu waruków ruchu samochodu a stay pracy silika dla różych pojazdów daje się zauważyć różice, mogące skutkować różicami właściwości użytkowych silików. Potwierdza to celowość doboru algorytmów sterowaia procesów roboczych silików dla kokretych ich zastosowań [1]. Nomeclature/Skróty i ozaczeia P S W t M e zbiór opisujący pracę silika zbiór staów pracy silika zbiór waruków pracy silika czas momet obrotowy prędkość obrotowa Bibliography/Literatura [1] Chłopek Z., Domański D.: Badaia optymalizacyje algorytmów sterowaia silika o zapłoie samoczyym. Archiwum Motoryzacji 1/ %. [2] Chłopek Z.: Modelowaie procesów emisji spali w warukach eksploatacji trakcyjej silików spaliowych. Prace Naukowe. Seria chaika z Oficya Wydawicza Politechiki Warszawskiej. Warszawa [3] Chłopek Z.: The remarks for research of iteral combustio egies i dyamic states. Siliki Spaliowe Combustio Egies. (I prit). [4] Duoba M., Ng.; Larse R.: I Situ Mappig ad Aalysis of the Toyota Prius ev Egie. SAE Paper Future Trasportatio Techology Coferece & Expositio. August 2, Costa sa, CA, USA. [5] Gambio M., Piaese C., Rizzo G.: Experimetal ad computatioal aalysis of a dyamic model for cotrol strategy optimizatio i T zbiór opisujący sta cieply silika liczość próbki w klasie AV operator wartości średiej UDC Urba Drivig Cycle (miejski test jezdy) EUDC Extra Urba Drivig Cycle (pozamiejski test jezdy) a spark igitio egie. America Cotrol Coferece, Vol [6] afer M., Iserma R.: Multiobjective optimizatio of feedforward cotrol maps i egie maagemet systems towards low cosumptio ad low emissios. Trasactios of the Istitute of asuremet ad Cotrol March 23 25: [7] López J.M. et al.: Emissios Pollutat from Diesel, Biodiesel ad Natural Gas Refuse Collectio Vehicles i Urba Areas. ighway ad Urba Eviromet Alliace for Global Sustaiability Bookseries. 21, Volume 17, Part [8] Mi B. et al.: Direct asuremet of Powertrai Compoet Efficiecies for a Light Duty Vehicle with a CVT Operatig over a Drivig Cycle. SAE Paper SAE Powertrai & Fluid Systems Coferece & Exhibitio, October 23, Pittsburg, PA, USA. 6

7 Mr Zdzisław Chłopek, DSc., DEg. Professor i the Faculty of Automotive ad Costructio Machiery Egieerig at Warsaw Uiversity of Techology. Dr hab. iż. Zdzisław Chłopek profesor a Wydziale Samochodów i Maszy Roboczych Politechiki Warszawskiej. Mr Jacek Biedrzycki, Eg. Egieer i the Automotive Idustry Istitute i Wasaw. Iż. Jacek Biedrzycki iżyier w Przemysłowym Istytucie Motoryzacji w Warszawie. 7