Wpływ sterowania układem napędowym autobusu miejskiego na zużycie paliwa

Transkrypt

1 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013), s Grzgorz Koralwski Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublini Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo na zużyci aliwa Influnc of controlling a city bus driving systm on ful consumtion Strszczni W artykul rzdstawiono symulacyjn badania orównawcz wływu strowania układm naędowym autobusu mijskigo na zużyci aliwa. Dla autobusu z mchaniczną skrzynką bigów ksloatowango w ruchu mijskim zarjstrowano rzczywist chwil zmiany rzłożń w układzi naędowym. Jdnoczśni analityczni wyznaczono algorytmy strowania tj skrzynki bigów otymaln z względu na zużyci aliwa jdnak rzy zachowaniu żądanych własności trakcyjnych autobusu. Oba rodzaj strowania zralizowano odczas komutrowj symulacji ruchu autobusu w fazi rozędzania. Analiza orównawcza wykazuj mnijsz zużyci aliwa rzy ralizacji otymalnych algorytmów strowania z uwagi na liminację subiktywngo wływu kirowcy na racę układu naędowgo autobusu w złożonych warunkach ruchu. Summary In this ar rsntd ar simulativ, comarativ studis on th influnc of a city bus driving systm on th ful consumtion. In a bus with a mchanical garbox, drivn undr urban traffic, rcordd wr ral-tim momnts of changing gars. On th othr hand, controlling algorithms hav bn dvlod for that garbox, which ar otimal from th viwoint of ful consumtion, yt rsrving th dmandd dynamic rortis of th bus. Th two ways of controlling wr tstd by a comutr simulation of bus acclrating. A comarativ analysis indicats lowr ful consumtion in cas of th otimal controlling algorithms. It is robably du to limination of th subjctiv influnc of a drivr onto functioning of a bus driving systm undr comlx traffic conditions. S ł o w a k l u c z o w : chwil zmiany bigów, rozędzani autobusu, symulacj komutrow, otymaln algorytmy strowania, zużyci aliwa. K y w o r d s : gar-shift momnts, bus acclration, comutr simulation, otimal control algorithms, ful consumtion.

2 36 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo Wstę Jdnym z najważnijszych wskaźników ocny jakości ruchu samochodu, takż i autobusu mijskigo, jst zużyci aliwa rzz silnik salinowy. Bywa ono wykorzystywan jako krytrium nrgtyczn rzy rojktowaniu bądź otymalizacji układów naędowych ojazdów samochodowych. Powszchni stosowan wskaźniki jak charaktrystyka zużycia aliwa w funkcji ustalonych rędkości jazdy, czy kontroln zużyci aliwa dla różnych stałych rędkości jazdy są wyznaczan dla ściśl ustalonych warunków badań okrślonych rzisami rawnymi [8]. Dotyczy to zarówno warunków drogowych, atmosfrycznych, tchniczngo rzygotowania autobusu, jgo obciążnia jak i ralizowango rzz samochód rofilu rędkości ruchu łączni z okrślnim włączongo bigu w układzi naędowym. Nawt ocna zużycia aliwa w warunkach niustalonych odczas symulacji jazdy mijskij w tzw. cyklu urojskim (ECE 15) zawira zdtrminowany rofil jzdny samochodu z wskazanim włączongo bigu w układzi naędowym i z okrślonymi chwilami rzłączń bigów. Podobn rocdury zawirają takż tsty jzdn stosowan w USA i Jaonii [7]. Tak wyznaczan wskaźniki zużycia aliwa mogą być wykorzystywan w badaniach orównawczych jdnak tylko dla takich samych, nizminnych warunków badań. Podczas rzczywistj ksloatacji autobusu mijskigo wariacjom w bardzo szrokim zakrsi odlgają wszystki czynniki ksloatacyjn. Zarówno taki czynniki jak łna masa autobusu czy rodzaj i stan tchniczny drogi i związan z tym oory ruchu jak tż gęstość ruchu uliczngo czy koniczność częstych ostojów wymuszonych n. sytuacją drogową (rzystanki mijski, skrzyżowani z sygnalizacją świtlną, kork uliczny) dtrminują ralizowany rzz kirowcę rofil rędkości ruchu autobusu. I dlatgo zasadniczy wływ na rzczywist ksloatacyjn zużyci aliwa mają z jdnj strony wyminion czynniki ksloatacyjn a z drugij, ni mnij ważny, sosób strowania rzz kirowcę układm naędowym autobusu kidy to ralizuj się wybór zakrsu racy silnika salinowgo, adkwatngo do wystęujących oorów ruchu autobusu. Krytrium jakości tgo ruchu, mirzon zużycim aliwa, w znacznj mirz zalżn jst od kwalifikacji kirowcy, jgo doświadcznia i ograniczń obiktywnych wynikających z złożoności sytuacji drogowych. 2. Badania ksrymntaln Obikt badań stanowił autobus mijski o masi kg (w trakci badań) z silnikim o załoni samoczynnym o ojmności skokowj 6,871 dm3 i maksymalnj mocy 169 kw rzy 2400 obr/min oraz maksymalnym momnci obrotowym 850 Nm rzy obr/min, wyosażony w mchaniczną skrzynkę rzkładniową o nastęujących rzłożniach bigów: i 1 = 5,810; i 2 = 2,898; i 3 = 1,992; i 4 = 1,438; i 5 = 1,000. Przłożni rzkładni głównj wynosiło: i 0 = 5,860.

3 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo Rys. 1. Maa rozkładu chwil zmiany bigów dla faz rozędzania autobusu ksloatowango w ruchu mijskim.

4 38 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo... Mając na uwadz fakt, ż strowani układm naędowym autobusu (zmiana bigów wraz z towarzyszącym tmu rocsowi strowanim silnikim) jst najbardzij wyksonowan w złożonych warunkach ruchu, n. odczas jazdy mijskij, rojktując ksrymnt zdcydowano się na rzrowadzni jazd tstowych w warunkach jazdy mijskij, kidy badany autobus oruszał się w struminiu innych ojazdów. Trasy rzjazdów i ich długość zostały dobran z uwzględninim zastosowania mtodologii tgo tyu badań w odnisiniu do autobusów mijskich [3, 6], tak aby zawnić dostatczną rrzntatywność tyowych sytuacji drogowych wsółczsngo miasta. Aby jak najbardzij rzybliżyć się do rzczywistych warunków ksloatacji ojazdu trasy jazd orowadzono ulicami o zróżnicowanj łynności ruchu uliczngo. Przbigały on zarówno obwodnicami wiloasmowymi, jak i wąskimi ulicami w cntrum miasta z dużą liczbą skrzyżowań i unktów sygnalizacji świtlnj. Badania rowadzono z udziałm trzch różnych kirowców z których dwóch osiadało dostatczni duż doświadczni w rowadzniu autobusów (18-22 lata), rzy czym jdn z nich osiadał skłonności do jazdy dynamicznj, a trzci miał niwilki staż w rowadzniu autobusu bzośrdnio rzd badaniami uzyskał urawninia do rowadznia autobusu. Osiągnięto w tn sosób wn zróżnicowani od względm rakcji sychomotorycznych kirowców. Pozwoliło to na uwzględnini scyfiki rowadznia autobusu rzz różn osoby, a więc n. jazda bardzij dynamiczna, czy tż zdcydowani sokojna z minimalną liczbą gwałtownych rzysiszń i hamowań. Z uwagi na fakt, ż każdy kirowca osiadał wykształcni kirunkow w zakrsi mchaniki ojazdów samochodowych można uznać ich kwalifikacj zawodow jako wysoki. Długość rzjżdżanych rzz każdgo kirowcę tras mijskich wynosiła ok km, a w sumi w czasi wszystkich tstów rzjchano ok. 250 km. Jazdy tstow ralizowano w orz ltnij, w zasadzi w okrsach śrdnij intnsywności ruchu mijskigo. Jazdy w godzinach szczytu stanowiły ok. 25 % łączngo czasu wszystkich badań. Podczas badań rjstrowano w sosób ciągły nastęując aramtry ruchu autobusu: ołożni organu strującgo dawką aliwa α, mirzon w % jgo maksymalngo wychylnia; rędkość obrotową wału korbowgo silnika czas ruchu t; rędkość ruchu autobusu ; rzjżdżaną drogę S; wartość bzwzględną zużycia aliwa Q; n ; włączony big mchanicznj skrzynki rzkładniowj i i.

5 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo Analiza nrgochłonności oszczgólnych faz ruchu autobusu, a takż cykli jzdnych i w nastęstwi zużycia aliwa, rowadzi do konstatacji, ż największ zaotrzbowani na nrgię (i aliwo) ma mijsc odczas rozędzania autobusu. Ta konstatacja okrywa się takż z innymi badaniami [9]. Dlatgo tż rjstracja owyższych aramtrów o obróbc statystycznj i graficznj ozwoliła na sorządzni statystyczngo rozkładu chwil zmiany bigów dla faz rozędzania autobusu, jako najbardzij nrgochłonnych faz ruchu. Maę statystyczngo ich rozkładu sorządzoną w wsółrzędnych rędkości ruchu i stonia wychylnia organu strowania dawką aliwa α rzdstawia rysunk 1. Analizując rozkład chwil zmiany bigów dla faz rozędzania autobusu nalży zauważyć duż ich rozroszni. Można zauważyć zarówno duży rozrzut wartości stonia wychylnia organu strowania dawką aliwa α zarjstrowanych dla wydzilonj rędkości ruchu rzy którj ralizuj się rzłączani bigów jak i duż różnic rędkości dla stałj ozycji stonia wychylnia organu strowania dawką aliwa α. Nalży tu odkrślić, ż wszyscy kirowcy osiadali wysoki kwalifikacj, a większość z nich duż doświadczni w rowadzniu autobusu. Tak znaczn rozroszni chwil zmiany bigów jst w łni wytłumaczaln złożonością ruchu mijskigo i konicznością koncntracji uwagi kirowców na bzicznym rowadzniu autobusu. 3. Badania symulacyjn Zaobsrwowany w toku badań ksrymntalnych znaczny rozrzut rzczywistych chwil zmiany rzłożń mchanicznj skrzynki bigów autobusu ksloatowango w ruchu mijskim dał odstawę do ocny fktywności strowania układm naędowym. Dla rzrowadznia symulacyjnych badań orównawczych urzdnio wyznaczono otymaln lini strowania rzłączanim bigów odczas rozędzania autobusu. Są on nanision na maę rozkładu rzczywistych chwil zmiany bigów w ostaci linii ciągłych (rys. 1) w obszarz wykorzystywanych w ruchu mijskim wsółrzędnych fazowych (, α ). Procdura oszukiwania otymalnych linii strowania mchanicznj skrzynki bigów odczas rozędzania autobusu srowadza się do znalzinia, dla stałych ołożń organu strowania dawką aliwa α, takich wartości rędkości ruchu samochodu, rzy których nalży dokonywać zmiany rzłożń rzłączania bigów z niższych na wyższ zawniających uzyskani kstrmum funkcjonału jakości rocsu rozędzania: J Q n n k ( g N ) k ( g N ) ( g N ) i i i + 1 dv = dv + dv min i = 1 a ( v ) i 1 a ( v ) a ( v ) 0 i = 0 i i + 1 1) =

6 40 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo... gdzi: J Q funkcjonał jakości rocsu rozędzania autobusu do zadanj rędkości końcowj k rzy minimalizacji zużycia aliwa Q, a rzyśiszni autobusu, v chwilowa wartość rędkości ruchu,, oczątkowa i końcowa rędkości rozędzania, 0 k rędkość ruchu, rzy którj ralizowan jst rzłączani bigów, i,n odowidnio, indks i liczba bigów rzkładni mchanicznj, g jdnostkow zużyci aliwa rzz silnik, N fktywna moc silnika. Wychodząc z znanych w torii ruchu samochodu zalżności [10] o zastosowaniu mtodyki oracowanj w racach [1, 2, 5] warunk istninia kstrmum funkcjonału (1) srowadzi się do słninia zalżności: ( g N a ( i ) i ) ( g N ) i + 1 = a ( ) (2) i + 1 tj. otymaln konomiczn chwil rzłączania bigów będą okrślon unk- g N tami rzcięcia krzywych wskaźników ostaci a w funkcji rędkości ruchu ojazdu na sąsidnich bigach rzkładni. Sosób takigo ostęowania ilustruj rysunk 2 gdzi okazano rzbig konomicznych wskaźników jakości ruchu autobusu wyznaczonych odczas symulacji komutrowych. Zastosowani, w rocsi oszukiwań otymalnych chwil zmiany bigów, krytrium będącgo stosunkim czasowgo zużycia aliwa ( g N ) do rzyśisznia autobusu ( a ) jst odyktowan z jdnj strony scyfiką rocsu rozędzania, a z drugij, konicznością zachowania odowidnich własności dynamicznych autobusu. Minimalizacja zużycia aliwa będzi ralizowana na drodz zmnijsznia g N ( v ) (co jst oczywist) i zwiększania a ( v ). Wzrost rzyśisznia autobusu dcyduj o czasi rozędzania do zadanj rędkości końcowj, a zatm i o czasi racy silnika. Ta właściwość rocsu rozędzania autobusu warunkuj w wilu rzyadkach dominację składowj dynamicznj (rzyśisznia) w formowaniu się zużycia aliwa. Jżli jdnak jako wskaźnik otymalności rzyję-

7 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo t zostani zużyci aliwa odnision do jdnostki rzjchanj drogi tak, jak to rzyjmuj się dla ruchu ustalongo i cykliczngo to otrzyman zalcnia są zułni ni do rzyjęcia dla ralizacji w rocsi rozędzania z uwagi na nidouszczaln ogorszni się dynamiki i aliwowj konomiczności rozędzania. Rozędzani jst natomiast odstawowym stanm racy dla układu naędowgo. Rys. 2. Wyznaczani otymalnych z względu na zużyci aliwa chwil zmiany bigów odczas rozędzania autobusu. 1,2,3,4 koljn bigi Okrślon w taki sosób, na drodz symulacji komutrowych, otymaln lini strowania skrzynką rzkładniową w całym zakrsi mocy silnika rzdstawia rys. 3.

8 42 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo... Rys. 3. Otymaln lini strowania mchanicznj skrzynki bigów rzy rozędzaniu autobusu: E jazda konomiczna, D jazda dynamiczna Na tym samym rysunku zamiszczono lini strowania tj skrzynki bigów otymaln z względu na dynamikę rozędzania tj. kidy rocs ruchu autobusu oisany jst funkcjonałm jakości: J T n k n k 1 1 = dv = ( dv + a ( v ) a ( v ) a i = 1 i i = 1 i i ( v dv ) ) min (3) gdzi: J T funkcjonał jakości rocsu rozędzania autobusu do zadanj rędkości końcowj k rzy minimalizacji czasu rozędzania T. W tym rzyadku warunkim zawniającym kstrmum funkcjonału (3) będzi ralizacja rzłączń bigów rzy rędkości dla którj zachodzi zrównani rzyśiszń autobusu na bigach sąsidnich rzkładni tj.:

9 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo a ( ) = a ( ) (4) i i O c n a f k t y w n o ś c i s t r o w a n i a u k ł a d m naędowym autobusu Dla ocny fktywności rodzaju strowania układm naędowym autobusu w fazi rozędzania rzrowadzono badania orównawcz za omocą komutrowych symulacji rocsu rozędzania. W tym clu do rogramu komutrowych obliczń wskaźników jakości ruchu autobusu (zużyci aliwa Q, czas rozędzania do zadanj rędkości końcowj T, rzyśiszni a, rzjchana droga S ) dla tych samych ołożń organu strowania dawką aliwa α odstawiano rędkości ( 1 2, 2 3, ) rzy których były ralizowan rzłącznia 3 4 bigów odczas badań ksrymntalnych, zgodni z rys. 1. Z drugij strony, rzy obliczaniu wskaźników jakości rocsu rozędzania autobusu, dla tych samych warunków ruchu rzłącznia bigów ralizowano rzy rędkościach zgodnych z wyznaczonymi otymalnymi liniami strowania rzkładni (lini E, rys. 3). Końcowa rędkość rozędzania była ograniczona do k = 50 km / h, tj. maksymalnj dla ruchu mijskigo. Z rzrowadzonych badań symulacyjnych wynika, ż zużyci aliwa w każdym z orównywanych wariantów rozędzania autobusu jst mnijsz w rzyadku zastosowania otymalnych algorytmów strowania rzkładnią wyznaczonych analityczni niż dla okrślonych na drodz ksrymntalnj. Zmnijszni zużycia aliwa dla osiągnięcia zadanj końcowj rędkości rozędzania k = 50 km / h dla oddzilnych orównywanych wariantów dochodzi nawt do 14,8 %, a śrdnio rzędu 5,6 % rzy niznacznym tylko ogorszniu się dynamiki rozędzania śrdnio rzędu 3,1 %. Analogiczn badania orównawcz rzrowadzon dla strowania dynamiczngo rzkładni (linia strowania D, rys. 3) wskazują na wyraźną orawę dynamiki rozędzania śrdnio o około 12,5 % w stosunku do strowania zarjstrowango w badaniach ksrymntalnych jdnak rzy zdcydowanym ogorszniu się wskaźników zużycia aliwa śrdnio o około 9,9 %. 5. Podsumowani Przrowadzon badania symulacyjn dają odstawę do konstatacji, ż zastosowani wyznaczonych otymalnych algorytmów strowania rzkładni, zilustrowanych liniami strowania E (rys. 3), srzyja olszniu własności aliwowych autobusu. Ich ralizacja możliwa jst tylko rzy wykorzystaniu rzkładni

10 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) 44 Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo... automatycznych w układzi naędowym autobusu, któr dają możliwości strowania otymalngo, wdług zadango krytrium jakości ruchu autobusu, unizalżniając jakość strowania od subiktywngo wływu kirowcy. Jżli natomiast ożądana będzi jazda dynamiczna autobusu, można wybrać ocję strowania ralizowaną wdług krytrium (4) zilustrowango linią strowania D (rys. 3). Obcni autobusy mijski mają na wyosażniu standardowym automatyczn rzkładni hydromchaniczn. Jdnakż z uwagi na sosób rodukcji wsółczsnych autobusów komilacja gotowgo wyrobu z odzsołów i lmntów rodukowanych rzz inn wyscjalizowan w danj dzidzini firmy motoryzacyjn orogramowani strowników rzkładni automatycznych często ni słnia wymogów strowania otymalngo. Dlatgo wydaj się uzasadnionym rzrowadzni syntzy algorytmów strowania układm naędowym oddzilni dla każdgo konkrtngo tyu autobusu mijskigo. Zastosowani rzkładni automatycznych w układzi naędowym autobusu daj takż możliwości uwzględninia zminności czynników ksloatacyjnych w kształtowaniu otymalnych algorytmów strowania. Tgo rodzaju strowani adatacyjn [4], zakładając w swj istoci uwzględniani wariacji takich czynników ksloatacyjnych jak łna masa autobusu, oory ruchu związan z tym i stanm tchnicznym drogi, stoiń obciążnia silnika it. olga na zastosowaniu strowników komutrowych rztwarzających sygnały informacyjn o warunkach ruchu w sygnały strując lmntami rzkładni. Połączni takij stratgii strowania rzkładnią z adatacyjnym strowanim rocsami roboczymi silnika salinowgo odowiada obsrwowanym na świci tndncjom [7] do komlksowj automatyzacji naędu samochodu stawiając tn roblm na jakościowo nowym oziomi. Bibliografia 1. Brandt. H.: Einsatz von Simulationsmthodn bi Daurrrobungn von Automatikgtribn. Automobil Industri, 1992, Brandt. H.: Einsatz von Simulationsmthodn bi Daurrrobungn von Automatikgtribn. Automobil Industri, 1992, Kollr H.-D.: Motor-Lastkollktiv und Btribszustands-Kollktiv von Lkw, Omnibuss und Pkw im Fahrbtrib. Dutsch Kraftfahrforschung und Strabnvrkhrstchnik, H. 225, Brlin 1992, Koralwski G., Algorytm adatacyjngo strowania samochodowych rzkładni hydromchanicznych. Konstrukcja, badania, ksloatacja, tchnologia ojazdów samochodowych i silników salinowych. Tka Komisji Naukowo- Problmowj Motoryzacji PAN Oddział w Krakowi, Zszyt 12, Kraków 1997, s

11 Zszyty Naukow WSEI sria: TRANSPORT I INFORMATYKA, 3(1/2013) Grzgorz Koralwski, Wływ strowania układm naędowym autobusu mijskigo Koralwski G.: Synthsis of algorithms for automatic hydro-mchanical transmission control in city buss. FISITA Intrnational Congrss of Havy hicls, Road Trains and Urban Transort, Octobr 2010, Minsk, Blarus, Krajnyk L., Pilchatyj R., Szurko R., Garmatij R.: Eksłuatacyjonnyj rżimy raboty siłowogo riwoda gorodskich awtobusow s gidromchanicziskoj iridaczj. Awtomobilnaja romyszlinnost, nr 7, Moskwa 1993, Mrkisz J., Mazurk St.: Pokładow systmy diagnostyczn ojazdów samochodowych. WKiŁ, Warszawa 2007, 603 s. 8. Orzłowski S.: Eksrymntaln badania samochodów i ich zsołów. WNT, Warszawa 1995, 516 s. 9. Siłka W.: Enrgochłonność ruchu samochodu. WNT, Warszawa 1997, 144 s. 10. Siłka W.: Toria ruchu samochodu. WNT, Warszawa 2002, 330 s.