POSSIBILITIES OF PARAMETRIC ESTIMATION OF VEHICLE OPERATION CONDITIONS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No POSSIBILITIES OF PARAMETRIC ESTIMATION OF VEHICLE OPERATION CONDITIONS Jacek Kropiwnicki Gdask Uniwersity of Technology, Mechanical Engineerging Faculty ul. Narutowicza 11/12, Gdask tel. (+58) , fax (+58) jkropiwn@pg.gda.pl Abstract A novel method of parametric estimation of vehicle operation conditions has been presented in this work. Car operating conditions will be identified using parameter, which contains impact of the traffic conditions as well as the style of driving. The factors mentioned above have influence on the amount of mechanical energy transferred to the driving wheels, which is part of this parameter. Amount of mechanical energy transferred to the driving wheels, during a measurement cycle, can result to the same degree from traffic conditions as well as the driving style. The factors proposed in the method are treated equivalently and their influence on car operating conditions has been included in the same parameter. Finally, the traffic and the style of driving can finally be described using a probability density function of this parameter. A novel method enabling parametrical identification of operation conditions of the car vehicle is represented in the article. Operational conditions of the car vehicle depend equally from conditions traffic of vehicles, as well as from the style ride of a driver. Operational conditions can be registered during normal use of the vehicle. Proposed method makes possible appointment of reference fuel consumption for the same operational conditions. The paper presents examples of the parametral identification of operational conditions of the car vehicle Keywords: transport, vehicles, combustion engines, operation of vehicles, fuel consumption MOLIWOCI PARAMETRYCZNEJ IDENTYFIKACJI WARUNKÓW EKSPLOATACJI POJAZDU SAMOCHODOWEGO Streszczenie W pracy zaprezentowana zostaa nowa metoda parametrycznej identyfikacji warunków eksploatacji pojazdu samochodowego. Warunki eksploatacji pojazdu identyfikowane bd za pomoc parametru, który obejmuje zarówno wpyw warunków zewntrznych jak równie styl jazdy kierowcy. Ilo energii mechanicznej przekazywanej koom napdowym w czasie cyklu pomiarowego moe wynika w równym stopniu z zaistniaych warunków ruchu pojazdów, co ze stylu jazdy kierowcy. Z tego powodu, w zaproponowanej metodzie wspomniane czynniki s traktowane jako równowane, a ich oddziaywanie na warunki eksploatacji pojazdu zostay ujte w tym samym parametrze. Ostatecznie miejsce eksploatacji (intensywno ruchu) oraz sposób prowadzenia pojazdu mog by natomiast opisane za pomoc funkcji gstoci rozkadu przyjtego parametru. Nowa metoda umoliwiajca parametryczn identyfikacj warunków eksploatacji pojazdu samochodowego jest przedstawiona w artykule. Warunki eksploatacji pojazdu samochodowego zale w równym stopniu od warunków ruchu pojazdów, jak równie od stylu jazdy kierowcy. Warunki ekploatacji mog by zarejestrowane w czasie normalnego uytkowania pojazdu. Zaproponowana metoda umoliwia wyznaczenie referencyjnego zuycia paliwa dla tych samych warunków eksploatacji. Artyku prezentuje przykady parametrycznej identyfikacji warunków eksploatacji pojazdu samochodowego Sowa kluczowe: transport, pojazdy samochodowe, silniki spalinowe, eksploatacja pojazdów samochodowych, zuycie paliwa

2 J. Kropiwnicki 1. Wstp Poprawna i jednoznaczna (parametryczna) ocena warunków eksploatacji pojazdów samochodowych jest wanym elementem optymalizacji sposobu uytkowania pojazdu. Funkcje celu oraz wagi takiej optymalizacji bd w gównej mierze uzalenione od przeznaczenia uytkowanych samochodów, wielkoci i stuktury floty, lokalizacji i zasigu wykonywanych przewozów a take rodzaju misji spoecznej, któr ewentualnie realizuje uytkujcy samochody podmiot. Przykadem wykorzystania takiej oceny moe by: - wyznaczenie wzrocowego (referencyjnego) zuycia paliwa dla tych samych warunków eksploatacji, z którym mona porówna eksploatacyjne zuycie paliwa, - okrelenie wpywu stosowanych rozwiza inynierii drogowej na strukturalne zuycie energii i emisj zwizków szodliwych do atmosfery (dla okrelonej struktury eksploatowanych pojazdów), - wyznaczenie optymalnej drogi przejazdu. Mona wyróni nastpujce metody oceny warunków eksploatacji pojazdów samochodowych: ocena ekspercka: - jazda w miecie, - jazda poza miastem, - jazda po autostradzie, ocena z uyciem wskaników: - energochonno przebiegowa: = E/L [J/m] - energochonno jednostkowa: = E/(L m) [J/(m kg)] - rednie przyspieszenie w fazach napdzania: ar [m/s2] - rednia prdko: Vr [m/s] - rozkad punktów pracy silnika (charakterystyka gstoci czasowej) [2, 4]: n [obr/min], Mo [Nm]. Klasyfikacja warunków eksploatacji w metodzie eksperckiej jest konsekwencj przyjtych przez poszczególne pastwa testów jezdnych uywanych do bada homologacyjnych pojazdów na obecno skadników toksycznych w spalinach. Test NEDC (New European Driving Cycle) [3, 5, 9, 10] wykonywany jest w Europie zgodnie z obowizujc w Unii Europejskiej dyrektyw oraz w krajach wywodzcych si z RWPG. Skada si on z dwóch czci (rys. 1): segmentu miejskiego UDC (Urban Driving Cycle) oraz segmentu pozamiejskiego EUDC (Extra Urban Driving Cycle). Rys. 1. Przebieg prdkoci w tecie NEDC [9] Fig. 1. Vehicle s speed in NEDC test [9] W USA opracowany zosta przez Amerykask Agencj Ochrony rodowiska EPA (Environmental Protection Agency) podobny test FTP-75 (Federal Test Procedure) 290

3 Possibilities of Parametric Estimation of Vehicle Operation Conditions odwzorowujcy ruch w miecie oraz test HWFET (Highway Federal Emissions Test) odwzorowujcy ruch poza miastem (rys. 2) [3, 5, 9, 10]. Powysze testy maj w zaoeniach odwzorowywa typowe warunki ruchu pojazdów w miecie lub poza miastem, które zostay 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 skadu spalin. Na podstawie skadu spalin okrelane jest nastpnie zuycie paliwa metod bilansu wgla. Rys. 2 Przebieg prdkoci w tecie FTP-75 i HWFET [9] Fig. 2 Vehicle s speed in FTP-75 and HWFET tests [9] Pomimo tego, e profil prdkoci testu NEDC zosta opracowany w latach 60. nadal jest przez producentów samochodów bardzo chtnie wykorzystywany do okrelania zuycia paliwa pojazdów w warunkach klasyfikowanych wedug podobnych kryteriów jak czyni to kierowcy. Segment miejski profilu prdkoci suy do wyznaczenia zuycia paliwa podczas jazdy w miecie, a segment pozamiejski podczas jazdy poza miastem [11]. Dla wspóczesnych warunków ruchu wyniki takich testów nie s jednak reprezentatywne, a obserwowane rónice w przebiegowym zuyciu paliwa osigaj bardzo due wartoci. Przykadowo rednie przebiegowe zuycie paliwa dla jazdy w Paryu 12. samochodów osobowych z silnikami ZI jest wedug testu reprezentatywnego dla tego miasta o 89% wysze ni jest to wykazywane przy realizacji testu NEDC [1]. Podobne prawidowoci co do rónic w rzeczywistym zuyciu paliwa i tym wykazywanym przez producentów samochodów na podstawie bada homologacyjnych (wedug testu NEDC) obserwuj uytkownicy samochodów. Ponadto sterowniki wspóczesnych silników samochodowych s optymalizowane celem zmniejszenia emisji substancji szkodliwych i zuycia paliwa dla warunków szczególnego zakresu pracy tj. dla warunków testu NEDC. 2. Parametryczna identyfikacja warunków eksploatacji pojazdu samochodowego Warunki eksploatacji pojazdu identyfikowane bd za pomoc liczbowego wskanika energetycznego zwanego energochonnoci jednostkow, który obejmuje zarówno wpyw warunków zewntrznych jak równie styl jazdy kierowcy [6, 7, 8].Wymienione czynniki 291

4 J. Kropiwnicki wpywaj na ilo energii mechanicznej przekazywanej koom napdowym, która jest jednym z parametrów tworzcych wspomniany wskanik energetyczny. Ilo energii mechanicznej przekazywanej koom napdowym w czasie cyklu pomiarowego moe wynika w równym stopniu z zaistniaych warunków ruchu pojazdów, co ze stylu jazdy kierowcy. Z tego powodu, w zaproponowanej metodzie wspomniane czynniki s traktowane jako równowane, a ich oddziaywanie na warunki eksploatacji pojazdu zostay ujte w tym samym liczbowym wskaniku energetycznym. Warto parametru dla zaoonego czasu trwania cyklu t c, mona obliczy korzystajc z nastpujcego równania [6]: gdzie: E t c 0 ( M o E [J/(mkg)], (1) L m ) dt - energia mechaniczna dostarczona przez ukad przeniesienia napdu do UPN kó w czasie cyklu pomiarowego t c, =2n prdko ktowa silnika. L cakowita droga pokonana przez pojazd, m masa cakowita pojazdu. Miejsce eksploatacji (intensywno ruchu) oraz sposób prowadzenia pojazdu mog by natomiast jednoznacznie opisane za pomoc funkcji gstoci rozkadu parametru : (2) f f ( ). (3) 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. Dla przyjtych granic zmian parametru speniony musi by ponadto warunek: max min f d 1. (4) Funkcja (3) moe by uywana zarówno w postaci cigej jak równie dyskretnej (histogramu). Parametryczna identyfikacja warunków eksploatacji moliwa jest w kadym z tych wypadków poprzez obliczenie wartoci redniej rozkadu ( ) oraz jego odchylenia standardowego (). Poniej zamieszczono dwa przykady takiej identyfikacji. 3. Przykady parametrycznej identyfikacji warunków eksploatacji pojazdu samochodowego Na terenie Gdaska, w regularnym ruchu miejskim, wykonane zostay pomiary wybranych parametrów pracy silnika i pojazdu Skoda Fabia 1.4 MPI (prdko, przyspieszenie, zuycie paliwa, itd.) z uyciem odpowiednich czujników. Pierwsza próba reprezentuje agodne warunki eksploatacji. Na rysunku 3 przedstawiony zosta przebieg prdkoci pojazdu w czasie tej próby wraz z podan prdkoci redni (V ). Do parametrycznej identyfikacji warunków eksploatacji pojazdu wykorzystany zosta natomiast histogram rozkadu parametru w czasie tej próby. Rozkad ten zosta opisany parametrami oraz, których wartoci widoczne s na rysunku

5 Possibilities of Parametric Estimation of Vehicle Operation Conditions V = 36 km/h = 0.58 = 0.55 Rys. 3 Przebieg prdkoci pojazdu (próba nr 1) Fig. 3 Vehicle speed (1 st record) Rys. 4 Histogram rozkadu parametru (próba nr 1) Fig. 4 Histogram of parameter distribution (1 st record) Na rysunkach 5 i 6 przedstawione zostay natomiast wyniki drugiej próby, która jest reprezentatywna dla trudnych warunków jazdy (jazda miejska w godzinach szczytu). V = 24 km/h = 0.98 = 0.73 Rys. 5 Przebieg prdkoci pojazdu (próba nr 2) Fig. 5 Vehicle speed (2 nd record) Rys. 6 Histogram rozkadu parametru (próba nr 2) Fig. 6 Histogram of parameter distribution (2 nd record) Uywajc tej samej procedury dla profilu prdkoci w tecie UDC uzyskano wyniki zamieszone na rysunkach 7 i 8. Rys. 7 Przebieg prdkoci pojazdu (test UDC) Fig. 7 Vehicle speed (test UDC) Rys. 8 Histogram rozkadu parametru (test UDC) Fig. 8 Histogram of parameter distribution (test UDC) 293

6 J. Kropiwnicki8 Na podstawie zamieszczonych wyników mona stwierdzi, e duym wartociom odpowiadaj tudne warunki eksploatacji. Jak potwierdzaj wczeniejsze badania jest to równie cile zwizane ze zwikszonym zuyciem paliwa [6] (relacja ma prawie liniowy charakter). Uzyskane wyniki wskazuj take jednoznacznie na nieadekwatno testu UDC dla warunków ruchu spotykanych wspóczenie na ulicach duego miasta. Warto parametru jest okoo trzykrotnie mniejsza w tecie UDC ni w drugiej zarejestrowanej próbie. Parametr mona natomiast uzna za miar rozrzutu warunków eksploatacji w czasie wykonywanej próby (przejechanego odcinka). Maym wartociom parametru bd wic opowiada warunki eksploatacji o duym stopniu jednorodnoci (powtarzalnoci). 4. Porównanie eksploatacyjnego zuycia paliwa z referenyjnym W trakcie bada drogowych wykonano jeszcze jedn prób umoliwiajc okrelenie zalenoci midzy przebiegowym zuyciem paliwa Q a parametrem [6]: gdzie: Q k 1 k 0, (5) Q [dm 3 /100 km] przebiegowe zuycie paliwa (z wyczeniem paliwa zuywanego przez silnik na biegu jaowym), k 1, k 0 - wspóczynniki funkcji aproksymujcej. Wyniki tej próby przedstawiono na rys. 9. Rys. 9 Wyniki bada drogowych Fig. 9 Results of road tests Wykorzystujc zidentyfikowan na drodze eksperymentalnej powysz zaleno mona obliczy referencyjne zuycie paliwa dla tych samych warunków eksploatacji: 294

7 Possibilities of Parametric Estimation of Vehicle Operation Conditions max 1 Q Ln f ( k1 k0 ) d b. j. h, (6) 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. W tabeli 1 przedstawiono porównanie eskploatacyjnego zuycia paliwa Q exp zarejestrowanego w czasie 1. i 2. próby drogowej oraz referencyjnego zuycia paliwa Q, którego warto zostaa obliczona z wykorzystaniem zalenoci (6) oraz bezwzgldn rónic tych wartoci. 5. Wnioski Nr próby Tab. 1 Porównanie eskploatacyjnego i referencyjnego zuycia paliwa Tab. 1 Comparison of reference and operation fuel consumption Q exp [dm 3 /100 km] Q [dm 3 /100 km] Q exp - Q [dm 3 /100 km] Przedstawiona metoda umoliwia parametryczn identyfikacj warunków eksploatacji pojazdu samochodowego. Warunki eksploatacji mog wynika w równym stopniu z zaistniaych warunków ruchu pojazdów, co ze stylu jazdy kierowcy. Warunki ekploatacji mog by zarejestrowane w czasie normalnego uytkowania pojazdu. Metoda ta umoliwia równie wyznaczenie referencyjnego zuycia paliwa dla tych samych warunków eksploatacji, do którego mona odnie zarejestrowane, eksploatacyjne zuycie paliwa. Przykadowo dysponujc wynikami takiej analizy mona jednoznacznie stwierdzi czy wzrost eksploatacyjnego zuycia paliwa jest uzasadniony gorszymi warunkami ruchu. 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 [2] Chopek, Z., Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Oficyna Wydawnicza Politechnik Warszawskiej, Warszawa [3] Chopek, Z., Ochrona rodowiska naturalnego. WKi, Warszawa [4] Cichy, M., Nowe teoretyczne ujcie charakterystyki gstoci czasowej. Silniki spalinowe Nr 2-3, [5] Gronowicz, J., Ochrona rodowiska w transporcie ldowym. Politechnika Poznaska, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu,

8 J. Kropiwnicki8 [6] Kropiwnicki, J., Koncepcja nowego testu energetycznego dla pojazdów samochodowych. Archiwum Motoryzacji. 2007, nr 2, s [7] Kropiwnicki, J., Modeling of Reciprocating Engine Transient Torque. Materiay konf. Battiechmasz, Kaliningrad [8] Kropiwnicki, J., Possibilities of operating fuel consumption estimation of vehicles. Developments in Mechanical Engineering, Gdask University of Technology Publishers, Gdask 2008, Volume 2. [9] Grenzwerte, Vorschriften und Messung der Abgas-Emissionen sowie Berechnung des Kraftstoffverbrauchs aus dem Abgastest, Mercedes-Benz. [10] Merkisz, J., Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna [11] Sika, W., Teoria ruchu samochodu. WNT, Warszawa