Wp yw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI 1, pp (2005) Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego MARIAN CICHY ZBIGNIEW KNEBA AWOMIR MAKOWKI JACEK KROPIWNICKI Politechnika Gdaska Katedra ilników palinowych i prarek W artykule przedstawiono model systemu energetycznego pojazdu napdzanego silnikiem spalinowym w postaci grafów wiza (GW). W modelu tym uwzgldniono szczególnie cz elektryczn systemu skadajc si z generatora, akumulatora elektrochemicznego i odbiorników energii elektrycznej. Podano zalenoci na podstawowe parametry systemu energetycznego w konwencji GW. W oparciu o przedstawion w pracy [11] wielowymiarow charakterystyk silnika spalinowego podano procedur wyznaczania wpywu odbiorników energii elektrycznej na parametry silnika spalinowego. Przedstawiono przykady numeryczne okrelania tych parametrów. 1. Wprowadzenie Obserwujc tendencje rozwojowe pojazdów napdzanych silnikami spalinowymi mona zauway wzrost zapotrzebowania na energi elektryczn. Przewiduje si, e napicie sieci elektrycznej pojazdu zostanie zwikszone do 42V [1,2]. Ju w samym silniku spalinowym zastosowanie nowej generacji ukadów chodzenia wymaga elektrycznego napdu pompy cieczy chodzcej o mocy rzdu 500 W [3]. Proponowany jest elektromagnetyczny napd zaworów rozrzdu [4], co wie si równie ze zwikszeniem zapotrzebowania na energi elektryczn o okoo W [5]. W instalacji elektrycznej pojazdu coraz powszechniej stosowane s ukady klimatyzacji, elektryczne napdy otwierania szyb i napdy do zmiany pooenia siedze samochodowych. Rodzi si pytanie: jak zwikszone zapotrzebowanie na energie elektryczn wpynie na zuycie paliwa i emisj skadników toksycznych? Dla stwierdzenia, jak due strumienie energii pyn do poszczególnych odbiorników przeprowadzono pomiary tych strumieni w samochodzie osobowym z silnikiem o zaponie iskrowym o objtoci skokowej 2 dm 3 [6]. Na rysunku 1 przedstawiono pomierzone moce odbiorników energii elektrycznej najczciej uywanych w czasie

2 8 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki jazdy na tle mocy cakowitej. uma pokazanych mocy wynosi 1413 W. Kierowca nie ma penej dowolnoci w zaczaniu odbiorników. terowniki elektroniczne wczanych urzdze s w stanie ogranicza pobór prdu do odbiorników tak, aby nie przekracza on dopuszczalnego dla instalacji o okrelonym bilansie energii. Bilans mocy warunkuj maksymalna moc alternatora i pojemno akumulatora, a w niektórych ukadach sterowania nawet chwilowe obcienie silnika spalinowego. W badanym samochodzie ograniczenie poboru mocy cigej, przez odbiorniki energii elektrycznej, wynosio okoo 800 W. Problem nieznanego algorytmu sterowania najbardziej dotyczy ukadów klimatyzacji automatycznej, w której na podstawie wielu pomiarów opracowany jest sygna o potrzebnej wydajnoci chodniczej. Czciowym rozwizaniem opisywanych problemów jest badanie samochodów z zachowaniem powtarzalnych warunków otoczenia na hamowni. tacyjka zaczona Ogrzewanie tylnej szyby 48 W wiata pozycyjne z podwietleniem konsoli 85 W 252 W wiato stopu 94 W wiata mijania z podw.konsoli Wentylator nawiewu na VII biegu 177 W 330 W wiata przeciwmgielne przednie i tylne 157 W wiata drogowe z podw.konsoli 269 W Rys. 1. Odbiorniki elektryczne wczane najczciej w czasie jazdy Fig.1. Power consumers turning on while driving most often W niniejszej pracy do analizy wpywu zaczonych odbiorników na eksploatacyjne parametry samochodu zastosowany bdzie model w postaci grafów wiza (GW) [7, 8]. Podstawow cech tego sposobu modelowania jest jednolite podejcie do modelowania procesów energetycznych o rónej naturze fizycznej. Procesy energetyczne zachodzce w elementach mechanicznych (przekadnia, akumulacja energii kinetycznej) i elektrycznych (generator, silnik elektryczny, odbiornik rezystancyjny) modelowane s przy uyciu tych samych podstaw teoretycznych [8]. Dalsz cech tej metody modelowania jest, nie pokazana w tej pracy, moliwo analizy dynamiki systemu energetycznego przy zastosowaniu równa stanu wynikajcych z modelu GW [8].

3 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 9 2. Model pojazdu z silnikiem spalinowym w postaci GW Na rysunku 2 przedstawiony jest model w postaci GW pojazdu napdzanego silnikiem spalinowym z uwzgldnieniem elementów elektrycznych, takich jak: generator elektryczny, akumulator elektrochemiczny i odbiorniki energii elektrycznej. Analiz wpywu tych elementów na parametry silnika wyznacza si bdzie dla okrelonych warunków eksploatacji. W tym celu rozwinito model pojazdu w postaci GW. Model ten pokazano na rysunku 3. Rys. 2. Model GW pojazdu napdzanego silnikiem spalinowym: silnik spalinowy; OEP pojazd jako odbiornik energii; GE generator elektryczny; AECH akumulator elektrochemiczny; UZ ukad zaponowy; O owietlenie; WE wentylacja, klimatyzacja; WY wycieraczki; G ogrzewanie szyb; UOEE ukad sterowania odbiornikami energii elektrycznej Fig. 2. Bond Graph model of a vehicle powered by combustion engine: - combustion engine; OEP vehicle as a power consumer; GE generator; AECH battery; UZ - ignition system; O lighting; WE fan, AC; WY windscreen wiper, G window heating; UOEE control system for electrical energy consumers

4 10 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki Rys. 3. Rozwinity model pojazdu jako odbiornika energii TRP ukad napdowy pojazdu traktowany jako transformator energii, m akumulator energii kinetycznej w postaci zredukowanej masy, R H - opory hamowania, R t - opory toczenia, R p - opory powietrza, PEW - modulowany przetwornik energii, h - akumulator energii potencjalnej w postaci pooenia na drodze Fig. 3. Full model of a vehicle as an energy consumer TRP ignition system treated as an energy transducer, m kinetic energy storage reduced mass, R H braking resistance, R t rolling resistance R p air resistance, PEW modulated energy transducer, potential energy storage as road high 3. Podstawowe parametry systemu energetycznego w konwencji GW W konwencji GW kady przepyw energii (przetwarzanie, akumulacja, rozpraszanie), niezalenie od jego fizycznej postaci, okrelony jest dwoma parametrami: uogólnionym potencjaem e i uogólnionym przepywem f [7, 8]. Przy przytaczanych parametrach podano jednostki, podkrelajc tym samym istotno ich stosowania przy eksperymentach symulacyjnych z uyciem modeli matematycznych w postaci równa stanu [8]. Moc, czyli strumie energii okrelona jest w konwencji GW zalenoci: N ef [W ]. (1) Ilo przekazanej energii wyznacza zwizek: E efdt [J ]. (2) W przypadku modelu silnika przedstawionego na rysunku 1 uogólnionymi potencja- ami e s: Warto opaowa paliwa W d [J/kg], Moment obrotowy M s [Nm], Napicie sieci elektrycznej V [V].

5 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 11 Uogólnionymi przepywami f s: sekundowe zuycie paliwa G e [kg/s], prdko ktowa wau silnika [rad/s], prd i [A]. Gównymi skadowymi wektora parametrów wyjciowych Y s (rys. 2 i zaleno (3)) s: * moc silnika N e =M s * s, * dawka paliwa na cykl m c, * sekundowe zuycie paliwa G e, * jednostkowe zuycie paliwa g e =G e /M s s, * sprawno ogólna silnika o =M /G e W d, * pooenie organu sterowania silnikiem U s0,1, * kt wyprzedzenia zaponu z, * jednostkowa emisja skadników toksycznych. Okrelone w taki sposób parametry silnika wykorzystywane s do tworzenia modelu matematycznego caego systemu energetycznego [8] w postaci równa stanu: gdzie: X f1(x,u), Y f 2 (X,U). X wektor zmiennych stanu, U wektor sterowa, Y wektor parametrów wyjciowych systemu energetycznego. (3) W systemach energetycznych, w których ródem energii jest silnik spalinowy [9, 10], naley okreli zwizki wyraone drugim równaniem w zalenoci (3). W tym celu wprowadzono pojcie wielowymiarowej, statycznej charakterystyki silnika zdefiniowanej jako funkcja wektorowa [11]: Y M ; M Ls f. (4) 2 gdzie L s zbiór moliwych do osignicia punktów pracy silnika (, M ) (rys. 4).

6 12 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki Rys.4. chemat pola pracy silnika i charakterystyki odbiorników energii (oznaczenia w tekcie) Fig. 4. The car engine working field and the courses of the resistance of car motion (symbols are explained in text) Zgodnie z zalenoci (4) kademu punktowi na polu pracy silnika (rys. 4) mona przypisa jedn warto parametru bdcego elementem wektora Y. W niniejszych rozwaaniach bd to: parametr sterowania silnikiem U, jednostkowe i sekundowe zuycie paliwa (g e i G e ), moc silnika (N e ) oraz jednostkowa toksyczno spalin. Na polu pracy silnika pokazano schematycznie dwie linie przedstawiajce opory ruchu pojazdu dla okrelonego przeoenia przeniesione na pole pracy silnika z wyczonymi odbiornikami energii elektrycznej (M O ) i z wczonymi odbiornikami (M OG = M O + M G ). Momenty te jako parametry energetyczne modelu GW zaznaczone s na rysunku 2. Pole pracy silnika (rys. 4) ograniczone jest od góry charakterystyk penej mocy (M pm ), a od dou charakterystyk oporów mechanicznych silnika (M om ). 4. Wpyw odbiorników energii elektrycznej na parametry silnika spalinowego Procedura okrelania zalenoci parametrów silnika od obcienia sieci elektrycznej opiera si na analizie modelu GW przedstawionego na rysunku 2. trumie energii

7 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 13 przekazywany z wau silnika przetwarzany jest w generatorze na energi elektryczn zgodnie z zalenoci: M G GE ig iae VG, (5) gdzie GE sprawno przetwarzania energii obejmujca sprawno przekadni i sprawno generatora. Dla przekadni TR (rys. 2) wany jest zwizek: M gdzie m GE modu przekadni. G GE G, (6) G 1/ m 0 Zgodnie ze zwizkiem (6) dla przekadni TR: G G m 0 GE G M M M. (7) Po przeksztaceniu zalenoci (5) otrzyma si zwizek: M G GE ig iae VG. (8) Moment obrotowy silnika do pokonania zaoonych oporów ruchu pojazdu i dla zadanego kta pochylenia drogi ( F F mg sin ) (rys. 3) zaley od prdkoci i numeru przeoenia N P : O t p p M f, N. (9) Dla zadanej ustalonej prdkoci pojazdu i numeru przeoenia moment generowany przez silnik (rys. 2 i 4) wynosi: M M M. (10) O G Jako przykad wykorzystania wielowymiarowej charakterystyki (4) wyraonej w formie funkcji analitycznej [11] okrelone zostanie jednostkowe zuycie paliwa przedstawione w formie: g g, M e. (11)

8 14 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki Dla zadanej prdkoci ktowej i przyjtej zalenoci (9) okreli mona sekundowe zuycie paliwa dla ruchu z wyczonymi G eo i wczonymi G ee odbiornikami energii elektrycznej: G G eo ee g g eo ee M O, M M. O G (12) Przyrost zuycia paliwa dla zadanych warunków ruchu pojazdu wynosi: G G G. (13) e ee eo Dla zmieniajcych si w czasie warunków ruchu i zadanego czasu eksploatacji t ex przyblion warto przyrostu zuycia paliwa wyznacza zwizek: m pal tex G 0 e t dt. (14) W przytoczonej procedurze prowadzcej do otrzymania przyblionej zalenoci (14) wiadomie ograniczono si do rozpatrzenia stanów ustalonych, to znaczy, e M =M (rys.2) lub ogólnie w zalenoci (3) X 0. Podkreli jednake trzeba, e modelowanie grafami wiza jest szczególnie przydatne do modelowania dynamiki systemów energetycznych. Podobne zalenoci jak dla zuycia paliwa mona ustali dla innych skadowych wektora Y. W przytoczonym przykadzie wyznaczono równie emisj tlenku wgla. 5. Przykady numeryczne Przykady numeryczne zostay przygotowane dla samochodu Fiat tilo 1,6 Active 5 dr wyposaonego w silnik ZI rozwijajcego moc N e = 76 kw przy prdkoci obrotowej n = 5750 obr/min. Wasnoci fizyczne modelowanego pojazdu oraz parametry niezbdne do oblicze oporów ruchu pojazdu zamieszczone zostay w tabeli 1. Obliczenia obejmuj wyznaczenie zuycia paliwa (G e [g/km]) oraz emisji tlenku wgla (CO [g/km]) dla okrelonych parametrów pracy ukadu napdowego, wynikajcych z prdkoci jazdy oraz zaczonych dodatkowych odbiorników energii elektrycznej. Przeprowadzenie oblicze wymagao przygotowania wielowymiarowej charakterystyki silnika [11], obejmujcej charakterystyk zuycia paliwa oraz emisji tlenku wgla. Do odwzorowania wymienionych charakterystyk cig funkcj prdkoci ktowej i momentu obrotowego silnika posuono si trójwymiarowymi funkcjami typu pline [11]. Cechy funkcji zastosowanych do aproksymacji przebiegów wybranych parametrów pracy silnika oraz dokadnoci uzyskanych odwzorowa zamieszczono

9 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 15 w tabeli 2. Uywajc powyszych funkcji wygenerowane zostay charakterystyki: jednostkowego zuycia paliwa (rys. 5) oraz jednostkowej emisji tlenku wgla (rys. 6), do których dane uzyskano dziki uprzejmoci Centrum Badawczego Fiata. Tabela 1. Wasnoci fizyczne modelowanego pojazdu oraz parametry niezbdne do oblicze oporów ruchu pojazdu Table 1. Physical characteristics of the modeled vehicle that were needed for the resistance of motion calculations Nazwa parametru Masa samochodu Wymiary samochodu Promie dynamiczny opony Warto parametru m= 1480 kg L x B x H= 4253 x 1756 x 1525 [mm] r d = 0,305 m Przeoenie przekadni gównej i g = 3,73 Przeoenie na biegu I i bi = 3,91 Przeoenie na biegu II i bii = 2,15 Przeoenie na biegu III i biii = 1,48 Przeoenie na biegu IV i biv = 1,2 Przeoenie na biegu V i bv = 0,9 Wsp. oporu powietrza C X = 0,32 Wsp. oporu toczenia (gadki asfalt) f to = 0,012 prawno uk. przeniesienia napdu UPN = 0,915 prawno generatora GE = 0,700

10 16 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki Tabela 2. Cechy funkcji zastosowanych do aproksymacji przebiegów wybranych parametrów pracy silnika oraz dokadnoci uzyskanych odwzorowa Table 2. Approximation function parameters used to approximate some chosen engine working parameters and accuracy of description Przebieg G e [kg/h] CO [kg/h] topie wielomianu Ilo wzów Wspórzdne wzów r [%] Kierunek: Kierunek: Lp. Kierunek: M o M o M o W badaniach symulacyjnych rozpatrywane byy przypadki jazdy samochodu z dwiema prdkociami: 50 km/h i 90 km/h, którym odpowiaday prdkoci ktowe wau silnika = 204 rad/s i = 367 rad/s. Dla tych dwóch prdkoci jazdy wyznaczone zostay na podstawie modelu pojazdu (rys. 2 i 3) trzy przypadki obcienia silnika: A) obcienie oporami ruchu pojazdu i zaczonymi odbiornikami energii elektrycznej, niezbdnymi dla prawidowej pracy pojazdu, B) obcienie jak w punkcie A i dodatkowo wczone wiata mijania z podwietleniem konsoli (+177 W), C) obcienie jak w punkcie A i dodatkowo wczona grupa odbiorników dajca maksymalny, cigy pobór energii elektrycznej pokrywany w caoci przez generator (+800 W). cznie 6 przypadków obcienia (po 3 dla kadej prdkoci) i odpowiadajce im punkty pracy silnika wraz z krzyw oporów ruchu pojazdu dla wybranego biegu IV w przekadni wybieralnej pokazane zostay na rysunkach 5 i 6. Dokadny opis punktów pracy silnika oraz wyniki przeprowadzonych oblicze zamieszczono w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki oblicze Table 3. Calculations results Punkt rad/s] M s [Nm] CO [g/km] G e [g/km] G e [dm 3 /100 km] G e [dm 3 /100 km] A B C A B C

11 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 17 g e [g/kwh] M s [Nm] IV bieg B 2 C B 1 C 1 A A e V=50 km/h V=90 km/h [rad/s] Rys. 5. Charakterystyka jednostkowego zuycia paliwa z naniesionymi punktami pracy silnika oraz krzyw oporów ruchu pojazdu dla wybranego IV biegu w przekadni wybieralnej (linia ciga pogrubiona). A 1, B 1, C 1 punkty pracy silnika obcionego rónymi odbiornikami elektrycznymi przy prdkoci jazdy 50 km/h. A 2, B 2, C 2 punkty pracy silnika obcionego rónymi odbiornikami elektrycznymi przy prdkoci jazdy 90 km/h Fig. 5. Map of specific fuel consumption with some points of engine working conditions and course of the resistances of car motion while driving in fourth gear (continues double with line). A 1, B 1, C 1 working points engine loaded with some electrical energy consumers by 50 km/h. A 2, B 2, C 2 - working points engine loaded with some electrical energy consumers by 90 km/h

12 18 M. Cichy, Z. Kneba,. Makowski, J. Kropiwnicki e CO [g/kwh] M s [Nm] C 1 B 1 A IV bieg C 2 B 2 A V=50 km/h V=90 km/h [rad/s] Rys. 6. Charakterystyka jednostkowej emisji tlenku wgla z naniesionymi punktami pracy silnika oraz krzyw oporów ruchu pojazdu dla wybranego IV biegu w przekadni wybieralnej (linia ciga pogrubiona). A 1, B 1, C 1 punkty pracy silnika obcionego rónymi odbiornikami elektrycznymi przy prdkoci jazdy 50 km/h. A 2, B 2, C 2 punkty pracy silnika obcionego rónymi odbiornikami elektrycznymi przy prdkoci jazdy 90 km/h Fig. 6. Map of specific carbon monoxide emissions with some points of engine working conditions and course of the resistances of car motion while driving in fourth gear (continues double with line). A 1, B 1, C 1 working points engine loaded with some electrical energy consumers by 50 km/h. A 2, B 2, C 2 - working points engine loaded with some electrical energy consumers by 90 km/h 6. Uwagi kocowe We wspóczesnych samochodach zaczanie odbiorników energii przez kierowc podlega nadzorowi elektronicznych sterowników, który jest prowadzony w taki sposób, aby nie przeciy sieci elektrycznej pojazdu. Moc jednoczenie zaczonych odbiorników, poza napdem samochodu, najczciej nie przekracza 1,5 kw, lecz po planowanym wprowadzeniu elektromagnetycznego napdu zaworów rozrzdu i elektrycznego napdu pompy cieczy chodzcej moe ona dochodzi do 3 kw. Obecnie w Europie nie bada si spenienia wymaga homologacyjnych z wczonymi dodatkowymi odbiornikami energii, a z przedstawionej powyej analizy wynika, e w pewnych warunkach ich wpyw na emisj zwizków toksycznych w spalinach, jak równie zuycie paliwa moe by istotny. W zamieszczonym w pracy przykadzie

13 Wpyw odbiorników energii elektrycznej pojazdu na parametry silnika spalinowego 19 numerycznym stwierdzono wzrost zuycia paliwa wynoszcy 0,62 dm 3 /100 km po zaczeniu odbiorników elektrycznych o cznej mocy 800 W. Jednoczenie nie zauwaono istotnych zmian w zuyciu paliwa oraz emisji tlenku wgla po zaczeniu wiate mijania w pojedzie (tab. 3). Wobec silnie zmiennych obcie silnika wynikajcych nie tylko z warunków ruchu, ale i z losowego zaczania odbiorników, w pojedzie wyranie zarysowuje si potrzeba wyznaczania dynamicznych charakterystyk silników oraz tworzenia dynamicznych modeli silnika pozwalajcych prowadzi symulacje, które bd reprezentatywne dla rzeczywistych warunków pracy silnika. Literatura [1] WRIGHT K.: Watt s next. Engine Technology International, June [2] CROE J.: tart of a new generation. Engine Technology International, March [3] HOLLAND R.: Electric shock. Engine Technology International, June [4] GOLDTEIN R.: Variables of electromagnetic valve actuator performance. Engine Technology International, November [5] RILEY R.Q.: Alternative cars in the 21 st century: a new personal transportation paradigm. AE Inc., Warrendale, PA, UA [6] KNEBA Z.: Wpyw zaczonych dodatkowych odbiorników mocy na testowe wyniki analizy spalin samochodu osobowego. Archiwum Motoryzacji [7] KARNOPP D.C., MARGOLI D.L., ROENBERG R.C.: ystem dynamics: a unified approach. Wiley, New York [8] CICHY M.: Modelowanie systemów energetycznych. Wydawnictwo PG, Gdask [9] CICHY M., MAKOWKI.: Energy flows modelling of series hybrid electric vehicle. W: Proc. MOTAUTO 02, vol. 2, Russe: Tech. Univ. Russe [10] KROPIWNICKI J., MAKOWKI.: Bilans energetyczny w pojedzie hybrydowym z napdem szeregowym. Mat. Konf. Problemy jakociowe, energetyczne i eksploatacyjne w maszynach cieplnych, ATR Bydgoszcz, Bydgoszcz [11] KROPIWNICKI J.: Model ukadu silnik-pojazd z wykorzystaniem charakterystyk statycznych silnika. Rozprawa doktorska. Promotor: Cichy M. Politechnika Gdaska The influence of electrical energy consumers on combustion engine parameters u m m a r y The paper presents the model of a powertrain system of a vehicle with internal combustion engine (ICE) by using Bond Graphs. The special attention was paid for electrical part of the system. ome chosen parameters and equations for the model have been presented. Based on presented in thesis [11] multidimensional ICE characteristics procedure of calculations of the influence of electrical energy consumers for car characteristics has been given. ome numerical examples of characterizing some parameters are also included.