WAYS TO CORRECTIONS EXPENSIVE ECONOMICS WORK OF ENGINE OF HEAVY LOADED TRUCK

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No WAYS TO CORRECTIONS EXPENSIVE ECONOMICS WORK OF ENGINE OF HEAVY LOADED TRUCK Jaromir Mysowski Politechnika Szczeciska Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Al. Piastów 19, Szczecin tel.: , fax: mmrozik@ps.pl Abstract On example of Volvo car engine we shows that without break we try to search method of decrease fuel consumptions. With the aid simulation research we show constant progress in this domain. Producers don t want to shows results new research and possible failures. Ultimate verification is genuine exploitation of vehicle in conditions of big traffic, method of simulation research of fuel consumptions by these engines give us way to fast effecting of estimate of effect of exploitation. Assumption at working out of the method was possibility of the determination of the specific fuel consumption with accuracy ± 5 %, so as it is required from producers of engines in relation to of rated power. Used method makes possible the realization of the performance of the specific fuel consumption with accuracy of 2,12 %, whereat this result refers to modern diesel engines with turbocharging and with the cooling of the air supercharging of such firms as Volvo, Scania, MAN, IVECO, Mercedes and DAF. In calculations the Leidemann equation has been was applied. The paper is illustrated calculations of the specific fuel consumption reference for Volvo D6B 180/220/250 and Volvo D 12D engines. Keywords: combustion engines, work economy, fuel consumptions DROGI POPRAWY EKONOMICZNOCI PRACY SILNIKÓW SAMOCHODÓW CIAROWYCH DUEJ ADOWNOCI Streszczenie Na przykadzie silników samochodów firmy Volvo wykazano jak bez przerwy trwaj poszukiwania nad zmniejszeniem zuycia paliwa tych silników. Za pomoc bada symulacyjnych wykazano stay postp w tej dziedzinie, mimo e producenci niechtnie przedstawiaj wyniki najnowszych bada oraz ewentualnie niepowodzenia, które towarzysz wspomnianym poszukiwaniom. Ostateczn weryfikacj uzyskanych rezultatów jest eksploatacja pojazdów napdzanych now generacj silników w warunkach wzmoonego ruchu drogowego, a metody symulacyjne okrelania zuycia paliwa przez wspomniane silniki pozwalaj na szybkie i skuteczne dokonanie oceny efektów eksploatacyjnych. Zaoeniem przy opracowywaniu metody bya moliwo wyznaczenia jednostkowego zuycia paliwa z dokadnoci 5 %, tak jak to wymagane jest od producentów silników w stosunku do mocy znamionowej. Zastosowana metoda umoliwia wykonanie charakterystyki jednostkowego zuycia paliwa z dokadnoci 2,12 %, przy czym wynik ten odnosi si do nowoczesnych silników wysokoprnych z turbodoadowaniem i chodzeniem powietrza doadowujcego takich firm, jak Volvo, Scania, MAN, IVECO, Mercedes i DAF. W obliczeniach wzór Leidemanna zosta wykorzystany. Artyku jest ilustrowany obliczeniami jednostkowego zuycia paliwa odniesieniu do silników Volvo D6B 180/220/250 oraz Volvo D 12D. Sowa kluczowe: silnik spalinowy, ekonomia pracy, zuycie paliwa 1. Wprowadzenie Stay wzrost liczby pojazdów mechanicznych poruszajcych si po drogach publicznych

2 J. Mysowski stwarza okrelone zagroenia dla otaczajcego nas rodowiska. Na ogó w wikszoci rozwaa przyjmuje si, e najbardziej niekorzystnym zespoem pojazdu ze wzgldu na szkodliwe oddziaywanie na rodowisko jest silnik. Burzliwy rozwój motoryzacji spowodowa konieczno ograniczenia jej szkodliwego dziaania na otoczenie. Zwizane jest to z coraz ostrzejszymi wymaganiami odnonie do ochrony rodowiska naturalnego. Zaistniaa konieczno zastosowania rozwiza, które dotychczas nie byy brane pod uwag lub byy ignorowane i uzyskano zadziwiajco dobre rezultaty przez ich zastosowanie. Trwajce trudnoci paliwowo-energetyczne powoduj stae poszukiwania nowych noników energii oraz próby ograniczenia jej zuycia, co bdzie skutkowao zmniejszeniem szkodliwego oddziaywania na otoczenie. Wymagania stawiane wspóczesnym silnikom s czsto przeciwstawne, co wida wyranie, jeli wemie si pod uwag stale rosnc liczb samochodów i utrudnienia w ruchu z tym zwizane, a z drugiej za strony konieczno ograniczania iloci zuywanego paliwa i wydalanych ciem do otoczenia spalin. W odniesieniu do silników zarówno napdzajcych samochody osobowe jak i ciarowe sprowadza si to do uwzgldnienia trzech najbardziej istotnych czynników: maego zuycia paliwa ( ekonomiczno pracy), niskiej toksycznoci spalin, duej elastycznoci (dobrych waciwoci dynamicznych). Problem ten najwczeniej zosta zauwaony w odniesieniu do silników samochodów ciarowych duej adownoci gdzie ekonomiczno przewozów ma podstawowe znaczenie. Do rozwizania problemu poprawy ekonomicznoci oraz zmniejszenia toksycznoci w przypadku tych silników równie konieczne byo nowe podejcie odbiegajce od tradycyjnych rozwiza. O ile chodzi o silniki samochodów ciarowych byy one podatniejsze na spenienie zaostrzonych wymogów ju od lat i w ich konstrukcji dokona si znaczcy postp wymuszony przez restrykcyjne przepisy z jednej strony oraz konieczno obnienia kosztów zwizanych ze zuyciem paliwa z drugiej. Prosto rzecz ujmujc im mniejsze bdzie zuycie paliwa przez silnik tym globalna ilo toksycznych skadników wydalanych przez silnik do atmosfery bdzie mniejsza. W ten sposób kluczowym problemem pozwalajcym na spenienie dwóch pierwszych postulatów jest obnienie zuycia paliwa przez silnik. Zgodnie z tymi postulatami firma Volvo w kolejnych wersjach silników wprowadzanych na rynek stara si o obnienie zuycia paliwa. Wskanikiem jednoznacznie pozwalajcym na ocen ekonomicznoci pracy silnika jest jednostkowe zuycie paliwa. Jednostkowe zuycie paliwa wyraane w g/kwh, (g/kmh) wskazuje ile energii chemicznej zawartej w paliwie trzeba zuytkowa dla wyprodukowania przez silnik jednej kilowatogodziny. Jest to o tyle korzystny wskanik, e nie zaley od objtoci skokowej silnika ( jego wielkoci) oraz rodzaju stosowanego paliwa i dziki niemu mona porównywa róne rodzaje silników, przeznaczone do rónych celów, zasilane zarówno benzyn jak i olejem napdowym, czy te paliwami pochodzenia rolinnego. 2. Badania symulacyjne zuycia paliwa Dane dotyczce zuycia paliwa podawane przez producentów s czsto fragmentaryczne i niepene. Dla potrzeb porówna rónych danych opracowano metod symulacyjn okrelania zuycia paliwa przez silniki wysokoprne suce do napdu samochodów ciarowych o duej adownoci [1].Zaoeniem przy opracowywaniu metody bya moliwo wyznaczenia jednostkowego zuycia paliwa z dokadnoci 5 %, tak jak to wymagane jest od producentów silników w stosunku do mocy znamionowej. Metoda ta umoliwia wykonanie charakterystyki jednostkowego zuycia paliwa z dokadnoci 2,12 %, przy czym wynik ten odnosi si do nowoczesnych silników wysokoprnych z turbodoadowaniem i chodzeniem powietrza doadowujcego takich firm jak Volvo, Scania, MAN, IVECO, Mercedes i DAF. 438

3 Ways to Corrections Expensive Economics Work of Engine of Heavy Loaded Truck Wykorzystano do tego celu wzór Leidemanna: 2 n n x x gx ge12, 08,, (1) 2 n n ze zmodernizowanymi wspóczynnikami i, do = 0,75 i = 1,25 wynikajcymi z bada autora [1]: N N gdzie: g x g en n x n N g x g e 2 n x n x, (2) 2 nn nn - obliczana warto jednostkowego zuycia paliwa, - warto jednostkowego zuycia paliwa odpowiadajca mocy znamionowej. - prdko obrotowa, dla której obliczana jest warto jednostkowego zuycia paliwa, - znamionowa prdko obrotowa silnika. Wykorzystujc przedstawiony wzór i zmodernizowane wspóczynniki dla silników samochodów Volvo D6B o mocach 137; 167 i 190 kw (180;220 i 250 KM) uzyskano wartoci jednostkowego zuycia paliwa przedstawione w tabeli 1. Tab. 1. Obliczenie jednostkowego zuycia paliwa silników Volvo D6B 180/220/250 Tab. 1. Account of individual fuel consumption of Volvo engine D6B 180/220/250 n x n N g e n x / n N (n x /n N ) 2 g x ,42 0,18 207, ,46 0,21 203, ,50 0,25 201, ,54 0,29 199, ,58 0,34 198, ,63 0,40 197, ,67 0,45 197, ,71 0,50 196, ,75 0,56 197, ,79 0,62 198, ,83 0,69 201, ,88 0,77 203, ,92 0,85 208, ,96 0,92 210, Uzyskano warto minimaln jednostkowego zuycia paliwa196,73 g/kwh przy prdkoci obrotowej 1700 min -1, co daje rónic -1,14 % w stosunku do 199 g/kwh podawanych przez producenta. Kolejnym krokiem firmy Volvo w kierunku zmniejszenia zuycia paliwa byo wprowadzenie silników serii D13A o mocach od 294 kw do 382 kw ( 400 do 520 KM ) równie przeznaczonych do napdu samochodów ciarowych o duej adownoci. Jest to silnik o staej wartoci momentu 439

4 J. Mysowski obrotowego w zakresie prdkoci obrotowej od min -1 oraz staej mocy w zakresie prdkoci obrotowej od min -1, przy czym producent gwarantuje ekonomiczn prac silników w zakresie min -1. Dla tej rodziny silników minimalne jednostkowe zuycie paliwa wynosi 186 g/kwh, co jest wynikiem bardzo dobrym w porównaniu z silnikami D6B.Wyliczona warto minimalna jednostkowego zuycia paliwa metod opisan wyej wynosi 183 g/kwh, a wic rónica nie przekracza 1 %. Jednoczenie jednostkowe zuycie paliwa przy mocy znamionowej wynosi 200 g/kwh i jest to zgodne z wyliczeniami przy pomocy wzoru Leidemanna, gdy rónica midzy wartociami minimalnego jednostkowego zuycia paliwa, a zuycia przy mocy znamionowej powinna wynosi w granicach 7 do 8,5 %. Tab.2.Obliczenie jednostkowego zuycia paliwa silników Volvo D 12D Tab.2. Account of individual fuel consumption of Volvo engine D12 D n x n N g e n x / n N (n x /n N ) 2 g x ,48 0,23 190, ,57 0,32 185, ,67 0,45 185, ,76 0,58 186, ,86 0,74 192, ,95 0,90 196, ,0 Na rys.1. przedstawiono przebieg jednostkowego zuycia paliwa silnika Volvo D 12D uzyskany metod symulacyjn z zaznaczeniem pola tolerancji wyników. jednostkowe zuzycie paliwa ge g/kwh prdko obrotowa n 1/min Rys. 1. Jednostkowe zuycie paliwa silnika D 12D Fig. 1. Individual fuel consumption of engine D12 D Podobnie ma warto jednostkowego zuycia paliwa deklaruje Volvo w silniku D12D 500 o mocy 368 kw ( 500 KM). Jest to silnik z systemem turbowspomagania Turbo Compound polegajcym na umieszczeniu za turbosprark dodatkowej turbiny mocy, która przekazuj j za pomoc kó zbatych na koo zamachowe silnika [2]. Zastosowano tu turbin o przepywie osiowym, przeznaczon do duych wartoci przepywu czynnika ( korzystna raczej dla silników turboodrzutowych stosowanych w lotnictwie). Natomiast konkurencyjna Scania stosuje w tym rozwizaniu dwie turbiny promieniowe, które w kracowym przypadku pozwalaj uzyska do 37 kw mocy. Turbina promieniowa jest korzystniejsza ze wzgldu na dynamik silnika gdy szybciej ni osiowa reaguje na zmiany jego prdkoci obrotowej. Obydwa te rozwizania s korzystne dla 440

5 Ways to Corrections Expensive Economics Work of Engine of Heavy Loaded Truck samochodów rejsowych pokonujcych due odcinki drogi po autostradach, natomiast nie zday egzaminu w zastosowaniu do autobusów, szczególnie miejskich, które podlegaj cigej zmianie obcie i prdkoci obrotowej, na które wirnikowe maszyny przepywowe reaguj znacznym opónieniem. W przypadku silników przeznaczonych do autobusów najwaniejszym czynnikiem powinna by elastyczno z racji cigej zmiany warunków pracy. W tej dziedzinie silniki serii D13A maj wyniki imponujce gdy warto wspóczynnika elastycznoci cakowitej wynosi 4,0. Wykorzystujc wzór 2 obliczono orientacyjn charakterystyk zuycia jednostkowego paliwa dla silnika Volvo D 12D, któr przedstawia rys Zakoczenie Jak wida z przytoczonych przykadów cay czas toczy si walka o zmniejszenie zuycia paliwa, szczególnie dotyczy to silników samochodów ciarowych o duej adownoci gdzie to wyranie wida na ile rosn koszty przewozów. Std te powrót do wykonywania charakterystyk uniwersalnych, co prawda pracochonnych, ale dajcych bardzo wyrany obraz wykorzystania pola poday momentu obrotowego. Charakterystyki gstoci czasowej wykorzystania silnika pozwalaj na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych zalenych od czynnika ludzkiego, bo konstruktorzy uzyskali znaczny postp jak wida z opisanych przykadów, a problemami tymi zajmuj si wszystkie firmy produkujce samochody ciarowe. Literatura [1] Mysowski, J. Mysowski, J., Tendencje rozwojowe silników spalinowych o zaponie samoczynnym, Wyd. AUTOBUSY, Radom [2] 441

6