Badania sprawności autobusowego silnika spalinowego w warunkach ruchu miejskiego

SZLACHETKA Marcin 1 BARAŃSKI Grzegorz 2 GRABOWSKI Łukasz 3 MAJCZAK Adam 4 Badania sprawności autobusowego silnika spalinowego w warunkach ruchu miejskiego WSTĘP W dzisiejszych czasach w miastach wiele osób korzysta z transportu publicznego. Pojazdami, które odgrywają główną rolę w transporcie osób w aglomeracjach miejskich są pojazdy użytkowe, do których zaliczamy między innymi autobusy. Głównym źródłem napędu tych pojazdów są silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym, które charakteryzują się dużą wartością momentu obrotowego w szerokim zakresie prędkości obrotowych, co pozwala na sprawne wykonywanie codziennych zadań przewozu osób. Każdego dnia autobus miejski pokonuje dziennie w średnim mieście w Polsce dystans około 200 km. Głównymi składnikami trasy w kolejności największego występowania są bieg jałowy, przyspieszanie i hamowanie oraz jazda w stanie ustalonym. Podczas przyspieszania energia wytwarzana ze spalania paliwa zużywana jest głównie na realizację pracy użytecznej, czyli pokonanie oporów ruchu i zwiększenie energii kinetycznej pojazdu oraz na pokrycie strat w układzie przeniesienia napędu [2, 3]. Należy zauważyć, że moc potrzebna na przyspieszenie pojazdu do zadanej prędkości jest znacznie większa niż moc potrzebna na poruszanie się pojazdu ze stałą prędkością. Natomiast podczas hamowania energia kinetyczna, która zgromadzona jest w masie pojazdu oraz wirujących masach bezwładności w głównej mierze tracona jest w postaci energii cieplnej w układzie hamulcowym pojazdu. Jednostki napędowe autobusów charakteryzują się dużą wartością objętości skokowej, co powoduje niestety duży wydatek spalin oraz znaczne przebiegowe zużycie paliwa określane w kg/100 km lub dm 3 /100 km. Ciągła zmiana warunków obciążenia powoduje, zatem większy niż podczas jazdy ze stałą prędkością wzrost emisji substancji szkodliwych takich jak PM, NOx oraz CO. Z powyższego wynika, że eksploatacja pojazdów użytkowych w tym autobusów komunikacji miejskiej wpływa negatywnie także na środowisko naturalne zwłaszcza w zatłoczonych centrach miast gdzie w bliskim otoczeniu autobusów znajduje się duża liczba osób [5, 6]. Zasadne wydaje się określenie relacji pomiędzy warunkami jazdy autobusu a sprawnością silnika zwłaszcza w cyklu miejskim gdzie występuje duża różnorodność trasy charakteryzująca się znaczną ilością manewrów przyspieszania i hamowania. 1. SPRAWNOŚĆ SILNIKA SPALINOWEGO Sprawność przetwarzania energii w pojeździe o napędzie spalinowym zależy w głównej mierze od profilu realizowanego cyklu jezdnego. Jak już wcześniej wspomniano elementarny cykl jezdny składa się z faz postoju na przystanku, przyspieszania do zadanej prędkości, jazdy z prędkością ustaloną i hamowania. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-47-64, Fax: + 48 81 538-47-45, m.szlachetka@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-47-64, Fax: + 48 81 538-47-45, g.baranski@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-47-64, Fax: + 48 81 538-47-45, l.grabowski@pollub.pl 4 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: + 48 81 538-47-64, Fax: + 48 81 538-47-45, a.majczak@pollub.pl 6123

Pojęcie sprawności wykorzystuje się do oceny poszczególnych przemian energetycznych zachodzących w tłokowych silnikach spalinowych. Cykle teoretyczne silników ocenia się, wykorzystując pojęcie sprawności teoretycznej, którą wyrażamy ilorazem pracy cyklu teoretycznego L t i dostarczonego do cylindra w czasie jednego cyklu pracy ciepła Q: η e = L e /Q (1) Do oceny rzeczywistych cykli pracy tłokowych silników spalinowych wykorzystać można następujące sprawności: indykowaną, efektywną i mechaniczną. Wartości tych sprawności wyznacza się na podstawie np. badań silnika na hamowni silnikowej gdzie możemy wykonać pomiary efektywnych wskaźników pracy silnika takich jak: efektywny moment obrotowy, moc efektywna i godzinowe zużycie paliwa a także pomiary przebiegów zmiany ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze silnika. Sprawność indykowana jest to iloraz pracy indykowanej Li wykonanej w czasie jednego cyklu pracy silnika obliczonej na podstawie wykresu indykatorowego i ciepła Q doprowadzonego do silnika w czasie tego cyklu pracy: η i = L i /Q (2) Sprawność mechaniczną silnika wyznacza się jako iloraz mocy efektywnej Ne i mocy indykowanej N i : η m = N e /N i (3) Powszechnie szacuje się, że straty mechaniczne absorbują od kilku procent w warunkach znamionowych do kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu procent w warunkach rzeczywistych energii dostarczanej w postaci paliwa do silników spalinowych. Sprawność ogólna (efektywna) jest miarą wykorzystania energii zawartej w paliwie. Określa więc, skuteczność zamiany energii cieplnej zawartej w paliwie na energię mechaniczną oddawaną przez silnik odbiornikom mocy. Definiujemy ją, jako iloraz pracy efektywnej L e jednego cyklu pracy silnika i energii cieplnej Q zawartej w paliwie, która została doprowadzona do silnika w czasie trwania cyklu pracy: η e = L e /Q (4) lub wykorzystując znane jednostkowe zużycie paliwa q e dla danego silnika i wartość opałową paliwa W u możemy zapisać: η e = 1/(q e W u ) (5) 2. OBIEKT BADAŃ Badania przeprowadzono na autobusie Mercedes Conecto C (fot.1) będącym na wyposażeniu MPK w Lublinie. Jest to niskopodłogowy autobus w wersji skróconej mogący pomieścić 94 osoby (26 miejsc siedzących i 68 stojących). MPK Lublin posiada 22 takie autobusy. Fot. 1. Mercedes-Benz Conecto C 6124

Autobus w zależności od wersji występuje w dwóch wariantach mocy i spełnia normę czystości spalin Euro 5. Do badań wybrano autobus wyposażony w silnik o oznaczeniu OM 926 LA. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane silnika, natomiast na rysunku 1 charakterystykę mocy i jednostkowego zużycia paliwa. Na podstawie tych danych wyznaczono sprawność ogólną silnika (rys. 2). Tab. 1. Dane silnika OM 926 LA [5] Nr Właściwość Wartość 1 Pojemność 6370 [cm 3 ] 2 Liczba cylindrów/rodzaj 6/rzędowy 3 Moc 205 [kw] 4 Moment obrotowy 1120 [Nm] dla 1200 1600 obr/min Rys. 1. Wykres mocy i jednostkowego zużycia paliwa silnika OM 926 LA Rys. 2. Wykres sprawności ogólnej silnika OM 926 LA 3. BADANIA DROGOWE Badania drogowe z rejestracją wybranych wielkości wykonano dla pojazdu poruszającego się na rzeczywistej trasie w cyklu miejskim. Do przeprowadzenia pomiarów wybrano trasę linii nr 23 w Lublinie, którą podzielono na dwie niezależne trasy A (ul. Dobrzańskiego ul. Paderewskiego) oraz B (ul. Paderewskiego ul. Dobrzańskiego). Długość trasy A wynosi około 10,5 km, a trasy B około 11,9 km. Średni czas, w jakim autobus pokonał trasę, wynosi odpowiednio dla trasy A - 2010 s a dla trasy B - 2520 s. 6125

Na rysunku 3 przedstawiono graficznie przebieg trasy, na której dokonano pomiarów. Trasy złożone są z kilku odcinków o różnym natężeniu ruchu. Odcinkiem o największym natężeniu ruchu jest ścisłe centrum miasta, co stanowi ok. 25% całej trasy, gdzie intensywność zmian obciążenia (przyspieszanie i hamowanie) jest niemal dwukrotnie większa niż dla pozostałych odcinków. Pomiary prowadzono w godzinach popołudniowego szczytu dla 5 kolejnych dni roboczych. Rys. 3. Plan trasy przejazdu autobusu Mercedes Conecto C w Lublinie (wykonano za pomocą oprogramowania NI DIAdem). 4. WYNIKI BADAŃ W ramach badań przeprowadzono pomiary drogowe rejestrując podstawowe parametry pracy silnika oraz prędkość pojazdu. Pomiary wykonane zostały dla przypadkowej liczby pasażerów zmieniającej się na każdym przystanku. W wyniku przeprowadzonych pomiarów zarejestrowano przebiegi obciążenia i prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz prędkości i przyspieszenia pojazdu w funkcji czasu dla poszczególnych tras przejazdu. Na rysunkach 4 7 przedstawiono przykładowe przebiegi zarejestrowane w trakcie pomiarów. Przerwa w rejestracji widoczna na przebiegach począwszy od wartości 2000 s do 3500 s oznacza postój autobusu na przystanku końcowym pomiędzy realizacją trasy A i B. Przerwa ta nie była uwzględniana w analizie otrzymanych wyników. Rys. 4. Przebieg zmian obciążenia silnika autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. 6126

Rys. 5. Przebieg zmian prędkości autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. Rys. 6. Przebieg zmian prędkości obrotowej wału korbowego silnika autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. Rys. 7. Przebieg zmian przyspieszenia autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Pomiary wykonano wielokrotnie na poszczególnych trasach przejazdu, a wyniki uśredniono. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów drogowych rzeczywistych cykli jazdy autobusów miejskich opracowano histogramy obciążenia i prędkości obrotowej wału korbowego silnika a także prędkości i przyspieszenia pojazdu. W wyniku przeprowadzonej analizy możemy stwierdzić, że zakres obciążeń, odpowiadający pracy silnika na biegu jałowym tj. od 5% do 15%. w którym jednocześnie silnik pojazdu pracował najwięcej stanowi łącznie ok. 30% cyklu jezdnego. Kolejny znacznie szerszy zakres odpowiadający średnim obciążeniom silnika (30% - 55%) stanowi około 38% i jest to obszar, w którym autobus wykonuje 6127

trasę pomiędzy poszczególnymi przystankami z ustabilizowaną prędkością jazdy. Maksymalne obciążenie ponad 85%, z jakim silnik pracował osiągane było sporadycznie łącznie poniżej 1%. Rys. 7. Histogram obciążenia silnika autobusu Mercedes Conecto w warunkach ruchu miejskiego Przedstawiony na rysunku 8 histogram prędkości pojazdu Mercedes Conecto uwidacznia, w jakich zakresach prędkości jazdy pojazd pracował najdłużej. Zakres małych prędkości tj. 0 15 km/h nie przekracza 3,5 %, natomiast dla zakresu od 35 do 45 km/h odnotowano największy udział procentowy pracy pojazdu, który łącznie stanowi około 36 % cyklu jezdnego. Pojazd bardzo rzadko przekraczał prędkość 50 km/h, co stanowi mniej niż 0,5% całego cyklu jezdnego. Rys. 8. Histogram prędkości pojazdu Mercedes Conecto w warunkach ruchu miejskiego Histogram 9, na którym przedstawiono średnie udziały procentowe wartości prędkości obrotowej wału korbowego silnika także potwierdza, iż zakres biegu jałowego i małych obciążeń stanowi znaczną wartość ponad 40 % całego cyklu jezdnego. Drugim znaczącym obszarem pracy jednostki napędowej był zakres średnich prędkości obrotowych wału korbowego silnika (900 1500 obr/min) przy obciążeniu 30 60%. Obszar ten stanowił łącznie około 45% całkowitego czasu pracy i wynikał bezpośrednio z charakterystyki pracy silników pojazdów użytkowych. Przy czym podkreślić należy, że wartości poszczególnych prędkości obrotowych wału korbowego silnika z zakresu od 900 1500 obr/min nie przekraczają 8 %. 6128

Rys. 9. Histogram prędkości obrotowej wału korbowego silnika Mercedes Conecto w warunkach ruchu miejskiego Miejski transport osobowy należy zaliczyć, jako jazdę znormalizowaną, zmiany jakościowe są inne niż w przypadku jazdy np. samochodem osobowym, która to czasami charakteryzuje się dużym przyspieszaniem i gwałtownym hamowaniem. W przypadku komunikacji miejskiej wyodrębnia się czas pracy, postojów oraz ustabilizowanej prędkości jazdy (40 60 km/h), należy jednak unikać gwałtownych przyspieszeń i co ważniejsze hamowań mogących negatywnie wpływać na komfort jazdy pasażerów. Na rysunku 10 przedstawiono histogram przyspieszeń pojazdu w trakcie realizacji cyklu jezdnego. Blisko 60% całego cyklu odpowiada przyspieszeniu pojazdu w granicach ±0,5 m/s 2. Wartości przekraczające 5 m/s 2 występują sporadycznie. Analizując sprawność autobusowego silnika spalinowego wykorzystano charakterystykę sprawności cieplnej silnika Cummins o pojemności 10,8 dm 3 (rys. 4), który wykorzystywany jest do napędu autobusów komunikacji miejskiej o zbliżonych parametrach oraz charakterystyki wykorzystane w pracy [4]. Na tej podstawie możemy określić w pewnym przybliżeniu relacje pomiędzy warunkami jazdy a sprawnością silnika autobusu w cyklu miejskim. Rysunek 4 przedstawia sprawność cieplną silnika Cummins 10.8L obliczoną na podstawie zużycia paliwa w cyklu miejskim. Rys. 10. Histogram przyspieszeń pojazdu Mercedes Conecto w warunkach ruchu miejskiego 6129

Sprawność silnika [%] Max moment obr. [Nm] Mo [Nm] n [obr/min] Rys. 11. Sprawność cieplna silnika Cummins 10,8L [1]. Analizując rozkład krzywych (rys. 4) przedstawiających sprawność ogólną silnika w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego silnika i krzywej momentu obrotowego możemy wyróżnić obszary, w których silnik osiąga sprawność ponad 40%, co ma miejsce dla prędkości powyżej 1200 obr/min i wartości momentu obrotowego ponad 800 Nm. Obszar pracy silnika w zakresie 600-800 obr/min i wartości momentu obrotowego poniżej 400 Nm stanowi bieg jałowy gdzie sprawność silnika nie przekracza 25%. Silnik badanego pojazdu Mercedes Conecto osiąga maksymalny moment obrotowy 1120 Nm w zakresie prędkości obrotowych 1200 1600 obr/min natomiast w zakresie prędkości obrotowych 800-1000 obr/min maksymalny moment obrotowy zmienia się w zakresie od 600 do 1050 Nm. Maksymalna sprawność efektywna silnika odpowiadająca zakresowi prędkości obrotowych 800-1000 obr/min zmienia się od 24% do 42%, natomiast w zakresie średnich prędkości obrotowych wału korbowego silnika (1000 1500 obr/min) silnik osiąga największą maksymalną sprawność 44%. Podczas badań drogowych jednostka napędowa ze sprawnością bliską maksymalnej pracowała sporadycznie, poniżej 1% dla całego cyklu jezdnego i miało to miejsce w zakresie średnich prędkości obrotowych wału korbowego silnika. Praktycznie cały cykl jezdny realizowany był ze sprawnością znacznie poniżej sprawności maksymalnej silnika. Podczas postoju np. na przystanku, gdy silnik pracował z prędkością biegu jałowego energia zgromadzona w paliwie została zużyta w głównej mierze na pokonanie oporów mechanicznych silnika oraz napęd układów dodatkowych. Czas, z jakim silnik pracował w zakresie biegu jałowego i małych obciążeń stanowi około 40% całego cyklu jezdnego. Sprawność ogólna silnika w tym zakresie na podstawie analizy dostępnych charakterystyk zawiera się w granicach 4-10%. W przypadku pracy silnika w zakresie średnich prędkości obrotowych (1000 1500 obr/min) i obciążeń silnika na poziomie 30 55% sprawność ogólna silnika mieści się w zakresie 30 35%. Dla obciążenia silnika przekraczającego 70% sprawność ogólna silnika wynosi ponad 38%, jednak obciążenie to realizowane było poniżej 2,5% całego cyklu jezdnego. WNIOSKI Jazda miejska charakteryzuje się znacznym udziałem czasu pracy silnika na biegu jałowym oraz w zakresie biegu luzem gdzie występują zmienne prędkości obrotowe bez obciążenia. Stanowi to około 40% całkowitej pracy silnika w warunkach miejskich. Stany pełnego obciążenia występują sporadycznie. Najczęściej występują stany częściowego obciążenia w szerokim zakresie prędkości obrotowych wału korbowego silnika a maksymalne obciążenie nie przekracza 1% całego cyklu jezdnego. Sprawność ogólna silnika w trakcie wykonywania cyklu jezdnego zmienia się od wartości 6130

rzędu 4-10% dla pracy silnika w zakresie biegu jałowego i niewielkich obciążeń silnika do wartości 30-35% w warunkach średnich obciążeń. Fakt znaczącego zmniejszenia się efektywnej sprawności ηe silnika w obszarze poza optymalnym (bieg jałowy i małe obciążenie) objawia się także znacznym wzrostem jednostkowego zużycia paliwa, co obniża ekonomiczność pojazdu. Należy wspomnieć, że wykonane badania były jedynie badaniami wstępnymi. W celu dokładniejszego określenia sprawności autobusu poruszającego się w cyklu miejskim należy rozszerzyć badania o większą liczbę przejazdów oraz większą liczbę autobusów na danej trasie o różnym natężeniu ruchu. Pod uwagę należy wziąć także inne trasy przejazdu autobusu o zmiennym natężeniu ruchu. Da to pełniejszy obraz sprawności, z jaką pracują autobusowe silniki spalinowe wykorzystywane w komunikacji miejskiej. Streszczenie Autobus miejski pokonuje dziennie w średnim mieście w Polsce około 200 km. Głównymi składnikami trasy w kolejności największego występowania są bieg jałowy, przyspieszanie i hamowanie oraz jazda w stanie ustalonym. W artykule przeprowadzono analizę sprawność autobusowego silnika spalinowego w ruchu miejskim. Wykonano pomiary drogowe na rzeczywistym pojeździe, gdzie rejestrowano w czasie jednostkowe zużycie paliwa i prędkość obrotową wału korbowego silnika oraz prędkość pojazdu na wybranej trasie. Następnie na podstawie dostępnych charakterystyk sprawności autobusowego silnika przeanalizowano uzyskane wyniki i określono relacje pomiędzy warunkami jazdy a sprawnością silnika w cyklu miejskim. Obiektem badań były autobusy miejskie marki Mercedes Conecto spełniający normę czystości spalin Euro 5. Tabor Miejskiego Przedsiębiorstwa Komunikacyjnego posiada 22 takie autobusy. Analizę sprawności wykonano dla wybranej trasy przejazdu w godzinach największego natężenia ruchu (szczyt popołudniowy). Investigations on bus combustion engine performance in urban traffic Abstract City bus mileage in a medium-sized city in Poland is about 200 km per day. Driving a bus involves, from most to least frequent, idling, accelerating and braking, driving in a steady state. This paper investigates bus internal combustion engine performance in urban traffic. The specific fuel consumption, crankshaft speed and vehicle speed on the selected route were recorded over time during the real-vehicle measurements. Then, the available characteristics of the bus engine performance were applied to analyse the results obtained and determine the relationship between driving conditions and engine performance in urban traffic. The research object was city bus Mercedes Conecto that meets the Euro 5 emission standard. The Municipal Transport Company. Praca naukowa finansowana ze środków Programu Badań Stosowanych II NCBiR w latach 2013-2015 jako projekt badawczy nr PBS2/A6/16/2013. BIBLIOGRAFIA 1. Bell S. C.: An Investigation of Road Load Effects on Fuel Economy and NOx Emissions of Hybrid and Conventional Transit Busse, Morgantown, West Virginia 2011. 2. Dębicki M.: Teoria samochodu. Teoria napędu Warszawa 1969. 3. Fice M., Setlak R.: Analiza energetyczna rzeczywistych cykli jazdy. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne Nr 90/2011. 4. Hassaneen A., Munack A., Ruschel Y., Schroeder O., Krahl J.: Fuel economy and emission characteristics of Gas-to-Liquid (GTL) and Rapeseed Methyl Ester (RME) as alternative fuels for diesel engines. Fuel 97 (2012) 125-130. 5. Merkisz J.: Badania emisji pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu. Silniki Spalinowe 3/2011, PTNSS-2011-SS3-301. 6. Merkisz J., Kozak M., Molik P. i inni: Analiza emisyjności samochodu ciężarowego w ruchu miejskim. Silniki Spalinowe 3/2012, PTNSS-2012-SS3-309. 6131