MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2018 nr 68, ISSN 1896-771X WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI NA ZUŻYCIE PALIWA W CYKLACH JEZDNYCH Krystian Hennek 1a, Szymon Kołodziej 1b, Jarosław Mamala 1c 1 Katedra Pojazdów, Widział Mechaniczny, Politechnika Opolska a k.hennek@po.opole.pl, b s.kolodziej@po.opole.pl, c j.mamala@po.opole.pl Streszczenie W pracy przedstawiono wybrane parametry pracy układu napędowego samochodu osobowego, wyznaczone za pomocą Stanowiskowego Symulatora Obciążenia Drogowego Silnika. W symulacji cyfrowej, silnik spalinowy zapisany jest w postaci numerycznych charakterystyk prędkościowych. Za pomocą funkcji Lookup Table charakterystyki te są na bieżąco wczytywane do pamięci komputera. W ten sposób wyznaczane są wskaźniki pracy wirtualnego pojazdu. Oprogramowanie Stanowiskowego Symulatora Obciążenia Drogowego Silnika umożliwia zmianę nastaw regulatora uchylenia przepustnicy. W pracy opisano różnice w obciążeniu silnika ZI, jakie spowodowane były zmianami nastaw regulatora. Określony został również ich wpływ na zużycie paliwa. Powyższe wskaźniki mierzono podczas symulacji przejazdów pojazdu w rzeczywistych i syntetycznych cyklach jezdnych. Słowa kluczowe: zużycie paliwa, cykle jezdne, regulator położenia przepustnicy, symulacja THE INFLUENCE OF THE THROTTLE POSITION REGULATOR SETTINGS IN A SI ENGINE ON FUEL CONSUMPTION IN DRIVING CYCLES Summary This dissertation shows the analysis of the selected indicators of a passenger vehicle drivetrain work designated with the use of the Road Load Engine Simulator. In a digital simulation, an internal combustion engine is saved in a form of numerical speed characteristics. These characteristics, on a regular basis, are loaded into the computer memory using the "Lookup Table" function. Basing on a virtual vehicle, indicators of the drivetrain of a passenger vehicle have been determined. The Road Load Engine Simulator gives a possibility of changing the settings of the engine throttle position regulator. The simulation results are summarized in a tabular and graphic form and expressed per kilometer of the distance covered. Both synthetic and real driving cycles were analyzed during the study. Keywords: fuel consumption, driving cycle, throttle position regulator, simulation. 1. WSTĘP Silniki pojazdów biorących udział w rzeczywistym ruchu ulicznym poddawane są częstym zmianom obciążenia. Zmiany te wynikać mogą z woli kierowcy, ale również z aktualnych warunków ruchu, na przykład z topografii drogi, ruchu innych pojazdów czy oporów aerodynamicznych wynikających ze zmiennej prędkości i kierunku przemieszczania się mas powietrza. Proces dostosowywania obciążenia silnika może zachodzić z różną intensywnością, w wyniku czego zmianom ulegają takie wskaźniki pracy silnika jak przebiegowe zużycie paliwa i emisja substancji szkodliwych ze spalinami. W pracy przedstawiono wybrane parametry pracy układu napędowego samochodu osobowego, wyznaczone za pomocą Symulatora Obciążenia Drogowego Silnika. 47
WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI (...) Działanie Symulatora opiera się na autorskim oprogramowaniu umożliwiającym prowadzenie symulacji cyfrowych i stanowiskowych. W przypadku badań z wykorzystaniem symulacji cyfrowej silnik spalinowy zapisany jest w postaci numerycznych charakterystyk prędkościowych między innymi czasowego zużycia paliwa, momentu obrotowego i strumienia emisji substancji szkodliwych, otrzymanych podczas pomiarów na hamowni silnikowej w ustalonych punktach pracy obejmujących siatkę 121 punktów węzłowych. Za pomocą funkcji Lookup Table charakterystyki te są na bieżąco wczytywane do pamięci komputera, a pomiędzy węzłami siatki wartości pośrednie są interpolowane. W ten sposób wyznaczane są wskaźniki pracy wirtualnego silnika pojazdu dla dowolnych jego parametrów sterujących pozwalających na wyznaczenie chwilowego zużycie paliwa, energochłonność ruchu czy sprawność układu napędowego w ujęciu całego łańcucha energetycznego TTW (Tank To Wheels). Do sterowania obciążeniem silnika (uchyleniem przepustnicy w kolektorze dolotowym) wykorzystano cyfrowy model regulatora położenia przepustnicy. Oprogramowanie sterujące umożliwia modyfikowanie parametrów pracy regulatora położenia przepustnicy. W tym opracowaniu zadawano programowaną maksymalną prędkość uchylenia przepustnicy. W publikacji opisano zmiany w obciążeniu silnika ZI, jakie spowodowane były ograniczaniem tej prędkości jako podstawowej zmiennej sterującej, na przebiegowe zużycie paliwa. przyspieszanie do osiągnięcia tej samej prędkości jazdy (w części odwzorowującej ruch miejski), jazda ze stałą prędkością, częste i długie okresy postoju, oraz (w cyklu rzeczywistym): przyspieszanie z różnymi intensywnościami i do osiągnięcia różnych prędkości, stała prędkość utrzymywana przez krótki czas, krótkotrwałe postoje oraz mniejsza ich liczba 2. RZECZYWISTE I SYNTETYCZNE CYKLE JEZDNE Do odwzorowania rzeczywistych warunków drogowych w procesie badawczym oraz ujednolicenia prac różnych ośrodków wykorzystywane są często cykle jezdne. Zawierają one przebiegi prędkości liniowej pojazdu w czasie. Dodatkowo mogą zawierać informacje odnośnie przełożenia skrzyni przekładniowej, jakie w danym momencie cyklu powinien wybrać kierowca pojazdu. Przebiegi te odwzorowywane są na hamowniach podwoziowych z wykorzystaniem rzeczywistego pojazdu oraz osoby nim kierującej. Symulator Obciążenia Drogowego Silnika umożliwia wykonywanie powtarzalnych wirtualnych testów jednostki napędowej na podstawie numerycznego zapisu charakterystyk silnika oraz modeli matematycznych pozostałych elementów układu napędowego pojazdu. Pozwala to na prowadzenie badań symulacyjnych bez rzeczywistego układu napędowego, a co za tym idzie, zmniejsza koszty oraz czasochłonność prowadzenia doświadczeń. Na rys. 1 przedstawiono przykładowe profile prędkości wykorzystane w symulacjach. Zauważyć na nim można różnice między cyklem syntetycznym a rzeczywistym, wśród nich (w cyklu syntetycznym): stała intensywność przyspieszania, Rys. 1. Przykładowe profile prędkości cykli jezdnych (linia jasn z krzywymi przyrostu zużycia paliwa (linia ciemn: syntetyczny cykl New European Driving Cycle; rzeczywisty cykl podmiejski zrealizowany w Opolu Kształt profilu prędkości cyklu jezdnego decyduje o energochłonności ruchu. W rzeczywistym ruchu jednostka napędowa pojazdu obciążana jest przez jego kierowcę za pomocą pedału przyspieszania. Istotnym czynnikiem wpływającym na zużycie paliwa jest sposób sterowania obciążeniem, a więc intensywność uchylania pedału przyspieszenia. W pojazdach wyposażonych w układ ETC (ang. Electronic Throttle Control elektroniczna regulacja uchylenia przepustnicy) dodatkowym aspektem jest sposób uchylania przepustnicy w zależności od wymuszenia, jakim jest uchylenie pedału przyspieszenia. W większości współczesnych konstrukcji silników zależność kąta uchylenia przepustnicy od kąta uchylenia pedału nie jest liniowa i jest dodatkowo korygowana według odpowiedniego algorytmu przez regulator położenia przepustnicy. 48
Krystian Hennek, Szymon Kołodziej, Jarosław Mamala 3. BADANIA WŁASNE Na rysunkach 2, 3 i 4 przedstawiono porównania prędkości kątowych przepustnicy, jakie otrzymano w wyniku symulacji. Pomiarów dokonywano dla pięciu wariantów nastaw regulatora położenia przepustnicy (od V1 do V5), w trzech cyklach jezdnych. Wariant V3 został przyjęty za bazowy (neutralny), gdyż odzwierciedla działanie fabrycznego regulatora, w jaki wyposażony był silnik badawczy. Na rysunkach zauważyć można, że dla każdego kolejnego wariantu sterowania (w kolejności od V1 do V5) zwiększa się pole wykorzystywanych prędkości kątowych przepustnicy. Innymi słowy reakcja przepustnicy na wymuszenie stawała się coraz bardziej dynamiczna. W symulacjach z wykorzystaniem cykli rzeczywistych obszar najczęściej zanotowanych prędkości kątowych przepustnicy znajduje się w okolicach przecięcia osi wykresów. W przypadku cyklu syntetycznego NEDC obszar ten również skupia się wokół środka wykresu, jednak zauważalne jest większe uporządkowanie punktów. Różnica ta wynika z kształtu profilu prędkości cyklu jezdnego, a dokładniej z intensywności zmian dynamiki cyklu. W przypadku cyklu NEDC zauważalne jest zagęszczenie rozmieszczenia punktów na osiach wykresów oraz w kilku strefach znajdujących się w pewnej odległości od środka wykresów. Wskazuje to na cykliczność zmian obciążenia silnika, charakterystyczną dla tego profilu prędkości. Na rys. 5 przedstawiono przebiegi prędkości kątowej uchylania przepustnicy przy zmianach położenia pedału przyspieszenia w zależności od cyklu jezdnego. Uchylenie pedału stanowi w tym przypadku sygnał wymuszający zmianę położenia przesłony przepustnicy. Od tempa zmian uchylenia przepustnicy zależy przebieg symulowanego momentu obrotowego generowanego przez silnik. Przykładowo zbyt niska prędkość przesłony w odniesieniu do skokowego wymuszenia zadawanego na pedale przyspieszenia skutkować będzie z jednej strony wydłużeniem czasu potrzebnego na osiągnięcie zamierzonego poziomu mocy napędowej na kołach pojazdu podczas przyspieszania, a przez to nie osiągnięciem w założonym czasie zaprogramowanej prędkości linowej pojazdu. Z drugiej strony obniży własności silnika pracującego jako sprężarka powietrza w początkowej części fazy zwalniania. Z kolei zbyt wysoka dynamika pracy przesłony przepustnicy powodować będzie przekraczanie zadanego poziomu momentu obrotowego w wyniku tzw. przesterowania. O ile reakcja przesłony przepustnicy na zmianę wychylenia pedału przyspieszenia będzie zachodziła w krótkim czasie, o tyle przy ustaleniu położenia kątowego pedału może dojść do przekroczenia rzeczywistego kąta uchylenia przepustnicy w stosunku do jego wartości zadanej. Regulator ustalania zadanego położenia przepustnicy zareaguje korektą uchylenia, co spowoduje przesterowanie wartości uzyskanej mocy w układzie napędowym pojazdu. W konsekwencji układ będzie działał w sposób niestabilny, mogący zwiększać zużycie paliwa w cyklu jezdnym. d) Rys. 2. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora ( V1, V2, V4, d) V5) z wariantem neutralnym (V3) symulacja jazdy dynamicznej w cyklu rzeczywistym Istotny jest również fakt, iż w warunkach pełnego wykorzystania potencjału jednostki napędowej w procesie przyspieszania nie zawsze kąt uchylenia przesłony przepustnicy powinien odpowiadać kątowi uchylenia pedału 49
WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI (...) przyspieszenia. Za pomocą pedału kierowca pojazdu zadaje wielkość siły napędowej docierającej do kół pojazdu, a doborem optymalnego ustawienia przepustnicy zająć się powinien układ sterujący pracą silnika. Dlatego, jak już wspomniano, położenie kątowe przepustnicy zmieniane jest według ustalonego w programie algorytmu. d) Rys. 4. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora ( V1, V2, V4, d) V5) z wariantem neutralnym (V3) symulacja jazdy w cyklu NEDC d) Rys. 3. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora ( V1, V2, V4, d) V5) z wariantem neutralnym (V3) symulacja jazdy oszczędnej w cyklu rzeczywistym Na rys. 6 przedstawiono przebiegi średniego przebiegowego zużycia paliwa w cyklu, a największe zmiany wielkości zużycia paliwa zanotowano w symulacji dynamicznej jazdy miejskiej, a najniższe podczas symulowanej jazdy ekonomicznej. W przypadku obu tych cykli najniższe zużycie uzyskano dla wariantu V1 nastaw regulatora 50
Krystian Hennek, Szymon Kołodziej, Jarosław Mamala położenia przepustnicy, które po dystansie 4,5km dla cyklu dynamicznego ustaliło się na poziomie 18l/100km, a dla cyklu ekonomicznego na poziomie 12l/100km. W obu cyklach jezdnych największe zużycie odnotowano dla wariantu V2; wynoszą one odpowiednio dla cyklu dynamicznego 21l/100km a cyklu ekonomicznego 13,3l/100km. Pozostałe warianty dały zbliżone wyniki końcowe. W przypadku symulacji cyklu NEDC odnotowano zróżnicowane zużycie paliwa, gdzie ustalone średnie przebiegowe zużycie paliwa po dystansie 10km wynosi od 15l do 16 l/100km, przy czym najmniejszym charakteryzował się wariant V2 (około 15l/100km). Wyraźnie odmienne zużycie paliwa odnotowano dla wariantu V1, gdzie widoczny jest wyraźny jego wzrost w początkowej fazie cyklu odpowiadającej jeździe miejskiej (ECE). W drugiej części cyklu, w fazie EUDC, charakter przebiegu zużycia paliwa jest podobny do pozostałych wariantów od V2 do V5. W wariancie V1 odnotowano rozrzut punktów na wykresie (rys. 4 w całym polu pracy silnika, co skutkowało niestabilnością pracy regulatora położenia przepustnicy a przez to odnotowanym zwiększonym przebiegowym zużyciem paliwa. Przykładowe porównanie odwzorowanego profilu prędkości dla symulowanego cyklu dynamicznego przedstawiono na rys. 7. Wyraźnie widoczne jest, że pomimo odnotowanego najmniejszego przebiegowego średniego zużycia paliwa dla wariantu V1, przebieg zarejestrowanej prędkości liniowej pojazdu znacząco różni się od zadanego profilu prędkości. Dlatego zarówno w cyklu rzeczywistym, jak i syntetycznym nastawienia regulatora dla wariantu V1 nie powinny być brane pod uwagę w dalszych rozważaniach. Rys. 5. Porównania położenia kątowego przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora (V1, V2, V3, V4, V5) z położeniem kątowym pedału przyspieszenia (AP) jako wymuszeniem w symulacji jazdy: dynamicznej w cyklu rzeczywistym, oszczędnej w cyklu rzeczywistym, w cyklu NEDC Rys. 6. Przebiegowe zużycie paliwa dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora (V1, V2, V3, V4, V5) w symulacji jazdy: dynamicznej w cyklu rzeczywistym, oszczędnej w cyklu rzeczywistym, w cyklu NEDC 51
WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI (...) Jazda dynamiczna charakteryzuje się największym zakresem zmian kąta uchylenia przepustnicy, a także największą intensywnością zmian częstości wychylenia pedału przyspieszenia w symulowanych cyklach jezdnych. Pomimo zastosowania rzeczywistego cyklu jezdnego opracowanego w Opolu, dla trasy odpowiadającej na wykresach temu samym dystansowi, zużycie przebiegowe paliwa w cyklu dynamicznym jest o około 8l/100km wyższe niż dla cyklu jazdy oszczędnej. Dla zapewnienia odpowiednio dynamicznej w tych warunkach reakcji silnika na wymuszenie pochodzące od pedału przyspieszenia, prędkość uchylania przepustnicy powinna odpowiadać prędkości nie przekraczającej 75 o /s [4]. Niższa prędkość przepustnicy powoduje (w przybliżeniu), że ograniczona zostaje intensywność przyspieszania pojazdu, a co za tym idzie, obniżone zostaje zużycie paliwa. Najbardziej energochłonnym procesem jest bowiem proces przyspieszania czym bardziej intensywnie on przebiega, tym więcej energii zużywa silnik. Rys. 7. Porównanie przebiegów prędkości w symulacjach dynamicznego ruchu miejskiego: u góry zadany profil prędkości, pośrodku - V1, u dołu - V2 Jazda oszczędna przebiega na zasadzie minimalizowania intensywności przyspieszania; częstotliwość zmian uchylenia pedału przyspieszenia oraz ich zakres są znacznie mniejsze. Dodatkowe obniżenie prędkości ruchu przepustnicy pozwala jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie paliwa. Cykl NEDC charakteryzuje się pewnymi cechami niespotykanymi w rzeczywistym ruchu ulicznym: cyklicznością, niemal stałą intensywnością wszystkich faz przyspieszania, częstymi postojami oraz stosunkowo długotrwałymi okresami utrzymywania stałej prędkości jazdy. Nie uwzględnia tym samym chwilowego lokalnego zagęszczenia ruchu i innych parametrów istotnych w ocenie rzeczywistego przebiegowego zużycia paliwa. Cechy te mogłyby okazać się decydującymi w ocenie reprezentatywności syntetycznego cyklu jezdnego w świetle prowadzonych badań symulacyjnych, czego potwierdzeniem mogą być uzyskane wyniki przebiegowego zużycia paliwa. 4. PODSUMOWANIE Wpływ nastaw regulatora położenia przepustnicy na zużycie paliwa w cyklach jezdnych nie jest jednoznaczny. O ile najniższe zużycie w rzeczywistych cyklach jezdnych uzyskano przy wariancie V1 sterowania przepustnicą, w cyklu syntetycznym dla tego wariantu zużycie paliwa jest znacznie większe od pozostałych. Niska prędkość przepustnicy powoduje również niską dynamikę przyspieszania, co w warunkach rzeczywistego ruchu może obniżyć bezpieczeństwo podróżowania (np. podczas wyprzedzani a jednocześnie nie osiąganie założonej prędkości liniowej pojazdu. Z tego względu jest nie reprezentatywna. Pozostałe warianty ustawień generowały podobne wyniki odnośnie zużycia paliwa. W pojazdach z napędem spalinowym wyposażonych w układ ETC sterowania położeniem przepustnicy, właściwy dobór parametrów regulacji jest jednym z czynników decydujących o zużyciu paliwa. Znaczący wpływ na wydatek paliwa ma również kształt profilu prędkości i warunki panujące na drodze, jednakże decydującym pozostaje zachowanie kierowcy. To właśnie od samego sposobu zadawania położenia pedału przyspieszenia zależy dynamika poruszenia się pojazdu, a tym samym zużycie paliwa. W takim przypadku, aby spełnić kryteria niskiego zużycia paliwa i zadowalającej dynamiki poruszania się pojazdu, należy w układzie sterowania uchylenia przepustnicy zastosować regulator adaptacyjny, który będzie korygował swoje nastawy w zależności od stylu jazdy danego kierowcy. Tylko taki sposób sterowania pozwoli w każdych warunkach i każdemu kierowcy sterować przesłoną przepustnicy w taki sposób, by dążyć do minimalizacji zużycia paliwa przy zachowaniu satysfakcjonujących dla każdego kierowcy własności dynamicznych pojazdu. Zastosowanie regulatorów adaptacyjnych w układzie sterowania przepustnicą stanowić będzie dalsze kierunki badań autorów niniejszego artykułu. Literatura 1. Siłka W.: Teoria ruchu samochodu. Skrypt 192. Opole: Dział Wydawnictw Politechniki Opolskiej, 1996, ISSN 0860 9004; 2. Mamala J.: Kompensacja niedostatku siły napędowej w procesie rozpędzania samochodu osobowego. Zeszyt 290. Opole: Ofic. Wyd. Politechniki Opolskiej, 2011, ISSN 1429 6063; 3. Mamala J., Brol S., Graba M.: Engine control unit testing by hardware-in-the-loop simulation. Solid State Phenomena 2014, Vol. 214. 52
Krystian Hennek, Szymon Kołodziej, Jarosław Mamala 4. Mamala J., Siłka W.: Throttle range and speed motion programming in SI engine. Internal Combustion Engines 2002, No. 1 2. 5. Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J.: Porównanie emisji dwutlenku węgla w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdu z wartościami uzyskiwanymi w teście homologacyjnym na tle norm europejskich. Internal Combustion Engines 2011, No. 3. 6. Bieniek A., Graba M., Hennek K., Mamala J.: Analysis of fuel consumption of a spark ignition engine in the conditions of a variable load, MATEC Web of Conferences 2017, 118 Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl 53