Porównanie klasycznych i alternatywnych uk adów zasilania silników na podstawie charakterystyk zewn trznych DARIUSZ SZPICA JAROS AW CZABAN Monta alternatywnych uk adów zasilania w zamierzeniu ma przynosiç oszcz dnoêci, zw aszcza w aspekcie ponoszonych w dalszym czasie wydatków na paliwo. Cena gazu LPG nadal stanowi podstaw adaptacji pojazdów do tego rodzaju paliwa. Pierwsze instalacje gazowe powstawa y we W oszech w latach 40. XX wieku, z przeznaczeniem do zasilania metanem. Okaza o si jednak, e z biegiem czasu popularniejsze sta y si instalacje na skroplony gaz ropopochodny (LPG). Ostatnio roênie zainteresowanie instalacjami na spr ony gaz naturalny (CNG). Niestety, k opot z magazynowaniem gazu CNG w pojeêdzie i zwiàzany z tym ograniczony zasi g pojazdu, przy znikomej infrastrukturze stacji tankowania, nie pozwala na rozpowszechnienie tego rodzaju êród a zasilania. Jak ju wspomniano, przy monta u alternatywnego uk adu zasilania LPG kierujemy si przewa nie ni szà uk ad zasilania, wraz z ich opracowaniem i wnioskowaniem statystycznym, starajàc si w ten sposób odpowiedzieç na zadane pytanie. Przedmiot badaƒ Przedmiotem badaƒ by y pojazdy, których podstawowe dane techniczne zawarto w tab. I, II i III. Z uwagi na obszernoêç pomini to analiz zgodnoêci wskaêników zewn trznych, które otrzymano na hamowni podwoziowej z danymi fabrycznymi producentów. Metodyka badaƒ Badania porównawcze polegajà na analizie cech badanych przedmiotów i zjawisk w celu ustalenia podobieƒstw i ró nic. Warunkiem ich stosowania jest porównywalnoêç przedmiotów badaƒ ze wzgl du na ich istot, gatunek, kategori lub form. TABELA I. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG I generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Benz. P, kw/n, Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG 1 VW Golf II 2.0 2000 MPI I 240 1987 77,1/5515 69,2/5360 150,2/4180 136,3/4140 1,444 1,393 2 Mercedes 2.0 2000 MPI I 370 1984 82,5/4960 59,2/4370 181,3/3965 164,1/2270 1,379 2,354 3 VW Golf II 1.3 1300 MPI I 170 1990 26,9/4785 26,2/4690 62,9/2670 62,3/2635 2,192 2,160 4 VW Golf II 1.8 1800 MPI I 223 1987 58/5190 51,9/5220 125,6/2730 115,2/2705 2,189 2,286 5 Skoda Felicia 1.3 1300 MPI I 112 1998 37,3/5405 31,2/5350 74,3/3890 67,3/3770 1,582 1,735 6 VW Golf II 1.8 1800 MPI I 200 1990 74,3/5495 69,7/5935 133,8/4400 121/2795 1,335 2,362 7 VW Golf II 1.8 GT 1800 SPI I 218 1987 56,7/5275 52/5235 126/2875 116/2280 2,261 2,823 cenà litra paliwa. Pomija si przy tym wydatek zwiàzany z monta em i póêniejszà k opotliwà eksploatacj. Zach tà sà te slogany reklamowe, które mówià o mniejszej toksycznoêci spalin, co jak przedstawiono w [1] nie znajduje odzwierciedlenia w badaniach laboratoryjnych. Pomijajàc fakt wi kszego zu- ycia paliwa w przeliczeniu na 100 km przy zasilaniu LPG, g ównym zagadnieniem, które wymaga rozpatrzenia, jest utrzymanie wskaêników zewn trznych silnika. Dodatkowo pojawia si pytanie: jakie ró nice w wartoêciach mocy, momentu obrotowego, czy elastycznoêci mogà wystàpiç przy uzupe nieniu wyposa- enia pojazdu o alternatywny uk ad zasilania LPG? W artykule dokonano zestawienia wyników badaƒ pojazdów wyposa onych w klasyczny i alternatywny Dr in. Dariusz Szpica i dr in. Jaros aw Czaban sà pracownikami Katedry Budowy i Eksploatacji Maszyn, Wydzia u Mechanicznego Politechniki Bia ostockiej. Rys. 1. Hamownia podwoziowa LPS 3000 MAHA 26 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009
TABELA II. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG II generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç 1 VW Passat 1.6 1600 SPI II 105 1988 47,6/4930 41,5/4420 112,3/2765 111/2455 2,085 2,143 2 Daewoo Lanos 1.5 1500 MPI II 190 1999 59,7/5520 63,7/5960 120,6/3425 116,9/3360 1,839 1,983 3 VW Golf III 1.8 1800 MPI II 236 1993 60,9/5020 59,7/5510 141,2/2530 123,8/4255 2,363 1,514 4 Honda 2.0 2000 MPI II 255 1992 93/5420 68,2/4760 182/4325 153,9/2425 1,352 2,162 5 VW Golf 2.0 2000 MPI II 179 1990 83,3/5660 68,7/5275 156,9/4280 143,6/4215 1,448 1,418 6 VW Golf II 1.6 1600 MPI II 195 1990 52,3/5125 48,8/5100 122,8/3245 116,7/3340 1,956 1,908 7 Daewoo Lanos 1.6 1600 MPI II 73 2003 71,9/6360 68,3/6055 131,4/3440 128,4/3235 2,244 2,222 8 Audi 80 2.0 2000 MPI II 190 1993 74/5180 72,9/5155 158,8/3190 158,4/2940 1,9 2,063 9 Daewoo Nexia 1.5 1500 MPI II 82 1997 54,3/5255 39/5240 119,4/2545 98,3/2130 2,387 3,262 10 VW Golf II 1.8 GTI 1800 MPI II 217 1991 82,5/5915 81,5/5720 156,3/3805 153,4/4265 1,764 1,464 11 Ford Sierra 1.8 1800 MPI II 230 1992 44,8/5160 39,5/4650 108,7/2175 104,7/2670 3,018 2,180 12 Renault Clio 1.2 1200 MPI II 123 1997 44,4/5255 42/5425 90,6/4330 87,6/4300 1,314 1,451 13 Fiat Seicento1.1 1100 SPI II 100 1998 41,5/5745 38/5900 80,5/3075 73,8/3510 2,156 1,993 14 Renault Laguna 2.0 2000 MPI II 140 1997 80,3/5195 77,8/5195 170,4/3655 165/3620 1,659 1,638 15 Audi 80 B4 2.0 2000 MPI II 180 1991 56,2/4855 55,1/4840 143,5/2770 138,5/2915 2,195 2,039 16 Opel Vectra 2.0 2000 MPI II 130 1994 98,1/5465 95,4/5700 184,3/4130 177,4/4230 1,41 1,48 17 VW Golf III 1.8 1800 MPI II 120 1998 54/5395 55,5/5265 135,1/2485 131,5/2335 3,029 2,905 18 VW Golf II 1.8 GT 1800 SPI II 190 1988 62,8/5070 54,4/5105 137/2130 123,7/3625 2,721 1,69 19 VW Golf II 1.8 1800 MPI II 207 1999 86,5/6125 80,1/5890 145,9/4585 141,7/4480 1,461 1,449 20 Audi 80 1.8 1800 MPI II 217 1989 60/5515 55,7/5385 137,7/3040 124,9/3320 2,34 2,014 21 Daewoo Nubira 2.0 2000 MPI II 98 2001 71,8/5350 64,2/5190 140,8/4015 137,3/2330 1,445 2,551 22 Nissan Almera 1.4 1400 MPI II 208 1995 43,9/5670 39,5/5780 91,5/3495 82,5/3640 1,967 1,977 23 Daewoo Lanos 1.6 1600 MPI II 56 1999 63,2/5885 54,1/5495 120,8/3530 112,3/3420 1,929 1,882 24 Nissan Almera 1.4 1400 MPI II 180 1994 49,9/5945 39/5950 97,2/2985 84,6/3675 2,359 2,112 25 Opel Vectra 1.6 1600 SPI II 250 1992 38/4950 36,3/4790 87,7/3160 84,1/3245 1,85 1,699 26 Volvo 460 1.8 1800 MPI II 157 1995 48,2/5360 43,5/5070 110,8/2750 100,8/2765 2,487 2,231 27 Daewoo Nubira 2.0 2000 MPI II 84 2001 73,2/5375 62,7/5225 150,4/4065 137,6/2215 1,526 2,831 28 Nissan Almera 1.4 1400 MPI II 45 1998 49,1/5860 39,3/5445 94,2/2925 85,8/3700 2,358 1,831 29 Fiat Punto 1.2 1200 MPI II 100 2000 41,7/5375 36,9/5595 78,1/4715 75,9/4140 1,208 1,637 30 Mazda 626 1.8 1800 MPI II 210 1993 62,1/5210 58,7/4605 137,5/2590 123,8/4145 2,444 1,135 31 Honda Civic 1.4 1400 MPI II 170 1995 51,7/5610 47,7/5395 95,3/4880 91,2/4935 1,238 1,169 32 Opel Omega 2.0 2000 MPI II 200 1997 72,7/5575 67,9/5440 142,6/4105 136,6/4090 1,543 1,515 Benz. P, kw/n, LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG WÊród badaƒ porównawczych uk adów zasilania silników spalinowych mo na wyró niç m.in.: badania czasów rozp dzania, analiz sk adników spalin pod wzgl dem iloêciowym i jakoêciowym, badanie zu ycia paliwa i porównanie wskaêników zewn trznych. Podstaw prowadzonych badaƒ stanowi o porównanie wskaêników zewn trznych. W toku badaƒ doêwiadczalnych wykorzystano hamowni podwoziowà LPS 3000 MAHA (rys. 1). Pomiar mocy, wyznaczany poêrednio przez sum mocy na ko ach i mocy oporów ruchu pojazdu, pozwala na wnioskowanie o wartoêciach wskaêników zewn trznych. Zaniechano powtórzeƒ pomiarów, ka dy pojazd badano po jednym razie przy zasilaniu LPG i benzynowym. W poczàtkowej fazie poddano kolejnym badaniom jeden z pierwszych pojazdów, wykazujàc, i w kolejnych 5 próbach ró nice nie by y wi ksze ni 1%, czyli mieêci y si w granicach tolerancji b du podawanego przez producenta urzàdzenia (hamowni). Pojedynczy pomiar wyklucza równie ewentualne uszkodzenia badanych pojazdów, gdy by y to pojazdy u yczane grzecznoêciowo, które niejednokrotnie mia y przebieg powy ej 200 tys. km, a od daty ich produkcji min o ju ponad 10 lat. Wyniki badaƒ i ich analiza Porównanie obejmowa o wartoêci maksymalne mocy i momentu obrotowego oraz elastycznoêci (rys. 2). ElastycznoÊç silnika spalinowego mówi o jego zdolnoêci przystosowania si do zmiennych obcià- eƒ i pr dkoêci obrotowej. Dla silników trakcyjnych jest to bardzo istotny wskaênik mo liwoêci eksploatacyjnych. Liczbowym wyrazem elastycznoêci silnika jest wspó czynnik elastycznoêci. ElastycznoÊç silnika ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009 27
TABELA III. Podstawowe dane techniczne silników pojazdów poddawanych badaniom (alternatywnie LPG II generacji) Lp. Pojazd V ss, m 3 Klasyczny uk ad zasilania Uk ad zasilania LPG (gen.) Przebieg w tys. km Rok produkcji Moc Moment obrotowy ElastycznoÊç 1 Opel Astra 1.4 1400 MPI IV 56 2000 42,6/5010 42,6/5075 104,9/2780 100,5/2885 2,25 2,144 2 Volvo S40 1.8 1800 MPI IV 240 1998 90,2/5680 83,2/5850 165,8/5130 157,4/4210 1,193 1,586 3 Audi A4 2.8 2800 MPI IV 186 1996 144,5/6110 141/6105 252,6/3525 255,2/3420 1,906 2,031 4 Toyota Yaris 1.0 1000 MPI IV 37 2002 50,9/5760 48,6/5815 94,4/4470 90/3770 1,413 1,706 5 Seat Ibiza 1.4 1400 MPI IV 160 2000 47,8/4655 46,2/4045 120,4/3110 124,2/3210 1,741 1,382 6 Ford Mondeo 1.8 1800 MPI IV 77 2002 92/6040 77,7/5030 167,9/4440 163,6/3725 1,552 1,479 7 Fiat Panda 1.1 1100 MPI IV 9 2004 40,7/4950 39,5/4885 86,3/3635 82,3/3575 1,509 1,469 8 Audi A3 1.8 1800 MPI IV 145 2001 107/6070 103,8/5810 213/2485 199/2680 3,118 2,551 9 VW Golf III 2.8 VR6 2800 MPI IV 237 1994 106,6/6070 96,3/5480 196,8/4485 194,2/4540 1,49 1,303 10 Audi A3 1.8 1800 MPI IV 141 2001 96,5/6100 90,4/5100 187,8/2480 183,5/2555 3,078 2,19 11 Peugeot 307 1.6 1600 MPI IV 40 2002 74/5835 72,5/5795 134,3/4115 131,4/4075 1,554 1,563 12 Skoda Fabia 1.2 1200 MPI IV 9 2003 40,3/5605 40,8/5720 88,2/3180 89,4/3210 2,213 2,284 13 Seat Ibiza 1.4i 1400 MPI IV 20 2002 40,4/4305 41,6/4360 101,9/3375 103,7/3045 1,421 1,597 14 Audi A3 1.8 1800 MPI IV 128 2000 94,9/6030 88,5/5195 194,2/2570 185,3/2515 3,028 2,352 15 Opel Astra 1.6 1600 MPI IV 115 1999 61,3/5820 57,1/5855 127,9/3790 123,4/3765 1,951 2,06 16 Opel Astra 1.6 1600 MPI IV 113 1999 60/5885 56,7/5740 126,9/3780 123,8/3705 2,019 2,02 Benz. P, kw/n, LPG P, kw/n, Benz. M, Nm/N, LPG M, Nm/N, Benz. E benz. LPG E LPG okreêlana jest na podstawie charakterystyki zewn trznej silnika w sposób nast pujàcy: gdzie: M max maksymalny moment obrotowy silnika, M Nmax moment obrotowy odpowiadajàcy mocy znamionowej, n Mmax pr dkoêç obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n N znamionowa pr dkoêç obrotowa. Na rys. 2 przedstawiono przyk adowà charakterystyk zewn trznà silnika (Honda Civic 1.4 tab. II) klasycznie wyposa onego w wielopunktowy uk ad (1) wtryskowy benzyny MPi i alternatywnie w instalacj gazowà LPG generacji II. Na tej podstawie mo liwe jest wyznaczenie maksymalnych wartoêci niezb dnych do porównania. W celu porównania zasilania klasycznego z alternatywnym mo na pos u yç si korelacjà rang, która umo liwi odpowiedê na pytanie: czy zasilanie alternatywne wp ywa na wskaêniki zewn trzne silnika spalinowego? Uznano, i taka odpowiedê jest niewystarczajàca, stàd wybór oceny zgodnoêci Êrednich dwóch prób, gdzie próby tworzà pary. Stawiajàc hipotez zerowà, uznano, e Êrednia ró nic wszystkich par danych obu zbiorów jest równa zeru. H 0 : D = 0 (2) Oznacza to, e gdyby w celu sprawdzenia, czy alternatywny uk ad zasilania istotnie wp ywa na wskaêniki zewn trzne silnika, nie poddano badaniom tylko losowo wybranych reprezentantów poszczególnych grup, a wszystkie pojazdy w poszczególnych grupach, to Êrednia ró nic by aby równa zeru. Wobec tego, je eli nie badamy wszystkich pojazdów, to wartoêç granicznà testu t-studenta odczytujemy dla n-1 stopni swobody, przy poziomie istotnoêci 0,05. Rys. 2. Porównawcze charakterystyki zewn trzne silnika pojazdu Honda Civic 1.4 przy uk adzie zasilania klasycznym MPI (-) i alternatywnym LPG generacji II (- - -) 28 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009
Rys. 3. Histogramy ró nic mocy, momentu obrotowego i elastycznoêci silników wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG I generacji uk ad zasilania Zestawiajàc wyniki pomiarów (rys. 3) i porównujàc ró nice LPG benzyna dla 7 par, w których zamiennie wykorzystano uk ady LPG I generacji, mo na stwierdziç, i przy zasilaniu alternatywnym moc maksymalna obni a si o ok. 7,6%, maksymalny moment obrotowy o 10,2%, natomiast elastycznoêç silnika wzrasta o 0,4%. W przypadku alternatywnych uk adów zasilania LPG II generacji (rys. 4), gdzie stosuje si dodatkowà regulacj przep ywu gazu w fazie lotnej zaworem uruchamianym silnikiem krokowym, uzyskane na podstawie informacji z modu u sterowania wyniki badaƒ 32 par sà podobne. Moc silnika spada o ok. 5,5%, maksymalny moment obrotowy o 8%, elastycznoêç silnika pozostaje prawie na niezmiennym poziomie (0,04% ró nicy). Uk ady LPG IV generacji (rys. 5) sà najbardziej rozbudowane pod wzgl dem strukturalnym. Modu sterowania wtryskiwaczami gazowymi przechwytuje klucze sterujàce wtryskiwaczami benzynowymi i przekszta ca je, wykorzystujàc tzw. map kalibracji. W tym przypadku ró nica mocy maksymalnej wynosi 3,9%, maksymalnego momentu obrotowego 3,5%, a elastycznoêci 0,1% przy 16 parach, na niekorzyêç zasilania LPG. Zestawiajàc Êrednie ró nic (tab. IV) mo na zauwa- yç, e silnik zasilany LPG b dzie cechowa si mniejszà mocà maksymalnà o 5,71%, momentem obrotowym mniejszym o 7,27% i elastycznoêcià wi kszà o 0,08%. Oceniajàc istotnoêç wartoêci Êredniej ró nic, statystyk t-studenta obliczono: gdzie: d ró nica, TABELA IV. Zestawienie wyników pomiarów wartoêci Êrednie Zasilanie Ârednia ró nica z prób, % benzyna - LPG Moc maksymalna Maksymalny moment obr. ElastycznoÊç I generacja 7,63 10,27-0,39 II generacja 5,56 8,02 0,05 IV generacja 3,95 3,53 0,11 Êrednia 5,71 7,27-0,08 (3) ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009 29
Rys. 4. Histogramy ró nic mocy (a), momentu obrotowego (b) i elastycznoêci silników (c) wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG II generacji uk ad zasilania s d odchylenie standardowe, n liczba par. TABELA V. Zestawienie wartoêci statystyki t obliczeniowej z krytycznà Grupy porównawcze (pary) Wskaêniki benzyna benzyna benzyna I generacja II generacja IV generacja LPG LPG LPG Moc maksymalna 2,78073 5,74185 3,85205 Maks. moment obr. 5,07721 7,33066 3,10374 ElastycznoÊç silnika 2,22428 0,46349 1,26944 t gr (n; α = 0,05) 2,447 2,042 2,120 OkreÊlajàc z tabeli krytycznà wartoêç t [3] dla poszczególnych grup i zestawiajàc je z wartoêciami t obliczeniowymi (tab. V), widaç, e jedynie w przypadku elastycznoêci silnika nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej, w pozosta ych natomiast mo na stwierdziç, i zasilanie alternatywne istotnie wp ywa na wskaêniki zewn trze silnika spalinowego wzgl dem klasycznego uk adu zasilania. Niezale nie od generacji LPG (rys. 6) moc i moment obrotowy b dà osiàga y wartoêci mniejsze w tym przypadku zasilania [4]. Jedynie elastycznoêç silnika w pewnej liczbie przypadków jest wi ksza przy zasilaniu gazowym, na co majà wp yw instalacje gazowe I generacji [4]. Podsumowanie Przeprowadzone badania wykaza y istotny wp yw zasilania LPG na zmniejszenie wartoêci wskaêników zewn trznych silników spalinowych o zap onie iskrowym. Moc maksymalna spada Êrednio o 5,71%, moment obrotowy o 7,27%. Jedynie elastycznoêç jest wi ksza o 0,08%, ale nie ma co do tego pewnoêci przy poziomie istotnoêci 0,05. Oczywiste jest, e pary, które zosta y zaszeregowane do poszczególnych grup, mo na jedynie uznaç za ich reprezentantów, co pozwala wnioskowaç jedynie o ró nicach w ca ym zbiorze pojazdów. Szczególnie porównanie z LPG 30 ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009
Rys. 5. Histogramy ró nic mocy, momentu obrotowego i elastycznoêci silników wyposa onych w klasyczny i alternatywny LPG IV generacji uk ad zasilania I generacji przy 7 próbach wymaga oby uzupe nienia o kolejne pomiary. Z drugiej zaê strony uk ady I generacji sà rzadko spotykane, jedynie w silnikach gaênikowych. Pojazdy takie obecnie sà ma o popularne. LITERATURA 1. Czaban J., Szpica D., Nachimowicz J.: Comparison of SI car exhaust components emission in engines powered by petrol and LPG. Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 16, No. 2A,/2007, pp. 391 394. 2. Luszniewicz A., S aby T.: Statystyka z pakietem komputerowym STATISTICA TM PL. Teoria i zastosowania. Wydawnictwo C.H. Beck, Warszawa 2001. 3. Puchalski T.: Statystyka Wyk ad podstawowych zagadnieƒ. PWN, Warszawa 1977. 4. Szpica D., Czaban J.: Analiza porównawcza silników z klasycznymi i alternatywnymi uk adami zasilania na hamowni podwoziowej: [w:] Motrol: Motoryzacja i energetyka rolnictwa. Praca zbiorowa pod red. E. Krasowskiego. T 6. Wydawnictwo PAN, Komisja Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, Lublin 2006, s. 211 219. Rys. 6. Wykres ramka wàsy wnioskowania o ró nicach w wartoêciach wskaêników zewn trznych ROK WYD. LXVIII ZESZYT 7-8/2009 31