ALEKSANDER UBYSZ WYZNACZENIE KWAZISTACJONARNYCH WARUNKÓW PRACY SILNIKA ZI W SAMOCHODZIE CALCULATE OF AREA QUASISTATICAL RUNNING CONDITIONS OF SI AUTOMOBIL ENGINE Streszczenie Abstract W artykule przedstawiono oryginalną metodę określania warunków pracy silnika ZI, dla których błąd sprawności efektywnej z charakterystyki ogólnej nie przekracza 2%. Słowa kluczowe: sprawność efektywna silnika, kwazistacjonarne warunki pracy The original method of defining running conditions of ZI engine where the effective efficiency of error based on general characteristics does not exceed 2% has been described in the article. Keywords: effective efficiency of the engine, quasistatical running conditions Dr inż. Aleksander Ubysz, Katedra Budowy Pojazdów Samochodowych, Wydział Transportu, Politechnika Śląska.
124 1. Wstęp W wielu ośrodkach naukowych w kraju i za granicą prowadzone są badania całkowitej energochłonności ruchu pojazdów samochodowych, u podstaw których leży charakterystyka ogólna (uniwersalna) [2, 3, 8]. Jej znaczenia praktycznego trudno nie doceniać, gdyż pozwala na określenie sprawności efektywnej silnika w każdym wyznaczalnym punkcie pracy silnika we współrzędnych obciążenie prędkość obrotowa w warunkach statycznych. Współczesne silniki samochodowe mają bardzo szeroki zakres pracy obydwóch parametrów i niewyznaczalność dotyczy głównie wąskiego zakresu minimalnych obciążeń, w których silnik ma trudności z utrzymaniem parametrów roboczych, co widoczne jest na charakterystyce silnika ZI o V ss = 1,6 dm 3 (rys. 1) [8]. p e n Rys. 1. Wybrane przebiegi punktu pracy silnika ZI o V ss = 1,6 dm 3 na charakterystyce ogólnej w czasie przyspieszania samochodu na 1 (7), 2 (4, 8, 14) i 3 (9, 15) przełożeniach skrzyni biegów Fig. 1. Selected courses of the point of SI 1,6 dm 3 engine running upon general characteristics while the car is accelerating on 1 (7), 2 (4, 8, 14) and 3 (9, 15) purchases of the gear box Główny problem polega jednak na tym, że silniki ZI i ZS w pojeździe pracują w niestacjonarnych (dynamicznych) warunkach pracy, które mają zróżnicowany charakter. Wynika to z samej definicji tych warunków, a co doskonale jest widoczne na rys. 1 w postaci krzywych łączących punkty pracy silnika ZI na charakterystyce ogólnej w czasie przyspieszania ruchu samochodu klasy B/K na trzech przełożeniach skrzynki biegów. Dotychczas, nie znając sprawności efektywnej silnika w czasie pracy w fazach napędowych w ruchu rzeczywistym, wielu autorów przyjmowało dla nich sprawność silnika z charakterystyki ogólnej, określając te warunki jako kwazistacjonarne [1, 2]. Do tej pory nie określono granicy ich zastosowania, np. z 2% błędem określania sprawności efektywnej silnika. Dzięki badaniom nad optymalizacją zużycia paliwa w samochodzie w ruchu rzeczywistym na obszarze zabudowanym [7] i sprawnością efektywną silnika ZI w niestacjonarnych warunkach pracy, autor opracował uniwersalną metodę wyznaczania spadku sprawności efektywnej silnika względem warunków statycznych [5, 8]. Opierając się na nowo opracowanej technice pośredniego określania sprawności efektywnej silnika metodą bilansu zużytego paliwa przez samochód, autor po raz pierwszy obliczył i zapoczątkował budowę
125 przestrzennej mapy sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej ν n = Δn/Δt, której fundamentem jest charakterystyka ogólna rozpatrywanego silnika napędzającego pojazd. Dzięki wyznaczeniu spadku sprawności efektywnej silnika z charakterystyki ogólnej od niestacjonarnych warunków pracy ν n otwierają się duże możliwości aplikacyjne metody. 2. Uzasadnienie teoretyczne W trakcie badań drogowych nad optymalizacją przebiegowego zużycia paliwa w samochodzie z silnikiem ZI w ruchu na obszarze zabudowanym (rys. 2) zaobserwowano interesującą prawidłowość. W bilansie zużytego paliwa w zmiennym cyklu jezdnym pojawiła się korelacja ilości paliwa niedoliczanego w fazach nienapędowych od dynamiki przyspieszania samochodu w ruchu w dół i w górę (rys. 3). Dynamikę przyspieszania charakteryzowano za pomocą mocy jednostkowej dodatkowych oporów ruchu: (aλ + gp) v = a v. Ta niedoliczona na podstawie charakterystyki ogólnej objętość paliwa charakteryzuje spadek sprawności silnika w wyniku wzrostu dynamiki przyspieszania samochodu, co bliżej autor przedstawił w pracach [5, 8]. Zastosowana metoda badawcza pozwoliła dla poszczególnych przełożeń skrzyni biegów wyznaczyć charakterystyki spadku sprawności efektywnej w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej silnika (rys. 7) [8]. Ponieważ w badaniach drogowych niestacjonarne warunki pracy silnika od obciążenia zminimalizowano za pomocą ogranicznika maksymalnego wychylenia pedału przyspieszenia, w związku z tym charakterystyki spadku sprawności efektywnej w funkcji niestacjov [km/h] L [m] Rys. 2. Przykładowy profil prędkości samochodu o masie 1400 kg w zmiennym cyklu jezdnym w ruchu rzeczywistym w dół na odcinku pomiarowym H Fig. 2. An example of a profile of velocity of a 1400 kg car in a changeable driving cycle in real driving conditions going down within measuring length
126 narnych warunków pracy od prędkości obrotowej otrzymano przy pewnych założeniach teoretycznych: na poszczególnych przełożeniach skrzyni biegów średnia prędkość obrotowa silnika w fazach przyspieszania jest porównywalna (tab. 1), Zakresy pracy prędkości silnika 1,6 ZI w czasie przyspieszania samochodu na poszczególnych przełożeniach w zmiennym cyklu jezdnym Tabela 1 Wartość Zakres prędkości (koło 195/60R15 ) Lp. Bieg przełożenia całkowita v [km/h] n śr [min 1 ] v [km/h] n śr [min 1 ] 1 2 3 4 5 6 7 1 1 13,95 0 18 1500? 2240 0 25 1500? 3100 2 2 8,00 18 32 1300 2300 25 40 1800 2850 3 3 5,27 32 45 1500 2100 40 58 1900 2720 4 1 3 Wartość średnia 1800 2300 czas trwania faz napędowych na poszczególnych przełożeniach jest na tyle krótki, że ewentualne zmiany obciążenia wynikające z charakterystyki częściowej silnika ZI są nieistotne [9], wpływ warunków brzegowych pracy silnika w każdej fazie napędowej jest na wynik obliczeń bilansu zużytego paliwa nieznaczny, a więc pomijalny (co potwierdza bilans zużytego paliwa w zmiennym cyklu jezdnym o małej dynamice przyspieszania pojazdu), pomiary prowadzono na pojeździe w stanie cieplnie ustalonym, czas reakcji adaptacyjnego sterowania systemem zasilania silnika ZI na zmianę prędkości obrotowej silnika w danym średnim zakresie prędkości obrotowej przyjęto wprost proporcjonalny do niestacjonarnych warunków ruchu od prędkości obrotowej. Zależność intensywności przyrostu prędkości obrotowej silnika w czasie (min 1 /s lub s 2 ) w funkcji mocy jednostkowej dodatkowych oporów ruchu samochodu przedstawiono przykładowo dla trzeciego biegu na rys. 3. Do obliczeń niezbędne było wprowadzenie definicji współczynnika niestacjonarnych warunków pracy silnika od prędkości obrotowej ν n, którego miarą na danym przełożeniu jest wzrost prędkości obrotowej w jednostce czasu 1 n p nk min 2 v n = lub s (1) t p tk s gdzie: n p, n k prędkość obrotowa silnika na początku i końcu fazy napędowej [min 1 ], t p t k czas trwania fazy [s]. 3. Wyniki obliczeń Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę G bl = f (a v), na podstawie której obliczono współczynnik wrażliwości czasowego zużycia paliwa na wzrost mocy jednost-
kowej dodatkowych oporów ruchu: G ηe = 0,0125 cm 3 kg/s/w (dla mniejszej prędkości średniej 0,015). Gbl, [cm cm3/s 3 /s] 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 wyb. w dół w yb. w górę y = 0,265e 0,0399x R 2 = 0,7003 góra dół y = 0,0002x 2 + 0,0058x + 0,2984 R 2 = 0,6226 0 5 10 15 20 25 a a*v, v [W/kg] Rys. 3. Charakterystyka czasowego zużycia paliwa w nienapędowych fazach ruchu samochodu dla zmiennego cyklu jezdnego realizowanego w dół i pod górę Fig. 3. Characteristics of fuel consumption in time at non-driving phases of driving for a changeable driving cycle going up and down Gj 127 300 250 Jazda "w dół" Jazda "w górę" III bieg vn [min νn, 1-1 /s] 200 150 100 50 y = 35,034x 0,6779 R 2 = 0,989 y = 6,0709x 1,1841 R 2 = 0,9832 0 0 5 10 15 20 25 a a*v, v [W/kg] Rys. 4. Współczynnik niestacjonarnych warunków pracy silnika ν n w funkcji mocy jednostkowej dodatkowych oporów ruchu Fig. 4. Coefficient of non-stationary conditions of engine running in the function of unit power of additional resistance to motion Niestacjonarność warunków pracy od prędkości obrotowej zmienia się dla danego obciążenia silnika w zależności od pochylenia jezdni. W ruchu samochodu w dół przyrost prędkości pojazdu i niestacjonarnych warunków pracy silnika będzie większy, co doskonale na odcinku pomiarowym H przedstawiają dla 3 biegu charakterystyki na rys. 4.
128 W ruchu rzeczywistym moc jednostkowa dodatkowych oporów ruchu zmienia się wraz ze zmianą pochylenia jezdni. Na podstawie otrzymanych charakterystyk ν n i charakterystyki korelacji obciążenia silnika (M o ) z (a v) rys. 5 można z pomocą oryginalnej lub zaadaptowanej charakterystyki ogólnej przeprowadzić obliczenia całkowitej energochłonności ruchu pojazdu w warunkach rzeczywistych. 140 zakresy Mośr [N m] Mośr, N.m 120 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 a* V a v, [W/kg] Rys. 5. Korelacja pomiędzy obciążeniem silnika a mocą jednostkową dodatkowych oporów ruchu samochodu klasy B/K z silnikiem ZI o V ss = 1,6 dm 3 Fig. 5. Correlation between the engine load and a unit power of additional resistance to motion of B/K class car with SI engine 1,6 dm 3 Do wyznaczenia spadku sprawności efektywnej silnika brakuje jeszcze najważniejszej charakterystyki: wzrostu jednostkowego zużycia paliwa Δg e z charakterystyki ogólnej od niestacjonarnych warunków pracy. Na jej podstawie dla poszczególnych przełożeń skrzyni biegów wyznaczono charakterystyki spadku sprawności efektywnej silnika Δη e z charakterystyki ogólnej. Zgodnie z ostatnim założeniem teoretycznym autor założył wprost proporcjonalny wpływ niestacjonarnych warunków pracy silnika od prędkości obrotowej na Δg e. W celu określenia wpływu zakresu średniej prędkości obrotowej silnika badania przeprowadzono w dwóch zakresach prędkości przyspieszania samochodu na poszczególnych biegach (tab. 1). Dla przejazdów w zmiennym cyklu jezdnym o większym zakresie prędkości rozpędzania samochodu na poszczególnych przełożeniach skrzyni biegów wrażliwość czasowego zużycia paliwa G ηe na wzrost mocy jednostkowej dodatkowych oporów ruchu jest słabsza niż dla mniejszego zakresu prędkości. Dla mniejszego zakresu prędkości wpływ na spadek (wzrost) Δη e (Δg e ) jest większy, co znajduje potwierdzenie w pracy [4]. Na rysunku 6 dla dwóch średnich prędkości obrotowych silnika 1800 i 2300 min 1 przedstawiono charakterystyki spadku jednostkowego zużycia paliwa Δg e w funkcji niestacjonarnych warunków pracy silnika od prędkości obrotowej v n. Stanowią one początkowy etap budowy mapy przestrzennej spadku sprawności efektywnej silnika ZI w niestacjonarnych warunkach pracy (projekt własny).
129 n śr = 1800 min 1 Δge [g/kwh] 100 75 n śr = 2300 min 1 v n [min 1 /s] Rys. 6. Charakterystyki wzrostu jednostkowego zużycia paliwa z charakterystyki ogólnej w funkcji ν n (dla dwóch zakresów prędkości średniej z tab. 1) Fig. 6. Characteristics of SFCC rise based on SFC map of 1.6 ZI engine in B/K class car in ν n function (for two average of engine speed) 4. Charakterystyki spadku sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy Po raz pierwszy opracowano pośrednią metodę obliczeń sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej. W ruchu rzeczywistym samochodu doskonałym wyróżnikiem niestacjonarnych warunków ruchu jest moc jednostkowa dodatkowych oporów ruchu, uwzględniająca potencjalną i kinetyczną zmianę energii samochodu. Jej rozdział umożliwiają charakterystyki podane na rys. 4. Wykorzystywana aparatura pomiarowa (MotoGraf) z punktu widzenia zużytego paliwa pozwalała na prowadzenie obliczeń metodą bilansu w zmiennym cyklu jezdnym. Pomiar zużycia paliwa w czasie realnym znacznie zwiększyłby możliwości obliczeniowe wpływu niestacjonarnych warunków pracy silnika na sprawność efektywną z charakterystyki ogólnej. Na rysunku 7 zaprezentowano charakterystyki spadku sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej dla większych prędkości ruchu na poszczególnych przełożeniach z tab. 2. Charakterystyki dla najwyższych biegów (linia przerywana) powstały w wyniku interpolacji liniowej wpływu przełożeń skrzyni biegów na dynamikę zmian prędkości obrotowej silnika. Jeżeli za dopuszczalny błąd obliczeń sprawności efektywnej silnika ZI 1,6 z charakterystyki ogólnej dla warunków rzeczywistych przyjmiemy 2%, to za kwazistacjonarne warunki pracy silnika w ruchu rzeczywistym pojazdu o masie 1400 kg można przyjąć pracę na 4 i 5 (tym bardziej 6) biegu. Natomiast praca silnika w czasie przyspieszania pojazdu na 1 i 2 biegu w całym zakresie mocy jednostkowej dodatkowych oporów ruchu nie spełnia warunku 2%. Natomiast przełożenie 3 biegu jest położeniem granicznym, gdyż do 11 12 W/kg spełnia warunek 2% błędu.
130 R 2 Δηe [%] Na podstawie przedstawionego materiału można wyciągnąć następujące najważniejsze wnioski: 1. Kwazistacjonarne warunki pracy silnika ZI w samochodzie zależą przede wszystkim od wartości przełożenia całkowitego układu przeniesienia napędu, mniej od wskaźnika mocy efektywnej silnika na jednostkę masy pomiarowej (również warunkującej dynamikę przyspieszania pojazdu). 2. Adaptacyjna regulacja silnika ZI w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej v n w zakresie pracy z mniejszą średnią prędkością obrotową skutkuje więka v [W/kg] Rys. 7. Charakterystyki spadku sprawności efektywnej Δη e z charakterystyki ogólnej silnika 1,6 ZI dla poszczególnych przełożeń skrzynki biegów w samochodzie klasy B/K w funkcji (a v) Fig. 7. Characteristics of effective efficiency drop based on SFC map of 1,6 engine for each purchase of the gear box in B/K class car in function Charakterystyki spadku sprawności poddano wstępnej weryfikacji na przykładzie obliczeń przebiegowego zużycia paliwa w samochodzie klasy B/K z silnikiem ZI 1,6 w homologacyjnych cyklach jezdnych. W tym przypadku obliczenia prowadzono preferowaną przez autora metodą całkowitej energochłonności ruchu pojazdu na podstawie charakterystyki ogólnej silnika. W tych o małej dynamice cyklach jezdnych uwzględnienie spadku sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy od prędkości obrotowej daje wzrost przebiegowego zużycia paliwa o 0,08 dm 3 /100 km. Analogiczne obliczenia dla samochodu Fiat Doblo z silnikiem ZI 1,6 metodą bilansu węgla na podstawie map emisji CO 2, CO i HC [4] daje różnicę 0,10 dm 3 /100 km. Uwzględniając wpływ różnicy mas pomiarowych pojazdów (1400 i 1750 kg), jest to dla małego zakresu prędkości obrotowej silnika wyjątkowa zbieżność obliczeń. 5. Wnioski
131 szym wzrostem jednostkowego zużycia paliwa Δg e z charakterystyki ogólnej, a tym samym większym spadkiem sprawności efektywnej. 3. Naszkicowana metodyka badawcza sprawności efektywnej silnika w niestacjonarnych warunkach pracy w pojeździe w zastosowaniu do charakterystyki ogólnej (uniwersalnej) ma walory aplikacyjne. Literatura [1] Chł opek Z., Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych, Prace naukowe, Mechanika, z. 173, Politechnika Warszawska, Warszawa 1999, 193. [2] Jantos J., Zintegrowane sterowanie samochodowym, spalinowym układem napędowym o przełożeniu zmiennym w sposób ciągły, Studia i Monografie, z. 141, Politechnika Opolska, Opole 2003. [3] S i l v a C.M. i in., Calculation of Fuel Consumption and Engine-Out Emissions in Ecogest, Instituto Superior Tecnico, Lisbon, Portugal 2001. [4] R o m a n i s z y n K., Alternatywne zasilanie samochodów benzyną oraz gazami LPG i CNG, WNT, Warszawa 2007. [5] U b y s z A., Sprawność efektywna silnika ZI samochodu osobowego w dynamicznych warunkach pracy, Diagnostyka 1 (45)/2008, 69-73. [6] Neunzig D., Benmimoun A., Potentiale der voraus-schauenden Fahrerassistenz zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, Aachener Kolloquium Fahrzeug und Motorentechnik 2002, 1-27. [7] U b y s z A., Optymalizacja zużycia paliwa w samochodzie osobowym w ruchu na obszarze zabudowanym, Diagnostyka 1 (45)/2008, 65-72. [8] U b y s z A., Metodyka prognozowania przebiegowego zużycia paliwa w samochodzie osobowym w ruchu rzeczywistym, manuskrypt rozprawy habilitacyjnej złożony 12.10.2007 r. na WIŚiE PŚ. [9] Jantos J., Ekologizacja samochodu przez zastosowanie sterownika momentu obrotowego, III Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Pojazd a Środowisko, Radom 2001, 175-182.