BEZWŁADNOŚĆ MECHANICZNA UKŁADU NAPĘDOWEGO W PROCESIE PRZYSPIESZANIA MECHANICAL INERTIA OF POWER TRANSMISSION SYSTEM IN ACCELERATION PROCESS

Podobne dokumenty
Adam DANIELCZOK Andrzej BIENIEK Ireneusz HETMAŃCZYK. 1. Wprowadzenie. 2. Analiza teoretyczna

THROTTLE RANGE AND SPEED MOTION PROGRAMMING IN SI ENGINE PROGRAMOWANIE ZAKRESU I PRĘDKOŚCI RUCHU PRZEPUSTNICY W SILNIKU ZI

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

1. Wprowadzenie. 2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych. 3. Paliwa stosowane do zasilania silników

PL B1. PARK NAUKOWO-TECHNOLOGICZNY W OPOLU SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Opole, PL BUP 15/

THE SYSTEM OF SUPERCHARGING FOR THE SPARK-IGNITION ENGINE

1. Wprowadzenie 1.1. Krótka historia rozwoju silników spalinowych

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

Przy prawidłowej pracy silnika zapłon mieszaniny paliwowo-powietrznej następuje od iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

Właściwy silnik do każdego zastosowania _BlueEfficiencyPower_Polnisch_Schrift_in_Pfade.indd :55:33

2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych

ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA ANDORIA 4CTI90

ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Wyznaczanie granicznej intensywności przedmuchów w czasie rozruchu

Układy zasilania samochodowych silników spalinowych. Bartosz Ponczek AiR W10

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów Wprowadzenie... 13

ELASTYCZNOŚĆ WSPÓŁCZESNYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE ISKROWYM

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (4)

BADANIA RUCHU POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH W WARUNKACH POLSKICH

Dane techniczne samochodów Fiat Panda Trekking i Fiat Panda 4x4.

ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA DRGAŃ CZYNNIKA ROBOCZEGO W UKŁADZIE DOLOTOWYM SILNIKA ZI

Pytania na egzamin dyplomowy specjalność SiC

IDENTIFICATION OF NUMERICAL MODEL AND COMPUTER PROGRAM OF SI ENGINE WITH EGR

Układ napędowy. Silnik spalinowy CAT C27 Typ silnika CAT C 27. Zespół prądnic synchronicznych. Znamionowa prędkość obrotowa

DEGA. Diesel and Gas Mixture. LPG Powietrze. Spaliny ON + LPG. tylko ON!! ON+LPG. Termopara spalin ON + LPG. Wykres mocy [KW]

Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (3)

ANALIZA PARAMETRÓW PRACY DWÓCH NOWOCZESNYCH SILNIKÓW TURBODOŁADOWANYCH

CHARAKTERYSTYKI PRACY SILNIKA HCCI ZASILANEGO BIOGAZEM

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego mchp

Biogas buses of Scania

WYZNACZENIE WSPÓŁCZYNNIKA OPORU TOCZENIA I WSPÓŁCZYNNIKA OPORU POWIETRZA

Bloki wartości mierzonych sterownika -J361-, silnik AEH, AKL

(54) Sposób oceny szczelności komory spalania silnika samochodowego i układ do oceny

Nowoczesne systemy napędów w pojazdach elektrycznych. Green cars

Silniki ABZ/AEW/AKG/AKJ/AHC/AKH

KONCEPCJA WERYFIKACJI DOŚWIADCZALNEJ ZAMODELOWANYCH OBCIĄŻEŃ CIEPLNYCH WYBRANYCH ELEMENTÓW KOMORY SPALANIA DOŁADOWANEGO SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM

POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

DŁUGODYSTANSOWY. Ekonomiczne rozwiązanie dla pokonujących długie trasy. Sterownik LPG/CNG do silników Diesel.

ZASTOSOWANIE PRZEKŁADNI HYDROKINETYCZNEJ DO REDUKCJI WIBRACJI HYBRYDOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO

HDI_SID807 Informacje o obwodzie paliwa

SAMOCHODY ZASILANE WODOREM

KARTY POMIAROWE DO BADAŃ DROGOWYCH

ENGINE TORQUE AND SPEED CONTROL IN PASSENGER CAR POWER TRAIN

PL B1. OSTROWSKI LESZEK, Gdańsk-Wrzeszcz, PL OSTROWSKI STANISŁAW, Gdańsk-Wrzeszcz, PL BUP 26/10

Badania sprawności prototypowej bezstopniowej przekładni łańcuchowej hybrydowego układu napędowego samochodu osobowego

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

1,2 8v 65 KM (benzyna)

WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI NA ZUŻYCIE PALIWA W CYKLACH JEZDNYCH

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ANALIZA WYBRANYCH WŁASNOŚCI TRAKCYJNYCH SAMOCHODU FIAT PANDA Z HYBRYDOWYM UKŁADEM NAPĘDOWYM

Analiza drgań skrętnych wału śmigłowego silnika lotniczego PZL-200 podczas pracy z zapłonem awaryjnym

Rys. 2. Kolejne etapy pracy łopatek kierownicy turbiny (opis w tekście) Fig. 2. Successive stages of guide apparatus blades running

Dane techniczne Nowe BMW i3

POMIARY OPORÓW WEWNĘ TRZNYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Podstawowe definicje

NAPRAWA. 1) lokalizuje uszkodzenia zespołów i podzespołów pojazdów samochodowych na podstawie pomiarów i wyników badań diagnostycznych;

Zmiana punktu pracy wentylatorów dużej mocy z regulowaną prędkością obrotową w obiektach wytwarzających energię cieplną lub elektryczną

Pojazdy rolnicze. W rolnictwie znajdują zastosowanie następujące pojazdy:

Silniki tłokowe. Dr inŝ. Robert JAKUBOWSKI

Tomasz P. Olejnik, Michał Głogowski Politechnika Łódzka

Zespół B-D Elektrotechniki. Laboratorium Silników i układów przeniesienia napędów

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 01/18. WIESŁAW FIEBIG, Wrocław, PL WUP 08/18 RZECZPOSPOLITA POLSKA

1. WSTĘP. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni Scientific Journal of Gdynia Maritime University

Zadania i funkcje skrzyń biegów. Opracował: Robert Urbanik Zespół Szkół Mechanicznych w Opolu

STOCHOWSKA WYDZIAŁ IN

PORÓWNANIE WYKRESU INDYKATOROWEGO I TEORETYCZNEGO - PRZYKŁADOWY TOK OBLICZEŃ

technik mechanik kwalifikacji M.18. Numer ewidencyjny w wykazie podręczników MEN: 56/2015 Od autorów 9 1. Wiadomości wstępne

The analysis of spark ignition engine short-time supercharging

INNOWACYJNY SILNIK z aktywną komorą spalania

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Piotr Ignaciuk *, Leszek Gil **, Stefan Liśćak ***

Temat /6/: DYNAMIKA UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE.

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA ORAZ NA EMISJĘ SUBSTANCJI TOKSYCZNYCH W SILNIKU ZS ZASILANYM OLEJEM RZEPAKOWYM

KODY MIGOWE CITROEN (Sprawdzone na modelu Xantia 1.8i 8V 1994r.)

Silnik AFB AKN. Jałowy bieg (ciepły silnik, temperatura płynu chłodzącego nie niższa niż 80 C. Numer 0 (dziesiętne wartości wskazań)

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(88)/2012

Silniki zasilane alternatywnymi źródłami energii

SIMSON S51 JAK NOWY ROK 1984 ZAREJESTROWANY

Elektrotechnika i elektronika pojazdów samochodowych : podręcznik dla technikum / Jerzy Ocioszyński. wyd. 11. Warszawa, 2010.

PL B1. Politechnika Szczecińska,Szczecin,PL BUP 08/01. Stefan Żmudzki,Szczecin,PL WUP 01/08

Charakterystyki techniczne

STANOWISKOWE BADANIE ZESPOŁU PRZENIESIENIA NAPĘDU NA PRZYKŁADZIE WIELOSTOPNIOWEJ PRZEKŁADNI ZĘBATEJ

PL B1. GULAK JAN, Kielce, PL BUP 13/07. JAN GULAK, Kielce, PL WUP 12/10. rzecz. pat. Fietko-Basa Sylwia

LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH

Czyszczenie silnika benzynowego w samochodzie marki Fiat Punto 1.2

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: STC TP-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Technologia Chemiczna Specjalność: Technologia paliw

Sterowanie napędów maszyn i robotów

Ćwiczenie 1 Dobór mikrosilnika prądu stałego do napędu bezpośredniego przy pracy w warunkach ustalonych

Zespół B-D Elektrotechniki. Laboratorium Silników i układów przeniesienia

Raport końcowy. Test km na LPG. Cel testu: Badanie wpływu LPG na elementy silnika wysokoprężnego.

SZKOŁA POLICEALNA dla dorosłych

WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH

Silniki AJM ARL ATD AUY

Keywords: compression ratio, dual-fuel engine, combustion process, natural gas

Transkrypt:

JAROSŁAW MAMALA, JERZY JANTOS BEZWŁADNOŚĆ MECHANICZNA UKŁADU NAPĘDOWEGO W PROCESIE PRZYSPIESZANIA MECHANICAL INERTIA OF POWER TRANSMISSION SYSTEM IN ACCELERATION PROCESS Streszczenie Abstract W niniejszym artykule przeanalizowano konstrukcję układu doładowania silnika spalinowego o zapłonie iskrowym w celu kompensacji niedoboru siły napędowej na kołach samochodu oraz przedstawiono wyniki wstępnych badań. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, sprawność, układ napędowy, bezwładność, doładowanie They analyzed in the paper structure of the system of charging the internal-combustion engine up about the spark ignition in the purpose for the compensation for the shortage of the driving force on wheels of the car and results of research were presented. Keywords: combustion engine, energetic efficiency, power transmission systems, inertia, charging system Dr inż. Jarosław Mamala, dr hab. inż. Jerzy Jantos, prof. PO, Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska.

168 1. Wstęp Zjawisko akumulacji energii mechanicznej w układzie napędowym samochodu osobowego w wyniku gwałtownego wciśnięcia pedału przyspieszenia niekorzystnie wpływa na przebieg momentu napędowego. W pierwszej fazie procesu przyspieszania następuje chwilowy spadek momentu obrotowego silnika, pomimo otwartej przepustnicy w kolektorze dolotowym, który doprowadza w konsekwencji do spadku momentu napędowego (rys. 1). W dalszej fazie procesu przyspieszania mamy do czynienia z chwilową oscylacją momentu napędowego. Na świecie w wielu ośrodkach naukowo-badawczych prowadzone są badania nad rozwiązaniem tego problemu. Jednak skuteczne rozwiązanie musi spełniać wiele warunków, m.in. technologicznych i ekonomicznych. Technologicznych w związku z prostą konstrukcją, ekonomicznych w odniesieniu do niskich kosztów eksploatacji proponowanego rozwiązania. Zagadnienie to ze względu na specyficzne warunki pracy układu napędowego w samochodzie osobowym jest uzależnione od wielu warunków i stanowi efekt wielu prac. 160 120 Torque Torque, [Nm] Nm 80 40 0 4 6 8 10 12 Time, [s] s Rys. 1. Przebieg momentu w układzie napędowym przy gwałtownym uchyleniu przepustnicy w fazie przyspieszania Fig. 1. Powertrain torque output after rapid and full accelerator pedal depressing with conventional throttle steering Jednym ze sposobów ograniczenia niedoboru i oscylacji momentu napędowego jest zastosowanie elektronicznej przepustnicy w kolektorze dolotowym silnika. Jak wykazały badania [10] związane z optymalizacją procesu uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym (rys. 2) może to doprowadzić do zmniejszenia oscylacji, co przyczyni się do poprawy komfortu jazdy takim samochodem osobowym, powodując brak szarpnięć w procesie przyspieszania [11].

160 169 120 Torque [Nm] Torque, Nm 80 40 0 4 6 8 10 12 Time, [s] s Rys. 2. Przebieg momentu w układzie napędowym przy ograniczonej prędkości uchylenia przepustnicy w fazie przyspieszania dla układu ETC Fig. 2. Powertrain torque output after rapid and full accelerator pedal depressing with ETC steering Niemniej jednak ograniczenie ruchu przepustnicy z jednej strony powoduje nieznaczne pogorszenie dynamiki [3, 4, 10, 11] oraz nie kompensuje powstającego niedoboru momentu obrotowego wskutek wzrostu prędkości obrotowej silnika spalinowego i układu przeniesienia napędu oraz przez wzrost bezwładności mas wirujących. 2. Struktura układu napędowego Zjawiska związane z przyspieszaniem samochodu można przedstawić przez analizę zależności występujących w systemie K S O (Kierowca Samochód Otoczenie) [7, 17]. Zależności te można zilustrować za pomocą modelu przedstawionego na rys. 3. Głównymi elementami przedstawionego modelu są: kierowca samochodu, pojazd i otoczenie oraz ze względu na coraz większe zainteresowanie automatycznie sterowanymi układami napędowymi, wyodrębniony został sterownik układu napędowego. W obecnym stanie techniki bardzo dużo uwagi poświęca się problemowi przebiegu momentu napędowego i jego sterowania w układzie napędowym [8, 9]. Szczególnego znaczenia nabierają wzajemne relacje i sprzężenia występujące pomiędzy człowiekiem a pojazdem oraz układem sterowania napędem, tak aby przebieg momentu obrotowego był pozbawiony wszelkich zakłóceń. Zgodnie ze wzorem M o ic η p Fn = (F n ) gr (1) r d siła napędowa F n występująca w obrzeżu styku koła napędowego z nawierzchnią zależy od: momentu obrotowego silnika (M o ) oraz jego przebiegu w polu pracy silnika, przełożenia całkowitego (i c ) w układzie napędowym,

170 rodzaju zastosowanego układu napędowego (budowy, architektury) zależy sprawność (η p ) przenoszonego momentu, a więc sprawność całego układu napędowego, od promienia dynamicznego koła (r d ), rozumianego jako odległość środka koła od nawierzchni jezdni. Sterownik układu napędowego Człowiek kierujący samochodem Wielkości charakteryzujące stan pojazdu Pojazd Układ napędowy UPN Moment reakcyjny sprzęgła Silnik ZI Moment obrotowy silnika Zespół elektro-hyd. Stan sprzęgła Przełożenie przekładni Napełnienie silnika (wtrysk, zapłon) Uchylenie przepustnicy Zespół przepustnicy Koła napędzane (siła napędowa) Prędkość kątowa silnika Otoczenie Rys. 3. Model systemu K S O z wyróżnionym układem sterowania napędem [7] Fig. 3. The model of the system K S O with the distinguished arrangement of steering the powertrain W nowoczesnym samochodzie osobowym w sposób aktywny możemy oddziaływać na dwie zmienne sterujące układem napędowym, tj. moment obrotowy silnika oraz przełożeniem układu napędowego, które determinuje prędkość obrotową silnika. Dla układu napędowego wyposażonego w manualną stopniową skrzynię biegów w sposób aktywny możemy sterować tylko obciążeniem silnika przez odpowiednio zaprogramowane ECU. Przełożenie układu napędowego jest wybierane w takim przypadku subiektywnie przez kierowcę. Nowe możliwości sterowania układem napędowym stoją przed automatycznymi zespołami napędowymi. Dostępność momentu obrotowego silnika jest uzależniona od charakterystyki silnika. Na rysunku 4 przedstawiono charakterystykę silnika opartą na wynikach własnych badań stanowiskowych silnika ZI o pojemności 1,242 dm 3 i zewnętrznym wielopunktowym sposobie wytwarzania mieszanki palnej [8].

171 100 24 20 17 14 35 100 60 80 60 Torque Torque, [Nm] Nm 40 20 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-20 The The rotational speed of of the the engine, [rpm] Rys. 4. Charakterystyka ogólna silnika doświadczalnego 188A.5000 Fig. 4. The general character of the experimental engine 188A.5000 Na charakterystyce (rys. 4) za pomocą linii ciągłej ciemnej zaznaczono krzywą maksymalnego momentu dla 100% uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym. W stanie ustalonym para podstawowych współrzędnych stanu, moment obrotowy oraz prędkość kątowa silnika determinują moc wymaganą do napędzenia samochodu. W procesie przyspieszania samochodu konieczne jest znaczące zwiększenie mocy użytecznej silnika. Zgodnie z równaniem (2) przyrost mocy użytecznej jest możliwy w wyniku zwiększenia momentu obrotowego, jak i prędkości kątowej silnika ΔN = ΔM ω + M Δω + ΔM Δω (2) e o s Równanie (2) ma ograniczenia: zwiększenie momentu obrotowego silnika jest ograniczone przez wartość dostępnego zapasu momentu obrotowego na charakterystyce silnika, zwiększenie prędkości kątowej silnika powoduje wprost proporcjonalny przyrost mocy użytecznej zależnej od chwilowej prędkości. Zwiększanie mocy silnika w rezultacie przyrostu prędkości kątowej silnika wymaga natomiast pokonania jego bezwładności mechanicznej oraz układu przeniesienia napędu. Bezwładność mechaniczna silnika sprawia, że chwilowa moc przekazywana do kół napędzanych (3) jest tym mniejsza, im większe jest chwilowe przyspieszanie wału korbowego silnika N n m s o ( M J ω ) = η ω & o s o 1 s (3)

172 gdzie: J 1 moment bezwładności mas związanych z wałem korbowym silnika [kg m 2 ], η m sprawność mechaniczna układu napędowego. Zwiększenie prędkości kątowej silnika (przyspieszenie jego wału korbowego) wymaga nadwyżki momentu obrotowego ponad wartość momentu oporowego w układzie napędowym zredukowanego na sprzęgło. Zatem również maksymalna wartość przyspieszenia wału korbowego jest ograniczona wielkością rozporządzalnego zapasu momentu obrotowego gdzie: M 100 M op M 100 M op ω& s = (4) max J ( ) moment obrotowy silnika przy pełnym zasilaniu [N m], moment oporowy na sprzęgle [N m]. 1 Rys. 5. Proces rozpędzania samochodu osobowego od prędkości 80 do 120 km/h [16]: a) przebieg mocy napędowej, b) prędkości liniowej samochodu Fig. 5. Process of passenger car acceleration from 80 to 120 km/h; a) history of driving force, b) vehicle speed Wartość biegunowego momentu bezwładności silnika można wyznaczyć metodą wybiegu z uwzględnieniem strat własnych silnika. Dla testowanego silnika wartość biegunowego momentu bezwładności (J 1 ) wynosi 0,147 kg m 2.

173 Z przeprowadzonej analizy wynika, że ze względu na możliwość zwiększenia mocy użytecznej jest pożądany jak największy rozporządzalny zapas momentu obrotowego silnika. Zatem zapas momentu obrotowego można przyjąć jako wielkość kryterialną przy wyborze podstawowych współrzędnych stanu silnika ze względu na zdolność przyspieszania samochodu. W wielu zagranicznych ośrodkach badawczo-naukowych prowadzone są prace [2, 6, 7, 9, 12, 15, 16, 18] zmierzające do zmniejszenia bezwładności mechanicznej układu napędowego. Problem jest rozpatrywany dwukierunkowo przez ograniczenie bezwładności mechanicznej układu napędowego, w tym celu w samochodzie osobowym instalowane są dodatkowe źródła energii, np. bezwładniki czy silniki elektryczne. Takie rozwiązanie w literaturze noszą nazwę układów o zerowej inercji (ZeroInertia) i są w pewnym sensie rodzajem hybrydowych układów przeniesienia napędów [16, 18]. Pozwalają one na uzyskanie poprawnego przebiegu momentu obrotowego w układzie napędowym w procesie rozpędzania samochodu osobowego, takie rozwiązanie wymaga znaczącej modyfikacji układu przeniesienia napędu i jest kosztowne. Na rysunku 5 przedstawiono przebieg mocy w układzie napędowym dla samochodu z automatyczną skrzynią biegów o przełożeniu zmiennym w sposób ciągły (CVT), z którego wynika, że wskutek kompensacji bezwładności mechanicznej układu napędowego samochód osobowy rozpędza się szybciej w pierwszej fazie wzrostu prędkości. Innym kierunkiem ograniczenia bezwładności mechanicznej układu napędowego jest pozyskanie większego momentu obrotowego z jednostki napędowej samochodu osobowego. Skutecznym rozwiązaniem w takim przypadku może być zastosowanie w układzie zasilania silnika spalinowego dodatkowego doładowania świeżym ładunkiem. W literaturze znanych jest wiele takich układów doładowujących silnik spalinowy w przejściowych jego stanach pracy, choćby układy doładowujące o charakterze ciągłym (np. układy sprężarkowe) [1, 14] czy układy zasobnikowe (np. doładowanie podtlenkiem azotu) [1, 15, 13]. Wspomniane układy, pomimo ich powszechnego wykorzystania w zasilaniu silników spalinowych, cechuje wiele ograniczeń i wad, a ponadto nie jest to rozwiązanie tanie i proste w konstrukcji. Jednym z ograniczeń przy doładowaniu silnika jest możliwość nieprawidłowego procesu spalania w cylindrze przez wystąpienie spalania stukowego. W celu uniknięcia tego zjawiska należałoby obniżyć temperaturę ładunku. Obniżenie temperatury w procesie doładowania jest typowe podczas rozprężania ładunku z wysokiego ciśnienia. Ponadto, jak wynika z prac [11, 12], chwilowy niedobór siły napędowej jest krótki i trwa ok. ośmiu cykli pracy silnika, co przy prędkości ok. 2000 obr./min daje mniej niż 0,4 s. 3. Doładowanie silnika W artykule zastosowano [15] połączone doładowanie za pomocą sprężarki i powietrza sprężonego znajdującego się w zbiorniku ciśnieniowym. Takie rozwiązanie kombinowane ma na celu poprawę wskaźników pracy silnika. Koncepcja działania takiego układu jest prosta (rys. 6). W trakcie przyspieszania, aby pokonać bezwładność silnika, należy oprócz doładowania sprężarkowego, jakie jest zastosowane w tradycyjnej formie, dodatkowo wprowadzić sprężone powietrze ze zbiornika powietrza. Jak wykazały badania nad tym układem, zastosowanie takiego połączonego układu doładowania silnika prowadzi do po-

174 lepszenia przebiegu momentu obrotowego oraz zmniejszenia tzw. turbodziury, która jest szczególnie niekorzystna w procesie przyspieszania. Rys. 6. Schemat układu doładowania silnika sprężonym powietrzem z zasobnika [15]: 1 filtr powietrza, 2 sprężarka, 3 chłodnica powietrza doładowującego, 4 kolektor dolotowy, 5 wtryskiwacze, 6 kolektor wylotowy, 7 turbina z zaworem upustowym, 8 rura wylotowa silnika, 9 oś turbosprężarki, 10 zasobnik powietrza, 11 sterownik przepustnicy Fig. 6. Combine charging system with compressed air boost Efekt takiego doładowania przedstawiono na poniższym wykresie (rys. 7). Podczas testów na hamowni silnikowej umożliwiającej symulowanie warunków drogowego obciążenia silnika dokonano szczegółowych pomiarów ciśnienia indukowanego w czasie pracy silnika niedoładowanego, następnie doładowanego za pomocą samej turbosprężarki. Ostatnim etapem badań było porównanie uzyskanych danych z doładowaniem sprężarką i powietrzem z zasobnika. Przy pomiarach takich parametrów, jak ciśnienie indykowane, ważnym aspektem była możliwość sterowania ilością powietrza doładowującego pochodzącego z zasobnika przy założeniu, że czas doładowania wynosił 400 ms przy przerwach 1 s. Pomiarów dokonywano przy symulacji pojazdu ciężarowego o całkowitej masie 15 t z silnikiem samoczynnym i przyśpieszaniu na 4 biegu. Rezultaty jakie osiągnięto przy dodatkowym doładowaniu zasobnikowym, to zwiększenie siły napędowej o 3%. Na rysunku 7 porównano przebieg momentu obrotowego silnika dla układu niedoładowanego (linia najniżej położona) z przebiegiem momentu dla silnika doładowanego w dwóch wersjach. Linia środkowa przedstawia przebieg doładowania dla silnika z tradycyjną turbosprężarką, natomiast linia najszybciej przedstawiająca reakcje silnika na wymuszenie skokowe pedału przyspieszenia prezentuje układ zmodyfikowany z doładowaniem zasobnikowym. Silnik osiąga pełny moment o ok. 3,5 s szybciej niż w tradycyjnym układzie zasilania i o ok. 2,5 szybciej niż dla układu z tradycyjną turbiną. Najważniejszą kwestią jest osiągnięcie pełnego momentu w chwili przyspieszenia.

175 Rys. 7. Przebieg momentu obrotowego przy różnych systemach doładowania silnika Fig. 7. Step response measurement comparison results of engine torque 4. Doładowanie zasobnikowe silnika o zapłonie iskrowym Zastosowanie doładowania zasobnikowego w silniku o zapłonie iskrowym wiąże się z pewnymi ograniczeniami m.in. ze względów konstrukcyjnych spowodowanych spalaniem stukowym. Taki rodzaj przebiegu spalania jest niekorzystny w związku z możliwością uszkodzenia mechanicznego silnika. W opracowaniu przedstawiono system doładowania silnika o zapłonie iskrowym (rys. 8). W układzie do doładowania silnika zastosowano zasobnik sprężonego powietrza, w którym utrzymuje się ciśnienie na poziomie co najmniej 16 MPa. Gdy zachodzi potrzeba nagłego zwiększenia momentu obrotowego, gwałtownie wciska się pedał przyspieszenia i jednocześnie z gwałtownym przyspieszeniem silnika doprowadza się dodatkowe powietrze sprężone z zasobnika pod wysokim ciśnieniem. Spadek temperatury w kolektorze dolotowym silnika wywołany przez rozprężające się powietrze z zasobnika do ciśnienia ok. 0,2 MPa powoduje, że zwiększa się ilość powietrza w kolektorze dolotowym, co wymusza konieczność doprowadzenia skorygowanej, zwiększonej dawki paliwa. Wzrost stopnia sprężania powietrza w cylindrze przy zwiększonej dawce paliwa w chwili, gdy ma on przyspieszyć, skutkuje wzrostem momentu obrotowego silnika jeszcze w fazie, gdy silnik nie przyspieszył. W celu przeprowadzenia badań podstawowych wykorzystano silnik 188A.5000 z samochodu Fiat Punto II, który jest zainstalowany na hamowni silnikowej Politechniki Opolskiej. Podstawowe parametry testowanego silnika zestawiono w tabeli 1. Na silniku tym przeprowadzono modyfikacje układu zasilania zgodnie z powyższym opisem.

176 ST EP Z R ZE KD S SP Rys. 8. Schemat ideowy doładowania zasobnikowego: ST sterownik, Z zasobnik powietrza, R reduktor, ZE wtryskiwacz powietrza, EP elektroniczna przepustnica, KD kolektor dolotowy, S silnik, SP sprężarka Fig. 8. Schematic diagram of chamber supercharging: ST controller, Z air chamber, R reducer, ZE air injector, EP electronic valve, KD suction manifold, engine, SP compressor Silnik Typ Dane techniczne silnika Tabela 1 MPI 188A5000 Średnica cylindra [mm] 70,8 Skok tłoka [mm] 78,86 Pojemność skokowa [cm 3 ] 1242 Stopień sprężania 10,6 Moc znamionowa [kw przy obr./min] 59 przy 5000 Moment maksymalny [Nm przy obr./min] 116 przy 4000 5. Badania własne Na rysunku 9 przedstawiono zarejestrowane zmiany temperatury powietrza w kolektorze dolotowym w procesie doładowania dla silnika pracującego przy prędkości obrotowej 1500 obr./min i gwałtownym uchyleniu przepustnicy od wartości początkowej 20 do 100%. Doładowanie następowało przy 60% uchyleniu przepustnicy i trwało 1,5 s. Spadek temperatury w kolektorze dolotowym potwierdza założenie, że w wyniku rozprężenia gazu dochodzi do spadku temperatury, co pozwala na zwiększenie współczynnika napełnienia oraz zmniejszenie obciążenia cieplnego silnika. Zmiany ciśnienia w kolektorze dolotowym oraz

177 ciśnienia indukowanego zostały przedstawione w pracach [10, 12]. Zgodnie z literaturą [1, 19, 20] w przybliżeniu można przyjąć, że obniżenie temperatury powietrza o ok. 10 C skutkuje zwiększeniem mocy silnika od 3,5 do 4%. 80 70 temp_kolektor [ C] temp_dolotu [ C] temp_doladowanie [ C] 60 Temperature Temperature, [ C] C o 50 40 30 20 10 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Time Time, [s] s Rys. 9. Przebieg zmian temperatury w układzie dolotowym silnika podczas doładowania Fig. 9. Step response measurement comparison results of temperature Na rysunku 10 przedstawiono przebieg tego momentu obrotowego silnika w chwili gwałtownego uchylenia w kolektorze dolotowym dla badanego silnika. Przebieg zmian momentu przedstawiono dla silnika bez i z doładowaniem. W wyniku doładowania zaobserwowano ok. 8% wzrost momentu (linia pogrubiona). 100 90 Temperature Torque, Nm [ C] 80 70 60 50 40 30 NORMAL 20 10 0 8 10 12 14 16 18 20 Time Time, [s] s Rys. 10. Przebieg momentu obrotowego silnika podczas gwałtownego uchylenia przepustnicy Fig. 10. Torque changes during rapid change of throttle angle

178 Zdolność przyspieszania samochodu zależny od wielkości występujących w równaniu (1) oraz sumarycznej siły oporu ruchu i bezwładności. Stąd jak wynika z rys. 10 doprowadzenie większego momentu obrotowego z silnika do układu napędowego w chwili przyspieszania w jego pierwszej fazie poprawi przebieg siły napędowej w obszarze styku koła napędowego z nawierzchnią jezdni. 6. Podsumowanie Z przeprowadzonych badań wynika, że zasilanie silnika sprężonym powietrzem z zasobnika (rys. 8) korzystniej wpływa na uzyskany moment obrotowy silnika, obniża temperaturę powietrza dolotowego. Osiąganie niższej temperatury powietrza powinno wpłynąć na zmniejszenie emisji tlenków azotu oraz podniesienie granicy spalania stukowego. Zmiany te powinny korzystnie wpłynąć na przebieg siły napędowej na kołach w fazie przyspieszania. Chwilowy wzrost mocy w pierwszym okresie przyspieszania wpłynie na kompensacje bezwładności mechanicznej układu napędowego. Niniejsze badania naukowe były finansowane z funduszy Polskiego Narodowego Funduszu Badań Naukowych w latach 2005 2008 jako projekt badawczy Literatura [1] Bernhardt M., Dobrzyń s k i S., L o t h E., Silniki samochodowe, WKiŁ, Warszawa. [2] B i e n i e k A., M a m a l a J., Improvement of CVT Powertrain Control Strategy and Driveability in Passenger Car, EAEC 2007 11th Europen Automotive Congres, Budapeszt 2007, 251. [3] Constancis P., Leorat F., Global Powertrain Control, FISITA 98, 1998. [4] Deneuville C., Streib H.M., Electronic throttle control: contribution in engine management systems, 5th International Congress EAEC, Strasbourg 1995. [5] Gerhardt J., Benninger N., Heβ W., Torque-based system structure of an electronic engine management system (ME7) as a new base for drivetrain systems, FISITA 98, 1998. [6] Jantos J., Brol S., Mamala J., Problems in assessing road vehicle driveability parameters determined with the aid of accelerometer, Diagnostic Vehivle 2007, SAE 2007-01-1473. [7] J a n t o s J., K o r n i a k J., M a m a l a J., S i ł ka W., Driveability and fuel consumption improvement through integrated fuzzy logic control of powertrain with spark ignition engine and continuously variable transmission, FISITA World Automotive Congress, Barcelona. [8] Jantos J., Mamala J., Stanowiskowy symulator obciążenia drogowego silnika, Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji PAN O. Kraków, Konstrukcja, badania, eksploatacja, technologia pojazdów samochodowych i silników spalinowych, t. 18, Kraków, 113-119.

179 [9] Jantos J., Mamala J., Control of the continuously variable transmission in passenger car, 5th International Workshop on Research and Education in Mechatronics 2004, Cedzyna 2004. [10] M a m a l a J., Proces sterowania mocą a wskaźniki pracy silnika ZI, praca doktorska, Politechnika Opolska, Opole. [11] M a m a l a J., J a n t o s J., Sterowanie przejściowym stanem pracy samochodowego silnika ZI, Materiały konferencyjne Międzynarodowej Konferencji Motoryzacyjnej AUTOPROGRES-KONMOT 2002, t. 2, 155-162. [12] M a m a l a J., J a n t o s J., B i e n i e k A., B r o l S., Compensation of Mechanical Inertia in Passenger Car with Spark Ignition Engine, EAEC 2007 11th Europen Automotive Congres, Budapeszt 2007, 267. [13] M e r k i s z J., Ekologiczne problemy silników spalinowych, t. 1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1998. [14] M y s ł o w s k i J., Doładowanie bezsprężarkowe silników z zapłonem samoczynnym, WNT, Warszawa. [15] Németh H., Filer P., Palkovics L., Diesel engine response improvement by compressed air charging, EAEC 2007 11th Europen Automotive Congres, Budapeszt 2007, 13. [16] Serrarens A.F.A., Veldpaus F.E., Powertrain control of a Flywheel Assisted Driveline with CVT, CVT 99 Congress, Eindhoven, Netherlands. [17] S i ł ka W., Teoria ruchu samochodu, WNT, Warszawa. [18] V r o e m e n B., S e r r a r e n s A., V e l d p a u s F., Hierarchical control of the Zero Inertia powertrain. JSAE Review 22, 2001, 519-521. [19] W i s ł ocki K., Systemy doładowania szybkoobrotowych silników spalinowych, WKiŁ, Warszawa. [20] Wendeker M., Opis zjawisk dynamicznych w procesie tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach z wtryskiem benzyny, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Budowa i eksploatacja maszyn, z. 22, Bielsko-Biała, 45-57.