WPŁYW NASTAW REGULATORA POŁOŻENIA PRZEPUSTNICY SILNIKA ZI
NA ZUŻYCIE PALIWA W CYKLACH JEZDNYCH
Krystian Hennek
1a, Szymon Kołodziej
1b, Jarosław Mamala
1c1 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” charak- terystyki te są na bieżąco wczytywane do pamięci komputera. W ten sposób wyznaczane są wskaźniki pracy wirtu- alnego 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 aerodynamicz- nych wynikających ze zmiennej prędkości i kierunku prze- mieszczania 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 po- mocą Symulatora Obciążenia Drogowego Silnika.
Działanie Symulatora opiera się na autorskim oprogramo- waniu umożliwiającym prowadzenie symulacji cyfrowych i stanowiskowych. W przypadku badań z wykorzystaniem symulacji cyfrowej silnik spalinowy zapisany jest w po- staci numerycznych charakterystyk prędkościowych mię- dzy innymi czasowego zużycia paliwa, momentu obroto- wego i strumienia emisji substancji szkodliwych, otrzyma- nych podczas pomiarów na hamowni silnikowej w ustalo- nych punktach pracy obejmujących siatkę 121 punktów węzłowych. Za pomocą funkcji „Lookup Table” charakte- rystyki te są na bieżąco wczytywane do pamięci kompu- tera, a pomiędzy węzłami siatki wartości pośrednie są in- terpolowane. W ten sposób wyznaczane są wskaźniki pracy wirtualnego silnika pojazdu dla dowolnych jego pa- rametrów 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 kolekto- rze dolotowym) wykorzystano cyfrowy model regulatora położenia przepustnicy. Oprogramowanie sterujące umoż- liwia modyfikowanie parametrów pracy regulatora poło- żenia przepustnicy. W tym opracowaniu zadawano pro- gramowaną maksymalną prędkość uchylenia przepust- nicy. W publikacji opisano zmiany w obciążeniu silnika ZI, jakie spowodowane były ograniczaniem tej prędkości jako podstawowej zmiennej sterującej, na przebiegowe zu- życie paliwa.
2. RZECZYWISTE
I SYNTETYCZNE CYKLE JEZDNE
Do odwzorowania rzeczywistych warunków drogowych w procesie badawczym oraz ujednolicenia prac różnych ośrodków wykorzystywane są często cykle jezdne. Zawie- rają one przebiegi prędkości liniowej pojazdu w czasie.
Dodatkowo mogą zawierać informacje odnośnie przełoże- nia skrzyni przekładniowej, jakie w danym momencie cy- klu powinien wybrać kierowca pojazdu. Przebiegi te od- wzorowywane są na hamowniach podwoziowych z wyko- rzystaniem rzeczywistego pojazdu oraz osoby nim kieru- jącej.
Symulator Obciążenia Drogowego Silnika umożliwia wy- konywanie powtarzalnych wirtualnych testów jednostki napędowej na podstawie numerycznego zapisu charakte- rystyk 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 wykorzy- stane w symulacjach. Zauważyć na nim można różnice między cyklem syntetycznym a rzeczywistym, wśród nich (w cyklu syntetycznym):
• stała intensywność przyspieszania,
• 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 osią- gnięcia różnych prędkości,
• stała prędkość utrzymywana przez krótki czas,
• krótkotrwałe postoje oraz mniejsza ich liczba
a)
b)
Rys. 1. Przykładowe profile prędkości cykli jezdnych (linia ja- sna) z krzywymi przyrostu zużycia paliwa (linia ciemna):
a) syntetyczny cykl New European Driving Cycle; b) rzeczywi- sty cykl podmiejski zrealizowany w Opolu
Kształt profilu prędkości cyklu jezdnego decyduje o energochłonności ruchu. W rzeczywistym ruchu jed- nostka napędowa pojazdu obciążana jest przez jego kie- rowcę za pomocą pedału przyspieszania. Istotnym czyn- nikiem wpływającym na zużycie paliwa jest sposób stero- wania obciążeniem, a więc intensywność uchylania pedału przyspieszenia. W pojazdach wyposażonych w układ ETC (ang. Electronic Throttle Control – elektroniczna regula- cja uchylenia przepustnicy) dodatkowym aspektem jest sposób uchylania przepustnicy w zależności od wymusze- nia, jakim jest uchylenie pedału przyspieszenia. W więk- szości współczesnych konstrukcji silników zależność kąta uchylenia przepustnicy od kąta uchylenia pedału nie jest liniowa i jest dodatkowo korygowana według odpowied- niego algorytmu przez regulator położenia przepustnicy.
3. BADANIA WŁASNE
Na rysunkach 2, 3 i 4 przedstawiono porównania prędko- ści kątowych przepustnicy, jakie otrzymano w wyniku sy- mulacji. Pomiarów dokonywano dla pięciu wariantów na- staw 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 wykorzysty- wanych 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 syntetycz- nego 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 dyna- miki 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 symulowa- nego momentu obrotowego generowanego przez silnik.
Przykładowo zbyt niska prędkość przesłony w odniesieniu do skokowego wymuszenia zadawanego na pedale przy- spieszenia skutkować będzie z jednej strony wydłużeniem czasu potrzebnego na osiągnięcie zamierzonego poziomu mocy napędowej na kołach pojazdu podczas przyspiesza- nia, a przez to nie osiągnięciem w założonym czasie za- programowanej prędkości linowej pojazdu. Z drugiej strony obniży własności silnika pracującego jako sprę- żarka powietrza w początkowej części fazy zwalniania.
Z kolei zbyt wysoka dynamika pracy przesłony przepust- nicy powodować będzie przekraczanie zadanego poziomu momentu obrotowego w wyniku tzw. przesterowania.
O ile reakcja przesłony przepustnicy na zmianę wychyle- nia 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. Regu- lator ustalania zadanego położenia przepustnicy zareaguje korektą uchylenia, co spowoduje przesterowanie wartości uzyskanej mocy w układzie napędowym pojazdu.
W konsekwencji układ będzie działał w sposób niesta- bilny, mogący zwiększać zużycie paliwa w cyklu jezdnym.
a)
b)
c)
d)
Rys. 2. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora (a) – V1, b) – V2, c) – V4, d) – V5) z wariantem neutralnym (V3) – symulacja jazdy dynamicznej w cyklu rzeczywistym
Istotny jest również fakt, iż w warunkach pełnego wyko- rzystania potencjału jednostki napędowej w procesie przy- spieszania nie zawsze kąt uchylenia przesłony przepust- nicy powinien odpowiadać kątowi uchylenia pedału
przyspieszenia. Za pomocą pedału kierowca pojazdu za- daje 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.
a)
b)
c)
d)
Rys. 3. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora (a) – V1, b) – V2, c) – V4, d) – V5) z wariantem neutralnym (V3) – symulacja jazdy oszczędnej w cyklu rzeczywistym
a)
b)
c)
d)
Rys. 4. Porównania prędkości kątowej ruchu przepustnicy dla poszczególnych wariantów nastaw regulatora (a) – V1, b) – V2, c) – V4, d) – V5) z wariantem neutralnym (V3) – symulacja jazdy w cyklu NEDC
Na rys. 6 przedstawiono przebiegi średniego przebiego- wego zużycia paliwa w cyklu, a największe zmiany wiel- kości zużycia paliwa zanotowano w symulacji dynamicz- nej jazdy miejskiej, a najniższe podczas symulowanej jazdy ekonomicznej. W przypadku obu tych cykli najniż- sze zużycie uzyskano dla wariantu V1 nastaw regulatora
położenia przepustnicy, które po dystansie 4,5km dla cy- klu 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 odnoto- wano zróżnicowane zużycie paliwa, gdzie ustalone średnie przebiegowe zużycie paliwa po dystansie 10km wynosi od 15l do 16 l/100km, przy czym najmniejszym charaktery- zował się wariant V2 (około 15l/100km). Wyraźnie od- mienne zużycie paliwa odnotowano dla wariantu V1, gdzie widoczny jest wyraźny jego wzrost
a)
b)
c)
Rys. 5. Porównania położenia kątowego przepustnicy dla po- szczególnych wariantów nastaw regulatora (V1, V2, V3, V4, V5) z położeniem kątowym pedału przyspieszenia (AP) jako wymuszeniem w symulacji jazdy: a) dynamicznej w cyklu rze- czywistym, b) oszczędnej w cyklu rzeczywistym, c) w cyklu NEDC
w początkowej fazie cyklu odpowiadającej jeździe miej- skiej (ECE). W drugiej części cyklu, w fazie EUDC, cha- rakter przebiegu zużycia paliwa jest podobny do pozosta- łych wariantów od V2 do V5. W wariancie V1 odnoto- wano rozrzut punktów na wykresie (rys. 4a) w całym polu pracy silnika, co skutkowało niestabilnością pracy regula- tora położenia przepustnicy a przez to odnotowanym zwiększonym przebiegowym zużyciem paliwa. Przykła- dowe porównanie odwzorowanego profilu prędkości dla symulowanego cyklu dynamicznego przedstawiono na rys.
7. Wyraźnie widoczne jest, że pomimo odnotowanego naj- mniejszego 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 syntetycz- nym nastawienia regulatora dla wariantu V1 nie powinny być brane pod uwagę w dalszych rozważaniach.
a)
b)
c)
Rys. 6. Przebiegowe zużycie paliwa dla poszczególnych warian- tów nastaw regulatora (V1, V2, V3, V4, V5) w symulacji jazdy:
a) dynamicznej w cyklu rzeczywistym, b) oszczędnej w cyklu rzeczywistym, c) w cyklu NEDC
Jazda dynamiczna charakteryzuje się największym zakre- sem zmian kąta uchylenia przepustnicy, a także najwięk- szą intensywnością zmian częstości wychylenia pedału przyspieszenia w symulowanych cyklach jezdnych. Po- mimo zastosowania rzeczywistego cyklu jezdnego opraco- wanego 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 dy- namicznej w tych warunkach reakcji silnika na wymusze- nie pochodzące od pedału przyspieszenia, prędkość uchy- lania przepustnicy powinna odpowiadać prędkości nie przekraczającej 75o/s [4]. Niższa prędkość przepustnicy powoduje (w przybliżeniu), że ograniczona zostaje inten- sywność przyspieszania pojazdu, a co za tym idzie, obni- żone zostaje zużycie paliwa. Najbardziej energochłonnym procesem jest bowiem proces przyspieszania – czym bar- dziej intensywnie on przebiega, tym więcej energii zużywa silnik.
Rys. 7. Porównanie przebiegów prędkości w symulacjach dyna- micznego ruchu miejskiego: u góry – zadany profil prędkości, pośrodku - V1, u dołu - V2
Jazda oszczędna przebiega na zasadzie minimalizowania intensywności przyspieszania; częstotliwość zmian uchy- lenia pedału przyspieszenia oraz ich zakres są znacznie mniejsze. Dodatkowe obniżenie prędkości ruchu przepust- nicy pozwala jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie paliwa.
Cykl NEDC charakteryzuje się pewnymi cechami niespo- tykanymi w rzeczywistym ruchu ulicznym: cyklicznością, niemal stałą intensywnością wszystkich faz przyspiesza- nia, częstymi postojami oraz stosunkowo długotrwałymi
okresami utrzymywania stałej prędkości jazdy. Nie uwzględnia tym samym chwilowego lokalnego zagęszcze- nia ruchu i innych parametrów istotnych w ocenie rzeczy- wistego przebiegowego zużycia paliwa. Cechy te mogłyby okazać się decydującymi w ocenie reprezentatywności syntetycznego cyklu jezdnego w świetle prowadzonych ba- dań symulacyjnych, czego potwierdzeniem mogą być uzy- skane wyniki przebiegowego zużycia paliwa.
4. PODSUMOWANIE
Wpływ nastaw regulatora położenia przepustnicy na zużycie paliwa w cyklach jezdnych nie jest jedno- znaczny. O ile najniższe zużycie w rzeczywistych cyklach jezdnych uzyskano przy wariancie V1 sterowania prze- pustnicą, w cyklu syntetycznym dla tego wariantu zużycie paliwa jest znacznie większe od pozostałych. Niska pręd- kość przepustnicy powoduje również niską dynamikę przyspieszania, co w warunkach rzeczywistego ruchu może obniżyć bezpieczeństwo podróżowania (np. podczas wyprzedzania) a jednocześnie nie osiąganie założonej prędkości liniowej pojazdu. Z tego względu jest nie repre- zentatywna. Pozostałe warianty ustawień generowały po- dobne wyniki odnośnie zużycia paliwa.
W pojazdach z napędem spalinowym wyposażonych w układ ETC sterowania położeniem przepustnicy, wła- ściwy 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 decy- dującym pozostaje zachowanie kierowcy. To właśnie od samego sposobu zadawania położenia pedału przyspiesze- nia zależy dynamika poruszenia się pojazdu, a tym samym zużycie paliwa. W takim przypadku, aby spełnić kryteria niskiego zużycia paliwa i zadowalającej dynamiki poru- szania się pojazdu, należy w układzie sterowania uchyle- nia przepustnicy zastosować regulator adaptacyjny, który będzie korygował swoje nastawy w zależności od stylu jazdy danego kierowcy. Tylko taki sposób sterowania po- zwoli w każdych warunkach i każdemu kierowcy sterować przesłoną przepustnicy w taki sposób, by dążyć do mini- malizacji zużycia paliwa przy zachowaniu satysfakcjonu- jących dla każdego kierowcy własności dynamicznych po- jazdu. Zastosowanie regulatorów adaptacyjnych w ukła- dzie sterowania przepustnicą stanowić będzie dalsze kie- runki 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 Phe- nomena” 2014, Vol. 214.
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 con- ditions 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
