Przesłanki do symulacji zużycia paliwa przez samochody osobowe w warunkach jazdy rzeczywistej za pomocą wybranych cykli jezdnych

A leksander U BY SZ

PRZESŁANKI DO SYMULACJI ZUŻYCIA PALIWA PRZEZ

SAMOCHODY OSOBOWE W WARUNKACH JAZDY RZECZYWISTEJ ZA POMOCĄ WYBRANYCH CYKLI JEZDNYCH

S treszczenie. W pracy przedstaw iono, podbudow ane obliczeniam i sym ulacyjnym i na m odelu teoretycznym , przesłanki przem aw iające za m odelow aniem zużycia paliw a przez sam ochód osobow y ja d ą c y w w arunkach jazd y rzeczyw istej za pom ocą w ybranych cykli jezdnych.

SOM E CIRC U M STA N C ES FO R THE CA R FU EL C O N SU PTIO N SIM ULA TIO N IN A C TU A L DRIVING CO ND ITIO NS TA K ING IN TO A C CO U N T THE SELECTED D R IV IN G CYCLES

S u m m a ry . The p aper presents som e circum stances o f m odelling the car fuel consum ption w hich prove to be adventageous. It has been assum ed that the car is in actual driving conditions. S om e sim ulation calculations have been carried out for a theoretical m odel and selected driving cycles have been examined.

1. W STĘP

W przem yśle sam ochodow ym jednym z podstaw ow ych kryteriów oceny pojazdów je st ich przebiegow e zużycie p aliw a oraz toksyczność em itow anych do atm osfery spalin. N iektóre z tych kryteriów są głów nym narzędziem w alki konkurencyjnej na najbogatszych ekonom icznie rynkach świata.

Zagadnieniem określania przebiegow ego zużycia paliw a pojazdów zajm ow ało się w iele ośrodków naukow ych i badaw czych, jednak najczęściej są to rozw ażania nad w pływ em różnych param etrów i w skaźników na zużycie paliw a w skali m ikro, tzn. n a przejechanie krótkiego, o określonych ściśle param etrach, poziom ego odcinka drogi [1, 2). N iektórzy poszerzają swoje obliczenia do hom ologacyjnych cykli jezd n y ch [4, 5]. N atom iast niewiele ośrodków zajm uje się optym alizacją i obliczaniem zużycia paliw a w skali m akro, tzn na znacznej długości, zróżnicow anym odcinku drogi, odpow iadającym przebiegow i sam ochodu na w pełni zatankow anym zbiorniku paliwa.

P om iar rzeczyw istego zużycia paliw a łatwo m oże każdy obliczyć w tych w arunkach m etodą pełnego tankow ania zbiornika, a błąd pom iaru przy tym popełniany m ożna zm inim alizow ać do 2-4% . D zięki tem u pom iarow i m ożna zw eryfikow ać k ażd ą m etodę obliczeń sym ulacyjnych przebiegow ego zużycia paliw a przez sam ochód pokonujący znaczne odległości w bardzo zróżnicow anych w arunkach drogow ych [3],

112 A. Ubvsz

Jak w ykazały w cześniejsze obliczenia na m odelu teoretycznym energochłonności ruchu i zużycia paliw a, w złożonych w arunkach jazdy, sam ochód osobow y m a ograniczane m ożliw ości optym alizacji zużycia paliw a [3]. Przy um iarkow anym korzystaniu z hamulców (ograniczone m arnotraw stw o energii) zużycie paliw a zależy w zasadzie od dwu podstaw ow ych czynników : dynam iki układu napędow ego oraz od średniej prędkości jazdy.

Poza tym w obliczeniach sym ulacyjnych przebiegow ego zużycia paliw a należy uwzględniać zm ienność n a poszczególnych odcinkach drogi takich w skaźników , ja k stopień załadowania sam ochodu, w spółczynniki oporów toczenia i kształtu, czas postojów sam ochodu w ym uszonych przez warunki na drodze i niew ym uszonych, a m ających czasem duży w pływ na przebiegow e zużycie sam ochodu z uw agi n a zim ny rozruch silnika.

Te i inne zagadnienia zo staną częściow o w yjaśnione w niniejszym opracowaniu.

2. DO BÓ R C Y K LI JEZD N Y C H I M ETO D Y K A O B LIC ZEŃ PRZEBIEG O W EG O Z U ŻY C IA P A LIW A SA M O C H O D U OSO BO W EGO

Z praktyki eksploatacyjnej sam ochodów osobow ych w iadom o, że w zależności od w arunków drogow ych i od pory roku przebiegow e zużycie paliw a podlega znacznym fluktuacjom dochodzącym do 35%. N a przykład w w arunkach zim ow ych na suchej jezdni zużycie w zrasta średnio o ok. 12-25% w stosunku do zużycia paliw a sam ochodu w warunkach letnich. Jest to spow odow ane zw iększonym zapotrzebow aniem n a energię w okresach rozgrzew ania się zim nego silnika i oporów toczenia sam ochodu na oponach zim ow ych [6],

P oza tym znaczny rozrzut w artości przebiegow ego zużycia paliw a spow odow any jest warunkam i ruchu drogow ego. Z sam ych danych fabrycznych sam ochodów w ynika, że dla sam ochodów osobow ych przebiegow e zużycie paliw a w cyklu ja z d y m iejskiej je s t o 60-90%

w iększe niż zużycie w cyklu drogow ym (dla NEDC - N ew E urope D rive Cycle).

Jeszcze w iększe przebiegow e zużycie paliw a przez sam ochody w ystępuje przy jeździe w warunkach zatłoczonych ulic (jazda w potoku). Jak w ykazują badania w łasne autora, jazda w potoku m oże m ieć zróżnicow any charakter i zużycie p aliw a w trakcie niej m oże się wahać, np. dla sam ochodu O pel A stra Kom bi ZI 1,4 16V od 25,8 do 33,5 dm /100km . Jest to zależne od średniej prędkości sam ochodu w potoku, która m oże się zm ieniać od 2,43 do 6,71 km/h [6]. Jazda w potoku nosi tak indyw idualny charakter, że bez najm niejszego problem u m ożna j ą w yłączyć z całości przebytej drogi pod w zględem jej długości i czasu na to potrzebnego.

Często na długich trasach kierow cy sam ochodów osobow ych je ż d ż ą z prędkością znacznie przekraczającą 100 km /h. Poniew aż średnia prędkość jazdy, będąca podstaw owym kryterium oceny w ielkości przebiegow ego zużycia paliw a dla sam ochodów osobow ych, w tych przypadkach znacznie przew yższa średnią prędkość ja z d y w cyklu drogow ym (62,64 km/h), zachodzi w ięc konieczność w ykorzystania cyklu o znacznie wyższej prędkości średniej przejazdu. W ym agania te spełnia niem iecki cykl autostradow y, którego 3- stopniowana - w zależności od katalogowej m aksym alnej prędkości ja z d y - konstrukcja pozw ala na ja zd ę ze średnią prędkością 108,3, 111,6 i 119,2 km /h [3],

Tak w ięc dzięki dw u cyklom jezdnym hom ologacyjnym i dw u dla ekstrem alnych w arunków ja zd y m ożna policzyć na podstaw ie ich udziałów w przejechanej drodze całkowitej średnie przebiegow e zużycie paliw a i w ynik porów nać ze zm ierzonym m etodą pełnego zbiornika.

N a ry s.l przedstaw iono schem at m ożliw ych do uw zględnienia w obliczeniach sym ulacyjnych przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodu osobow ego zakresów średnich prędkości j azdy w poszczególnych cyklach j ezdnych.

N ieuw zględniona strefa

i drogow ego (EUDC) prędkości max.

U działy procentow e cyklu m iejskiego i S&G

0,0 2,43 6,71 18,74

U działy procentow e cyklu drogowego (EUDC)

i cyklu autostradow ego J--- i. i ■ l 'V~q 1

; - i______ . i

62,64 108,3 111,6 119,2 [km/h]

0,0 0,675 1,864 5,21 17,4 30,1 31,0 33,11 [m/s]

Rys. 1. D obór cyklu jezdnego w zależności od średniej prędkości jazd y Fig. 1. D rive cycle selection depending on average drive speed

114 A. Ubvsz

Tok obliczeń m ożna scharakteryzow ać następującym i trzem a krokam i obliczeń:

1. N a podstaw ie pom iarów drogi i czasu z obliczeń w yłączam y udział w przebytej drodze cyklu potokow ego (S& G M ix), na podstaw ie której obliczyć m ożna zużycie całkow ite p aliw a n a tym odcinku drogi.

2. N a podstaw ie w ym uszonych w arunkam i drogow ym i czasów postojów m ożna obliczyć drogę przejechaną w cyklu ja zd y m iejskiej, uznając że w pozostałych dw u cyklach jezdnych czas postoju je s t pom ijalny.

3. N a podstaw ie pozostałej drogi i czasu, na podstaw ie prędkości średniej za pom ocą rów nania bilansu należy obliczyć udziały w pozostałej przejechanej drodze cykli drogowego i autostradow ego.

D rogę przejechaną w cyklu m iejskim obliczyć m ożna n a podstaw ie czasu wym uszonych w arunkam i ruchu drogowego postojów pojazdu (z w yłączeniem postojów przy jeździe w potoku) za p o m o cą następującego równania:

gdzie: L - droga przejechana w cyklu m iejskim , km t - czas w ym uszonych postojów , s.

W pozostałych „szybkich” cyklach jezdnych postoje przew idziane są tylko w cyklu drogowym , ale n a jed n o stk ę przejechanej drogi w stosunku do cyklu m iejskiego postoje są w nim 1 0-krotnie m niejsze i dlatego m ożna je uznać zap o m ijaln e.

3. PROBLEM D Y N A M IK I N A PĘ D U SA M O C H O D U I SPR A W N O ŚC I SILN IK A

D ynam ikę napędu najlepiej charakteryzują dw a w skaźniki: czas rozpędzania samochodu do prędkości 100 km /h oraz prędkość m aksym alna rozw ijana przez sam ochód. K ażdy z nich uw zględnia zespół napędow y w całości, ale tylko dla ściśle określonego przepisam i stopnia załadowania sam ochodu w ściśle określonych w arunkach drogowych. M niej dokładny, bo nie uw zględniający doboru przełożeń w układzie przeniesienia napędu, ale bardziej uniwersalny, je st wskaźnik m aksym alnego m om entu obrotow ego silnika n a jed n o stk ę m asy rzeczywistej.

Pozw ala on na uw zględnienie zm ienności dynam iki sam ochodu w funkcji stopnia jego załadowania.

W przypadku posiadania oryginalnej charakterystyki ogólnej silnika problem ogranicza się do odpow iedniego doboru w spółczynników oporów toczenia i kształtu oraz do policzenia zużycia paliw a w cyklach jezdnych hom ologacyjnych: m iejskim i drogow ym oraz porów nania otrzym anych w yników z danym i producenta. N ajczęściej je d n ak charakterystyki oryginalnej brak i dlatego należy posłużyć się m etodą adaptacyjną dow olnej charakterystyki ogólnej w g zaleceń literaturow ych [3], Jako kryterium oceny adaptacji i ewentualnej jej korekty należy w ykorzystać rozbieżność pom iędzy w artościam i obliczeniow ym i przebiegow ego zużycia paliw a w cyklach hom ologacyjnych a danym i katalogow ym i. W przypadku rozbieżności w yników powyżej ±3% należy skorygow ać w artość izolinii jednostkow ego zużycia paliw a w górę lub w dół w g wzoru:

L = 1,0013 t/60 [km]

(

)

Se Se ■ Semin ^S<>emm (2)

gdzie: ge’ - w artość jednostkow ego zużycia paliw a przez silnik skorygow ana, ge - w artość przed korekcją,

gemin’ - w artość m inim alna („oczka”) jednostkow ego zużycia p aliw a silnika po korekcji, gemin - wartość m inim alna przed korekcją.

D ośw iadczenia w łasne autora w skazują na uniw ersalność tej m etody pod w arunkiem że adaptacji podlegają charakterystyki tej samej grupy silników (ZI, ZS), poza silnikam i ZI GDI, do których stosuje się w yjątek [5,7,8].

Powyżej przedstaw iono w jak i sposób uwzględnić m ożna spraw ność silnika w yrażoną przez jego charakterystykę ogólną. N atom iast dynam ikę napędu uw zględnia się na charakterystyce ogólnej przez przeskalow anie osi m om entu obrotow ego do wartości maksymalnej d la rozpatryw anego silnika [3].

3.1. U w zględnienie zm ienności m asy pojazdu na zużycie paliw a

Poniew aż sam ochód w w arunkach rzeczyw istych najczęściej obciążony je st ładunkiem odbiegającym od m asy przew idzianej przepisam i w badaniach hom ologacyjnych, dlatego przew idziano dw ie m etody uw zględniania nadwyżki m asy. W każdej z tych m etod otrzym ujem y identyczne w yniki. Pierwsza, bardziej pracochłonna, opiera się na w ykorzystaniu w pływ u m asy na poszczególne składow e oporów ruchu pojazdu uw zględniających m asę d la każdego z czterech rozpatryw anych cykli jezdnych. S ą to następujące zależności [3]:

M etoda A

D la sam ochodów z silnikam i ZI dla cyklu ja zd y m iejskiej

AQ = 0,623 -Qm -Am/mb

gdzie Q - zużycie paliw a dla określonego obciążenia sam ochodu mb [1/100 km]

Am - różnica m asy rozpatryw anej sam ochodu w zględem badawczej

- dla cyklu j azdy drogowej

AQ = 0,561 Qd • Am/mb

- dla cykli jezdnych w w arunkach zatłoczonych ulic - STO P& G O

AQ = 0,681 Qsgf• Am/mb AQ = 0,344 Qsgs ■Am/mb - dla cyklu autostradow ego

AQ = 0,212 Qa b • Am/mb

Ta m etoda uw zględniania zm ienności m asy ładunku je s t dosyć kłopotliw a ze w zględu na konieczność określania procentow ych udziałów odcinków drogi przebytych z określonym załadow aniem , a następnie na tej podstaw ie udziałów przyrostu zużycia paliw a AQ dla poszczególnych cykli. Dalej należy zsum ować w szystkie udziały AQ i dodać do określonych w artości przebiegow ego zużycia paliwa. N astępnie w zięto pod uw agę te w artości pom ijając

116 A. Ubysz

wcześniej w yznaczone dla m asy pojazdu pow iększonej jedynie o 75 kg kierow cy. Ponieważ m etoda ta je st dość kłopotliw a, a daje wyniki identyczne do m etody drugiej, w ięc równania odpow iadające silnikom ZS, ze względu na szczupłość m iejsca, pom inięto [3], a przedstaw iono rów nanie na w yznaczenie m asy zredukowanej (średniej) dla wszystkich odcinków pom iarow ych przejechanej drogi o zróżnicow anym stopniu załadowania.

M etoda B

D ruga m etoda opiera się n a w yznaczeniu średniej ważonej m asy, z ja k ą przebyliśm y określoną drogę, gdzie w ystąpiły różnej długości odcinki z różnym załadowaniem .

Ś rednią tę w yznaczam y ze wzoru:

m _ = E Lj m j / L c gdzie: Lj - określony odcinek drogi,

mj - m asa ładunku (pasażerów i/lub b a g a ż u ) n a i-tym odcinku drogi, Lc - droga całkow ita.

O trzym aną w artość uśrednionej m asy ładunku należy dodać do m asy w łasnej pojazdu ( w m iejsce przyjm ow anej w cześniej m asy 75 k g ) i pow tórzyć obliczenia przebiegow ego zużycia paliw a dla każdego z cykli jezdnych.

3.2. Zm ienność w spółczynn ików oporów toczenia i kształtu (uw zględniana m etodą B)

W przypadku w spółczynników oporów toczenia f i ksztah u m ożna stosować obie metody, jed n ak i tu zalecane je s t stosowanie prostszej m etody. P oza tym istnieją metody pom iaru obu w spółczynników w w arunkach rzeczyw istych z w ykorzystaniem metody w ybiegu ze stałą p rędkością [9, 10].

W przypadku uśredniania w artości w spółczynnika oporów toczenia obowiązuje uniw ersalny wzór:

T = E L, fi / Lc gdzie Lj - określony odcinek drogi,

fi - w artość w spółczynnika na i-tym odcinku drogi, Lc - droga całkow ita.

A w przypadku uśredniania w artości w spółczynnika kształtu mamy:

C x = E Lj c x j / L c gdzie: L, - określony odcinek drogi,

cx i - w artość w spółczynnika na i-tym odcinku drogi, Lc - droga całkowita.

4. W SPÓ ŁC ZY N N IK K A K O R Y G U JĄ C Y Z U ŻY C IE P A LIW A W CY K LU A U TO STR A D O W Y M W W A R U N K A CH K R A JO W Y C H

A utor na podstaw ie sw oich dośw iadczeń zauw ażył, że znacznie niższe przebiegowe zużycie paliw a w ystępuje podczas ja zd y autostradam i krajów E uropy południow ej niż drogami szybkiego ruchu w kraju. O bliczenia w skazują, że rozbieżności te m o g ą przekraczać naw et 30%. A nalogiczne wyniki otrzym ano przy je źd z ie innym i sam ochodam i osobowym i klas popularnych (Ford Focus 1,6 16V, Peugeot 206 1,2). Jazda d rogą szybkiego ruchu na trasie K atow ice-W arszaw a-K atow ice charakteryzuje się znacznie w iększą dynam iką zm ian prędkości jazd y przy rów nocześnie niższej średniej prędkości przejazdu, w iększej rano w godzinach 5-9°°, niższej po południu przy pow rocie z W arszawy. W zasadzie celow e byłoby

opracowanie odpow iednika niem ieckiego testu autostradow ego dla w arunków polskich dróg szybkiego ruchu. Tym czasem w prow adzono do obliczeń w spółczynnik korekcyjny Ka zużycia paliw a w cyklu autostradow ym w w arunkach krajow ych.

W prow adzenie tego w spółczynnika dla 10 zróżnicow anych m arszrut drogow ych dwu sam ochodów kierow anych przez kierow ców o różnej technice ja z d y w skazują, że optym alna jego w ielkość dla rozpatryw anych przypadków wynosi 1,52. D zięki niem u rozrzut w yników obliczeń od zużycia rzeczyw istego paliw a zm niejszy! się dla Forda F ocusa o połow ę z 13%

do 7,7%. W prow adzenie w spółczynnika korygującego dla sam ochodu O pel A stra Ka = 1,17 obniżyło odchyłkę z w artości 4,7 do 2,6 % , z tym że kierujący tym pojazdem jeździ techniką wybiegu, dostosow aną do w arunków na drodze. Jej udział je st dość zróżnicow any, zależnie od rodzaju trasy i w arunków na drodze. N ależy przypuszczać, że m niejszy w spółczynnik korygujący w drugim przypadku je s t w ynikiem oszczędności w ynikających z jazdy wybiegiem.

M ożna w ięc założyć że dynam ika prędkości na drogach szybkiego ruchu w jednakow ym stopniu zw iększa zużycie paliw a w obu sam ochodach w ruchu autostradow ym . Zakładając w ięc dla O pla A stry taki sam w spółczynnik korygujący ja k dla F orda Focusa m ożna policzyć ja k ą część drogi w cyklu autostradow ym kierujący O plem je ch a ł wybiegiem . W ynik je st bardzo praw dopodobny, gdyż dla obliczonych 5 przypadków w aha się w przedziale 0,12 - 0,23% . Tak w ięc otrzym any na tych 10 trasach drogow ych dla dwu sam ochodów w spółczynnik korygujący zużycie paliw a sam ochodów osobow ych w stosunku do cyklu autostradow ego je s t stosunkow o duży i należy go je szc ze potw ierdzić dalszym i badaniam i zużycia p aliw a przez sam ochody osobowe.

5. W N IO SK I K O Ń C O W E

N a podstaw ie przeprow adzonej analizy obliczeń sym ulacyjnych zużycia p aliw a w w arunkach jazd y rzeczyw istej sam ochodu osobow ego m ożna stwierdzić, że:

1. O pracow any przez autora, złożony z dwu, cykl jezd n y dla ja zd y w potoku (SG Slow i SG Fast) w sposób dostatecznie dokładny odw zorow uje ja d ę sam ochodu w w arunkach zatłoczonych ulic na podstaw ie dw u param etrów : przejechanej drogi i czasu jej przejazdu, licząc w tym czas postojów wym uszonych.

2. Sym ulacyjne obliczenia przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodu w w arunkach jazd y rzeczywistej dają pozytyw ne w yniki dzięki w ykorzystaniu cykli jezdnych o znacznym rozrzucie prędkości średniej ja z d y od 2,41 km /h dla cyklu SG Slow do 119,2 km /h dla cyklu autostradow ego.

3. U podstaw dokładności obliczeń sym ulacyjnych przebiegow ego zużycia paliw a leży w łaściw y dobór charakterystyki ogólnej silnika, której stosunkow o prosta przeróbka je st w eryfikow ana za po m o cą zużycia paliw a sam ochodu w cyklach jezdnych testów hom ologacyj nych.

4. U w zględnienie zm ienności m asy pojazdu, w spółczynników oporu toczenia i kształtu polega na obliczeniu ich uśrednionej w artości, zwanej zredukow aną, w prost proporcjonalnej do w artości odpow iadającej długości przejechanej p rzy tej w artości drogi.

5. W iększe niedokładności obliczeń przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodu jadącego w w arunkach rzeczyw istych w stosunku do zużycia obliczonego m etodą pełnego zbiornika m ogą w ystępow ać z uwagi na przyjęty niem iecki cykl autostradow y; ja z d a z dużą prędkością po polskich drogach charakteryzuje się znacznie w iększym udziałem faz intensywnego ham ow ania, co na tyle zw iększa zużycie paliw a, że w ym aga to wprow adzenia w spółczynnika korygującego zużycie paliw a w tym cyklu K A = 1,51.

118 A. Ubvsz

Literatura

1. Siłka W.: E nergochłonność ruchu samochodu. PW N , W arszaw a 1997.

2. Flekiew icz M .: M eto d a prognozow ania zużycia paliw a przez sam ochody eksploatowane w ruchu m iejskim . P raca doktorska. Politechnika Poznańska 1984.

3. U bysz A.: E nergochłonność i zużycie paliw a w złożonych w arunkach ruchu samochodu osobowego. M onografia, W ydaw nictw o P olitechniki Śląskiej, w druku.

4. U bysz A.: O cena przebiegow ego zużycia p aliw a sam ochodów osobow ych z silnikam i ZI w yznaczanego m eto d ą analityczną. Z eszyty N aukow e Pol. Śl. serii Transport, z.41, G liw ice 2000.

5. Ubysz A.: O cena przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodów osobow ych z silnikam i ZS w yznaczanego m eto d ą analityczną. Z eszyty N aukow e Pol. Śl. serii Transport, Gliwice 2001.

6. Ubysz A.: O pracow anie testu jezdnego uniw ersalnego dla ruchu w warunkach zatłoczonych ulic. Z eszyty N aukow e Pol. Śl. serii Transport, G liw ice 2001.

7. Ubysz A.: Spraw ność napędu sam ochodów osobow ych z silnikam i ZI w cyklach jezdnych. Z eszyty N aukow e Pol. Śl. serii Transport, z. 41, G liw ice 2000.

8. Ubysz A.: C harakterystyka w spółczesnych sam ochodów osobow ych i ich silników.

Skrypt U czelniany n r 1964, W ydaw nictw o Pol. Śl., G liw ice 1996.

9. Ubysz A.: A naliza w yników obliczeń w spółczynnika oporów toczenia m etodą w ybiegu ze stałą prędkością. Z eszyty N aukow e Pol. Śl. serii Transport, G liw ice 2001.

10. U bysz A., W ilk K.: W ybrane aspekty dokładności obliczeń w spółczynnika oporów toczenia m etodą w ybiegu ze stałą prędkością. Z eszyty N aukow e Pol. Śląskiej, Gliwice

2 0 0 2 (w druku).

Recenzent: Prof, dr hab. inż. Stanisław Jarnuszkiewicz

Abstract

The peper “ Som e circum stances for the car fuel consuption sim ulation in actual driving conditions takinginto account the selected driving cycles” presents som e circum stances o f m odelling the car fuel consum ption w hich prove to be adventageous. It has been assum ed that the car is in actual driving conditions. Some sim ulation calculations have been carried out for a theoretical m odel and selected driving cycles have been exam ined.

Pracą wykonano w ram ach p ra c własnych B W -4 6 6 /R M 10-2/2002.