ZESZY TY N A U K O W E P O L IT E C H N IK I Ś L Ą S K IE J Seria: T R A N S P O R T z.4 6
2002 N r kol. 1571
A leksander U B Y S Z
ALGORYTM OBLICZANIA PRZEBIEGOWEGO ZUŻYCIA PALIWA PRZEZ SAMOCHODY OSOBOWE W WARUNKACH JAZDY
RZECZYWISTEJ ZA POMOCĄ WYBRANYCH CYKLI JEZDNYCH
Streszczenie. W pracy przedstaw iono tok postępow ania przy obliczaniu przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodu osobow ego w warunkach jazdy rzeczywistej za pom ocą wybranych cykli jezdnych: dw óch hom ologacyjnych i dwóch dla w arunków ekstremalnych.
ALGORITHM OF MILEAGE FUEL CONSUMPTION IN CARS AT REAL DRIVING CONDITIONS TAKING INTO ACCOUNT THE SELECTED DRIVING CYCLES
S um m ary . The procedures o f calculating the m ileage fuel consum ption in a car at real driving conditions taking into account the selected driving conditions have been presented in the paper.
1. W STĘP
Problem możliw ości przew idyw ania przebiegow ego zużycia paliw a samochodu osobowego w w arunkach jazd y rzeczyw istej je st, obok toksyczności spalin, jednym z podstawowych dążeń projektantów i naukow ców pracujących w przem yśle sam ochodowym.
Większość prac dotyczy obliczeń sym ulacyjnych na krótkich odcinkach drogi o dokładnie znanym profilu i przy z góry założonym profilu prędkości jazdy [1].W niniejszej pracy przedstawiono w postaci skróconego algorytm u tok obliczeń przebiegow ego zużycia paliw a przez samochody osobow e w zróżnicow anych w arunkach jazdy rzeczywistej, a w ięc takich, w których profile drogi i prędkości podlegają znacznem u stochastycznemu zróżnicowaniu.
Rozw ażania zagadnienia na m odelu teoretycznym wskazują, że zużycie paliw a przy ciągłym napędzaniu kół jezdnych sam ochodu w złożonych warunkach drogow ych w nieznacznym stopniu zależy od techniki jazdy, lecz w głównej m ierze od średniej jej prędkości oraz od dynam iki napędu [3, 4], Oszczędności w zużyciu paliw a m ożna dopiero uzyskać stosując intensyw nie jazdę w ybiegiem lub poprzez obniżanie dynam iki napędu na drodze stosowania kolejnych nadbiegów w skrzynce biegów, np. 6., a nawet 7. biegu.
Pozwala to, analogicznie ja k w sam ochodach ciężarow ych z 10- lub 16-biegow ą skrzynką biegów, na eksploatację silnika w zakresie je g o maksym alnej sprawności ogólnej. D latego też w niniejszej pracy przedstaw iono, z uw agi na brak miejsca, skrócony algorytm obliczeń
przebiegow ego zużycia paliwa przez sam ochód osobow y w warunkach jazdy rzeczywistej za pom ocą w ybranych cykli jezdnych - hom ologacyjnych i dla w arunków jazdy ekstremalnej.
2. BU D O W A A LG O R YTM U O BLICZENIO W EG O ZU ŻY C IA PA LIW A PRZEZ SAM O CHO D Y OSOBO W E
2.1. Rejestracja danych
Badania w eryfikujące w yniki obliczeń prowadzono m etodą pełnego zbiornika paliw a dla trzech sam ochodów osobowych. K ażdy z badanych sam ochodów poruszał się w zmiennych warunkach atm osferycznych (różne pory roku i zróżnicowane warunki pogodow e) i zm ien
nych w arunkach ruchu. Poniew aż zam ierzono symulować przebiegow e zużycie paliw a przez samochód za pom ocą przebiegow ego zużycia paliw a w czterech cyklach jezdnych: dwóch hom ologacyjnych i dw óch dla w arunków ekstrem alnych (potokow ego Stop & Go i autostradow ego Autobahn) rejestracja danych polegała na następujących czynnościach:
- w przypadku jazdy w potoku rejestrow ano drogę oraz czas przejazdu,
- niezależnie od jazdy w potoku rejestrow ano całkow ity czas jazdy samochodu,
rejestrow ano sumaryczny czas zatrzym ań sam ochodu (np. na skrzyżowaniach) w ym uszonych warunkam i ruchu na jezdni, podczas którego silnik pracuje na biegu jałow ym ,
rejestrow ano takie warunki pogodow e, które m ają w pływ na opory jazdy i zużycie paliwa, tj. kierunek i siła w iatru, tem peratura otoczenia i stan jezdni (mokra-sucha- zaśnieżona),
- rejestrow ano w czasie całego przebiegu między tankowaniam i zbiornika samochodu stan jego załadowania i drogę przebytą z każdym ładunkiem .
P oza tym do program u obliczeniow ego należy w prow adzić parametry samochodu wym ienione na rys. 1.
W prowadzanie danych : STAŁE:
wartość opałowa paliwa gęstość paliwa
gęstość powietrza PARAM ETRY SAM OCHODU :
pojem ność skokowa moc max
mom ent obrotowy max prędkość max
przyśpieszenie
przełożenia (przekł. głównej i poszczególnych b ieg ó w ) masa własna
w ym iary czołowe ( wysokość i szerokość ) współczynnik oporu powietrza Cx w spółczynnik wypełnienia h pojemność zbiornika paliwa ogumienie
Rys. 1 Pierw sza część algorytm u obliczeniow ego (wprow adzanie danych) Fig. 1. First part o f the calculation algorithm (data input)
Algorytm obliczania przebiegow ego zużycia paliw a 91
2.2. O bliczenia udziałów drogi poszczególnych cykli jezdnych
Aby ustalić udziały drogow e poszczególnych cykli jezdnych, musimy poznać kryteria doboru każdego z nich. S ą one następujące :
- Cykl jezdny STO P& G O posiada indywidualny charakter, gdyż m ożna go w sposób bardzo łatw y zarejestrow ać w rzeczyw istych w arunkach ruchu. W iadom o, że prawie w każdym przypadku poruszam y się w potoku (w nielicznych przypadkach jazda może odbyw ać się z prędkością w iększą od cyklu S T O P & G Ofast - w takim przypadku należy zarejestrow any odcinek drogi proporcjonalnie w zględem średnich prędkości rozdzielić na odcinki cykli SGF i m iejskiego) [5], Podstaw ą doboru udziałów przejechanej drogi w każdym z cykli STOP&GO je st średnia prędkość przejazdu oparta na podstaw ie przebytej drogi w potoku i czasu jej przejazdu.
- Cykl miejski, znacznie przew yższający cykl STOP&GO pod względem prędkości średniej, posiada inny charakter, w ystępują w nim fazy przyśpieszania, jazdy ze stałą prędkością, oraz ham ow ania i zwalniania. Zauważalny je st też znaczny udział czasu faz zatrzym ań pojazdu, bo aż 31%. Staje się on dlatego podstawowym kryterium doboru tego cyklu [3], N a podstaw ie czasu postojów można określić czas przejazdu w cyklu m iejskim , a znając średnią prędkość tego cyklu (18,74 km/h) m ożna obliczyć przebytą drogę .
- Cykle jezdne drogow y i autostradow y charakteryzują znacznie w iększe średnie prędkości przejazdu oraz znacznie mniejszy na jednostkę przebytej drogi udział czasu zatrzym ań sam ochodu. W ich przypadku kryterium doboru udziału je st średnia prędkość jazdy pozostałego odcinka drogi (z wyłączeniem drogi w cyklach S&G i miejskim).
Znając kryteria doboru, m ożem y przejść do budow y algorytm u obliczeń udziałów.
A lgorytm obliczeń zużycia paliw a opiera się na dwóch zasadniczych etapach. W pierwszym z nich należy obliczyć na podstaw ie przyjętej charakterystyki ogólnej silnika wartości przebiegow ego zużycia paliw a dla każdego z rozpatrywanych cykli jezdnych oraz zweryfikować przyjęte założenia za pom ocą katalogow ego zuzycia paliw a samochodu. Drugi etap to w yliczenie na podstaw ie zarejestrowanych param etrów kinem atycznych sam ochodu na długodystansow ym odcinku przejechanej drogi udziału poszczególnych cykli jezdnych.
Szczegółowy tok postępow ania przy w yznaczaniu zużycia paliwa przez sam ochód m etodą analityczną jest następujący . Pierw szym krokiem je st zgrom adzenie danych o pojeździe, co omówiono we w cześniejszym punkcie opracowania.
Drugim krokiem jest rejestracja danych kinem atycznych sam ochodu - czasu i drogi przejazdu, czasu zatrzym ań, czasu i drogi przebytej w potoku, stopnia załadow ania samochodu, w arunków pogodowych, ew entualnych zm ian aerodynamiki pojazdu.
W dalszej części należy przystąpić do określania udziałów procentow ych poszczególnych cykli jezdnych w w arunkach ja zd y rzeczyw istej. N a początku najlepiej obliczyć udział cyklu STOP&GO, ponieważ je g o charakter je st bardzo indywidualny. N a podstaw ie średniej prędkości jazdy m ożna w yliczyć w tym cyklu jezdnym rozdział przejechanej drogi pom iędzy cykle jezdne w olny i szybki - S T O P & G Oslow i S T O P & G Ofast • Jeśli ta prędkość je st niższa od 2,43 km/h, to uznajem y, że całość jazdy w potoku była realizow ana w g cyklu ST PO P& G Oslow G dy prędkość średnia leży w wyznaczonym przedziale, dokonujem y metodą w ażenia obliczenia udziału procentow ego każdego z tych cykli, gdzie do w yznaczenia udziału S T O P & G Ofast stosujem y w zór :
U so FAST = 1 0 0( V SG- 2,43 ) / 4,27 (1) gdzie 4,27 to różnica pom iędzy średnią prędkością obu cykli.
M oże się rów nież zdarzyć, że zarejestrow ano ruch potokowy, a po obliczeniu średniej prędkości okazało się, że jest ona w yższa niż 6,71 km/h. W tym m omencie pomijamy krok obliczeniowy dotyczący cyklu STOP&GO.
W przypadku, gdy cykl jezdny STOP&GO nie w ystępuje, przechodzimy bezpośrednio do doboru cyklu m iejskiego (operacja 4). Jak wcześniej w spom niano, podstawowym kryterium je st czas postojów (zatrzymań). Poniew aż w cyklu miejskim 31% czasu to czas zatrzymań pojazdu, na podstaw ie następującego w zoru można określić całkow ity czas jazdy w tym cyklu:
Tm = T P 100/31 = T P 3,23, (2) gdzie Tp - czas w ym uszonych postojów (zatrzymań) pojazdu.
Dalej, na podstaw ie średniej prędkości w cyklu miejskim można w yznaczyć drogę przebytą w tym że cyklu.
N astępnie należy przejść do w yznaczenia średniej prędkości jazdy w pozostałych cyklach: drogowym i autostradow ym (operacja 5). W tym celu od całkowitej drogi przejechanej przez pojazd należy odjąć drogę przebytą w potoku ( jeśli w ystąpiła jazda w potoku) oraz wcześniej w yliczoną ze w zoru (2) drogę cyklu miejskiego. Analogicznie postępujemy z w yznaczeniem czasu jazdy w cyklach drogowym i autostradowym.
N a pdstaw ie w yznaczonej drogi i czasu dla cykli „szybkich” określam y średnią prędkość jazdy w tych cyklach Vda-
N ależy rozpatrzyć w tym m om encie kilka przypadków możliwych prędkości średnich, w jakich m oże się znaleźć w yznaczona prędkość Vda ■ W zależności od tego, w jakim zakresie znajduje się jej w artość, przyjm ujem y do obliczeń udziały różnych cykli jezdnych (operacja 6
i 7).
Przypadek I (mało praw dopodobny) wystąpi, gdy VDa je st w iększa od 119,2 km/h - tutaj jednoznacznie całość przejechanej drogi przypisujem y cyklowi autostradowemu. Przypadek II (najczęstszy), gdy obliczeniow a prędkość znajdzie się w przedziale pomiędzy 62.64 km/h a 119,2 km/h, to udziały procentow e cyklu drogow ego i autostradowego obliczamy ze w zoru :
Ua= 1 0 0 ( Vd,a- V d) / ( V a- V d) (3)
UD = 1 - U A (4)
M oże zaistnieć rów nież przypadek, że prędkość Vda znajdzie się poniżej w artości 62,64 km/h. M usim y w tedy określić udziały procentow e cykli drogowego oraz miejskiego z analogicznego w zoru dla w yznaczenia udziału cyklu drogowego :
Ud= 1 0 0 ( Vd,a- V m) / ( V d- V m ) (5) Po obliczeniu udziału procentow ego, w każdym z wyżej om ówionych przypadków należy przem nożyć dany udział przez drogę cykli „resztkow ych” , najczęściej autostradowego i drogowego (operacja 8). O trzym am y w ten sposób odcinki drogi przebyte w g określonego cyklu.
M ając ju ż w szystkie odcinki drogi przebyte w g określonych cykli jezdnych, możemy określić ich udziały procentow e w odniesieniu do całkowitej drogi (operacja 9). Korzystając również z w cześniej w yliczonego przebiegow ego zużycia paliwa dla w szystkich cykli jezdnych na podstaw ie ich udziałów w przejechanej drodze, możemy obliczyć średnie przebiegowe zużycie pojazdu (operacja 1 0).
Algorytm obliczania przebiegow ego zużycia paliwa 93
Rys.2. Skrócony algorytm obliczania udziałów poszczególnych cykli jezdnych Fig. 2. C urtate algorithm o f calculating the participation o f individual driving cycles
N a rys.2 przedstaw iono skrócony algorytm obliczania przebiegow ego zużycia paliwa sam ochodu osobow ego na długodystansow ym odcinku drogi na podstawie udziału w niej w ybranych cykli jezdnych z uw zględnieniem zm ienności param etrów samochodu (masy, w spółczynników kształtu i oporów toczenia) [5],
2.3. Przykłady obliczeń
Przykład 1 (trasy: Żabnica, Gliwice, dojazdy do pracy - maj 2002):
Poniżej przedstaw iono dwa z wielu przykładów obliczeń przebiegowego zużycia paliwa sam ochodów osobow ych.Pierwszy przykład sam ochodu Opel Astra Kombi 1,4 16V jeżdżącego w w arunkach rzeczyw istych na trasie długości 326 km, z całkowitym czasem jazdy 6,72 godz., czasem w ym uszonych zatrzym ań 1008 s (poza ja zd ą w potoku) i drogą przejechaną w potoku 2900 m w czasie 1860 s (kierow ca stosuje często jazdę wybiegiem).
Tok postępow ania m ający na celu określenie udziałów poszczególnych testów jest następujący :
1 S&G - wystąpił
Obliczamy średnią prędkość przejazdu w cyklu STOP&GO Vs g= 1,559 [m/s] = 5,6124 [km/h]
Prędkość średnia znajduje się w przedziale pom iędzy S&G slow i S&G fast, stąd - na podstawie prędkości średniej - określam y udziały tych dwu testów [3] :
Usg fast= 74,3 % Lsg fast = 2154,7 [m]
Usg slow = 25,7 % Lsg slow = 745,3 [m]
2. W yznaczam y czas jazdy w cyklu miejskim na podstaw ie czasu postojów : Tm = 3,25 T P = 3,25 1008 [s] = 3251 [s] = 0,903 h 2.1. W yznaczam y drogę w cyklu m iejskim :
Lm = Tm 18.740 m/h = 16926 [m]
3. D roga w cyklach drogowym i autostradow ym :
Ld.a = Lc - Lsig - Lm = 306174 [m]
4. Czas w cyklach drogowym i autostradow ym :
Td,a = Tc - Tsig - Tm = 18060 [s]
5. Średnia prędkość jazdy w cyklach drogowym i autostradowym Vd,a = 16,95 [m/s] = 61,03 [km/h]
Prędkość ta jest w przedziale poniżej średniej prędkości dla cyklu drogowego, dlatego obliczono udziały dwu sąsiednich pod względem średniej prędkości c y k l i:
- drogowego U D = 98,9 %
D roga w cyklu drogowym 300346,87 [m]
- i miejskiego U M= 1,1 %
D roga w cyklu miejskim 3340,56 [m]
Algorytm obliczania p rzebiegow ego zużycia paliw a 95
6. W yznaczone udziały drogow e cykli m ają wartość:
Usig = 0,89 % U M= 8,6 6% UD = 9 0 ,4 4 %
Zużycie całkow ite obliczeniow e średnie obliczono, z uw zględnieniem zm ian w trakcie jazdy param etrów pojazdu, na podstaw ie w yliczonych dla określonej charakterystyki ogólnej silnika przebiegow ych zużyć paliw a dla poszczególych cykli jezdnych ( Qsg s = 33,4 dm3/1 0 0km, Q Sg f= 20,33 dm3/1 0 0km, Qm = 1 1 , 2 dm3/1 0 0km, Qd = 6,44 dm3/1 0 0km ) i po podzieleniu przez odcinek całkow ity przejechanej drogi dało wynik: Q = 7,00 dm3/100km , a przebiegowe zużycie całkow ite rzeczyw iste (pom ierzone m etodą pełnego zbiornika) - 6,65 dm3/100 km. O dchyłka obliczeń wynosi -5 ,4 % . N iższe zużycie rzeczywiste je st w ynikiem stosowanej przez kierującego jazdy wybiegiem.
Przykład 2
Samochód Ford Focus 1,6 16V (kierow ca nie stosuje jazdy wybiegiem ). Lc = 242.300 m, Tc = 16098 s, czas w ym uszonych zatrzym ań Tp = 1228 s, Lsg = 3400 m, Tsg = 2361 s, Vsg
= 1,44 m/s = 5,2 km/h.
1. Na podstawie prędkości średniej określono z równania bilansu drogi udziały dwu testów SG — Fast i Slow: Us g f= 64% , Ls g f= 2300 m, Usg s= 36% , Lsg s= 1 1 0 0 m.
2. Udział czasowy cyklu m iejskiego w yznaczono na podstaw ie czasu zatrzymań:
Tm = 3,25 • Tp = 3,25 • 1228 s = 3961 s. U dział drogow y cyklu miejskiego w yliczyć można ze w zoru L = Tm/3600 • 18.740 m /h = 20.620 m.
3. D roga w cyklach drogow ym i autostradowym : Ld,a= L c - Ls g- L m = 218.279 m, a czas przejazdu w cyklach drogow ym i autostradow ym : Td,a= Tc - Ts g- Tm = 8548 s.
4. Średnia prędkość jazdy w cyklach drogowym i autostradow ym wynosi 25,5 m/s, tj. 91,9 km/h. Prędkość ta je st w yższa niż średnia prędkość dla cyklu drogow ego i m niejsza niż średnia prędkość dla cyklu autostradow ego, dlatego z bilansu drogi określono udziały tych cykli: U A = 51,8% , U D = 48,2% . Stąd L A = 113.044 m, L D = 105.235 m.
5. Tak w ięc udziały w przejechanej drodze poszczególnych cykli jezdnych wynoszą: U Sg
= 1,4%, Um = 8,5%, U D = 43,41% , U A = 46,65%.
6. Przebiegow e zużycie paliw a dla zredukow anych w skaźników i param etrów samochodu na tej trasie dla poszczególnych cykli jezdnych wynosi: Qsos = 33,3 dm3/1 0 0km, Qs g f=19,9 dm3/1 0 0km, Qm = 10,96 dm3/100km , Qd= 6,13 dm3/ 1 0 0 km, Qa= 6,4 dm3/ 1 0 0 km.
7. Przebiegow e zużycie paliw a obliczone w ynosi 6,97 dm3/100 km, a zużycie w yliczone m etodą pełnego zbiornika w ynosi 7,32 dm3/100 km. O dchyłka obliczeń wynosi 4,8% .
*
Zaprezentow ana ogólnie, poparta dw om a w ybranym i przykładami, metodyka obliczeń przebiegowego zużycia paliw a sam ochodu osobow ego w warunkach długodystansow ej jazdy rzeczywistej daje obiecujące wyniki. N iew ątpliw ie m ożna j ą rozwijać przez uw zględnianie zmienności czynników po strome kierującego (technika jazdy z punktu w idzenia dynam iki hamowań, jazda w ybiegiem ), pojazdu (ilość i w pływ zim nych rozruchów silnika w funkcji temperatury otoczenia, urządzenia „Stop i Start” itd.), ja k i drogi (natężenie ruchu na drodze w ym uszające w iększy udział faz ham ow ania, czyli opracowanie dla polskich w arunków - w miejsce cyklu autostradow ego - cyklu dróg dw upasm owych nie będących autostradami). Poza potrzebą jej dalszego rozw ijania i udoskonalania do jej niewątpliwych zalet należy brak szczególnie dużych w ym agań w zględem aparatury pomiarowej. W skrajnym przypadku do
pom iarów w ystarczy uniw ersalny chronom etr ze stoperem oraz dyktafon, a to przy obecnym stanie finansów przeznaczanych na badania naukow e je st bardzo ważnym kryterium przem awiającym za ich kontynuow aniem i rozw ijaniem wskazanej metodyki.
3. W NIOSKI
Jak w ykazują obliczenia przebiegow ego zużycia paliw a dla trzech samochodów osobowych klas w Polsce popularnych (Opel A stra 1,4 16V, Peugeot 206 i Focus 1,6) dla wielu przykładów długodystansow ych m arszrut drogowych z weryfikacyjnym pomiarem zużycia paliwa m etodą pełnego zbiornika m ożna w yciągnąć następujące wnioski:
l .D la w yżej w ym ienionych przypadków obliczeń m ożna stwierdzić, że przyjęta metodyka obliczeń przebiegow ego zużycia paliw a przez samochody osobowe w postaci opracow anego pełnego algorytm u zdaje w pełni egzamin, o ile zadow alają nas wyniki obliczeń z dokładnością do ±5%.
2. W ydaje się konieczne opracowanie, na w zór cykli jezdnych S&G, cykli oddających w pełni dynam ikę jazdy na polskich drogach szybkiego ruchu (konieczność częstego ham owania na ograniczeniach prędkości ze w zględu na bezpieczeństw o ruchu), na których zużycie paliw a w stosunku do cyklu jezdnego autostradow ego może być o 25% wyższe.
3. Prowadzenie pom iarów nie w ym aga drogiej aparatury specjalistycznej stosowanej w pom iarach (M otoG raf pracujący w system ie off-line), co pozw ala na rozpowszechnienie tej m etody i stosow anie w indyw idualnych obliczeniach w ykorzystywanych np. przez studentów.
Literatura
1. Siłka W.: Energochłonność ruchu samochodu. PW N, W arszawa 1997.
2. H etm ańczyk I.: Badania czynników decydujących o param etrach energetycznych ruchu sam ochodu osobow ego w cyklach jezdnych. R ozpraw a doktorska na Wydz.
M echanicznym Politechniki Opolskiej , grudzień 2002.
3. Ubysz A.: Przesłanki do sym ulacji zużycia paliw a przez samochody osobow e w w arunkach jazdy rzeczywistej za pom ocą w ybranych cykli jezdnych. Zeszyty Naukow e Pol. Śl., seria T ra n sp o rt, nr 44, 2002 (w druku).
4. Ubysz A.: Energochłonność ruchu i zużycie paliw a sam ochodów osobowych.
W ydaw nictw a Politechniki Śląskiej, M onografia (w druku).
5. Ubysz A.: Opracow anie testu jezdnego uniw ersalnego dla ruchu w warunkach zatłoczonych ulic. ZN Politechniki Śląskiej, seria Transport, nr 42, G liwice 2001.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Jarnuszkiewicz
Abstract
The peper “A lgorithm o f m ileage fuel consum ption in cars at real driving conditions taking into account the selected driving cycles” presents the procedures o f calculating the m ileage fuel consum ption in a car at real driving conditions taking into account the selected driving conditions have been.
