ZESZYTY N A U K O W E POLITECHN IK I ŚLĄSKIEJ Seria: TR A N SPO R T z. 38
1999 N r kol. 1433
A leksander U BY SZ
CHARAKTERYSTYKA SILNIKÓW WSPÓŁCZESNYCH SAMOCHO
DÓW OSOBOWYCH POD WZGLĘDEM JEDNOSTKOWEGO ZUŻY
CIA PALIWA ge
Streszczenie. W opracow aniu przedstaw iono charakterystykę silników 10 klas sam o
chodów osobow ych pod w zględem jednostkow ego zużycia paliw a przez silnik ge. Obliczone na podstawie danych katalogow ych w artości tych w skaźników przy stałej prędkości jazdy 90 i 120 km/h d ają pojęcie o poziom ie w ykorzystania potencjału spraw ności ogólnej, zawartego w jednostce napędow ej sam ochodu przy jeźd zie na równej i suchej jezdni zgodnie z w ym o
gami obow iązującego w Europie testu (ECE).
CHARACTERIZATION OF MOTOR-CAR ENGINES BASED CONSUMP
TION MAP
Sum m ary. T here has been an attem pt to verify in this paper the car fuel consum ption data taking into account analytic connections beetween m ilage fuel consum ption and probable specific fuel consum ption ge by engine at constant speed.
1. W STĘP
Jednym z w ażniejszych w skaźników oceny stopnia w ykorzystania efektywnej pracy silnika w sam ochodzie m oże być łatw a do w yliczenia różnica pom iędzy w artością eksploata
cyjną jednostkow ego zużycia paliw a przez silnik, obliczoną przy jeźd z ie sam ochodu ze stałą prędkością 90 i 120 km /h, a je g o m inim alną w artością - gemin [1, 12]. Podstaw y teoretyczne tych obliczeń przedstaw iono w pracy [9j. A naliza potencjału w zrostu trakcyjnej sprawności silników sam ochodów osobow ych je st celow a na tyle, na ile w sam ochodach ciężarowych o dużej m asie całkow itej ju ż osiągnięto zrów nanie się tych dw u w ielkości przy ich jeździe z każdą praktycznie prędkością [2], co znacznie popraw iło sprawność energetyczną „ciężkiego”
transportu drogow ego, doprow adzając jednostkow e zużycie paliw a przez pojazd do najniższej z m ożliwych w transporcie drogow ym w artości - 0,8-1,0 dnvV l00km /M g [3]. Osiągnięcie takiego rezultatu je st przy dotychczasow ym poziom ie techniki w sam ochodach osobowych m ało praw dopodobne, ale należy do niego dążyć w szelkim i m ożliw ym i m etodami.
2. ZA ŁO ŻEN IA TEO R ETY CZN E
2.1. Charakterystyki trakcyjne pojazdu
W teorii ruchu znane są w ykresy trakcyjne sam ochodów , przedstaw iające dla każdego przełożenia skrzynki biegów w ym aganą siłę na kołach w funkcji prędkości jazd y V. M aksy
m alna w artość siły na kołach ograniczona je s t dla każdego wykresu charakterystyką przebiegu m aksym alnego m om entu obrotow ego silnika, przeliczonego na siłę napędow ą na kołach. Na rys.l przedstaw iono wykres trakcyjny VW G olfa C L z silnikiem ZI o 1,6 dni3 pojem ności skokow ej p rz y je ź d z ie na 5 biegu. Na w ykresie naniesione są w arstw ice stałego jednostkow e
go zużycia paliw a przez silnik ge, dzięki którym m ożna śledzić, przy jakiej prędkości na da
nym biegu silnik pracuje z najw iększą spraw nością ogólną, czyli najniższym ge [1, 13]. Na ry s.l w idoczne je st, że dla sam ochodów klas niższych z zespołem napędow ym o niewysokiej, wyrażonej czasem rozpędzania pojazdu do 100 km /h [5], dynam ice (14s) najniższe ge w ystę
puje na charakterystyce obciążenia przy prędkości 120-150 km /h. Jak w ykazała analiza analo
gicznych w ykresów dla innych sam ochodów , stała prędkość jazdy, przy której osiągane jest najniższe jednostkow e zużycie paliw a, m ieści się w ogrom nej w iększości przypadków w przedziale 100-180 km /h, z tym że dla sam ochodów o w ysokiej dynam ice układu napędow ego ( np. klasa sportow a - F) najniższe ge w ystępuje przew ażnie przy w yższych prędkościach. W w yjątkow ych przypadkach przy niew łaściw ym doborze przełożeń układu przeniesienia napę
du prędkość m inim alnego jednostkow ego zużycia paliw a m oże w ystąpić przy niższej wartości niż 100, a naw et 90 km /h, co spraw ia, że przy w yższych prędkościach jazd a takim sam ocho
dem je st w yjątkow o nieekonom iczna ze w zględu na rosnące opory aerodynam iczne i spadek spraw ności ogólnej silnika napędow ego (np. Polonez 1,9D).
W analizow anych przykładach w ykresów trakcyjnych charakterystyki obciążenia na najw yższym (ekonom icznym ) biegu przechodzą w znacznej odległości od pola gemin, tj. za
kresu, w którym silnik pracuje z najw yższą spraw nością ogólną [12, 13], Znając gemm, a tym sam ym i spraw ność o gólną w spółczesnych silników sam ochodów osobow ych, m ożna obli
czyć, ja k średnie w artości jednostkow ego zużycia paliw a silnika przy jeźd z ie ze stałą prędko
ścią 90 i 120 km /h odbiegają od w artości minim alnych. W ten sposób określono w tych kon
kretnych w arunkach ja z d y potencjał ew entualnego zw iększenia eksploatacyjnej sprawności ogólnej silników przez obniżenie gc.
W iedząc, że na w artość jednostkow ego zużycia paliw a decydujący w pływ ma dynam i
ka zespołu napędow ego i położenie w arstw ie na charakterystyce ogólnej silnika [12], m ożna będzie w yciągnąć odpow iednie w nioski co do kierunku działań. Przy analizie danych należy pam iętać, że czas rozpędzania pojazdu do 100 km/h (tioo) oddaje rów nież w pływ doboru przełożeń układu przeniesienia napędu i częściow o oporów aerodynam icznych pojazdu.
Charakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów 15
5 0 0 1000 15 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 30 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 -pi 5 0 0 0 5 5 0 0/ m i n
R y s.l. C harakterystyka ogólna silnika ZI VW 1,6 z charakterystyką obciążeniow ą sam ocho
du G o lf C L I,6 p rz y je ź d z ie na 5 biegu Fig. 1. C onsum ption map SI engine for the VW G olf
(
1)
2.2. M etodyka otrzym yw ania w yników i określania błędu obliczeń
Jak pow szechnie w iadom o, zużycie paliw a przy jeździe pojazdu ze stałą prędkością po poziom ej jezd n i m ożna w yliczyć ze w zoru [4]:
g A mg f + 0,047 A c xV 2)
= , )_ „ 3 / l Q O k m 1
360007 rjm
gdzie: Q - drogow e zużycie paliw a przez sam ochód jadący ze stałą prędkością, np. 90 lub 120 km/h [dm3/IOOkm],
ge - jednostkow e zużycie paliw a przez silnik [g/kW h],
in - masa badaw cza pojazdu (masa w łasna i połow a dopuszczalnej ładow ności) [kg],
g - przyspieszenie ziem skie wynoszące 9,81 [m /s2], f - w spółczynnik oporów toczenia,
A - pow ierzchnia czołow a pojazdu [m 2], V - prędkość pojazdu [km /h],
y - gęstość paliw a [kg/dm 3],
r |m - spraw ność m echaniczna układu napędowego.
Po prostym przekształceniu m ożna wyliczyć:
f f 0° :4° 7 ? v o ig / k w h ]
[ m g f + 0 ,0 4 7 A c xV )
N atom iast spraw ność ogólną silników m ożna w yliczyć z prostej zależności:
T|o =3600/ge W d, gdzie W j je s t w artością opałow ą paliw a [M J/kg].
Z pow odu braku dokładnych danych przy obliczaniu ge dla około 1000 sam ochodów niektóre w spółczynniki należy przyjąć jak o średnie w artości stałe dla całej grupy sam ocho
dów , ja k np. spraw ność m echaniczną czy w spółczynnik oporów toczenia ( f = 0,015) [12], a inne uzależnić od klasy sam ochodu. Praw dopodobieństw o i w ielkość niedokładnego osza
cow ania w spółczynników określono za pom ocą w zględnej odchyłki rozpatryw anej wielkości (tabela 2). W niektórych przypadkach, ja k dla w spółczynnika w ypełnienia prostokąta czoło
w ego obrysem rzeczyw istym sam ochodu h czy w spółczynnika oporów aerodynam icznych c x, dane aktualizow ano odpow iednio m etodą planim etrii lub przeglądu danych literaturow ych [8, 9], N a podstaw ie otrzym anych inform acji przyjęto dla każdej z klas sam ochodów następujące dane podane w tabeli 1.
T abela I Z ałożone do obliczeń w artości w spółczynników nie podanych w danych katalogowych
K lasa W spółcz
A B C D E F G H K M.
h [-] 0,83 0,83 0,85 0,86 0,86 0,78 0,85 0,80 0,80 0,85
Cx [-] 0,34 0,33 0,31 0,30 0,32 0,27 0,43 0,33 0,33 0,34
Onv. [ ] 0,92 0,92 0,91 0,92 0,92 0,91 0,90 0,91 0,91 0,91
O bliczone tą m etodą w ielkości jednostkow ego zużycia paliw a i spraw ności ogólnej silnika są obarczone pew nym błędem w ynikającym z błędów , jak i dopuszcza się przy szaco
w aniu w artości lub dokładności pom iaru kolejnych składowych w chodzących do obu w zo
rów. Z ałożone do obliczeń m etodą G aussa (najm niejszych kw adratów ) kolejne odchyłki błędów poszczególnych w spółczynników dla każdej z klas oszacow ano orientacyjnie (A, c x).
N ajw iększe trudności spraw iało w m iarę dokładne określenie pow ierzchni czołow ej sam o
chodu oraz jeg o w spółczynnika oporów aerodynam icznych c„ i dlatego też dopuszczalny m aksym alny błąd pom iaru tych w ielkości ustalono dla poszczególnych klas na poziom ie 7- 10%. D opuszczalną odchyłkę dokładności oceny poszczególnych w artości w chodzących do w zoru (2) i (3) przedstaw ia tabela 2.
C harakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów . 17
Tabela 2 W zględne w artości odchyłek błędu poszczególnych w ielkości
W skaż Q Y Rm m. g f A Cx V
wd
błąd % 2 2 2 3 0 2 7-10 7-10 2 3
3. C H A R A K TE R Y ST Y K A JED N O STK O W EG O ZUŻY CIA PA LIW A SILN IKÓ W PO SZC ZEG Ó LN Y C H KLAS SA M OCH OD ÓW
D ynam ikę napędu poszczególnych klas sam ochodów osobow ych ja k o je d e n z dwu w cześniej w spom nianych najw ażniejszych czynników w pływ ających na eksploatacyjną w ar
tość jednostkow ego zużycia paliw a przez silnik przy jeździe ze stałą prędkością najlepiej w y
raża czas rozpędzania sam ochodu do 100 km/h - tioo (rys.2). Param etr ten je s t o tyle praktycz
niejszy od w cześniej [4] prezentow anego w skaźnika m om entu na jed n o stk ę m asy całkowitej pojazdu, że ukazuje sum aryczny i końcow y efekt w pływ u na dynam ikę pojazdu różnych w iel
kości, uw zględniając poza m om entem obrotowym silnika dobór przełożeń układu przeniesie- (
nia napędu i w jak im ś stopniu opory aerodynam iczne pojazdu. Pom im o to porów nanie śred
nich w artości dynam iki napędu poszczególnych klas sam ochodów osobow ych za p om ocą obu w skaźników w ykazuje d użą zbieżność w zajem nego położenia charakterystyk [4, 5].
Jak w ynika z wykresów na rys.2, klasy konw encjonalnych sam ochodów osobow ych (A, B, C, D i E) charakteryzują się ze w zrostem masy całkowitej coraz niższym czasem rozpędzania pojazdu, a w ięc coraz w yższą dynam iką napędu, co szczególnie dobrze w idoczne je s t dla na
pędu silnikam i ZI. D ynam ika napędu klas niekonw encjonalnych jest, ja k w ynika z wykresów, znacznie zróżnicow ana i charakterystyczna dla każdej klasy z osobna (m ało dynam iczne w sw oim przedziale m asy całkow itej sam ochody terenow e - G i m inivany M. oraz najbardziej dynam iczna klasa sportow a - F).
W szystkie klasy z silnikam i ZI, z w yjątkiem m inivanów , charakteryzują się ze w zro
stem m asy całkow itej m niejszym lub w iększym w zrostem dynam iki zespołu napędow ego (spadek tioo), co nie je s t ju ż tak oczyw iste przy napędzie silnikam i ZS (klasa A, B i M.).
Z dynam iką napędu poszczególnych pojazdów zw iązana je st też w ażna praw idłow ość, a m ianow icie z je j w zrostem rośnie prędkość m aksym alna sam ochodu i prędkość, przy której na w ykresie trakcyjnym charakterystyka obciążeniow a na danym (najw yższym ) biegu prze
biega przez w arstw icę o najniższym ge. Na przykładowo przedstaw ionym na rys. 1 wykresie trakcyjnym silnik Forda Escorta 1,3 pracuje na najoszczędniejszej w arstw icy przy prędkości
110 km /h. N ajczęściej przy w m iarę praw idłow o dobranych przełożeniach układu przeniesie
n ia napędu w tym zakresie prędkości m inim alne gc osiągają sam ochody o niskiej dynam ice zespołu napędow ego (ich katalogow a prędkość m aksym alna wynosi około 150km /h), n ato m iast dla sam ochodów o w yższej dynamice, pozw alającej osiągać prędkości m aksym alne do 200-220 km /h, prędkość ta w zrasta naw et do 180 km /h (m a na to rów nież znaczny wpływ ukształtow anie w arstw ie na charakterystyce ogólnej silnika).
950 1450 1950 2450 2950
mc [kg]
Rys.2. C harakterystyka dynam iki napędu poszczególnych klas sam ochodów osobow ych za p o m o c ą średniego czasu rozpędzania pojazdu od 0 do 100 km/h - tioo
Fig.2. C haracteristics o f average dynam ics drive in a particular cllass o f autom otive vehicles w ith SI engines expressed by ttim e o f acceleration up to 100 km/h
3.1. E ksploatacyjne jednostkow e zużycie paliw a silników ZI sam ochodów osobow ych N a rys.3 przedstaw iono dla każdej klasy sam ochodów osobow ych średnie w artości eksploatacyjnego jednostkow ego zużycia paliw a silników ZI p rz y je ź d z ie ze stalą prędkością 90 (a) i 120 (b) km /h. N atom iast tabela 3 prezentuje średnie obie (90 i 120 km /h) w artości gc oraz przedział rozrzutu punktów pom iarow ych od w artości średniej na w ykresach szczegóło
wych, średnie spraw ności ogólne silników oraz korelację charakterystyk z w ynikam i obli
czeń.
Charakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów 19
N a podstaw ie prezentow anych wykresów m ożna w yciągnąć następujące w nioski:
1. O gólnie w każdej z klas ja k i w całości obserw uje się tendencję w zrostu średniego ge, a w ięc spadku sprawności ogólnej (rys.3) silników sam ochodów osobow ych dla obu pręd-
koś- a
b
[cm3]
Rys.3. Średnie jednostkowe zużycie paliwa silników Z1 poszczególnych klas samochodów osobowych przy stałej prędkości jazdy 90 (a) i 120 (b) km/h
Fig.3. Average unitary fuel consumption in a particular class of automotive vehicles with SI engine
Charakterystykaśredniego jednostkowegozużyciapaliwa silnikówposzczególnychklassamochodów osobowychz zaznaczeniemrozrzutupunktówpomiarowychAg*nawykresach przy90i 120 km/h
J3
£
COH
zs
o<N es • oi
<l 11 + i
+ i 1 ii -41 li
ii
+/+
[%] 28,7/31,5 27,8/28,6 27,7/30,2 27,0/29,7
i i
26,5/27,9 30,0/31,4 28,2/29,8 28,7/30,2
d& |
*
1
OCNi OCN +
OCNi 0 1
Omi Om +
Ocoi Oen +
i i
OOOi O00 +
CNi CN+
Oto1 oto +
Oto1 o«o + o r— 1
W ^ 00 S>
• i i 299/272 307/299 309/284 317/289
i i
323/307 285/273 OOoo
CN OcO 299/284
n [szt.j
Os OO
22 23 i l 37 CO 48 22
IZ
o<N o
°iź
+/+ l
i i
+ ++/++ ++/++ +/+ l
i +-+/++ +/++ ++/+
[%]
03,^ 24,6/28,2 23,2/25,7 23,1/25,5 22,1/25,2 20,5/23,5 17,2/19,4 24,9/27,6 20,3/23,4 22,5/25,7 24,1/26,5
±Age [g/kWh] O
vO oo +
vOOi 00O +
Oto1 or*
+ Oto1 o00 +
Ocoi o
+ +200;-150 OO Oi o
+ +100;-100 O r-i or- +
09-09+
O p—i rs j-*
00 ^
& £8 349/304 370/333 371/334 388/340 418/365 498/442 344/311 423/366 381/333 356/324
n [szt.j
CNoo 128 O 80 32 OO 50 64 127 49
SILNIK KLASA
< CQ U O W tu O X s
Lp.
- CN co o- to vo t" OO Os o
(++) - silna korelacja (+) - warunekkorelacjispełniony (-) - warunekkorelacjiniespełniony (—) - słaba korelacja
Charakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów . 21
ci jazdy; średnio przy ww. prędkościach jazd y w silnikach ZI sam ochodów osobow ych 1/5- 1/4 ciepła zostaje zam ieniona na pracę użyteczną.
2 . Przy jeźd z ie z prędkością 120 km /h silniki sam ochodów osobow ych p racu ją z około 2-4%
w y ższą spraw nością ogólną niż przy prędkości 90 km/h; wyraża się to spadkiem ge w gra
nicach 32-57 g/kW h.
3 . W silnikach ZI sam ochodów osobowych w idoczny je s t znaczny potencjał w zrostu spraw ności ogólnej, w yrażony m ożliw ością obniżenia gc o 50 do 200 g/kW h, w zależności od klasy sam ochodu i pojem ności skokowej silnika; przy pojem nościach najm niejszych, sto
sow anych w klasach tańszych i pojazdach lżejszych zapas - szczególnie dla 120 km /h - jest niew ielki.
N ie m ożna w skazać jednoznacznie klasy, w której silniki ZI m o żn a uznać bez po
działu na przedziały w funkcji pojem ności skokowej za jednoznacznie ekonom iczne lub nie- oszczędne w czasie pracy w w ybranym zakresie prędkości; do tych pierw szych m ożna zali
czyć silniki klas M ., G, A i o małej pojem ności skokowej C, a do drugich - klasy sportow ej F i kabrioletów H. Także silniki o dużej pojem ności skokow ej sam ochodów luksusow ych E i kom bi K nie n ależą w tych w arunkach pracy do oszczędnych. M ożna się zastanow ić, co zro
bić, aby analogicznie do sam ochodów ciężarowych dużej ładow ności zapew nić pracę silnika w zakresie bliższym jego gcmin?
W sam ochodach dużej ładow ności napędzanych silnikam i ZS, poruszających się głów nie w ruchu tranzytow ym (poza m iastem ), opłacalne je s t stosow anie 8-, 10- i 16- biegow ych skrzynek biegów. To ostatnie rozw iązanie pozw ala na ja z d ę w zakresie do naw et 120 km /h w obszarze m aksym alnej sprawności silnika, czyli w tym przypadku >42% spraw ności ogólnej, co odpow iada gc < 200g/kW h [1]. W sam ochodach osobow ych, poruszających się w ruchu m iejskim , z uwagi na konieczność ciągłego m anipulow ania dźw ignią zm iany biegów takie rozw iązanie byłoby uciążliw e dla kierowcy, ale ju ż dziś w około 26 m odelach sam ochodów osobow ych nierzadko jak o rozw iązanie obejm ujące cały m odel (A udi 2,5TD I z m ocniejszym silnikiem ), niekoniecznie w wersjach o najw yższej dynam ice napędu, stosuje się 6-biegow e skrzynki biegów (np. Fiat Punto 55S, w w ielu m odelach A udi z silnikam i ZS i ZI).
Innym i realnymi m etodam i zw iększenia eksploatacyjnej spraw ności ogólnej silników sam ochodów osobow ych są:
• obniżenie dynamiki zespołu napędow ego, co w efekcie na w ykresie trakcyjnym przybliży charakterystykę obciążenia do gemi„ charakterystyki ogólnej (efekt taki sam ja k przy zw ięk
szaniu ilości biegów ) i obniży prędkość m aksym alnąjazdy,
Charakterystykaśredniego jednostkowegozużyciapaliwa silnikówposzczególnychklassamochodów osobowychz zaznaczeniemrozrzutupunktówpomiarowychAg,nawykresach przy90i 120 km/h
co
JS I H
zs
0 <N
1 ■ i 1
1
+ + i i 11 <1 l
ii
+/+
W20 [%] 28,7/31,5 27,8/28,6 27,7/30,2 27,0/29,7
■ ■
26,5/27,9 30,0/31,4 28,2/29,8 28,7/30,2
M f OCS1
©CS +
OCS1
ćTo- +
Ocoi
©ro +
OCOi
Oco +
i i
O00i
O00 +
Z--Z+ +60;-60 O
coi Oco + o 1—i
"" « S 00 S>
299/272 307/299 309/284 317/289
i i
323/307 .. 285/273 304/288 299/284
n [szt.]
Os OO
22 23 i i 37 CO 48 22
N o o ■ 04 a
+/+ l *
i i
++/++ +/+ l
++/++ ++/+ +/++
[%] 24,6/28,2 23,2/25,7 23,1/25,5 22,1/25,2 20,5/23,5 17,2/19,4 24,9/27,6 20,3/23,4 22,5/25,7 24,1/26,5
cS 5
* ś
voO
oSO +
Oso1 o00 +
Oco 1
©“r - +
Ouo i O00
+ +50;-30 +200;-150 O O i
©o
+ Oo
©o
+ Or -
i
or - +
Oso 1
oSD +
O i—i
rs
"eŁ 5
** « 00 l00 TÜ 349/304 370/333 371/334 o
co 0000
co 418/365 498/442 344/311 423/366 381/333 356/324
[łZS]
u CS
00
OOCS O 80 32
00 50 64 127
49 1
SILNIK KLASA
< CQ U O W tu O S
Lp.
- CS CO lO SD r-~ 00 Os O
(++) - silna korelacja (+) - warunek korelacjispełniony (-) - warunek korelacjiniespełniony (—) - słaba korelacja
C harakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów .. 21
ci jazdy; średnio przy ww. prędkościach jazdy w silnikach ZI sam ochodów osobowych 1/5- 1/4 ciepła zostaje zam ieniona na pracę użyteczną.
2 . P rzy jeźd z ie z prędkością 120 km /h silniki sam ochodów osobow ych pracują z około 2-4%
w yższą spraw nością ogólną niż przy prędkości 90 km /h; wyraża się to spadkiem ge w gra
nicach 32-57 g/kW h.
3 . W silnikach ZI sam ochodów osobow ych w idoczny je st znaczny potencjał w zrostu spraw ności ogólnej, w yrażony m ożliw ością obniżenia gc o 50 do 200 g/kW h, w zależności od klasy sam ochodu i pojem ności skokowej silnika; przy pojem nościach najm niejszych, sto
sow anych w klasach tańszych i pojazdach lżejszych zapas - szczególnie dla 120 km/h - je st niew ielki.
N ie m ożna w skazać jednoznacznie klasy, w której silniki ZI m ożna uznać bez po
działu n a przedziały w funkcji pojem ności skokow ej za jednoznacznie ekonom iczne łub nie- oszczędne w czasie pracy w wybranym zakresie prędkości; do tych pierw szych można zali
czyć silniki klas M., G, A i o małej pojem ności skokow ej C, a do drugich - klasy sportowej F i kabrioletów H. Także silniki o dużej pojem ności skokow ej sam ochodów luksusowych E i kom bi K nie należą w tych w arunkach pracy do oszczędnych. M ożna się zastanow ić, co zro
bić, aby analogicznie do sam ochodów ciężarowych dużej ładow ności zapew nić pracę silnika w zakresie bliższym jego gemm?
W sam ochodach dużej ładow ności napędzanych silnikam i ZS, poruszających się głów nie w ruchu tranzytow ym (poza m iastem ), opłacalne je s t stosow anie 8-, 10- i 16- biegow ych skrzynek biegów. To ostatnie rozw iązanie pozw ala na ja z d ę w zakresie do naw et 120 km /h w obszarze m aksymalnej sprawności silnika, czyli w tym przypadku >42% spraw
ności ogólnej, co odpow iada gc < 200g/kW h [1], W sam ochodach osobow ych, poruszających się w ruchu m iejskim , z uw agi na konieczność ciągłego m anipulow ania dźw ignią zmiany biegów takie rozw iązanie byłoby uciążliw e dla kierowcy, ale ju ż dziś w około 26 modelach sam ochodów osobow ych nierzadko jak o rozw iązanie obejm ujące cały m odel (A udi 2,5TDI z m ocniejszym silnikiem ), niekoniecznie w wersjach o najw yższej dynam ice napędu, stosuje się 6-biegow e skrzynki biegów (np. Fiat Punto 55S, w w ielu m odelach A udi z silnikam i ZS i ZI).
Innym i realnymi m etodam i zw iększenia eksploatacyjnej spraw ności ogólnej silników sam ochodów osobow ych są:
• obniżenie dynamiki zespołu napędow ego, co w efekcie na w ykresie trakcyjnym przybliży charakterystykę obciążenia do gen,in charakterystyki ogólnej (efekt taki sam ja k przy zw ięk
szaniu ilości biegów ) i obniży prędkość m aksym alną jazdy,
• zw iększenie spraw ności ogólnej silnika przez zastosow anie efektyw nych procesów robo
czych, a w tym m iędzy innym i spalanie m ieszanek ubogich, stosow anie techniki w ieloza- w orow ej, dynam icznego doładow ania, zm iennych faz rozrządu itd.
W drugim przypadku w w yniku obniżenia jednostkow ego zużycia paliw a przez silnik gemin n astępuje z reguły przesunięcie pod charakterystykę obciążenia w arstw icy o niższym jed n o stk o w y m zużyciu paliw a i tu nasuw a się rozw iązanie najbardziej skuteczne, ale najtrud
niejsze w realizacji. N ależy m ianow icie tak przekształcić charakterystykę o gólną silnika, aby p oło żen ie gcm¡n m ożna było realizow ać - jeszcze lepiej w sposób program ow any - pod p u n k tem pracy na w ykresie trakcyjnym . W tedy m ożna by ograniczyć ilość biegów do niezbędnego m inim um , ale silnik w w yniku złożonej konstrukcji (zm ienne: stopień sprężania, fazy rozrzą
du, charakterystyka układów dolotow ych, skład m ieszanki) byłby nieracjonalnie drogi.
S tosunkow o w ysoki, obniżający stopień korelacji charakterystyk, rozrzut punktów pom iarow ych (tabela 3) spow odow any je st z jednej strony stosow aniem w każdej z klas po
ja z d ó w silników o przestarzałej konstrukcji, ja k i bardzo now oczesnych sam ochodów n apę
dzanych w yjątkow o oszczędnym i, spalającym i ubogie m ieszanki silnikam i ZI, w czym w ostatnich latach prym w io d ą koncerny japońskie (Toyota C arina l,6 X L i ge90/ge120=310/278 g/kW h, M itsubishi Carism a). O szczędność paliw a w tych sam ochodach dochodzi do 20-25% , co na tak w yrafinow aną konstrukcję, ja k ą je st silnik, stanow i znaczne osiągnięcie. Jednak zapew nienie w ysokiej dynam iki napędu sam ochodów osobow ych (tioo=9-12s) w ym usza naj
częściej p racę now oczesnej jednostki napędow ej na mniej ekonom icznych w arstw icach ge charakterystyki ogólnej, porów nyw alnej z sam ochodam i o niższej spraw ności ogólnej silnika i o czasie rozpędzania w przedziale tioo=17-20s.
C iekaw ym przykładem w pływ u stopnia now oczesności silnika i doboru przełożeń układu przeniesienia napędu są sam ochody O pel V ectra z ekonom icznym i silnikam i l,6 i (tioo
= 1 5 ,5s), l,6 i 16V (12,5s) i l,8 i 16V ( l i s ) [13]. Pom im o znacznie zróżnicow anej dynamiki napędu w e w szystkich trzech przypadkach silniki pracują dla obu prędkości ja z d y z w ysoką spraw nością 28,7/33,6% (300/255 g/kW h), a jednostkow e zużycie paliw a pojazdów gv jest w każdym pojeździe na poziom ie najniższym z m ożliw ych - 4,0 dm 3/M g l0 0 k m .
N a przeciw nym biegunie są, przez w iele lat produkow ane, m odele sam ochodów napę
dzanych silnikam i o przestarzałej konstrukcji i niskiej spraw ności zespołu napędow ego.
W śród nich w ym ienić należy Poloneza l,6G L i - 438/416 g/kW h, R over M ini C ooper - 436/374, IZH 41 2 1 E - 417/379, Lada N ova 438/410, VW K afer (M eksyk) - 396/368.
Charakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów .. 23
3.2. E ksploatacyjne jednostkow e zużycie paliwa silników ZS sam ochodów osobow ych N ieco odm ienna je st sytuacja w sam ochodach napędzanych silnikam i ZS. Jest tu znacznie mniej producentów silników, które są najczęściej now oczesne, a znaczne zróżnico
w anie w artości gc je st w ynikiem stosow ania dwu rodzajów kom ór spalania, rozdzielających te silniki pod w zględem spraw ności ogólnej na dw ie różne grupy. Silniki o w trysku bezpo
średnim , ja k o bardziej oszczędne, są szeroko stosow ane w sam ochodach osobow ych wielu m arek, czego przykładem m ogą być silniki Audi 1,9 i 2,5TDI, stosow ane w pojazdach grupy V W . W tabeli 4 przedstaw iono jak o przykład w skaźniki paliw ow e silników i sam ochodów osobow ych różnych klas, stosujących oszczędny silnik ZS 1,9TDI. W celu porów nania przed
staw iono w skaźniki dla pojazdów napędzanych silnikam i ZS z kom orą w iro w ą o tej samej pojem ności skokow ej w w ersji wolnossącej i doładow anej (m oc odpow iednio 50 i 55 kW zam iast 66 kW ). Takie rozpatryw anie w pionie (przez różne klasy) sam ochodów z tym sa
mym silnikiem daje interesujące zilustrowanie faktu, że przy porów nyw alnych czasach rozpę
dzania tjoo i praw idłow o dobranych przełożeniach układu przeniesienia napędu silnik pracuje przy obu prędkościach z podobną sprawnością. W szelkie próby zm iany dynam iki odbijają się na spraw ności pracy silnika przy obu prędkościach i na zużyciu paliw a przez pojazd.
N a rys. 4 dla poszczególnych klas sam ochodów osobow ych przedstaw iono charakterysty
ki średniego eksploatacyjnego jednostkow ego zużycia paliw a silników ZS przy jeźd z ie z prędkością 90 (a) i 120 (b) km /h. W poszczególnych klasach przy znacznie m niejszej ilości sam ochodów osobow ych z silnikam i ZS (tabela 3) oraz niższym zróżnicow aniu dynamiki napędu (dla klas konw encjonalnych sam ochodów t,oo w aha się w przedziale 12-16 s zam iast 12-18 s - rys.2) nie obserw uje się tak wyraźnej praw idłow ości w przebiegu poszczególnych charakteiystyk, ja k i ich w zajem nego układu. Przebieg charakterystyki gc dla silników ZS sa
m ochodów klasy B przy prędkości 120 km/h je s t ze w zględu na średnią w artość gc rów ną 300 g/kW h, trudny do w ytłum aczenia.
P oza tym w klasach sam ochodów niekonw encjonalnych dla sam ochodów terenowych zastanaw iający je s t znaczny w zrost średniej w artości ge w raz z pojem nością skokow ą silni
ków ZS od 270 do 370 g/kW h przy prędkości 90 km /h i od 225 do 370 g/kW h (120 km/h).
Jest to w głównej m ierze w ynik znacznego spadku tioo dla sam ochodów z silnikam i ZS (spa
dek o 8 s) niż ZI (o 4 s).
Silniki ZS w poszczególnych klasach sam ochodów osobow ych p racu ją dla obu stałych prędkości ja z d y ze spraw nością ogólną odpow iadającą ge odpow iednio 280-330 g/kW h (T|e =
26-30% ) i 240-310 g/kW h (27-36% ), co w stosunku do silników ZI, odpow iednio 340-450 g/kW h (19-25% ) i 300-400 (21,5-28% ), jest znacznie korzystniejsze. O kupione je s t to często
T abela 4 W artości ge oszczędnego silnika ZS 1,9TDI przy pracy w sam ochodach różnych klas przy je ź d z ie na 5 biegu z prędkością 90 i 120 km/h (dla porów nania zestaw iono dane dla silników ___________________________________ z kom orą w irow ą) __________________ ____________
Lp. Pojazd K la
sa mc [kg]
dn?
gv
tioo [S]
„
90 Se [g/kWh]„
120 ge [g/kW h]U wagi
Mg\00km
1 A udi A4 C 1790 2.86 13.3 302.0 276.1
2 A udi A 6 D 1930 2.97 13.9 297.3 272.4
3 V W G o lf CL B 1605 3.62 14.9 318.2 266.3 1.9 TD
4 V W G o lf TD I B 1650 3.00 12.8 289.4 271.4
5 V W P assat CL C 1790 2.96 14.1 278.8 252.1
6 Seat T oledo G L C 1580 3.05 12.7 318.2 266.3
7 Seat T oledo GL C 1580 3.92 14.9 318.1 265.8 1.9TD
8 V W G o lf CL B 1595 3.60 17.6 277.3 271.9 1.9D
9 V W C abrio H 1640 3.17 13.3 263.1 258.8
10 Audi C abrio H 1800 3.05 - 268.2 250.0
11 Audi A4 A vant K 1855 2.90 13.8 257.6 235.0
12 Audi A 6 A vant K 1980 3.00 i-i-- 284.0 259.4
13 V W G o lf Va- K 1695 3,17 13.4 260.3 246.3
14 V W P assat Va- K 1820 2.97 14.4 305.0 302.0
15 V W Sharan M 2350 2.64 19.3 228.6 224.0
16 Seat A lham bra M 2350 2.64 17.0 227.6 223.4
w poszczególnych klasach w zrostem średniej w artości tioo (spadkiem dynam iki), który to pa
ram etr co do w artości w ostatnich latach dla obu grup napędu znacznie się zbliżył i ja k widać na rys.2, je s t dla klasy A porów nyw alny (15 s).
Interesującym , w cześniej w spom nianym przykładem w yjątkow o niekorzystnego skoja
rzenia zespołu napędow ego z pojazdem je st zam ontow anie silnika ZS 1,9D firm y Citroen do Poloneza. B rak odpow iednio dobranej skrzynki biegów spow odow ał nieekonom iczną pracę silnika, co w idoczne je s t na przykładzie danych paliw ow ych sam ochodu C itroen ZX 1,9D R eflex, o podobnej m asie całkow itej co Polonez. O niepraw idłow ym doborze przełożeń w skrzynce biegów (przełożenia zbyt „krótkie”) poza m n iejszą ekonom iką ja z d y (gv=4,2 zam iast 3,7 d m 3/M g l0 0 k m ) i dłuższym czasem rozpędzania (tioo=20s zam iast 18,5s) św iadczą wyższe w artości ge dla obu prędkości (dla Poloneza gc90/gel20= 3 4 4 ,6/376 g/kW h w porów naniu z 286/284,3 g/kW h C itroena) oraz niespotykane przew yższenie w artości ge120 nad ge90. Św iad
C harakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów . 25
czy to o braku dostatecznej m odyfikacji układu przeniesienia napędu z w ersji sam ochodu o napędzie silnikiem ZI.
Poza tym na rys. 3 i 5 naniesiono zakres praw dopodobnych m inim alnych w artości gc.
min [14] dla poszczególnych grup silników , um ożliw iając w ten sposób uchw ycenie m ożliw e
go do w ykorzystania potencjału obniżenia jednostkow ego zużycia paliw a dla obu prędkości
y^lcm3]
b
Rys.4. Charakterystyka średniego jednostkow ego zużycia paliw a ge silników ZS poszczegól
nych klas sam ochodów osobow ych przy jeźd z ie ze stałą prędkością 90 (a) i 120 (b) km /h z zaznaczeniem gemm
Fig.4. A verage unitary fuel consum ption in a particular class o f autom otive vehicles with engines
Jak m ożna zauw ażyć, znacznie w y ż s z y potencjał do w ykorzystania je s t przy prędkości jazdy 90 km /h i dla obu prędkości zw iększa się ze w zrostem pojem ności skokow ej od odpow iednio 30-80 g/kW h do 150-300 g/kW h dla silników ZI oraz od 20-60 g/kW h do 60-120 g/kW h dla silników ZS. T ak w ięc silniki ZI w sam ochodach osobow ych m ają do w ykorzystania - szcze
gólnie w w iększych sam ochodach - dw ukrotnie w iększy potencjał zw iększenia sprawności ogólnej silnika.
4. O C E N A W Y N IK Ó W O BLICZEŃ
P o d staw ą otrzym ania dobrych w yników je s t zaczerpnięcie do obliczeń jednostkow ego zużycia p aliw a silnika ge danych zużycia paliw a przez pojazdy opartych na takim sam ym te ście pom iarow ym . W iększość katalogów dane o zużyciu paliw a podaje na podstaw ie danych p roducenta pojazdu, który z kolei badania zużycia paliw a pow inien przeprow adzić zgodnie z obow iązującą n o rm ą europejską (EC E) [ 11], W przeciw nym razie producent zobow iązany jest do podania norm y, w edług której przeprow adza badania i dlatego należy na to przy oblicze
niach tego typu zw rócić uw agę (np. R enault dla najnow szych m odeli podaje zaniżone zużycie obliczane w edług norm y U TAC).
D o obliczeń rów nież nie m ożna będzie brać w artości zużycia paliw a m ierzonego w e
dług obow iązującej od tego roku norm y 93/116/CE, nie przew idującej czysto teoretycznych cykli stałych prędkości [14],
W yniki obliczeń średniego jednostkow ego zużycia paliw a gc dla poszczególnych klas sam ochodów osobow ych poddano ocenie za pom ocą m etody najm niejszych kw adratów , a za p o m o cą w spółczynnika korelacji R -kw adrat oceniano stopień rozrzutu punktów pom iarow ych od w artości średniej (tabela 3).
Średnia odchyłka gc dla poszczególnych klas sam ochodów nie przekracza 8% w artości gc. T ak w ięc otrzym ane w yniki i opisane na ich podstaw ie charakterystyki m ożna uznać za m iarodajne do oceny jednostkow ego zużycia paliw a silników ZI i ZS poszczególnych klas sam ochodów osobow ych.
M niej zadow alające są w spółczynniki korelacji R -kw adrat dla poszczególnych cha
rakterystyk klas sam ochodów z silnikam i ZS. O bliczenia analogicznych charakterystyk róż
nych grup pojazdów dow odzą, że sam ochody osobow e dzięki znacznej różnorodności roz
w iązań i skojarzeń „pojazd-układ przeniesienia napędu-silnik” w ykazują znacznie m niejszy zw iązek pom iędzy w skaźnikam i opisującym i je. Poza różnorodnością determ inującą rozrzut
Charakterystyka silników w spółczesnych sam ochodów 27
punktów pom iarow ych w tym przypadku nie bez znaczenia je s t zróżnicow any przedział zmiennej niezależnej, tzn. pojem ności skokowej i m asy całkow itej pojazdu.
O zadow alającej korelacji charakterystyk z punktam i pom iarow ym i m ożna m ów ić dla klasy D, E i H z silnikam i ZI. Charakterystyki sam ochodów z silnikam i ZS przy tych ilościach punktów pom iarow ych w ykazują brak korelacji, na co m a niew ątpliw y w pływ stosow anie w pojazdach silników o znacznie zróżnicow anej spraw ności ogólnej (o w trysku bezpośrednim i pośrednim ). T ak w ięc w tej pracy w spółczynnik korelacji należy uznać za podstaw ow ą miarę rozrzutu punktów pom iarowych od w artości średniej. W edług niej najbardziej zróżnicow ane pod w zględem gc są sam ochody klasy G, B, C i F z silnikam i ZI oraz A, B, G i K z silnikami ZS.
5. W N IO SK I K O Ń CO W E
N a podstaw ie otrzym anych wyników m ożna w yciągnąć następujące w nioski:
1. W e w spółczesnych sam ochodach osobow ych, jadących ze stałą prędkością 90 i 120 km/h silniki ZI i ZS pracują ze spraw nością ogólną znacznie poniżej ich potencjalnych m ożli
w ości.
2. Pom im o w yższego zużycia paliw a z w iększą spraw nością pracują silniki w czasie, gdy sam ochody poruszają się z w yższą prędkością - 120 km/h; jest to uw arunkow ane przej
ściem , w w yniku w zrostu z kw adratem prędkości oporów aerodynam icznych, charaktery
styki obciążenia na wykresie trakcyjnym na w arstw icę o niższej w artości ge (wyższa spraw ność ogólna).
3. W zrost spraw ności ogólnej silnika m ożna rów nież osiągnąć przez podniesienie charaktery
styki obciążenia w stronę niższych w artości gc w w yniku zastosow ania w yższych przełożeń w skrzynce biegów (nadbiegi) lub stosując silnik o wyższej spraw ności ogólnej (np. ZI na ubogie m ieszanki lub ZS o w trysku bezpośrednim ).
4 . O bniżenie trakcyjnego jednostkow ego zużycia paliw a m ożna osiągnąć przez zm niejszenie do pew nej granicy dynamiki zespołu napędow ego tak, aby zbytnio nie ograniczyć bezpie
czeństw a czynnego pojazdu; duże korzyści daje obniżenie dynam iki napędu w sam ocho
dach o krótkim czasie rozpędzania pojazdu do lOOkm/h tak, aby ekonom iczny zakres ge charakterystyki ogólnej silnika przecinał się z charakterystyką trakcyjną pojazdu na naj
w yższym biegu w rozpatryw anym zakresie prędkości.
L iteratura
1. W ajan d J.A ., W ajand J.T.: T łokow e silniki spalinow e.W N T, W arszaw a 1993.
2. U bysz A.: W spółczesne silniki sam ochodowe. C z .l: W ybrane zagadnienia z konstrukcji i technologii produkcji. Skrypt uczelniany nr 1868, G liw ice 1994.
3. U bysz A.: C harakterystyka w spółczesnych sam ochodów osobow ych i ich silników . Skrypt uczelniany nr 1964, G liw ice 1996.
4. U bysz A .: O cena ekonom iczności sam ochodów na podstaw ie w skaźników zużycia paliwa.
A rchiw um M otoryzacji nr 1, 1996.
5. U bysz A .: C harakterystyka w spółczesnych pojazdów sam ochodow ych za p o m o cą jed n o st
kow ego zużycia paliw a przez pojazd. T.3 m at.konf. K O N M O T ’96 pt. Perspektyw y roz
w ojow e konstrukcji, technologii i eksploatacji pojazdów sam ochodow ych i silników spa
linow ych.
6. A rczyński S.: M echanika ruchu sam ochodu. W N T, W arszaw a 1993.
7. H ansel H.: Podstaw y rachunku błędów . PW N , W arszaw a 1968.
8. A uto-T echnika M otoryzacyjna. R oczniki 1993-1997.
9. U bysz A.: W eryfikacja danych zużycia paliw a przez pojazd za p o m o cą obliczeniow ej m etody g . Zeszyt N aukow y Pol.Śl. seria transport nr 30, G liw ice 1998.
10. A uto-m otor Sport Special. D ie besten A utos der W elt. D odatek do num eru 22/1992.
11. P raca zbiorow a: Bosch- inform ator m otoryzacyjny. W K Ł, W arszaw a 1982.
12. S iłka W .: Energochłonność ruchu sam ochodu. W N T, W arszaw a 1997.
13. B reitw ieser K ., H enschel J., A rnold G.: D er neue V ierventilm otor m it 1,6 1 H ubraum von V W .M T Z , n r 9, 1993.
14. K atalog handlow y sam ochodów A lfa Rom eo na 1997r.
15. M TZ. R oczniki niem ieckiego m iesięcznika 1988-1996.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Jarnuszkiew icz W płynęło do R edakcji 28.04.1999 r.
A bstract
T here has been an attem pt to verify in this paper the ca'r fuel consum ption data taking into account analytic connections betw een m ilage fuel cosum ption and probable specific fuel consum ption ge by engine at constant speed .
A pplying verification m ethod o f m ilage fuel consum ption at constant speed o f 90 : 120 km /h seem s to by quite ju stified since many car producers underrate these values for various reasons and present them according to their own norm s .
