p09-potrosnja-goriva

FTN Novi Sad Katedra za motore i vozila

Teorija kretanja drumskih vozila Potrošnja goriva

Potrošnja goriva Ključni faktori: ENERGIJA potrebna za kretanje vozila na određenoj deonici puta → Zavisi od parametara vozila i njegove interakcije sa okolinom (cW, A, G, f) → Zavisi od od parametara parametara voznog ciklusa (profil brzine u vremenu vremenu v=v(t), uzdužni nagib (α=α(s)), promenljivost f (npr. uticaj krivina)...)

ENERGETSKA EFIKASNOST pogonskog motora → η e odnosno ge, intenzivno varira sa opterećenjem i brojem obrtaja

PARAMETRI TRANSMISIJE → Raspoloživi prenosni odnosi i način njihovog korišćenja (uticaj na radni režim motora a time na njegovu energetsku efikasnost) → Energetski gubici u okviru same transmisije – ηTR

POTROŠNJA GORIVA – rezultat ukupnog dejstva ovih faktora Za iskazivanje potrošenog goriva u jedinici mase ili zapremine potrebno je poznavati i karakteristike samog goriva (HD, ρ)

FTN Novi Sad


Katedra za motore i vozila

Potrošnja goriva ENERGIJA potrebna za kretanje vozila T dE PT = ⇒ E = ∫ PT (t) ⋅ dt dt 0

E – energija energija potrebn potrebna a za kretanje kretanje vozila vozila u vremenskom intervalu dužine T (tj. na određenoj deonici puta)

PT – potrebna potrebna snaga snaga na pogonsko pogonskom m točku

E = E f + E W + EIN + Eα Ukupna energija potrebna za kretanje vozila u odre đenom vremenskom intervalu tj. na određenoj deonici puta jednaka je sumi energija potrebnih za savlađivanje parcijalnih otpora kretanja. Ova energija se pogonskom točku dovodi od goriva, preko motora i transmisije, uz gubitke.

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva Energija potrebna za savlađivanje otpora kotrljanja : T

E f = f ⋅ G⋅ ∫ v⋅ dt = f ⋅ G⋅ S

PREĐENI PUT

0

Zanemarivanje zavisnosti f(v): • Za stacion stacionarne arne uslove (v=const) (v=const) predst predstavlja avlja tačan pristup • Za nestac nestacion ionarn arne e uslov uslove e (v (v≠const) predstavlja aproksimaciju; tačno izračunavanje iziskuje poznavanje profila brzine v=v(t)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva Energija potrebna za savlađivanje otpora uspona: T

E α = G⋅ sinα⋅ ∫ v⋅ dt = G⋅ sinα⋅ S = G⋅ H 0

Jedina konzervativna energija!

VISINA PENJANJA

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva Energija potrebna za savlađivanje otpora inercije: T G v& > 0 ⇒ EIN = δ ⋅ ∫ v& ⋅ v⋅ dt = δ ⋅ EK → energija potrebna za ubrzavanje vozila g0 T G v& < 0 ⇒ EIN = ηREK ⋅ δ ⋅ ∫ v& ⋅ v⋅ dt → energija koja se može skladištiti kao g0 potencijalna, dobijena rekuperacijom

kinetičke energije

0 ≤ ηREK < 1 – stepen korisnosti rekuperacije • REKUPERACIJA UKLJUČUJE KONVERZIJU VRSTE ENERGIJE • SISTEM ZA REKUPERACIJU POVEĆ AVA MASU VOZILA

REALNO: ηREK ~ 0,5

REKUPERACIJA – energija utrošena za ubrzavanje vozila se prevodi u potencijalnu u fazi kočenja (elektrogenerator → baterija / superkondenzator, zamajac, hidrostatički sistem)



Potrošnja goriva Energija potrebna za savlađivanje otpora inercije: • Sa povećanjem broja ciklusa ubrzavanja raste energija potrebna za ubrzavanje vozila (vozilu svaki put treba saopštiti EK) • Sistem za rekuperaciju može skladištiti deo, ali nikada celokupnu kinetičku energiju (ηREK < 1) • Potpuna rekuperacija ne bi bila moguća čak ni za ηREK = 1 jer se, za vreme odsustva pogonske sile na točkovima, deo kinetičke energije troši na rad sila otpora kotrljanja i otpora vazduha: dEK = dEREK – (Ff + FW)⋅ds • Češće ubrzavanje ⇒ povećana potrošnja goriva

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva Energija potrebna za savlađivanje otpora vazduha: T 1 E W = ⋅ ρ⋅ c W ⋅ A⋅ ∫ v 3 ⋅ dt 2 0

Posmatra se vrednost v za koju važi: v(t) = v + Δv(t)

Δv = Δv3 = 0

Δv2 = σ2 – standardno odstupanje

1 ⎛ 3 σ 2 ⎞ E W = ⋅ ρ⋅ c W ⋅ A⋅ v 2 ⋅ ⎜1 + 2 ⎟ 2 ⎝ v ⎠

 Fluktuacija brzine oko srednje vrednosti (v) povećava potrebnu energiju za savladavanje otpora vazduha ⇒ raste potrošnja goriva za istu prose čnu brzinu



Potrošnja goriva ENERGETSKA EFIKASNOST pogonskog motora Maksimalne vrednsti stepena korisnosti motora: ηeMAX = 35% (Oto motor) ηeMAX = 43% (Dizel motor) Tokom eksploatacije motor radi na razli čitim režimima, η značajno varira, u proseku se može smatrati: ηe = 15 – 20% (srednja vrednost) Energetska efikasnost motora obično se iskazuje kroz specifičnu efektivnu potrošnju goriva, ge, obrnuto proporcionalnu stepenu korisnosti ⎡ kg ⎤ ge ⎢ ⎣ kW ⋅ h ⎥⎦

– količina goriva u [kg] (ili [g]) potrebna da se radom motora dobije 1 kWh mehaničke energije

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva ENERGETSKA EFIKASNOST pogonskog motora “ŠKOLJKASTI DIJAGRAM” – linije konstantne specifične efektivne potrošnje ge [g/kWh] ucrtane na brzinskoj karakteristici motora gE = gE1 = const (npr. 190 g/kWh)

M (Nm)

gE = gE2 = const gE = gE3 = const gE = gE4 = const gE = gE5 = const

gE = gE6 = const (npr. 500 g/kWh) M A

gE1< gE2 < gE3 < ...

A n(o/min) n A

KRIVE KRIVEKONSTANTNE KONSTANTNESPECIFI SPECIFIČČNE NE EFEKTIVNE POTROŠNJE GORIVA EFEKTIVNE POTROŠNJE GORIVA kg g ILI kW ⋅ h

kW ⋅ h

Zone najviših stepena korisnosti odnosno minimalne specifične efektivne potrošnje po pravilu se nalaze u zoni većih opterećenja motora, blizu spoljne karakteristike. Na malim opterećenjima energetska efikasnost motora je po pravilu lošija.



Potrošnja goriva UTICAJ PARAMETARA TRANSMISIJE 1. Uticaj stepena korisnosti Izvor: Audi, Wallentowitz

Povećanje ηTR za 1% donosi 1% smanjenja potrošnje goriva u voznom ciklusu MVEG95 (kombinacija gradske vožnje i otvorenog puta – prikaz ciklusa u nastavku)



Potrošnja goriva UTICAJ PARAMETARA TRANSMISIJE 2. Uticaj prenosnih odnosa i njihovog izbora (strategija upravljanja menjačem) Odgovarajućim izborom stepena prenosa tj. Prenosnog odnosa omogu ćava se rad motora u područ ju niže specifične efektivne potrošnje, za isti režim kretanja vozila.

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA HIPERBOLE KONSTANTNE SNAGE: Hiperbola konstantne snage predstavlja krivu M⋅ω=const odnosno M⋅n=const na dijagramskom prikazu karakteristike motora. Jedan režim kretanja vozila definisan je parom F O1, v1. Za ovaj režim potrebna snaga na to čku vozila iznosi: PT1=FO1⋅v1/3600 Potrebna snaga motora iznosi: PMOT1 = PT1/ηTR Pošto je PMOT=M⋅n/9554, sledi da se posmatrani režim kretanja vozila može realizovati pri bilo kojoj radnoj ta čki motora koja leži na hiperboli:

M⋅ n = 9554 ⋅ P1 = 9554 ⋅

PT 1 9554 ⋅ FO1⋅ v1 = = const ηTR 3600 ⋅ ηTR

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA Podsetnik:

M⋅ n = const ⇒ M = M

const - jednačina hiperbole n C3 > C2 > C1

C n C M= n C1 M= n n M=

3

2

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA HIPERBOLE KONSTANTNE SNAGE Prikazane su tri hiperbole za tri režima kretanja: FO1,v1; FO2,v2; FO3,v3 M (Nm)

P1 = const P2 = const P3 = const n (o/min)

M⋅ n =

9554 ⋅ FO 2 ⋅ v 2 = const 3600 ⋅ ηTR

M⋅ n =

9554 ⋅ FO1⋅ v1 = const 3600 ⋅ ηTR

M⋅ n =

9554 ⋅ FO 3 ⋅ v 3 = const 3600 ⋅ ηTR

Jedan dati režim kretanja vozila može se realizovati za bilo koji radni režim motora koji odgovara potrebnoj snazi.



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA HIPERBOLE KONSTANTNE SNAGE

Napomena: hiperbole konst. snage nemaju veze sa karakteristikom motora! One samo daju podatke o mogu ćim kombinacijama M i n za realizaciju date kombinacije FO i v.

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA HIPERBOLE KONSTANTNE SNAGE Posmatra se režim kretanja FO1,v1 M (Nm) M A

M A ⋅ n A = MB ⋅ nB = MC ⋅ nC = A B

MB

C

MC

n A

nB

nC

9554 ⋅ FO1⋅ v1 = const 3600 ⋅ ηTR

Za zadati režim kretanja vozila (FO1,v1), režim rada motora je jednoznačno određen tek kada se zna prenosni odnos transmisije iTR. n (o/min)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA Posmatra se režim kretanja FO1,v1 M (Nm) M A

v=

0,377 ⋅ r D ⋅ n iTR

iTR = iTR2 ⇒ MB, nB

B

iTR = iTR3 ⇒ MC, nC C

MC

n A

M⋅ iTR ⋅ ηTR r D

iTR = iTR1 ⇒ M A, n A

A

MB

FO =

nB

nC

Adekvatnim izborom prenosnog odnosa moguće je, u okviru jednog režima kretanja vozila, izabrati režim motora sa boljim stepenom n (o/min) korisnosti. Takvi režimi se po pravilu nalaze u zoni većeg opterećenja ⇒ ovo se postiže manjim prenosnim odnosima (viši stepeni prenosa)



Izračunavanje potrošnje goriva Kretanje vozila u stacionarnom režimu (FO = const, v = const) Za zadatu brzinu kretanja v potrebno je izračunati dgovarajuću obimnu silu FO FO = Ff + FW + Fα + FIN + FPV

→ Potrebno je poznavati podatke o vozilu i uslovima kretanja FO, v – definišu radni režim vozila

FTN Novi Sad



Izračunavanje potrošnje goriva Kretanje vozila u stacionarnom režimu (F O = const, v = const) FO, v – definišu radni režim Na Nakojoj kojojhiperboli hiperbolise senalazimo? nalazimo? Pmot =

PT FO ⋅ v = η TR η TR

Koji Kojijejeradni radnirežim režimmotora? motora? 9554 ⋅ Pmot Mmot = nmot

??? ??? Dati režim kretanja vozila može se realizovati pri bilo kom režimu motora koji odgovara datoj hiperboli konstantne snage. Prenosni odnos transmisije konkretno odre đuje radni režim motora.

iTR

FTN Novi Sad



Izračunavanje potrošnje goriva Kretanje vozila u stacionarnom režimu (F O = const, v = const) POSTUPAK PRI ODREĐIVANJU POTROŠNJE 1.

Odrediti parametre režima kretanja vozila (otpori kretanja ⇒ potrebna vučna sila, brzina)

2.

Na osnovu režima kretanja i parametara transmisije odrediti režim rada motora (Mmot ,nmot)

3.

Sa dijagrama očitati specifičnu efektivnu potrošnju

4.

Odrediti Pmot i na osnovu nje izračunati apsolutnu potrošnju u jedinici vremena ili pre đenog puta

FO, v, iTR ⇒Mmot, nmot ⇒ REŽIM RADA MOTORA ⇒ spec. efektivna potrošnja

FTN Novi Sad



Izračunavanje potrošnje goriva Kretanje vozila u stacionarnom režimu (F O = const, v = const) FO, v, r D, iTR ⇓ Mmot, nmot ⇓ ge Pmot =

iTR = iTR1 ⇓ Mmot, nmot ⇓ ge1

PT FO ⋅ v = η TR η TR ILI

Pmot =

Mmot ⋅ nmot 9554

iTR = iTR2 ⇒ Mmot, nmot ⇒ ge2 g kW ⋅ h

KOLIČINA GORIVA POTROŠENOG U JEDINICI VREMENA: Q =

kW

ge ⋅ Pmot ⎡ kg ⎤ ,⎢ ⎥ 1000 ⎣ h ⎦

FTN Novi Sad



Izračunavanje potrošnje goriva Kretanje vozila u stacionarnom režimu (F O = const, v = const) Q=

ge ⋅ Pmot ⎡ kg ⎤ ,⎢ ⎥ 1000 ⎣ h ⎦

PRERAČUNAVANJE:

Vm3 /h

Q ⎡ m3 ⎤ 1000 ⋅ Q ⎡ l ⎤ , ⎢ ⎥ ⇒ Vl/h = ,⎢ ⎥ = ρgor ⎣ h ⎦ ρgor ⎣ h ⎦

Vkm =

Vl/h ⎡ l ⎤ ⎡ l ⎤ , ⎢ ⎥ ⇒ V100 km = 100 ⋅ Vkm , ⎢ v ⎣ km ⎦ ⎣100 km ⎥⎦

V100 km

g ⋅ Pmot = 100 ⋅ e ρgor ⋅ v

POTROŠNJA U [l/100km] ge (g/kWh), Pmot (kW), ρgor (kg/m3), v (km/h)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva u stacionarnom režimu

+

2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

=

KRIVE POTROŠNJE GORIVA U ZAVISNOSTI OD BRZINE I STEPENA PRENOSA

Izvor: Walentowitz

!

I uštednom stepenu može doći do narušavanja optimalne ekonomičnosti ukoliko dođe do rada motora na režimu sa suviše velikim g e!

Za svaki stepen prenosa postoji optimalna brzina sa stanovišta potrošnje, tako da sa smanjenjem brzine potrošnja raste zbog rada motora u područ ju većih ge! Manja potrošnja goriva postiže se u višim stepenima prenosa zbog većeg opterećenja motora i odgovarajućih povoljnih vrednosti ge, a ne zbog sniženja broja obrtaja!



Potrošnja goriva u nestacionarnom režimu FO ≠ const, v ≠ const tj. FO=FO (t), v=v(t) OPŠTI POSTUPAK KOD IZRAČUNAVANJA: • Potrebno je poznavati vozni ciklus i uslove rada (profil brzine v=v(t) itd.) • Ciklus se deli na vremenske intervale (što manji intervali Δt) • Obično veliki broj tačaka → upotreba računara • Za svaki interval izračunati potrošnju goriva kao za stacionarni, uzimaju ći u obzir i srednju vrednost inercijalne sile motor radi na nestacionarnom režimu – karakteristika odstupa od stacionarne → ali odstupanja nisu znatna (podaci stacionarne krakteristike su upotrebljivi u praksi); stvarna potrošnja u nestacionarnim uslovima je za 2-5% veća (The Automotive Chassis Vol. 2 )

• U svakom intervalu potrebno je uzeti u obzir da li se vozilo nalazi u režimu pogona ili kočenja / mirovanja / slobodnog kotrljanja (F O <, =, > 0) • Odrediti ukupnu potrošnju goriva kao zbir iz niza posmatranih malih vremenskih intervala VUK = ΣVi



Potrošnja goriva u nestacionarnom režimu Standardni vozni ciklusi Izvor: Vehicle Propulsion Systems

Standardni evropski vozni ciklus: MVEG-95 = 4xECE + 1xEUDC Standardizovani ciklus omogućava međusobnu uporedivost potrošnje goriva kod različitih vozila.

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva u nestacionarnom režimu Standardni vozni ciklusi

Izvor: Vehicle Propulsion Systems

Standardni SAD vozni ciklus

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva u nestacionarnom režimu Struktura potrošnje goriva u različitim režimima kretanja - primer

Izvor: The Automotive Chassis Vol.2

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva u nestacionarnom režimu Uticaj prosečne brzine i broja obrtaja pri kom se menja stepen prenosa na potrošnju goriva u gradskoj vožnji - primer

Napomena: prosečna brzina je povezana sa brojem obrtaja za promenu stepena – neznatno raste sa porastom n Izvor: The Automotive Chassis Vol.2



Potrošnja goriva - rezime • Osnovni uzrok potrošnje goriva: otpori kretanja vozila na određenoj deonici puta definišu potrebu za mehaničkom energijom koju treba saopštiti točku. • Energetska efikasnost motora u konverziji energije goriva u mehaničku energiju ima ključan uticaj na potrošnju. • Uticaj transmisije je važan kako zbog potencijala za optimizaciju radnog režima motora, tako i zbog energetske efikasnosti same transmisije. • Udeo otpora kotrljanja u energetskim potrebama kretanja vozila je približno proporcionalan pređenom putu (ako se usvoji f ≈const). • Uticaj sile otpora vazduha dovodi do povećanja energije potrebne za kretanje vozila sa povećanjem varijacija brzina u vremenu tj. odstupanja u odnosu na prosečnu brzinu; s obzirom na veličine otpora vazduha u zavisnosti od brzine ovo nema znatan uticaj u gradskoj vožnji. Pogoršanje aerodinami čkih karakteristika vozila (otvoreni prozori, spušten krov, krovni prtljažnik...) povećava potrebnu energiju. • Udeo energije potrebne za savlađivanje uspona može se u potpunosti vratiti na nizbrdici, što u stvarnosti često nije slučaj, jer se iz bezbednosnih razloga porast brzine mora sprečiti kočenjem.

p09-potrosnja-goriva

Recommend Documents