Grupa TzK 41 ES
Sekcja 1
Rok 2013/2014
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
SILNIKI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
LABORATORIUM
OBLICZANIE PRZEBIEGOWEGO ZUŻYCIA PALIWA
PRZEZ SAMOCHÓD NA PODSTAWIE
CHARAKTERYSTYKI OGÓLNEJ SILNIKA
Grupa TzK 41 ES
Sekcja 1
Rok 2013/2014
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
SILNIKI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
LABORATORIUM
OBLICZANIE PRZEBIEGOWEGO ZUŻYCIA PALIWA
PRZEZ SAMOCHÓD NA PODSTAWIE
CHARAKTERYSTYKI OGÓLNEJ SILNIKA
Strona | 2
Spis treści
1.
Cel ćwiczenia. .................................................. 3
2.
Obliczenia. ....................................................... 5
3.
Wyniki. .............................................................. 8
4.
Wnioski. ............................................................ 9
5.
Użyte wzory. ................................................... 10
Strona | 3
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodyką obliczeń dla europejskich cykli
jezdnych sprawności ogólnej silnika samochodu osobowego, z możliwością weryfikacji
wyników w oparciu o przebiegowe zużycie paliwa.
1.1. Wybór pojazdu do analizy i jego dane techniczne.
Z tabeli pojazdów zamieszczonej w załącznikach instrukcji
1
, wybrano pojazd z kolumny
numer 209 – Audi A6 Avant 2.5 TDI. Dane techniczne pojazdu przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Dane techniczne wybranego do analizy pojazdu.
Do uzupełnienia tabeli DANE zawartej w instrukcji przyjęto ponadto:
= 1803 [
]
= 0,30
= 0,306 [ ]
= 1 [
⁄ ℎ]
m
b
- masa badawcza (testowa) = masa własna + 75kg kierowca + masa 90% paliwa w
zbiorniku przy założeniu gęstości 0,83 kg/dm
3
dla oleju napędowego,
C
x
– współczynnik oporów aerodynamicznych,
r
d
– promień dynamiczny koła = 0,97r
n
,
G
j
– godzinowe zużycie paliwa, dobrano na podstawie wykresu 1.
Wykres 1. Godzinowe zużycie paliwa silników ZI i ZS przy pracy na biegu jałowym w funkcji pojemności
skokowej.
W tym momencie możemy w całości wypełnić zawartą w instrukcji tabele DANE (tabela 2).
1
Aleksander Ubysz: Ćwiczenia laboratoryjne z silników spalinowych i ochrony środowiska.
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 2009.
Pojemność
silnika
[cm
3
]
Moc
max.
[kW/obr.
min]
Max.
moment
obrotowy
[Nm/obr.
min]
Przełożenia
biegów
I/II/III/IV/V/VI
Przełożenie
przekładni
głównej
Prędkość
max.
[km/h]
Przyśpieszenie
0-100 km/h [s]
Rozmiar
opon
Pojemność
zbiornika
paliwa [l]
Masa
własna
[kg]
Wymiary
dł/szer/wys
[mm]
Zużycie paliwa
miejskie/
pozamiejskie/
łączone
[dm
3
/100km]
2496
132/4000 370/1500
3,75/2,06/1,32/
0,93/0,71/0,56
3,89
221
8,8
205/55R16
70
1680
4796/
1810/1479
12,9/6,6/8,9
Strona | 4
Tabela 2. Dane do analizy zgodnie z pierwszą z Tabeli II.9 zawartych w instrukcji.
Do obliczeń niezbędna jest charakterystyka ogólna silnika. Ponieważ są rzadko podawane
w materiałach charakteryzujących silniki i pojazdy, wykorzystując ich podobieństwa można
posłużyć się charakterystyką innego silnika tego samego typu, nanosząc w odpowiedniej
podziałce skalę momentu obrotowego, tak aby jego wartość szczytowa odpowiadała
momentowi maksymalnemu naszego silnika. Charakterystykę ogólną silnika ZS
samochodu osobowego z naniesionym momentem wybranego przez nas pojazdu
przedstawia wykres 2.
Wykres 2. Charakterystyka ogólna silnika ZS samochodu osobowego z naniesioną w odpowiedniej
podziałce skalą momentu obrotowego wybranego do analizy pojazdu.
Z uwagi na przeskalowanie na wykresie momentu obrotowego a co za tym idzie również
wartości ciśnienia efektywnego wyznaczono współczynnik korekcji o wartości 1,25
przez który pomnożono odczytane wartości chwilowego zużycia paliwa.
wielkość
jednostka
wartość
i
c
=i
b
*i
g
faza
cykl m.
cykl d.
V
ss
cm
3
2496
i
g
3,89
b.j.+ b.l.
102
88
N
e
/n
N
kW/min-1 132/4000
i
1
3,75
14,5875
t
przyśp.
36
103
M
o
/n
M
Nm/min-1 370/1500
i
2
2,06
8,0134
t
Vconst
57
209
i
3
1,32
5,1348
t
łączny
195
400
m
w
kg
1680
i
4
0,93
3,6177
m
b
kg
1803
i
5
0,71
2,7619
Droga
Cykl m.
cykl d.
c
x
0,3
i
6
0,56
2,1784
L
r
218,7
2096
B*H
m
2,67699
L
c
539,7
4069,3
V
max
km/h
221
t
100
s
8,8
gdzie:
ogumienie
r
d
mm
306
G
j
dm
3
/h
1
Dane silnika Audi A4 2,5 TDI
Przełożenia
Czasy faz [s]
wartość
Dane samochodu
Długość dróg [m]
205/55R16
L
c
- droga stałej prędkości
L
r
- droga rozpędzania
Strona | 5
2. Obliczenia.
2.1. Cykl miejski.
Do wypełnienia arkusza obliczeniowego cyklu miejskiego (załącznik 1) przyjęto wartości
pomocnicze zawarte w tab.3. Wartość współczynnika mas wirujących δ wybrano na
podstawie wykresu 3.
Tabela 3. Wartości pomocnicze użyte w rachunkach do wypełnienia arkusza obliczeniowego cyklu
miejskiego.
Nr fazy
v [km/h]
a [m/s
2
]
przełożenie
i
c
δ
L
i
[m]
2
7,5
1,04
1
14,5875
1,35
8,32
3(15)
15
0
1
14,5875
1,35
33,3
7,14
7,5
0,83
1
14,5875
1,35
10,4
9
23,5
0,94
2
8,0134
1,15
32,6
10(32)
32
0
2
8,0134
1,15
213
16
25
0,62
2
8,0134
1,15
62,6
18
42,5
0,52
3
5,1348
1,075
94,4
19(50)
50
0
3
5,1348
1,075
167
21(35)
35
0
3
5,1348
1,075
126
Do obliczeń, średniej wartości sprawności napędu η
n
skorzystano z danych zawartych w
tabeli 4. Dla faz cykli, w których w przypadku skrzyni 6-biegowej włączony jest bieg VI,
przyjęto sprawność 0,97.
Tabela 4. Sprawność układu przeniesienia napędu na
poszczególnych przełożeniach dla obu cykli.
Wykres 3. Zakresy wartości wsp.mas
wirujących δ zależności od przełożenia
całkowitego układu napędowego.
Do wypełnienia tabeli 5 skorzystano z wykresu 2 , tabeli 4 oraz przyjęto :
= 30 [
⁄
]
= 0,015
= 0,36 [
⁄ ]
= 0,0283 [ℎ]
W
dv
– objętościowa wartość opałowa paliwa,
f
t
– współczynnik oporów toczenia,
k – współczynnik do obliczenia sił oporów aerodynamicznych, gdzie A = 0,75 * B * H,
T
j
– łączny czas pracy silnika w czasie testu bez obciążenia (bieg luzem).
Strona | 6
Tabela 5. Arkusz pomocniczy cyklu miejskiego.
m
b
[kg]
1803
Nr fazy
η
p
g
e
[g/kWh]
η
e
η
n
=η
p
*η
e
W
dv
[MJ/dm
3
]
30
2
0,63
412,5
0,20
0,13
f
t
0,015
3(15)
0,63
875
0,10
0,06
k [kg/m]
0,36
7,14
0,63
437,5
0,19
0,12
gęstość [g/dm
3
]
0,83
9
0,93
325
0,26
0,24
G
j
[dm
3
/h]
1
10(32)
0,93
687,5
0,12
0,11
T
j
[h]
0,028
16
0,93
337,5
0,25
0,23
18
0,94
350
0,24
0,23
19(50)
0,94
700
0,12
0,11
21(35)
0,94
662,5
0,13
0,12
Nr fazy
Q [ l/100km]
Udziały [%]
2
4,13
Et/E
0,50
3(15)
1,00
Ep/E
0,07
7,14
3,35
Eb/E
0,43
9
1,18
10(32)
0,22
16
0,68
18
0,50
19(50)
0,27
21(35)
0,31
Po wykonaniu rachunków, których przebieg i wyniki zawarto w arkuszu obliczeniowym
cyklu miejskiego (załącznik 1) wypełniono tabelę 6.
Tabela 6. Obliczone przebiegowe zużycie paliwa dla cyklu miejskiego.
Przebiegowe zużycie
paliwa Q [dm
3
/100km]
Q
całk
12,8
Q
t
7,7
Q
p
3,4
Q
b
0,7
Q
j
0,5
Strona | 7
2.2. Cykl drogowy.
Do wypełnienia arkusza obliczeniowego cyklu drogowego (załącznik 2) przyjęto
wartości pomocnicze zawarte w tab.7. Wartość współczynnika mas wirujących δ
wybrano na podstawie wykresu 3. Dla przełożenia V i VI współczynnik δ przyjęto 1.
Tabela 7. Wartości pomocnicze użyte do wypełnienia arkusza obliczeniowego cyklu drogowego.
Nr fazy
v [km/h]
a [m/s
2
]
przełożenie
i
c
δ
L
i
[m]
2
7,5
0,83
1
14,5875
1,35
10,4
4
25
0,62
2
8,0134
1,15
62,6
6
42,5
0,52
3
5,1348
1,075
94,4
8,12
60
0,43
4
3,6177
1,05
217
9,13,(70)
70
0
5
2,7619
1
973
11(50)
50
0
4
3,6177
1,05
958
14
85
0,24
5
2,7619
1
828
15(100)
100
0
6
2,1784
1
833
16
110
0,62
6
2,1784
1
612
17(120)
120
0
6
2,1784
1
334
Korzystając z danych tabeli 4 i wykresu 3, przyjętych wcześniej wartości W
dV,
f
t,
k i
obliczeniu dla cyklu drogowego wartości T
j
wypełniono arkusz pomocniczy cyklu
drogowego (tabela 8). Wartości g
e
odczytane z wykresu 2 również jak poprzednio
pomnożono przez współczynnik korekcji o wartości 1,25.
Tabela 8. Arkusz pomocniczy cyklu drogowego.
m
b
[kg]
1803
Nr fazy
η
p
g
e
[g/kWh]
η
e
η
n
=η
p
*η
e
W
dv
[MJ/dm
3
]
30
2
0,71
437,5
0,19
0,14
f
t
0,015
4
0,93
412,5
0,20
0,19
k [kg/m]
0,36
6
0,94
337,5
0,25
0,23
gęstość [g/dm
3
]
0,83
8,12
0,95
312,5
0,27
0,26
G
j
[dm
3
/h]
1
9,13,(70)
0,96
462,5
0,18
0,17
T
j
[h]
0,024
11(50)
0,95
525
0,16
0,15
14
0,96
312,5
0,27
0,26
15(100)
0,97
362,5
0,23
0,22
16
0,97
253,8
0,33
0,32
17(120)
0,97
318,8
0,26
0,26
Udziały [%]
E
t
/E
0,40
E
p
/E
0,27
E
b
/E
0,33
Strona | 8
Po wykonaniu rachunków, których przebieg i wyniki zawarto w arkuszu obliczeniowym
cyklu drogowego (załącznik 2) wypełniono tabelę 9.
Tabela 9. Obliczone przebiegowe zużycie paliwa dla cyklu drogowego.
Przebiegowe zużycie
paliwa Q [dm
3
/100km]
Q
całk
7,8
Q
t
3,4
Q
p
2,3
Q
b
2,8
Q
j
0,1
3. Wyniki.
Wyniki w postaci zestawienia jednostkowego zużycia paliwa i sprawności oraz
energochłonności i przebiegowego zużycia paliwa przedstawiają tabele 10 i 11.
Tabela 10. Zestawienie obliczonych jednostkowych zużyć paliwa i sprawności.
Jednostkowe zużycie paliwa i sprawność
Cykl miejski
Cykl drogowy
g
e
η
e
η
p
η
n
g
e
η
e
η
p
η
n
g
2
412,5
0,20
0,63
0,13
g
2
437,5
0,19
0,71
0,14
g
7
437,5
0,19
0,63
0,12
g
4
412,5
0,20
0,93
0,19
g
9
325
0,26
0,93
0,24
g
6
337,5
0,25
0,94
0,23
g
14
437,5
0,19
0,63
0,12
g
8
312,5
0,27
0,95
0,26
g
16
337,5
0,25
0,93
0,23
g
12
312,5
0,27
0,95
0,26
g
18
350
0,24
0,94
0,23
g
14
312,5
0,27
0,96
0,26
g
3
875
0,10
0,63
0,06
g
16
253,8
0,33
0,97
0,32
g
10
687,5
0,12
0,93
0,11
g
9
462,5
0,18
0,96
0,17
g
19
700
0,12
0,94
0,11
g
11
525
0,16
0,95
0,15
g
21
662,5
0,13
0,94
0,12
g
13
462,5
0,18
0,96
0,17
g
15
362,5
0,23
0,97
0,22
g
17
318,8
0,26
0,97
0,26
Strona | 9
Tabela 11. Zestawienie energochłonności i przebiegowego zużycia paliwa.
Zestawienie energochłonności i przebiegowego
zużycia paliwa
cykl m.
cykl d.
Q
obl
Q
kat
E
r
[kJ]
2732
20736
Q
m
N
12,8
12,9
E
c
[kJ]
647
9566
Q
d
7,8
6,6
E
r
/E [%]
80,9
68,4
Q
waż
9,7
8,9
E
c
/E [%]
19,1
31,6
Q
m
12,81
b.d.
E
t
/E [%]
49,7
40,2
Q
90
8,88
b.d.
E
p
/E [%]
7,1
26,6
Q
120
8,87
b.d.
E
b
/E [%]
43,2
33,2
Q
Euromix
10,19
b.d.
Q
r
[l/100km]
11,75
15,34
Q
c
[l/100km]
9,35
7,77
Q
bj.
[%]
4,18
1,28
4. Wnioski.
Ćwiczenie wykazało, że liczby podane w katalogach odbiegają od wartości obliczonych.
Trudno jednak mówić o zamierzonym zaniżaniu danych przez producentów ponieważ w
trakcie obliczeń uśredniono kilka znaczących dla wyników wartości.
Odbiegając jednak od porównania wyników z danymi producenta i analizując same
obliczenia widać wyraźnie jak zmieniają się udziały energochłonności w obu cyklach. W
cyklu
miejskim
procentowy
stosunek
energochłonności
związanej
z
oporami
aerodynamicznymi do energochłonności całkowitej cyklu jest znacznie mniejszy niż w
cyklu drogowym co wynika bezpośrednio z wyższych prędkości w trakcie drugiego testu.
Prędkość w obliczeniach siły oporu aerodynamicznego a co za tym idzie energochłonności
związanej z tymi oporami, jest w drugiej potędze.
W cyklu drogowym widać również nieznaczny spadek udziału energochłonności związanej
z bezwładnością elementów wirujących. Myślę, że odpowiedzialnym za taki stan rzeczy
jest między innymi fakt, że w tym cyklu pojazd po ruszeniu nie zatrzymuję się tyle razy ile
w przypadku cyklu miejskiego i dodatkowo porusza się z większą średnią prędkością.
Wartość współczynnika mas wirujących δ na większych przełożeniach jest wyższa stąd
energochłonność wprawionych w ruch i niezatrzymywanych mas stanowi mniejszy udział
w całym zapotrzebowaniu na energię.
Strona | 10
5. Użyte wzory.
=
∗
∗ [ ]
= 0,6 ∗
∗
∗
[ ]
=
∗
∗ [ ]
=
∗
∗
[ ]
=
∗ [ ]
=
∗
0,377 ∗
=
1
60
∗
∗
0,377 ∗
=
∗ [ ]
=
2
[
]
=
1
1
+
=
∗
Tabela 12. Tabela pomocnicza do obliczeń zużycia Q
90
i Q
120
.
F
t
[N]
F
p
[N]
F
b
[N]
F
n
[N]
N
e
[W]
n [min
-1
]
n [s
-1
]
M
o
[Nm]
90km/h
265
226
0
491
12279
2151
36
55
120km/h
265
402
0
667
22228
2262
38
94
η
p
g
e
[g/kWh]
η
e
η
n
=η
p
*η
e
90km/h
0,96
437,5
0,19
0,18
120km/h
0,97
325
0,26
0,25
Q
dm
3
/100km
90km/h
8,88
120km/h
8,87
Grupa TzK 41 ES
Sekcja 1
Rok 2013/2014
Załącznik 1. Arkusz obliczeniowy cyklu miejskiego.
Nr fazy
F
t
[N]
F
p
[N]
F
b
[N]
F
n
[N]
N
e
[W]
n [min
-1
]
n [s
-1
]
M
o
[Nm]
E [J]
E/η
n
[J]
E
t
/η
n
[J]
E
p
/η
n
[J]
E
b
/η
n
[J]
(E
t
+E
p
)/η
n
[J]
2
265
2
2531
2798
5829
947
16
59
23279
181457
17204
102
164151
17306
3(15)
265
6
0
272
1131
1894
32
6
9043
149518
146064
3455
0
149518
7,14
265
2
2020
2287
4764
947
16
48
23784
196625
22809
135
173681
22944
9
265
15
1949
2230
14554
1630
27
85
72682
302378
35979
2089
264310
38068
10(32)
265
29
0
294
2612
2219
37
11
62587
550805
497279
53526
0
550805
16
265
17
1285
1568
10890
1734
29
60
98164
424095
71746
4713
347636
76459
18
265
50
1008
1323
15624
1889
31
79
124931
553772
111005
21076
421691
132081
19(50)
265
70
0
335
4653
2222
37
20
55944
495961
392751
103210
0
495961
21(35)
265
34
0
299
2911
1555
26
18
37730
316565
280452
36113
0
316565
Suma:
3171176
1575288
224418
1371470
1799706
Załącznik 2. Arkusz obliczeniowy cyklu drogowego.
Nr fazy
F
t
[N]
F
p
[N]
F
b
[N]
F
n
[N]
N
e
[W]
n [min
-1
]
n [s
-1
]
M
o
[Nm]
E [J]
E/η
n
[J]
E
t
/η
n
[J]
E
p
/η
n
[J]
E
b
/η
n
[J]
(E
t
+E
p
)/η
n
[J]
2
265
2
2020
2287
4764
947
16
48
23784
174470
20239
120
154112
20358
4
265
17
1285
1568
10890
1734
29
60
98164
518339
87689
5761
424889
93450
6
265
50
1008
1323
15624
1889
31
79
124931
533994
107041
20323
406630
127364
8,12
265
100
814
1180
19661
1879
31
100
255981
1002434
225433
85307
691694
310740
9,13,(70)
265
137
0
402
7815
1673
28
45
391069
2242926
1480416
762510
0
2242926
11(50)
265
70
0
335
4653
1566
26
28
320927
2111359
1671982
439377
0
2111359
14
265
201
433
899
21237
2032
34
100
744727
2886001
851216
646462
1388323
1497678
15(100)
265
279
0
544
15115
1885
31
77
453266
2016553
983132
1033422
0
2016553
16
265
337
1118
1720
52569
2074
35
242
1052907
3279028
505611
643083
2130334
1148694
17(120)
265
402
0
667
22228
2262
38
94
222722
871288
346621
524667
0
871288
Suma:
15636393
6279379
4161032
5195981
10440411