p09-potrosnja-goriva

FTN Novi Sad

Katedra za motore i vozila

Teorija kretanja drumskih vozilaPotrošnja goriva

Potrošnja goriva

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 voznog ciklusa (profil brzine u vremenu v=v(t), uzdužni nagib

(α=α(s)), promenljivost f (npr. uticaj krivina)...)

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

POTROPOTROŠŠNJA GORIVA NJA GORIVA –– rezultat ukupnog dejstva ovih faktorarezultat ukupnog dejstva ovih faktora

Ključni faktori:

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

Za iskazivanje potrošenog goriva u jedinici mase ili zapremine potrebno je poznavati i karakteristike samog goriva (HD, ρ)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

ENERGIJA potrebna za kretanje vozila

∫ ⋅=⇒=T

0TT dt(t)PE

dtdEP E – energija potrebna za kretanje vozila

u vremenskom intervalu dužine T (tj. na određenoj deonici puta)

PT – potrebna snaga na pogonskom točku

αINWf EEEEE +++=

Ukupna energija potrebna za kretanje vozila u određenom 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 kotrljanjaEnergija potrebna za savlađivanje otpora kotrljanja::

SGfdtvGfET

0f ⋅⋅=⋅⋅⋅= ∫

PREĐENI PUT

Zanemarivanje zavisnosti f(v):

• Za stacionarne uslove (v=const) predstavlja tačan pristup

• Za nestacionarne uslove (v≠const) predstavlja aproksimaciju; tačno izračunavanje iziskuje poznavanje profila brzine v=v(t)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

HGSsinαGdtvsinαGET

0α ⋅=⋅⋅=⋅⋅⋅= ∫

VISINA PENJANJA

Energija potrebna za savlađivanje otpora usponaEnergija potrebna za savlađivanje otpora uspona::

Jedina konzervativna energija!

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

K

T

0IN Edtvv

gGE0v ⋅=⋅⋅⋅=⇒> ∫ δδ &&

∫ ⋅⋅⋅⋅=⇒<T

0REKIN dtvv

gGηE0v && δ

→ energija potrebna za ubrzavanje vozila

→ energija koja se može skladištiti kao potencijalna, dobijena rekuperacijom kinetičke energije

0 ≤ ηREK < 1 – stepen korisnosti rekuperacije

• REKUPERACIJA UKLJUČUJE KONVERZIJU VRSTE ENERGIJE

• SISTEM ZA REKUPERACIJU POVEĆAVA MASU VOZILA

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

REALNO: ηREK ~ 0,5

Energija potrebna za savlađivanje otpora inercijeEnergija potrebna za savlađivanje otpora inercije::

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

• 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

Energija potrebna za savlađivanje otpora inercijeEnergija potrebna za savlađivanje otpora inercije::

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

∫ ⋅⋅⋅⋅⋅=T

0

3WW dtvAcρ

21E

Δv(t)vv(t) += Δv = Δv3 = 0 Δv2 = σ2 – standardno odstupanje

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⋅⋅⋅⋅= 2

2WW v

2σ31vAcρ21E

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

Energija potrebna za savlađivanje otpora vazduhaEnergija potrebna za savlađivanje otpora vazduha::

Posmatra se vrednost v za koju važi:

FTN Novi Sad



Potrošnja gorivaENERGETSKA EFIKASNOST pogonskog motora

Maksimalne vrednsti stepena korisnosti motora:ηeMAX = 35% (Oto motor)ηeMAX = 43% (Dizel motor)

Tokom eksploatacije motor radi na različitim 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

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅hkWkgge – količina goriva u [kg] (ili [g]) potrebna da se radom

motora dobije 1 kWh mehaničke energije

FTN Novi Sad



KRIVE KONSTANTNE SPECIFIČNE EFEKTIVNE POTROŠNJE GORIVA

KRIVE KONSTANTNE SPECIFIČNE EFEKTIVNE POTROŠNJE GORIVA

hkWkg⋅

“ŠKOLJKASTI DIJAGRAM” – linije konstantne specifične efektivne potrošnje ge [g/kWh] ucrtane na brzinskoj karakteristici motora

hkWg⋅

ILI

Potrošnja gorivaENERGETSKA EFIKASNOST pogonskog motora

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.

n(o/min)

M (Nm)gE = gE1 = const (npr. 190 g/kWh)

gE = gE2 = const

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

gE = gE3 = const

gE = gE5 = constgE = gE4 = const

gE1< gE2 < gE3 < ...MA

nA

A

FTN Novi Sad



Potrošnja gorivaUTICAJ PARAMETARA TRANSMISIJE

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

Izvor: Audi, Wallentowitz

1. Uticaj stepena korisnosti

FTN Novi Sad



Potrošnja gorivaUTICAJ PARAMETARA TRANSMISIJE2. Uticaj prenosnih odnosa i njihovog izbora

(strategija upravljanja menjačem)

Odgovarajućim izborom stepena prenosa tj. Prenosnog odnosa omogućava se rad motora u području niže specifične efektivne potrošnje, za isti režim kretanja vozila.

FTN Novi Sad



Potrošnja gorivaUTICAJ 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 FO1, v1.

Za ovaj režim potrebna snaga na točku 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 tački motora koja leži na hiperboli:

constη3600

vF9554ηP9554P9554nM

TR

11O

TR

1T1 =

⋅⋅⋅

=⋅=⋅=⋅

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

nconstMconstnM =⇒=⋅

C3 > C2 > C1

M

n

- jednačina hiperbole

nCM 1=n

CM 2=

nCM 3=

Podsetnik:

UTICAJ PRENOSNOG ODNOSA

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

n (o/min)

M (Nm)

HIPERBOLE KONSTANTNE SNAGE

constη3600

vF9554nMTR

33O =⋅⋅⋅

=⋅

constη3600

vF9554nMTR

11O =⋅⋅⋅

=⋅

constη3600

vF9554nMTR

22O =⋅⋅⋅

=⋅

Prikazane su tri hiperbole za tri režima kretanja: FO1,v1; FO2,v2; FO3,v3

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

P1 = const

P2 = const

P3 = const


FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

Napomena: hiperbole konst. snage nemaju veze sa karakteristikom motora!

One samo daju podatke o mogućim kombinacijama M i n za realizaciju date kombinacije FO i v.



FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

n (o/min)

M (Nm)

MA

MB

MC

nCnA nB

A

B

C

constη3600

vF9554nMnMnMTR

11OCCBBAA =

⋅⋅⋅

=⋅=⋅=⋅

Posmatra se režim kretanja FO1,v1

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



FTN Novi Sad



Potrošnja goriva

n (o/min)

M (Nm)

MA

MB

MC

nCnA nB

A

B

C

Posmatra se režim kretanja FO1,v1

D

TRTRO r

iMF η⋅⋅=

TR

D

inr0,377v ⋅⋅

=

iTR = iTR1 ⇒ MA, nA

iTR = iTR2 ⇒ MB, nB

iTR = iTR3 ⇒ MC, nC

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


FTN Novi Sad



Izračunavanje potrošnje gorivaKretanje vozila u stacionarnom režimu (FO = const, v = const)

FO, v – definišu radni režim vozila

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

FTN Novi Sad




FO, v – definišu radni režim

TR

O

TR

Tmot η

vFηPP ⋅

==

Na kojoj hiperboli se nalazimo?Na kojoj hiperboli se nalazimo?

Koji je radni režim motora?Koji je radni režim motora?

mot

motmot n

P9554M ⋅=

??????

Dati režim kretanja vozila može se realizovati pri bilo kom režimu motora koji odgovara datoj hiperboli konstantne snage.

iTR

Prenosni odnos transmisije konkretno određuje radni režim motora.

FTN Novi Sad




POSTUPAK PRI ODREĐIVANJU POTROPOSTUPAK PRI ODREĐIVANJU POTROŠŠNJENJE

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 pređenog puta

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

FTN Novi Sad




FO, v, rD, iTR

⇓

Mmot, nmot

⇓

ge

iTR = iTR1

⇓

Mmot, nmot

⇓

ge1

iTR = iTR2 ⇒ Mmot, nmot ⇒ ge2

KOLIČINA GORIVA POTROŠENOG U JEDINICI VREMENA: ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

=hkg,

1000PgQ mote

TR

O

TR

Tmot η

vFηPP ⋅

==

hkWg⋅ kW

ILI

9554nMP motmot

mot⋅

=

FTN Novi Sad




PRERAČUNAVANJE:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

=hkg,

1000PgQ mote

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

=⇒⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

hl,

ρQ1000V

hm,

ρQV

gorl/h

3

gor/hm3

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅=⇒⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

km100l,V100V

kml,

vVV kmkm100

l/hkm

vρPmotg100Vgor

ekm100 ⋅

⋅⋅=

POTROŠNJA U [l/100km]

ge (g/kWh), Pmot (kW), ρgor (kg/m3), v (km/h)

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva u stacionarnom režimu

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

+ =

Izvor: Walentowitz

!

Za svaki stepen prenosa postoji optimalna brzina sa stanovišta potrošnje, tako da sa smanjenjem brzine potrošnja raste zbog rada motora u području 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!

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

KRIVE POTROŠNJE GORIVA U ZAVISNOSTI OD BRZINE I STEPENA PRENOSA

FTN Novi Sad



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, uzimajući u obzir i srednju vrednost inercijalne silemotor 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 (FO <, =, > 0)

• Odrediti ukupnu potrošnju goriva kao zbir iz niza posmatranih malih vremenskih intervalaVUK = ΣVi

FTN Novi Sad



Standardni evropski vozni ciklus: MVEG-95 = 4xECE + 1xEUDC

Standardizovani ciklus omogućava međusobnu uporedivost potrošnje goriva kod različitih vozila.

Izvor: Vehicle Propulsion Systems

Potrošnja goriva u nestacionarnom režimuStandardni vozni ciklusi

FTN Novi Sad



Standardni SAD vozni ciklus

Izvor: Vehicle Propulsion Systems

Potrošnja goriva u nestacionarnom režimuStandardni vozni ciklusi

FTN Novi Sad



Struktura potrošnje goriva u različitim režimima kretanja - primer

Izvor: The Automotive Chassis Vol.2


FTN Novi Sad



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

Izvor: The Automotive Chassis Vol.2


Napomena: prosečna brzina je povezana sa brojem obrtaja za promenu stepena – neznatno raste sa porastom n

FTN Novi Sad



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 aerodinamičkih 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.

FTN Novi Sad



Potrošnja goriva - rezime• Svako ubrzavanje u okviru ciklusa povećava ukupnu potrebnu energiju. Ovaj

uticaj raste sa povećanjem mase vozila.

• Sistemi za rekuperaciju mogu u određenoj meri poboljšati energetski bilans konverzijom kinetičke ili visinske energije u potencijalnu. Za sada zastupljeni u jako malom procentu vozila u eksploataciji.

• Energija potrebna za ubrzavanje vozila jednaka je kinetičkoj energiji, i ne zavisi od ubrzanja. Potrošnja goriva pri ubrzanju, međutim, zavisi od načina na koji se ubrzava zbog uticaja parametara motora i transmisije.

• U svakom stepenu prenosa postoji optimalna vrednost brzine za koju je potrošnja goriva minimalna. Daljim smanjenjem brzine, potrošnja raste zbog pogoršanja energetske efikasnosti motora.

• Kretanjem vozila pri manjim vrednostima prenosnih odnosa (“duži prenos”) se, generalno, ostvaruje smanjenje potrošnje jer se motor dovodi u područje većih opterećenja gde je bolja energetska efikasnost. Za određene režime rada motora (npr. suviše nizak broj obrtaja) ovaj optimum može biti narušen.

Documents

p09-potrosnja-goriva