JOURNAL OF KONES 2006 NO 1

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1
THE COURSES OF THE CHARACTERISTICS OF SPARK IGNITION
ENGINES FOR FUELLING WITH PETROL AND LPG GAS IN THE
DYNAMIC CONDITIONS OF MOTION
Kazimierz M. Romaniszyn
University of Bielsko-Biaáa
ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biaáa, Poland
tel./fax: +48 33 8279356
e-mail:[email protected]
Abstract
This paper analyses and evaluates the dynamic speed characteristics calculated from the timed values of the
acceleration of 2 cars fuelled in by petrol and liquefied LPG gas. One of the two cars was factory fitted with a
carburettor, the other one was factory fitted with a multipoint injection system. Both cars were then fitted with
put-on type LPG gas fuelling systems. The impact of the fuel type on the curves of torque generated by the
engine in dynamic conditions and their reference to speed characteristics for steady operational conditions.
The schema of a gas fuelled system for a car with carburettor petrol system and the schema of gas fuelled
system for a car with an engine with multipoint petrol injection is presented in the paper. Test results involve
variability of torques generated by the engine of the car with carburettor power supply petrol in the function of
the rotational speed at accelerating the motion on IV and V gear, and the variability torques generated by the
engine of the car supplied of MPI in the function of the rotational speed at accelerating the motion on IV and V
gear.
Building of feed gas installation causes the essential decreasing of the engine power especially at higher
rotational speeds for the car-supplied standard with the carburettor, whereat this decreasing applies both feed
petrol as and gas. However building of the feed gas installation does not cause the essential change torque at
feed petrol with the standard multipoint injection petrol MPI. But essential decreasing torque in dynamic
conditions occurs at the gas feed.
Keywords: vehicle, combustion engines, alternative fuels, fueling systems, performances
PRZEBIEGI CHARAKTERYSTYK SZYBKOĝCIOWYCH SILNIKÓW
ZI DLA ZASILANIA BENZYNĄ I GAZEM LPG W DYNAMICZNYCH
WARUNKACH RUCHU SAMOCHODU
Streszczenie
W publikacji opisano wyniki badaĔ rozpĊdzania dwóch typów samochodów zasilanych alternatywnie
benzyną i gazem LPG. Badano samochody: zasilany standardowo gaĨnikiem i zasilany wtryskiem benzyny w
systemie MPI. Opisano metodykĊ uzyskiwania charakterystyk szybkoĞciowych z pomiarów rozpĊdzania.
Porównano i oceniono wpáyw rodzaju paliwa na ksztaát tych charakterystyk.
W artykule przedstawiono schemat ukáadu zasilania gazem samochodu z gaĨnikowym zasilaniem benzyną
oraz schemat ukáadu zasilania gazem samochodu z silnikiem z wielopunktowym wtryskiem benzyny. Wyniki
badaĔ obejmują zmiennoĞü momentów obrotowych generowanych przez silnik samochodu z gaĨnikowym
zasilaniem benzyną w funkcji prĊdkoĞci obrotowej przy rozpĊdzaniu na IV i V biegu oraz zmiennoĞü momentów
obrotowych generowanych przez silnik samochodu zasilanego MPI w funkcji prĊdkoĞci obrotowej przy
rozpĊdzaniu na IV i V biegu.
K. Romaniszyn
Dla samochodu zasilanego standardowo gaĨnikiem, zabudowanie instalacji zasilania gazem powoduje
istotny spadek mocy szczególnie na wyĪszych prĊdkoĞciach obrotowych, przy czym spadek ten dotyczy zarówno
zasilania benzyną jak i gazem. Dla samochodu zasilanego standardowo wielopunktowym wtryskiem benzyny
MPI zabudowanie ukáadu zasilania gazem nie powoduje istotnej zmiany momentu obrotowego w przy zasilaniu
benzyną, natomiast wystĊpuje istotny spadek momentu obrotowego w warunkach dynamicznych przy zasilaniu
gazem.
Sáowa kluczowe: pojazd samochodowy, silnik spalinowy, paliwa alternatywne, ukáady zasilania, charakterystyki
1. WstĊp
W praktyce spotyka siĊ wiele opinii odnoĞnie wpáywu zasilania skroplonym gazem LPG
na ekonomikĊ i wáaĞciwoĞci dynamiczne samochodów. MoĪna siĊ spotkaü z opiniami od
skrajnie optymistycznych do sceptycznych. Te ostatnie dotyczą gáównie samochodów
zasilanych standardowo gaĨnikami. Nie kwestionują one korzyĞci ekonomicznych, lecz
uwypuklają sáabą dynamikĊ samochodu przy zasilaniu gazem LPG. Samochody tego typu
spotykane na drogach czĊsto emitują intensywny zapach spalanego gazu charakterystyczny
dla Ĩle wyregulowanych kuchenek gazowych. Przeprowadzone pomiary emisyjnoĞci spalin
samochodów dla tych samochodów czĊsto wykazują, iĪ nie speániają one Īadnych norm
poziomu zanieczyszczeĔ [1].
Z uwagi na powyĪsze celowym byáo podjĊcie prac badawczych pozwalających na ocenĊ
emisyjnoĞci skáadników spalin i wáasnoĞci dynamicznych samochodów zasilanych
alternatywnie benzyną i skroplonym gazem LPG. Wyniki badaĔ emisyjnoĞci spalin opisano w
[2 i 3]. Natomiast w niniejszej publikacji przedstawiono wyniki badaĔ trakcyjnych, na
podstawie których opracowano charakterystyki szybkoĞciowe uzyskane w dynamicznych
warunkach ruchu dla zasilania benzyną i gazem LPG. Jako obiekty badaĔ przyjĊto:
- Samochód zasilany standardowo gaĨnikiem dwustopniowym wyposaĪony w
nakáadkowy system zasilania gazem LPG pierwszej generacji (otwarty system
zasilania). Samochód ten oznaczono w skrócie jako A.
- Samochód zasilany standardowo wielopunktowym wtryskiem benzyny, wyposaĪony
w nakáadkowy system zasilania gazem LPG, pracujący w pĊtli sprzĊĪenia zwrotnego
przez sondĊ lambda. Samochód ten oznaczono w skrócie przez B.
Obydwa samochody przystosowano do zasilania gazem w certyfikowanej firmie. Obydwa
miaáy podobne przebiegi rzĊdu 30 000 km i naleĪaáy do tej samej grupy handlowej. Schematy
ukáadów zasilania gazem dla tych samochodów przedstawiono na rysunkach 1 i 2.
2. Metodyka uzyskiwania charakterystyk szybkoĞciowych w warunkach dynamicznych
MetodykĊ oparto o zaáoĪenie równowagi miĊdzy siáami oporów ruchu przy rozpĊdzaniu
samochodu i siáą napĊdową wygenerowaną przez silnik. W warunkach rozpĊdzania
samochodu na páaskiej poziomej nawierzchni wystąpią nastĊpujące siáy oporu [4]:
- siáa oporu toczenia,
- siáy oporu bezwáadnoĞci masy samochodu w ruchu postĊpowym i rozpĊdzania mas
wirujących,
- siáa oporu powietrza.
Równanie ruchu uwzglĊdniające straty wynikające z rozpĊdzania mas wirujących
związanych z waáem korbowym ma postaü:
-Ts icK m
rd
I sMs icK m
rd
F\ F p mx 326
¦ I M
k
rd
k
.
(1)
THE COURSES OF THE CHARACTERISTICS OF SPARK IGNITION ENGINES FOR FUELLING...
Rys. 1. Schemat ukáadu zasilania gazem samochodu A z silnikiem gaĨnikowym
Fig. 1. A diagram of the gas fuelling system of the A car with carburettor engine
Rys. 2. Schemat ukáadu zasilania gazem samochodu B z silnikiem z wielopunktowym wtryskiem benzyny
Fig.2. A Schema of the gas fuelling system of the B car with the engine with multipoint petrol injection
327
K. Romaniszyn
W równaniu tym oznaczono:
- - wspóáczynnik spadku mocy silnika w warunkach nieustalonych,
Ts - moment obrotowy rozwijany przez silnik w warunkach ustalonych,
ic - przeáoĪenie caákowite w ukáadzie napĊdowym,
K m - sprawnoĞü mechaniczna przeniesienia napĊdu,
rd - promieĔ dynamiczny koáa jezdnego,
I s - moment bezwáadnoĞci ruchomych czĊĞci silnika sprowadzony do osi waá u
korbowego,
M - kąt obrotu waáu korbowego silnika,
F\ - siáa oporu drogi, - dla ruchu po poziomej drodze równa sile oporu toczenia,
F p - siáa oporu powietrza,
m - masa pojazdu,
I k - masowy moment bezwáadnoĞci kóá,
x - wspóárzĊdna pozioma poáoĪenia Ğrodka ciĊĪkoĞci samochodu.
Z równania (1) moĪna wyznaczyü zmiennoĞü momentu obrotowego wytwarzanego przez
silnik w funkcji prĊdkoĞci obrotowej waáu korbowego;
Ts
(
Tn
1
I s ˜ Ms ) , gdzie Tn
ic ˜ K m
-
Fn ˜ rd , zaĞ Fn
Fb F p F\ .
(2)
Z równania (2) moĪna wyznaczyü moment obrotowy Tn wytwarzany przez silnik podczas
rozpĊdzania. MoĪna przyjąü poniĪsze zaleĪnoĞci opisujące siáy oporu ruchu [4]:
F p 0,646C x FV 2 - siáa oporu powietrza w N dla gĊstoĞci powietrza przy ciĞnieniu
okoáo 1000 hPa ,( C x - wspóáczynnik oporu czoáowego, F – pole powierzchni czoáowej w m2,
V - prĊdkoĞü samochodu w m/s),
F\ mgf - siáa oporu toczenia (f – wspóáczynnik oporu toczenia, g –
przyspieszenie ziemskie),
(
Fb m(1 G s G k ) x - siáa oporu bezwáadnoĞci (x – wspóárzĊdna poáoĪenia
Ğrodka ciĊĪkoĞci samochodu),
I s .i g2 .K m .ib2
Gs
- wspóáczynnik mas zredukowanych silnika ( ig – przeáoĪenie
m.rd2
przekáadni gáównej, ib – przeáoĪenie skrzyni biegów),
kI k
Gk
- wspóáczynnik mas zredukowanych kóá (k – liczba kóá).
mrd2
Przyspieszenia do obliczeĔ odczytywano z zarejestrowanych zmian prĊdkoĞci samochodu w
funkcji czasu. Obliczone momenty obrotowe Tn ; aproksymowano funkcją trzeciego stopnia
metodą najmniejszych kwadratów.
3. Uzyskane wyniki
Badania trakcyjne samochodów prowadzono zgodnie z normą PN-92/S-77500 [5] dla
rozpĊdzania na czwartym i piątym biegu. Z uwagi na ograniczoną dáugoĞü odcinka
pomiarowego, na piątym biegu rozpĊdzano samochody do prĊdkoĞci obrotowych silnika 3600
obr/min dla samochodu A i 4200 obr/min dla samochodu B.
328
THE COURSES OF THE CHARACTERISTICS OF SPARK IGNITION ENGINES FOR FUELLING...
Na kolejnych rysunkach 3 i 4 przedstawiono uzyskane z obliczeĔ zmiennoĞci momentów
obrotowych silników samochodów A – rys. 3 i B – rys. 4. Na rysunki te naniesiono równieĪ
krzywe momentów obrotowych dla statycznych charakterystyk szybkoĞciowych podane przez
producentów samochodów.
95
Moment silnika [Nm]
90
85
80
75
70
RozpĊdzanie na IV biegu
65
60
55
50
95
Moment silnika [Nm]
90
85
80
75
70
RozpĊdzanie na V biegu
65
60
55
50
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800
PrĊdkoĞü obrotowa [1/min]
Moment silnika - charakterystyka z hamowni silnikowej (dane producenta)
Moment generowany przez silnik obliczony z pomiarów drogowych - zasilanie benzyna
Moment generowany przez silnik obliczony z pomiarów drogowych - zasilanie LPG
Rys. 3. ZmiennoĞü momentów obrotowych generowanych przez silnik samochodu zasilanego gaĨnikiem (A) w
funkcji prĊdkoĞci obrotowej przy rozpĊdzaniu na IV i V biegu
Fig. 3. The variability of the torques generated by the engine of a carburettor-fuelled car (A) in the speed
function for acceleration in the IV and V gear
4. Wnioski
1. Dla samochodu A zasilanego standardowo gaĨnikiem, zabudowanie instalacji zasilania
gazem LPG powoduje znaczący spadek mocy szczególnie na wyĪszych prĊdkoĞciach
obrotowych. Spadek ten dotyczy zarówno zasilania benzyną jak i gazem. Obliczone dla
tego samochodu zmiennoĞci momentów obrotowych w warunkach dynamicznych ruchu
samochodu są znacząco niĪsze od momentu obrotowego charakterystyki szybkoĞciowej.
NaleĪy zwróciü uwagĊ, Īe dla charakterystyki szybkoĞciowej (statycznej) wyraĨnie
zaznacza siĊ zafalowanie momentu obrotowego w wyniku otwarcia przepustnicy drugiego
329
K. Romaniszyn
stopnia gaĨnika. Takie zafalowanie nie wystĊpuje w charakterystykach obliczonych dla
dynamicznych warunków ruchu zarówno dla zasilania benzyną jak i gazem LPG.
Wytáumaczenia tych zjawisk moĪna siĊ doszukiwaü w istnieniu dodatkowej zwĊĪki
(mieszalnika) w ukáadzie dolotowym, która moĪe stanowiü istotny dáawik szczególnie dla
wysokich prĊdkoĞci obrotowych.
110
105
Moment silnika [Nm]
100
95
90
85
80
75
70
RozpĊdzanie na IV biegu
65
60
55
50
110
105
Moment silnika [Nm]
100
95
90
85
80
75
70
RozpĊdzanie na V biegu
65
60
55
50
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600
PrĊdkoĞü obrotowa [1/min]
Moment silnika - charakterystyka z hamowni silnikowej (dane producenta)
Moment generowany przez silnik obliczony z pomiarów drogowych - zasilanie benzyna
Moment generowany przez silnik obliczony z pomiarów drogowych - zasilanie LPG
Rys. 4. ZmiennoĞü momentów obrotowych generowanych przez silnik samochodu zasilanego MPI (B) w funkcji
prĊdkoĞci obrotowej przy rozpĊdzaniu na IV i V biegu
Fig. 4. The variability of the torques generated by the engine of a MPI – fuelled car (B) in the speed function for
acceleration in the IV and V gear
2. Dla samochodu B zasilanego standardowo wielopunktowym wtryskiem benzyny MPI,
zabudowanie ukáadu zasilania gazem LPG nie powoduje istotnej zmiany momentu
obrotowego rozwijanego w warunkach dynamicznych przy zasilaniu benzyną. Dzieje siĊ
tak mimo wprowadzenia zwĊĪki mieszalnika do ukáadu dolotowego. Natomiast moĪna
zauwaĪyü znaczący spadek momentu obrotowego rozwijanego w warunkach
dynamicznych dla zasilania gazem LPG. Wytáumaczeniem tego moĪe byü diametralnie
330
THE COURSES OF THE CHARACTERISTICS OF SPARK IGNITION ENGINES FOR FUELLING...
inny algorytm sterowania centrali sterującej ukáadu LPG nie ukierunkowany na osiągi
dynamiczne silnika.
Literatura
[1] Romaniszyn, K. M., Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego KBN 8T12D 03221
2002.
[2] Brzozowski, K., Romaniszyn, K. M., Charakterystyka dynamiczna zuĪycia paliwa i emisji
związków szkodliwych spalin, Zeszyty Naukowe OBR SM BOSMAL. Zeszyt 1-2/2003
str. 5 – 14.
[3] Nowak, A., Romaniszyn, K. M.. Charakterystyki emisji zanieczyszczeĔ z samochodowych
silników spalinowych w warunkach dynamicznych, InĪynieria Maszyn,Vol. 8 zeszyt 4,
2003.
[4] ArczyĔski, S., Mechanika ruchu samochodu, WNT Warszawa1994.
[5] Norma nr PN-92/S-77 500 (Regulamin nr 68 EKG ONZ) IntensywnoĞü rozpĊdzania.
331