Επίπτωση των τεχνικών χαρακτηριστικών των επιβατικών αυτοκινήτων στην αντίσταση δρόμου και την κατανάλωση καυσίμου

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Επίπτωση των τεχνικών χαρακτηριστικών των επιβατικών αυτοκινήτων στην αντίσταση δρόμου και την κατανάλωση καυσίμου Στυλιανός Δουλγέρης ΑΕΜ:5117 Υπεύθυνος: Ζήσης Σαμαράς Αρμόδιοι παρακολούθησης: Αθανάσιος Δημάρατος, Δημήτριος Τσοκόλης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 216

2 Στυλιανός Δουλγέρης ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI FACULTY OF ENGINEERING DEPT. OF MECHANICAL ENGINEERING LABORATORY OF APPLIED THERMODYNAMICS DIPLOMA THESIS Impact of technical specifications on Road Load and Fuel Consumption from passenger cars Stylianos Doulgeris UNI:5117 Supervisor: Zisis Samaras Advisors: Athanasios Dimaratos, Dimitrios Tsokolis THESSALONIKI, NOVEMBER 216 ΕΕΘ i

3 Διπλωματική Εργασία ii ΕΕΘ

4 Στυλιανός Δουλγέρης 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Αθανάσιος Δημάρατος, Δημήτριος Τσοκόλης Ζήσης Σαμαράς 7. Τίτλος Εργασίας: ΕΠΙΠΤΩΣΗ ΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΕΠΙΒΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΔΡΟΜΟΥ ΚΑΙ ΤΗΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: Στυλιανός Δουλγέρης 1. Θεματική Περιοχή: Εκπομπή CO 2 από επιβατικά αυτοκίνητα. 11. Ημερ. Έναρξης: Νοέμβριος Ημερ. Παράδοσης: Νοέμβριος Περίληψη: Η κλιματική αλλαγή αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Τα επιβατικά αυτοκίνητα κατατάσσονται στους σημαντικότερους παραγωγούς CO 2, κάτι που οδηγεί την νομοθεσία να θέτει αυστηρά όρια για τις εκπομπές τους. Η αντίσταση δρόμου ενός αυτοκινήτου αποτελεί την σημαντικότερη παράμετρο που καθορίζει την κατανάλωση και κατ επέκταση τις εκπομπές CO 2. Η παρούσα εργασία ασχολείται με την αντίσταση δρόμου που δέχεται ένα όχημα κατά την κίνηση του. Γίνεται μία ανάλυση των δυνάμεων (αεροδυναμική αντίσταση, αντίστασης τριβής και απώλειες κιβωτίου) που δρουν στο όχημα και μελετώνται οι παράγοντες που τις επηρεάζουν. Επίσης στα πλαίσια της μελέτης αυτής εξετάζεται η επίδραση των τεχνικών χαρακτηριστικών των οχημάτων στην διαμόρφωση του φορτίου δρόμου. Έτσι αναπτύσσεται μία βάση δεδομένων στην οποία περιέχονται αυτοκίνητα όλων των κατηγοριών για τα οποία είναι καταγεγραμμένα τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά και οι συντελεστές που περιγράφουν το φορτίο δρόμου αυτών. Με τη βοήθεια της βάσης δεδομένων αναπτύσσεται ένα εργαλείο, το οποίο εκτιμά το φορτίο δρόμου αυτοκινήτων που ανήκουν στις κατηγορίες που μελετώνται. Η βαθμονόμηση του εργαλείου έγινε με βάση τα ήδη γνωστά τεχνικά χαρακτηριστικά ενώ το σφάλμα υπολογισμού της αντίστασης δρόμου είναι μικρότερο από 8%, κάτι που οδηγεί σε απόκλιση του CO 2 μικρότερη από.8 g/km στον NEDC. Τέλος στα πλαίσια της εργασία αναπτύχτηκε ένα υπολογιστικό μοντέλο αυτοκινήτου στο λογισμικό AVL CRUISE το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της κατανάλωσης καυσίμου και τις εκπομπές CO 2 για τα διάφορα φορτία δρόμου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μεταβολή του φορτίου έχει μεγαλύτερη επίδραση στον WLTC από ότι στον NEDC, ενώ μεταβολή της δύναμης κατά 1 N οδηγεί σε 1% μεταβολή της κατανάλωσης καυσίμου. 9. Αριθμός Μητρώου: Αριθμός Εργασίας 16.DI.91.V2 15. Στοιχεία Εργασίας Αρ. Σελίδων: 96 Αρ. Εικόνων: 84 Αρ. Διαγραμμάτων: Αρ. Πινάκων: 9 Αρ. Παραρτημάτων: - Αρ. Παραπομπών: Λέξεις Κλειδιά: Εκπομπή CO 2 Επιβατικά αυτοκίνητα Φορτίο δρόμου Τεχνικά χαρακτηριστικά Κατανάλωση καυσίμου 17. Σχόλια 18. Συμπληρωματικές Παρατηρήσεις: 19. Βαθμός ΕΕΘ iii

5 Διπλωματική Εργασία iv ΕΕΘ

6 Στυλιανός Δουλγέρης 1. ARISTOTLE UNIVERSITY THESSALONIKI 5. Supervisor: 2. DEPT. OF MECHANICAL ENGINEERING 3. ENERGY SECTOR 4. LABORATORY OF APPLIED THERMODYNAMICS 6. Advisors: Athanasios Dimaratos, Dimitrios Tsokolis Zisis Samaras 7. Τίτλος Εργασίας: IMPACT OF TECHNICAL SPECIFICATIONS ON ROAD LOAD AND FUEL CONSUMPTION FROM PASSENGER CARS 8. Student s name: Stylianos Doulgeris 1. Subject area: CO 2 emission from passenger cars. 11. Start date: November End date: November Summary: Climate change is one of the most severe environmental problems humanity faces. Passenger cars are ranked in the most important CO 2 producers, something that leads lawmakers to establish strict limits for their emissions. Vehicle s Road Load is the key parameter which determines fuel consumption and CO 2 emissions. The current thesis deals with the Road Load acting on a vehicle during its motion. The forces (aerodynamic drag, rolling resistance and drivetrain losses) acting on the vehicle are analyzed and the factors affecting them are studied. Furthermore, as part of this study, the impact of the vehicle s technical specifications on Road Load are studied. Thus, a database is developed, containing cars from all segments for which the technical specifications and the Road Load coefficients are recorded. Based on the database, a tool is developed, which estimates the road load of vehicles belonging in the segments which are studied. Calibration of this tool was done using the already known technical specifications and the error of the Road Load calculation is not more than 8%, something that leads to deviation in CO 2 smaller than.8 g/km in NEDC. Finally, for the cause of this thesis a simulation model of a vehicle was developed with AVL-CRUISE software, which was used to calculate fuel consumption and CO 2 emissions for the different Road Loads. The results show that changing Road Load has a bigger impact on WLTC than NEDC and 1 N change on Road Load leads to 1% change on fuel consumption. 9. UNI: Thesis number 16.DI.91.V2 15. Thesis information Number of pages: 96 Number of figures: 84 Number of graphs: Number of tables: 9 Number of appendices: - Number of references: Key words: CO 2 emission Passenger cars Road Load Technical specifications Fuel consumption 17. Comments 18. Additional comments: 19. Rating ΕΕΘ v

7 Διπλωματική Εργασία vi ΕΕΘ

8 Στυλιανός Δουλγέρης Πρόλογος Με την ολοκλήρωση της παρούσας Διπλωματικής εργασίας, κλείνει ο κύκλος σπουδών μου στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ και ολοκληρώνεται η φοιτητική μου καριέρα, κατά την οποία έλαβα τις βασικές γνώσεις του Μηχανολόγου Μηχανικού, ενώ γνώρισα τα αντικείμενα που απασχολούν τους σύγχρονους μηχανικούς. Στα πλαίσια λοιπόν της Διπλωματικής εργασία, μου δόθηκε η ευκαιρία να ασχοληθώ και να εξειδικευτώ σε θέματα που αφορούν τις μηχανές εσωτερικής καύσης, τις τεχνολογίες που εφαρμόζονται στα σύγχρονα αυτοκίνητα και να γνωρίσω την ερευνητική δραστηριότητα που εξελίσσεται γύρω από τα συγκεκριμένα θέματα. Επίσης μου δόθηκε η ευκαιρία να χρησιμοποιήσω τις γνώσεις που έλαβα, κατά την διάρκεια των σπουδών μου, σε πραγματικές εφαρμογές. Επιπλέον μέσα από την εκπόνηση της Διπλωματικής εργασίας κατάφερα να εμπλουτίσω τις γνώσεις μου, αλλά και να μαζέψω επαγγελματική εμπειρία, κάτι που δεν διδάσκεται παρά μόνο κατακτιέται. Τέλος, κατάφερα να γνωρίσω από κοντά ένα άρτια καταρτισμένο εργασιακό και ερευνητικό περιβάλλον, όπως το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Σε αυτό το σημείο θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που βοήθησαν στην επίτευξη των παραπάνω στόχων. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή κύριο Ζήση Σαμαρά, ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία να εκπονήσω υπό την επίβλεψή του την Διπλωματική μου εργασία και μου εμπιστεύτηκε μέρος της δουλειάς που λαμβάνει χώρα στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω για την βοήθεια και καθοδήγηση τους, τον Αθανάσιο Δημάρατο και τον Δημήτριο Τσοκόλη, οι οποίοι μου παρείχαν τις απαραίτητες γνώσεις και πληροφορίες για την ολοκλήρωση της εργασίας μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω του γονείς μου, που πάντα βρίσκονται στο πλευρό μου και στηρίζουν κάθε μου βήμα, καθώς δίχως την συμπαράσταση και την προσφορά τους η επίτευξη των στόχων μου θα ήταν δύσκολη έως αδύνατη. Δουλγέρης Στυλιανός, Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 216. ΕΕΘ vii

9 Διπλωματική Εργασία viii ΕΕΘ

10 Στυλιανός Δουλγέρης Περιεχόμενα Πρόλογος... vii Λίστα εικόνων... xi 1 Εισαγωγή Το Φαινόμενο του θερμοκηπίου Εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για την Ευρώπη των Τα αυτοκίνητα ως πηγή παραγωγής CO «22», οι στόχοι της Ευρώπης Μετάβαση από τον NEDC στον WLTP Περιγραφή και στόχος της Εργασίας Φορτίο δρόμου, η δύναμη αντίστασης ενός οχήματος Τι είναι το φορτίο δρόμου Αεροδυναμική αντίσταση Αντίσταση τριβής κύλισης Απώλειες και δύναμη τριβής στο σύστημα μετάδοσης κίνησης Πειραματικός προσδιορισμός του φορτίου δρόμου Η φυσική σημασία των F, F 1 και F 2 και η συνεισφορά τους στη συνολική δύναμη αντίστασης Μέτρηση σε πέδη οχημάτων Δημιουργία βάσης δεδομένων και κατασκευή αλγόριθμου εκτίμησης φορτίου δρόμου Δημιουργία βάσης δεδομένων Ανάλυση της βάσης δεδομένων Σύγκριση του φορτίου δρόμου για οχήματα με όμοια χαρακτηριστικά Ανάπτυξη αλγόριθμου εκτίμησης αντίστασης δρόμου Εφαρμογή του αλγόριθμου Επίδραση του φορτίου δρόμου στην κατανάλωση Περιγραφή του μοντέλου στο λογισμικό AVL CRUISE Επίδραση του φορτίου δρόμου στην κατανάλωση καυσίμου Μεταβολή στην κατανάλωση καυσίμου με μεταβολή των τεχνικών χαρακτηριστικών Συμπεράσματα Βιβλιογραφία... 8 ΕΕΘ ix

11 Διπλωματική Εργασία x ΕΕΘ

12 Στυλιανός Δουλγέρης Λίστα εικόνων Εικόνα 1-1 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου...1 Εικόνα 1-2 Συγκέντρωση των αερίων του θερμοκηπίου σε παγκόσμια κλίμακα...3 Εικόνα 1-3 Συνεισφορά των οικονομικών δραστηριοτήτων στην εκπομπή CO Εικόνα 1-4 Εκπομπή CO2 για το214 ανά κράτος μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης των Εικόνα 1-5 Κατανομή των επιβατικών χιλιομέτρων για το 22 στην EU Εικόνα 1-6 Κατανομή των επιβατικών χιλιομέτρων για το 212 στην EU Εικόνα 1-7 Ο κύκλος NEDC...7 Εικόνα 1-8 Στόχοι της Ευρώπης για την παραγωγή CO 2 από τα αυτοκίνητα...8 Εικόνα 1-9 Χρονική εξέλιξη της εκπομπής CO 2 για B-seg. Diesel...8 Εικόνα 1-1 Σύγκριση NEDC με πραγματική μέτρηση...9 Εικόνα 1-11 Ο κύκλος WLTC... 1 Εικόνα 2-1 Οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα Εικόνα 2-2 Οπτικοποίηση των ροϊκών γραμμών σε αεροσήραγγα Εικόνα 2-3 Κατανομή πίεσης στο αμάξωμα Εικόνα 2-4 Κατανομή πίεσης για διάφορου τύπους αμαξώματος Εικόνα 2-5 Μετωπική επιφάνεια οχημάτων Εικόνα 2-6 Μεταβολή του cd συναρτήσει της κλίσης Εικόνα 2-7 Ροή αέρα γύρο από τους τροχούς... 2 Εικόνα 2-8 Επαφή ελαστικού - οδοστρώματος Εικόνα 2-9 Παραμόρφωση ελαστικού Εικόνα 2-1 Διάταξη μέτρησης συντελεστή τριβής Εικόνα 2-11 Μεταβολή συντελεστή τριβής για διάφορους τύπους οδοστρώματος συναρτήσει της πίεσης αέρα Εικόνα 2-12 Συντελεστής τριβής συναρτήσει της πίεσης αέρα Εικόνα 2-13 Ενεργειακές κλάσεις ελαστικών με βάση τη νομοθεσία Εικόνα 2-14 Πίεση ελαστικών για τα επιβατικά αυτοκίνητα Εικόνα 2-15 Μέτρηση τριβής συστήματος μετάδοσης κίνησης Εικόνα 2-16 Διαδικασία μέτρησης τριβής συστήματος μετάδοσης κίνησης Εικόνα 2-17 Μέτρηση ταχύτητας κατά το Coast Down Test... 3 Εικόνα 2-18 Προσδιορισμός των σταθερών του φορτίου από μέτρηση Εικόνα 2-19 Απώλειες συστήματος μετάδοσης κίνησης συναρτήσει της ταχύτητας Εικόνα 2-2 Δύναμη τριβής συναρτήσει της ταχύτητας Εικόνα 2-21 Δύναμη αντίστασης για ΑΤ και ΜΤ συναρτήσει της ταχύτητας Εικόνα 2-22 Κατανομή της δύναμης αντίστασης για διάφορες ταχύτητες Εικόνα 2-23 Σύγκριση πραγματικού φορτίου με το φορτίο της πέδης Εικόνα 2-24 Δύναμη που ασκεί η πέδη Εικόνα 2-25 Σχηματική διάταξη πέδης και μετρητικής διάταξης Εικόνα 3-1 Αριθμός οχημάτων για κάθε κατηγορία... 4 Εικόνα 3-2 Κατανομή βενζινοκίνητων και πετρελαιοκίνητων Εικόνα 3-3 Κατανομή βενζινοκίνητων και πετρελαιοκίνητων για κάθε κατηγορία Εικόνα 3-4 Κατανομή μηχανικών και αυτόματων κιβωτίων Εικόνα 3-5 Κατανομή μηχανικών και αυτόματων κιβωτίων για κάθε κατηγορία Εικόνα 3-6 Μέση τιμή του όγκου εμβολισμού Εικόνα 3-7 Μέση τιμή του απόβαρου ΕΕΘ xi

13 Διπλωματική Εργασία Εικόνα 3-8 Μέση τιμή μήκους αμαξώματος Εικόνα 3-9 Μέση τιμή πλάτους αμαξώματος Εικόνα 3-1 Μέση τιμή ύψους αμαξώματος Εικόνα 3-11 Μέσο F συναρτήσει της μέσης μάζας για κάθε κατηγορία Εικόνα 3-12 Σταθερός όρος F για κάθε όχημα και κατηγορία Εικόνα 3-13 Γραμμικός όρος F 1 για κάθε όχημα και κατηγορία... 5 Εικόνα 3-14 Συντελεστής τετραγώνου F 2 για κάθε όχημα και κατηγορία Εικόνα 3-15 Σύγκριση φορτίου για ΜΤ και ΑΤ αυτοκινήτου κατηγορίας Α Εικόνα 3-16 Σύγκριση φορτίου για 1.2 L και.8 L αυτοκινήτου κατηγορίας Α Εικόνα 3-17 Σύγκριση φορτίου για 1.2 L και 1.5 L αυτοκινήτου κατηγορίας B Εικόνα 3-18 Σύγκριση φορτίου για ΜΤ και ΑΤ αυτοκινήτου κατηγορίας Β Εικόνα 3-19 Συντελεστές φορτίου δρόμου για τις εκδόσεις του ίδιου μοντέλου Εικόνα 3-2 Σύγκριση φορτίου για 134kW και 179kW κατηγορίας C Εικόνα 3-21 Λογικό διάγραμμα αλγορίθμου Εικόνα 3-22 Παράδειγμα υπολογισμού φορτίου δρόμου Εικόνα 3-23 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος Εικόνα 3-24 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος Εικόνα 3-25 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος Εικόνα 4-1 Μοντέλο στο περιβάλλον του CRUISE Εικόνα 4-2 Πεδίο επιλογής παραμέτρων οδηγού Εικόνα 4-3 Μοντέλο ηλεκτρικών Εικόνα 4-4 Μέτρηση CO 2 για NEDC Εικόνα 4-5 Μέτρηση CO 2 για WLTC Εικόνα 4-6 Σύγκριση CO 2 μέτρησης και προσομοίωσης για κύκλους θερμής εκκίνησης Εικόνα 4-7 Κατανάλωση καυσίμου για NEDC θερμής εκκίνησης Εικόνα 4-8 Ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα για NEDC θερμής εκκίνησης Εικόνα 4-9 Κατανάλωση καυσίμου για WLTC θερμής εκκίνησης Εικόνα 4-1 Ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα για WLTC θερμής εκκίνησης Εικόνα 4-11 Σύγκριση CO 2 μέτρησης και προσομοίωσης για κύκλους ψυχρής εκκίνησης... 7 Εικόνα 4-12 Κατανάλωση καυσίμου για NEDC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-13 Ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα για NEDC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-14 Θερμοκρασία ψυκτικού για NEDC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-15 Κατανάλωση καυσίμου για WLTC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-16 Ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα για WLTC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-17 Θερμοκρασία ψυκτικού για WLTC ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4-18 Ποσοστιαία μεταβολή κατανάλωσης καυσίμου με μεταβολή της δύναμης Εικόνα 4-19 Μεταβολή του CO 2 με μεταβολή της δύναμης Εικόνα 4-2 Μεταβολή εκπομπής CO 2 για NEDC με μεταβολή χαρακτηριστικών Εικόνα 4-21 Μεταβολή εκπομπής CO 2 για WLTC με μεταβολή χαρακτηριστικών Εικόνα 4-22 Μεταβολή του φορτίου δρόμου για 5% αύξηση της μάζας Εικόνα 4-23 Μεταβολή του φορτίου δρόμου για 7% αύξηση του c d xii ΕΕΘ

14 Στυλιανός Δουλγέρης ΕΕΘ xiii

15 Διπλωματική Εργασία xiv ΕΕΘ

16 Στυλιανός Δουλγέρης 1 Εισαγωγή Στα χρόνια της βιομηχανικής επανάστασης, στην δυτική κυρίως Ευρώπη, έλαβαν χώρα μεγάλες και ραγδαίες οικονομικές και τεχνολογικές μεταβολές. Στον τομέα των μεταφορών εφαρμόστηκαν νέες τεχνολογίες όπως η ατμομηχανή και αργότερα οι μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ). Η χρήση των νέων αυτών τεχνολογιών απαιτούσε και την εύρεση νέων πηγών ενέργειας όπως το κάρβουνο και το πετρέλαιο αυξάνοντας την εξάρτηση της ανθρωπότητας από τα ορυκτά καύσιμα. Στην εισαγωγή της παρούσας εργασίας περιγράφεται το πρόβλημα της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής, η συνεισφορά των οχημάτων στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τα μέτρα που λαμβάνει η Ευρωπαϊκή Ένωση για τον περιορισμό των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από τον στόλο των οχημάτων. Στα πλαίσια του περιορισμού των εκπομπών CO 2 από τα επιβατικά οχήματα, οι κατασκευαστές προσπαθούν να σχεδιάζουν οικονομικότερα αυτοκίνητα. Για την επίτευξη του στόχου αυτού δίνεται έμφαση στην σχεδίαση και την επιλογή των τεχνικών τους χαρακτηριστικών (μάζα, εξωτερική διαμόρφωση, επιλογή ελαστικών). 1.1 Το Φαινόμενο του θερμοκηπίου Ένα από τα μεγαλύτερα σύγχρονα προβλήματα είναι η παγκόσμια κλιματική αλλαγή που οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Κατά ένα μεγάλο βαθμό αυτό το «φαινόμενο» οφείλεται στην ανθρώπινη δραστηριότητα. Με τον όρο φαινόμενο του θερμοκηπίου χαρακτηρίζεται η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη. Το όνομα του οφείλεται στην παρομοίωση της ατμόσφαιρας με τα θερμοκήπια που χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια οπωροκηπευτικών, στα οποία η ακτινοβολία του ήλιου «εγκλωβίζεται» με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό τους, εικόνα 1-1. Έχει παρατηρηθεί ότι η αύξηση της συγκέντρωσης ορισμένων αερίων στην ατμόσφαιρα ευνοούν την συγκράτηση της ηλιακής ακτινοβολίας, μεταβάλλοντας το ενεργειακό ισοζύγιο της γης. Εικόνα 1-1 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου ΕΕΘ 1

17 Διπλωματική Εργασία Η καταγραφή της παγκόσμιας μέσης θερμοκρασίας παρουσιάζει μια μακροπρόθεσμη αυξητική τάση από το τέλος του 19 ου αιώνα, η οποία έγινε απότομη μετά από το 197. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας για την εικοσαετία μετά το 1986 κυμάνθηκε μεταξύ.13 και.24 o C ανά δεκαετία. Ο ρυθμός αυτός, λόγω φυσικών παραγόντων όπως η ηλιακή και η ηφαιστειακή δραστηριότητα, ελαττώθηκε για την δεκαετία σε o C ανά δεκαετία. Η μέση θερμοκρασία του πλανήτη θα συνεχίσει να παρουσιάζει αυξητική τάση ως συνέπεια της αύξησης της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου. Έτσι οι προβλέψεις δείχνουν ότι στο τέλος του αιώνα η μέση παγκόσμια θερμοκρασία αναμένεται να έχει αυξηθεί κατά 1 με 3.7 βαθμούς κελσίου. Με βάση το Πρωτόκολλο του Κιότο τα αέρια που παράγονται κατά την ανθρώπινη δραστηριότητα και συμβάλλουν στην ενίσχυση του φαινομένου της υπερθέρμανσης του πλανήτη είναι τα παρακάτω: το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). το μεθάνιο (CH 4 ). το υποξείδιο του αζώτου (N 2 O). οι υδροφθοράνθρακες (HFC). οι υπερφθοράνθρακες (PFC). το εξαφθοριούχο θείο (SF 6 ). Στα παραπάνω πρέπει να προστεθούν και οι υδρατμοί ως τον κυριότερο υπεύθυνο για το φυσικό φαινόμενο του θερμοκηπίου, η παραγωγή ή η αύξηση των οποίων δεν μπορεί να επηρεαστεί από την δραστηριότητα των ανθρώπων. Κατατάσσοντας λοιπόν τα παραπάνω 6 αέρια του θερμοκηπίου, με βάση την συμμετοχή τους στο φαινόμενο, κυριότερο είναι το CO 2 καθώς είναι υπεύθυνο για τουλάχιστον το 6% του προβλήματος. Ακολουθεί το μεθάνιο, έπειτα το υποξείδιο του αζώτου ενώ τελευταία έρχονται τα φθοριούχα αέρια. Την κύρια πηγή του διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί η χρήση ορυκτών καυσίμων, η καύση των οποίων έχει ως προϊόν, όπως φαίνεται παρακάτω στον γενικό τύπο καύσης υδρογονάνθρακα, το CO 2. Η εξίσωση 1.1 περιγράφει την στοιχειομετρική αντίδραση καύσης. Δεύτερη επίσης αλλά έμμεση πηγή CO 2 αποτελεί η αποψίλωση των δασών, καθώς είναι γνωστό ότι τα φυτά δεσμεύουν το CO 2 ώστε να φωτοσυνθέσουν. Επομένως η ελάττωση του αριθμού τους περιορίζει την κατανάλωση-δέσμευση του βασικότερου αερίου του θερμοκηπίου. C α H β O γ N δ + α S (O N 2 ) n 1 CO 2 + n 2 H 2 O + n 3 N 2 Εξ. 1.1 Με τον όρο α S περιγράφεται ο στοιχειομετρικός λόγος αέρα-καυσίμου και με n i (i = 1,2,3) περιγράφονται τα moles των προϊόντων. Το δεύτερο σημαντικότερο, το μεθάνιο, παράγεται κυρίως από γεωργικές δραστηριότητες, διαχείριση αποβλήτων, παραγωγή ενέργειας και καύση βιομάζας. Λιπάσματα κυρίως που χρησιμοποιούνται στην γεωργία αλλά και καύση βιομάζας είναι υπεύθυνα για την παραγωγή υποξειδίου του αζώτου, ενώ βιομηχανική δραστηριότητα και συστήματα ψύξης είναι υπεύθυνα για την εκπομπή φθοριούχων αερίων. Στην εικόνα 1-2 παρουσιάζεται σε παγκόσμια κλίμακα η κατανομή των αερίων του θερμοκηπίου με βάση την πηγή τους. Από το σύνολο των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου το συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό 2 ΕΕΘ

18 Στυλιανός Δουλγέρης κατέχει το CO 2, συνολικά 76%, με το 65% να προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Μεθάνιο και υποξείδιο του αζώτου παρουσιάζουν ποσοστό 16% και 6% αντίστοιχα, ενώ τα φθοριούχα αέρια κατέχουν το 2%. Αξίζει να σημειωθεί ότι η χρήση των φθοριούχων αερίων βάση Ευρωπαϊκών οδηγιών απαγορεύεται σταδιακά από το 215. Εικόνα 1-2 Συγκέντρωση των αερίων του θερμοκηπίου σε παγκόσμια κλίμακα 1.2 Εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για την Ευρώπη των 28 Το μέγεθος του προβλήματος μπορεί να γίνει αντιληπτό από τους περιβαλλοντικούς δείκτες που χρησιμοποιεί η Eurostat, η οποία καταγράφει (εκτός των άλλων) και τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου για τα 28 κράτη μέλη. Με βάση τους περιβαλλοντικούς δείκτες που χρησιμοποιεί, η εκπομπή αερίων θερμοκηπίου ανήλθε σε εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου διοξειδίου του άνθρακα 1 για το 212. Ανάμεσα στα κράτη μέλη, η Γερμανία παρουσιάζει τη μεγαλύτερη εκπομπή με συνολικά (2.3%) εκατομμύρια τόνους ισοδύναμου διοξειδίου του άνθρακα με το Ηνωμένο Βασίλειο, τη Γαλλία, και την Ιταλία να ακολουθούν με διψήφιο ποσοστό. Στην εικόνα 1-3 παρουσιάζεται η συνεισφορά (σε ποσοστό της συνολικής εκπομπής CO 2 ) των βασικότερων οικονομικών δραστηριοτήτων στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για τα έτη 28 και 213. Τα ποσοστά δεν παρουσιάζουν ιδιαιτέρες μεταβολές από το 28 στο 213. Για το 28 παρατηρείται ότι στις τρεις πρώτες θέσης βρίσκονται η παραγωγή ενέργειας με ποσοστό 26.8%, ο βιομηχανικός τομέας με ποσοστό 2.7% και τα νοικοκυριά με ποσοστό 18.3%. Όπως παρατηρείται για το 213 η παραγωγή ενέργειας εξακολουθεί να κατέχει τα πρωτεία, ενώ παρουσιάζει σχεδόν αμετάβλητο ποσοστό 26.6%. Ακολουθούν τα νοικοκυριά που κατέχουν πλέον τη δεύτερη θέση, με ποσοστό 19.6%, ενώ με ποσοστό 18.8% ακολουθεί ο βιομηχανικός τομέας. Τα ποσοστά των υπόλοιπων οικονομικών δραστηριοτήτων δεν 1 Με τον όρο ισοδύναμο διοξειδίου του άνθρακα αναφέρουμε την ποσότητα CO 2 που έχει την ίδια συμμετοχή στο φαινόμενο του θερμοκηπίου με μία ποσότητα άλλου αερίου του θερμοκηπίου. ΕΕΘ 3

19 Διπλωματική Εργασία παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές, ενώ συμβάλουν συνολικά περίπου στο 34% της συνολικής παραγωγής αερίων του θερμοκηπίου. Εικόνα 1-3 Συνεισφορά των οικονομικών δραστηριοτήτων στην εκπομπή CO 2 Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι, τα παραπάνω ποσοστά εκφράζονται σε ισοδύναμα διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 equivalents), μονάδα μέτρησης που επιτρέπει τον συνδυασμό και τη σύγκριση της επίδρασης κάθε ενός από επιμέρους αέρια. Ο λόγος που η εκπομπή των επιμέρους αερίων του θερμοκηπίου μετατρέπεται σε ισοδύναμα διοξειδίου του άνθρακα, είναι η διαφορετική επίδραση που έχουν στο συνολικό φαινόμενο του θερμοκηπίου. Πιο συγκεκριμένα, ένα κιλό μεθανίου (CH 4 ) έχει 25 φορές ενώ ένα κιλό υποξειδίου του αζώτου (N 2 O) έχει 298 φορές μεγαλύτερη επίδραση στο συνολικό φαινόμενο, από ότι ένα κιλό CO 2. Με βάση τα προηγούμενα φαίνεται ότι το CO 2 είναι το αέριο με την μικρότερη επίδραση στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή, αλλά η αυτό που το καθιστά τον κύριο παράγοντα είναι η μεγάλη συγκέντρωση. Μία από της προσπάθειες για την μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου αποτελεί το Πρωτόκολλο του Κιότο. Τα συμβαλλόμενα κράτη δεσμεύτηκαν να μειώσουν τις εκπομπές τουλάχιστον κατά 5% για την περίοδο Στα πλαίσια των προσπαθειών για την επίτευξη του στόχου το Πρωτόκολλο πρότεινε την ενίσχυση ή θέσπιση εθνικών πολιτικών μείωσης των εκπομπών και την διακρατική συνεργασία μεταξύ των συμβαλλόμενων κρατών. Στοιχεία από την Eurostat δείχνουν ότι τα περισσότερα από τα 28 κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης παρουσιάζουν μειωμένες εκπομπές για το 214 συγκριτικά με το 199. Στην εικόνα 1-4 παρουσιάζονται οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου για κάθε χώρα ως ποσοστό των εκπομπών για το έτος ΕΕΘ

20 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 1-4 Εκπομπή CO2 για το214 ανά κράτος μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης των Τα αυτοκίνητα ως πηγή παραγωγής CO2 Στην προηγούμενη παράγραφο αναφέρθηκε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό του CO 2 προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Τα ορυκτά καύσιμα αποτελούν την κύρια πηγή ενέργειας για τον σύγχρονο πολιτισμό. Η καύση ορυκτών καυσίμων βρίσκει ευρεία εφαρμογή στον τομέα των μεταφορών, καθώς αποτελεί την πηγή ενέργειας για τις μηχανές εσωτερικής καύσης με τις οποίες είναι εξοπλισμένα όλα τα οχήματα. Έτσι η χρήση των μηχανών εσωτερικής καύσης στα επιβατηγά οχήματα τα καθιστά παράγωγους CO 2. Όπως αποδεικνύουν και τα στατιστικά στοιχεία, τα αυτοκίνητα είναι σημαντική πηγή παραγωγής του κυριότερου αερίου του θερμοκηπίου. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση τα αυτοκίνητα είναι υπεύθυνα για περίπου το 12% της συνολικής παραγωγής CO 2. Το ποσοστό αυτό δικαιολογείται από τα στοιχεία της Eurostat, όπου η συντριπτική πλειοψηφία των επιβατικών χιλιομέτρων διανύθηκαν με επιβατηγά οχήματα. Ο όρος επιβατικό χιλιόμετρο αναφέρεται στην μετακίνηση ενός επιβάτη για ένα χιλιόμετρο. Στις εικόνες 1-5 και 1-6 παρουσιάζονται τα ποσοστά επί των συνολικών επιβατικών χιλιομέτρων για τα τρία βασικότερα επίγεια μέσα μεταφοράς. Τα ποσοστά παρουσιάζονται σχεδόν αμετάβλητα από το 22 έως το 212 για τα συνολικά επιβατικά χιλιόμετρα που διανύθηκαν με επιβατηγά οχήματα, λεωφορεία/μέσα μαζικής μεταφοράς και τρένα. Από τις εικόνες 1-5 και 1-6, αν και γίνεται μεγάλη προσπάθεια για την βελτίωση των μέσων μαζικής μεταφοράς, είναι εμφανές ότι τα αυτοκίνητα αποτελούν το πιο διαδεδομένο μέσο για την μετακίνηση των κατοίκων της Ευρώπης των 28, κατατάσσοντας τα στην πρώτη θέση προτίμησης. Το γεγονός αυτό αποτελεί την κινητήριο δύναμη για τον έλεγχο και τον περιορισμό των εκπομπών CO 2 που προέρχονται από τον στόλο των οχημάτων. Ως συνέπεια, τα τελευταία χρόνια γίνεται μεγάλη προσπάθεια και δαπανάται χρόνος αλλά και κονδύλια από την αυτοκινητοβιομηχανία και την Ευρωπαϊκή Ένωση προς αυτή τη κατεύθυνση. ΕΕΘ 5

21 Διπλωματική Εργασία Επιβατηγά Οχήματα Λεωφορεία/μέσα μαζικής μεταφοράς Τρένα 83.6 Εικόνα 1-5 Κατανομή των επιβατικών χιλιομέτρων για το 22 στην EU Επιβατηγά Οχήματα Λεωφορεία/μέσα μαζικής μεταφοράς Τρένα 83.4 Εικόνα 1-6 Κατανομή των επιβατικών χιλιομέτρων για το 212 στην EU «22», οι στόχοι της Ευρώπης Η Ευρωπαϊκή νομοθεσία έχει θέσει επιτακτικούς στόχους με σκοπό την μείωση των εκπομπών για τα νέα αυτοκίνητα και από το 21 ξεκίνησε η «παρακολούθηση» της κατανάλωσης υπό την έως τώρα ισχύουσα νομοθεσία. Η νομοθεσία περιγράφεται από τον Κανονισμό 83 («Regulation No. 83») των Ηνωμένων Εθνών, κανονισμός που θεσπίστηκε από τα Ηνωμένα Έθνη και αναφέρει την διαδικασία που πρέπει να ακολουθείται για την πιστοποίηση των εκπομπών ενός οχήματος. Για συντομία ο κανονισμός αναφέρεται και ως NEDC (New European Driving Cycle ή Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης) που αποτελεί τον κύκλο (ταχύτητα του οχήματος συναρτήσει του χρόνου) που ακολουθεί το όχημα κατά την μέτρηση του στο εργαστήριο (η διαδικασία θα περιγραφεί σε επόμενο κεφάλαιο) εικόνα 1-7. Ο NEDC όπως φαίνεται και στο διάγραμμα αποτελείται από δύο φάσεις ή υποκύκλους. Η πρώτη αποτελείται από τον UDC 6 ΕΕΘ

22 Ταχύτητα [km/h] Στυλιανός Δουλγέρης (Urban Driving Cycle), κύκλος που περιγράφει την κίνηση εντός πόλης με χαμηλές ταχύτητες και η δεύτερη αποτελείται από τον EUDC (Extra Urban Driving Cycle), κύκλος που περιγράφει την κίνηση εκτός πόλης και σε αυτοκινητόδρομο, ενώ περιλαμβάνει τη μέγιστη ταχύτητα του συνολικού κύκλου UDC -78 s NEDC EUDC s Χρόνος [s] Εικόνα 1-7 Ο κύκλος NEDC Με βάση την νομοθεσία του NEDC μέχρι το 215 τα νέα οχήματα δεν θα έπρεπε να εκπέμπουν κατά μέσο όρο παραπάνω από τα 13 g/km. Στόχος ο οποίος είχε επιτευχθεί μέχρι το 214 όπου η μέση εκπομπή για ένα νέο όχημα ανέρχονταν στα 123 g/km, περίπου 7 g/km (12%) λιγότερα από το στόχο. Επόμενος στόχος που τέθηκε για το 221, ξεκινώντας σταδιακά από το 22, είναι τα 95 g/km. Ο γενικότερος στόχος είναι ο περιορισμός των εκπομπών κατά 4% από το 27 έως το 221, εικόνα 1-8. Το μεγαλύτερο κίνητρο-μέτρο άσκησης πίεσης προς την αυτοκινητοβιομηχανία είναι η φορολόγηση των οχημάτων με βάση την εκπομπή CO 2, αλλά και η επιβολή προστίμων στον κατασκευαστή. Αν η μέση εκπομπή του στόλου ενός κατασκευαστή υπερβαίνει το όριο κάθε χρονιάς, οφείλει να πληρώνει ένα ποσό για κάθε όχημα που εγγράφεται. Για την επίτευξη αυτού του στόχου βέβαια απαιτείται η εκπομπή του 95% των νέων οχημάτων κάθε κατασκευαστή να είναι κάτω από το όριο των 95 g/km για το 22 και το 1% για το 221. Κάτι τέτοιο όπως φαίνεται δεν είναι ακατόρθωτο, καθώς για τα μικρά πετρελαιοκίνητα οχήματα (Β segment) η επίσημη εκπομπή CO 2 για το 215 βρίσκεται κάτω από τα 9 g/km εικόνα 1-9. Όμως απαιτείται από τους κατασκευαστές να εφαρμόσουν νέες τεχνολογικές βελτιώσεις, δίχως να θυσιάσουν την ασφάλεια και την άνεση των νέων οχημάτων. Για να καταφέρουν λοιπόν οι αυτοκινητοβιομηχανίες να συμβαδίσουν με τις σύγχρονες απαιτήσεις, βρίσκουν απλές ή και σύνθετες λύσεις. Μία από αυτές τις λύσεις είναι η εφαρμογή του λεγόμενου «Start & Stop (S&S)» συστήματος. Ο κινητήρας των οχημάτων που είναι εφοδιασμένα με ΕΕΘ 7

23 CO2 [g/km] Διπλωματική Εργασία αυτό το σύστημα σταματάει να λειτουργεί όταν το όχημα είναι ακινητοποιημένο (π.χ. κόκκινο φανάρι). Η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος μπορεί να ελαττώσει περίπου 2% την κατανάλωση καυσίμου στον κύκλο NEDC. Μια ακόμα τεχνολογία που εφαρμόζεται στα σύγχρονα αυτοκίνητα είναι η ανάκτηση ενέργειας. Κατά την επιτάχυνση ή την κίνηση του οχήματος με σταθερή ταχύτητα όλες οι ηλεκτρικές καταναλώσεις καλύπτονται από την μπαταρία (αν η στάθμη φόρτισης το επιτρέπει) ενώ κατά την επιβράδυνση του οχήματος το δυναμό εκμεταλλευόμενο την αδράνεια του οχήματος αναπληρώνει την ενέργεια της μπαταρίας. Έτσι το δυναμό δεν λειτουργεί συνέχεια, απαιτώντας λιγότερη συνολικά ισχύ από τον κινητήρα για τη φόρτιση της μπαταρίας. Το σύστημα αυτό είναι γνωστό με το όνομα BERS (Brake Energy Recuperation System) % 7 g/km below the target Fleet average Target % % Εικόνα 1-8 Στόχοι της Ευρώπης για την παραγωγή CO 2 από τα αυτοκίνητα Εικόνα 1-9 Χρονική εξέλιξη της εκπομπής CO 2 για B-seg. Diesel 8 ΕΕΘ

24 Ταχύτητα [km/h] Στυλιανός Δουλγέρης 1.5 Μετάβαση από τον NEDC στον WLTP Όλα τα σχέδια για την μείωση των εκπομπών CO 2 θεσπίστηκαν όπως αναφέρθηκε και στη προηγούμενη παράγραφο, με βάση τον NEDC. Από την εφαρμογή όμως αυτού του συγκεκριμένου κύκλου οδήγησης ξεκίνησαν να εγείρονται ερωτήματα για το κατά πόσο μπορεί να περιγράψει αντιπροσωπευτικά τις συνθήκες πραγματικής οδήγησης. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του είναι οι πολύ ομαλές επιταχύνσεις και επιβραδύνσεις αλλά και τα χαμηλά φορτία στα οποία λειτουργεί ο κινητήρας στην διάρκεια του κύκλου. Στη εικόνα 1-1 γίνεται σύγκριση του NEDC με δεδομένα από μέτρηση της ταχύτητας σε πραγματικές συνθήκες. Όπως γίνεται αντιληπτό ο κύκλος δεν είναι σε θέση να περιγράψει με ακρίβεια την πραγματική κίνηση εντός πόλης. 6 5 Real World NEDC Χρόνος [s] Εικόνα 1-1 Σύγκριση NEDC με πραγματική μέτρηση Η κυριότερη όμως παρατήρηση που οδήγησε στην αμφισβήτηση του συγκεκριμένου κύκλου και γενικότερα της παρούσας νομοθεσίας είναι η εμφάνιση μεγάλης διαφοράς μεταξύ πιστοποιημένης (TA: Type Approval) και πραγματικής κατανάλωσης καυσίμου (RWFC: Real World Fuel Consumption). Από μετρήσεις που πραγματοποιούνται, η διαφορά μεταξύ των δύο τιμών κυμαίνεται μεταξύ 25-35% ενώ σε μερικές περιπτώσεις μελέτες έχουν δείξει ότι μπορεί να φτάσει ακόμα και στο 6%. Αναλύσεις έχουν δείξει ότι καινούργια οχήματα (νέα μοντέλα) με χαμηλή κατανάλωση καυσίμου τείνουν να εμφανίζουν αυξημένη διαφορά μεταξύ πιστοποιημένης και πραγματικής κατανάλωσης. Ο εντοπισμός της διαφοράς στην κατανάλωση βέβαια μπορεί να γίνει και από τον μέσο οδηγό, καθώς είναι εύκολο να συγκρίνει την κατανάλωση του οχήματός του με αυτή που δημοσιεύει ο κατασκευαστής. Συμπερασματικά λοιπόν, λόγω της άμεσης σύνδεσης της κατανάλωσης καυσίμου με την εκπομπή CO 2 δημιουργείται ο προβληματισμός για το κατά πόσο η παρούσα νομοθεσία συνεισφέρει πραγματικά στην γενικότερη μείωση της εκπομπής CO 2. ΕΕΘ 9

25 Ταχύτητα [km/h] Διπλωματική Εργασία Όλα τα παραπάνω αποτέλεσαν μερικούς από τους λόγους για την αναζήτηση ενός νέου πιο αντιπροσωπευτικού κύκλου αλλά και την βελτίωση της διαδικασίας που θα τον περιβάλει. Έτσι ξεκίνησε υπό την αιγίδα του Παγκόσμιου Φόρουμ για την Εναρμόνιση των Κανονισμών για τα Οχήματα (World Forum for the Harmonization of Vehicle Regulations) της Οικονομικής Επιτροπής των Ηνωμένων Εθνών για την Ευρώπη (United Nations Economic Commission for Europe ή UNECE) η διαμόρφωση του WLTP (World-wide harmonized Light-duty Test Procedure). Μαζί με βελτιώσεις στην νομοθεσία που περιορίζουν την ακραία βελτιστοποίηση των συνθηκών κατά την διάρκεια της μέτρησης, συμπεριλαμβάνει και τον νέο κύκλο WLTC (World-wide harmonized Light-duty Test Cycle) εικόνα Ο νέος κύκλος αποτελείται, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα από τέσσερεις φάσης, τις Low, Medium, High και Extra High. Η νέα νομοθεσία έχει πλέον ολοκληρωθεί και θα ξεκινήσει να εφαρμόζεται από το 217. Συγκριτικά με τον προκάτοχό του, ο WLTC είναι μεγαλύτερος σε διάρκεια, έχει πιο απότομες επιταχύνσεις και επιβραδύνσεις H μέγιστη ταχύτητα είναι 13 km/h, μεγαλύτερη από αυτή του NEDC ενώ κατά την διάρκεια του κύκλου ο κινητήρας λειτουργεί σε υψηλότερα φορτία. Το προφίλ της ταχύτητας πλησιάζει περισσότερο σε προφίλ ταχύτητας μετρημένο σε πραγματικές συνθήκες, ενώ ο συνολικός χρόνος που το όχημα είναι «ακίνητο» έχει περιοριστεί κατά 59 δευτερόλεπτα. Επίσης στον WLTC υπάρχουν μεγαλύτερες διακυμάνσεις στην ταχύτητα, ενώ η μέγιστη επιτάχυνση είναι 1.6 m/s 2, μεγαλύτερη από αυτή του NEDC η οποία ανέρχεται στα 1.42 m/s Low -589 s WLTC Medium s High s Extra High s Χρόνος [s] Εικόνα 1-11 Ο κύκλος WLTC 1 ΕΕΘ

26 Στυλιανός Δουλγέρης 1.6 Περιγραφή και στόχος της Εργασίας Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις που έχουν να αντιμετωπίσουν οι σύγχρονοι μηχανικοί και επιστήμονες είναι η ανάπτυξη νέων ή η βελτίωση των υπαρχουσών τεχνολογιών ώστε να είναι φιλικότερες προς το περιβάλλον. Το μέγεθος του προβλήματος της κλιματικής αλλαγής είναι πλέον ορατό ενώ η επιβολή μέτρων για την βελτίωση της κατάστασης είναι επιβεβλημένη. Προς αυτή την κατεύθυνση προσανατολίζεται και η παγκόσμια νομοθεσία που προτρέπει τους κατασκευαστές αυτοκινήτων να βελτιώσουν την κατανάλωση καυσίμου των προϊόντων τους. Με την μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, μειώνεται ταυτόχρονα και η παραγωγή CO 2 προερχόμενη από τα αυτοκίνητα. Για την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν κινητήρες με βελτιωμένο βαθμό απόδοσης αλλά εφαρμόζουν επίσης και τεχνολογίες που βοηθούν στον περιορισμό της κατανάλωσης. Επίσης από την πλευρά των κατασκευαστών γίνεται μεγάλη προσπάθεια για τον περιορισμό της μάζας των νέων οχημάτων αλλά και της βελτίωσης της αεροδυναμικής τους απόδοσης, ως μέτρα για τον περιορισμό του φορτίου που δέχεται ο κινητήρας. Από την πλευρά των κατασκευαστών ελαστικών γίνεται επίσης μεγάλη προσπάθεια για την σχεδίαση πιο αποδοτικών ελαστικών. Η παρούσα εργασία μελετά την αντίσταση δρόμου που δέχεται ένα αυτοκίνητο κατά την κίνησή του, εξετάζονται οι δυνάμεις που επιδρούν σε αυτό καθώς και η παράγοντες που τις επηρεάζουν. Καθοριστική σημασία στην διαμόρφωση της συνολκής δύναμης αντίστασης έχουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά (τύπος αμαξώματος, μετωπική επιφάνεια, τύπος ελαστικών, κιβώτιο ταχυτήτων, μάζα) των οχημάτων, γι αυτό το λόγο μελετάται η σχέση τους με το φορτίο δρόμου. Για την μελέτη αυτή στα πλαίσια της εργασίας αναπτύσσεται μία βάση δεδομένων με αυτοκίνητα για τα οποία καταγράφονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και το φορτίο δρόμου. Στα πλαίσια της αναζήτησης της επίδρασης των τεχνικών χαρακτηριστικών στο φορτίο, αναπτύσσεται αλγόριθμος, που θα είναι σε θέση να κάνει μία εκτίμηση του φορτίου δρόμου ενός οχήματος. Το εργαλείο αυτό εκμεταλλεύεται τα περιεχόμενα της βάσης δεδομένων και την συσχέτιση τεχνικών χαρακτηριστικών και φορτίου δρόμου. Τέλος, στόχος της εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του φορτίου και των τεχνικών χαρακτηριστικών στην κατανάλωση καυσίμου και κατά συνέπεια στην εκπομπή CO 2. Για την αναζήτηση της επίδρασης στην εκπομπή CO 2 χρησιμοποιείται μοντέλο το οποίο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας στο πρόγραμμα CRUISE της AVL. ΕΕΘ 11

27 Διπλωματική Εργασία 2 Φορτίο δρόμου, η δύναμη αντίστασης ενός οχήματος. Όταν ένα όχημα κινείται με σταθερή ταχύτητα και για οποιονδήποτε λόγο διακοπεί η παροχή ισχύος προς τους κινητήριους τροχούς (π.χ. άνοιγμα του συμπλέκτη) το όχημα θα αρχίσει να επιβραδύνει, ενώ η επιβράδυνση θα είναι μεγαλύτερη αν το όχημα βρίσκεται σε ανηφορικό δρόμο. Η παρατήρηση αυτή οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο κινητήρας παράγει ελκτική δύναμη ώστε να αντισταθμίσει τις αντιστάσεις που αναπτύσσονται κατά την κίνηση του οχήματος. Στην περίπτωση που το όχημα κινείται με σταθερή ταχύτητα η ελκτική δύναμη είναι ακριβώς ίση με τις αντιστάσεις, ενώ όταν αυξηθεί, το όχημα επιταχύνει. Σε αυτό το κεφάλαιο γίνεται ανάλυση του φορτίου δρόμου του οχήματος, περιγράφονται οι παράγοντες που το επηρεάζουν και παρουσιάζεται ο πειραματικός προσδιορισμός του. 2.1 Τι είναι το φορτίο δρόμου Από την προηγούμενη παρατήρηση γίνεται αντιληπτό ότι η κατανάλωση καυσίμου ενός οχήματος καθορίζεται κυρίως από τη δύναμη αντίστασης που δέχεται, όπως επίσης και από το βαθμό απόδοσης του κινητήρα αλλά και την ενεργειακή απαίτηση των βοηθητικών συστημάτων (όταν είναι ενεργά) όπως το κλιματιστικό και το δυναμό. Στην εικόνα 2-1 παρουσιάζεται ένα όχημα που κινείται σε κεκλιμένο επίπεδο. Η εξίσωση κίνησης, σχέση 2.2, περιγράφει την δύναμη που ασκείται σε ένα όχημα, ή αλλιώς την δύναμη που πρέπει να παράγει ο κινητήρας όταν αυτό κινείται σε δρόμο με κλίση και σταθερή ταχύτητα ενώ η σχέση 2.3 περιγράφει την απαιτούμενη δύναμη όταν το όχημα επιταχύνει σε δρόμο με κλίση (στην συνολική αντίσταση προστίθεται ο όρος M οχ dv οχήματος). dt που περιγράφει την αδράνεια του Εικόνα 2-1 Οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα 12 ΕΕΘ

28 Στυλιανός Δουλγέρης F TR = F RES Εξ. 2.1 Όπου F TR είναι η ελκτική δύναμη που παράγει ο κινητήρας και F RES το άθροισμα των αντιστάσεων που ασκούνται στο όχημα. Για την F RES ισχύει: F RES = F A + F RR + F S Εξ. 2.2 Στην περίπτωση όπου υπάρχει μεταβολή της ταχύτητας η εξίσωση 2.2 γίνεται: F TR = F RES + M οχ dv dt Εξ. 2.3 Όπου: F TR η ελκτική δύναμη που παράγει ο κινητήρας. F RES η συνολική δύναμη αντίστασης (το άθροισμα όλων των αντιστάσεων). F A η αεροδυναμική αντίσταση. F RR η αντίσταση τριβής κύλισης, F S η αντίσταση λόγω κλίσης για την οποία ισχύει F S = M οχ g sin(a), όπου g = 9.81 m/s 2 η επιτάχυνση της βαρύτητας. M οχ η μάζα του οχήματος. v η ταχύτητα του οχήματος σε m s. α η γωνία που σχηματίζει το επίπεδο κίνησης με το οριζόντιο επίπεδο. Τελικά η γενική εξίσωση κίνησης (με μεταβαλλόμενη ταχύτητα) γίνεται: F TR = F A + F RR + F S + M οχ dv dt Εξ. 2.4 Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν την απαιτούμενη ελκτική δύναμη στην ιδανική περίπτωση όπου ο βαθμός απόδοσης στο σύστημα μετάδοσης κίνησης (κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό, έδρανα κύλισης) είναι 1. Στην πραγματικότητα όμως κάθε ένα από τα μέρη που αποτελούν το σύστημα μετάδοσης κίνησης (κιβώτιο ταχυτήτων, διαφορικό, έδρανα κύλισης) έχει βαθμό απόδοσης μικρότερο της μονάδας και ανάλογο της ταχύτητας του οχήματος. Προσθέτοντας λοιπόν τον όρο F L, ο οποίος περιγράφει τις απώλειες του συστήματος μετάδοσης κίνησης, προκύπτει η ολοκληρωμένη εξίσωση κίνησης, εξίσωση 2.5. F TR = F A + F RR + F S + M οχ dv dt + F L Εξ. 2.5 Από τις παραπάνω δυνάμεις αντίστασης, η αντίστασης λόγω της κλίσης του οδοστρώματος δεν αποτελεί πάντα μέρος του φορτίου που πρέπει να αντισταθμίσει ο κινητήρας, καθώς μηδενίζεται όταν η γωνία α είναι μηδέν, ενώ «βοηθάει» τον κινητήρα σε περίπτωση κατηφορικού δρόμου. Η κλίση των δρόμων συνήθως δίνεται σε ποσοστό και όχι σε μοίρες, έκφραση που δίνει τη διαφοροποίηση του υψομέτρου σε μία απόσταση 1 m από το συγκεκριμένο σημείο. Δηλαδή η κλίση εκφρασμένη σε ποσοστό είναι η εφαπτομένη της γωνίας α. Έτσι για παράδειγμα δρόμος με κλίση 1% σχηματίζει γωνία με το οριζόντιο επίπεδο της οποίας η εφαπτομένη είναι.1 άρα περίπου 5.7 μοίρες. ΕΕΘ 13

29 Διπλωματική Εργασία Σύμφωνα με την νομοθεσία, ο δρόμος όπου θα μετρηθεί το φορτίο ενός οχήματος, η διαδικασία μέτρησης θα περιγραφεί σε επόμενη παράγραφο, δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1.5% ή τις.9 μοίρες. Έτσι ώστε η συνιστώσα του βάρους που είναι παράλληλη στην ταχύτητα να είναι πρακτικά μηδέν. Τελικά προκύπτει ότι με τον όρο «Φορτίο δρόμου» ή «Road Load (RL)» περιγράφουμε την δύναμη που χρειάζεται να παράγει ο κινητήρας ώστε το όχημα να κινηθεί σε μία συγκεκριμένη, σταθερή ταχύτητα σε δρόμο δίχως κλίση. Αξίζει να τονισθεί ότι το RL περιγράφει τη συνολική αντίσταση ισοταχούς κίνησης του οχήματος, ενώ σε περίπτωση επιτάχυνσης προστίθεται σε αυτό και ο όρος της αδράνειας M οχ dv dt. F TR = F A + F RR + F L Εξ. 2.6 Στις επόμενες παραγράφους θα αναλυθεί κάθε ένας από τους όρους που αναφέρονται στην εξίσωση 2.6 και καθορίζουν το Road Load ενός οχήματος. 2.2 Αεροδυναμική αντίσταση Στην προηγούμενη παράγραφο έγινε αναφορά στην συνολική αντίσταση που δέχεται ένα όχημα, μέρος της οποίας είναι και η αεροδυναμική αντίσταση F A που σχετίζεται αποκλειστικά με την ίδια την κίνηση του οχήματος. Πρόκειται λοιπόν για την αντίσταση που προβάλει ο αέρας του περιβάλλοντος σε ένα όχημα που κινείται με μία ορισμένη ταχύτητα. Η λεγόμενη και αεροδυναμική αντίσταση περιγράφεται από την εξίσωση 2.7. Από την εξίσωση γίνεται αντιληπτό ότι η δύναμη είναι συνάρτηση του τετραγώνου της ταχύτητας αλλά και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του οχήματος μέσω της μετωπικής επιφάνειας. Επίσης το μέτρο της αεροδυναμικής αντίστασης εξαρτάται από τον συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, ο οποίος καθορίζεται από το σχήμα του οχήματος. Παρακάτω αναλύεται εκτενώς η επιρροή του σχήματος του σώματος του αυτοκινήτου. Τέλος στην διαμόρφωση της δύναμης συμμετέχουν και οι συνθήκες του περιβάλλοντος αέρα, μέσω του όρου της πυκνότητας. F A = 1 2 ρc dav 2 Εξ. 2.7 Όπου: ρ η πυκνότητα του αέρα σε kg m 3. c d ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης. A η κάθετη μετωπική επιφάνεια του οχήματος σε m 2. v η ταχύτητα του οχήματος σε m s. Η αεροδυναμική αντίσταση οφείλεται εξολοκλήρου από τη ροή του αέρα γύρω από το σώμα του οχήματος. Γενικά, η ροή γύρω από ένα αντικείμενο διέπεται από την σχέση ταχύτητας και πίεσης που περιγράφεται από την εξίσωση του Bernoulli, εξίσωση 2.8, ενώ προϋποθέτει ασυμπίεστη ροή, υπόθεση που μπορεί να γίνει για ροές γύρω από αυτοκίνητα λόγω των μικρών ταχυτήτων. 14 ΕΕΘ

30 Στυλιανός Δουλγέρης p total = σταθερό Εξ. 2.8 ή p total = p static ρv2 = σταθερό Εξ. 2.9 και για μία ροϊκή γραμμή p static, ρv 1 2 = p static, ρv 2 2 Εξ. 2.1 Όπου: p total η ολική πίεση. p static η στατική πίεση. ρ η πυκνότητα του αέρα. v η ταχύτητα του ρευστού. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην γενική περίπτωση η εξίσωση 2.9 περιέχει και τον όρο ρgz, όπου g = 9.81 m/s 2 η επιτάχυνση της βαρύτητας και z το ύψος. Ο όρος αυτό παραλείπεται καθώς στην εφαρμογή των οχημάτων η μεταβολή του ύψους δεν έχει σημαντική επίδραση. Επιγραμματικά η εξίσωση του Bernoulli δηλώνει ότι το άθροισμα της στατικής και της δυναμικής πίεσης του αέρα (ολική πίεση) κατά μήκος μίας ροϊκής γραμμής είναι σταθερό ενώ η οπτικοποίηση τους μπορεί να γίνει εύκολα σε αεροσήραγγες με τη βοήθεια ειδικού καπνού. Κατά τη μελέτη της ροής γύρω από ένα αντικείμενο σε αεροσήραγγα, ο αέρας είναι αυτός που κινείται με ταχύτητα ίση με την σχετική τους ταχύτητα σε πραγματικές συνθήκες. Στην εικόνα 2-2 φαίνεται ένα όχημα μέσα σε αεροσύραγγα με τις ροϊκές γραμμές να γίνονται ορατές με την βοήθεια καπνού. Μελετώντας τώρα τη ροή γύρω από το αυτοκίνητο παρατηρείται ότι μακριά από αυτό η στατική πίεση είναι ίση με την πίεση του περιβάλλοντος, ενώ η ολική πίεση είναι ίση με p total = p static ρv2. Καθώς η ροή πλησιάζει το όχημα, οι ροϊκές γραμμές διαχωρίζονται με μερικές από αυτές να πηγαίνουν πάνω και μερικές κάτω από το σώμα του οχήματος, όπως διακρίνεται και στην εικόνα 2-2. Μία όμως από τις ροϊκές γραμμές καταλήγει ακριβώς επάνω στον μπροστά προφυλακτήρα όπου και ανακόπτεται, με την ταχύτητα του αέρα σε αυτό το σημείο να είναι μηδέν. Το σημείο αυτό όπου η ταχύτητα μηδενίζεται καλείται σημείο ανακοπής και σε αυτό η στατική πίεση είναι ίση με την ολική πίεση της συγκεκριμένης ροϊκής γραμμής p total = p static ρv2. Ακολουθώντας τώρα μία ροϊκή γραμμή που πηγαίνει πάνω από το αυτοκίνητο, παρατηρείται ότι έχει ανοδική πορεία με τα κοίλα στραμμένα προς τα πάνω, ενώ αρκετά ψηλότερα οι ροϊκές γραμμές είναι ακόμα ίσιες. Καθώς στις απομακρυσμένες ροϊκές γραμμές η στατική πίεση είναι ίση με την πίεση περιβάλλοντος, στην περιοχή όπου αλλάζουν κατεύθυνση (γύρω/πάνω από το καπό και το μπροστινό τζάμι) η στατική πίεση πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος ώστε να δημιουργείται η δύναμη που ωθεί τις γραμμές, δηλαδή τον αέρα προς τα πάνω. Σε αυτή την περιοχή ταυτόχρονα έχουμε ελάττωση της ταχύτητας, ώστε να επαληθεύεται η εξίσωση του Bernoulli. Αντίθετα καθώς η ροή αρχίζει να έχει καθοδική πορεία (γύρω/πάνω ΕΕΘ 15

31 Διπλωματική Εργασία από το πίσω τζάμι), η στατική πίεση πρέπει να είναι χαμηλότερη από αυτή του περιβάλλοντος, ώστε να στραφεί η ροή προς τα κάτω αύτη την φορά, ακολουθώντας το σώμα του αυτοκινήτου. Πάλι σύμφωνα με την εξίσωση Bernoulli, σε αυτή τη περιοχή υπάρχει τώρα αύξηση της ταχύτητας. Άρα με τη βοήθεια του νόμου του Bernoulli, είναι δυνατό να μελετηθούν οι μεταβολές της ταχύτητας και της πίεσης του αέρα για ροή γύρω από ένα όχημα. Στην ιδανική περίπτωση, δίχως δηλαδή την παρουσία επιφανειακής τριβής, κατά τη ροή γύρω από ένα όχημα θα υπήρχε ισοδύναμη μεταβολή πίεσης - ταχύτητας δίχως την ανάπτυξη δύναμης αντίστασης. Η ύπαρξη όμως του οριακού στρώματος ευθύνεται για την απώλεια ορμής του ρευστού, κάτι που οδηγεί την ροή σε αποκόλληση. Εικόνα 2-2 Οπτικοποίηση των ροϊκών γραμμών σε αεροσήραγγα Στην εικόνα 2-3 παρουσιάζεται η κατανομή της πίεσης σε όλη την έκταση του σώματος του οχήματος βάση πειραματικών μετρήσεων. Όπως περιγράφηκε παραπάνω στο μπροστινό μέρος του οχήματος αναπτύσσεται αρνητική πίεση καθώς η ροή προσπαθεί να ακολουθήσει το καπό (hood). Η κλίση πίεσης που αναπτύσσεται στην περιοχή αυτή τείνει να κάνει το οριακό στρώμα ασταθές δημιουργώντας αντίσταση. Κοντά στη βάση του μπροστινού παραθύρου, όπου η ροή έχει ανοδική πορεία, καθώς η ταχύτητα ελαττώνεται, λαμβάνει χώρα αυξημένη πίεση. Κατά μήκος της οροφής η πίεση γίνεται ξανά αρνητική καθώς ακολουθεί τη γεωμετρία της, ενώ εξακολουθεί να είναι αρνητική έως το τέλος του σώματος του αυτοκινήτου. Στην περιοχή όπου η πίεση είναι αρνητική είναι πιθανή η αποκόλληση του οριακού στρώματος. Το γεγονός αυτό καθιστά σημαντική τη σχεδίαση του πίσω μέρους ενός οχήματος, γιατί καθορίζει το σημείο από το οποίο θα ξεκινήσει η αποκόλληση. Όσο πιο αργά γίνει η αποκόλληση, τόσο λιγότερη θα είναι η αντίσταση που θα παραχθεί. 16 ΕΕΘ

32 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-3 Κατανομή πίεσης στο αμάξωμα Σύμφωνα με τα προηγούμενα, γίνεται αντιληπτό ότι ο σχεδιασμός, το σχήμα και η εξωτερική διαμόρφωση ενός οχήματος παίζουν καθοριστικό ρόλο στην αεροδυναμική αντίσταση που δέχεται. Στην εικόνα 2-4 παρουσιάζεται η κατανομή της πίεσης για διάφορους τύπους οχημάτων. Εικόνα 2-4 Κατανομή πίεσης για διάφορου τύπους αμαξώματος Η επίδραση όλων των προηγούμενων παραγόντων περιγράφεται από τον συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, η τιμή του οποίου προσδιορίζεται πειραματικά σε μετρήσεις μέσα σε αεροσήραγγες. Κάθε ένα αυτοκίνητο χαρακτηρίζεται από έναν συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης που κυμαίνεται μεταξύ.24 και.37. Η δεύτερη παράμετρος που επηρεάζει την αεροδυναμική αντίσταση είναι η μετωπική επιφάνεια του οχήματος. Η επιφάνεια προσβολής είναι αυτή που προκύπτει από την προβολή ΕΕΘ 17

33 Διπλωματική Εργασία του οχήματος σε επίπεδο κάθετο στην κατεύθυνση κίνησης. Στην επιφάνεια αυτή συμπεριλαμβάνονται το σώμα του οχήματος αλλά και η επιφάνεια των τροχών του, εικόνα 2-5. Είναι σημαντικό να τονισθεί ότι δύο οχήματα μπορεί να έχουν την ίδια μετωπική επιφάνεια αλλά η δύναμη αντίστασης να διαφέρει καθώς είναι δυνατό να έχουν διαφορετικό συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης. Ένα τέτοιο παράδειγμα φαίνεται στην εικόνα 2-5. Εικόνα 2-5 Μετωπική επιφάνεια οχημάτων Σε ταχύτητες μεγαλύτερες των 5-6 km/h η αεροδυναμική αντίσταση αρχίζει να γίνεται αρκετά σημαντικότερη των υπολοίπων αντιστάσεων. Το γεγονός αυτό οδηγεί τους κατασκευαστές να καταβάλλουν μεγάλη προσπάθεια για την μείωση της, μέσω της βελτίωσης (στα πλαίσια της αεροδυναμικής απόδοσης) του σχήματος των οχημάτων. Προς την κατεύθυνση αυτή βοηθούν μετατροπές του εξωτερικού του οχήματος, μερικές από τις οποίες περιγράφονται παρακάτω. Το 65% της συνολικής αεροδυναμικής αντίστασης προέρχεται από το σώμα του οχήματος ενώ το υπόλοιπο προέρχεται κυρίως από τους τροχούς, το σύστημα ψύξης και τους εξωτερικούς καθρέπτες. Όπως προαναφέρθηκε το πίσω μέρος του οχήματος έχει την σημαντικότερη συνεισφορά στην παραγωγή αεροδυναμικής αντίστασης, άρα έχει και την μεγαλύτερη δυναμική για βελτίωση. Μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους αποτελεί η κλίση του πίσω τζαμιού, συναρτήσει του μήκους, εικόνα 2-6. Από το διάγραμμα φαίνεται ότι μεγαλύτερη μείωση στον συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης επιτυγχάνεται με κλίση περίπου 15 μοιρών. 18 ΕΕΘ

34 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-6 Μεταβολή του cd συναρτήσει της κλίσης Η διαμόρφωση του μπροστινού προφυλακτήρα συμβάλει επίσης στην μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης. Καθοριστική είναι η θέση του σημείου ανακοπής, καθώς εκεί γίνεται ο διαχωρισμός των ροϊκών γραμμών (πάνω ή κάτω από το όχημα). Στην περίπτωση που το σημείο ανακοπής βρίσκεται αρκετά χαμηλά στο μπροστινό προφίλ του οχήματος (προς το οδόστρωμα), επιτυγχάνεται μειωμένος c w ή c d. Επίσης ελάττωση της τάξεως του 5-15% του συνολικού c w ή c d προκύπτει όταν το μπροστινό μέρος είναι στρογγυλεμένο. Προς την ίδια κατεύθυνση βοηθάει και η μικρή κλίση του μπροστινού τζαμιού, όμως λειτουργικοί και κατασκευαστικοί λόγοι περιορίζουν την ελάχιστη δυνατή κλίση του. Συμμετοχή επίσης στην αεροδυναμική αντίσταση έχει και το κάτω μέρος του οχήματος με σημαντικότερη την επίδραση των τροχών. Όπως δείχνει η εικόνα 2-7, δίνες και ανακυκλοφορία εμφανίζονται μεταξύ των τροχών και του φτερού, συμβάλλοντας στην παραγωγή αεροδυναμικής αντίστασης. Τέλος το σύστημα ψύξης και η διάταξη του κινητήρα συμβάλλουν, αλλά σε μικρότερο βαθμό. Μερικοί κατασκευαστές στα πλαίσια της βελτίωσης της κατανάλωσης καυσίμου, εφαρμόζουν διατάξεις με τις οποίες ανοίγουν και κλείνουν τις γρίλιες εισαγωγής αέρα στου συστήματος ψύξης ανάλογα με τις απαιτήσεις. Με αυτόν τον τρόπο καταφέρνουν να μειώνουν την αεροδυναμική αντίσταση όταν οι γρίλιες είναι κλειστές. Μελέτες για την επίδραση της διάταξης του κινητήρα και του συστήματος ψύξης έδειξαν ότι ο συντελεστής αεροδυναμικής αντίστασης εμφανίζεται μειωμένος όταν αυξηθεί η απόσταση μεταξύ του ψυγείου και του κινητήρα. ΕΕΘ 19

35 Διπλωματική Εργασία Εικόνα 2-7 Ροή αέρα γύρο από τους τροχούς 2.3 Αντίσταση τριβής κύλισης Ο δεύτερος σημαντικότερος παράγοντας που συμβάλει στη διαμόρφωση του φορτίου που δέχεται ο κινητήρας είναι η αντίσταση τριβής κύλισης (Rolling Resistance), που περιγράφεται με τον όρο F RR στην εξίσωση 2.6. Αντίθετα με την αεροδυναμική αντίσταση, η αντίσταση τριβής επιδρά από τη στιγμή που οι τροχοί ξεκινούν να περιστρέφονται. Η συνεισφορά της είναι αρκετά σημαντική καθώς είναι μεγαλύτερη από την αεροδυναμική αντίσταση για ταχύτητες μικρότερες των 8 km/h. Η αντίσταση τριβής κύλισης υπολογίζεται από την εξίσωση 2.11 και είναι συνάρτηση του βάρους του οχήματος και του συντελεστή τριβής μεταξύ ελαστικού και οδοστρώματος. Στην περίπτωση που το όχημα κινείται σε δρόμο με κλίση η αντίσταση τριβής κύλισης υπολογίζεται από την εξίσωση F RR = μm ox g Εξ F RR = μm ox g cos(α) Εξ.2.12 Όπου: μ ο συντελεστής τριβής. M ox η μάζα του οχήματος σε kg. g η επιτάχυνση της βαρύτητας. Κατά την ευθύγραμμη κίνηση του οχήματος, η επιφάνεια του ελαστικού που έρχεται σε επαφή με το οδόστρωμα, μπορεί να προσεγγιστεί με την παράπλευρη επιφάνεια κυλίνδρου με ακτίνα αυτήν του ελαστικού. Στην ιδανική περίπτωση η επαφή τέλειας κυλινδρικής επιφάνειας με επίπεδο είναι μία ευθεία γραμμή. Στην πραγματικότητα όμως λόγω της παραμόρφωσης του ελαστικού, η επαφή του με τον δρόμο δεν είναι ευθεία αλλά ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο, εικόνες 2-8 και 2-9, οι διαστάσεις του οποίου εξαρτώνται από το πλάτος του πέλματος και την πίεση του αέρα. Έτσι η συγκράτηση του οχήματος στην τροχιά του, η μεταφορά ισχύος και η δύναμη πέδησης πραγματοποιούνται λόγω της δύναμης τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ οδοστρώματος και ελαστικού. Η δύναμη αυτή είναι γνωστή ως δύναμη πρόσφυσης, ενώ εξαρτάται από τη φύση των εφαπτόμενων επιφανειών, από την κάθετη δύναμη και από την επιφάνεια επαφής. 2 ΕΕΘ

36 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-8 Επαφή ελαστικού - οδοστρώματος Εικόνα 2-9 Παραμόρφωση ελαστικού Όπως αναφέρεται και παραπάνω το τμήμα του ελαστικού που έρχεται σε επαφή με το δρόμο παραμορφώνεται και από κυκλικό γίνεται επίπεδο. Εκτός βέβαια από το πέλμα παραμορφώνεται και η παράπλευρη επιφάνεια, εικόνα 2-9. Η παραμόρφωση αυτή εξαρτάται από τις ιδιότητες του ελαστικού, το υλικό και τις αξονικές ενισχύσεις του, όπως επίσης και από την ποιότητα της επιφάνειας του οδοστρώματος. Για την παραμόρφωση αυτή γίνεται αντιληπτό ότι δαπανάται έργο ώστε να αντισταθμιστεί η αντίσταση που προβάλλει το ελαστικό. Η αντίσταση αυτή ονομάζεται αντίσταση τριβής κύλισης, γιατί αναπτύσσεται από την εσωτερική τριβή του ελαστικού κατά την κύλισή του. Ο προσδιορισμός του συντελεστή τριβής γίνεται με τη βοήθεια της πειραματικής διάταξης που παρουσιάζεται στην εικόνα 2-1. Η διάταξη αποτελείται από ένα έμβολο που ασκεί κάθετη δύναμη στο ελαστικό, το τύμπανο με το οποίο έρχεται σε επαφή το ελαστικό και τον ηλεκτροκινητήρα. Από την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα και την γωνιακή ταχύτητα υπολογίζεται η δύναμη τριβής F RR που αναπτύσσεται στο ελαστικό, ενώ η κάθετη δύναμη Z που ασκεί το έμβολο είναι γνωστή. Έτσι ο συντελεστής τριβής υπολογίζεται ως ο λόγος της δύναμης τριβής F RR προς την κάθετη δύναμη Z (μ = F RR Z ). Έτσι ο συντελεστής τριβής προκύπτει αδιάστατος αλλά εντοπίζεται και με μονάδες kg/tonne. ΕΕΘ 21

37 Διπλωματική Εργασία Z F RR Εικόνα 2-1 Διάταξη μέτρησης συντελεστή τριβής Κάθε τύπος ελαστικού χαρακτηρίζεται από ένα συντελεστή τριβής κύλισης ο οποίος αναφέρεται για ένα συγκεκριμένο τύπο οδοστρώματος. Στην εικόνα 2-11 φαίνεται η μεταβολή του συντελεστή τριβής συναρτήσει της πίεσης του αέρα για διάφορους τύπους οδοστρώματος. Στην επόμενη εικόνα 2-12 παρουσιάζεται επίσης η μεταβολή του συντελεστή τριβής συναρτήσει της πίεσης του αέρα για ένα συγκεκριμένο ελαστικό. Στην εικόνα αυτή ο συντελεστής παρουσιάζεται ως ποσοστό της τιμής του συντελεστή τριβής που προκύπτει πειραματικά για πίεση 2.1 bars κατά την τυποποίηση του ISO. Με βάση την ίδια τυποποίηση καθορίζονται και οι κλάσεις στις οποίες εντάσσονται τα ελαστικά. Οι κατηγορίες αυτές χρησιμοποιούνται για τον «ενεργειακό» χαρακτηρισμό των ελαστικών, εικόνα Εικόνα 2-11 Μεταβολή συντελεστή τριβής για διάφορους τύπους οδοστρώματος συναρτήσει της πίεσης αέρα 22 ΕΕΘ

38 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-12 Συντελεστής τριβής συναρτήσει της πίεσης αέρα Συνοψίζοντας, οι κυριότεροι μηχανισμοί που ευθύνονται για την δημιουργία αντίστασης τριβής είναι οι παρακάτω: Απώλεια ενέργειας λόγω της παραμόρφωσης των πλαϊνών επιφανειών κοντά στην επιφάνεια επαφής με το οδόστρωμα. Απώλεια ενέργειας λόγω της παραμόρφωσης της επιφάνειας επαφής. Τριβή της επιφάνειας επαφής. Ολίσθηση του ελαστικού στη οριζόντια και εγκάρσια κατεύθυνση. Ανομοιομορφία του οδοστρώματος. Απώλεια της πίεσης του αέρα στο ελαστικό. Εικόνα 2-13 Ενεργειακές κλάσεις ελαστικών με βάση τη νομοθεσία ΕΕΘ 23

39 Διπλωματική Εργασία Το μέγεθος της αντίστασης τριβής κύλισης εκφράζεται από τον συντελεστή τριβής (Rolling Resistance Coefficient-RRC). Αυτός είναι αδιάστατος αριθμός ο οποίος περιγράφει τους μηχανισμούς που ευθύνονται για την δημιουργία αντίστασης τριβής κατά την αλληλεπίδραση ελαστικού και οδοστρώματος. Η επιλογή τυποποιημένων συνθηκών για τη μέτρηση είναι αρκετά δύσκολη καθώς είναι ένα φαινόμενο που επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως το είδος, η σύσταση και η σχεδίαση του ελαστικού, η θερμοκρασία του αλλά και το υλικό του οδοστρώματος. Στην διαμόρφωση της δύναμης αντίστασης που προέρχεται από την τριβή των ελαστικών συμμετέχουν και παράγοντες όπως η κατάσταση, το υλικό και η σχεδίαση των ελαστικών. Ένα ελαστικό με φθαρμένο πέλμα για παράδειγμα, μπορεί να παρουσιάζει ακόμα και 2% μικρότερο συντελεστή τριβής Όπως προαναφέρθηκε, η αντίσταση τριβής οφείλεται κατά ένα μεγάλο βαθμό στην παραμόρφωση του υλικού, κάτι που καθιστά την θερμοκρασία του ελαστικού έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες που επηρεάζουν τον συντελεστή τριβής. Έχει παρατηρηθεί από μετρήσεις ότι αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε ελάττωση του συντελεστή τριβής. Από τις μετρήσεις παρατηρείται ότι κατά την ψυχρή λειτουργία, ο συντελεστής τριβής μπορεί να είναι αυξημένος ακόμα και κατά 2%, συγκριτικά με αυτόν που έχει όταν φτάσει στην θερμοκρασία λειτουργίας. Σε ένα μεγάλο βαθμό η πίεση του αέρα στο εσωτερικό του ελαστικού καθορίζει την ελαστικότητα του, ενώ σε συνδυασμό με το βάρος του οχήματος, καθορίζει την παραμόρφωση και την επιφάνεια επαφής. Κατ επέκταση η πίεση των ελαστικών επιδρά δραστικά στον μηχανισμό ανάπτυξης της αντίστασης τριβής κύλισης. Στην εικόνα 2-11 παρουσιάστηκε η μεταβολή του συντελεστή αντίστασης συναρτήσει της πίεσης του αέρα για διάφορους τύπους οδοστρώματος. Μεγάλη πίεση οδηγεί σε μείωση του συντελεστή για σκληρές επιφάνειες (π.χ. άσφαλτος/τσιμέντο) καθώς το έργο που απαιτείται για την παραμόρφωση του ελαστικού περιορίζεται. Αντίθετα για μαλακές επιφάνειες (π.χ. άμμος) υψηλή πίεση του αέρα οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή. Κάτι τέτοιο οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η βέλτιστη πίεση καθορίζεται και από το είδος του οδοστρώματος. Η διατήρηση της σωστής πίεσης στα ελαστικά είναι σημαντική καθώς μπορεί να δαπανάται ακόμα και 2% περισσότερο καύσιμο λόγω της ελλιπούς πίεσης στα ελαστικά. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 2-14, παραπάνω από το 5% των οχημάτων έχουν λιγότερη από την κανονική πίεση στα ελαστικά. Έτσι αρκετά από τα σύγχρονα αυτοκίνητα είναι πλέον εξοπλισμένα με αισθητήρες που ελέγχουν και ενημερώνουν τον οδηγό για την πίεση των ελαστικών. Σύμφωνα με το διάγραμμα η κατάσταση όπου το ελαστικό έχει.5-1 bar μικρότερη πίεση από την κανονική χαρακτηρίζεται ως επικίνδυνη, ενώ πολύ επικίνδυνη χαρακτηρίζεται η κατάσταση όπου η πίεση υπολείπεται της κανονικής για περισσότερο από 1 bar. 24 ΕΕΘ

40 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-14 Πίεση ελαστικών για τα επιβατικά αυτοκίνητα 2.4 Απώλειες και δύναμη τριβής στο σύστημα μετάδοσης κίνησης. Στην εξίσωση 2.6 συμπεριλαμβάνεται και ο όρος F L, με τον οποίο περιγράφονται οι απώλειες που «προκαλούνται» από το σύστημα μετάδοσης κίνησης. Ενώ για την αεροδυναμική αντίσταση ή την αντίσταση τριβής κύλισης υπάρχει τρόπος να υπολογιστεί, ο όρος που περιγράφει τις απώλειες δεν έχει κάποιο αναλυτικό τύπο. Κάθε ένα όχημα χαρακτηρίζεται από τις δικές του απώλειες καθώς το μέγεθος αυτό εξαρτάται από τον τύπο του κιβωτίου ταχυτήτων, τη συναρμογή ή τις συνθήκες συναρμολόγησης (για παράδειγμα δύναμη προέντασης των εδράνων κύλισης) και τη θερμοκρασία του λιπαντικού. Οι κατασκευαστές βέβαια γνωρίζουν τον βαθμό απόδοσης των στοιχείων που αποτελούν το σύστημα μετάδοσης, οπότε είναι σε θέση να κάνουν μία εκτίμηση του μεγέθους των απωλειών. Μία τέτοια όμως εκτίμηση είναι γενική και αναφέρεται στην αναμενόμενη τιμή των απωλειών για ένα συγκεκριμένο μοντέλο. Στην περίπτωση που γίνει σύγκριση των απωλειών μεταξύ οχημάτων του ίδιου μοντέλου (οχήματα που παράχθηκαν στην ίδια γραμμή παραγωγής) γίνεται αντιληπτό ότι οι απώλειες είναι σχεδόν σταθερές για όλα τα οχήματα. Στην εικόνα 2-15 παρουσιάζεται σύγκριση των απωλειών για τρία οχήματα του ίδιου μοντέλου με πετρελαιοκινητήρα, μηχανικό κιβώτιο 6 σχέσεων μετάδοσης, με κίνηση στους μπροστινούς τροχούς. Στον κυρίως άξονα (αριστερά) φαίνεται η συνολική δύναμη και με τις μπάρες παρουσιάζεται το μέτρο της δύναμης. Με κόκκινο χρώμα παρουσιάζεται η εκτίμηση ενώ με μαύρη διαγράμμιση τα πειραματικά αποτελέσματα. Οι μετρήσεις που υπάρχουν στο διάγραμμα είναι για ταχύτητες 12 km/h, 8 km/h, 4 km/h και 2 km/h. Από τα αποτελέσματα γίνεται αντιληπτό πως όλα τα οχήματα έχουν περίπου ίδιες απώλειες ενώ μπορεί να απέχουν έως και 12 N από την εκτιμώμενη τιμή. Κάτι τέτοιο αποδεικνύει ότι ο ΕΕΘ 25

41 Διπλωματική Εργασία προσδιορισμός των απωλειών είναι αρκετά δύσκολος. Στον δευτερεύοντα άξονα παρουσιάζεται η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο κιβώτιο ταχυτήτων κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Εικόνα 2-15 Μέτρηση τριβής συστήματος μετάδοσης κίνησης Η μέτρηση που περιγράφεται στο παραπάνω διάγραμμα έγινε σε πέδη οχημάτων. Αρχικά γινόταν προθέρμανση του οχήματος σε ταχύτητα 12 km/h έως ότου η θερμοκρασία του κιβωτίου φτάσει στην επιθυμητή. Έπειτα επιλέγεται νεκρά στο κιβώτιο και από το σημείο αυτό η πέδη κινεί το όχημα με σταθερή ταχύτητα. Κατά τη μέτρηση καταγράφεται η δύναμη που ασκεί η πέδη στο όχημα ώστε να κινήσει τους τροχούς και το σύστημα μετάδοσης κίνησης. Με αυτό τον τρόπο μετράται η δύναμη που χρειάζεται να κινηθούν όλα τα εξαρτήματα που αποτελούν το σύστημα μετάδοσης κίνησης μαζί με την αντίσταση τριβής των ελαστικών. Για την επίτευξη συγκρίσιμων αποτελεσμάτων, το ίδιο σετ ελαστικών χρησιμοποιήθηκε κατά την μέτρηση όλων των οχημάτων. Στην εικόνα 2-16 φαίνεται σχηματικά η διαδικασία της μέτρησης. Εικόνα 2-16 Διαδικασία μέτρησης τριβής συστήματος μετάδοσης κίνησης 26 ΕΕΘ

42 Στυλιανός Δουλγέρης Αξίζει να σημειωθεί ότι με αυτήν τη διαδικασία μέτρησης δεν μετρώνται άμεσα οι απώλειες αλλά η ισχύ που καταναλώνεται ως εσωτερική αντίσταση. Είναι εμφανές ότι όσο μεγαλύτερη η δύναμη που χρειάζεται η πέδη να κινήσει όλο το σύστημα μετάδοσης κίνησης τόσο μεγαλύτερη είναι η εσωτερική αντίσταση που καλείται να υπερνικήσει ο κινητήρας. 2.5 Πειραματικός προσδιορισμός του φορτίου δρόμου Με την ανάλυση που έγινε στις προηγούμενες παραγράφους συμπεραίνεται ότι η δύναμη που δέχεται ένα όχημα κατά την κίνησή του είναι μία συνάρτηση της ταχύτητας που αναλυτικά περιγράφεται από την εξίσωση 2.13 και από την εξίσωση 2.14 όταν το όχημα κινείται με σταθερή ταχύτητα σε δρόμο δίχως κλίση. F TR = 1 2 ρc dav 2 + μm ox g cos(α) + F L (v) + M οχ g sin(a) + M οχ dv dt Εξ.2.13 ή F TR = 1 2 ρc dav 2 + μm ox g + F L (v) Εξ.2.14 Οι παραπάνω εξισώσεις περιγράφουν την ελκτική δύναμη που απαιτείται να παραχθεί από τον κινητήρα ώστε το όχημα να κινηθεί. Στην περίπτωση που ο κινητήρας δεν είναι συνδεδεμένος με τους κινητήριους τροχούς F TR = (ανοίξει ο συμπλέκτης ή δεν υπάρχει επιλεγμένη κάποια σχέση μετάδοσης) τότε στο όχημα δρουν μόνο οι αντιστάσεις και η δύναμη της αδράνειας. Δίχως την δύναμη του κινητήρα το όχημα αρχίζει να επιβραδύνει υπό την επίδραση των αντιστάσεων. Τότε η εξίσωση 2.14 βάση του νόμου του Νεύτωνα γίνεται: M οχ dv dt = 1 2 ρc dav 2 + μm ox g + F L (v) Εξ.2.15 Όπως γίνεται αντιληπτό, κατά την ελεύθερη επιβράδυνση ενός οχήματος μπορεί να προσδιοριστεί η συνολική δύναμη αντίστασης που δέχεται. Στην παρούσα Ευρωπαϊκή νομοθεσία, που περιέχεται στον κανονισμό νούμερο 83 (Regulation No. 83) των Ηνωμένων Εθνών (UNITED NATIONS) περιγράφεται ο τρόπος προσδιορισμού της αντίστασης δρόμου (Road Load), ενώ η μέθοδος βασίζεται στην ελεύθερη επιβράδυνση του οχήματος. Η διαδικασία του πειραματικού προσδιορισμού του φορτίου δρόμου είναι γνωστή με το όνομα «Coast Down Test» και περιλαμβάνει μία σειρά από ενέργειες που πρέπει να γίνουν πριν την εκτέλεση της μέτρησης. Σύμφωνα με την νομοθεσία, η διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί περιγράφεται παρακάτω. Αρχικά γίνεται η επιλογή του αυτοκινήτου με το οποίο θα πραγματοποιηθεί το Coast Down Test. Στην περίπτωση που δεν θα μετρηθούν όλες οι διαφορετικές εκδόσεις του μοντέλου τότε για το τεστ θα επιλεχθεί το λιγότερο αεροδυναμικό αμάξωμα. Επίσης η επιλογή των ελαστικών γίνεται με βάση τον συντελεστή τριβής κύλισης. Επιλέγονται τα ελαστικά με τον μεγαλύτερο συντελεστή τριβής ή εάν υπάρχουν πάνω από τρεις διαφορετικοί συντελεστές επιλέγονται τα ελαστικά με τον δεύτερο μεγαλύτερο. ΕΕΘ 27

43 Διπλωματική Εργασία Επιπλέον επιλέγεται το όχημα του οποίου η μάζα αναφοράς 2 (reference mass) αντιστοιχεί στην μεγαλύτερη αδράνεια. Τέλος, αναφορικά με τον κινητήρα επιλέγεται το αυτοκίνητο που είναι εξοπλισμένο με τον μεγαλύτερο εναλλάκτη θερμότητας, ενώ το τεστ εκτελείται για όλους τους τύπους μετάδοσης κίνησης. Επόμενο βήμα είναι το «τρέξιμο» του αυτοκινήτου («Running-in») κατά το οποίο πρέπει το όχημα να οδηγηθεί για τουλάχιστον 3 χιλιόμετρα. Τα ελαστικά που θα χρησιμοποιηθούν θα πρέπει να είναι προσαρτημένα στο όχημα καθ όλη τη διάρκεια του «Running-in», διαφορετικά πρέπει να χρησιμοποιηθούν λάστιχα με βάθος πέλματος (tread depth) ανάμεσα στο 5-9% του αρχικού. Πριν από την εκτέλεση του τεστ το αυτοκίνητο που θα μετρηθεί προετοιμάζεται καταλλήλως. Το όχημα πρέπει να είναι φορτωμένο ώστε το βάρους του να είναι ίδιο με την μάζα αναφοράς. Τα παράθυρα πρέπει να είναι κλειστά και τα φώτα ή οι προβολείς πρέπει να είναι σε θέση εκτός λειτουργίας. Τέλος πρέπει το εξωτερικό του αμαξώματος πρέπει να είναι καθαρό. Τέλος, ακριβώς πριν από το τεστ το όχημα θα πρέπει να προθερμανθεί στην θερμοκρασία κανονικής λειτουργιάς. Μετά από την παραπάνω διαδικασία το αυτοκίνητο είναι έτοιμο για την εκτέλεση του Coast Down Test. Κατά την διάρκεια του τεστ καταγράφονται ο χρόνος και η ταχύτητα, ενώ το σφάλμα της μέτρησης θα πρέπει να είναι μικρότερο από ±,1 s για τον χρόνο και ±2% για την ταχύτητα. Η διαδικασία του τεστ περιγράφεται παρακάτω: Το όχημα επιταχύνεται σε ταχύτητα 1 km/h μεγαλύτερη από την μέγιστη επιλεγμένη ταχύτητα του τεστ (συνήθως η μέγιστη είναι 12 km/h άρα επιταχύνεται στα 13 km/h). Αφού η ταχύτητα του οχήματος σταθεροποιηθεί, στο κιβώτιο επιλέγεται η «νεκρά» (neutral position). Κατά την διάρκεια της μέτρησης καταγράφονται η ταχύτητα και ο χρόνος. Από την καταγραφή υπολογίζεται ο χρόνος (t 1 ) (ή (t 2 ) για την αντίθετη κατεύθυνση που χρειάζεται το όχημα να επιβραδύνει από την ταχύτητα V 2 = V + ΔV στην V 1 = V + ΔV. Από τους χρόνους t 1 και t 2 υπολογίζεται ο μέσος όρος Τ, εξίσωση T = 1 n T n i=1 i Εξ.2.16 Το τεστ εκτελείται παραπάνω από δύο φορές και προς τις δύο κατευθύνσεις έως ότου η στατιστική ακρίβεια p, εξίσωση 2.17, είναι μεγαλύτερη από 98%. p = ( t s ) 1 n T Εξ.2.17 Όπου: n ο αριθμός των τεστ. 2 Ως μάζα αναφοράς θεωρείται το απόβαρο του αυτοκίνητο προσαυξημένο κατά 1 kg (Reference mass=curb weight +1kg) 28 ΕΕΘ

44 Στυλιανός Δουλγέρης s = n (T i T) 2 i=1 η τυπική απόκλιση. n 1 t συντελεστής που εκλέγεται σύμφωνα με τον παρακάτω πίνακα. n t t n Πίνακας 2-1 Μετά την εκτέλεση του απαιτούμενου αριθμού επαναλήψεων ακολουθεί ο υπολογισμός της ισχύος βάση των μετρήσεων. Έτσι ισχύ P (σε kw) υπολογίζεται με τη βοήθεια της εξίσωσης P = M V ΔV 5 T Εξ.2.18 Όπου: V η ταχύτητα του τεστ σε m/s. ΔV η διαφορά από την ταχύτητα V σε m/s. M η μάζα αναφοράς σε kg. T ο χρόνος σε δευτερόλεπτα (s). Σε αυτό το σημείο αξίζει να σημειωθεί ότι το Coast Down Test εκτελείται σε δρόμο ή πίστα με μήκος που να επιτρέπει την διεξαγωγή της μέτρησης. Επίσης ο κανονισμός θέτει προδιαγραφές αναφορικά με την κλίση που θα πρέπει να έχει ο δρόμος. Έτσι, η κλίση του πρέπει να είναι σταθερή με απόκλιση ±.1% και να μην ξεπερνάει το 1.5%. Επιπλέον η νομοθεσία απαιτεί το οδόστρωμα να είναι στεγνό. Όπως γίνεται αντιληπτό η εκτέλεση του Coast Down Test γίνεται σε εξωτερικό χώρο, γι αυτό το λόγο η νομοθεσία αναφέρει ότι η τιμή της πυκνότητας του αέρα κατά την διάρκεια του τεστ δεν θα πρέπει να διαφέρει περισσότερο από ±7,5% αυτής που αντιστοιχεί στις συνθήκες αναφοράς (P = 1 kpa και T = K). Καθώς οι συνθήκες του περιβάλλοντος δεν είναι πάντα σταθερές, ο υπολογισμός της ισχύος χρειάζεται διόρθωση για τις συνθήκες αναφοράς. Η νομοθεσία προτείνει την διόρθωση που περιγράφεται παρακάτω. P Corrected = K P Measured Εξ.2.19 Όπου: K = R R [1 + K R R (t t )] + R AERO (ρ ) ο συντελεστής διόρθωσης. T R T ρ R R η αντίσταση τριβής στην ταχύτητα V. R AERO η αεροδυναμική αντίσταση στην ταχύτητα V. R T = R R + R AERO η συνολική αντίσταση. ΕΕΘ 29

45 Ταχύτητα [km/h] Διπλωματική Εργασία K R ο συντελεστής διόρθωσης της αντίστασης τριβής, ο οποίος είναι ίσος με 8, / ή πιστοποιημένη από της αρχές τιμή του δίνεται από τον κατασκευαστή. t η θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια του τεστ. t η θερμοκρασία αναφοράς (2 ). ρ η πυκνότητα του αέρα περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια του τεστ. ρ η πυκνότητα του αέρα για της συνθήκες αναφοράς (2, 1 kpa). Στην εικόνα 2-17 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα από μέτρηση της ταχύτητας κατά την διεξαγωγή ενός Coast Down Test. Στον πίνακα παρουσιάζεται ο υπολογισμός της δύναμης αντίστασης. Για το υπολογισμό ισχύει ΔV = 5 km h ή 1,38 m s Φάση επιτάχυνσης Φάση επιβράδυνσης Speed Χρόνος [s] Εικόνα 2-17 Μέτρηση ταχύτητας κατά το Coast Down Test v1 v2 T V Power Force [s] [s] [s] [km/h] [kw] [N] Πίνακας 2-2 Τα αποτελέσματα του υπολογισμού της δύναμης από τον παραπάνω πίνακα παρουσιάζονται στην εικόνα 2-18 ως συνάρτηση της ταχύτητας. Οι σταθερές της συνάρτησης δευτέρου βαθμού που περιγράφουν τα σημεία (ζεύγη δύναμης ταχύτητας) αποτελούν τις 3 ΕΕΘ

46 Δύναμη [N] Στυλιανός Δουλγέρης παραμέτρους του φορτίου. Έτσι για το παράδειγμα αυτό το φορτίο δρόμου περιγράφεται από τις παραμέτρους: F = N F 1 =.7483 N km h F 2 =.365 N ( km h ) y =.365x x R² = Force [N] Ταχύτητα [km/h] Εικόνα 2-18 Προσδιορισμός των σταθερών του φορτίου από μέτρηση 2.6 Η φυσική σημασία των F, F1 και F2 και η συνεισφορά τους στη συνολική δύναμη αντίστασης Στις προηγούμενες παραγράφους έγινε αναφορά στις κυριότερες «πηγές» αντίστασης που διαμορφώνουν το φορτίο ενός οχήματος κατά την κίνησή του. Είναι φανερό ότι η συνολική δύναμη αντίστασης είναι συνάρτηση της ταχύτητας. Η συνεισφορά όμως του κάθε όρου είναι διαφορετική για κάθε ταχύτητα. Από το Coast Down Test προκύπτει συνήθως ένα πολυώνυμο δευτέρου βαθμού, εξίσωση 2.2 (με ανεξάρτητη μεταβλητή τη ταχύτητα) και οι τρεις συντελεστές του περιγράφουν το φορτίο δρόμου ενός οχήματος. F TR = F + F 1 v + F 2 v 2 Εξ.2.2 F [N] F 1 [ N km h ] F 2 [ N ( km h )2 ] ΕΕΘ 31

47 Διπλωματική Εργασία Συγκρίνοντας τις εξισώσεις 2.14 και 2.2 εύκολα καταλήγει κανείς στο συμπέρασμα ότι το F (σταθερός όρος) προέρχεται κυρίως από την αντίσταση τριβής κύλισης ενώ το F 2 (συντελεστής του τετραγώνου της ταχύτητας) από την αεροδυναμική αντίσταση, με τον γραμμικό όρο F 1 να μην έχει άμεση αντιστοίχιση με κάποιον από τους όρους. Η απλοποιημένη διάκριση όμως αυτή δεν είναι τελείως σωστή. Σύμφωνα με την νομοθεσία το φορτίο δρόμου προκύπτει από την προσέγγιση των ζευγών ταχύτητας-δύναμης που λαμβάνονται συνήθως κάθε 1 km/h παράδειγμα εικόνας Με αυτόν τον τρόπο το F 1 λαμβάνει την τιμή που «δίνει» την καλύτερη προσέγγιση, με αποτέλεσμα η τιμή του να είναι θετική αλλά και αρνητική. Επιπλέον την τιμή των παραμέτρων επηρεάζουν και οι απώλειες του συστήματος μετάδοσης κίνησης. Μετρήσεις των απωλειών και του συντελεστή τριβής δείχνουν ότι μεταβάλλονται με την ταχύτητα, εικόνες 2-19 και 2-2. Εικόνα 2-19 Απώλειες συστήματος μετάδοσης κίνησης συναρτήσει της ταχύτητας Εικόνα 2-2 Δύναμη τριβής συναρτήσει της ταχύτητας Στην περίπτωση των αυτοκινήτων με μηχανικό κιβώτιο υπάρχει μία μικρή γραμμική εξάρτηση (F + F 1 v) του φορτίου δρόμου δίχως να επηρεάζεται το F 2. Στην περίπτωση των αυτόματων κιβωτίων όμως η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Τα αυτόματα κιβώτια είναι εξοπλισμένα με φρένα, συμπλέκτες και μετατροπέα ροπής (torque converter) που η λειτουργία τους μεταβάλλεται συνεχώς. Στις πολύ χαμηλές ταχύτητες του οχήματος το κιβώτιο έχει μεγάλη ταχύτητα περιστροφής εσωτερικά, κάτι που οδηγεί σε υψηλό φορτίο για 32 ΕΕΘ

48 Δύναμη [N] Στυλιανός Δουλγέρης ταχύτητα μεταξύ 2-3 km/h. Στις μεσαίες ταχύτητες του οχήματος, η ταχύτητα περιστροφής παρουσιάζεται μικρότερη, άρα και το φορτίο εμφανίζεται ελαττωμένο. Στις μεγάλες ταχύτητες του οχήματος, η ταχύτητα περιστροφής αυξάνεται πάλι, με αποτέλεσμα την αύξηση του φορτίου. Τελικά στην περίπτωση αυτή το F 1 μπορεί να είναι αρνητικό, ενώ οι απώλειες στο κιβώτιο επηρεάζουν και το F 2. Στις εικόνες 2-21 και 2-22 που ακολουθούν φαίνεται η συνολική δύναμη αντίστασης για δύο αυτοκίνητα, ένα με μηχανικό κιβώτιο και ένα με αυτόματο. Τα αυτοκίνητα αυτά είναι από τον ίδιο κατασκευαστή, έχουν τον ίδιο κινητήρα ενώ η μόνη διαφορά τους είναι το σύστημα μετάδοσης κίνησης και το βάρος AT [N] MT [N] Ταχύτητα [km/h] Εικόνα 2-21 Δύναμη αντίστασης για ΑΤ και ΜΤ συναρτήσει της ταχύτητας Manual F1+F Automatic 12km/h F2 12km/h Total : 597N Total : 612N F1+F F ΕΕΘ 33

49 Διπλωματική Εργασία Manual 8km/h Total : 349N F1+F F2 Automatic 8km/h Total : 353N F1+F F Manual 2km/h Total : 156N 12 F1+F F2 Automatic 2km/h Total : 188N 15 F1+F F Εικόνα 2-22 Κατανομή της δύναμης αντίστασης για διάφορες ταχύτητες 2.7 Μέτρηση σε πέδη οχημάτων Η παρούσα νομοθεσία περιγράφει την διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί για την προετοιμασία και μέτρηση των εκπομπών ενός οχήματος μέσα στο εργαστήριο. Ένα από τα πρακτικά προβλήματα που πρέπει να λυθούν είναι η προσομοίωση της δύναμης αντίστασης του κάθε οχήματος. Για τον λόγο αυτό η μέτρηση γίνεται σε πέδη οχημάτων, η οποία αναπαράγει την δύναμη αντίστασης. Κάθε ένα όχημα, όπως γίνεται αντιληπτό από την ανάλυση που έγινε στις προηγούμενες παραγράφους, χαρακτηρίζεται από το φορτίο δρόμου (δύναμη αντίστασης δρόμου). Αυτό είναι το φορτίο που πρέπει να υπερνικήσει ο κινητήρας ώστε να κινηθεί το όχημα, άρα και η πέδη κατά την διάρκεια της μέτρησης θα πρέπει να αναπαράγει το ίδιο φορτίο. Έτσι η πέδη ρυθμίζεται ώστε να πετυχαίνει τους ίδιους χρόνους επιβράδυνσης (εντός θεσμοθετημένων ορίων) με αυτούς που καταγράφηκαν κατά τη μέτρηση coast down. Η ρύθμιση αποτελείται από την προετοιμασία του οχήματος και τη ίδιας τη πέδης και μία επαναληπτική διαδικασία κατά την οποία εκτελούνται μία σειρά από coast down έως ότου οι χρόνοι βρίσκονται στα επιθυμητά επίπεδα. Κοιτώντας το πραγματικό φορτίο και τη ρύθμιση της πέδης παρατηρείται ότι διαφέρουν μεταξύ τους, εικόνα Στην εικόνα με μαύρο χρώμα («Target RL») 34 ΕΕΘ

50 Δύναμη [N] Στυλιανός Δουλγέρης παρουσιάζεται το φορτίο του οχήματος, ενώ με κόκκινο («Set RL») το φορτίο που παράγει η πέδη μετά την ρύθμισή της. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι το πραγματικό φορτίο συμπεριλαμβάνει τις απώλειες και την αντίσταση τριβής του συστήματος μετάδοσης κίνησης, φορτία που υπάρχουν και όταν το όχημα βρίσκεται στην πέδη. Αν λοιπόν η ρύθμιση της πέδης γινόταν με το πραγματικό φορτίο οι προηγούμενες αντιστάσεις θα υπολογίζονταν εις διπλούν. Άρα η πέδη προσομοιώνει την αεροδυναμική αντίσταση, την αντίσταση τριβής κύλισης και την αντίσταση λόγω της αδράνειας κατά την μεταβατική φάση (επιτάχυνση/ επιβράδυνση) των κύκλων Set R/L Target R/L Ταχύτητα [km/h] Εικόνα 2-23 Σύγκριση πραγματικού φορτίου με το φορτίο της πέδης Στην εξίσωση 2.21 παρουσιάζεται η δύναμη που παράγει η πέδη κατά την μέτρηση. Παρατηρείται ότι εκτός από τις παραμέτρους της αντίστασης δρόμου που ρυθμίζονται, γίνεται και μία διόρθωση στην μάζα. Κατά τον υπολογισμό της αδράνειας (m dv ) από την μάζα του οχήματος αφαιρείται η μάζα των μηχανικών μερών της πέδης. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι ίδιος με το λόγο που γίνεται ρύθμιση της πέδης. Όταν το όχημα είναι στην πέδη ο κινητήρας του πρέπει, εκτός από την αντίσταση που προβάλει η πέδη, να υπερνικήσει μαζί με την προσομοίωση της αδράνειας του ίδιου του οχήματος και την αδράνεια των μηχανικών μερών στις φάσεις επιτάχυνσης και επιβράδυνσης. Στην περίπτωση που δεν γίνει διόρθωση αφαιρώντας τη μάζα των μηχανικών μερών της πέδης, ο κινητήρας θα «έβλεπε» πολύ μεγαλύτερη αδράνεια από ότι θα έπρεπε. Η εικόνα 2-24 παρουσιάζει ένα παράδειγμα από μέτρηση της δύναμης που παράγει η πέδη. Η δύναμη της πέδης παριστάνεται με κόκκινη γραμμή και υπολογίζεται με την εξίσωση Με μαύρη γραμμή παριστάνεται η συνολική δύναμη που ασκείται στους τροχούς. Τέλος με την γκρι γραμμή παριστάνεται η ταχύτητα του οχήματος. dt F CDY = F,set + F 1,set v + F 2,set v 2 + (M οχ M mech ) dv dt Εξ.2.21 Όπου: F CDY η δύναμη που παράγει η πέδη. F,set, F 1,set και F 2,set οι σταθερές του φορτίου δρόμου μετά την ρύθμιση της πέδης. ΕΕΘ 35

51 Δύναμη [N] Ταχύτητα [km/h] Διπλωματική Εργασία M οχ η μάζα του οχήματος. M mech η μάζα των μηχανικών μερών της πέδης. dv dt η μεταβολή της ταχύτητας (επιβράδυνση/ επιτάχυνση). Η δυναμομετρική πέδη αποτελεί το πρώτο βασικό κομμάτι της διάταξης μέτρησης ενός οχήματος εντός του εργαστηρίου. Η συμβολή της όμως περιορίζεται στην αναπαραγωγή των πραγματικών συνθηκών, την προσομοίωση της αδράνειας κατά την επιτάχυνση και την επιβράδυνση και της αντίστασης δρόμου, παραμέτρων που σχετίζονται αποκλειστικά με την προσομοίωση της κίνησης του οχήματος. Μετά την ρύθμιση της, η πέδη είναι σε θέση να αναπαράγει την απαιτούμενη αντίσταση για το όχημα που πρόκειται να μετρηθεί. Η χρησιμότητα της πέδης δεν περιορίζεται στην παραγωγή της δύναμης αντίστασης, αλλά συμβάλλει στον κύριο σκοπό των μετρήσεων στο εργαστήριο, που είναι η καταγραφή των εκπομπών ρύπων του αυτοκινήτου. Έτσι η διάταξη μετρήσεων ολοκληρώνεται με το δεύτερο βασικό κομμάτι της διάταξης μέτρησης, το σύστημα δειγματοληψίας και μέτρησης των εκπεμπόμενων ρύπων. Η εξαγωγή (εξάτμιση) του αυτοκινήτου συνδέεται με έναν αγωγό ο οποίος οδηγεί τα καυσαέρια σε κανάλι αραίωσης. Στο κανάλι αυτό του οποίου ο όγκος είναι σταθερός, τα καυσαέρια αραιώνονται με αέρα περιβάλλοντος. Το κανάλι αυτό είναι γνωστό με το όνομα CVS (Constant Volume Sampling). Από το CVS γίνεται η δειγματοληψία για την καταγραφή των εκπομπών ρύπων συναρτήσει του χρόνου, ενώ μετά από αυτό τα αραιωμένα καυσαέρια οδηγούνται σε σάκους συλλογής όπου μετρώνται αθροιστικά οι εκπομπές για όλο τον κύκλο. 3 2 Total load CDY Tractive Force measured Velocity Χρόνος [s] Εικόνα 2-24 Δύναμη που ασκεί η πέδη 36 ΕΕΘ

52 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 2-25 Σχηματική διάταξη πέδης και μετρητικής διάταξης ΕΕΘ 37

53 Διπλωματική Εργασία 3 Δημιουργία βάσης δεδομένων και κατασκευή αλγόριθμου εκτίμησης φορτίου δρόμου Ένας από τους στόχους τη παρούσας εργασίας είναι η συλλογή δεδομένων που αφορούν το φορτίο δρόμου οχημάτων, αλλά και των τεχνικών χαρακτηριστικών τους. Με την βοήθεια της βάσης δεδομένων αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος-εργαλείο που θα είναι σε θέση να κάνει μία εκτίμηση του φορτίου (ισοταχούς κίνησης) ενός οχήματος με βάση τα τεχνικά του χαρακτηριστικά. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η κατασκευή της βάσης δεδομένων και παρουσιάζονται τα στοιχεία που περιέχει. Επιπλέον παρουσιάζεται η λειτουργία του αλγορίθμου, η διαδικασία επικύρωσης του και πρακτικές εφαρμογές. 3.1 Δημιουργία βάσης δεδομένων Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας δημιουργήθηκε μία βάση δεδομένων αποτελούμενη από 148 αυτοκίνητα που προορίζονται για την ευρωπαϊκή και την αμερικανική αγορά. Κατά την κατασκευή της έγινε προσπάθεια να καταγραφούν οχήματα από όλες τις κατηγορίες ώστε το δείγμα να είναι όσο το δυνατόν πιο αντιπροσωπευτικό. Τα δεδομένα που καταγράφηκαν αφορούν χαρακτηριστικά του κινητήρα, του συστήματος μετάδοσης κίνησης αλλά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σώματος κάθε οχήματος. Επιπλέον για κάθε όχημα καταγράφηκαν οι παράμετροι F,F 1 και F 2 του φορτίου δρόμου (Road Load), πληροφορία που παρουσιάζει και το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την παρούσα εργασία. Η κατασκευή της βάσης δεδομένων έγινε με συνδυασμό διαφόρων πηγών, προερχόμενες από τη βιβλιογραφία, το διαδίκτυο 3, κατασκευαστές και κρατικές υπηρεσίες όπως την US-Environmental Protection Agency (EPA). Από την κάθε μία πηγή αντλήθηκαν και διαφορετικά δεδομένα, με σκοπό την συμπλήρωση της βάσης. Πρώτο βήμα της κατασκευής αυτής της βάσης δεδομένων υπήρξε η συγκέντρωση στοιχείων αναφορικά με το φορτίο δρόμου (Road Load). Για την Ευρώπη τέτοιου είδους πληροφορία δεν είναι διαθέσιμη στο ευρύ κοινό, καθώς οι κατασκευαστές και οι αρχές πιστοποίησης χαρακτηρίζουν ως εμπιστευτικά (confidential) τα μεγέθη F, F1 και F2. Έτσι η πρόσβαση σε αυτή τη πληροφορία καθίσταται πρακτικά αδύνατη. Όμως στις ΗΠΑ, κάθε χρόνο δημοσιεύονται λίστες με τα στοιχεία των μετρήσεων που έγιναν για την πιστοποίηση της κατανάλωσης (fuel economy tests) των οχημάτων που θα κυκλοφορήσουν στην αγορά. Σε αυτές τις λίστες μαζί με τα αποτελέσματα και τις πληροφορίες κάθε αυτοκινήτου, είναι δημοσιευμένο και το φορτίο (Road Load) του κάθε ενός. Έτσι η λίστα της EPA για το 216 αποτέλεσε τον πυλώνα για την ανάπτυξη της βάσης δεδομένων, κάτι που δικαιολογεί το γεγονός ότι τα περισσότερα αυτοκίνητα είναι βενζινοκίνητα. Στην λίστα αυτή εκτός του RL αναφέρονται και χαρακτηριστικά όπως: το όνομα του μοντέλου και ο κατασκευαστής. ο τύπος καυσίμου του κινητήρα. 3 και 38 ΕΕΘ

54 Στυλιανός Δουλγέρης ο όγκος εμβολισμού. η μέγιστη ισχύς του κινητήρα. ο τύπος του κιβωτίου. ο αριθμός των σχέσεων μετάδοσης. η ισοδύναμη μάζα κατά τη μέτρηση. Για την εύρεση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αυτικινήτων (μήκος, πλάτος και ύψος) όμως χρησιμοποιήθηκαν βάσεις δεδομένων που υπάρχουν στο διαδίκτυο και οι επίσημες ιστοσελίδες των κατασκευαστών. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την συγκέντρωση των πληροφοριών ήταν ο συνδυασμός της λίστας από την EPA με τις διαδικτυακές βάσεις δεδομένων. Για την ταυτοποίηση των αυτοκινήτων δεν αρκούσε μόνο το όνομα και η έκδοση κάθε μοντέλου. Έτσι η αρχική αναζήτηση έγινε με βάση τον κατασκευαστή, το όνομα του μοντέλου και την έκδοση. Έπειτα ο όγκος εμβολισμού του κινητήρα, η μέγιστη ισχύς, ο τύπος του κιβωτίου και το πλήθος των κινητήριων τροχών αποτέλεσαν τα κριτήρια της ταυτοποίησης. Στην περίπτωση που όλα τα παραπάνω έρχονται σε αντιστοιχία τα δεδομένα από τις δύο λίστες είναι σε θέση να συγχωνευτούν. Στη βάση δεδομένων όμως περιέχονται και αυτοκίνητα από την ευρωπαϊκή αγορά από μελέτη που διεξήχθη αποκλειστικά για πετρελαιοκίνητα οχήματα κατά την οποία έγιναν μετρήσεις για εκπομπές σωματιδίων. Στη συγκεκριμένη μελέτη μαζί με τα τεχνικά χαρακτηριστικά, ήταν δημοσιευμένοι και οι συντελεστές F, F 1 και F 2 του φορτίου δρόμου των οχημάτων που μετρήθηκαν. Τέλος, στα πλαίσια της εργασίας αυτής για την συμπλήρωση της βάσης δεδομένων χρησιμοποιήθηκε και λίστα των οχημάτων τα οποία μετρήθηκαν από το ή για λογαριασμό του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής στα πλαίσια διάφορων ερευνητικών προγραμμάτων. Για τα οχήματα αυτά ήταν γνωστές οι παράμετροι του φορτίου αντίστασης οπότε ήταν δυνατό να συμπεριληφθούν στην υπό κατασκευή βάση δεδομένων. Η αναζήτηση και εύρεση των χαρακτηριστικών που αφορούν τις εξωτερικές διαστάσεις ή τον αεροδυναμικό συντελεστή έγινε με βάσης τη διαδικασία που ακολουθήθηκε και για τα υπόλοιπα οχήματα της βάσης δεδομένων. Έτσι με την προσθήκη των οχημάτων αυτών συμπληρώθηκε η λίστα περιλαμβάνοντας και αυτοκίνητα της Ευρωπαϊκής αγοράς. Αναλυτικά λοιπόν η βάση δεδομένων περιέχει για κάθε όχημα τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Όνομα το οχήματος. Κατασκευαστής. Τύπος καυσίμου (βενζίνη ή πετρέλαιο). Όγκος εμβολισμού σε cm 3. Μέγιστη ισχύς σε kw. Μέγιστη ροπή σε Nm. Τύπος κιβωτίου σχέσεων μετάδοσης (αυτόματο ΑΤ ή μηχανικό MT). Αριθμός (2 ή 4) και θέση (μπροστά ή πίσω) κινητήριων τροχών. Απόβαρο σε kg. Μήκος, Πλάτος, Ύψος σε mm. ΕΕΘ 39

55 Αριθμός οχημάτων [-] Διπλωματική Εργασία Συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης. Μετωπική επιφάνεια. Μέγεθος ελαστικών. Η δύναμη αντίστασης εκφρασμένη στις παραμέτρους F,F1 και F2. Ο πρώτος και βασικότερος διαχωρισμός των οχημάτων έγινε με την ένταξη κάθε οχήματος σε κατηγορίες με βάση το μέγεθός του. Έτσι τα οχήματα που σύμφωνα με τη νομοθεσία υπάγονται την κατηγορία M1 (στην κατηγορία M ανήκουν τα οχήματα που μεταφέρουν επιβάτες) χωρίστηκαν σε έξι κατηγορίες (segments): Κατηγορία Aμίνι αυτοκίνητα (Segment Amini vehicles). Κατηγορία Βμικρά αυτοκίνητα (Segment Bsmall vehicles). Κατηγορία Cμεσαία αυτοκίνητα (Segment Cmedium vehicles). Κατηγορία Dμεγάλα αυτοκίνητα (Segment Dlarge vehicles). Κατηγορία MPVπολυμορφικά αυτοκίνητα (Segment MPVmultipurpose vehicles) Κατηγορία SUV Sport Utility Vehicles (Segment SUV). Παραδείγματα οχημάτων που ανήκουν σε κάθε κατηγορία είναι: Κατηγορία A: Hyundai i1, Fiat 5 Chevrolet Spark. Κατηγορία Β: Mazda 2, Toyota Yaris, VW Polo, Opel Corsa. Κατηγορία C: Opel Astra, VW Golf, Toyota Auris, Peugeot 38. Κατηγορία D: VW Passat, Opel Insignia, BMW series 4. Κατηγορία MPV: VW Touran, Ford C-Max Opel Zafira. Κατηγορία SUV: Audi Q5, BMW X1. Στην εικόνα 3-1 παρουσιάζεται η βάση δεδομένων σε αριθμούς. Με τις μπλε μπάρες παρουσιάζεται ο αριθμός των οχημάτων για κάθε κατηγορία ενώ με τετράγωνο το ποσοστό επί του συνόλου που αντιστοιχεί σε κάθε κατηγορία. Γίνεται αντιληπτό ότι την πλειοψηφία των οχημάτων αποτελούν αυτοκίνητα της C και D κατηγορίας, οι οποίες συγκεντρώνουν συνολικά ποσοστό 63%. Οι δύο αυτές κατηγορίες περιέχουν μεσαία και μεγάλα (κυρίως οικογενειακά) μοντέλα αυτοκίνητων, τύποι οχημάτων που προτιμούνται περισσότερο από την αγορά % 1% 38% 56 25% 5% 19% A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-1 Αριθμός οχημάτων για κάθε κατηγορία 4 ΕΕΘ

56 Στυλιανός Δουλγέρης Ο επόμενος μεγαλύτερος διαχωρισμός έγινε με βάση το καύσιμο. Έτσι στην βάση δεδομένων περιέχονται 58 πετρελαιοκίνητα και 9 βενζινοκίνητα, εικόνα 3-2. Η μόνη κατηγορία στην οποία περιλαμβάνονται μόνο βενζινοκίνητα είναι η κατηγορία των μίνι αυτοκινήτων (A segment), ενώ για τις υπόλοιπες κατηγορίες πλειοψηφία αποτελούν τα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα εικόνα Diesel Gasoline 9 Εικόνα 3-2 Κατανομή βενζινοκίνητων και πετρελαιοκίνητων A segment Diesel Gasoline B segment Diesel Gasoline C segment Diesel Gasoline D segment Diesel Gasoline MPV 1 Diesel Gasoline SUV 12 Diesel Gasoline 7 16 Εικόνα 3-3 Κατανομή βενζινοκίνητων και πετρελαιοκίνητων για κάθε κατηγορία ΕΕΘ 41

57 Διπλωματική Εργασία Μία επιπλέον μαζική ομαδοποίηση γίνεται με βάση τον τύπο του κιβωτίου. Από το διάγραμμα 3-4 παρατηρείται ότι το 56% των οχημάτων είναι εξοπλισμένα με χειροκίνητο κιβώτιο και το υπόλοιπο 44% είναι εξοπλισμένα με αυτόματο κιβώτιο. Στην επόμενη εικόνα (εικόνα 3-5) παρουσιάζονται ξεχωριστά όλες οι κατηγορίες. All segments Automatic Manual 56% 44% Εικόνα 3-4 Κατανομή μηχανικών και αυτόματων κιβωτίων A segment Automatic Manual B segment Automatic Manual 5% 5% 27% 73% C segment Automatic Manual D segment Automatic Manual 55% 45% 54% 46% MPV 12% Automatic Manual SUV 43% Automatic Manual 88% 57% Εικόνα 3-5 Κατανομή μηχανικών και αυτόματων κιβωτίων για κάθε κατηγορία 42 ΕΕΘ

58 Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Όγκος Εμβολισμού [cm^3] Στυλιανός Δουλγέρης 3.2 Ανάλυση της βάσης δεδομένων Η αρχή για την μελέτη της επίδρασης των τεχνικών χαρακτηριστικών στην αντίσταση δρόμου και την κατανάλωση καυσίμου έγινε με τη δημιουργία και τη συμπλήρωση της βάσης δεδομένων. Με την βοήθεια των συγκεντρωμένων δεδομένων υπάρχει η δυνατότητα να εξαχθούν χαρακτηριστικές τιμές για κάθε κατηγορία όπως η μέση τιμή, το εύρος των τιμών των χαρακτηριστικών (π.χ. όγκος εμβολισμού, μέγιστη ισχύς ή ροπή, μήκος, πλάτος, ύψος, κα) αλλά και τις μέγιστες και ελάχιστες τιμές τους. Αρχικά παρουσιάζονται στην εικόνα (3-6) που ακολουθεί οι τιμές του όγκου εμβολισμού για κάθε μία κατηγορία χωρισμένη με βάση τον τύπο καυσίμου. Όπως γίνεται αντιληπτό από τις μέσες τιμές ο όγκος εμβολισμού για κάθε κατηγορία είναι σχεδόν ίδιος για βενζινοκίνητα και πετρελαιοκίνητα, ενώ όπως είναι αναμενόμενο μεγάλος όγκος εμβολισμού του κινητήρα επιλέγεται για μεγάλα οχήματα. Επίσης τον μεγαλύτερο όγκο εμβολισμού παρουσιάζουν τα οχήματα της D κατηγορίας, στα οποία εντάσσονται και πολυτελείς εκδόσεις των μοντέλων. Στην εικόνα οι τιμές που εμφανίζονται αφορούν την μέση τιμή του όγκου εμβολισμού ενώ οι μέγιστες και ελάχιστες τιμές εμφανίζονται στον πίνακα 3-1, για τα πετρελαιοκίνητα και στον πίνακα 3-2 για τα βενζινοκίνητα. Στους ίδιους πίνακες παρουσιάζονται και οι μέσες τιμές της μέγιστης ροπής και ισχύος A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-6 Μέση τιμή του όγκου εμβολισμού ΕΕΘ 43

59 Διπλωματική Εργασία Diesel Όγκος Εμβολισμού Μέγιστη Ισχύς Μέγιστη Ροπή [cm 3 ] [kw] [Nm] Μέση Τιμή A segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή B segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή C segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή D segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή MPV Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή SUV Ελάχιστη Μέγιστη Πίνακας 3-1 Gasoline Όγκος Εμβολισμού Μέγιστη Ισχύς Μέγιστη Ροπή [cm 3 ] [kw] [Nm] Μέση Τιμή A segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή B segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή C segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή D segment Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή MPV Ελάχιστη Μέγιστη Μέση Τιμή SUV Ελάχιστη Μέγιστη Πίνακας ΕΕΘ

60 Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Diesel Gasoline Απόβαρο [kg] Στυλιανός Δουλγέρης Στην εικόνα 3-7 εμφανίζεται το απόβαρο (curb weight) για κάθε κατηγορία και τύπο καυσίμου. Για της κατηγορίες A έως D η τάση είναι αυξητική, όμοια με αυτήν του όγκου εμβολισμού. Τα MPV και SUV οχήματα έχουν μάζα όμοια μεταξύ τους. Στις εικόνες 3-8, 3-9 και 3-1 παρουσιάζονται οι μέσες τιμές των εξωτερικών διαστάσεων (μήκος, πλάτος, ύψος) του σώματος του οχήματος, ενώ στον πίνακα 3-3 περιέχονται και οι μέγιστες και ελάχιστες τιμές των χαρακτηριστικών A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-7 Μέση τιμή του απόβαρου A segment B segment C segment D segment MPV SUV Curb Weight [kg] Diesel Gasoline Μέση τιμή Ελάχιστο - 75 Μέγιστο Μέση τιμή Ελάχιστο Μέγιστο Μέση τιμή Ελάχιστο Μέγιστο Μέση τιμή Ελάχιστο Μέγιστο Μέση τιμή Ελάχιστο Μέγιστο Μέση τιμή Ελάχιστο Μέγιστο Πίνακας 3-3 ΕΕΘ 45

61 Ύψος [mm] Πλάτος [mm] Μήκος [mm] Διπλωματική Εργασία A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-8 Μέση τιμή μήκους αμαξώματος A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-9 Μέση τιμή πλάτους αμαξώματος A segment B segment C segment D segment MPV SUV Εικόνα 3-1 Μέση τιμή ύψους αμαξώματος 46 ΕΕΘ

62 Στυλιανός Δουλγέρης Μετά από την παραπάνω ανάλυση εξάγονται χαρακτηριστικές τιμές για το εύρος των τιμών των χαρακτηριστικών που περιγράφουν κάθε κατηγορία. Κάτι τέτοιο είναι χρήσιμο παρακάτω, στην κατασκευή του αλγορίθμου για την ένταξη ενός οχήματος σε μία κατηγορία. Έτσι στον πίνακα 3-4 παρουσιάζεται το εύρος των τιμών για κάθε ένα από τα παραπάνω χαρακτηριστικά κάθε κατηγορίας. Η ανώτερη και κατώτερη τιμή επιλέχθηκε με βάση την μέγιστη και ελάχιστη τιμή των δειγμάτων της βάσης δεδομένων. Όγκος Εμβολισμού Μέγιστη Ροπή Μέγιστη Ισχύς Απόβαρο Μήκος Πλάτος Ύψος [cm 3 ] [Nm] [kw] [kg] Diesel - Gasoline Κατηγορία A B C D MPV SUV Diesel - Gasoline Diesel - Gasoline 5-8 Diesel - Gasoline [mm] [mm] [mm] Πίνακας Από τον παραπάνω πίνακα γίνεται αντιληπτό ότι τα «όρια» των τιμών για την μέγιστη ροπή και ισχύ ακόμα και για το όγκο εμβολισμού είναι σχεδόν τα ίδια για τις κατηγορίες B και C. Τα όρια των τιμών για τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σώματος του αυτοκινήτου και της μάζας (απόβαρο) είναι περισσότερο διακριτά και δίχως να παρουσιάζουν ιδιαίτερη μεταξύ τους επικάλυψη. Όπως γίνεται αντιληπτό η ένταξη ενός αυτοκινήτου σε μία κατηγορία δεν είναι δυνατό να γίνει χρησιμοποιώντας μόνο ένα χαρακτηριστικό ως κριτήριο αλλά γίνεται λαμβάνοντας υπόψη όλα τα χαρακτηριστικά του. Στις επόμενες εικόνες παρουσιάζονται οι συντελεστές του φορτίου δρόμου για όλα τα οχήματα κάθε κατηγόριας. Στην εικόνα 3-12 εμφανίζεται ο σταθερός όρος για τα οχήματα κάθε κατηγορίας. Συγκρίνοντας την μέση τιμή του σταθερού όρου, αποτυπώνεται η αυξητική ΕΕΘ 47

63 F [N] F [N] F [N] F [N] Μέσο F [N] Διπλωματική Εργασία τάση του F συναρτήσει της μάζας του οχήματος, εικόνα Όπως έχει αναφερθεί ο σταθερός όρος F είναι ανάλογος από την μάζα του οχήματος y =.745x R² =.7741 Seg A Seg B Seg C SUV Seg D MPV Μέση μάζα [kg] Εικόνα 3-11 Μέσο F συναρτήσει της μέσης μάζας για κάθε κατηγορία A segment F F Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] C segment F B segment F 14 F Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] D segment F F Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] 5 F Μέση τιμή 2 4 Αριθμός οχήματος [-] 48 ΕΕΘ

64 F1 [N/(km/h)] F1 [N/(km/h)] F1 [N/(km/h)] F1 [N/(km/h)] F [N] F [N] Στυλιανός Δουλγέρης MPV F 25 SUV F F 5 F Μέση τιμή Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] Αριθμός οχήματος [-] Εικόνα 3-12 Σταθερός όρος F για κάθε όχημα και κατηγορία Στην επόμενη εικόνα (εικόνα 3-13) παρουσιάζεται ο συντελεστής F 1 του γραμμικού όρου για τα οχήματα της βάσης δεδομένων χωρισμένα στις 6 κατηγορίες A segment F Αριθμός οχήματος [-] F1 C segment F1 AT w/ Torque Converter F Αριθμός οχήματος [-] B segment F1 F Αριθμός οχήματος [-] D segment F1 F1 2 4 Αριθμός οχήματος [-] ΕΕΘ 49

65 F1 [N/(km/h)] F1 [N/(km/h)] Διπλωματική Εργασία MPV F F1-1 F Αριθμός οχήματος [-] Αριθμός οχήματος [-] Εικόνα 3-13 Γραμμικός όρος F 1 για κάθε όχημα και κατηγορία SUV F1 Στην εικόνα δεν συμπεριλαμβάνεται η μέση τιμή, καθώς δεν μπορεί να περιγράψει κάποια φυσική σημασία, καθώς παρουσιάζονται οι συντελεστές για όλα τα οχήματα. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η αρνητική τιμή του F 1 για τα αυτοκίνητα της C κατηγορίας, εξοπλισμένα με αυτόματο κιβώτιο και μετατροπέα ροπής (Torque converter). Τα αυτοκίνητα είναι της ίδιας εταιρίας και η μέση τιμή του F 1 είναι Η φυσική σημασία της αρνητικής τιμής έχει περιγραφεί στην παράγραφο 2.6. Τέλος στην εικόνα 3-14 παρουσιάζεται ο συντελεστής του τετραγώνου της ταχύτητας, F 2 για κάθε όχημα όλων των κατηγοριών. Στα διαγράμματα της εικόνας αυτής μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει το εύρος των τιμών του F 2 για τις κατηγορίες D και SUV. Στην περίπτωση της D κατηγορίας εντοπίζονται απλά οικογενειακά αλλά και πολυτελείς εκδόσεις αυτών που διαθέτουν διαφορετικό εξοπλισμό και εξωτερικές διαμορφώσεις ή μεγαλύτερα ελαστικά. Στην κατηγορία των SUV περιλαμβάνονται μεγάλα αυτοκίνητα (τύπου Jeep) τα οποία εμφανίζουν αρκετές διαφορές στον εξωτερικό τους σχεδιασμό, ενώ όπως φαίνεται στον πίνακα 3-4 η κατηγορία αυτή έχει το μεγαλύτερο εύρος στο ύψος του αμαξώματος. Επίσης σε αυτή την κατηγορία εντοπίζονται αυτοκίνητα που είναι ογκώδη και διαθέτουν αεροτομές, μεγαλύτερα ελαστικά, αλλά και μικρότερα οχήματα με πιο αεροδυναμικό σχήμα. 5 ΕΕΘ

66 F2 [N/(km/h)^2] F2 [N/(km/h)^2] F2 [N/(km/h)^2] F2 [N/(km/h)^2] F2 [N/(km/h)^2] F2 [N/(km/h)^2] Στυλιανός Δουλγέρης.4 A segment F2.4 B segment F F2.1 Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] C segment F1 F2 Μέση τιμή F2 Μέση τιμή 1 Αριθμός οχήματος [-] D segment F Αριθμός οχήματος [-].5 MPV F F2 Μέση τιμή 2 4 Αριθμός οχήματος [-] SUV F F2 F2.25 Μέση τιμή Μέση τιμή Αριθμός οχήματος [-] Αριθμός οχήματος [-] Εικόνα 3-14 Συντελεστής τετραγώνου F 2 για κάθε όχημα και κατηγορία ΕΕΘ 51

67 Force [N] Difference [N] Διπλωματική Εργασία 3.3 Σύγκριση του φορτίου δρόμου για οχήματα με όμοια χαρακτηριστικά Έπειτα από την συμπλήρωση της βάσης δεδομένων, το επόμενο βήμα είναι η αξιοποίηση των δεδομένων που συλλέχθηκαν. Γνωρίζοντας τα βασικά χαρακτηριστικά των οχημάτων σε συνδυασμό με την γνώση των F, F 1 και F 2 μπορεί να γίνει μια σύγκριση του φορτίου δρόμου (αντίσταση δρόμου) μεταξύ των οχημάτων που ανήκουν στην ίδια κατηγορία. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατό να μελετηθεί η μεταβολή της δύναμης αντίστασης που δέχεται ένα όχημα, με μεταβολή των χαρακτηριστικών του. Τα παραδείγματα που ακλουθούν επιλέχθηκαν ώστε τα αυτοκίνητα να διαφέρουν σημαντικά σε μία μόνο παράμετρο. Η κατηγορία A (A segment), είναι η μικρότερη σε πλήθος οχημάτων κάτι που περιορίζει τον δειγματικό χώρο. Παρά τον μικρό αριθμό των οχημάτων, ενδιαφέρον παρουσιάζεται στην ύπαρξη του ίδιου μοντέλου αλλά σε δύο διαφορετικές εκδόσεις. Η μία είναι εξοπλισμένη με αυτόματο κιβώτιο και συγκεκριμένα CVT (Continuously Variable Transmission) και η άλλη με χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων. Τα δύο αυτά αυτοκίνητα είναι πανομοιότυπα εξωτερικά, διαθέτουν τα ίδια ελαστικά και τον ίδιο κινητήρα, ενώ η μόνη τους διαφορά είναι στο βάρος, μίας και η έκδοση με το αυτόματο κιβώτιο ζυγίζει 14 κιλά περισσότερα. Συγκρίνοντας τις καμπύλες του φορτίου συναρτήσει της ταχύτητας, εικόνα 3-15, παρατηρείται ότι η έκδοση με το αυτόματο κιβώτιο εμφανίζει μεγαλύτερο φορτίο δρόμου (κατά μέσο όρο περίπου 1 N), ενώ η μέγιστη διαφορά παρατηρείται στην ταχύτητα των 12 km/h, ενώ αξιόλογη είναι και η διαφορά για ταχύτητες κάτω από τα 2 km/h. Το αυξημένο φορτίο για τις χαμηλές ταχύτητες προέρχεται από την διαφορά στη μάζα, ενώ η διαφορά στις μεγάλες ταχύτητες προέρχεται κατά πάσα πιθανότητα από την διαφορετική διάταξη στον χώρο του κινητήρα, λόγω του διαφορετικού κιβωτίου MT [N] AT [N] Difference 5 1 Velocity [km/h] Εικόνα 3-15 Σύγκριση φορτίου για ΜΤ και ΑΤ αυτοκινήτου κατηγορίας Α Επόμενο παράδειγμα της κατηγορίας αυτής αποτελεί και η σύγκριση δύο διαφορετικών οχημάτων, ενός με κινητήρα 1.2 λίτρα και ενός με.8 λίτρα. Συγκρίνοντας τα φορτία των δύο αυτών οχημάτων, εικόνα 3-16, παρατηρείται ότι μέχρι την ταχύτητα των 6 km/h δεν έχουν μεγάλη διαφορά, μολονότι το αυτοκίνητο με τον 1.2 L κινητήρα είναι βαρύτερο κατά 85 kg. Η επίδραση του βάρους αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι το δεύτερο παρουσιάζει 52 ΕΕΘ

68 Force [N] Difference [N] Στυλιανός Δουλγέρης αυξημένο συντελεστή τριβής κατά 6.2%. Η σημαντική διαφορά τους όμως εντοπίζεται για ταχύτητες μεγαλύτερες. Την διαφορά αυτή εξηγεί το ότι το αυτοκίνητο στο οποίο αντιστοιχεί η κόκκινη γραμμή παρουσιάζει μεγαλύτερο συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης. Το αυτοκίνητο με τον κινητήρα των.8 L εμφανίζει καλύτερα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά, καθώς έχει μικρότερη κλίση στο εμπρός και πίσω τζάμι, διαμορφώσεις που είναι ευνοϊκότερες για την ροή του αέρα L [N].8 L [N] Difference 5 1 Velocity [km/h] Εικόνα 3-16 Σύγκριση φορτίου για 1.2 L και.8 L αυτοκινήτου κατηγορίας Α Στην επόμενη κατηγορία (B segment) το δείγμα είναι μεγαλύτερο, ενώ υπάρχουν πετρελαιοκίνητα και βενζινοκίνητα αυτοκίνητα. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν δύο οχήματα με κινητήρα diesel, το πρώτο (μαύρη γραμμή) όγκο εμβολισμού 1.2 L και το δεύτερο (κόκκινη γραμμή) με όγκο εμβολισμού 1.5L. Από την εικόνα 3-17 φαίνεται ότι η διαφορά μεταξύ της αντίστασης δρόμου των δύο αυτοκινήτων είναι γραμμική συναρτήσει της ταχύτητας και εμφανίζει μεγαλύτερη διαφορά για ταχύτητες πάνω από τα 8 km/h, όπου το κόκκινο (κόκκινη γραμμή) αυτοκίνητο δέχεται μεγαλύτερη αντίσταση. Αυτή η διαφορά εξηγείται από την μεγαλύτερη κατά 3.5% μετωπική επιφάνεια του αυτοκινήτου αυτού. Αν και το όχημα αυτό έχει μεγαλύτερη μάζα κατά 65 kg, παρουσιάζει ελαφρώς μικρότερη δύναμη για ταχύτητες κάτω των 3 km/h. Αυτό οφείλεται στον μικρότερο κατά περίπου 22% συντελεστή τριβής των ελαστικών. Πέραν αυτού η δύναμη αντίστασης για το δεύτερο όχημα εμφανίζεται κατά μέσο όρο αυξημένη κατά 7.7 N. ΕΕΘ 53

69 Force [N] Difference [N] Force [N] Difference [N] Διπλωματική Εργασία L 1.5 L Difference 5 1 Velocity [km/h] Εικόνα 3-17 Σύγκριση φορτίου για 1.2 L και 1.5 L αυτοκινήτου κατηγορίας B Στην κατηγορία αυτή εντοπίζεται ακόμη ένα παράδειγμα ίδιου αυτοκινήτου με αυτόματο και μηχανικό κιβώτιο. Το όχημα με το αυτόματο κιβώτιο έχει αυξημένη μάζα κατά 2 kg. Έτσι η μόνη διαφορά των δύο αυτών εκδόσεων είναι στη μάζα και στο κιβώτιο. Από την εικόνα γίνεται αντιληπτό ότι το αυτόματο κιβώτιο οδηγεί σε αυξημένο κατά 15 N (μέση τιμή) συνολικό φορτίο, ενώ η μεγαλύτερη διαφορά εντοπίζεται για ταχύτητες κάτω των 3 km/h. Για μεγαλύτερες ταχύτητες η διαφορά σταθεροποιείται κοντά στα 13 N, εικόνα Velocity [km/h] MT [N] AT [N] Difference Εικόνα 3-18 Σύγκριση φορτίου για ΜΤ και ΑΤ αυτοκινήτου κατηγορίας Β Στην βάση δεδομένων ο μεγαλύτερος αριθμός αυτοκινήτων ανήκει στην κατηγορία C. Στην κατηγορία αυτή εντοπίζονται πολλές διαφορετικές εκδόσεις του ίδιου μοντέλου. Στην εικόνα 3-18 παρουσιάζονται οι συντελεστές F, F 1 και F 2 για αυτή την ομάδα των οχημάτων. 54 ΕΕΘ

70 F2 [N/(km/h)^2] F1 [N/(km/h)] F [N] Στυλιανός Δουλγέρης 3 F Μικρότερο Vehicle Number [-] F Vehicle Number [-] F2 Station Wagon.25.2 Sedan Vehicle Number [-] Εικόνα 3-19 Συντελεστές φορτίου δρόμου για τις εκδόσεις του ίδιου μοντέλου Από τα δεδομένα της εικόνας γίνεται αντιληπτό ότι κάθε μία έκδοση έχει το «δικό» της σετ παραμέτρων δύναμης αντίστασης. Το ελάχιστο F παρουσιάζει η έκδοση με τη μικρότερη μάζα. Το μεγαλύτερο F 2 εντοπίζεται στα Station Wagon ενώ τα Sedan παρουσιάζουν το μικρότερο F 2. Συγκρίνοντας δύο αυτοκίνητα αυτής της ομάδας τα οποία διαφέρουν στη μάζα κατά 5 kg και στον αεροδυναμικό συντελεστή κατά 4% (.28.29) παρατηρείται διαφορά ΕΕΘ 55

71 Force [N] Difference [N] Διπλωματική Εργασία στην συνολική δύναμη αντίστασης κατά 15 N (μέση τιμή), εικόνα 3-2. Τα οχήματα αυτά έχουν τον ίδιο όγκο εμβολισμού αλλά μέγιστη ισχύ 134 kw (μαύρη γραμμή) και 179kW (κόκκινη γραμμή) kw 179 kw Difference 5 1 Velocity [km/h] Εικόνα 3-2 Σύγκριση φορτίου για 134kW και 179kW κατηγορίας C Τα παραδείγματα που περιγράφονται παραπάνω αποτελούν μέρος της μελέτης που έγινε στα πλαίσια της εργασίας. Η μελέτη είχε ως στόχο τον εντοπισμό της ευαισθησίας του συνολικού φορτίου στις αλλαγές των σημαντικότερων χαρακτηριστικών. Συμπερασματικά η ποσοστιαία μεταβολή της μάζας, του συντελεστή τριβής, του συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης και της μετωπικής επιφάνειας οδηγεί σε ίδια ποσοστιαία μεταβολή στην συνολική δύναμη αντίστασης. 3.4 Ανάπτυξη αλγόριθμου εκτίμησης αντίστασης δρόμου Στο κεφάλαιο 2 έγινε μία ανάλυση και περιγραφή των παραμέτρων που επηρεάζουν και διαμορφώνουν το φορτίο ενός επιβατικού αυτοκινήτου, ενώ στην παράγραφο 3.2 παρουσιάστηκε η κατασκευή μίας βάσης δεδομένων αποτελούμενη από 148 αυτοκίνητα με καταγεγραμμένα βασικά τους χαρακτηριστικά και τα φορτία δρόμου (Road Load). Στην παράγραφο 3.3 έγινε σύγκριση της δύναμης αντίστασης ανάμεσα σε οχήματα της βάσης δεδομένων (παρουσιάστηκαν επιλεγμένα παραδείγματα) με στόχο τον εντοπισμό της μεταβολής της δύναμης αντίστασης με την αλλαγή ενός χαρακτηριστικού. Όλη αυτή η ανάλυση και συλλογή δεδομένων που έγινε αξιοποιείται με την κατασκευή ενός εργαλείου το οποίο θα επιτρέπει την εκτίμηση της αντίστασης δρόμου για ένα αυτοκίνητο όταν αυτή είναι άγνωστη. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκε ένας τέτοιος αλγόριθμος. Στόχος του αλγορίθμου είναι η εκτίμηση της δύναμης αντίστασης ενός οχήματος όταν αυτή είναι άγνωστη. Επιπλέον δεύτερος στόχος του αλγορίθμου είναι η δυνατότητα χρήσης του για τη μελέτη της επίδρασης αλλαγών σε ένα όχημα, όπως για παράδειγμα μεταβολή του συντελεστή αεροδυναμικής αντίστασης, που προέρχεται από την αλλαγή του προφυλακτήρα, την τοποθέτηση σχάρας στην οροφή ή της μάζα του οχήματος. Με πυλώνα την βάσει δεδομένων που κατασκευάστηκε, αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος για την εκτίμηση του φορτίου. 56 ΕΕΘ

72 Στυλιανός Δουλγέρης Η κατασκευή του έγινε σε Microsoft Excel, εργαλείο που δίνει τη δυνατότητα επεξεργασίας δεδομένων και εκτέλεσης υπολογισμών, και αποτελείται από τρία βασικά κομμάτια. Το πρώτο κομμάτι αποτελεί την «είσοδο» του αλγορίθμου, όπου εισάγονται τα χαρακτηριστικά του οχήματος για το οποίο είναι άγνωστο το φορτίο. Τα δεδομένα που εισάγονται αφορούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του σώματος του οχήματος (διαστάσεις, αεροδυναμικός συντελεστής), τον κινητήρα (τύπος καυσίμου, όγκος εμβολισμού, μέγιστη ροπή και ισχύ), τη μάζα και το σύστημα μετάδοσης κίνησης (AT/MT, FWD/RWD/AWD). Τα παραπάνω χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται από το δεύτερο μέρος του εργαλείου που αποτελείται από τον «περιορισμό» του δειγματικού χώρου. Σε αυτό το σημείο, βάση της κατηγορίας στην οποία ανήκει το όχημα, τον τύπο καυσίμου και το σύστημα μετάδοσης. απορρίπτονται όσα αυτοκίνητα της βάσης δεδομένων δεν έχουν την ίδια σύνθεση. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτει μία «περιορισμένη» με λιγότερα αυτοκίνητα λίστα που θα χρησιμοποιηθεί στο επόμενο βήμα. Το επόμενο στάδιο αποτελείται από την αναζήτηση του οχήματος που είναι πιο κοντά στο όχημα εισόδου. Έτσι για κάθε ένα από τα αυτοκίνητα της περιορισμένης λίστας υπολογίζεται η ποσοστιαία διαφορά στην τιμή κάθε χαρακτηριστικού από την τιμή του οχήματος εισόδου. Για παράδειγμα η διαφορά στο μήκος του αμαξώματος υπολογίζεται από τον παρακάτω τύπο. Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζεται και η διαφορά και για όλες τις τιμές. Length(Vehicle i ) 1 Length(Input Vehicle) ΕΞ.3.1 Μετά από τον παραπάνω υπολογισμό, γίνεται η αναζήτηση των αυτοκινήτων με τις πλησιέστερες τιμές για κάθε ένα από τα τεχνικά χαρακτηριστικά που εξετάστηκε. Ως πλησιέστερη χαρακτηρίζεται τιμή η οποία παρουσιάζει την ελάχιστη απόλυτη διαφορά με την αντίστοιχη τιμή εισόδου. Με γνωστή την ελάχιστη διαφορά ο αλγόριθμος επιστρέφει το όχημα για το οποίο ισχύει η διαφορά αυτή. Στο σημείο αυτό ο αλγόριθμος καταλήγει στα οχήματα ή το όχημα που «μοιάζουν» περισσότερο με το όχημα εισόδου, ενώ ο χρήστης πλέον πρέπει να επιλέξει το όχημα που παρουσιάζει τη μικρότερη απόκλιση, δηλαδή το όχημα που εμφανίζει τις περισσότερες ομοιότητες στα τεχνικά χαρακτηριστικά. Το τελικό κομμάτι του αλγορίθμου αποτελείται από τον υπολογισμό του φορτίου για το αυτοκίνητο εισόδου. Στο σημείο αυτό γίνεται χρήση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης που έγινε στην παράγραφο 3.3. Για τον υπολογισμό του άγνωστου φορτίου δρόμου, χρησιμοποιούνται οι διαφορές μεταξύ του οχήματος αναφοράς (αυτό με την μικρότερη απόκλιση) και του οχήματος εισόδου στα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν το φορτίο δρόμου (μετωπική επιφάνεια, συντελεστής τριβής, μάζα). Παραδείγματα εφαρμογής παρουσιάζονται στην επόμενη παράγραφο. Στην εικόνα 3-21 παρουσιάζεται το λογικό διάγραμμα που ακολουθεί ο αλγόριθμος. Με την γνώση των γεωμετρικών και αεροδυναμικών χαρακτηριστικών ενός οχήματος, της μάζας και του τύπου των ελαστικών του υπάρχει δυνατότητα μέσω της αναλυτικής σχέσης 2.14 να υπολογιστεί η αντίσταση δρόμου ενός οχήματος. Ο όρος που περιγράφει την τριβή και τις απώλειες του συστήματος μετάδοσης κίνησης είναι άγνωστος, ενώ δεν υπάρχει ΕΕΘ 57

73 Διπλωματική Εργασία κάποιος εύκολος τρόπος προσδιορισμού του (στη παράγραφο 2.4 περιγράφηκε πειραματικός τρόπος αξιολόγησης). Επίσης όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 2.3 ο συντελεστής τριβής κύλισης δεν είναι σταθερός καθώς παρουσιάζει μεταβολή συναρτήσει της ταχύτητας. Επιπλέον η αναλυτική εξίσωση δεν συμπεριλαμβάνει παραμέτρους για την επίδραση των συνθηκών του περιβάλλοντος. Αντίθετα, ο παραπάνω τρόπος εκτίμησης της αντίστασης δρόμου έχει το πλεονέκτημα ότι βασίζεται σε δεδομένα για το φορτίο που προέρχονται από πειραματικές μετρήσεις. Έτσι στα σετ των παραμέτρων F, F 1 και F 2 περιέχονται όλοι οι παράγοντες που δεν καλύπτονται από τους όρους της αναλυτικής εξίσωσης. Άρα, για παράδειγμα οι απώλειες του συστήματος μετάδοσης κίνησης συνυπολογίζεται όταν γίνεται η εκτίμηση του φορτίου δρόμου με την χρήση του αλγορίθμου. Εικόνα 3-21 Λογικό διάγραμμα αλγορίθμου 58 ΕΕΘ

74 Στυλιανός Δουλγέρης 3.5 Εφαρμογή του αλγόριθμου Η εφαρμογή ενός τέτοιου αλγορίθμου, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, μπορεί να γίνει για τον υπολογισμό του φορτίου ενός αυτοκινήτου αλλά και για τη μελέτη της επίδρασης των μεταβολών των τεχνικών χαρακτηριστικών του στο φορτίο. Κάτι τέτοιο είναι σημαντικό κατά τη διαμόρφωση της κατανάλωσης καυσίμου οχημάτων πριν μπουν στην γραμμή παραγωγής. Η χρήση ενός τέτοιου εργαλείου μπορεί να εξοικονομήσει κεφάλαια και χρόνο μειώνοντας τις μετρήσεις που απαιτούνται για τον προσδιορισμό της αντίστασης δρόμου. Ένα τέτοιο εργαλείο είναι σε θέση να υπολογίζει το φορτίο όλων των εκδόσεων ενός μοντέλου χρησιμοποιώντας μόνο μία μέτρηση, ενώ επιτρέπει την ανάλυση ευαισθησίας παραμέτρων που οδηγούν σε αύξηση ή ελάττωση του φορτίου δρόμου. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων, δίνουν μεγάλη έμφαση στον υπολογισμό και την επιλογή του φορτίου που θα χρησιμοποιηθεί κατά τη μέτρηση της κατανάλωσης ή των εκπομπών ρύπων για την έγκριση τύπου των οχημάτων. Κάτι τέτοιο τους οδηγεί να αναπτύξουν εργαλεία που εκμεταλλεύονται μία μέτρηση και υπολογίζουν το φορτίο για περισσότερα αυτοκίνητα. Ένα τέτοιο παράδειγμα φαίνεται στην εικόνα Με αυτό τον τρόπο είναι σε θέση ακόμα και να θέτουν στόχους για νέα οχήματα που χρησιμοποιούν ως οδηγούς κατά τον πειραματικό προσδιορισμό της αντίστασης δρόμου. Εικόνα 3-22 Παράδειγμα υπολογισμού φορτίου δρόμου Η εφαρμογή βέβαια ενός τέτοιου εργαλείου απαιτεί αρχικά βαθμονόμηση, ώστε να είναι σε θέση να υπολογίζει σωστά την επίδραση κάθε μεταβολής στο συνολικό φορτίο δρόμου. Για τη βαθμονόμηση του αλγόριθμου που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα της ανάλυσης που περιγράφεται στη παράγραφο 3.3 και χρησιμοποιήθηκαν παραδείγματα για τα οποία το φορτίο δρόμου ήταν γνωστό. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικά παραδείγματα που χρησιμοποιήθηκαν στην βαθμονόμηση του αλγορίθμου. 1. Το πρώτο παράδειγμα περιλαμβάνει όχημα της Β κατηγορίας. Tα τεχνικά χαρακτηριστικά του οχήματος (είσοδος στον αλγόριθμο) παρουσιάζονται στον πίνακα 3-5. Στον ίδιο πίνακα υπάρχουν και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αυτοκινήτου που δίνει ο αλγόριθμος ως το κοντινότερο σε αυτό της εισόδου, αυτοκίνητο αναφοράς. Για την εκτίμηση της δύναμης αντίστασης του οχήματος εισόδου χρησιμοποιήθηκαν οι ΕΕΘ 59

75 Force [N] Difference [%] Διπλωματική Εργασία διαφορές που παρουσιάζουν τα δύο αυτοκίνητα μεταξύ τους. Δηλαδή 2% στη μάζα, 3% στο μήκος, 1% στο ύψος και 7% στον αεροδυναμικό συντελεστή. Η εικόνα 3-23 παρουσιάζει την απόκλιση του υπολογισμένου φορτίου («Calculated») και του πραγματικού («Actual»). Η μεγαλύτερη απόκλιση εμφανίζεται στις χαμηλές ταχύτητες, όμως κατά μέσο όρο η συνολική δύναμη αντίστασης διαφέρει κατά 3.4 N. Όταν γίνει προσομοίωση για το υπολογισμένο και το πραγματικό φορτίο η απόκλιση στο CO 2 ανέρχεται σε μόλις.4 g/km Actual RL Calculated RL Difference 1% % -1% -2% -3% Velocity [km/h] Εικόνα 3-23 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος 1 Χαρακτηριστικό Αυτοκίνητο Εισόδου Αυτοκίνητο Αναφοράς Κινητήρας Βενζίνης 1.4 L Βενζίνης 1.5 L Μέγιστη ροπή & ισχύς 57kW & 115Nm 79kW & 14Nm Κιβώτιο Μηχανικό, FWD Μηχανικό, FWD Μάζα 125kg 15 kg Μήκος 465 mm 395 mm Πλάτος 1687 mm 1694 mm Ύψος 149 mm 159 mm Αερ. συντ Πίνακας Ένα δεύτερο παράδειγμα περιλαμβάνει ξανά ένα όχημα της Β κατηγορίας, αλλά εξοπλισμένο αυτή τη φορά με κινητήρα πετρελαίου. Στον πίνακα 3-6 που ακολουθεί περιέχονται τα χαρακτηριστικά του οχήματος αυτού με το κοντινότερό του από τη βάση δεδομένων. Τα δύο αυτά αυτοκίνητα διαφέρουν κατά 1% στη μάζα, 4% στην μετωπική επιφάνεια και 2% στο μήκος. Στην εικόνα 3-24 φαίνεται το αποτέλεσμα τις εκτίμησης του φορτίου («Calculated») σε σύγκριση με το πραγματικό («Actual»). Η απόκλιση στην δύναμη αντίστασης δεν ξεπερνά το 8%, ενώ η διαφορά στο CO 2 ανέρχεται στα.8 g/km στον NEDC. 6 ΕΕΘ

76 Force [N] Differecne [%] Force [N] Difference [%] Στυλιανός Δουλγέρης Χαρακτηριστικό Αυτοκίνητο Εισόδου Αυτοκίνητο Αναφοράς Κινητήρας Πετρελαίου 1.2 L Πετρελαίου 1.1 L Μέγιστη ροπή & ισχύς 55kW & 18Nm 55kW & 18Nm Κιβώτιο Μηχανικό, FWD Μηχανικό, FWD Μάζα 15kg 1165 kg Μήκος 397 mm 435 mm Πλάτος 1682 mm 1734 mm Ύψος 1456 mm 1474 mm Πίνακας Actual RL Calculated RL Difference 6% 4% 2% % -2% -4% -6% -8% 3 6 Velocity [km/h] 9 12 Εικόνα 3-24 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος 2 3. Ένα τρίτο παράδειγμα περιλαμβάνει τα οχήματα που αναφέρονται στο τέλος της παραγράφου 3.3 (134kW και 179kW). Με τη χρήση του αλγόριθμου υπολογίζεται το φορτίο της έκδοσης με τα 179 kw, με βάση το φορτίο της έκδοσης των 134kW. Το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στην εικόνα Ο μέσος όρος της απόκλισης μεταξύ υπολογισμένου και πραγματικού φορτίου είναι 2.6Ν ενώ παρουσιάζουν.5 g/km διαφορά στο CO Actual RL Calculated RL Difference 3.% 2.5% 2.% 1.5% 1.%.5%.% -.5% Velocity [km/h] Εικόνα 3-25 Σύγκριση υπολογισμένου φορτίου παραδείγματος 3 ΕΕΘ 61

77 Διπλωματική Εργασία 4 Επίδραση του φορτίου δρόμου στην κατανάλωση Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε ανάλυση των παραγόντων που καθορίζουν την δύναμη αντίστασης που πρέπει να υπερνικήσει ο κινητήρας ώστε να κινηθεί ένα αυτοκίνητο. Μετά την ολοκλήρωση της βάσης δεδομένων, επόμενος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του φορτίου δρόμου (Road Load) και των τεχνικών χαρακτηριστικών στην κατανάλωση καυσίμου. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκε ένα μοντέλο αυτοκινήτου (κατηγορία D) στην πλατφόρμα CRUISE της AVL, με το οποίο Έγινε η προσομοίωση της λειτουργίας του αυτοκινήτου για τον υπολογισμό της κατανάλωσης. Σε αυτό το κεφαλαίο περιγράφεται το μοντέλο και η διαδικασία κατασκευής του. Επιπλέον παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την διαφοροποίηση της κατανάλωσης λόγω του φορτίου. 4.1 Περιγραφή του μοντέλου στο λογισμικό AVL CRUISE Η μοντελοποίηση αποτελεί έναν οικονομικό τρόπο να γίνονται εκτιμήσεις της συμπεριφοράς συστημάτων, κατασκευών και φυσικών φαινομένων. Η κατασκευή ενός μοντέλου που είναι σε θέση να περιγράψει ή να αναπαράγει την λειτουργία κάποιου συστήματος δίνει τη δυνατότητα να μελετηθεί το σύστημα αυτό και να γίνονται εικονικά πειράματα, ελαττώνοντας τον απαιτούμενο αριθμό πειραμάτων. Το CRUISE είναι ένα εργαλείο που προσφέρεται για τη μοντελοποίηση οχημάτων όπως δίκυκλα, αυτοκίνητα, φορτηγά ακόμα και βαρέως τύπου οχήματα. Τα βασικά στοιχεία που αποτελούν ένα μοντέλο στο CRUISE είναι αυτά που αποτελούν το σύστημα παραγωγής ισχύος και το σύστημα μετάδοσης κίνησης. Έτσι τα βασικά εξαρτήματα είναι: Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, Ο συμπλέκτης, Το κιβώτιο μετάδοσης κίνησης με τους οδοντωτούς τροχούς τελικής μετάδοσης, Το διαφορικό, Τα φρένα, Οι κινητήριοι τροχοί, Εκτός από τα παραπάνω στοιχεία, με τα οποία περιγράφεται το όχημα, επιτακτική είναι και η χρήση του λεγόμενου «Cockpit», βοηθητικών στοιχείων που επιτρέπουν την παρακολούθηση παραμέτρων επιλεγμένων από τον χρήστη αλλά και εργαλείων που δίνουν την δυνατότητα να εξάγονται τα αποτελέσματα. Στην εικόνα 4-1 παρουσιάζεται η εικόνα του μοντέλου όπως φαίνεται στο περιβάλλον του προγράμματος. 62 ΕΕΘ

78 Στυλιανός Δουλγέρης Εικόνα 4-1 Μοντέλο στο περιβάλλον του CRUISE Σε κάθε ένα από τα στοιχεία που αποτελούν το μοντέλο εισάγονται και οι αντίστοιχες πληροφορίες ή χαρακτηριστικά τα οποία είναι απαραίτητα για την λειτουργία του. Στο στοιχείο που περιγράφει τον κινητήρα εσωτερικής καύσης απαραίτητη είναι η εισαγωγή του χάρτη κατανάλωσης καυσίμου. Με βάση τον χάρτη το μοντέλο υπολογίζει την στιγμιαία αλλά και την συνολική κατανάλωση καυσίμου. Εισάγονται επίσης πληροφορίες σχετικές με τον κινητήρα όπως η καμπύλη μέγιστης ροπής ισχύος ή bmep (break mean effective pressure) και η καμπύλη ρυμούλκησης συναρτήσει των στροφών. Επιπλέον σε αυτό εισάγονται και πληροφορίες όπως: ο όγκος εμβολισμού του κινητήρα, ο αριθμός των κυλίνδρων, ροπή αδράνειας του κινητήρα η κατανάλωση καυσίμου και οι στροφές του κινητήρα στο ρελαντί, η μέγιστες στροφές του κινητήρα, ο τύπος του καυσίμου, η πυκνότητα, η θερμογόνος δύναμη και η περιεκτικότητα άνθρακα, τα όρια στροφών για το «Fuel Shut-Off». Εκτός από τα παραπάνω, στο στοιχείο αυτό επιλέγονται και οι παράμετροι που αφορούν την ψυχρή εκκίνηση, ώστε το μοντέλο να είναι σε θέση να προσομοιώνει τη κατανάλωση καυσίμου για κρύους κύκλους (παρακάτω θα περιγραφεί με λεπτομέρεια η βαθμονόμηση ψυχρής εκκίνησης). Το σύστημα μετάδοσης κίνησης αποτελείται από τον συμπλέκτη, το κιβώτιο ταχυτήτων, την τελική σχέση μετάδοσης, το διαφορικό και τους κινητήριους τροχούς με τα φρένα. Στην ΕΕΘ 63

79 Διπλωματική Εργασία περίπτωση που το αυτοκίνητο είναι εξοπλισμένο με απλό συμπλέκτη τριβής και μηχανικό κιβώτιο, στο στοιχείο του συμπλέκτη εισάγονται πληροφορίες όπως η ροπή αδράνειας, η μέγιστη μεταφερόμενη ροπή και η καμπύλη της δύναμης συναρτήσει του ποσοστού ανοίγματος του συμπλέκτη. Στο κιβώτιο ταχυτήτων εισάγονται οι σχέσεις μετάδοσης και η ροπή αδράνειας για κάθε σχέση, ενώ μια από τις σημαντικότερες πληροφορίες που εισάγονται είναι ο χάρτης των απωλειών ή ο χάρτης του βαθμού απόδοσης για κάθε σχέση μετάδοσης. Ο βαθμός απόδοσης μπορεί να δίνεται ως συνάρτηση της ροπής και της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα. Στην περίπτωση που το όχημα είναι εξοπλισμένο με αυτόματο κιβώτιο ταχυτήτων και «Μετατροπέα Ροπής ή Torque Converter» απαραίτητες είναι η πληροφορίες για την στρατηγική του αλλά και τον λόγο ροπής (Torque Ratio). Η τελική σχέση μετάδοσης προσομοιώνεται με ένα απλό ζεύγος οδοντωτών τροχών, στο οποίο εισάγεται η σχέση μετάδοσης, η ροπή αδράνειας και ο βαθμός απόδοσης. Τέλος στο διαφορικό εισάγονται δεδομένα για τη ροπή αδράνειας του στοιχείου αυτού μαζί με το συντελεστή διαίρεσης ροπής, ενώ στους τροχούς εισάγεται η δυναμική ακτίνα του τροχού (εξαρτάται από την διάμετρο της ζάντας και τις διαστάσεις του ελαστικού) και επίσης η ροπή αδράνειας. Οι γενικές πληροφορίες του οχήματος περιέχονται στο στοιχείο «Vehicle» όπου εκεί εισάγονται τα χαρακτηριστικά του οχήματος και το σημαντικότερο, η αντίσταση δρόμου (Road Load). Στο πεδίο «Cycle Run» εισάγονται η μάζα και επιλέγεται ο το επιθυμητό προφίλ ταχύτητας για το οποίο θα γίνει ο υπολογισμός. Στο ίδιο πεδίο εισάγονται οι συνθήκες του αέρα του περιβάλλοντος (θερμοκρασία, υγρασία), ενώ επιλέγονται οι παράμετροι του οδηγού. Ο οδηγός προσομοιώνεται με δύο ελεγκτές PID, έναν που ελέγχει τη διαδικασία εκκίνησης και ένα που ελέγχει την ταχύτητα. Επιπλέον στο πεδίο που προσομοιώνει τον οδηγό «Driver» επιλέγονται οι παράμετροι που καθορίζουν την διαδικασία αλλαγής ταχυτήτων. Οι παράμετροι του οδηγού είναι καθοριστικές για την λειτουργία του μοντέλου καθώς επηρεάζουν την ταχύτητα και κατ επέκταση την κατανάλωση καυσίμου. Εικόνα 4-2 Πεδίο επιλογής παραμέτρων οδηγού Παραπάνω αναφέρθηκαν τα απαιτούμενα χαρακτηρίστηκα για την λειτουργία του μοντέλου. Στην περίπτωση που το αυτοκίνητο διαθέτει τεχνολογία «Start & Stop (S&S)» ή σύστημα 64 ΕΕΘ

80 Στυλιανός Δουλγέρης ανάκτησης ενέργειας «Brake Energy Recuperation System (BERS)» εισάγονται τα αντίστοιχα εξαρτήματα για την προσομοίωσή τους. Για το S&S υπάρχει διαθέσιμο υπο-μοντέλο από το CRUISE στο οποίο εισάγονται οι παράμετροι λειτουργίας του. Για την προσομοίωση του BERS γίνεται χρήση ενός υπο-μοντέλου που αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής το οποίο περιλαμβάνει το σύστημα μπαταρίας, δυναμό και ηλεκτρικών καταναλώσεων. Σε περίπτωση που είναι διαθέσιμες οι μετρήσεις της τάσης της μπαταρίας και του ρεύματος του δυναμό, οι λειτουργία τους προσομοιώνεται με έναν καταναλωτή ισχύος. Εικόνα 4-3 Μοντέλο ηλεκτρικών Συνήθως πριν την κατασκευή του μοντέλου, προηγείται μία σειρά μετρήσεων του αυτοκινήτου σε πέδη, για παραπάνω από δύο σετ κρύων και ζεστών κύκλων NEDC και WLTC. Κατά την μέτρηση καταγράφονται δεδομένα συναρτήσει του χρόνου όπως η ταχύτητα του οχήματος, η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, η κατανάλωση καυσίμου ή/και η εκπομπή CO 2 (γίνεται ανάλυση των καυσαερίων για όλους τους ρύπους). Καταγράφεται επίσης η θερμοκρασία του ψυκτικού του κινητήρα, η τάση και το ρεύμα της μπαταρίας και το ρεύμα του δυναμό. Πριν όμως χρησιμοποιηθούν τα αποτελέσματα πρέπει να αξιολογηθούν ώστε να απορριφθούν κύκλοι με τυχόν σφάλματα. Για παράδειγμα, σε περίπτωση που κατά την διάρκεια της μέτρησης γίνεται αναγέννηση του φίλτρου σωματιδίων αιθάλης, όπου μέρος του καυσίμου χρησιμοποιείται για την αναγέννηση, η μέτρηση απορρίπτεται καθώς η κατανάλωση καύσιμου παρουσιάζεται αυξημένη. Παραδείγματα μετρήσεων παρουσιάζονται στην εικόνα 4-4 και 4-5. Το αποτέλεσμα της μέτρησης 6 (κόκκινη διαγράμμιση) του WLTC, παρουσιάζει μεγάλη διαφορά από τα υπόλοιπα αποτελέσματα. Το συνολικό CO 2 είναι μεγαλύτερο για τον «ζεστό» κύκλο συγκριτικά με τον κρύο. Κατά την διάρκεια της συγκεκριμένη μέτρησης γινόταν αναγέννηση στο φίλτρο σωματιδίων. Έτσι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την βαθμονόμηση του μοντέλου. Επίσης οι μετρήσεις 1, 4 και 5 για τον NEDC εμφανίζουν μεγάλη διαφορά στο CO 2 μεταξύ των κύκλων ψυχρής και θερμής εκκίνησης και δεν προτιμούνται για την βαθμονόμηση του μοντέλου. Οι μετρήσεις που τελικά επιλέγονται είναι σημειωμένοι με μαύρα διακεκομμένα πλαίσια. Επιπλέον, οι ανάλυση των μετρήσεων συναρτήσει του χρόνου δίνει πληροφορίες για το μετρούμενο αυτοκίνητο, όπως το αν έχει σύστημα Start&Stop ή BERS. Επίσης από την αξιολόγηση των μετρήσεων μπορούν να εξαχθούν πληροφορίες για την κατανάλωση και την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα στο ρελαντί όταν δεν είναι γνωστές. ΕΕΘ 65