ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης για την ομογενοποίηση πειραματικών αποτελεσμάτων CO 2 επιβατικού οχήματος EURO 6 Ιωάννης Καρακατσιανόπουλος ΑΕΜ:5256 Υπεύθυνος Καθηγητής: Καθ. Ζήσης Σαμαράς Αρμόδιοι παρακολούθησης: Δρ. Αθανάσιος Δημάρατος, Δημήτριος Τσοκόλης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2016

2 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ 2. ΤΜΗΜΑ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: Ζήσης Σαμαράς 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Τσοκόλης Δημήτριος Αθανάσιος Δημάρατος 7. Τίτλος εργασίας: Ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης για την ομογενοποίηση πειραματικών αποτελεσμάτων CO 2 επιβατικού οχήματος EURO 6 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): Ιωάννης Καρακατσιανόπουλος 10.Θεματική περιοχή: Μελέτη εκπομπών CO 2 επιβατικών οχημάτων 14. Περίληψη: 11.Ημερομηνία έναρξης: Οκτώβριος Αριθμός μητρώου: Ημερομηνία παράδοσης: Ιούλιος 2016 Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης για την ομογενοποίηση πειραματικών αποτελεσμάτων CO 2 επιβατικού οχήματος με προδιαγραφές εκπομπών ρύπων EURO 6, τα οποία παρουσίασαν μη επαναλήψιμη συμπεριφορά. Χρησιμοποιήθηκαν πειραματικά δεδομένα για τις εκπομπές CO 2. Συγκεκριμένα, το όχημα δοκιμών ήταν ένα Peugeot 308 diesel 1.6 και εφαρμόσθηκε ο κύκλος οδήγησης NEDC. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Επιπλέον το μοντέλο αναπτύχθηκε μέσω του λογισμικού προσομοίωσης Cruise της AVL. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε υπολογίζει την συνεισφορά των ηλεκτρικών καταναλώσεων εξαιτίας τόσο του δυναμό όσο και του συστήματος start-stop στο CO 2. Επιπλέον, εκτιμά την επίδραση που έχει το διαφορετικό φορτίο από τη ρύθμιση της πέδης για κάθε επανάληψη. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη όλες τις διορθώσεις ομογενοποιεί τις αρχικές μετρήσεις CO 2 επιτυγχάνοντας μεγαλύτερη σύγκλιση. 13.Αριθμός εργασίας: 16.DI.0085.VI 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 111 Αρ. Εικόνων: 93 Αρ. Διαγραμμάτων:- Αρ. Πινάκων: 21 Αρ. Παραρτημάτων:1 Αρ. Παραπομπών: Λέξεις κλειδιά: Εκπομπές CO 2 Κατανάλωση καυσίμου Ιδιότητες καυσίμων AVL Cruise 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: ii

3 Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική αποτελεί το τελευταίο στάδιο της πορείας μου ως φοιτητής στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Μέσω της εργασίας διεύρυνα τους γνωστικούς μου ορίζοντες, γνώρισα καινούργιους τομείς της επιστήμης του Μηχανολόγου και εμπλούτισα τις γνώσεις μου. Παράλληλα, μου έδωσε τη δυνατότητα να γνωρίσω από κοντά ένα επαγγελματικό περιβάλλον, όπως είναι το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής. Για τους παραπάνω λόγους θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους που συνέβαλλαν στην επιτυχή ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας. Αρχικά, θα ήθελα να εκφράσω της ευχαριστίες μου στον Καθηγητή Ζήση Σαμαρά που μου έδωσε την δυνατότητα να εργαστώ στο πλαίσιο του εργαστηρίου και να δω πως λειτουργεί ένα ερευνητικό κέντρο. Έπειτα, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον υποψήφιο διδάκτορα Δημήτριο Τσοκόλη για την αμέριστη βοήθεια που μου παρείχε καθ όλη τη πορεία. Οι συμβουλές και οι γνώσεις του ήταν απαραίτητες για την εκπόνηση της εργασίας. Επιπλέον, δεν μπορώ να παραλείψω την βοήθεια και τις σημαντικές πληροφορίες που μου προσέφερε και ο Αθανάσιος Δημάρατος κατά τη περίοδο αυτή. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω από καρδιάς τους φίλους μου οι οποίοι με στήριξαν σε κάθε δυσκολία που συνάντησα καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στην οικογένεια μου που μου έδωσε την ευκαιρία να σπουδάσω και αποτελεί το στήριγμά μου όλα αυτά τα χρόνια, όντας συνεχώς στο πλάι μου. Ιωάννης Κ. Καρακατσιανόπουλος Ιούλιος 2016 iii

4 Περιεχόμενα Πρόλογος... iii Περιεχόμενα... iv Λίστα εικόνων... vii Λίστα πινάκων... xi 1. Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο Κινητήρες diesel Ιστορικά στοιχεία και εξέλιξη Καύση Εκπομπή ρύπων σε κινητήρα diesel Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και οι περιβαλλοντικές του επιπτώσεις Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Το διοξείδιο του άνθρακα Ευρωπαϊκή νομοθεσία εκπομπών ρύπων σε κινητήρες diesel Οι ιδιότητες των καυσίμων και η επίδρασή τους στην κατανάλωση και την εκπομπή CO Περιεκτικότητα σε βιοντίζελ Πυκνότητα καυσίμου Αριθμός κετανίου Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAH-Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) Κύκλοι οδήγησης Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (New European Driving Cycle- NEDC) Δοκιμή Coast down Tα πειράματα και το λογισμικό προσομοίωσης iv

5 3.1 Διεξαγωγή των πειραμάτων Πειραματική διάταξη και όχημα Τα καύσιμα Οι μετρήσεις Το λογισμικό προσομοίωσης AVL Cruise Γενικές πληροφορίες Εφαρμογές του λογισμικού Διαδικασία προσομοίωσης Διαδικασία προσομοίωσης Ανάπτυξη του μοντέλου Το πλήρες μοντέλο Το εξιδανικευμένο μοντέλο Εισαγωγή ρυθμίσεων και παραμέτρων υπολογισμού Βαθμονόμηση ψυχρής εκκίνησης Παράμετροι προσομοίωσης Αξιολόγηση του μοντέλου Αποτελέσματα μετρήσεων και προσομοίωσης Πειραματικά αποτελέσματα Αποτελέσματα μοντελοποίησης Επίδραση πρόσθετων ηλεκτρικών καταναλώσεων Επίδραση διαφορετικού φορτίου πέδης Διορθωμένα αποτελέσματα Σύγκριση αποτελεσμάτων μοντελοποίησης-πειραμάτων Συμπεράσματα και προτάσεις βελτίωσης Συμπεράσματα Προτάσεις βελτίωσης Βιβλιογραφία v

6 Παράρτημα vi

7 Λίστα εικόνων Εικόνα 2.1: Διαγράμματα πίεσης-όγκου και θερμοκρασίας-εντροπίας σε ιδανικό κύκλο Diesel [2]... 3 Εικόνα 2.2: Τυπική σύσταση των καυσαερίων από κινητήρα diesel [3]... 5 Εικόνα 2.3: Παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τη χρήση ορυκτών καυσίμων τον 20 ο αιώνα [8] Εικόνα 2.4: Παγκόσμια εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου [8] Εικόνα 2.5: : Πηγές εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου σε παγκόσμιο επίπεδο[8] Εικόνα 2.6: Σημαντικότερες ανθρωπογενείς αιτίες εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα [7] Εικόνα 2.7: Καμπύλη συσχέτισης μάζας-εκπομπών CO 2 με τις επιδόσεις σημαντικών αυτοκινητοβιομηχανιών κατά το 2012 και τα αντίστοιχα όρια για το 2015 και 2020 [10] Εικόνα 2.8: Όρια εκπομπών ΝΟ x και PM από κινητήρες diesel ανάλογα με τα εκάστοτε πρότυπα [11] Εικόνα 2.9: Ιδιότητες που μελετήθηκαν Εικόνα 2.10: Ποσοστιαία αλλαγή στις εκπομπές CO 2 διαφόρων μιγμάτων βιοντίζελ [12] Εικόνα 2.11: Εκπομπές CO 2 καυσίμου diesel χαμηλής πυκνότητας [14] Εικόνα 2.12: Εκπομπές CO 2 καυσίμου diesel συμβατικής πυκνότητας [14] Εικόνα 2.13: Επίδραση του αριθμού κετανίου στην BSFC [16] Εικόνα 2.14: Επίδραση του αριθμού κετανίου στην κατανάλωση καυσίμου κατά τη λειτουργία κινητήρα [17] Εικόνα 2.15: επίδραση του αριθμού κετανίου στην ειδική κατανάλωση καυσίμου συναρτήσει της ταχύτητας του κινητήρα [18] Εικόνα 2.16: επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές CO 2 [14] Εικόνα 2.17: Επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές CO 2 [17] Εικόνα 2.18: Επίδραση του ποσοστού σε PAHs στην κατανάλωση καυσίμου [23] Εικόνα 2.19: Χαρακτηριστικά μεγέθη στον κύκλο NEDC [25] Εικόνα 2.20: Προφίλ ταχύτητας οχήματος και αντίστοιχη σχέση μετάδοσης στον NEDC [24] vii

8 Εικόνα 2.21: Δυνάμεις που επιδρούν στο όχημα [26] Εικόνα 2.22: Διάγραμμα συσχέτισης φορτίου ταχύτητας κατά την δοκιμή coast down Εικόνα 3.1: Πειραματική διάταξη των μετρήσεων Εικόνα 3.2: Τροχός αυτοκινήτου πάνω στη πέδη Εικόνα 3.3: Ανεμιστήρας και δεξαμενή καυσίμου Εικόνα 3.4: Συνοπτική άποψη του αυτοκινήτου πάνω στην πέδη με τους ιμάντες και τον ανεμιστήρα Εικόνα 3.5: Αγωγός σύνδεσης εξάτμισης με κανάλι αραίωσης καυσαερίου Εικόνα 3.6: Κανάλι αραίωσης σταθερού όγκου Εικόνα 3.7: Γενική εικόνα του κινητήρα Εικόνα 3.8: Μοντέλο μοτοσυκλέτας στο Cruise Εικόνα 3.9: Μοντέλο συμβατικού επιβατικού αυτοκινήτου στο Cruise Εικόνα 3.10: Μοντέλο υβριδικού επιβατικού αυτοκινήτου στο Cruise Εικόνα 3.11: Μοντέλο φορτηγού αυτοκινήτου στο Cruise Εικόνα 3.12: Μοντέλο off-road οχήματος στο Cruise Εικόνα 3.13: Τα διάφορα στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη του μοντέλου Εικόνα 3.14: Τα είδη των συνδέσεων με τα αντίστοιχα σύμβολα τους Εικόνα 3.15: Κέντρο ελέγχου συνδέσεων πληροφορίας (Data bus connection center) Εικόνα 3.16: Καρτέλα παραμέτρων υπολογισμού και ρυθμίσεων του Cruise Εικόνα 4.1: Το μοντέλο προσομοίωσης του Peugeot 308 στο Cruise Εικόνα 4.2: Απόκλιση στροφών κινητήρα μοντέλου και πειράματος πριν την διόρθωση Εικόνα 4.3: Εξέλιξη λόγου R m και αλλαγές στη σχέση μετάδοσης Εικόνα 4.4: Απόκλιση στροφών κινητήρα μέτρησης και προσομοίωσης Εικόνα 4.5: Επιλογή Cold Start εκκίνησης Εικόνα 4.6: Εισαγωγή θερμοκρασίας του περιβάλλοντος ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4.7: Ενεργοποίηση φόρμας ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4.8: Ορισμός της θερμοκρασίας βαθμονόμησης ψυχρής εκκίνησης Εικόνα 4.9: Παράμετροι βαθμονόμησης της κατανάλωσης κατά την ψυχρή εκκίνηση viii

9 Εικόνα 4.10: Επίδραση Curvature factor στη υπολογισμένη και την πραγματική FMEP Εικόνα 4.11: Eισαγωγή προφίλ ταχύτητας και αλλαγών σχέσεων μετάδοσης Εικόνα 4.12: Ηλεκτρικές καταναλώσεις του οχήματος πριν τη διόρθωση Εικόνα 4.13: ηλεκτρικές καταναλώσεις μετά τη διόρθωση Εικόνα 4.14: Εισαγωγή ηλεκτρικών καταναλώσεων στο Cruise Εικόνα 4.15: Αλλαγή χάρτη κατανάλωσης στο Cruise Εικόνα 4.16: Εισαγωγή της πυκνότητας και του περιεχομένου σε άνθρακα του καυσίμου στο Cruise Εικόνα 4.17: Εύρεση συντελεστών αντίστασης Εικόνα 4.18: Εισαγωγή των συντελεστών αντίστασης του οχήματος στο Cruise Εικόνα 4.19: Αποτελέσματα ταχύτητας κινητήρα πειράματος και προσομοίωσης Εικόνα 4.20: Συντελεστής συσχέτισης της ταχύτητας κινητήρα Εικόνα 4.21: Χρονική εξέλιξη της κατανάλωσης καυσίμου της μέτρησης και της προσομοίωσης Εικόνα 4.22: : Συντελεστής συσχέτισης της κατανάλωσης καυσίμου Εικόνα 5.1: Κατανάλωση καυσίμου εκφρασμένη σε γραμμάρια Εικόνα 5.2: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 εκφρασμένα σε γραμ/χλμ Εικόνα 5.3: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον υποκύκλο UDC Εικόνα 5.4: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον υποκύκλο ΕUDC Εικόνα 5.5: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον κύκλο ΝΕDC Εικόνα 5.6: Διαφορά CO 2 ανά καύσιμο και υποκύκλο Εικόνα 5.7: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του UDC Εικόνα 5.8: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του ΕUDC Εικόνα 5.9: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του NEDC Εικόνα 5.10: Αποτελέσματα κατανάλωσης καυσίμου της προσομοίωσης Εικόνα 5.11: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 της προσομοίωσης Εικόνα 5.12: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 ανά καύσιμο Εικόνα 5.13: Σήμα δυναμό μέτρησης D13a Εικόνα 5.14: Σήμα δυναμό μέτρησης D9a Εικόνα 5.15: Επίδραση start-stop στην κατανάλωση καυσίμου Εικόνα 5.16: Επίδραση πρόσθετων ηλεκτρικών καταναλώσεων στην εκπομπή CO Εικόνα 5.17: Διόρθωση μετρήσεων CO 2 βάσει ηλεκτρικών καταναλώσεων Εικόνα 5.18: Αποτελέσματα ρύθμισης της πέδης ανά επανάληψη μετρήσεων ix

10 Εικόνα 5.19: Διόρθωση του φορτίου και της συνεισφοράς ηλεκτρικών καταναλώσεων στις μετρήσεις Εικόνα 5.20: Μέγιστη και ελάχιστη απόκλιση λόγω φορτίου Εικόνα 5.21: Διορθωμένες μετρήσεις CO Εικόνα 5.22: Μέση τιμή μετρήσεων ανά καύσιμο πριν και μετά την ομογενοποίηση των μετρήσεων Εικόνα 5.23: Συσχέτιση αποτελεσμάτων CO 2 πειραματικής μέτρησης και προσομοίωσης Εικόνα 5.24: Αθροιστική κατανάλωση καυσίμου σε πείραμα και προσομοίωση και η μεταξύ τους διαφορά για τη μέτρηση D14a Εικόνα 5.25: Αθροιστική κατανάλωση καυσίμου σε πείραμα και προσομοίωση και η μεταξύ τους διαφορά για τη μέτρηση D14c Εικόνα 5.26: Διαφορά σε CO 2 μεταξύ μοντέλου και μέτρησης ανά καύσιμο και επανάληψη δοκιμής Εικόνα 5.27: Διαφορά στην κατανάλωση καυσίμου μεταξύ μοντέλου και μέτρησης ανά καύσιμο και επανάληψη δοκιμής Εικόνα 5.28: Εκπομπή CO 2 ανά καύσιμο μετά την διόρθωση Εικόνα 5.29: Διαφορές CO 2 μεταξύ προσομοίωσης και μοντέλου μετά την αφαίρεση του συστηματικού λάθους της βαθμονόμησης Εικόνα 5.30: Συσχέτιση αποτελεσμάτων CO 2 πειραματικής μέτρησης και προσομοίωσης μετά την διόρθωση Εικόνα 5.31: Τελικές εκπομπές CO 2 μοντέλου και πειραμάτων κατά την 1 η επανάληψη Εικόνα 5.32: Τελικές εκπομπές CO 2 μοντέλου και πειραμάτων κατά την 2 η επανάληψη Εικόνα 5.33: Τελικές εκπομπές CO 2 μοντέλου και πειραμάτων κατά την 3 η επανάληψη x

11 Λίστα πινάκων Πίνακας 2.1: Τα ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών και τα αντίστοιχα όρια των ρύπων σε κινητήρες diesel [11] Πίνακας 2.2: Περιεχόμενο σε άνθρακα βιοντίζελ και συμβατικού diesel [12] Πίνακας 2.3: Θερμογόνος δύναμη από βιοντίζελ διαφορετικής προέλευσης [12] Πίνακας 2.4: Κατανάλωση καυσίμου σε μίγματα καυσίμων [12] Πίνακας 3.1: Βασικά χαρακτηριστικά οχήματος Πίνακας 3.2: Ιδιότητες των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν Πίνακας 4.1: Στοιχεία υπολογισμού για κάθε σχέση μετάδοσης Πίνακας 4.2: Όρια R m για κάθε σχέση μετάδοσης Πίνακας 7.1: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στην καρτέλα Task folder Πίνακα 7.2: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στην καρτέλα Cycle run Πίνακας 7.3: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο vehicle Πίνακας 7.4: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο engine Πίνακας 7.5: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο gearbox Πίνακας 7.6: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο friction clutch Πίνακας 7.7: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο final drive Πίνακας 7.8: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο differential Πίνακας 7.9: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο disc brake Πίνακας 7.10: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο wheel Πίνακας 7.11: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο cockpit Πίνακας 7.12: Παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στο στοιχείο start-stop xi

12 1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια η ρύπανση του περιβάλλοντος από ανθρωπογενείς παράγοντες ολοένα και αυξάνεται. Η τρύπα του όζοντος, η ατμοσφαιρική ρύπανση από αέριους ρύπους, η ρύπανση των υδάτων και του εδάφους από απόβλητα και γεωργικά λιπάσματα είναι μερικά από τα προβλήματα που επείγουν άμεσης αντιμετώπισης. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου ωστόσο είναι το σημαντικότερο πρόβλημα του 21 ου αιώνα. Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανεξέλεγκτη εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα αλλά και οι τεράστιες ποσότητες των άλλων αερίων του θερμοκηπίου που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα οδηγούν σε οδυνηρές και πολλές φορές μη αναστρέψιμες καταστάσεις. Η μέση θερμοκρασία της Γης έχει αυξηθεί κατά τον τελευταίο αιώνα με επιπτώσεις όχι μόνο στη παγκόσμια χλωρίδα και πανίδα αλλά και στην υγεία των ανθρώπων. Για το λόγο, αυτό οι επιστημονικές μελέτες έχουν επικεντρωθεί στη μείωση της εκπομπής CO 2. Μια από τις κυριότερες πηγές CO 2 στην ατμόσφαιρα είναι η καύση υδρογονανθράκων, ιδιαίτερα στο τομέα των μεταφορών. Έτσι λοιπόν, πολλές έρευνες έχουν στραφεί στην κατεύθυνση μείωσης της κατανάλωσης καυσίμων και κατά συνέπεια στην εκπομπή CO 2. Στο πλαίσιο αυτό εντάσσονται πολλές μελέτες που έχουν εκπονηθεί από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η παρούσα διπλωματική εντάσσεται σε έρευνα συσχέτισης των ιδιοτήτων καυσίμου diesel με την κατανάλωση καυσίμου σε επιβατικό όχημα προδιαγραφών ρύπων EURO 6. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης με στόχο να ομογενοποιήσει πειραματικά αποτελέσματα κατανάλωσης καυσίμου. Τα εν λόγω αποτελέσματα προήλθαν από επιβατικό όχημα μετρήσεων το οποίο παρουσίασε ασταθή και μη επαναλήψιμη ηλεκτρική συμπεριφορά. Η επιπρόσθετη αυτή ηλεκτρική κατανάλωση έχει ως συνέπεια μια επιπλέον πλασματική κατανάλωση καυσίμου. Έτσι δεν μπορούν να προκύψουν ασφαλή συμπεράσματα για την συσχέτιση των ιδιοτήτων του καύσιμου και της κατανάλωσης. 1

13 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 2.1 Κινητήρες diesel Ιστορικά στοιχεία και εξέλιξη Ο κινητήρας diesel, γνωστός επίσης και ως κινητήρας ανάφλεξης με συμπίεση (compression ignition-ci engine), είναι μια μηχανή εσωτερικής καύσης στην οποία η ανάφλεξη του καυσίμου που έχει εισαχθεί στον θάλαμο καύσης προκαλείται από την υψηλή θερμοκρασία που επιτυγχάνεται όταν το μίγμα συμπιεσθεί σε μεγάλο βαθμό. Ο τρόπος ανάφλεξης του καυσίμου αποτελεί και την κύρια διαφορά με τους κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα, οι οποίοι χρησιμοποιούν έναν αναφλεκτήρα (μπουζί) για την επίτευξη της καύσης. Χαρακτηρίζεται ως μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) διότι η καύση του καυσίμου πραγματοποιείται στο εσωτερικό σώμα της μηχανής καθώς και τα προϊόντα της καύσης αποτελούν το εργαζόμενο μέσο για την παραγωγή της μηχανικής ισχύος. Μια ΜΕΚ διαφοροποιείται από μια μηχανή εξωτερικής καύσης (πχ ατμομηχανή) στην οποία τα προϊόντα της καύσης μεταφέρουν την παραγώμενη ενέργεια σε ένα διαφορετικό ρευστό, το οποίο αποτελεί και το εργαζόμενο μέσο. Ο κινητήρας diesel έχει την υψηλότερη θερμική απόδοση από οποιαδήποτε ΜΕΚ ή μηχανη εξωτερικής καύσης. Αυτό οφείλεται στον πολύ υψηλό λόγο εκτόνωσης και στην εγγενή φτωχή καύση που επιτρέπει την απαγωγή θερμότητας από την περίσσεια αέρα [1]. Η εφεύρεση του κινητήρα Diesel αποδίδεται στον Γερμανό Rudolf Diesel ( ) το 1897, αν και είχαν ήδη κάνει την εμφάνιση τους μηχανές υψηλής συμπίεσης αλλά όχι ικανές ώστε να προκαλούν την ανάφλεξη του καυσίμου. Σταδιακά οι κινητήρες diesel αντικατέστησαν τις στατικές ατμομηχανές οι οποίες την εποχή εκείνη κατείχαν κραταιό ρόλο στην βιομηχανική παραγωγή. Στις αρχές του 1910 χρησιμοποιήθηκαν σε υποβρύχια και σε πλοία και αργότερα σε τρένα και σε μονάδες παραγωγής ηλεκτρισμού. Μετά τη δεκαετία του 1930 άρχισαν να χρησιμοποιούνται και σε αυτοκίνητα [2]. Στις μέρες μας, με την ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος και της ποιότητας του αέρα, γίνονται πολλές προσπάθειες για την μείωση των ρύπων που εκπέμπονται 2

14 από τις μηχανές, ενώ παράλληλα πρέπει να επιτυγχάνεται υψηλός βαθμός απόδοσης. Πολλές τεχνολογικά προηγμένες λύσεις έχουν αναπτυχθεί προς την κατεύθυνση αυτή, σημαντικότερες εκ των οποίων αποτελούν η ανάπτυξη του συστήματος κοινού αυλού (common rail) και η χρήση του SCR καταλύτη Καύση Η λειτουργία των κινητήρων diesel στηρίζεται στον θερμοδυναμικό κύκλο Diesel. Ο ιδανικός κύκλος diesel (Εικόνα 2.1) βασίζεται στην πρόσδοση θερμότητας υπό σταθερή πίεση. Εικόνα 2.1: Διαγράμματα πίεσης-όγκου και θερμοκρασίας-εντροπίας σε ιδανικό κύκλο Diesel [2]. Οι τέσσερις βασικές διεργασίες είναι: 1. Ισεντροπική συμπίεση 2. Πρόσδοση θερμότητας υπό σταθερή πίεση 3. Ισεντροπική εκτόνωση 4. Απόρριψη θερμότητας υπό σταθερό όγκο Η διάρκεια της διεργασίας της καύσης ελέγχεται από την έγχυση και την ανάμιξη του σπρέι καυσίμου. Το καύσιμο εγχύεται απευθείας στο κύλινδρο με έναν εγχυτήρα 3

15 καυσίμου υψηλής πιέσεως. Η διάρκεια ψεκασμού εξαρτάται από το φορτίο της μηχανής. Γενικότερα, η καύση που λαμβάνει χώρα σε κινητήρες diesel μπορεί να χωριστεί σε 3 κατηγορίες: 1. Καθυστέρηση έναυσης (ignition delay). 2. Καύση προανάμιξης (premixed combustion). 3. Καύση ανάμιξης (mixing controlled combustion) [1]. Το καύσιμο diesel που εισέρχεται στο θάλαμο καύσης είναι σε υγρή φάση και έχει χαμηλή θερμοκρασία. Αφού αναμιχθεί πλήρως με τον εισερχόμενο αέρα, μετατραπεί σε εξατμισμένο ρευστό και εκκινήσει η διεργασία της καύσης απαιτείται ένα χρονικό διάστημα, το οποίο ονομάζεται καθυστέρηση έναυσης. Στη συνέχεια, αφού το μίγμα αέρα-καυσίμου αποκτήσει την κατάλληλη θερμοκρασία και να αυταναφλεχθεί, η καύση δεν είναι ελεγχόμενη και αποκαλείται καύση προανάμιξης. Τέλος, η σταδιακή ανάμιξη και καύση του μίγματος ονομάζεται καύση ανάμιξης [1]. Τα διάφορα στάδια της καύσης σε κινητήρα diesel συνδέονται άμεσα με την έκλυση θερμότητας στους κινητήρες. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια της καύσης προανάμιξης ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας είναι σχετικά ανεξάρτητος από το φορτίο και από τη διάρκεια ψεκασμού. Αντίθετα, η διάρκεια ψεκασμού παίζει σημαντικό ρόλο κατά την καύση ανάμιξης διότι αυξάνοντας την διάρκεια ψεκασμού αυξάνεται και η ποσότητα του καυσίμου που εισέρχεται στο θάλαμο καύσης και κατά συνέπεια και το ποσό της θερμότητας που εκλύεται [1]. Επιπλέον, η έκλυσης θερμότητας και η διάρκεια που αυτή λαμβάνει χώρα (συναρτήσει της γωνίας στροφάλου) σε συνδυασμό με την φτωχή καύση και τις συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης που επικρατούν στο θάλαμο καύσης, επηρεάζουν αποφασιστικά τον σχηματισμό και την εκπομπή αερίων ρύπων και αιωρούμενων σωματιδίων. Οι ρύποι αυτοί επιδρούν σημαντικά στη ρύπανση του περιβαλλοντικού αέρα και η μείωση τους αποτελεί σκοπό για πληθώρα ερευνητικών προσπαθειών και τεχνολογικών εξελίξεων. 4

16 2.1.3 Εκπομπή ρύπων σε κινητήρα diesel Το καύσιμο diesel είναι ένα μίγμα υδρογονανθράκων, το οποίο κατά την ιδανική καύση θα παρήγαγε μόνο υδρατμούς (H 2 O) και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) καθώς και την αχρησιμοποίητη ποσότητα αέρα, δηλ. άζωτο (Ν 2 ) και οξυγόνο (Ο 2 ). Ωστόσο η ιδανική αυτή καύση δεν είναι ρεαλιστική με αποτέλεσμα τα προϊόντα της καύσης να περιέχουν και ρύπους, σημαντικότεροι από τους οποίους είναι τα οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ), το μονοξείδιο του αζώτου (CO), άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) και τα αιωρούμενα σωματίδια (PM) (Εικόνα 2.2) [3]. Εικόνα 2.2: Τυπική σύσταση των καυσαερίων από κινητήρα diesel [3]. Οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ) O λόγος που ασχολούμαστε με τους συγκεκριμένους ρύπους (κυρίως ΝΟ και ΝΟ 2 ) είναι γιατί συμβάλλουν στο σχηματισμό του φωτοχημικού νέφους και είναι τοξικά για το αναπνευστικό σύστημα των ανθρώπων (ΝΟ 2 ). Η ποσότητα των παραγομένων οξειδίων του αζώτου είναι συνάρτηση της μέγιστης θερμοκρασίας του κυλίνδρου, της συγκέντρωσης οξυγόνου και του χρόνου παραμονής. Το μονοξείδιο του αζώτου παράγεται νωρίς κατά τη διαδικασία της καύσης ενώ το διοξείδιο του αζώτου σχηματίζεται βαθμιαία στον αέρα με την οξείδωση του μονοξειδίου του αζώτου. 5

17 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Οι εκπομπές μονοξείδιου του άνθρακα είναι σχετικά χαμηλές στους κινητήρες diesel διότι έχουν αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά από τις τεχνολογίες μετεπεξεργασίας καυσαερίων (καταλύτες). Το μονοξείδιο του άνθρακα αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν σε κάθε καύση υδρογονανθράκων. Έτσι και στους κινητήρες diesel παρόλο που το μίγμα καίγεται φτωχά, επικρατεί σχετικά χαμηλή θερμοκρασία φλόγας, που αποτέλεσμα έχει να αδρανοποιηθεί η αντίδραση υδραερίου. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μονοξειδίου του άνθρακα. Τέλος, σχηματισμό μονοξείδιου του άνθρακα μπορεί να έχουμε αν τα σταγονίδια του καυσίμου είναι πολύ μεγάλα ή αν υπάρχει ανεπαρκής τύρβη ή στροβιλισμός στο θάλαμο καύσης [4]. Άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) Οι υδρογονάνθρακες στους κινητήρες diesel προέρχονται κυρίως από: 1. Το παγιδευμένο καύσιμο στον εγχυτήρα στο τέλος της έγχυσης που στη συνέχεια διαχέεται προς τα έξω. 2. Την υπερβολικά φτωχή ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα που περιβάλλει το σπρέι με επακόλουθο την αδυναμία καύσης. 3. Το παγιδευμένο καύσιμο στα τοιχώματα, τις χαραμάδες, στις αποθέσεις ή στο λάδι λόγω της σύγκρουσης από τη δέσμη καυσίμου [1]. Οι κινητήρες diesel εκπέμπουν σχετικά μικρές ποσότητες άκαυστων υδρογονανθράκων. Οι τυχόν εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων εμφανίζονται σε χαμηλά φορτία. Όπως είναι γνωστό, στους κινητήρες diesel επικρατούν συνθήκες φτωχής καύσης. Σε αυτή τη περίπτωση, η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας δεν είναι υψηλή με αποτέλεσμα να μην προλάβει να καεί όλο το καύσιμο. Γενικά, το είδος του καυσίμου, η ρύθμιση και ο σχεδιασμός του κινητήρα μπορεί να επηρεάζουν τις εκπομπές υδρογονανθράκων από κινητήρες diesel [1]. Αιωρούμενα σωματίδια (PM) Οι εκπομπές σωματιδίων στους κινητήρες diesel αποτελεί ένα σοβαρό πρόβλημα, καθώς είναι βασικός περιορισμός για την αύξηση της απόδοσής τους. Η εκπομπή σωματιδίων γίνεται αντιληπτή με τη παρουσία μαύρου καπνού στα καυσαέρια. 6

18 Γενικά, η εκπομπή σωματιδίων σε κινητήρες diesel μπορεί να διαιρεθεί στα εξής συστατικά: 1. Αιθάλη (πάνω από 50%). 2. Διαλυτό οργανικό κλάσμα (SOF). 3. Ανόργανο κλάσμα (ΙF) [5]. Οι εκπομπές αιρούμενων σωματιδίων είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων όπως είναι η διαδικασία της καύσης, η περιεκτικότητα των καυσίμων σε θείο και τέφρα, η ποιότητα του λαδιού λίπανσης και τυχόν κατανάλωσή του, η θερμοκρασία της καύσης, η ψύξη των καυσαερίων [5]. Μια σημαντική παράμετρος για την εκπομπή σωματιδίων είναι η αλληλεπίδραση που έχει με τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Όπως προαναφέρθηκε, η μείωση της θερμοκρασίας της φλόγας μειώνει την εκπομπή ΝΟ x ενώ συγχρόνως αυξάνει τη περιεκτικότητα αιθάλης, δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο μια ανταγωνιστική σχέση [1]. 2.2 Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και οι περιβαλλοντικές του επιπτώσεις Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Η κλιματική αλλαγή του πλανήτη αποτελεί σοβαρό περιβαλλοντικό κίνδυνο και μεταξύ άλλων συμπεριλαμβάνεται στις σημαντικότερες απειλές για την υγεία των ανθρώπων σε παγκόσμιο επίπεδο. Έντονη είναι η επίδραση του φαινομένου του θερμοκηπίου στην αλλαγή του κλίματος. Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανεξέλεγκτη εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα (Εικόνα 2.3) αλλά και οι τεράστιες ποσότητες αερίων του θερμοκηπίου που απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα οδηγούν σε οδυνηρές και πολλές φορές μη αναστρέψιμες καταστάσεις. Η αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης, η αύξηση της στάθμης της θάλασσας, το λιώσιμο των πάγων, η αλλαγή στη συχνότητα και στην ένταση των ακραίων καιρικών φαινομένων είναι μόνο μερικές από τις αλλαγές που καλείται να αντιμετωπίσει ο πλανήτης. 7

19 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μια φυσική διεργασία που παίζει αποφασιστικό ρόλο στο σχηματισμό και τη διατήρηση του φιλικού προς τον άνθρωπο γήινο κλίμα. Ωστόσο, οι ανθρώπινες δραστηριότητες, ιδίως η καύση ορυκτών καυσίμων, είναι υπεύθυνες στην αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου που παρατηρείται τα τελευταία 150 χρόνια. Οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις των λεγόμενων αερίων του θερμοκηπίου συμβάλλουν στην ενίσχυση του και κατά συνέπεια στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Τα σημαντικότερα αέρια του θερμοκηπίου είναι τα εξής (Εικόνα 2.4): Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ): η χρήση ορυκτών καυσίμων και η αλλαγή στη χρήση της γης (πχ η αποψίλωση των δασών) οδηγεί στην αύξηση της περιεκτικότητας σε CO 2 στην ατμόσφαιρα. Μεθάνιο (CH 4 ): οι αγροτικές και κτηνοτροφικές δραστηριότητες, η διαχείριση των αποβλήτων (πχ χώροι υγειονομικής ταφής στερεών αποβλήτων) και η παραγωγή και μεταφορά πετρελαίου και φυσικού αερίου συμβάλλουν σε εκπομπές μεθανίου. Υποξείδιο του αζώτου (Ν 2 Ο): αγροτικές δραστηριότητες όπως η χρήση λιπασμάτων οδηγεί σε αύξηση των εκπομπών του συγκεκριμένου ρύπου. Επιπλέον πηγή εκπομπής υποξειδίου του αζώτου είναι η καύση στερεών αποβλήτων. Φθοριούχα αέρια (F-gases): Σε αυτή τη κατηγορία περιλαμβάνονται οι υδροφθοράνθρακες (HFCs), οι υπερφθοράνθρακες (PFCs) και εξαφθοριούχο θείο (SF 6 ). Oι ρύποι αυτοί προέρχονται από βιομηχανικές διεργασίες, από τα υγρά στην χρήση των ψυγείων και χρήση μερικών καταναλωτικών προϊόντων [8]. 8

20 Εικόνα 2.3: Παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τη χρήση ορυκτών καυσίμων τον 20 ο αιώνα [8]. Εικόνα 2.4: Παγκόσμια εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου [8]. Οι πηγές εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου είναι παρόμοιες με εκείνες της εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα (Εικόνα 2.5) [8]. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, η ανάγκη για μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου έχει οδηγήσει τις χώρες σε συνεργασία σε παγκόσμιο επίπεδο μέσω της σύνταξης πρωτοκόλλων (πχ πρωτόκολλο του Κιότο) και διεθνών συνδιασκέψεων για το κλίμα. 9

21 Εικόνα 2.5: : Πηγές εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου σε παγκόσμιο επίπεδο[8] Το διοξείδιο του άνθρακα Το διοξείδιο του άνθρακα είναι μια χημική ένωση με συστατικά ένα άτομο άνθρακα το οποίο συνδέεται με διπλό ομοιοπολικό δεσμό με 2 άτομα οξυγόνου. Ο χημικός του τύπος είναι CO 2. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας έχει υγρή μορφή και είναι άχρωμο, άοσμο και άγευστο. Αποτελεί συστατικό της ατμόσφαιρα της Γης καθώς συμμετέχει στον κύκλο του άνθρακα και έχει την σημαντικότερη επίδραση στο φαινόμενο του θερμοκηπίου από τα υπόλοιπα αέρια. Φυσικές πηγές του διοξειδίου του άνθρακα αποτελούν τα ηφαίστεια, οι θερμές πηγές και τα ανθρακικά πετρώματα. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι διαλυτό στο νερό και συνεπώς απαντάται στα υπόγεια ύδατα, σε λίμνες, ποτάμια, ωκεανούς και παγετώνες. Επίσης, το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί βασικό προϊόν της καύσης των ορυκτών καυσίμων, του ξύλου, των πλαστικών και της αποσύνθεσης οργανικών ουσιών [6]. Οι πιο σημαντικές ανθρώπινες δραστηριότητες που εκπέμπουν διοξείδιο του άνθρακα είναι οι εξής (Εικόνα 2.6) [7]: Ηλεκτροπαραγωγή. Για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούνται κυρίως κάρβουνο, πετρέλαιο και φυσικό αέριο με την καύση του κάρβουνου να εκπέμπει αναλογικά την μεγαλύτερη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα. 10

22 Μεταφορές. Στην κατηγορία αυτή συμπεριλαμβάνονται οι αερομεταφορές, τα πλοία, τα τρένα και τα αυτοκίνητα. Σε αυτή τη περίπτωση το διοξειδίου του άνθρακα εκπέμπεται μέσω της καύσης των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στις αντίστοιχες μηχανές εσωτερικής καύσης. Βιομηχανία. Η εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα από τις βιομηχανικές εγκαταστάσεις αφορά ποικίλες διεργασίες και πραγματοποιείται είτε μέσω της καύσης ορυκτών καυσίμων είτε διεργασίες που περιέχουν άλλες χημικές αντιδράσεις πέραν της καύσης, όπως είναι η τσιμεντοβιομηχανία. Αστικές και εμπορικές δραστηριότητες. Μια ακόμη σημαντική πηγή εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα είναι δραστηριότητες των ανθρώπων που αφορούν τις οικίες τους (πχ θέρμανση) αλλά και κάθε δραστηριότητα που άπτεται εμπορικές χρήσεις (πχ κλιματισμός σε εμπορικό κέντρο). Εικόνα 2.6: Σημαντικότερες ανθρωπογενείς αιτίες εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα [7] Ευρωπαϊκή νομοθεσία εκπομπών ρύπων σε κινητήρες diesel Είναι κοινώς αποδεκτό πως τα τελευταία χρόνια η ατμοσφαιρική ρύπανση ολοένα και επιδεινώνεται. Για το λόγο αυτό, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει κάποιες προδιαγραφές οι οποίες καθορίζουν τα αποδεκτά όρια εκπομπών ρύπων από τα νέα 11

23 οχήματα που πωλούνται στα κράτη-μέλη. Τα πρότυπα των εκπομπών (emission standards) υιοθετούν ολοένα και αυστηρότερα κριτήρια τόσο στην εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα όσο και στην εκπομπή των υπολοίπων ρύπων. Οι οδικές μεταφορές είναι υπεύθυνες για το 20% των συνολικών εκπομπών CO 2 στην Ευρωπαϊκή Ένωση, εκ των οποίων τα επιβατικά οχήματα συνεισφέρουν περίπου ένα 15% [9]. Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Στόχος για το 2015: σύμφωνα με τη νομοθεσία της Ε.Ε. τα νέα αυτοκίνητα που ταξινομούνται θα πρέπει να εκπέμπουν κατά μέσο όρο λιγότερο από 130 γραμμάρια CO 2 ανά χιλιόμετρο (g/km). Αυτό μεταφράζεται σε κατανάλωση καυσίμου 4.9 l/km για κινητήρες diesel [9]. Στόχος για το 2021: τα επιτρεπτά όρια των εκπομπών CO 2 από επιβατικά οχήματα διαμορφώνονται στα 95 γραμμάρια CO 2 ανά χιλιόμετρο κατά μέσο όρο. Αυτό ισοδυναμεί με κατανάλωση καυσίμου περίπου 3.6 l/km σε κινητήρες diesel [9]. Ένα κριτήριο για τις επιτρεπόμενες τιμές εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα είναι η μάζα του οχήματος. Η νομοθεσία επιτρέπει την εκπομπή υψηλότερων ποσοτήτων CO 2 από βαρύτερα οχήματα σε σχέση με ελαφρύτερα με βάση μια καμπύλη οριακών τιμών (Εικόνα 2.7). Μπορεί μερικά οχήματα ενός κατασκευαστή να ξεπερνούν τη ανώτερη τιμή εκπομπών αρκεί να εξισορροπούνται από άλλα τα οποία είναι χαμηλότερα από την επιτρεπτή τιμή, έτσι ώστε ο μέσος όρος του στόλου του κατασκευαστή να είναι κάτω από τα επιτρεπτά όρια. Η νομοθεσία επιπλέον προβλέπει την επιβολή προστίμων στους κατασκευαστές που δεν συμμορφώνονται με τους κανόνες. Συγκεκριμένα, το πρόστιμο ανέρχεται στα 95 ανά όχημα για κάθε επιπλέον g/km της μέσης τιμής του στόλου που υπερβαίνει το επιτρεπτό όριο [10]. 12

24 Εικόνα 2.7: Καμπύλη συσχέτισης μάζας-εκπομπών CO 2 με τις επιδόσεις σημαντικών αυτοκινητοβιομηχανιών κατά το 2012 και τα αντίστοιχα όρια για το 2015 και 2020 [10]. Υπόλοιποι ρύποι Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει ορισμένα πρότυπα για το περιορισμό των εκπομπών ρύπων από τις μηχανές εσωτερικής καύσης των οχημάτων. Τα οχήματα που αφορούν τα πρότυπα αυτά είναι ελαφρού τύπου (επιβατικά και ελαφρά εμπορικά οχήματα) και εμπορικά βαρέος τύπου και υπάρχουν από το 2002 ξεχωριστά πρότυπα για πετρελαιοκίνητα και βενζινοκίνητα οχήματα. Το πρώτο πρότυπο που εφαρμόσθηκε είναι το EURO 1 το 1992 ενώ το τελευταίο πρότυπο είναι το EURO 6 το οποίο τέθηκε σε ισχύ το Σεπτέμβριο του 2014 (Πίνακας 2.1). Σε κάθε αναθεωρημένη έκδοση των προτύπων τα όρια εκπομπών συνεχώς μειώνονται με σκοπό τη περαιτέρω προστασία του περιβάλλοντος (Εικόνα 2.8). Αξιοσημείωτη είναι η μείωση του ορίου εκπομπών οξειδίων του αζώτου στο τελευταίο πρότυπο EURO 6, μειωμένο κατά 67% σε σχέση με το προηγούμενο [11]. 13

25 Πίνακας 2.1: Τα ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών και τα αντίστοιχα όρια των ρύπων σε κινητήρες diesel [11]. Πρότυπα Ημερομηνία CO NO X HC+NO X PM EURO 1 Ιούλιος EURO 2 EURO 3 EURO 4 EURO 5a EURO 5b EURO 6 Ιανουάριος 1996 Ιανουάριος 2000 Ιανουάριος 2005 Σεπτέμβριος 2009 Σεπτέμβριος 2011 Σεπτέμβριος Εικόνα 2.8: Όρια εκπομπών ΝΟ x και PM από κινητήρες diesel ανάλογα με τα εκάστοτε πρότυπα [11Σφάλμα! Το αρχείο προέλευσης της αναφοράς δεν βρέθηκε.]. 14

26 2.3 Οι ιδιότητες των καυσίμων και η επίδρασή τους στην κατανάλωση και την εκπομπή CO 2 Τα τελευταία χρόνια, ανησυχητικά είναι τα δεδομένα που υπάρχουν στα χέρια των επιστημόνων, σύμφωνα με τα οποία τα αποθέματα αργού πετρελαίου και φυσικού αερίου μειώνονται δραματικά. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα να στραφεί σε έρευνες για την εξοικονόμηση καυσίμου και συγχρόνως την μείωση εκπομπών CO 2 με σκοπό την προστασία του περιβάλλοντος. Πολλές έρευνες έχουν αναδείξει την επίδραση των ιδιοτήτων αλλά και της σύστασης του καυσίμου στην εκπομπή CO 2 και στην κατανάλωση. Οι ιδιότητες που θα μελετηθούν σε αυτήν την εργασία είναι (Εικόνα 2.9): Περιεχόμενο σε μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (FAME). Πυκνότητα. Αριθμός κετανίου. Περιεχόμενο σε πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΡΑΗ). FAME Density Diesel PAH Αριθμός κετανίου Εικόνα 2.9: Ιδιότητες που μελετήθηκαν. 15

27 2.3.1 Περιεκτικότητα σε βιοντίζελ Σημαντική είναι η επίδραση της περιεκτικότητας του καυσίμου ντίζελ σε βιοντίζελ. Αυτή εκφράζεται μέσω της περιεκτικότητας σε μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (Fatty Acid Methyl Esters-FAME). Γενικά, με τη χρήση βιοντίζελ θα καταναλωθεί μεγαλύτερη ποσότητα καυσίμου εξαιτίας του μικρότερου ενεργειακού περιεχομένου σε σχέση με το συμβατικό diesel (Πίνακας 2.2) [12]. Σημαντικό ρόλο για το ενεργειακό περιεχόμενο ενός βιοντίζελ παίζει η πρώτη ύλη του, η οποία μπορεί να είναι φυτικής ή ζωικής προέλευσης με αντίστοιχη διαφορά στη θερμογόνο του δύναμη (Πίνακας 2.3) [12]. Πίνακας 2.2: Περιεχόμενο σε άνθρακα βιοντίζελ και συμβατικού diesel [12]. Καύσιμα Περιεχόμενο σε άνθρακα [% w/w] Βιοντίζελ ζωικής προέλευσης 77.8 Βιοντίζελ φυτικής προέλευσης 76.1 Συμβατικό diesel 86.7 Πίνακας 2.3: Θερμογόνος δύναμη από βιοντίζελ διαφορετικής προέλευσης [12]. Είδος βιοντίζελ Κατώτερη θερμογόνος δύναμη [Btu/gal] Βιοντίζελ ζωική προέλευσης Βιοντίζελ από σόγια Βιοντίζελ από ελαιοκράμβη Από τη στιγμή που το βιοντίζελ παράγεται από ζωικά λίπη ή από φυτικά έλαια θεωρείται ένα μέσο για να μειωθούν οι εκπομπές CO 2 από τη χρήση καυσίμων με βάση το πετρέλαιο. Ωστόσο, το αντίκτυπο του βιοντίζελ στις εκπομπές CO 2 δε προέρχεται μόνο από τη χρήση του ως καύσιμο, αλλά και από τις διαδικασίες παραγωγής του, αποθήκευσής του κ.α. Γενικότερα θα πρέπει να συνυπολογιστούν όλες οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα οι οποίες αφορούν το κύκλο ζωής του. Εφόσον, τα δέντρα και τα φυτά είναι οι πηγές για την παραγωγή βιοντίζελ και το διοξείδιο του άνθρακα είναι πολύ σημαντικό για την ανάπτυξή τους, η χρήση του 16

28 βιοντίζελ δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα προσθέτοντας CO 2 αλλά ανακυκλώνει την ήδη υπάρχουσα ποσότητα της ατμόσφαιρας [12]. Μελέτη της US EPA (United States Environmental Protection Agency) καθόρισε την εκπομπή CO 2 από βιοντίζελ με βάση την προέλευσή του (Εικόνα 2.10). Το αποτέλεσμα ήταν ότι το φυτικής προέλευσης βιοντίζελ αναμεμιγμένο με ένα «μέσο» καύσιμο (overall) δεν έχει ουσιαστική επίδραση στις εκπομπές CO 2, τη στιγμή που η ανάμιξη ζωικής προέλευσης βιοντίζελ σε ένα «μέσο» καύσιμο προκαλεί ελαφρά μείωση. Η ανάμιξη βιοντίζελ σε ένα «καθαρό» καύσιμο προκαλεί μια ήπια αύξηση στις εκπομπές CO 2 [12]. Εικόνα 2.10: Ποσοστιαία αλλαγή στις εκπομπές CO 2 διαφόρων μιγμάτων βιοντίζελ [12]. Η ίδια μελέτη με βάση τα προαναφερθέντα στοιχεία κατέληξε και σε ένα γενικό συμπέρασμα σχετικά με τη συσχέτιση της χρήσης βιοντίζελ και της κατανάλωσης (Πίνακας 2.4). Η χρήση μόνο βιοντίζελ προκάλεσε μεγαλύτερη μείωση στην απόσταση ανά γαλόνι καυσίμου [miles/gal] σε σχέση με το μίγμα καυσίμου περιεκτικότητας 20% σε βιοντίζελ. Και τα 2 μίγματα καυσίμων πάντως απαιτούν μεγαλύτερη κατανάλωση σε σχέση με το συμβατικό diesel [12]. 17

29 Πίνακας 2.4: Κατανάλωση καυσίμου σε μίγματα καυσίμων [12]. Μίγμα % Μείωση απόστασης σε [miles/gal] 20% βιοντίζελ % βιοντίζελ Πυκνότητα καυσίμου Η πυκνότητα του καυσίμου σχετίζεται άμεσα με το ενεργειακό του περιεχόμενο και την περιεκτικότητά του σε άνθρακα. Όσο πιο υψηλή πυκνότητα έχει ένα καύσιμο τόσο μεγαλύτερο το ενεργειακό του περιεχόμενο ανά μονάδα όγκου και τόσο μεγαλύτερο το ποσοστό σε άνθρακα. Αυτό μπορεί άμεσα να επηρεάσει την κατανάλωση του καυσίμου και τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα καθώς για την ίδια ποσότητα παραγόμενης ενέργειας θα απαιτηθεί μικρότερη ποσότητα καυσίμου. Αυτό κατά συνέπεια θα επιδράσει και στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα που θα είναι σαφώς μικρότερες. Η μελέτη της ΕPEFE (European Programs on Emission, Fuels and Engine Technologies) για τις επιδράσεις των ιδιοτήτων του diesel στις εκπομπές και στην κατανάλωση καυσίμου έδειξε μεταξύ άλλων [13]: Για τα ελαφρά φορτίου οχήματα, η μείωση στο διοξείδιο του άνθρακα κυμάνθηκε στο 0.9%. Για τα βαρέα οχήματα, η μείωση της πυκνότητας επέφερε μια ισχνή αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα κατά 0.07%. Επιπλέον, μια μελέτη της αυστραλιανής κυβέρνησης έδειξε κάποια ενδιαφέροντα αποτελέσματα συσχετίζοντας την πυκνότητα του καυσίμου με τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (Εικόνα 2.11, Εικόνα 2.12) [14]. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χρήση diesel χαμηλότερης πυκνότητας είχε ως αποτέλεσμα μείωση στις εκπομπές CO 2 κατά 2-3% και αντίστοιχη μείωση στην κατανάλωση καυσίμου. 18

30 Εικόνα 2.11: Εκπομπές CO 2 καυσίμου diesel χαμηλής πυκνότητας [14]. Εικόνα 2.12: Εκπομπές CO 2 καυσίμου diesel συμβατικής πυκνότητας [14]. 19

31 2.3.3 Αριθμός κετανίου Για την έναρξη της καύσης σε έναν κινητήρα απαιτείται η παρουσία ενός ελαχίστου αριθμού ενεργών κέντρων, δηλαδή χημικά ακόρεστων τμημάτων μορίων (ελεύθερα άτομα ή ριζών) [15]. Στη περίπτωση του diesel, τα ενεργά κέντρα εμφανίζονται ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον θάλαμο καύσης και ανάλογα με τις ιδιότητες του καυσίμου. Η ευκολία με την οποία ένα καύσιμο δημιουργεί ενεργά κέντρα εκφράζεται με το βαθμό αυταναφλεξιμότητας. Ο βαθμός αυταναφλεξιμότητας ποσοτικοποιείται με μια αυθαίρετη κλίμακα, την κλίμακα αριθμού κετανίου. Το 0 της κλίμακας αντιστοιχήθηκε στο βαθμό αυταναφλεξιμότητας του α-μεθυλ-ναφθαλενίου ενώ το 100 σ αυτόν του κανονικού δεκαεξανίου ή αλλιώς κετανίου [15]. Ο αριθμός κετανίου ενός καυσίμου ορίζεται ως η επί της εκατό περιεκτικότητα μίγματος κανονικού κετανίου και α-μεθυλ-ναφθαλενίου σε κετάνιο, όταν το μίγμα έχει τον ίδιο βαθμό αυταναφλεξιμότητας με το υπό εξέταση καύσιμο [15]. Ο αριθμός κετανίου του καυσίμου λοιπόν, επηρεάζει άμεσα την κατανάλωση του και τις εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα. Αυξάνοντας τον αριθμό κετανίου αυξάνεται η ειδική κατανάλωση του καυσίμου (BSFC- Brake Specific Fuel Consumption) (Εικόνα 2.13) [16]. Μέσω της αύξησης του αριθμού κετανίου βελτιώνεται η καύση και αυξάνεται η θερμοκρασία του θαλάμου καύσης. Το γεγονός αυτό προκαλεί μικρότερο χρόνο έναυσης και καλύτερη ανάφλεξη. Η μείωση στο φορτίο (bmep) προκαλεί επίσης μείωση και στις θερμοκρασίες του θαλάμου καύσης και αυξάνει το χρονισμό έναυσης με αποτέλεσμα χειρότερη ποιότητα καύσης και μεγαλύτερη ειδική κατανάλωση [16]. Στο συμπέρασμα αυτό έχουν καταλήξει κι άλλες έρευνες. Σύμφωνα με τις έρευνες αυτές υπάρχει μια ελαφρά μείωση στην ειδική κατανάλωση με αύξηση του αριθμού κετανίου, κατά τη διάρκεια λειτουργίας κινητήρα diesel (Εικόνα 2.14). 20

32 Εικόνα 2.13: Επίδραση του αριθμού κετανίου στην BSFC [16]. Εικόνα 2.14: Επίδραση του αριθμού κετανίου στην κατανάλωση καυσίμου κατά τη λειτουργία κινητήρα [17]. Σε έρευνα για την επίδραση του αριθμού κετανίου με 4 διαφορετικά καύσιμα diesel, κατά τη λειτουργία σε πλήρες φορτίο, η σχέση ανάμεσα στην ειδική κατανάλωση και τον αριθμό κετανίου ήταν όμοια με τα παραπάνω αποτελέσματα (Εικόνα 2.15) [17],[18]. 21

33 Εικόνα 2.15: επίδραση του αριθμού κετανίου στην ειδική κατανάλωση καυσίμου συναρτήσει της ταχύτητας του κινητήρα [18]. Όσον αφορά την συσχέτιση μεταξύ αριθμού κετανίου και εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα είναι ανάλογη με αυτήν της κατανάλωσης καυσίμου. Δηλαδή, αύξηση του αριθμού κετανίου προκαλεί μια αντίστοιχη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα της τάξης του 1.5% (Εικόνα 2.16) [14]. Εικόνα 2.16: επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές CO 2 [14]. Ωστόσο, σε διαφορετικά αποτελέσματα έχουν καταλήξει άλλες έρευνες [17]. Σύμφωνα με αυτές, οι συγκεντρώσεις CO 2 αυξάνουν με την αύξηση του αριθμού 22

34 κετανίου καθώς επίσης μειώνονται οι συγκεντρώσεις CO και HC, τα οποία οξειδώνονται με αποτέλεσμα μια τέλεια καύση (Εικόνα 2.17) [17]. Εικόνα 2.17: Επίδραση του αριθμού κετανίου στις εκπομπές CO 2 [17] Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAH-Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες είναι υδρογονάνθρακες που αποτελούνται από τουλάχιστον 2 αρωματικούς κύκλους. Τυπικά παραδείγματα ΠΑΥ (Πολυκυκλικών Αρωματικών Υδρογονανθράκων) είναι το ανθρακένιο, το βενζοπυρένιο, το χρυσένιο κ.α. [21],[22]. Οι ΠΑΥ έχουν κατηγορηθεί για πρόκληση καρκίνου στον άνθρωπο και είναι πολύ τοξικοί για τα ζώα [21], [22]. Πολλές μελέτες στο παρελθόν έχουν αποτύχει να αποσυνδέσουν τις αλλαγές στο ποσοστό ΠΑΥ από τις μεταβολές στην πυκνότητα, στον αριθμό κετανίου κλπ. Έχουν αναφερθεί μειώσεις σε ρύπους (HC, PM) μέσω μείωσης στο ποσοστό ΠΑΥ, οι οποίες είχαν προκληθεί από αλλαγές σε άλλες ιδιότητες του καυσίμου [19]. Πιο πρόσφατες μελέτες έχουν καταφέρει να σπάσουν τις αλληλοεπιδράσεις μεταξύ των ΠΑΥ και των άλλων ιδιοτήτων του diesel [19]. Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες έχουν υψηλή αναλογία Η/C. Ο μεγάλος αυτός λόγος οδηγεί σε μεγαλύτερες ποσότητες CO 2 σχετικά με το H 2 O. Από 23

35 τη στιγμή που το διοξείδιο του άνθρακα έχει μεγαλύτερη τάση να διασπάται σε υψηλές θερμοκρασίες, οι ΠΑΥ θα προκαλέσουν και μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σε ρίζες οξυγόνου [19]. Η επίδραση του περιεχομένου σε πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες στην κατανάλωση καυσίμου είναι πολύ ισχνή - σχεδόν αμελητέα [23]. Σε πειράματα που διεξήχθησαν [23] φάνηκε ότι η κατανάλωση καυσίμου, η οποία συνδέεται άμεσα με την κατανάλωση ενέργειας (BSEC), είναι ανεξάρτητη του ποσοστού σε ΠΑΥ για διαφορετικές συνθήκες πειράματος, όπως η πίεση έγχυσης (Εικόνα 2.18). Εικόνα 2.18: Επίδραση του ποσοστού σε PAHs στην κατανάλωση καυσίμου [23]. 24

36 2.4 Κύκλοι οδήγησης Ο κύκλος οδήγησης είναι μια τυποποιημένη διαδικασία για την μέτρηση και τον υπολογισμό των εκπομπών ρύπων και της κατανάλωσης καυσίμου στα οχήματα. Είναι ουσιαστικά ένα καθορισμένο πρόγραμμα λειτουργιών του οχήματος μέσω του οποίου η πειραματική δοκιμή πραγματοποιείται κάτω από επαναλαμβανόμενες συνθήκες, ούτως ώστε τα αποτελέσματα διαφορετικών οχημάτων να είναι συγκρίσιμα. Ο κύκλος οδήγησης είναι μια συνάρτηση της ταχύτητας του οχήματος με τον χρόνο λειτουργίας. Σε γενικές γραμμές, δύο είναι τα κύρια είδη κύκλων οδήγησης: κύκλοι «σταθερής κατάστασης» και «μεταβατικοί» κύκλοι [24]. Οι κύκλοι οδήγησης δημιουργούνται από διαφορετικά κράτη, οργανισμούς, ινστιτούτα κλπ για την αξιολόγηση της απόδοσης των διαφορετικών τύπων οχημάτων με βάση διαφορετικά κριτήρια. Μερικοί από τους πλέον διαδεδομένους είναι ο ευρωπαϊκός (New European Driving Cycle-ΝEDC), ο παγκόσμιος (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures-WLTP) και ο αμερικάνικος (Federal Test Procedure-FTP). Στη παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε ο NEDC Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης (New European Driving Cycle- NEDC) Ο συγκεκριμένος κύκλος δημιουργήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση για την μέτρηση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών ρύπων σε επιβατικά οχήματα. Αποτελείται από 4 επαναλαμβανόμενα τμήματα που αντιπροσωπεύουν την αστική χρήση του οχήματος (Urban Driving Cycle-UDC) και ένα τμήμα που αντιπροσωπεύει ένα πιο επιθετικό και πιο ταχύ προφίλ οδήγησης (Extra Urban Driving Cycle-ΕUDC) [25]. Στην Εικόνα 2.19 φαίνονται οι τιμές κάποιων χαρακτηριστικών μεγεθών του κύκλου ενώ στην Εικόνα 2.20 το προφίλ ταχύτητάς του οχήματος και η αντίστοιχη σχέση 25

37 μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων για οχήματα με χειροκίνητο κιβώτιο αλλαγών σχέσεων μετάδοσης. Εικόνα 2.19: Χαρακτηριστικά μεγέθη στον κύκλο NEDC [25]. Εικόνα 2.20: Προφίλ ταχύτητας οχήματος και αντίστοιχη σχέση μετάδοσης στον NEDC [24]. 26

38 2.5 Δοκιμή Coast down Η δοκιμή coast down είναι ένα από τα πιο συχνά τεστ για τα μηχανοκίνητα οχήματα κατά το οποίο το όχημα από μια ορισμένη ταχύτητα αφήνεται ελεύθερο να επιβραδύνει, με νεκρά σχέση (neutral gear) στο κιβώτιο ταχυτήτων, μέχρις ότου να σταματήσει. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής καταγράφεται συνεχώς η ταχύτητά του συναρτήσει του χρόνου. Όταν ένα όχημα τοποθετείται πάνω σε μια δυναμομετρική πέδη (chassis dynamometer) διεξάγεται η δοκιμή coast down. Κύριος στόχος της δοκιμής αυτής είναι να αξιολογήσει τις τιμές των δυνάμεων αντίστασης που επιδρούν στο όχημα σε συγκεκριμένες ταχύτητες και συνθήκες δρόμου, έτσι ώστε να υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της κατανάλωση καυσίμου [26]. Οι προδιαγραφές για την εκτέλεση της δοκιμής αυτής είναι τυποποιημένες από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Συγκεκριμένα, μέσω της δοκιμής coast down (Εικόνα 2.21): Καθορίζονται οι αντιστάσεις από το δρόμο (αντιστάσεις τριβής). Προσδιορίζονται οι αεροδυναμικές αντιστάσεις. Εικόνα 2.21: Δυνάμεις που επιδρούν στο όχημα [26]. Όλες οι παραπάνω αντιστάσεις συμπεριλαμβάνονται σε μια εξίσωση η οποία έχει την παρακάτω μορφή: 27

39 Φορτίο [N] F = F 0 + F 1 V + F 2 V 2 (2-1) Όπου, F= η συνολική δύναμη αντίστασης V= η ταχύτητα του οχήματος F 0, F 1 και F 2 = οι συντελεστές αντίστασης Έχοντας λοιπόν ζεύγη τιμών μεταξύ της ταχύτητας του οχήματος και του φορτίου (Εικόνα 2.22) που ασκείται με βάση πειραματικές δοκιμές, είναι δυνατόν να βρεθούν οι τρεις συντελεστές αντίστασης, έτσι ώστε να προσδιορισθεί η εξίσωσηf = F 0 + F 1 V + F 2 V 2 (2-1. R² = Ταχύτητα οχήματος [km/h] Εικόνα 2.22: Διάγραμμα συσχέτισης φορτίου ταχύτητας κατά την δοκιμή coast down. 28

40 3. Tα πειράματα και το λογισμικό προσομοίωσης 3.1 Διεξαγωγή των πειραμάτων Τα πειράματα των οποίων τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του μοντέλου προσομοίωσης, διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (ΕΕΘ-LAT) του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ. Ανήκουν σε ένα γενικότερο project που γίνεται σε συνεργασία με την CONCAWE (European Oil Company Association for Environment, Health and Safety) για την μελέτη των επιδράσεων των ιδιοτήτων καυσίμου diesel σε επιβατικά οχήματα. Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, το όχημα στο οποίο έγιναν οι μετρήσεις, τα διαφορετικά καύσιμα που μελετήθηκαν καθώς και οι μετρήσεις απ τις οποίες εξήχθησαν τα αποτελέσματα Πειραματική διάταξη και όχημα Η πειραματική εγκατάσταση που διεξήχθησαν οι μετρήσεις φαίνεται σχηματικά στην Εικόνα 3.1. Το όχημα δοκιμών τοποθετείται πάνω στο δυναμόμετρο δοκιμών και ασφαλίζεται με ιμάντες έτσι ώστε να μην αποκλίνει από τη θέση του και δημιουργήσει επικίνδυνες για την ασφάλεια καταστάσεις. Οι κινητήριοι τροχοί του εφάπτονται με τα κυλινδρικά τύμπανα της πέδης (rollers), η οποία ασκεί το κατάλληλο φορτίο στο όχημα (Εικόνα 3.2). Το δυναμόμετρο είναι τύπου Ward- Leonard με μέγιστη αντοχή σε όχημα 3.5 τόνων και δυνατότητα εκτέλεσης τόσο νομοθετημένων κύκλων όσο και κύκλων πραγματικού τύπου (πχ Artemis). Μπροστά από το όχημα βρίσκεται τοποθετημένος ανεμιστήρας ο οποίος ψύχει και τροφοδοτεί με αέρα τον κινητήρα του οχήματος για την ομαλή λειτουργία του. Επίσης, η τροφοδοσία του καυσίμου γίνεται εξωτερικά μέσω δεξαμενής που συνδέεται με το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου του οχήματος (Εικόνα 3.3). Τέλος, πλάι στο παράθυρου του οδηγού βρίσκεται τοποθετημένος υπολογιστής ο οποίος πληροφορεί τον οδηγό για την ταχύτητα και την σχέση μετάδοσης που πρέπει να έχει το αυτοκινήτου κάθε χρονική στιγμή (Εικόνα 3.4). 29

41 Εικόνα 3.1: Πειραματική διάταξη των μετρήσεων. Εικόνα 3.2: Τροχός αυτοκινήτου πάνω στη πέδη. 30

42 Εικόνα 3.3: Ανεμιστήρας και δεξαμενή καυσίμου. Εικόνα 3.4: Συνοπτική άποψη του αυτοκινήτου πάνω στην πέδη με τους ιμάντες και τον ανεμιστήρα. 31

43 Στην εξάτμιση του οχήματος είναι συνδεδεμένος αγωγός (Εικόνα 3.5) ο οποίος οδηγεί τα καυσαέρια στο κανάλι αραίωσης σταθερού όγκου δειγματοληψίας (Constant Volume Sampling-CVS) (Εικόνα 3.6). Εκεί τα καυσαέρια αναμιγνύονται και αραιώνονται με φιλτραρισμένο αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στη συνέχεια οδηγούνται στους σάκους συλλογής. Οι σάκοι συλλογής είναι συνδεδεμένοι με τους αναλυτές καυσαερίων και λαμβάνονται οι αθροιστικές (συνολικές) μετρήσεις του καυσαερίου. Εικόνα 3.5: Αγωγός σύνδεσης εξάτμισης με κανάλι αραίωσης καυσαερίου. Εικόνα 3.6: Κανάλι αραίωσης σταθερού όγκου. 32

44 Το επιβατικό όχημα που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις ήταν ένα Peugeot 308 diesel. Στο πίνακα που ακολουθεί (Πίνακας 3.1) καταγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του. Πρόκειται για ένα πετρελαιοκίνητο κινητήρα κυβισμού 1560 cm 3, εξοπλισμένο με στοβιλοσυμπιεστή (turbocharger), ενδιάμεση ψύξη (intercooler) και σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίου (Exhaust Gas Recirculation-EGR). Στην Εικόνα 3.7 απεικονίζεται ο κινητήρας του οχήματος. Πίνακας 3.1: Βασικά χαρακτηριστικά οχήματος. Κινητήρας Diesel, 4-κύλινδρος, υπερπληρούμενος Βάρος Όγκος εμβολισμού κινητήρα Ιπποδύναμη Ισχύς Ροπή Κιβώτιο ταχυτήτων Σύστημα έγχυσης καυσίμου κινητήρας 1560 kg 1560 cc 112 hp rpm rpm Χειροκίνητο, 6-τάχυτητο Κοινού αυλού (common rail) Προδιαγραφές εκπομπών EURO 6 Εικόνα 3.7: Γενική εικόνα του κινητήρα 33

45 3.1.2 Τα καύσιμα Χρησιμοποιήθηκαν 14 καύσιμα (D1-D14) κατά τις μετρήσεις, εκ των οποίων 1 ήταν το καύσιμο αναφοράς (D14) και μετρήθηκε 3 φορές ανά σετ επαναλήψεων. Η έρευνα επικεντρώθηκε μέσω της πειραματικής διαδικασίας στις 4 διαφορετικές ιδιότητες που έχουν αναφερθεί στην ενότητα 2.3. Το καύσιμο αναφοράς πληροί τις προϋποθέσεις του πρότυπου EN 590 της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Τυποποίησης. Επίσης τα D7, D10, D12 ικανοποιούν το συγκεκριμένο πρότυπο. Τα υπόλοιπα εξαιτίας του ορίου πυκνότητας ή του ορίου περιεκτικότητας σε FAME ή του αριθμού κετανίου δεν πληρούν τις προϋποθέσεις. Στον πίνακα Πίνακας 3.2 φαίνονται οι τιμές του κάθε καυσίμου στις συγκεκριμένες ιδιότητες, το ποσοστό σε άνθρακα και η κατώτερη θερμογόνος δύναμη (Net Calorific Value) Οι μετρήσεις Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα πειράματα είναι 2 ειδών: Οι συνολικές (αθροιστικές) μετρήσεις οι οποίες προήλθαν από την ανάλυση των σάκων συλλογής καυσαερίων. Η ολοκλήρωση των στιγμιαίων μετρήσεων που προήλθαν από τους αναλυτές καυσαερίων. Τα 2 αυτά είδη αποτελεσμάτων συγκρίθηκαν μεταξύ τους και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε επόμενο κεφάλαιο. Κατά τη διαδικασία των μετρήσεων παρατηρήθηκε μια ασταθής και μη επαναλήψιμη ηλεκτρική συμπεριφορά του οχήματος. Συγκεκριμένα, το second by second σήμα του δυναμό που προέκυψε κατά τη πειραματική μέτρηση δεν είχε την αναμενόμενη πορεία κατά τη χρονική εξέλιξη του κύκλου οδήγησης και ήταν διαφορετικό ανά μέτρηση κατά τη διάρκεια του πρώτου σετ επαναλήψεων των πειραμάτων. Επιπλέον, το σύστημα Start-Stop σε συγκεκριμένες μετρήσεις (1 η επανάληψη: D4, D7, D9, D10, D11, D13-2 η επανάληψη: D4) δεν λειτούργησε καθόλου. Αυτό είχε ως συνέπεια οι 34

46 μετρήσεις που προέκυψαν να περιλαμβάνουν μια έξτρα κατανάλωση καυσίμου η οποία προέρχεται από αυτή τη συμπεριφορά. Έτσι, ο συσχετισμός μεταξύ κατανάλωσης και χρήσης διαφορετικού καυσίμου θα ήταν βασισμένος σε μη επαναλήψιμες μεταξύ τους μετρήσεις. Για το λόγο αυτό θα γίνει μια προσπάθεια ομογενοποίησης των αποτελεσμάτων με μοντελοποίηση. Πίνακας 3.2: Ιδιότητες των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν. Fuel Cetane Number 15 C Polycyclic Aromatics FAME Carbon Net Calorific Value [-] [kg/l] [% m/m] [% v/v] [% m/m] [MJ/kg] D < D D < D D < D D < D D < D < D D < D D14- REF

47 3.2 Το λογισμικό προσομοίωσης AVL Cruise Γενικές πληροφορίες Το AVL Cruise είναι ένα εργαλείο προσομοίωσης της AVL το οποίο καλύπτει ένα ευρύ φάσμα οχημάτων και διαφορετικών τεχνολογιών από τη φάση σχεδιασμού μέχρι την εφαρμογή τους. Χρησιμοποιείται συνήθως σε συστήματα μετάδοσης κίνησης και ανάπτυξης του κινητήρα για τη βελτιστοποίηση του συστήματος των οχημάτων, συμπεριλαμβανομένων επιβατικών αυτοκινήτων, λεωφορείων, φορτηγών, μοτοσυκλετών, οχημάτων off-road (Εικόνα 3.8- Εικόνα 3.12) σε σχέση με: Την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές για κάθε κύκλο ή προφίλ οδήγησης. Την επίδοση του αυτοκινήτου σε επιτάχυνση, ανάβαση λόφου, στην πέδηση κ.α. Μπορεί εκτός από συμβατικά επιβατικά οχήματα να εφαρμοσθεί και σε υβριδικά οχήματα (ΗEV- Hybrid Electric Vehicle) [27]. Εικόνα 3.8: Μοντέλο μοτοσυκλέτας στο Cruise. 36

48 Εικόνα 3.9: Μοντέλο συμβατικού επιβατικού αυτοκινήτου στο Cruise. Εικόνα 3.10: Μοντέλο υβριδικού επιβατικού αυτοκινήτου στο Cruise. 37

49 Εικόνα 3.11: Μοντέλο φορτηγού αυτοκινήτου στο Cruise. Εικόνα 3.12: Μοντέλο off-road οχήματος στο Cruise. 38

50 3.2.2 Εφαρμογές του λογισμικού Μερικές από τις πιο συνηθισμένες εφαρμογές του Cruise είναι οι ακόλουθες [27]: Αξιολόγηση των νέων αρχών σχεδιασμού οχημάτων (όπως τα υβριδικά συστήματα μετάδοσης κίνησης). Ανάλυση των συμβατικών και των καινούργιων διατάξεων στο κιβώτιο ταχυτήτων όπως το DCT (Dual Clutch Transmission) και το AMT (Automated Manual Transmission). Ανάλυση της κατανάλωσης καυσίμου. Ανάλυση της ποιότητας οδήγησης σε σταθερές και μεταβατικές καταστάσεις. Διαχείριση θερμικών φορτίων του οχήματος. Ανάλυση ροών ενέργειας μεταξύ των μηχανικών ή ηλεκτρικών τμημάτων και απώλειες εντός των συνεργαζόμενων στοιχείων. Για το σκοπό της παρούσας διπλωματικής το Cruise χρησιμοποιήθηκε για να καθορισθεί η κατανάλωση καυσίμου και οι εκπομπές σε CO 2 έχοντας ως βασική παράμετρο μοντελοποίησης καύσιμα diesel διαφορετικών ιδιοτήτων Διαδικασία προσομοίωσης Η διαδικασία που ακολουθείται στο Cruise μπορεί να χωριστεί σε βήματα. Καταρχήν, «στήνεται» το μοντέλο του οχήματος με τα κατάλληλα στοιχεία (components) που αντιστοιχούν στο όχημα που θα προσομοιωθεί. Τα στοιχεία αυτά λαμβάνονται από τις βιβλιοθήκες του Cruise (Εικόνα 3.13) και αντιπροσωπεύουν κάθε μηχανικό, ηλεκτρικό ή ηλεκτρονικό μέρος του οχήματος. Τα διαθέσιμα στοιχεία (components) του Cruise καλύπτουν όλο το φάσμα των τμημάτων του οχήματος, όπως [27]: Οχήματα ρυμουλκούμενα και μη. Μηχανές εσωτερικής καύσης και συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίου. Συμπλέκτες (τριβής, αυτόματος, υδραυλικός μετατροπέας ροπής). 39

51 Στοιχεία μετάδοσης κίνησης (κιβώτιο ταχυτήτων πολλαπλού βήματος, διαφορικό, σύστημα συνεχώς μεταβαλλόμενης μετάδοσης κίνησης CVT κ.α.) Στοιχεία ελέγχου (έλεγχος μετάδοσης ισχύος, σύστημα ελέγχου ολίσθησης- ASC, σύστημα start-stop, απενεργοποίηση κινητήρα, έλεγχος φρένων κ.α.). Άξονες (άκαμπτοι ή ελαστικοί ως προς στρέψη). Τροχοί και ελαστικά. Ηλεκτρικά στοιχεία (ηλεκτροκινητήρας, μπαταρία, δυναμό). Υβριδικά στοιχεία (μετατροπέας DC/DC, υπερπυκνωτής κ.α.). Φρένα και στοιχεία επιβράδυνσης. Βοηθητικά στοιχεία όπως αντλία λαδιού, κλιματισμός, υδραυλικό τιμόνι). Παράγοντες του περιβάλλοντος (αέρας, αντιστάσεις δρόμου κ.α.). Οδηγός. Εικόνα 3.13: Τα διάφορα στοιχεία που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη του μοντέλου. Αφού επιλεχθούν τα κατάλληλα στοιχεία θα πρέπει στη συνέχεια αυτά να συνδεθούν μεταξύ τους. Η πραγματική συνεργασία μεταξύ των τμημάτων του αυτοκινήτου θα πρέπει να αποτυπωθεί αντίστοιχα και στο μοντέλο προσομοίωσης. Έτσι λοιπόν έχουμε 2 βασικές κατηγορίες σύνδεσης (Εικόνα 3.14) [27]: 40

52 Εικόνα 3.14: Τα είδη των συνδέσεων με τα αντίστοιχα σύμβολα τους. Ενεργειακές συνδέσεις: όπως δηλώνει και το όνομά τους οι συνδέσεις αυτές μεταφέρουν ενέργεια ανάμεσα στα διάφορα μέρη του οχήματος και χωρίζονται σε: Μηχανική σύνδεση (πχ μεταξύ κιβώτιου ταχυτήτων και διαφορικού). Ηλεκτρική σύνδεση (πχ μεταξύ μπαταρίας και δυναμό). Σύνδεση καυσαερίων (πχ μεταξύ κινητήρα και σύστημα εξάτμισης). Συνδέσεις πληροφορίας (Data Bus connections): οι συνδέσεις αυτές αφορούν τις ανταλλαγές των απαραίτητων πληροφοριών μεταξύ των συνεργαζόμενων μερών του οχήματος, δηλαδή προσδιορίζουν την πηγή απ όπου θα εισαχθούν δεδομένα εισόδου σε ένα εξάρτημα και αντίστοιχα δεδομένα εξόδου (inputs, outputs) του. Για παράδειγμα η εντολή για το φρενάρισμα θα μεταδοθεί από την καμπίνα του αυτοκινήτου στα φρένα μέσω μιας τέτοιας σύνδεσης. Όλες οι συνδέσεις πληροφορίας ελέγχονται από το αντίστοιχο κέντρο ελέγχου όπως δείχνει η Εικόνα Κατά τη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν όλες οι παραπάνω συνδέσεις εκτός από την σύνδεση καυσαερίων καθώς η μετεπεξεργασία καυσαερίου δεν ήταν ανάμεσα στους στόχους της. 41

53 Εικόνα 3.15: Κέντρο ελέγχου συνδέσεων πληροφορίας (Data bus connection center). Το επόμενο βήμα αφορά την συμπλήρωση των σωστών μεγεθών που αφορούν κάθε παράμετρο των στοιχείων (component) του μοντέλου. Επίσης θα πρέπει να εισαχθούν πληροφορίες για τις παραμέτρους υπολογισμού. Αυτό γίνεται μέσω της καρτέλας project data του Cruise (Εικόνα 3.16). Η καρτέλα αυτή χωρίζεται σε 2 υποφακέλους, τους settings και task folder, μέσα από τους οποίους εκτελούνται συγκεκριμένες λειτουργίες. Συγκεκριμένα, στο φάκελο settings περιλαμβάνονται κάποιες γενικότερες παράμετροι του μοντέλου, όπως για παράδειγμα παράμετροι σχετικά με τα δεδομένα εξόδου ή την μέθοδο παρεμβολής και προσέγγισης δεδομένων εισόδου. Στο φάκελο task manager καθορίζεται το είδος προσομοίωσης ανάλογα την εφαρμογή του μοντέλου. Έτσι υπάρχουν διαφορετικές υποκαρτέλες που καθορίζουν τις εκάστοτε παραμέτρους [27]: Προσομοίωση κύκλου οδήγησης: ο κύριος στόχος του είναι ο υπολογισμός της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών εφαρμόζοντας κύκλους οδήγησης. Επίδοση ανάβασης: μέσω αυτής υπολογίζεται η μέγιστη κλίση του δρόμου την οποία το όχημα μπορεί να υπερνικήσει. Σταθερή οδήγηση: υπολογίζει την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές σε συνθήκες σταθερούς οδήγησης. 42

54 Πλήρες και μερικό φορτίο: χωρίζεται σε 3 κατηγορίες Μέγιστη επιτάχυνση σε όλες τις σχέσεις μετάδοσης: Οι μέγιστες επιταχύνσεις του οχήματος υπολογίζονται σε όλο το φάσμα των στροφών του κινητήρα σε όλες τις σχέσεις μετάδοσης. Επιτάχυνση από ακινησία: Το όχημα επιταχύνεται από την ακινησία μέχρι την μέγιστη ταχύτητα αλλάζοντας σχέσεις μετάδοσης. Ελαστικότητα: ξεκινώντας από καθορισμένη ταχύτητα και σχέση μετάδοσης, το όχημα επιταχύνει μέχρι μια καθορισμένη ταχύτητα. Μέγιστη δύναμη έλξης: Μέσω αυτού υπολογίζεται η μέγιστη τιμή της δύναμης έλξης ή τα διαγράμματα επίδοσης. Πλοήγηση: υπολογίζεται η κατανάλωση καυσίμου και οι εκπομπές ρύπων με βάση μια συγκεκριμένη απόσταση, πχ η διαδρομή ανάμεσα σε δύο πόλεις. Πέδηση: Χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της συμπεριφοράς πέδησης του οχήματος. Εικόνα 3.16: Καρτέλα παραμέτρων υπολογισμού και ρυθμίσεων του Cruise. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκε η προσομοίωση κύκλου οδήγησης NEDC για την εύρεση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. 43

55 Αφού λοιπόν επιλεγούν με προσοχή οι σωστές παράμετροι λειτουργίας και εισαχθούν τα κατάλληλα δεδομένα εισόδου ακολουθεί η προσομοίωση του μοντέλου. Τα αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν και να επεξεργαστούν άμεσα από το GUI (Graphical User Interface) του Cruise χωρίς να χρειάζονται πρόσθετοι μετεπεξεργαστές [27]. 44

56 4. Διαδικασία προσομοίωσης 4.1 Ανάπτυξη του μοντέλου Το πλήρες μοντέλο Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Εικόνα 4.1). Αντιστοιχεί στο Peugeot 308 στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι πειραματικές μετρήσεις. Εικόνα 4.1: Το μοντέλο προσομοίωσης του Peugeot 308 στο Cruise. Περιλαμβάνει τα κατάλληλα μηχανικά, ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά μέρη με σκοπό την πιστή αποτύπωση του πραγματικού αυτοκινήτου στο μοντέλο. Συγκεκριμένα τα μηχανικά στοιχεία που περιλαμβάνονται είναι: 45

57 Όχημα. 4-κύλιδρη μηχανή εσωτερικής καύσης. Χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων. Διαφορικό. Final drive. Τροχοί. Φρένα. Τροχαλία δυναμό. Μηχανικός καταναλωτής. Τα ηλεκτρικά στοιχεία είναι: Δυναμό. Μπαταρία τύπου BERS. Ηλεκτρικός καταναλωτής. Αντίσταση εκκίνησης. Τα ηλεκτρονικά στοιχεία είναι: Σύστημα Start-Stop. Αντιολισθητικό σύστημα ΑSC. Θα πρέπει να σημειωθεί πως οι επιπλέον καταναλώσεις που διαπιστώθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων εισήχθησαν στο στοιχείο του μηχανικού καταναλωτή. Οι παράμετροι λειτουργίας του κάθε στοιχείου παρουσιάζονται στους πίνακες Πίνακας 0.1 έως Πίνακας 0.12 του Παραρτήματος Ι Το εξιδανικευμένο μοντέλο Κατά την ανάπτυξη του εξιδανικευμένου μοντέλου δεν χρησιμοποιήθηκε το στοιχείο μηχανικός καταναλωτής δηλαδή δεν εισήχθησαν οι επιπλέον ηλεκτρικές καταναλώσεις. Αυτό έγινα για να διαπιστωθεί πόσο επιδρούν οι επιπρόσθετες ηλεκτρικές καταναλώσεις στην κατανάλωση καυσίμου. Τα εν λόγω αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5. 46

58 Ταχύτητα κινητήρα [RPM] 4.2 Εισαγωγή ρυθμίσεων και παραμέτρων υπολογισμού Στη συνέχεια εισήχθησαν οι παράμετροι υπολογισμού και οι ρυθμίσεις του μοντέλου. Ενδεικτικά να αναφερθεί ότι το είδος της προσομοίωσης είναι προσομοίωση κύκλου οδήγησης και συγκεκριμένα ΝEDC cold start. Oι διάφορες παράμετροι εισήχθησαν μέσω της καρτέλας Cycle run και των υποκαρτελών της Profile και Driver του περιβάλλοντος, λεπτομέρειες των οποίων παρουσιάζονται στους πίνακες του παραρτήματος Ι. Οι υποκαρτέλες αυτές περιέχουν πληροφορίες σχετικά με το είδος βαθμονόμησης του μοντέλου, τη συμπεριφορά του οδηγού (πχ χρόνος αντίδρασης πέδησης, χρόνος αλλαγής σχέσεων μετάδοσης), το προφίλ οδήγησης κ.α.. Η μέθοδος προσομοίωσης ήταν η FSS Βogacki/Shapine. Όλες οι παράμετροι καταχωρούνται στους πίνακες Πίνακας 0.1,Πίνακα 0.2 του παραρτήματος Ι. Το προφίλ οδήγησης που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις του μοντέλου ταυτιζόταν με αυτό των πειραματικών μετρήσεων, οι αλλαγές όμως στο κιβώτιο ταχυτήτων δεν ήταν ίδιες. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα μια απόκλιση στην ταχύτητα του κινητήρα που προέκυπτε από την προσομοίωση σε σχέση με την αντίστοιχη της μέτρησης (Εικόνα 4.2). Το γεγονός αυτό όμως επηρεάζει την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων στην κατανάλωση καυσίμου και την εκπομπή CO 2, καθώς τα δυο αυτά μεγέθη συσχετίζονται άμεσα με την ταχύτητα του κινητήρα Χρόνος [s] measurement Simulation Εικόνα 4.2: Απόκλιση στροφών κινητήρα μοντέλου και πειράματος πριν την διόρθωση. 47

59 Για πιο πιστή αποτύπωση της πειραματικής μέτρησης στο μοντέλο ακολουθήθηκε διαδικασία εύρεσης του σωστού χρονισμού αλλαγής της σχέσης μετάδοσης. Αυτή μπορεί να περιγραφθεί στα παρακάτω βήματα: Αρχικά υπολογίζεται ο λόγος στροφών κινητήρα προς την ταχύτητα αυτοκινήτου για όλες τις σχέσεις μετάδοσης σύμφωνα με το παρακάτω τύπο: R i = 60 GR i 2 π r w 3.6 (4-1) Όπου: R i = Στροφές κινήτηρα [rpm] Ταχύτητα οχήματος [ km h ] GR i = λόγος σχέσεως κιβωτίου * λόγος σχέσεως διαφορικού r w = ενεργός ακτίνα τροχού [m] Στον επόμενο πίνακα (Πίνακας 4.1) παρουσιάζονται αναλυτικά τα στοιχεία για κάθε σχέση μετάδοσης. Πίνακας 4.1: Στοιχεία υπολογισμού για κάθε σχέση μετάδοσης. Σχέση Λόγος σχέσης Λόγος σχέσης μετάδοσης μετάδοσης διαφορικού 1 η 3.71 GR i 2 η η η η η R i Στη συνέχεια υπολογίζεται ξανά ο λόγος των στροφών του κινητήρα προς την ταχύτητα του αυτοκινήτου (R m ) για κάθε χρονικό βήμα (1 sec) με βάση τα 48

60 αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων και συγκρίνονται τα αποτελέσματα των 2 ξεχωριστών βημάτων. Από τη σύγκριση των 2 μεθόδων εξάγεται το προφίλ αλλαγής σχέσεων μετάδοσης. Όμως σε αυτή την περίπτωση θα προέκυπταν μη έγκυρα αποτελέσματα εξαιτίας των διακυμάνσεων που παρατηρούνται στην τιμή του λόγου R m που αλλάζει σε κάθε χρονικό βήμα. Έτσι λοιπόν έχουν ορισθεί κάποια ανώτατα και κατώτατα όρια ώστε να συμπεριλαμβάνουν μεγαλύτερο εύρος τιμών. Τα όρια αυτά απεικονίζονται για κάθε σχέση μετάδοσης στον επόμενο πίνακα (Πίνακας 4.2). Πίνακας 4.2: Όρια R m για κάθε σχέση μετάδοσης. Σχέση μετάδοσης Κάτω όριο Άνω όριο 1 η η η η η η Στη Εικόνα 4.3 απεικονίζεται η αλλαγή στις τιμές του R m και των σχέσεων μετάδοσης για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα του. Για να προκύψει το τελικό προφίλ αλλαγών στη σχέση μετάδοσης πρέπει να γίνουν κάποιες ακόμα αλλαγές. Συγκεκριμένα, η παραπάνω μεθοδολογία δεν αποτυπώνει επακριβώς την συμπεριφορά του οδηγού της πειραματικής μέτρησης όσον αφορά την αλλαγή των σχέσεων στο κιβώτιο ταχυτήτων ειδικά στη περίπτωση της εκκίνησης. Για το λόγο αυτό έπρεπε να αλλάξουν τα χρονικά σημεία όπου πραγματοποιούνται μερικές αλλαγές για να ταυτίζονται ακριβώς με τις αλλαγές του οδηγού. Αυτό έγινε χειροκίνητα μέσω της υποκαρτέλας Profile από το Cycle run, αλλάζοντας στο εκάστοτε χρονικό βήμα την σχέση μετάδοσης. Θα πρέπει τέλος να σημειωθεί ότι οι αποκλίσεις στη ταχύτητα του κινητήρα δεν ήταν δυνατόν να αποφευχθούν εντελώς 49

61 Ταχύτητα κινητήρα [RPM] Λόγος R m & Ταχύτητα οχήματος Σχέση μετάδοσης [-] (Εικόνα 4.4) καθώς πάντα θα υπάρχουν διαφορές μεταξύ της μοντελοποίησης και της πραγματικής μέτρησης. Ratio [rpm/km/h] Vehicle Speed [km/h] Gear Χρόνος [s] Εικόνα 4.3: Εξέλιξη λόγου R m και αλλαγές στη σχέση μετάδοσης Χρόνος [s] measurement simulation Εικόνα 4.4: Απόκλιση στροφών κινητήρα μέτρησης και προσομοίωσης. 50

62 4.3 Βαθμονόμηση ψυχρής εκκίνησης Ο κύκλος οδήγησης που εφαρμόσθηκε στις πειραματικές μετρήσεις ήταν cold NEDC και για αυτό το λόγο το μοντέλο βαθμονομήθηκε με βάση την ψυχρή εκκίνηση του κινητήρα. Η ουσιαστική διαφορά μεταξύ θερμής και ψυχρής εκκίνησης είναι ότι κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα των μετρήσεων και για ένα χρονικό διάστημα ανάλογο του προφίλ ταχύτητας στη περίπτωση της ψυχρής εκκίνησης παρατηρείται μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου και υψηλότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Κυριότερη αιτία είναι η χαμηλότερη θερμοκρασιακή κατάσταση που βρίσκεται ο κινητήρας κατά την ψυχρή εκκίνηση. Για το λόγο αυτό θα πρέπει να ακολουθηθούν συγκεκριμένα βήματα για να βαθμονομηθεί σωστά το μοντέλο. Στη παρούσα διπλωματική επιλέχθηκε η εφαρμογή ενός γενικού μοντέλου ψυχρής εκκίνησης για το οποίο υπάρχουν πειραματικά δεδομένα, δηλαδή θερμοκρασία ψυκτικού μέσου (engine coolant temperature), κατανάλωσης καυσίμου και εκπομπών CO 2. Μπορούμε να πούμε πως η διαδικασία ψυχρής εκκίνησης στο CRUISE ολοκληρώνεται στα παρακάτω βήματα [28]: Καταρχήν ρυθμίζεται η κατάσταση εκκίνησης του μοντέλου σε Cold start από την καρτέλα Cycle run (Εικόνα 4.5). Στη συνέχεια ορίζεται η αρχική θερμοκρασία του περιβάλλοντος ως η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου του κινητήρα (Εικόνα 4.6). 51

63 Εικόνα 4.5: Επιλογή Cold Start εκκίνησης. Εικόνα 4.6: Εισαγωγή θερμοκρασίας του περιβάλλοντος ψυχρής εκκίνησης. Στη συνέχεια, πραγματοποιούνται οι εξής αλλαγές στην καρτέλα Engine Properties (Εικόνα 4.7): Temperature model: Others Temperature: Pre-defined Temperature Curve Consumption model: Enrichment by Increasing FMEP Friction Model: Standard 52

64 Εικόνα 4.7: Ενεργοποίηση φόρμας ψυχρής εκκίνησης. Θα πρέπει στη συνέχεια να εισαχθεί η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου κατά τη διάρκεια του κύκλου από την καρτέλα Pre-defined Temperature Curve (Εικόνα 4.8). Έχοντας πραγματοποιήσεις τις παραπάνω ρυθμίσεις το μόνο που μένει είναι να συμπληρωθούν τα πεδία που ενεργοποιήθηκαν (Εικόνα 4.9). Συγκεκριμένα: Nominal Temperature: Η θερμοκρασία του κινητήρα κατά τη διάρκεια διεξαγωγής των πειραμάτων προσδιορισμού του χάρτη κατανάλωσης του. FMEP at min. Speed: Η BMEP όταν ο κινητήρας λειτουργεί στο ρελαντί. Συνήθως αυτό προσδιορίζεται αν δίνεται το Motoring Curve του κινητήρα από τον κατασκευαστή. FMEP at max. Speed: Η BMEP όταν ο κινητήρας λειτουργεί στις ορισμένες στο CRUISE μέγιστες στροφές. Συνήθως αυτό προσδιορίζεται αν δίνεται το Motoring Curve του κινητήρα από τον κατασκευαστή. Dynamic Oil Viscosity: Το ιξώδες του λαδιού του κινητήρα στους 40 o C. Curvature Factor: Είναι μια παράμετρος η οποία εκφράζει την καμπύλωση του Motoring Curve, έτσι ώστε οι 2 καμπύλες (πειράματος και μοντέλου) να συμπέσουν όσο το δυνατόν περισσότερο (Εικόνα 4.10). 53

65 Exponent of FMEP Characteristic: Όσο αυξάνει αυτή η παράμετρος, τόσο αυξάνεται και η κατανάλωση εξαιτίας της ψυχρής εκκίνησης. Η παράμετρος Exponent of FMEP Characteristic είναι μια παράμετρος βαθμονόμησης του μοντέλου. Για να συμπληρωθεί σωστά απαιτούνται αρκετές δοκιμές. Είναι μια παράμετρος που δεν μπορεί να μετρηθεί, αλλά να εκτιμηθεί [28]. Εικόνα 4.8: Ορισμός της θερμοκρασίας βαθμονόμησης ψυχρής εκκίνησης. Εικόνα 4.9: Παράμετροι βαθμονόμησης της κατανάλωσης κατά την ψυχρή εκκίνηση. 54

66 FMEP [bar] Ταχύτητα κινητήρα [rpm] REAL FMEP CRUISE CALCULATIONS Εικόνα 4.10: Επίδραση Curvature factor στη υπολογισμένη και την πραγματική FMEP. 4.4 Παράμετροι προσομοίωσης Αφού λοιπόν αναπτυχθεί ένα βασικό μοντέλο στην συνέχεια είναι εύκολο να αναπτυχθούν και άλλα παρόμοια αλλάζοντας τα δεδομένα εισόδου σε κάθε προσομοίωση. Σε αδρές γραμμές να αναφερθεί ότι η κάθε προσομοίωση του μοντέλου αντιστοιχεί σε μια πειραματική μέτρηση και αντίστοιχα σε ένα καύσιμο (Πίνακας 3.2). Αυτό πραγματοποιήθηκε αλλάζοντας συγκεκριμένες παραμέτρους του βασικού μοντέλου, οι οποίες συσχετίζονται τόσο με τη μέτρηση (πχ προφίλ ταχύτητας) όσο και με τις ιδιότητες του εκάστοτε χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Αυτές είναι: Εισαγωγή του προφίλ ταχύτητας. Μπορεί σε κάθε πειραματική μέτρηση να εφαρμόσθηκε ο κύκλος οδήγησης NEDC, αυτό όμως δε σημαίνει ότι η ταχύτητα του οχήματος ήταν η αναμενόμενη. Επειδή η πειραματική μέτρηση στηρίζεται πολύ στον ανθρώπινο παράγοντα, η ταχύτητα του οχήματος παρουσίαζε αποκλίσεις από την αντίστοιχη του ιδανικού κύκλου. Για να είναι 55

67 ακριβή τα αποτελέσματα του μοντέλου και σωστός ο συσχετισμός της προσομοίωσης με τα πειραματικά δεδομένα εισήχθησαν οι τιμές της ταχύτητας από τα αποτελέσματα της πειραματικής μέτρησης. Αυτό έγινε μέσω της υποκαρτέλας Cycle run (Εικόνα 4.11). Εικόνα 4.11: Εισαγωγή προφίλ ταχύτητας και αλλαγών σχέσεων μετάδοσης. Η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου του κινητήρα. Η θερμοκρασία αυτή εξάγεται από τις πειραματικές μετρήσεις του οχήματος και εισάγεται με τον ίδιο τρόπο όπως στη βαθμονόμηση ψυχρής εκκίνησης (Εικόνα 4.8) Ηλεκτρικές καταναλώσεις. Στην ενότητα αναφέρθηκαν τα προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων. Οι πρόσθετες ηλεκτρικές καταναλώσεις εισήχθησαν στον μοντέλο με την εξής διαδικασία: Αρχικά, υπολογίζεται η συνολική ηλεκτρική ισχύς W el του οχήματος κατά τη διάρκεια του κύκλου από το παρακάτω τύπο: W el = P*I/η (4-2) Όπου: P = η τάση της μπαταρίας σε κάθε χρονικό βήμα [V] 56

68 Ηλεκτρική κατανάλωση [W] Ταχύτητα οχήματος [km/h] Ι = το ρεύμα του δυναμό σε κάθε χρονικό βήμα [Α] η = ο μηχανικός βαθμός απόδοσης Η διαδικασία αυτή έγινε για κάθε μέτρηση ξεχωριστά και είχε ως αποτέλεσμα την εύρεση της ηλεκτρικής ισχύος για κάθε χρονικό βήμα του κύκλου (Εικόνα 4.12). Με βάση το προφίλ ταχύτητας στα σημεία όπου το όχημα επιβραδύνει (ο οδηγός πατάει φρένο), οι τιμές της ηλεκτρικής ισχύος μηδενίσθηκαν. Στα χρονικά σημεία αυτά των κορυφών (πχ 180 s) πραγματοποιείται το φαινόμενο του regenerative braking και κατά συνέπεια δεν έχουμε πρόσθετη κατανάλωση καυσίμου. Οι αρνητικές τιμές (φόρτιση μπαταρίας κατά την εκκίνηση) δεν είχαν νόημα και μηδενίσθηκαν και αυτές. Έτσι λοιπόν προέκυψαν οι επιπρόσθετες ηλεκτρικές καταναλώσεις στη διάρκεια του κύκλου (Εικόνα 4.13). Electric power Vehicle speed Χρόνος [s] Εικόνα 4.12: Ηλεκτρικές καταναλώσεις του οχήματος πριν τη διόρθωση. Η Εικόνα 4.13 μια τυχαία μέτρηση από τις 42. Το γεγονός ότι η συμπεριφορά του οχήματος σχετικά με την ηλεκτρική του κατανάλωση μεταβάλλεται από μέτρηση σε μέτρηση οδήγησε στην ανάγκη της προσομοίωσης των πειραματικών μετρήσεων για εξαγωγή συγκρίσιμων αποτελεσμάτων. Το σημείο αυτό αποτελεί και τη σημαντικότερη παράμετρο της προσομοίωσης στην παρούσα διπλωματική. 57

69 Ηλεκτρική κατανάλωση [W] Ταχύτητα οχήματος [km/h] Battery power [W] Car speed (km/h) Χρόνος [s] Εικόνα 4.13: Ηλεκτρικές καταναλώσεις μετά την διόρθωση. Στη συνέχεια οι τιμές αυτές εισήχθησαν στο Cruise. Αυτό έγινε μέσω του στοιχείου του μηχανικού καταναλωτή το οποίο συνδέθηκε απ ευθείας με την μηχανή του μοντέλου (Εικόνα 4.14). Εικόνα 4.14: Εισαγωγή ηλεκτρικών καταναλώσεων στο Cruise. 58

70 Στοιχεία του καυσίμου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι ιδιότητες του καυσίμου που υπεισέρχονται στο μοντέλο. Κατώτερη θερμογόνος δύναμη: στο μοντέλο βάσης (baseline) έχοντας ως δεδομένο την θερμογόνο δύναμη (LHV) και την παροχή του καυσίμου αναφοράς (D14) σε κάθε χρονικό βήμα, η αλλαγή για το εκάστοτε καύσιμο (n) πραγματοποιήθηκε μέσω διαφοροποίησης του χάρτη κατανάλωσης. Ουσιαστικά για το κάθε καύσιμο υπολογίζεται η παροχή του -η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του είναι γνωστή- από την παρακάτω εξίσωση md14*lhv D14 =m n *LHV n (4-3): m D14 *LHV D14 =m n *LHV n (4-3) Έτσι λοιπόν εισάγεται στο Cruise η νέα παροχή καυσίμου και διαμορφώνεται ο νέος χάρτης κατανάλωσης μέσω της καρτέλας Engine Maps Basic του Engine component (Εικόνα 4.15). Πρέπει να αναφερθεί ότι η αντιστοιχία στροφών κινητήρα ροπής παραμένει αμετάβλητη στις προσομοιώσεις. 59

71 Εικόνα 4.15: Αλλαγή χάρτη κατανάλωσης στο Cruise. Πυκνότητα καυσίμου και περιεχόμενο σε άνθρακα. Στη συνέχεια εισάγονται οι 2 αυτές ιδιότητες του καυσίμου στο Engine component (Εικόνα 4.16). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή της κατώτερης θερμογόνου δύναμης παραμένει αμετάβλητη καθώς η αλλαγή της πραγματοποιήθηκε με τον τρόπο που αναφέρθηκε παραπάνω. Αλλαγή των συντελεστών αντίστασης δρόμου. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων το όχημα βγήκε και επανατοποθετήθηκε στην πέδη (chassis dynamometer) συνολικά 3 φορές. Σύμφωνα με τη νομοθεσία, η δυναμομετρική πέδη θα πρέπει να βαθμονομείται κάθε φορά που κάποιο όχημα τοποθετείται πάνω της. Στη προκειμένη περίπτωση βαθμονομήθηκε πριν από κάθε επανάληψη. Προέκυψαν δηλαδή 3 διαφορετικές τιμές των συντελεστών αντίστασης. Οι τιμές αυτές βρέθηκαν με βάση πειραματικά δεδομένα, δηλαδή ζεύγη τιμών φορτίου-ταχύτητας τα οποία φαίνονται στην Εικόνα Για πιο πιστή αποτύπωση του πειράματος οι τιμές αυτές εισήχθησαν στο μοντέλο στις αντίστοιχες προσομοιώσεις κάθε επανάληψης. 60

72 Δύναμη [N] Αυτό πραγματοποιήθηκε μέσω του component vehicle, στην καρτέλα Total driving resistance (Εικόνα 4.18). Εικόνα 4.16: Εισαγωγή της πυκνότητας και του περιεχόμενου σε άνθρακα του καυσίμου στο Cruise. R² = Ταχύτητα [km/h] Εικόνα 4.17: Εύρεση συντελεστών αντίστασης. 61

73 Εικόνα 4.18: Εισαγωγή των συντελεστών αντίστασης στο Cruise. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να αναφερθεί και το γεγονός ότι πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) για να διαπιστωθεί πόσο «ευαίσθητο» είναι το μοντέλο στις αλλαγές του φορτίου, δηλαδή πόσο διαφοροποιούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα σχετικά αποτελέσματα από την ανάλυση ευαισθησίας παρατίθενται στο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων. 4.5 Αξιολόγηση του μοντέλου Στην ενότητα 4.2 περιγράφθηκε αναλυτικά ο τρόπος με τον οποίο προκύπτει το προφίλ αλλαγών στη σχέση μετάδοσης και κατά πόσο αυτό συμπίπτει με το πραγματικό, γεγονός το οποίο μας οδηγεί σε μικρότερη απόκλιση από τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Το βασικό κριτήριο αξιολόγησης της κάθε προσομοίωσης του μοντέλου είναι η σύμπτωση των πειραματικών αποτελεσμάτων της ταχύτητας του κινητήρα με τα αντίστοιχα που προκύπτουν από την εκάστοτε προσομοίωση. Η ταχύτητα του κινητήρα είναι ένα μέγεθος που σχετίζεται άμεσα με την κατανάλωση καυσίμου και 62

74 Ταχύτητα κινητήρα προσομοίωσης [RPM] Ταχύτητα κινητήρα [RPM] για να είναι πιο πιστή η αποτύπωση του πειράματος στην προσομοίωση τα δύο αποτελέσματα θα πρέπει να συμπίπτουν όσο το δυνατόν περισσότερο (Εικόνα 4.19). Ένα μέγεθος που δείχνει πόσο συμπίπτουν οι τιμές των δύο μεγεθών (ή με όρους στατιστικής «ένας αριθμός που δείχνει το ποσοστό της διακύμανσης στην εξαρτημένη μεταβλητή που είναι προβλέψιμη από την ανεξάρτητη μεταβλητή») είναι ο συντελεστής συσχέτισης R 2 (R-squared) (Εικόνα 4.20). Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος αυτό τόσο καλύτερα προσεγγίζει η ευθεία παλινδρόμησης τα δεδομένα Χρόνος [s] measurement Simulation Εικόνα 4.19: Αποτελέσματα ταχύτητας κινητήρα πειράματος και προσομοίωσης R² = Ταχύτητα κινητήρα πειράματος [RPM] Εικόνα 4.20: Συντελεστής συσχέτισης της ταχύτητας κινητήρα. 63

75 Κατανάλωση καυσίμου [g/s] Είναι εμφανές ότι μεγαλύτερες αποκλίσεις εμφανίζονται κατά τα δευτερόλεπτα που το όχημα εκκινεί από την ηρεμία και αντίστοιχα ο οδηγός επιβραδύνει για την ακινητοποίησή του. Αυτό έχει λογική εξήγηση καθώς όπως προαναφέρθηκε η συμπεριφορά του οδηγού που συμμετείχε στα πειράματα είναι πολύ διαφορετική από την συμπεριφορά του οδηγού στο Cruise. Είναι ένα πολύ δύσκολο θέμα ως προς την ρεαλιστική αποτύπωσή του στο μοντέλο και αναλόγως το μοντέλο είναι πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές των παραμέτρων του οδηγού. Στις εικόνες Εικόνα 4.21 και Εικόνα 4.22 απεικονίζονται δεδομένα της πρώτης μέτρησης του καυσίμου D14 (D14a). Η μέτρηση αυτή αποτελεί και την βάση πάνω στην οποία αναπτύχθηκε το baseline μοντέλο. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν ότι υπάρχει μια απόκλιση της τάξης των 3 g/km στην εκπομπή CO 2 ανάμεσα στην προσομοίωση και τη μέτρηση. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι αυτή η απόκλιση «αναπαράγεται» και στις υπόλοιπες προσομοιώσεις των άλλων μετρήσεων. Προέκυψε δηλαδή ένα συστηματικό σφάλμα βαθμονόμησης. Αναλυτικότερα αποτελέσματα θα παρουσιασθούν και θα σχολιασθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Οι επόμενες εικόνες (Εικόνα Εικόνα 4.22) δείχνουν την πορεία της κατανάλωσης καυσίμου στα πειράματα και στο μοντέλο βάσης και αντίστοιχα τη μεταξύ τους συσχέτιση. 2.5 measurement Simulation 2 Total CΟ 2 measured : 95.4 g/km Total CO 2 simulation: 98.3 g/km Χρόνος [s] Εικόνα 4.21: Χρονική εξέλιξη της κατανάλωσης καυσίμου της μέτρησης και της προσομοίωσης. 64

76 Κατανάλωση καυσίμου προσομοίωσης [g/s] R² = Κατανάλωση καυσίμου πειράματος [g/s] Εικόνα 4.22: Συντελεστής συσχέτισης της κατανάλωσης καυσίμου. 5. Αποτελέσματα μετρήσεων και προσομοίωσης Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιασθούν τα αποτελέσματα που πρόεκυψαν τόσο από της πειραματικές μετρήσεις όσο και από την διαδικασία προσομοίωσης. Αρχικά, παρατίθενται τα πειραματικά δεδομένα κατανάλωσης καυσίμου και εκπομπών CO 2, τόσο από της σάκους συλλογής όσο και από τους αναλυτές καυσαερίου στιγμιαίων μετρήσεων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης και ακολουθεί η σύγκρισή της με τα αντίστοιχα πειραματικά. Τέλος, παρατίθενται τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας. 5.1 Πειραματικά αποτελέσματα 65

77 Εκπομπές CO 2 [g/km] Κατανάλωση καυσίμου [g] Στις εικόνες Εικόνα 5.1 και Εικόνα 5.2 παρουσιάζονται τα τελικά αποτελέσματα των μετρήσεων στην κατανάλωση καυσίμου και εκπομπών CO 2 εφαρμόζοντας τον κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση ανά καύσιμο και επανάληψη D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 Καύσιμα 1η επανάληψη 2η επανάληψη 3η επανάληψη Εικόνα 5.1: Κατανάλωση καυσίμου εκφρασμένη σε γραμμάρια D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 Καύσιμα 1η επανάληψη 2η επανάληψη 3η επανάληψη Εικόνα 5.2: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 εκφρασμένα σε γραμ/χλμ. 66

78 Γίνεται ξεκάθαρο ότι κατά την πρώτη επανάληψη η κατανάλωση καυσίμου και οι εκπομπές CO 2 είναι σαφώς μεγαλύτερες από την δεύτερη και την τρίτη. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί για 2 λόγους. Καταρχάς, της φαίνεται στην τρίτη επανάληψη των πειραμάτων παρατηρούνται οι χαμηλότερες τιμές. Επιπλέον, κατά τη πρώτη επανάληψη των μετρήσεων η ηλεκτρική συμπεριφορά του οχήματος ήταν ασταθής με συνέπεια επιπρόσθετη κατανάλωση στις μετρήσεις. Σε ορισμένες δοκιμές (D4, D7, D9, D10, D11, D13) παρατηρήθηκε το γεγονός ότι το σύστημα start-stop δεν λειτούργησε ομαλά. Η διαφορά με της αντίστοιχες μετρήσεις των άλλων επαναλήψεων είναι εμφανής. Το συγκεκριμένο ζήτημα αναλύεται εκτενέστερα στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου. Τα παραπάνω αποτελέσματα έχουν εξαχθεί με βάση την ολοκλήρωση των στιγμιαίων μετρήσεων. Οι στιγμιαίες μετρήσεις αυτές είναι τροποποιημένες σε σχέση με τις αρχικές που προέκυψαν από τα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα πολλαπλασιάσθηκαν με τον λόγο της τιμής που προέκυψε από τους σάκους προς την τιμή που προέκυψε από την ολοκλήρωση των αρχικών στιγμιαίων μετρήσεων για τα μεγέθη CO 2 και κατανάλωση καυσίμου όπως δείχνει και η επόμενη εξίσωση. CO 2 (t) = Bag CO 2 CO 2 inst. dt CO 2 inst.(t) 5-1 Πριν γίνει η εισαγωγή των αποτελεσμάτων στο μοντέλο, έγινε αξιολόγηση των εν λόγω μετρήσεων συγκρίνοντάς τες με τα αποτελέσματα των σάκων. Παρακάτω παρατίθενται τα διαγράμματα με τις διαφορές διοξειδίου του άνθρακα μεταξύ των δύο διαφορετικών μεθόδων για κάθε υποκύκλο, για τον συνολικό κύκλο και ανά καύσιμο (Εικόνα Εικόνα 5.6). 67

79 ΔCO 2 [g/km] D14b D7a D14c D12b D14d D2b D8b D14a D3a D8a D4a D5b D2a D9a D4c D5c D3c D8c D9c D10c D1c D14i D11b D3b 4 UDC Καύσιμα Εικόνα 5.3: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον υποκύκλο UDC. Από την Εικόνα 5.3 εξάγεται το συμπέρασμα πως η απόκλιση των στιγμιαίων μετρήσεων από τα αποτελέσματα των σάκων συλλογής καυσαερίων για τον υποκύκλο UDC είναι μικρή, της τάξης του 1 g/km (μέση τιμή 0.88). Η μέτρηση D8a αποτελεί ακραία τιμή. Η μεγάλη απόκλιση της μέτρησης της οφείλεται σε σφάλμα κατά τη μέτρηση των σάκων καυσαερίων. Στην Εικόνα 5.4 απεικονίζεται η διαφορά σε CO 2 για τον υποκύκλο EUDC. Η μέση τιμή σε αυτή τη περίπτωση είναι σαφώς μικρότερη (0.37 g/km) σε σχέση με τον UDC λόγω της φύσης του δεύτερου. 68

80 D14b D7a D14c D12b D14d D2b D8b D14a D3a D8a D4a D5b D2a D9a D4c D5c D3c D8c D9c D10c D1c D14i D11b D3b ΔCO 2 [g/km] ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Εικόνα 5.4: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον υποκύκλο ΕUDC. Η Εικόνα 5.5 δείχνει τη συνολική διαφορά στον NEDC και αποτυπώνεται η μικρή διαφορά ανάμεσα της 2 μεθόδους αποτελεσμάτων (μέση τιμή 0,56 g/km). Αυτό συνεπάγεται την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων και την σωστή επιλογή για την εισαγωγή στο μοντέλο που αναπτύχθηκε. Στην Εικόνα 5.6 απεικονίζονται οι διαφορές σε CO 2 ανά καύσιμο και υποκύκλο. Οι τιμές κάθε μπάρας αποτελούν το μέσο όρο από της 3 επαναλήψεις του κάθε καυσίμου με την αντίστοιχη διακύμανση. Φαίνεται ξεκάθαρα πως το καύσιμο D8 επηρεάζεται από την πρώτη μέτρηση του, έχοντας πολύ μεγάλη απόκλιση ειδικά στον υποκύκλο UDC. 69

81 ΔCO2 [g/km] D14b D7a D14c D12b D14d D2b D8b D14a D3a D8a D4a D5b D2a D9a D4c D5c D3c D8c D9c D10c D1c D14i D11b D3b ΔCO 2 [g/km] ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Εικόνα 5.5: Διαφορά CO 2 ανά μέτρηση για τον κύκλο ΝΕDC. 4 UDC EUDC NEDC Mean UDC Mean EUDC Mean NEDC 2 0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D Μετρήσεις Εικόνα 5.6: Διαφορά CO 2 ανά καύσιμο και υποκύκλο. Με περεταίρω επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε μια προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα που περιγράφθηκαν, και παρακάτω ακολουθούν τα αποτελέσματά (Εικόνα Εικόνα 5.9). 70

82 Εικόνα 5.7: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του UDC. Στα δεδομένα του υποκύκλου UDC προσαρμόζονται καλύτερα η λογιστική κατανομή και η κατανομή Extreme value. Λιγότερο ικανοποιητική είναι η προσαρμογή της κανονικής κατανομής. Εικόνα 5.8: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του ΕUDC. Σε αυτή την περίπτωση (EUDC) προσαρμόζονται καλύτερα η κανονική κατανομή και η γενικευμένη Extreme value. Λιγότερο ικανοποιητική είναι η προσαρμογή της Extreme value. 71

83 Εικόνα 5.9: Προσαρμογή κατανομής στα δεδομένα του NEDC. Όλα τα αποτελέσματα που συγκεντρώθηκαν για τον συνολικό κύκλο NEDC, οι διαφορές δηλαδή σε διοξείδιο του άνθρακα των 2 μεθόδων, προσαρμόστηκαν σε κάποιες κατανομές. Η καλύτερη προσαρμογή επετεύχθη μέσω της λογιστικής κατανομής ενώ και η κανονική κατανομή προσέγγιζε ικανοποιητικά τα δεδομένα. Η ακραία στήλη σε κάθε εικόνα αποτυπώνει την ακραία τιμή που προέκυψε από τα πειραματικά δεδομένα. 5.2 Αποτελέσματα μοντελοποίησης Στις παρακάτω εικόνες (Εικόνα Εικόνα 5.11) παρουσιάζονται τα τελικά αποτελέσματα της μοντελοποίησης που αφορούν την κατανάλωση καυσίμου και της εκπομπές CO 2 εφαρμόζοντας τον κύκλο οδήγησης NEDC με ψυχρή εκκίνηση. 72

84 Εκπομπές CO 2 [g/km] Κατανάλωση καυσίμου [g] 1η επανάληψη 2η επανάληψη 3η επανάληψη D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 Καύσιμα Εικόνα 5.10: Αποτελέσματα κατανάλωσης καυσίμου της προσομοίωσης. 1η επανάληψη 2η επανάληψη 3η επανάληψη D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 Καύσιμα Εικόνα 5.11: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 της προσομοίωσης. Στις μοντελοποιήσεις παρατηρείται συμπεριφορά ανάλογη με τα αποτελέσματα των μετρήσεων, δηλαδή μεγαλύτερη κατανάλωση στη πρώτη επανάληψη και μικρότερη στη τρίτη. Αυτό συμβαίνει διότι τα δεδομένα της μέτρησης (προφίλ ταχύτητας, θερμοκρασία ψυκτικού μέσου κ.α.) εισάγονται ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο και 73

85 Εκπομπές CO 2 [g/km] κατά συνέπεια θα προκύψουν αποτελέσματα ανάλογης συμπεριφοράς. Δηλαδή, η συμπεριφορά του οχήματος αποτυπώνεται και στα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Στην Εικόνα 5.12 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των 3 επαναλήψεων για τις εκπομπές CO 2 του κάθε καυσίμου. Παρατηρούμε ότι στις περιπτώσεις που το σύστημα startstop δεν λειτούργησε υπάρχει μεγαλύτερη εκπομπή CO 2, όπως ακριβώς και στις πειραματικές δοκιμές (D4, D7, D9, D10, D11, D13) καθώς επίσης και μεγαλύτερη απόκλιση στις γραμμές σφάλματος. Η κάθε γραμμή σφάλματος απεικονίζει την μέγιστη και ελάχιστη αντίστοιχα απόκλιση που παρουσιάζουν οι 3 μετρήσεις από την μέση τιμή τους για το κάθε καύσιμο. Για το λόγο αυτό στις περιπτώσεις όπου το σύστημα start-stop δεν λειτούργησε το αποτέλεσμα εκείνο αποκλίνει πολύ από την μέση τιμή των D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 Καύσιμα Εικόνα 5.12: Αποτελέσματα εκπομπών CO 2 ανά καύσιμο. 74

86 Ρεύμα δυναμό [Α] 5.3 Επίδραση πρόσθετων ηλεκτρικών καταναλώσεων Στη παρούσα ενότητα θα παρουσιασθεί η επίδραση που είχε η ασταθής και μη επαναλήψιμη ηλεκτρική συμπεριφορά του οχήματος δοκιμών στην κατανάλωση καυσίμου και εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα. Καταρχάς, στις εικόνες Εικόνα 5.13 και Εικόνα 5.14 φαίνονται 2 διαφορετικά σήματα του δυναμό από διαφορετικές μετρήσεις Χρόνος [s] Εικόνα 5.13: Σήμα δυναμό μέτρησης D13a. 75

87 Ρεύμα δυναμό [Α] Χρόνος [s] Εικόνα 5.14: Σήμα δυναμό μέτρησης D9a. Στις παραπάνω εικόνες φαίνεται δηλαδή την ασταθή συμπεριφορά του αυτοκινήτου επηρεάζοντας την συνολική κατανάλωση καυσίμου. Όπως προαναφέρθηκε σε ορισμένες μετρήσεις δεν λειτούργησε το σύστημα εξοικονόμησης καυσίμου startstop. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα αυξημένες καταναλώσεις και εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Στην Εικόνα 5.15 απεικονίζεται η κατανάλωση καυσίμου κατά την εξέλιξη του κύκλου οδήγησης NEDC. Οι δυο διαφορετικές τάσεις της κατανάλωσης καυσίμου αντιστοιχούν σε 2 διαφορετικές μετρήσεις του ίδιου όμως καυσίμου. Στην πρώτη περίπτωση το σύστημα start-stop δεν ενεργοποιήθηκε όταν το όχημα βρισκόταν σε ακινησία ενώ στην δεύτερη το όχημα συμπεριφέρθηκε φυσιολογικά (μεγέθυνση εικόνας). Όπως ήταν αναμενόμενο η απενεργοποίηση του start-stop προκάλεσε μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου και κατά συνέπεια μεγαλύτερες εκπομπές CO 2, της τάξης των 6 g/km. 76

88 Εικόνα 5.15: Επίδραση start-stop στην κατανάλωση καυσίμου. Για πιο ολοκληρωμένη και σφαιρική σκοπιά της επίδρασης των πρόσθετων ηλεκτρικών καταναλώσεων, πραγματοποιήθηκε πέρα από την προσομοίωση των πειραμάτων και μια «ιδανική» προσομοίωση η οποία δεν εμπεριέχει καθόλου πρόσθετες ηλεκτρικές καταναλώσεις. Στη συνέχεια συγκρίνονται τα αποτελέσματα των 2 μοντελοποιήσεων. Τα αποτελέσματα από αυτήν την σύγκριση παρουσιάζονται παρακάτω (Εικόνα 5.16). 77