International Congress Motor Vehicles & Motors 2012

Kragujevac, October 3rd-5th, 2012

MVM2012-NNN

Radivoje Pešić1

Snežana Petković2

Emil Hnatko3

Stevan Veinović4

INTERDISCIPLINARY CONTENTS OF THE PROJECT THE MINIMUM FUEL CONSUMPTION CAR

ABSTRACT: This global target can be taken as a symbol for the quest towards minimum fuel consumption and emission for all vehicle categories. Initial thinking suggests that a reduction in size and weight alone would not be sufficient to achieve the target economy of the minimum fuel consumption. Other technical measures need to be taken if the requirements for comfort, driving performance and safety are to be fulfilled. These include optimisation of the driving unit, (the driveline engines and gears) as well both fuels and lubricants.In this paper the trend of the automotive power unite are covering our views and options through all aspects of the leading automotive technologies.

KEYWORDS: compression ratio, downsizing, fuel consumption, fuels, IC engine

INTRODUCTION

Univerzalno zadovoljenje zakona prirode traži sofisticiranije pristupe projektovanju vozila, jer su ona najveći potrošači energenata, kiseonika i sirovina. Njihova dalja upotreba je zato uslovljena vrhunskim energetskim, ekološkim i ekonomskim doprinosom očuvanju kvaliteta života na zemlji [1,2].

Formalno gledajući svako vozilo je odgovor inženjera na obaveze diktirane projektnim zadatkom. Razna vozila i razni modeli imaju puno sličnosti ali uvek postoji jedna vodeća nit. Zato kado hoćemo da sagledamo trend u potrošnji goriva onda njega možemo da dobijemo na više načina. Najjednostavnije je da koristimo statističke obrade iz pouzdanih izvora. Drugi put je strukturna analiza koncepcije vozila. Na potrošnju utiču ključne celine:

Pogonska grupa sa celovitom listom pogonskih materijala, Masa vozila i njegove opreme, aerodinamika, profil i čeona površina, Vozni postroj, točkovi i podloga, i Tehnika vožnje, održavanje i uslovi eksploatacije

Mada ova podela izgleda logično ona ne podrazumeva uzajamnu izolovanost ovih celine. Bitno smanjenje potrošnje goriva pogonskih agregata motornih vozila na principu motora sus je moguće samo primenom varijabilnih mehanizama: promenljiv stepen kompresije, promenljiv usisni sistem, promenljiva šema razvoda, promenljiva visina podizanja ventila, turbokompresori promenljive geometrije, promenljiv sastav smeše i optimalan procesa sagorevanja, slika 1, [3].

1 Radivoje Pešić, Professor, Faculty of Engineering University of Kragujevac, pesicr@kg.ac.rs2 Snežana Petković, Associated Professor, Faculty of Mechanical Engineering Banja Luka, petkovic1961@gmail.com3 Emila Hnatko, Professor, Faculty of Engineering Slavonski Brod, ehnatko@sfsb.hr4 Stevan Veinović, Dr.-Ing., Faculty of Engineering University of Kragujevac, stevan@kg.ac.rs

1

Figure 1 Variabilities with the SI engine

Kod današnjih konstrukcija vozila njegova pogonska grupa, za dati tip vozila, ima optimalno polje rada. Isto tako, svaka promena mase ili aerodinamike može lako da izvede pogonsku grupu van toga polja. Zato su performanse svakog vozila kompromis. Ekonomično vozilo, po pravilu, emituje najmanje ukupne količine toksičnih i zagušljivih komponenata. Bez prihvatljivih voznih, bezbednosnih i ergonomskih svojstava teško je zamisliti vozila niske emisije i niske potrošnje goriva.

Samo inteligentnom kontrolom promene navedenih konstruktivnih i radnih parametara motora možemo polje minimalne potrošnje goriva proširiti na čitav dijapazon radnih režima motora u vozilu [4,5,6].

TRENDOVI U RAZVOJU VOZILSKIH MOTORA SUS

Especially in combination with high-pressure boosting, variable compression ratio and gasoline direct injection are intended for reducing fuel consumption. The two strategies both aim at significantly increased SI engines’ torque and power density enabling optimum downsizing and down-speeding. Additionally cooled EGR can provide synergies to VCR in the more and more important un-throttled operating area used by downsizing/down-speeding engines.

The actual 1st generation of downsized engines reflects a displacement reduction of approximately 25% of the replaced NA engines and, together with more widespread gearboxes, fuel consumption (FC) in NEDC can be improved by approximately 15% (without consideration of “blue technology” like starts-top, intelligent generator, specific vehicle measures). By further enhanced levels of downsizing, strong downsizing, additional significant benefits in NEDC FC can be achieved, since main operation areas of the driving cycle become situated within the sweet-spot of the BSFC map, fig. 2 (left). However, strong downsizing requires high levels of specific power and BMEP and thus boosting, leading to high BSFC with state-of-the-art technology. Thus, fuel consumption becomes more depending on driving style, vehicle category, transmission type and fuel RON and may even turn to negative results, fig. 2 (right), [7].

Besides this matter, with current technology high levels of boosting and BMEP increase the risk of irregular combustion, i.e. unwanted self-ignition prior to spark timing, especially at low engine speeds. Therefore new approaches are required to apply strong downsizing without these potential risks in terms of FC. Addressing one of the main thermodynamic boundaries of gasoline engines, variable compression ratio (VCR) is a possibility to expand the BSFC sweet spot towards higher torque and power and to minimize potential risks of irregular combustion [7].

2

Figure 2 Status and projection of downsizing with VCR; NEDC area versus BSFC sweetspot

(left); WOT (Wide open throttle) curves: increasing risk of real-life FC being affected by

operation conditions with state-of-the-art technology (right)

Mi smatramo da je za radikalno smanjenje potrošnje obavezna primena automatski varijabilnog stepena kompresije jer on ima najveći uticaj na ekonomičnost radnog procesa motora.

U svetu postoji više od hiljadu patenata motora SUS sa promenljivim stepenom kompresije [8,9,10,11,12].

Figure 3 provides an overview of the principles, grouped by their designs [13].

1. Variable additional volume of combustion chamber

1a: Switchable additional volume in the cylinder head, and1b: Switchable additional volume in the cylinder block / socket.

2. Variable block height2a: A translational sliding cylinder head/block,2b: A rotationally pivoting the cylinder head/ block, and2c: A crankshaft mounted on the eccentrically main bearing in the fixed crankcase.

3. Variable compression height 3a: A two part piston, and3b: A piston-pin is eccentrically mounted in the pin bearings in the piston.

4. Variable piston-rod length4a: A piston-pin is eccentrically mounted in the small end eye of the piston-rod, 4b: A big end eye of the piston-rod is eccentrically mounted on the fixed crankshaft pin, 4c: A direct piston-rod length change, and4d: A kinematic caused piston-rod length change.

5. Variable crankshaft stroke5a: A crankshaft pin (rod bearing journal) is eccentrically mounted on the crankshaft, and5b: A main bearing journal is eccentrically mounted on the crankshaft.

3

Var

iabl

e a

dditi

ona

l vo

lum

e o

f com

bu-

stio

n ch

am

ber

Var

iabl

e b

lock

he

igh

tV

aria

ble

co

mpr

essi

on

heig

ht

Var

iabl

e p

isto

n-ro

d le

ngt

hV

aria

ble

cr

anks

haft

stro

ke

Figure 3 Variants of Variable Compression ratio [13].

Naš motor je inverzija V- kocepta i nazvali smo ga A-TWIN motor, slika 4. Spojili smo dva cilindra u jednu komoru za sagorevanje [10, 12, 14].

Sinhrono kretanje oba klipa u cilindrima daje najveći stepen kompresije (u našoj konstrukciji 15). Takvi uslovi odgovaraju dizel radnom ciklusu pa se motor ponaša kao “mirni dizel”. Kolenasta vratila motora okreću se u suprotnim smerovima pa se momenti obaranja, odgovarajućih redova cilindara, međusobno uravnotežavaju što dovodi do smanjenja vibracija, sl.5.

Figure 4 OTO/DIZEL ili DIZEL/OTO A-TWIN motor kao kocept budućih tehnologija(patentno rešenje R. Pešić, S. Veinović) [10, 12, 14]

Figure 5 А-TWIN ima minimalne vibracije Figure 6 Promena stepena kompresije u random polju motora

The highest compression ratio is used in city driving to increase thermal efficiency for improved fuel economy. The system shifts to a low compression ratio for super charging when accelerating or climbing hills. This enables also higher turbocharging for much power while suppressing engine knock, fig. 6 [15].

Motori sa varijabilnim šemama razvoda imaju razne kombinacije automata: elektro, mehaničkih i hidrauličkih. Istim sistemima možemo sprezati dve radilice, analogno variranju dva bregasta vratila: BMW- VANOS, Opel-Hydraulic, Porsche i slično.

4

Idealna varijanta pogonskog agregata motornih vozila, na bazi motora sus, ima promenljive noseće odlike sa radnim režimom. Sve to u skladu sa prvostepenim ciljem: potrošnja, emisija, buka, snaga i redovno raspoloživo gorivo.

Cars will be powered by Otto, Diesel engines until far into this century [3]. Development of Otto and Diesel engines leads to symbiosis of their operating processes into a multi-process Otto-Diesel engine (HCCI) that integrates only their good features, fig. 7 [16]. The application of engines with automatic variable compression ratio makes this possible [10, 12, 14].

Figure 7 Development IC engines – Otto and Diesel Convergence

Ukratko smo naveli doprinose konstruktivnih rešenja na smanjenje potrošnje goriva prema radovima iz AVL-a, Graz, tab. 1 [17].

Table 1 Fuel saving potential in NEDC cycle for advanced gasoline engine technology application (Base: state of the art 2.0 L 4-cyl. MPFI engine, AFR=1) [17]

Variable Charge Motion 4V Engines by means of Ports Deactivation – AVL CBR

5 - 8%

Variable Charge Motion 2 Valve Engines by means of cam-phasing devices – AVL CBR

4 - 5%

Direct Gasoline injection Gen. 1 (wall/air guided) – AVL DGI 1 8 - 13%

Direct Gasoline injection Gen. 2 (spray guided) – AVL DGI 2 13 - 18%

Downsizing of Turbocharged Engines – AVL DGI -tc 12 - 15%

Mechanical Variable Valve Actuation 5 - 12%

Electro Hydraulic Variable Valve Actuation 8 - 18%

Homogenneous Charge Compression Ignition. AVL CSI 12 - 16%

SKRAĆENICE: AFR-Air Fuel Ratio; DGI-Direct Gasoline Injection; MPFI-Multi Point Fuel Injection; VVA-Variable Valve Actuation; VVT-Variable Valve Timing; CSI- Compression Spark Ignition combustion system, combination of HCCI compression ignition at part load and spark ignition at full load; HCCI- Homogeneous Charge Compression Ignition; EHVS- Electro-hydraulic Valve Actuation System; EMVT- Electro-magnetic Valve Train; EGR-Exhaust Gas Recirculation; SULEV-Super Ultra Low Emission Vehicle; OBD- On Board Diagnosis; CBR-Controlled Burn Rate combustion system; EMS-Engine Management System; SG- Starter Generator (42V power supply); CP-Cam Phaser for camshaft; CR-Compression Ratio; EVO, EVC-Exhaust valve opening and closing; IVO, IVC-Intake valve opening and closing; DoE-Design of Experiments; TDC-Top Dead Center

Za sada smo napravili i ispitali, u našoj laboratoriji na fakultetu u Kragujevcu, jednocilindrični motor sa promenljivim stepenom kompresije (od 8 do 16). Za A-TWIN motor (radne zapremine 1.5-2 L) sa automatski promenljivim stepenom kompresije smo odlili, u PDM-u, i obradili cilindarski blok i cilindarsku glavu od aluminijuma. Ostale delove pripremamo.

5

SIMULTANI RAZVOJ MOTORA I GORIVA ZA VOZILA

Tokom industrijskog vađenja nafte prognoze o njenim rezervama nikada nisu bile optimističke. Prema proračunima na evropskom energetskom Internet portalu (www.energy.eu) na osnovu sada poznatih rezervi i trenutne potrošnje, sva preostala fosilna goriva biće potrošena vrlo brzo, sl.8. Prvo će, procenjuje se, nestati nafte. Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22. oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati. Sledeći u redu "ugroženih energenata" je prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da budu potrošene 12. novembra 2068. godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do 19. maja 2140. u 20.05, a nuklearnih sirovina do 2144. U saopštenju se naglašava da su ovako precizne "satnice" date da bi se javnosti što dramatičnije predstavilo stanje na sektoru fosilnih izvora energije i ukazalo na potrebu štednje, racionalne potrošnje i hitnog aktiviranja delimično obnovljivih izvora.

Figure 8 Sumorne prognoze energetske budućnosti

Figure 9 Političke strategije o ekonomičnosti vozila u sad i potrošnji goriva do 2025.g. (flajer, za široku upotrebu, nove strategije)!?

Za predsedničke izbore 2000. tadašnji kandidat Al Gor je sastavio program „CAFE- Corporate Average Fuel Economy tzv. dramatičnog progresa“ u automobilskoj industriji (kasnije kao „utehu“ dobio Nobelovu nagradu za ekologiju!?). Sudskom odlukom je pobedio Dž. Buš na izborima 2000. a njegov tim je negirao CAFE ciljeve. Bušova administracija je otvorila tzv. "hidrogensku“ eru u oblasti vozila. U ličnoj izjavi Buš je obećao Amerikancima da će uskoro biti „rođen prvi Amerikanac u čistom okruženju“. Ni kasnije praksa nije promenjena. Za primer navodimo odluku aktuelnog predsednika Obame koji tokom ultimativnog razrešavanja američke ekonomske krize (29. jula 2011.) preko noći donosi predsedničku odluku o ekonomičnosti vozila od 4,4 litra/100 km u 2025.g. da bi se (!?) prepolovila potrošnja nafte (uz jedan nenaglašeni simbol za elektro pogon vozila!) [18], slike 9.

Videli smo da razvoj tehnike dozvoljava simultano vođenje radnog procesa po oto i/ili dizel ciklusu prema uslovima vožnje. Takve motorske slobode nude veliko tehnološko olakšanje naftnoj industriji u formulaciji jednog novog (a istog za oto i dizel motore) energijski efikasnijeg i ekološki prihvatljivijeg goriva. Multiprocesni motor radi, sa

6

promenljivim stepenom kompresije, kao oto pa se gorivu dodaju alkoholi (oktanski broj preko 100) kao aditivi za podizanje oktanskih vrednosti (EU premium benzini imaju 95). Analogno, kada multiprocesni motor, sa promenljivim stepenom kompresije, radi kao dizel onda su aditivi bio-dizeli (cetanski brojevi do 80) za podizanje cetanskih kvaliteta goriva (standardni dizeli imaju oko 50 cetana)!

Motori sa promenljivim stepenom kompresije (CVCR- Continuously Variable Compression Ratio) i vrhunskom softverskom podrškom mogu da se prilagode svakom naftnom i alternativnom gorivu, ili njihovim mešavinama. Optimizacije na takvim motorima su vezane za opremu kojom se prirodni gas (ili bilo koje drugo alternativno gorivo) direktno uvodi u radne cilindre. Stepen kompresije se samoregulacijom adaptira prema motornom kvalitetu goriva, a radni procesi vode po prvostepenim zahtevima: ekonomičnost, snaga, ekologičnost, buka i tako dalje.

Završni deo izlaganja posvećujemo budućim gorivima. Današnje rafinerije imaju sopstvenu potrošnju od 10 do 15 % ukupne količine prerađene nafte zavisno od sirovine i od toga koju vrstu goriva proizvode, slika 10. Ako uvedemo motore sa promenljivim stepenom kompresije (tipa Diesel-Otto) onda više ne bismo imali podele na „benzine“ i na „dizel goriva“. Veliki tankeri već direktno koriste prečišćenu naftu, koju prevoze, kao gorivo. Dovoljno je imati jedno energijski i ekološki definisano gorivo njegovom toplotnom moći. Tada su suvišni kompleksi kao „oktanski“ ili „cetanski“ brojevi i samim tim komplikovana rafinerijska postrojenja za „visokooktanske benzine“, za „visokocetanske dizele“ i slično. Rafinerije bi manje trošile, više proizvodile i nudile energijski i ekološki kvalitetnija goriva. Vozila, motori i goriva su se razvijali i razvijaće se SIMULTANO!

Nacionalna strategija u oblasti vozila podrazumeva jasnu i definisanu energetsku politiku. U našim državnim bilansima saobraćajna sredstva angažuju preko 50% nafte, a uvozne količine (3/4) su višestruko veće od domaćih rezervi (1/4). Da bi se imao osećaj o redu veličina treba znati da je ukupna ugradjena snaga motora u našem voznom parku 10-15 (deset do petnaest!) puta veća od instalisane snage u svim domaćim elektro centralama. Pri celovitim analizama ekonomskih, saobraćajnih i socijalnih povezanosti korišćenja motornih vozila ne sme se zaboraviti uticaj vozača. Svrsishodnost vožnje i logistika kroz čitav životni vek vozila je po troškovniku daleko uticajnija od direktnih investicionih izdataka za njihovu proizvodnju.

CONCLUSIONS

Ono što se zaboravlja u svim dosadašnjim studijama iz ekologije jeste energijsko zasićenje okoline na našoj Planeti. Svaki angažovani energijski sadržaj: iz vasione, iz zemljine utrobe, iz energenata ili od svakodnevnih životnih aktivnosti ostaje u našem okruženju kao parazitski sadržaj koji menja ekološke i genetske uslove na Zemlji.

Svaka pomisao na neograničene izvore energije je put ka potpunom uništenju života na našoj Planeti. Usklađivanje demografskog rasta, na nivou svake generacije, sa racionalnim angažovanjem energije je pitanje profesionalne savesti ne samo tehnički obrazovanih lica. Poboljšanje sredstava rada -mašina i postrojenja- je osnovni put za podizanje energetskog i ekološkog kvaliteta života. Svi živi organizmi traže ugodnu termičku sredinu i njeno obe-zbeđenje je prvi član po važnosti u energetskim bilansima.

Zadovoljenje globalnih ciljeva, kao što su povećanje ekonomičnosti i smanjenje emisije, mogu se smatrati najvažnijim pečatom kvaliteta za svaku perspektivnu konstrukciju vozila.

7

Figure 10 Budući transport -na jednoj vrsti goriva- neće biti baziran na skupim, komplikovanim i neracionalnim rafinerijama jer će vozila raditi na čistoj nafti plus aditivi

ACKNOWLEDGMENTS

The paper is the result of the research within the project Tr 35041 financed by the Ministry of Science and Technological Development of the Republic of Serbia.

REFERENCES

[1] D. Gruden: „Traffic and Environment”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003, Printed in Germany, p. 1-293, ISBN 3-540-00050-x

[2] Gruden, D. Richter, H. 1984. "Torque characteristics and fuel efficiency of various gasoline engine concepts", SAE 841284

[3] O. Lang, K.I. Yapici, H. Kemper, S. Pichinger, “Downsizing with variable compression ratio – alternative or supplement for hybrid power – trains?”, Proceedings, 16th International AVL Conference “Engine & Environment”, September 9th & 10th, 2004.

[4] Veinović, S. Pešić, R. Janićijević, N. Dragović, T.” Fuel flexible engines: two and four stroke engines with variable compressions ratio”, XI-ISAF, Internal. Symposium on Alcohol Fuels, Volume One, p.52-57. Sun City, Soth Africa, 14-17 april 1996.

[5] Pešić, R.1985. "Contribution to increase of economics of the Otto engine with the variable degree of compression" (In Serbian) M. Sc. Thesis, Faculty of Mechanical Engineering, Kragujevac, 1985. Yugoslavia,

[6] M. Radovanović, S. Veinović, B. Veselinović, D. Banić: »Yugoslav approach to the solution to ecological environment problems», SAE Technical Paper Series 912428

[7] Paul Ernst Kapus, Kurt Prevedel, Wolfgang Bandel [AVL], “Potentials of Engines with Variable Compression Ratio”, MTZ, Volume 73, May 2012, pp. 34-39.

[8] Pejčić, V. 1932. Four - stroke engine with internal combustion with variable compression ratio depending on loading, ( In Serbian) Patent application, 13. August. 1932. Valid since 1. February 1933. Patent release No. 10349 published 1.September 1933.

[9] Pouliot, H.W. a.a. 1977." A variable displacement SI engine", SAE paper 770114.[10] Pesic, R. Veinovic, S. Davinic, A. Yugoslav Patents 1012/92; 1013/92; 1014/92; 1015/92[11] Kapus, P., Denger, D., Holland, T.: “Intelligent Simplification – Ways Towards Improved Fuel Economy”, SAE

2002-01-0236 [12] R. Pešić, K. Golec, E. Hnatko, H. Kaleli & S. Veinović: Experimental engine with flexible otto or diesel cycle

(VCR- variable compression ratio), - IAT '03, Koper/Portorož, p. 281- 290., April 24-25, 2003.[13] P. Kreuter at all, The turbo-charged SI- Engine with Variable Compression Ratio, 26. Internationales Wiener

Motorensymposium, 28. April-29. April 2005[14] R. Pešić: “ASMATA” Automobile steel materials parts substitution with aluminum, Mobility & Vehicle

Mechanics - International Journal for Vehicle Mechanics, Engines and Transportation Systems, ISSN 1450 –5304, Volume 30, December 2004. pp. 1-166.

[15] FUTURE TECHNOLOGY/CONCEPT > Variable Compression Ratio Piston-Crank System, http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.html , NISSAN TECHNOLOGY MAGAZINE, accessed on 30. 03.2012.

[16] Daniel M. Hancock, CEO, FIAT-GM Power train, “Future Power-train systems: Evolution or Revolution?” Proceedings, 16th International AVL Conference “Engine & Environment”, September 9th & 10th, 2004.

[17] Friedl H., Kapus P., “Trends in Gasoline Engine Technology”, Silniki spalinowe, Nr 2/2005, (121), pp. 3-19.[18] We Can't Wait: Obama Administration Proposes Historic Fuel Economy Standards to Reduce Dependence on

Oil, Save Consumers Money at the Pump, http://www.whitehouse.gov/the-press-office/2011/11/16/we-cant-wait-obama-administration-proposes-historic-fuel-economy-standar , November 16, 2011.

8