BUDAPESTI M SZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM
KALORIKUS GÉPEK MÉRÉSEI - Bels égés motor mérés-
ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK
A MÉRÉSEKHEZ ALKALMAZOTT BERENDEZÉSEK A motorfékpadi kísérletek során szimuláljuk a valós viszonyokat, amihez szükségünk van különféle mér m szerekre, jeladókra, adatgy jt kre és nem utolsósorban megbízható kiszolgáló rendszerekre, mint pl. a h t és tüzel anyag rendszer. Ezeket együttesen kísérleti motorfékpad egységnek tekinthetjük, és az alábbiakban ismertetjük részletesen.
A méréseknél használt VW 1.9 TDI motor A VW-AUDI 1.9 TDI motor a TDI motorcsalád els generációjából származik. 1992 és 1994 között szerelték ezeket az Audi 80-as, 100-as és a VW Passat személygépkocsikba.
1. ábra. A VW-AUDI 1.9 TDI motor égéstere Felépítését tekintve egy négyhengeres, nyolcszelepes, közvetlen befecskendezés (direkt befecskendezés ) feltöltött dízelmotor, tölt leveg -h t vel és kipufogógáz-visszavezetéssel. Ez a motorcsalád –kisebb változtatásokkal- egészen a PD, illetve a Common-Rail rendszer befecskendezés elterjedéséig gyártásban maradt. Így joggal nevezhetjük napjaink korszer személyautó dízelmotorjának. F bb paraméterei: Henger rtartalom: Maximális teljesítmény: Maximális nyomaték: Dugattyúátmér : Dugattyúlöket:
1896 cm3 66 kW (4000 1/perc) 182 Nm (1900 1/perc) 79,5 mm 95,5 mm
Hajtókar hossza: Kompresszió viszony:
119 mm 19,5 : 1
Fékpadi rendszer Ahhoz hogy a küls hatások közül a legfontosabbat, a terhelést létrehozzuk, mesterségesen kell a terhelést létre hoznunk, azaz a motort fékezni kell. Erre a célra a következ pontban ismertetett örvényáramú féket használjuk. A motor h tésér l –saját h t és menetszél híján- külön kell gondoskodni víz-víz h cserél kkel. A fék A bels égés motorok vizsgálatánál alapvet a megfelel terhel (fékez ) rendszer. A motorok és az azokat min sít szabványok fejl dése folyamatosan újabb fékgépek és rendszerek kialakulást kívánja meg. Az egyik legelterjedtebb fékgép típus az úgynevezett örvényáramú fék. A motor a fékgép forgórészét hajtja, amelyre egy lágyvasból készült, kistehetetlenség fogazott tárcsa van rögzítve. A tárcsa a „kvázi” állórész gerjeszt tekercsei között forog, melyet egyenárammal gerjeszt a fék szabályzó elektronikája. Az indukálódó örvényáram a tárcsát fékez mágneses teret hoz létre, amely fékezi a forgó részt. A fékezés függ a gerjesztést l, így a gerjesztés segítségével jól szabályozható a fékez nyomaték, ami jelent s el nye ennek a fékgép típusnak. A fékgép „kvázi” állórésze is csapágyazva van a tartószerkezethez, és elfordulását egy er mér cella akadályozza meg. Az er mér cella segítségével mérhet a fékez nyomaték.
2. ábra. Az alkalmazott fékgép különböz üzemmódjai Méréseink során egy Borghi - Saveri típusú örvényáramú féket használtunk, melynek legf bb el nye az elektromos szabályzás és az összeköttetés a mérést vezérl PC-vel. Lehet ség nyílik különböz fékezési üzemmódok kialakítására. M=áll. üzemmód esetén állandó nyomaték mellett
lehet mérni a motor fordulatszámától függetlenül. Az n=áll. üzemmódnál a beállítható állandó fordulatszám mellett lehet mérni a motor nyomatékától függetlenül. Az Mn2 üzemmód, pedig a járm vek esetén fellép terhelést szimulálja. Fék jellemz i: Típus: M ködési elv: Üzemmódok: Fordulatszám tartomány: Maximális teljesítmény: Maximális nyomaték:
Borghi – Saveri FE 350 S örvényáramú fék n=állandó, M=állandó, Mn2 100-8000 1/perc 257 kW 1400 Nm
Tüzel anyag rendszer A rendszer feladata a motor ellátása a szükséges mennyiség tüzel anyaggal, biztosítva a megfelel sz rést és a fogyasztás szükség szerinti mérését. A motor fogyasztásának mérésére egy tömegmérés elvén m köd (gravometrikus) AVL- 7131-06 berendezést alkalmazunk, jellemz i a következ k: Típus: A tömegmér cella terhelhet sége: Mérés tartomány: Mérési pontosság: Tüzel anyag h mérséklet mérési tart.:
AVL- 7131-06 600 g 0…50 kg/óra ± 0,12% 0…60 C°
A m szer m ködése közben egy edénybe tüzel anyagot enged egy mágnes szelepen keresztül. Amikor a tüzel anyag elérte a megfelel szintet, a bemen szelep elzár, a motor az edényb l fogyaszt. Az edény tömegét kapacitív cella segítségével méri, az eltelt id vel együtt. Két alapvet mérési módszer segítségével lehet a mérést végrehajtani: adott id alatt elfogyasztott tüzel anyag tömegét, vagy egy adott tömeghez tartozó fogyasztás idejét határozza meg a berendezés vezérl egysége. Mindkét módszer esetén a fogyasztást kg/h-ban jelzi ki.
3. ábra. A fogyasztásmér felépítése
Adatgy jt rendszer: A h mérsékletek mérésre a közeg h mérséklete függvényében Fe-Ko (J típus) illetve Ni-CrNi (K típus) termoelemeket alkalmazunk. A mérések elvégzéséhez több termoelemet építettünk be: pl. a leveg térfogatáram mér kompenzáció ellen rzésére, a szívó vezetékben közel a szívó szelephez, valamint a kipufogócs ben. A termoelemek feszültség jelét kompenzáló vezetéken csatlakoztatjuk a termoelem bemenet A/D konverterhez amely végre hajtja a szükséges hidegponti kompenzációt (CJC) is. A mér rendszerben alkalmazott RS-485-ös protokollú adatgy jt rendszer az egyik legkorszer bb ipari adatgy jt -vezérl rendszer. Az egyes modulok egymással vagy a vezérl számítógéppel egy érpáron keresztül, sorosan kommunikálnak. El nye a rendszernek, hogy viszonylag közel lehet telepíteni az egyes átalakítókat a jeladókhoz, így lényegesen javul a jel-zavar viszony. Az adatgy jt rendszer és a vezérl számítógép RS-485/RS-232 konverteren keresztül van kapcsolatban. A számítógépen saját fejlesztés LabView programnyelven írt program vezéreli a méréseket, –beleértve a fogyasztás és az emisszió mérést is– végezi a jelfeldolgozást és a kiértékelést.
Emisszió mér rendszer A motorból a kipufogógáz a turbótölt után a gyárilag is beépített katalizátorba, majd két zajcsillapító kipufogódobba jut. Innen csatlakozik a fékterem gy jt hálózatára és kerül a kéménybe. Az emisszió méréshez a füstgáz mintavételezésére lehet ség nyílik a katalizátor el tt és utána is. Bár a valóságot jobban megközelít mérési eredményeket a katalizátor után kapjuk, a mérés során a katalizátor el tti cs szakaszból veszünk mintát, mivel a katalizátor elmosná pl. két tüzel anyag eltér szénhidrogén emissziója közti különbséget. HORIBA MEXAMEXA-8120 F emisszió mér rendszer A HORIBA gyártmányú mér rendszert nehézüzem Otto-motorok és személygépjárm Dieselmotorok folyamatos és direkt emisszió mérésére fejlesztették ki az US szövetségi regiszter Vol. 42 No. 174 (1977) szabványának megfelel en. Azóta a mér rendszert és annak kialakítását elfogadja az ENSZ EGB 49.03 sz. el írás illetve az ESC (EEC Directive 88/77, EEC Journal Officiel L36, 8 Feb. 1988) vizsgálat is. A berendezés jelenlegi kiépítettségében 4 csatornás, a CO, CO2, THC és NO/NOx kibocsátás mérésére alkalmas. Az egyes csatornák típusa: CO elemz : AIA-23 (HORIBA), mérési elv: NDIR (nem-diszperzív infravörös), mérési tartományok: 0-0,1 és 0-0,5 V/V % CO2 elemz : AIA-23 (HORIBA), mérési elv: NDIR (nem-diszperzív infravörös), mérési tartományok: 0-8 és 0-16 V/V % THC elemz : FIA-22 (HORIBA), mérési elv: H FID (f tött lángionizációs), mérési tartományok: 0-10, 0-20, 0-50, 0-100, 0-200, 0-500, 0-1000, 0-2000 és 0-5000 ppm
NO/NOx elemz : CLA-53 mérési elv: H CLD (kemiluminescens), mérési tartományok: 0-10, 0-20, 0-50, 0-100, 0-200, 0-500, 0-1000, 0-2000 és 0-5000 ppm F bb paraméterek: Minta térfogatáram: 15 l/perc, F tött elemek h mérséklete: 190 °C, Bemelegedési id : 2 óra, Beállási id : 5 sec. (5 méteres mintavev vezeték esetén), Minta h tési h mérséklete (NDIR elemz k): 5 °C, Elektromos h tés (CLD): 7 °C, A berendezés a mintát el ször a el f tött mintavev csövön (pre-sample) a magas h mérséklet kamrába szívja, ahol két sz r után jut a minta szállító szivattyúba. Innen jut a minta a mér rendszerbe f tött mintavev vezetéken keresztül. Itt szintén a f tött minta elosztóvezetékb l a minta négy irányban halad tovább; az NDIR érzékel k h t h cserél jébe, f tött kapillárison a H FID érzékel höz, és a H CLD érzékel irányába a NO/NOx konverter választó szelepeihez. A felesleg a by-pass ágon a nyomásszabályzó után a füstgázágban távozik. A NDIR (CO, CO2) ág egy további sz r után az érzékel k minta, nulla- és kalibráló gáz kiválasztó és szabályzó szelepei után jut az érzékel khöz. Innen a csatornák mennyiség ellen rz rotaméterei után jut a gy jt füstgázágba és távozik a rendszerb l. A H CLD (NO/NOx) ág a konverter és annak kiválasztó szelepei (NO vagy NOx) után az elektromos h t és egy sz r után jut az érzékel be, ahol reagál az ózongenerátorból érkez vel O3-val. A mérés után a vákuum szivattyú juttatja a mintát a gy jt füstgázágba. Az ellen rz rotaméter a by-pass ágban van építve. A H FID (THC) ág egy további f tött mintavev vezetéken keresztül jut az érzékel höz, innen egy nyomásszabályzó és az ellen rz rotaméter után távozik gy jt füstgázágba.
4. ábra. HORIBA MEXA-8120 F emisszió mér rendszer felépítése 1. magas h mérséklet kamra, 2. választó szelep, 3. Sz r I., 4. Sz r II., 5. mintaszállító szivattyú, 6. Rotaméter, 7. H mérséklet jeladó (szabályzás), 8. H mérséklet jeladó (adatgy jtés), 9.F tött mintavev , 10. Kapilláris, 11. Minta elosztó vezeték, 12. Szabályzó Szelep, 13. Sz r , 14. H t h cserél , 15. Olaj és kondenz leválasztó, 16. Kondenz edény, 17. Szelep egység, 18. Leveg sz r , 19. Tisztítógáz h cserél , 20. Tisztítógáz szivattyú, 21. NO kalibráló gáz nedvesít , 22. H t egység, 23. Víz keringet szivattyú, 24. Szelep egység, 25. Leveg szabályzó szivattyú, 26. Analizátor, 27. Szivattyú, 28. Szelep, 29. Nyomásszabályzó, 30. Nyomásmér , 31. Nyomásszabályzó, 32. Rotaméter, 33. Szelep, 34. NO-NOx konverter, 35. Szelep, 36. Elektromos h t , 37. Sz r , 38. Ózon bontó, 39. Vákuum szivattyú, 40. Sz r , 41. Ózon el állító generátor, 42. Szelep, 43. Nyomásmér , 44. Rotaméter, 45. Puffer tartály, 46. Szelep, 47. Szelep, 48. Nyomásszabályzó, 49. Ellen rz szelep. I. THC Kalibráló gáz, II.CO Kalibráló gáz, III. -, IV. CO2 Kalibráló gáz, V.-, VI. NOx Kalibráló gáz,VII. Nullagáz (N2), VIII. Nullagáz (THC), IX. O2 (ózongenerátorhoz), X. Szint. leveg (THC), XI. H2 (THC), XII. N2, XIII. NO-NOx konverter ellen rz bemenet, XIV. Kondenz kilépés.
Az AVL 415 füstölésmér berendezés: A füstgáz koromtartalmának vizsgálatára közvetlen a motor mellé telepített füstölésmér berendezést használunk, ennek f bb adatai: Típus: Gyártó: M ködési elv: Mérési tartomány: Felbontás:
AVL 415 AVL LIST Gmbh. Fotodiódás kiolvasású, sz r papír elfeketedés mérés mg/m3 (0..31999);cm3;FSN (0..9,99); 0,01 FSN (mg/m3)
Beállási id : 1 sec. Mérési id : 6 sec. Minta térfogat áram: 1 liter/perc A füstölésmér által szolgáltatott adatokat mg/m3-ben regisztráljuk.
5. ábra. Füstölésmér m ködése
1. sz r papír tekercs, 2 füstgázminta csatorna, 3 optikai kiolvasó, 4. mozgató mechanizmus, 5 térfogatáram mér , 6 mágnes szelep, 7 minta szivattyú.
A MÉRÉSCÉLJA: Egy állandó fordulatszámon a motor fajlagos fogyasztásának, és füstölésének mérése és az effektív középnyomásának meghatározása különböz terhelések esetén Fajlagos fogyasztás: A motor alapvet jellemz je a tüzel anyag fogyasztása, ami a munkafolyamat fenntartására fordított tüzel anyag tömeg- vagy térfogatáramával illetve a bejuttatott h -árammal jellemezhet . Ezen értékek alapvet en függnek a motor teljesítményét l, ezért a P [kW] teljesítményre vonatkoztatott B [g/h] a fajlagos tüzel anyag-fogyasztás használata terjedt el. B& b = [g/kWh] P Effektív teljesítményb l meghatározható az effektív középnyomás:
ahol:
D2 pe *s 4 pe * V L * z * n Pe = *z*n= [kW] i i * 1000 * 1000 2 2 pe [N/m2] - effektív középnyomás D [m] - hengerátmér s [m] - löket z [-] - hengerszám n [1/sec] - fordulat i [-] - m ködések száma
A VW-AUDI 1.9 TDI motor felépítése
A VW-AUDI 1.9 TDI motor karakterisztikája
HIVATKOZÁSOK [1]
1,9l-TDI-Motor mit Abgasreinigung, Selbststudienprogram, VW-AUDI
[2]
AVL 415 usersmanual, AVL LIST Gmbh
[3]
Borghi – Saveri usersmanual, FE 350 S
[4]
Dr. Meggyes A.- Dr. Bereczky Á.: Bels égés motorok
