TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Funkční vzorek vozidlového motoru EA111.03E-LPG Funkční vzorek vozidlového motoru EA111.03E-LPG je výsledkem výzkumných, vývojových a optimalizačních prací, prováděných v laboratoři (zkušebně motorů) Katedry vozidel a motorů (KVM) na FS TU v Liberci v rámci programu Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka (VCJB) a spolupráce VCJB se Škoda Auto a.s. Původní motor EA 111.03E pro realizaci funkčního vzorku motoru EA111.03E-LPG byl připraven útvarem vývoje motorů fy ŠA. V laboratoři KVM byl motor EA111.03E vybaven běžnou i nadstandardní měřicí technikou (vysokotlaká a nízkotlaká indikace, analýza výfukových plynů, vizualizace hoření), motor byl doplněn palivovým příslušenstvím na LPG typu LandiRenzo Omegas a k systému kabeláže EŘJ pro řízení původního motoru byla připojena kabeláž EŘJ pro palivovou sestavu na LPG. Vícebodový vefuk plynného LPG do sacího potrubí je proveden trubičkami upevněnými do plastového sacího potrubí motoru s vyústěním v těsné blízkosti vnitřní stěny sacího potrubí. Vefukovací tlak plynného LPG je 1 bar nad hodnotou tlaku v sacím potrubí motoru (za škrticí klapkou), regulaci tlaku zajišťuje odpařovač LPG s regulátorem (typ IG1). Motor EA111.03E-LPG instalovaný na zkušebním stanovišti ukazují fotografie na obr. 1 a 2, umístění skupiny elektromagnetických ventilů pro přívod LPG hadičkami k trubičkám na sacím potrubí zkušebního motoru ukazuje fotografie na obr.3.
Obr.1: Motor EA111.03E-LPG byl na zkušebním stanovišti připojen k asynchronnímu dynamometru ASD 235 M250. Měření všech veličin byla prováděna s automatizovaným (elektronickým) sběrem dat. 1
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Obr.2: Pohled na celkové uspořádání motoru EA111.03E-LPG na zkušebním stanovišti.
Obr.3: Elektromagnetické ventily pro přívod plynného LPG do sacího potrubí motoru. 2
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Vlastnosti funkčního vzorku motoru EA111.03E-LPG (výkonové a provozní parametry pracovního oběhu, výfukové emise) ukazují grafy na obr.4 až 6. Mt-BA
Pe-BA
tvýf-LPG
tvýf-BA
950
100
925
90
900
80
875
70
850
60
825
50
800
40
775
30
750 opakované měření
20
725
10
700
2000
2500
mpe-BA
3000
3500 4000 n [1/min]
mpe-LPG
4500
tvýf-BA
5000
5500
tvýf-LPG
1700
840
1450
800
1200
760
950
720
700
680
n = 2000 1/min
450
tvýf [ C]
1500
mpe [g/kWh]
tvýf [oC]
Pe-LPG
110
0
Mt [Nm], Pe [kW]
Mt-LPG
parametry,
640 600
200 0
20
40
60
80
100
M t [Nm]
Obr.4: Výkonové a provozní parametry motoru EA111.03E-LPG ve vybraných provozních režimech v porovnání s korespondujícími parametry původního motoru (změřené, nekorigované hodnoty). Motor EA111.03E-LPG má proti původnímu motoru při provozu na BA-95 nižší hodnotu Mt/max o cca 4%, jmenovitý výkon motoru při provozu na LPG je o 6% nižší proti provozu motoru na BA-95. Poněkud nižší měrná spotřeba paliva při provozu na LPG je dána vyšší výhřevností LPG, parametry pracovního oběhu (obr.5) naznačují i možné zvýšení celkové účinnosti motoru EA111.03E-LPG. Příznivý efekt má provoz na LPG na snížení teploty tvýf.
3
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Pmax [bar]
pmaxtop-BA
VARpmax-BA
12
85
11
80
10
75
9
70
8
65
7
60
6
55
5
50
4
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
VARpmax [%]
pmaxstř-BA
90
5500
n [1/min]
Obr.5: Výzkumné a optimalizační práce na motoru EA111.03E-LPG byly zaměřeny i na podrobné vyšetřování parametrů pracovního oběhu motoru (termodynamika pracovního oběhu – parametr hoření, průměrné hodnoty a variabilita tlaků pro 150 po sobě následujících pracovních cyklů motoru, špičkové hodnoty spalovacích tlaků z hlediska mechanického zatížení klikového ústrojí). Výsledky ukázaly, že při provozu motoru na LPG jsou průměrné hodnoty pmax vyšší o cca 5 bar proti provozu na BA-95 (průběhy pro LPG jsou zakresleny silnými čarami - provoz motoru na LPG se vyznačuje i významně nižší variabilitou pmax). Vlivem variability jsou potom ve válci špičkové hodnoty pmaxtop proti průměrným hodnotám pmax vyšší o 5 až 10 bar – vysoké hodnoty pmaxtop jsou v oblasti vyšších otáček kompenzovány účinkem setrvačných sil posuvných hmot klikového mechanizmu a nejsou pro motor nijak rizikové. CO2
15
30
14
25
13
20
12
15
11
10
10
5
9
0
8
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
CO2 [%]
NOx [ppm]
NOX
35
5500
n [1/min]
Obr.6: Emisní vlastnosti motoru EA111.03E-LPG jsou z hlediska výfukových škodlivin prakticky srovnatelné s emisními vlastnostmi motoru při provozu na BA-95. Graf ukazuje koncentraci NOx a CO2 (měření ve vzorku suchých výfukových plynů za katalyzátorem), tenké čáry jsou pro BA-95, silné pro LPG. Vyšší koncentrace NOx při provozu motoru na LPG korespondují s vyššími tlaky pmax ve válci. Významným efektem provozu na LPG jsou nižší koncentrace CO2 ve výfukových plynech (důsledek menšího hmotnostního obsahu C v 1 kg LPG proti obsahu C v 1 kg BA i zvýšení celkové účinnosti).
4
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Výsledky provedených měření na motoru EA111.03E při jeho provozu na BA95 a na LPG (tvoření směsi vícebodovým vefukem, palivový systém LandiRenzo) prokázaly, že varianta motoru EA111.03E-LPG vykazuje kvalitní výkonové i emisní parametry. Regulace seřízení motoru (předstih zážehu, bohatost směsi) podle původní EŘJ, kterou byl motor vybaven z útvaru vývoje motorů Škoda Auto, je pro provoz motoru na LPG vyhovující jak z hlediska parametrů pracovního oběhu motoru (pmax, pmaxtop), tak s ohledem na průběhy teplotního zatížení nejexponovanějších dílů a příslušenství motoru (výfukové potrubí, katalyzátor). Zmenšením míry obohacování směsi při provozu na LPG by bylo možné dosáhnout určitého zvýšení výkonu motoru ve vyšších otáčkách, úprava regulační křivky by však zřejmě ovlivnila i tvýf při provozu motoru na BA a z tohoto důvodu je nutno rozhodnutí o příp. změně zvážit i s ohledem na rezervu, která je k limitní hodnotě tvýf při provozu motoru na BA. Varianta motoru EA111.03E-LPG s tvořením směsi vícebodovým vefukem plynného LPG je z hlediska výzkumu dotažena na úroveň, se kterou lze bez rizika poškození motoru pokračovat v dalším vývoji pro přípravu do výroby. Určité riziko však představuje kvalita (často spíše nekvalita) LPG, která v dlouhodobějším provozu může vést k poruchám palivového systému pro LPG (agresivita na pryžové elementy v odpařovači a regulátoru tlaku). Z tohoto pohledu lze jako perspektivní variantu doporučit orientovat pokračování vývoje motoru EA111.03E-LPG i na tvoření směsi vícebodovým vstřikováním kapalného LPG.
prof. Stanislav Beroun
5
