Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére

Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére Dús

Szegény

Teljesítmény

Légviszony

Összeállította: Szűcs Gábor Dr. Németh Huba Budapest, 2013

MŰEGYETEM GÉPJÁRMŰVEK TANSZÉK

Tartalom 1.

Mérés célja ............................................................................................................................ 3

2.

A méréshez áttanulmányozandó anyag ................................................................................. 3

3.

A mérés leírása ...................................................................................................................... 3

3.1

Mérőberendezések ismertetése.......................................................................................... 3

3.1.1

Fékgép ........................................................................................................................ 3

3.1.2

Tüzelőanyag mérés .................................................................................................... 7

3.1.3

CO mérés.................................................................................................................... 7

3.1.4

Légfelesleg mérés ...................................................................................................... 9

3.2

Motor adatlap .................................................................................................................. 10

3.3

A mérés végrehajtása ...................................................................................................... 11

4.

Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések ............................................................ 12

4.1

Kiértékelt motorjellemzők, számítás menete .................................................................. 12

4.2

Effektív teljesítmény ....................................................................................................... 12

4.3

Effektív középnyomás ..................................................................................................... 13

4.4

Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás ................................................................... 13

4.5

Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás ................................................................... 14

5.

Kiértékelés, jegyzőkönyv tartalma ...................................................................................... 14

6.

Irodalomjegyzék .................................................................................................................. 15

MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

2


1. Mérés célja A keverék-összetétel hatásának vizsgálata a benzinmotor teljesítményére, fogyasztására és COkibocsátására.

2. A méréshez áttanulmányozandó anyag Ajánlott irodalom: 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu:

Belsőégésű

motorok

tervezése

és

vizsgálata,

Budapest,

Tankönyvkiadó, 1992. Áttanulmányozandók a 3.2, 3.3.1, 4.2, 5.3.1, 7.3.2,11.1, 16.1 és a 16.3 fejezetek. 2. Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, 1998. Áttanulmányozandók a 3.1.2 és 3.2.1 fejezetek. 3. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Keverékképző rendszerek és Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME

3. A mérés leírása 3.1 Mérőberendezések ismertetése 3.1.1

Fékgép

A berendezés elvi vázlata az 4. ábrán látható. A turbótöltésű, levegő-visszahűtésű benzinmotor Borghi-Saveri FE150S típusú örvényáramú fékpadra van kapcsolva. A mérést az EnergotestMF számítógépes merőrendszer segítségével végezzük el. A villamos örvényáramú fékpad jellemzője, hogy a fékezőnyomaték-fordulatszám görbe gyakorlatilag tetszőlegesen szabályozható, ezen kívül ezek a fékpadok egyszerűen automatizálhatók. A villamos örvényáramú fékpad állórésze és forgórésze között mágneses hatás hozza létre a fékezőnyomatékot. Az állórészben gerjesztő tekercsek vannak, amelyekben egyenáram folyik. A fogazott tárcsa alakú forgórész forgatáskor az állórészben örvényáramok indukálódnak. Ezek az örvényáramok a tárcsán fékező mágneses erőtereket hoznak létre, és a motor mechanikai munkáját hőenergiává alakítják át. Ezért az állórészt vízzel hűteni kell. A gerjesztőáram a


3


fékgép szabályozóegysége által állítható, amely által különböző terhelési karakterisztikákat tud megvalósítani. A felhasznált visszacsatolt jelek a motorfordulatszám és a nyomaték.

A Borghi-Saveri FE 150S fékpad legfontosabb üzemmódjai a következők: - Fordulatszámtartó üzemmód (α-n) - Nyomatéktartó üzemmód (α-M) - Munkaponttartó üzemmód (M-n) - Fordulatszámmal négyzetes nyomaték karakterisztika (járműellenállás) - Külső gerjesztő-jel feldolgozása A fenti üzemmódok közül a fordulatszámtartó üzemmódra van szükség a mérések során, mivel előre definiált fordulatszámokon kell a mérést kivitelezni.


4


1. ábra A mérőberendezés felépítése

A Borghi-Saveri fékpad szabályozóegysége egy mérésadatgyűjtő egységen keresztül kapcsolódik a mérő/vezérlő számítógéphez. Ez az egység további vezérlő és mért jeleket dolgoz fel.


5


2. ábra A Borghi-Saveri FE150S fékgép határgörbéje

A motor terhelési szintjének beállításához az állandó fordulatú üzemben a gázpedál pozíciója szolgál. A gázpedál működtetését egy léptetőmotor végzi, valamint a beállított pozíció visszamérésre kerül. Így az %-os lépésekben állítható be. Ezen túl a tüzelőanyagfogyasztásmérő berendezés vezérlése és mérése is a mérőszámítógép által irányított. MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

6


3.1.2

Tüzelőanyag mérés

A tüzelőanyagfogyasztás-mérés alapja az, hogy meghatározott tömegű tüzelőanyag-tömeg elfogyasztásának az idejét mérjük. A tömegből és az időből számítható a fogyasztás, ez az úgynevezett gravimetrikus mérési eljárás. A rendszerben a motor folyamatosan a fogyasztásmérő tartályából kapja a tüzelőanyagot, melyet a mérőegység kiürülés előtt mindig újratölt. A fogyasztásmérés kezdetekor a vezérlőjel hatására egy stopperóra indul, amely egészen addig fut, amíg az előre meghatározott tüzelőanyag tömeg ki nem fogy a tartályból. A gravimetrikus fogyasztásmérő előnye a térfogatméréssel szemben, hogy a fajlagos jellemzők meghatározásához nincs szükség sűrűség mérésre areométerrel.

3.1.3

CO mérés

A szénmonoxid kibocsátásának méréséhez egy infravörös sugárzás szelektív abszorpcióján alapuló gázelemzőt alkalmazunk (3. ábra).

3. ábra Infralyt CL gázelemző

A mérőműszer működésének megértéséhez nyújt segítséget a 4. ábra. A mérés alapelve, hogy infravörös tartományban adott vegyületek abszorpciója egymástól elkülönülnek, mind az intenzitásukat, mind a jellemző hullámhosszt tekintve (5. ábra). A sugárforrásból (St4) kilép az infravörös sugárzás, és áthalad két mérőküvettán (M1 és M2), majd bejut egy detektorba (E). Az M1-es mérőcsőbe van a mérendő kipufogógáz bejuttatva, az M2-es mérőcsőben egy olyan gáz található, mely a mérendő gázkomponens (CO) spektrumában semmilyen energiát nem nyel el (pl. nitrogén). A detektorban látható, hogy két különálló kamra található, egyik az M1es mérőcsőhöz, a másik az M2-es mérőcsőhöz tartozik. A két kamrát egy membrán választ el. MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

7


A detektorkamrák a mérendő gázkomponenssel (CO) vannak feltöltve. A két mérőküvettán áthaladó infravörös sugárzás bejut a detektorkamrákba és az ott lévő CO szelektíven elnyeli a saját specifikus sávjában a sugárzást és felmelegszik. A felmelegedés mértéke jellemző a beeső sugárzás intenzitására. Mivel az M2-es mérőcsőben olyan gáz van, ami nem nyel el energiát CO spektrumában, az teljes egészében a detektorkamrában fog elnyelődni, tehát melegíteni az ott lévő gázt. Ezzel ellentétben az M1-es mérőcsőben (kipufogógáz) a mérendő gáz mennyiségének megfelelően annak spektrumában energiát nyel el, tehát az ehhez tartozó detektorkamrába ennyivel kevesebb energia fog elnyelődni. Ez azt jelenti, hogy a két detektorkamra között hőmérsékletkülönbség alakul ki. Az eltérő hőmérséklet miatt a membrán (E1) két oldalán különböző nyomás lesz, ami a membrán deformációjához vezet. Ezt úgy tudják érzékelni, hogy a membrán egy kondenzátor egyik fegyverzete, ami ha eltávolodik a másiktól, akkor kapacitásváltozást okoz, amit a méréshez már fel tudnak használni.

4. ábra Az infravörös sugárzás szelektív abszorpciója

5. ábra Az infravörös sugárzás

elvén működő gázelemző vázlata [1]

szelektív abszorpciója [1]

Abban az esetben, ha a mérendő gázkomponens (CO) elnyelési tartománya egybeesik a kipufogógázban található egyéb gázéval (pl. CO2), akkor ezt egy szűrőküvettával (F) küszöbölik ki.


8


3.1.4

Légfelesleg mérés

A légfelesleg méréséhez használt mérőeszköz egy szélessávú lambda-szonda, ami egy szélessávú tartományban mérő oxigénérzékelő (Bosch LSU 4.9 – Lambdasonde Universal). Ennek az érzékelőnek a feladata a kipufogógáz oxigéntartalmának megállapítása.

6. ábra Bosch LSU 4.9 szélessávú lambda-szonda [2]

A hagyományos Nernst-szonda (ugrásfüggvény szonda) csak egy szűk légviszony tartományt képes átfogni, így határai korlátozottak. Erre a típusra az a jellemző, hogy sztöchiometrikus keverési arány körüli tartományban képes értékelhető jelet adni (7. ábra). Ahhoz azonban, hogy szélesebb keverési arány tartományt vizsgáljunk, ez a módszer nem elégséges.

7. ábra Nernst szonda feszültség értékei a légviszony függvényében

Mind Otto, mind Diesel motorok teljes működési tartományát lefedő légviszony tényező kiértékelésére fejlesztették ki a szélessávú szondákat. A légviszony tényező mérése 0,65-től gyakorlatilag a végtelen értékig (tiszta levegő) alkalmas. MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

9


A szélessávú planáris lambda-szonda felépítését a 8. ábra mutatja.

8. ábra 1-szenzor elem, 2-kettős védő bevonat, 3-tömítő gyűrű,4-Tömítés,5-szonda ház,6-védőhüvely,7érintkező tartó,8-csatlakozó,9-Teflon burkolat,10-vezeték burkolat [2]

A planár elnevezés a rétegszerkezetre utal. A 9. ábra mutatja a szonda keresztmetszetét. Az 1es referencia ugrásfüggvény lambda-szondát éri a kipufogógáz. A 2 oxigénszivattyú szondával biztosíthatjuk, hogy a referencia szonda mindig a sztöchiometrikus értéket mutasson. Ezáltal a kiszivattyúzott oxigénkoncentráció, azaz a légfelesleg mértéke arányos lesz a szivattyú szonda áramával.

9. ábra A szélessávú lambda-szonda metszete


10


3.2 Motor adatlap A méréseket egy VAZ 2101 típusú motoron végezzük el. A motor főbb műszaki adatait a 1. táblázat tartalmazza. A motor típusjele

VAZ 2101

hengerszám

4

sűrítési arány

8.8 (oktánszámigény 92) 3

lökettérfogat

1198 cm 76/66 mm

furat/löket névleges teljesítmény

44 kW/5600 1/min

legnagyobb forgatónyomaték

87Nm/ 3400 1/min

hűtés

szivattyús vízhűtés

kenés

kényszerolajozás

megszakító-érintkezők távolsága

0,37…0,43 mm

zárási szög

55±3° (61±3 %)

gyújtógyertya elektródahézag

0,5…0,6 mm

szelephézag hidegen (20 °C)

0,15 mm 0,20 mm

alapelőgyújtás (FHP előtt)

5…7°

1. táblázat VAZ 2101 típusú motor főbb beállításai

3.3 A mérés végrehajtása A mérés során a következő mennyiségeket kell mérni: -

egy alkalommal: p a környezeti levegő nyomása [Pa] t a környezeti levegő hőmérséklete [C]

ϕ a környezeti levegő relatív páratartalma [%] -

minden munkapontban: n a motor fordulatszáma [1/min] M a motor nyomatéka [Nm] tt a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s] CO-kibocsátás [ppm] MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

11


A motort indítás után 10-20% gázpedálállás mellett kb. 1500 1/min fordulat mellett bemelegítjük, amíg a hűtővíz és a kenőolaj el nem éri az üzemi hőmérsékletet. Az üzemmeleg motort egy előre beállított terheléssel (pillangószelep-állásnál) és egy előre meghatározott fordulatszámon járatjuk. A mérés során ügyelni kell arra, hogy a pillangószelep-állás változatlan maradjon. A karburátoron található szabályzócsavar segítségével a keveréket eldúsítjuk (kicsavarjuk a csavart), mindaddig, míg egy meghatározott lambda értékeket el nem érünk. A munkapont stabilizálódása után elindítjuk a mérést. Ezután a szabályzócsavar állításával újabb munkapontot állítunk be. Tehát a mérés során a légfelesleg (a keverék összetétele) függvényében kell megállapítani az effektív teljesítményt, effektív középnyomást, valamint a fajlagos tüzelőanyag fogyasztást és a CO-kibocsátást. Ehhez a mérőszámítógép rögzíti a fordulatszámot, a nyomatékot, az elfogyasztott tüzelőanyag tömegét és a tüzelőanyag elfogyasztásának idejét. Az elfogyasztott tüzelőanyag tömegét előre kell beállítani, ezt úgy kell megválasztani, hogy a mért idő legalább 30 s legyen. A CO-kibocsátás érétkét kézzel kell rögzíteni. A méréssorozat akkor fejeződik be az adott fordulatszámon, ha a motor üzeme a keverék szegényítésével instabillá válik, esetleg leáll.

4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések A mért értékek segítségével meghatározzuk a motor effektív jellemzőit különböző keverékösszetételek esetén.

4.1 Kiértékelt motorjellemzők, számítás menete A mért adatok alapján számítani, majd ábrázolni szükséges műszaki jellemzők állandó fordulatszám és pillangószelep-állás mellett a légviszony függvényében: •

Effektív korrigált teljesítmény (Pe0 [kW])

•

Fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás (be [g/kWh])

A mérés során regisztrált CO-kibocsátás ábrázolása a légviszony függvényében, valamint a motor C-görbéjének megszerkesztése.

4.2 Effektív teljesítmény A motor mérési körülmények melletti teljesítménye a következő összefüggéssel számítható a mért nyomaték és fordulatszám segítségével: MŰEG YET EM GÉPJ ÁRMŰVEK T ANS ZÉK

12


,

(1)

Ez a teljesítmény függ a környezeti jellemzőktől, ezért át kell számítani a szabványos normálteljesítményre a következő összefüggéssel: (2)

ahol az indexben a 0 a névleges normálkörülményekre utal, amelyek p0=100 kPa, t0=15 C és

ϕ0=50%, valamint a pg az adott hőmérsékleten érvényes telítési gőznyomást jelöli, ami a 2. táblázatban megadott értékek alapján számolható. t [oC] 0 1 2 3 4 5 6 7

p_g [Pa] 611 656 705 757 813 872 935 1001

t [oC] 8 9 10 11 12 13 14 15

p_g [Pa] 1072 1147 1227 1312 1401 1497 1597 1704

t [oC] 16 17 18 19 20 21 22 23

p_g [Pa] 1817 1936 2012 2196 2237 2485 2642 2808

t [oC] 24 25 26 27 28 29 30 31

p_g [Pa] 2982 3167 3360 3564 3779 4004 4241 4498

2. táblázat A vízgőz tenzióértékei

4.3 Effektív középnyomás A motor effektív középnyomása a normálteljesítmény és a motorfordulat alapján a következő összefüggéssel határozható meg: ,

(3)

ahol az i az ütemek száma, a VH pedig a motor összlökettérfogata.

4.4 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás Az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a tömegmérés alapján: ,

(4)

ahol mt a tüzelőanyag tömege, tt pedig a tüzelőanyag elfogyasztásához szükséges idő.


13


4.5 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Az

effektív

fajlagos

tüzelőanyag-fogyasztás

az

időegységre

eső

fogyasztás

és

a

normálteljesítmény hányadosa: ,

(5)

5. Kiértékelés, jegyzőkönyv tartalma 1. A mérés körülményeinek és elrendezésének leírása. 2. A mért értékek és a 4. fejezet összefüggései segítségével táblázatosan meghatározzuk a következő jellemzőket: - Effektív korrigált teljesítmény a légfelesleg függvényében - Fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás a légfelesleg függvényében - CO-kibocsátás a légviszony függvényében 3. A motor C görbéjének a megszerkesztése. C-görbe az a diagram, amely az effektív korrigált középnyomás, a fajlagos fogyasztás és a légviszony között teremt kapcsolatot.

10. ábra C-görbe


14


6. Irodalomjegyzék [1] Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, 1998. [2] Bosch – Produktinformation, LSU, www.bosch-motorsport.de


15

Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére

Recommend Documents