1
3.2.3. A mechanikai veszteségek mérése A motor mechanikai hatásfoka közúti járműveknél fontos mutatószám. Dugattyús belsőégésű motorok mechanikai hatásfoka 70...90 % közé esik, azaz az indikált teljesítmény 10...30 %-a surlódásból (és a segédberendezések hajtásszükségletéből) adódó veszteség. A 3/1 fólián azonban látható, hogy ezek az értékek csak a motor üzemi tartományának kis területén realizálódnak, minél kisebb a motor terhelése, annál rosszabb a mechanikai hatásfok. (Alapjáratban ηm = 0!) Az Európa-ciklus városi részének mintegy 60 %-ában a motor kb. 2 bar középnyomással üzemel, és ekkor a mechanikai hatásfok 50 % vagy ennél kevesebb. A súrlódáscsökkentéssel elérhető fogyasztáscsökkenés mértéke attól függ, mekkora a hatásfok kiinduló – csökkentés előtti – értéke. Így pl. 90 %-os mechanikai hatásfoknál 10 %-os súrlódáscsökkentés csak 1 % fogyasztáscsökkenést hoz, de 50 %-os hatásfoknál már 5 %-os fogyasztáscsökkenést eredményez. Ebből látható, hogy a mechanikai hatásfoknak főként azoknál a járműveknél van jelentősége, amelyek motorjai gyakran üzemelnek részterheléssel, pl. városi üzemben. A mechanikai veszteségek meghatározására a következő mérésekkel határozható meg: -
indikálással
-
tüzelőanyagfogyasztás-méréssel (Willans-egyenes)
-
hengerlekapcsolással (Morse eljárás)
-
szabad kifutás mérésével
-
külső hajtással
-
külső hajtással, a gázerők és a hőmérsékleti viszonyok figyelembe vételével
-
sztripdown-módszerrel
-
a veszteség közvetlen mérésével
A mechanikai veszteségek meghatározása indikálással A mechanikai teljesítményveszteség és az ebből számítható mechanikai középnyomás és hatásfok a definíció szerinti meghatározása Pm=Pe-Pi ill. pm=pe-pi pontatlan eredményű, mert egy kis értéket kell két nagy érték különbségeként kiszámítani. Ezt szemlélteti a következő táblázat: középnyomás
hiba
effektív középnyomás
10
(0,1) ±1 %
indikált középnyomás
11
(0,1) ±1 %
mechanikai középnyomás
1
(0,2) ±20 %
2 Ennek ellenére ez az egyetlen olyan eljárás, amely a valóságos körülményeknek megfelelően figyelembe veszi a mechanikai veszteségek fordulatszám- és terhelésfüggőségét. Az összes többi eljárás csak összehasonlításra alkalmas, mert vagy hozzáméri a gázcserefolyamat veszteségeit, vagy nem tudja figyelembe venni a hengernyomás vagy a hőmérséklet hatását. A mechanikai veszteségek meghatározása a tüzelőanyag-fogyasztás mérésével (Willans-egyenes segítségével) A Willans-egyenes (3/3. fólia) azon a feltételezésen alapul, hogy kis terheléseknél és üresjáratban (állandó fordulatszámon) a hatásfokok értékei – a mechanikai hatásfok kivételével – állandóak. Ha tehát a terhelés (effektív középnyomás) függvényében az időegység alatti fogyasztást vagy ezzel arányos jellemzőt (pl. az egységnyi lökettérfogatra eső ciklusonkénti tüzelőanyag-mennyiséget mg/(dm3·ciklus) ábrázoljuk, a görbe origóközeli része egyenes lesz. Ez az egyenes nem megy át az origón, hiszen üresjáratban (pe = 0) is van tüzelőanyag-fogyasztás, ami éppen a mechanikai veszteségek leküzdésére fordítódik. A mechanikai középnyomást úgy határozzák meg hogy a fogyasztásgörbét – egyenessel – az abszcisszáig meghosszabbítják. A metszéspontban a tüzelőanyag-fogyasztás – és az indikált középnyomás – értéke zérus. A pm = pi - pe értéknek éppen a metszéspont origótól mért távolsága felel meg. pm ismeretében a mechanikai veszteségteljesítmény számítható: Pm =
2 ⋅ p m ⋅ z ⋅Vh ⋅ n. i
A mechanikai veszteségek meghatározása ily módon viszonylag egyszerű, sajnos azonban az eredmény nem korrekt. Nem veszi ugyanis figyelembe, hogy a súrlódási veszteségek a gázerők nagyságától és a motor hőállapotától is függenek (a súrlódási veszteségek a középnyomás növekedésének és a motorhőmérséklet csökkenésének hatására megnőnek); továbbá a töltetcseremunkát is mechanikai veszteségnek méri. Ez az eljárás ezért csak durva közelítésnek felel meg, összehasonlító vizsgálatokhoz azonban jól használható. A mechanikai veszteségek meghatározása hengerlekapcsolással (Morse-eljárás) Többhengeres motorok mechanikai veszteségei egy-egy henger lekapcsolásával is meghatározhatók. Benzinmotoroknál a hengerlekapcsolás gyertyakábel levételével (benzinbefecskendezéses motoroknál a befecskendező mágnesszelep villamos csatlakozójának lehúzásával) oldható meg, dízelmotoroknál a nyomócső csavarzatának meglazításával. Elsőként meghatározzák a motor effektív teljesítményét úgy, hogy valamennyi henger dolgozik. Ezután egy hengert lekapcsolnak, majd (természetesen az előző méréssel azonos fordulatszámon) ismét megmérik az effektív teljesítményt. E két mérésből számítható a kikapcsolt henger mechanikai teljesítményvesztesége a következők szerint: Egy henger effektív teljesítménye, amikor az összes (z) henger üzemel: Pe ( z ) z a motor effektív teljesítménye z-1 hengerrel
,
3 Pe ( z −1).
Ha a motor hengerszáma z-1 lenne, Pe ( z ) z
⋅ ( z − 1)
teljesítményt adna le. E két utóbbi érték különbsége éppen a kikapcsolt (i sorszámú) henger mechanikai vesztesége: Pmi =
Pe ( z ) z
⋅ ( z − 1) − Pe ( z −1).
A teljes motor mechanikai veszteségeit az egyes hengerek egymás utáni kikapcsolásával és az így számított veszteségek összegzése adja: i=z
Pm = ∑ Pmi . i =1
Ez az eljárás sem korrekt. A rövid idejű lekapcsolás alatti hőmérsékletcsökkenés hatása elhanyagolható ugyan, de a lekapcsolt hengerben a nyomások lényegesen kisebbek, mint a működőkben. A mérés eredménye – a veszteség – ezért a valóságos értéknél kisebb. A motor mechanikai veszteségének meghatározása a motor szabad kifutásának mérésével Az eljárás alapja az a tény, hogy a szabadon forgó test a súrlódási veszteségek hatására lefékeződik, és végül leáll. A forgó test tehetetlenségi nyomatékának és szöglassulásának ismeretében a fékezőnyomaték (a mechanikai veszteségek nyomatéka) meghatározható (3/5. fólia): M m = θ ⋅ε . A számításokhoz a motor forgó alkatrészeinek tehetetlenségi nyomatékát számítással vagy méréssel lehet meghatározni, és figyelembe kell venni az alternáló tömegek hatását is. Ezt követően fel kell venni a motor szabad kifutási diagramját. Ehhez a motort bizonyos fordulatszámmal üzemeltetjük, majd leállítjuk. A motor fordulatszámának időbeni változását (pl. fénysugár-oszcillográffal) regisztráljuk. A diagramból tetszőleges fordulatszámon az érintő meredeksége a motor szöglassulásával arányos,
ε=
∆ω . ∆t
Ez az eljárás is csak közelíti a mechanikai veszteségeket. A hőmésékleti- és nyomásviszonyok nem egyeznek meg a működő motoréval, a gázcserefolyamatok vesztesége nem különíthető el, és ehhez még hozzájön a tehetetlenségi nyomaték pontatlanságának hatása is.
4 A mechanikai veszteségek meghatározása külső hajtással Külső hajtással – pl. mérlegmotorral – mérhető, hogy mekkora teljesítmény szükséges a motor forgatásához. Ez az eljárás is hozzáméri a töltetcsere-folyamat veszteségeit a mechanikai veszteségekhez, a kapott érték mégis kisebb, mint a mechanikai veszteségek valódi értéke, mivel a külső hajtású motor hengereiben kisebb gázerők és kisebb hőmérsékletek vannak, mint az üzemelő motoréban: Ez a mérés az indítómotor méretezéséhez ad elsősorban jól használható adatokat. Összehasonlító adatként mégis gyakran adnak meg külső hajtással felvett méréseredményeket, mert ezek a mérések – a korábbiakban ismertetett eljárásokhoz képest – egyszerűek, és eredményeik jól reprodukálhatóak. A mérésekhez csupán billenőkeretre erősített, változtatható fordulatszámú villamos motor szükséges, amellyel a belsőégésű motort forgatják. A villamos motor mérlegkarján ébredő reakcióerő és a fordulatszám ismeretében a veszteségteljesítmény az ismert módon számítható: A mechanikai veszteségek meghatározása külső hajtással, a gázerők és a hőmérsékleti viszonyok figyelembevételével Mint már az előzőkben említettük, a külső hajtású motoron végzett mérések eredménye kisebb, mint a mechanikai veszteségek, mert a hajtott motorban levő hőmérsékletek és nyomások mások, mint az üzemelő motorban levők. Ha azonban a mérések elvégzésekor arra törekszünk, hogy a hőmérsékleti és nyomásviszonyok lehetőleg azonosak legyenek az üzemelő motorban levőkkel, kielégítő pontossággal mérhetjük a mechanikai veszteségek nagyságát (3/6 és 3/7. fóliák) Az üzemi hőmérsékletet a kenőolaj melegítésével érhetjük el, szükség esetén a hűtőközeg helyett forró, állandó hőmérsékletű kenőolaj keringtetése is elfogadott megoldásnak tekinthető. Az üzemelő motorban lejátszódó nyomásviszonyokat csak közelíteni tudjuk, annak a feltételnek a figyelembevételével; hogy méréskor a nyomás átlagos értéke (pk) az üzemelő motorban levő átlagnyomással legyen azonos . Ez úgy valósítható meg, ha a szívó- és-kipufogócsatornákat közös; szabályozható nyomású tartályba vezetjük. A pt tartálynyomás változtatásával a hajtott motorban levő pk átlagnyomásértéket a kellő nagyságúra szabályozhatjuk. Ily módon – ha a nyomásviszonyok nem is egyeznek teljesen meg a működő motor viszonyaival, és ez a módszer is beleszámítja a töltetcseremunka nagyságát – pontosabban mérhetők a mechanikai veszteségek, mint az ismertetett eljárások bármelyikével. A mechanikai veszteségek meghatározása sztripdown módszerrel Ez az eljárás az egyes részegységek, segédberendezések teljesítményfelvételét külön-külön meghatározza meg. Lényege az, hogy a motorról egymás után leszerelnek bizonyos részeket, egységeket ill. segédberendezéseket, és leszerelés előtt és után motorfékpadi teljesítményméréssel vagy az előző módszerek valamelyikével mérést végeznek. E mérések különbsége a leszerelt alkatrész, egység teljesítményfelvétele.
5 A mechanikai (súrlódási) veszteség közvetlen mérése A súrlódási veszteség közvetlen mérése olyan kísérleti berendezéseket igényel, amelyekben a vizsgált modul konstrukciós paraméterei megfelelnek a valós motor kialakításának, de ugyanakkor megteremtik a súrlódáskor fellépő erők és egyéb paraméterek, pl. a hőmérsékletek, terhelő- vagy súrlódó erők mérésének lehetőségét. Esetenként az igénybevételt meghatározó erők, nyomatékok fordulatszámok vagy hőmérsékletek a valós motorokhoz képest szélesebb tartományban változtathatóak. Bizonyos esetekben az alapmotor is átalakítható úgy, hogy a vizsgált modulban fellépő súrlódó erők nagysága mérhető legyen. A dugattyúcsoport súrlódási viszonyai pl. egy speciális egyhengeres motoron, nyugvócsapágy terhelési viszonyai megfelelő átalakítás után a valós motoron vizsgálhatóak annak érdekében, hogy a vizsgálatok alatt valós üzemi feltételeket teremtsünk. Kedvezőbb a helyzet pl. a szelepvezérlés esetében. Mai korszerű motorok szelepvezérlése a haszonjármű dízelmotorok OHV vezérlésétől eltekintve a hengerfejben integrált kompakt egységként van kialakítva. Ennek vizsgálata nem igényli a motoron történő vizsgálatot, ha egyébként bizonyos peremfeltételek (pl. hőmérséklet) tekintetében a kísérleti berendezésen a valós viszonyok kielégítő megközelítéssel megteremthetőek. Részmodulok súrlódási veszteségei közvetlenül is mérhetők, ha erre a konstrukciós feltételeket megteremtjük. A 3/8. fólián a hengercsoport súrlódási veszteségeinek közvetlen mérésére kialakított berendezés és a szelepvezetőre ható forgatónyomatékot, súrlódó és keresztirányú
megtámasztó erőt mérő berendezés látható. A motor azon moduljainak, részegységeinek vizsgálatára, amelyek funkciója nem függ közvetlenül a motor terhelésétől, egyre inkább ilyen célszerűen kialakított aggregát-vizsgáló próbapadokat használnak. Tapasztalati összefüggések A mérések bonyolultsága és a méréseredmények bizonytalansága miatt gyakran használnak méréssorozatokkal alátámasztott tapasztalati összefüggéseket is. A Hannoveri Egyetem Dugattyús motorok tanszékén (MTZ 43/6) végzett mérések alapján a következő képletsort javasolják: 1. p r = f (D, n ) hengerméret és fordulatszámfüggés, a forgattyús hajtómű, a befecskendező szivattyú és a szelepvezérlés hajtásszükséglete (érvényessége: pe<4 bar; normál üzemi hőmérséklet)
p r = 6,7 ⋅ D
− 0 , 329
− 89 ⋅ D
− 0 , 943
⎡ ⎛ n ⋅ ⎢1 − ⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ nnévl
⎞ ⎟⎟ ⎠
2
⎤ ⎥ ⎥⎦
2. ∆p r = f ( p e ) terhelésfüggés (érvényessége: szívó motorok) ∆p r = 0,0012 ⋅ p e3 − 0,0015 ⋅ p e (örvénykamrás motor, D=80 mm) ∆p r = 0,0002 ⋅ p e3 − 0,006 ⋅ p e
(közvetlen befecskendezés, D>100 mm)
3. ∆p r = f ( p L ) töltőnyomásfüggés (érvényessége:cm<10 m/s)
6
⎛p ⎞ ∆p r = ⎜⎜ L − 1⎟⎟ ⋅ − 0,018 ⋅ c m + 0,1874 ⎝ p0 ⎠ 4. ∆p r = f (ϑ ) hőmérsékletfüggés (érvényessége normál üzemi hőmérséklet ± 20 °C)
∆p rolaj = −0,005 ⋅ ∆ϑolaj ∆p rviz = −0,0055 ⋅ ∆ϑviz
A mechanikai veszteség a négy egyenletből számítható érték összege. A különböző mérési módszerek eredményeinek összehasonlítása a 3/10. fólián látható.
