MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
JAKUB VRASTYÁK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta
Měření výkonu motoru Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Brno 2013
Vypracoval: Jakub Vrastyák
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Měření výkonu motoru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne ………………………………………. podpis bakaláře ….……………………….
PODĚKOVÁNÍ
Dovoluji si tímto poděkovat Panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za jeho odborné vedení při vypracování bakalářské práce, za poskytnutí cenných rad a odborných informací k mojí práci.
ABSTRACT
Obsahem této bakalářské práce je shrnutí problematiky týkající se procesu měření výkonu spalovacích motorů. V úvodu práce jsou popsány okolní vlivy působící na měření. Dále práce popisuje jednotlivé způsoby měření, jejich principy a možnosti využití.
KLÍČOVÁ SLOVA
Výkon spalovacího motoru, točivý moment, válcový dynamometr, motorový dynamometr, řízení výkonu motoru.
ABSTRACT
The content of this thesis is the summary of the issues related to the process of measuring the performance of internal combustion engines. The introduction describes the surrounding influences on the measurement. It also describes the different measurement methods, their principles and usage.
KEY WORDS
Engine power, torque, chassis dynamometer, engine dynamometer, engine power control.
OBSAH OBSAH ...................................................................................................................................... 6 1 ÚVOD ................................................................................................................................... 8 2
CÍL PRÁCE.......................................................................................................................... 9
3
VÝKON SPALOVACÍCH MOTORŮ ............................................................................ 10
3.1
Fyzikální vlivy působící na výkon spalovacích motorů ............................................... 10
3.2
Termomechanika spalovacích motorů ......................................................................... 11
3.3
Točivý moment ............................................................................................................ 15
3.4
Druhy výkonu motoru .................................................................................................. 17
3.4.1
Indikovaný výkon ..................................................................................................... 18
3.4.2
Efektivní výkon ........................................................................................................ 19
3.4.3
Ztrátový výkon ......................................................................................................... 20
3.4.4
Jmenovitý výkon ...................................................................................................... 21
3.4.5
Naměřený výkon ...................................................................................................... 22
3.4.6
Redukovaný výkon ................................................................................................... 22
3.4.7
Maximální výkon ..................................................................................................... 22
3.5
Charakteristika spalovacích motorů ............................................................................. 23
3.5.1
Otáčková charakteristika .......................................................................................... 23
3.5.2
Zatěžovací charakteristika ........................................................................................ 24
3.5.3
Regulační charakteristika ......................................................................................... 25
3.5.4
Úplná charakteristika................................................................................................ 26
3.5.5
Zvláštní charakteristiky ............................................................................................ 27
3.6
Řízení výkonu motoru ................................................................................................. 28
3.6.1
Kvalitativní řízení výkonu motoru ........................................................................... 28
3.6.2
Kvantitativní řízení výkonu motoru ......................................................................... 30
3.6.3 4
Kombinované regulace ............................................................................................. 31
ZPŮSOBY MĚŘENÍ VÝKONU SPALOVACÍHO MOTORU ..................................... 31
4.1
Normativní požadavky na měření výkonu spalovacího motoru................................... 31
4.2
Možné rozdělení způsobů měření a jejich metody ....................................................... 34
4.3
Systémy zátěže během měření výkonu motoru ............................................................ 35
4.3.1
Dynamická metoda ................................................................................................... 35
4.3.2
Statická metoda ........................................................................................................ 36
5
ZAŘÍZENÍ PRO MĚŘENÍ VÝKONU SPALOVACÍHO MOTORU ............................ 37
5.1
Dynamometry ............................................................................................................... 37
5.2
Válcové dynamometry ................................................................................................. 37
5.2.1
Zařízení válcových dynamometrů pro disipaci energie ........................................... 37
5.2.2
Požadavky na válcové zkušebny .............................................................................. 39
5.2.3
Koncepce válcových dynamometrů ......................................................................... 39
5.3
6
Motorové dynamometry ............................................................................................... 43
5.3.1
Pasivní dynamometry ............................................................................................... 43
5.3.2
Aktivní dynamometry .............................................................................................. 46
ZÁVĚR............................................................................................................................. 48
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ...................................................................................... 49 SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................................. 51
1 ÚVOD Postupným vývojem, modernizací a neustále rostoucími požadavky na spalovací motory i po stránce ekologie, se z měření výkonu spalovacích motorů stal právoplatný technicko-vědní obor spojující mnoho vědních oborů v jeden celek. Díky tomuto oboru je možné porovnávat mezi sebou, napříč spektrem vlastností, celou řadu motorů na základě rozličných parametrů. Z historického hlediska první měření výkonu motoru sestávala z jednoduchých postupů a principů. Těmto principům ovšem odpovídala i výsledná nízká přesnost, samozřejmě vzhledem k faktu, že na tehdejší motory nebyly kladeny tak vysoké požadavky jako dnes. S rostoucími nároky týkajícími se zvyšování výkonu motoru a účinnosti, optimalizování spotřeby paliva a důrazem kladeným na ekologii, bylo nutné zvýšit přesnost daných měření a efektivitu výsledků, čemuž odpovídají moderní postupy měření, které jsou později uplatňovány ve vývoji nových motorů.
8
2 CÍL PRÁCE Cílem této práce, je popsat základní způsoby měření výkonu motoru a představení problematiky související s tímto technicko-vědním oborem. Definovat základní veličiny související s tou to problematikou jak po technické stránce, tak po stránce fyzikální. Nastínění otázky okolních faktorů majících vliv na výsledek měření Představit jednotlivé technologické způsoby měření výkonu spalovacího motoru, které mají různé využití v praxi.
9
3
VÝKON SPALOVACÍCH MOTORŮ Pojem ,,výkon spalovacího motoru“ je v problematice spalovacích motorů zásadním
indikátorem charakteristiky motoru jako celku. V závislosti na jeho velikosti jsme schopni charakterizovat jeho konkrétní využití. Výkon jako takový je skalární veličinou, která je ve své obecné formě definovaná jako práce, jež je vykonána za jednotku času. Na jeho velikosti se podílí celá řada faktorů. Mezi základní jmenujme druh paliva, aktuální vlastnosti vzduchu a v neposlední řadě samotné konstrukční řešení daného motoru.
3.1 Fyzikální vlivy působící na výkon spalovacích motorů
Vliv teploty spalovaného vzduchu
Důležitým faktorem všech spalovacích motorů je plnící účinnost. Ta je závislá na teplotě nasávaného vzduchu, protože s měnící se teplotou nasávaného vzduchu se mění jeho hustota. Čím nižší je teplota nasávaného vzduchu, tím vyšší je hustota. To vede k nerovnoměrnému mísení směsi. To se dále může podepsat na zhoršení kvality emisních zplodin. Naopak s rostoucí teplotou nasávaného vzduchu se snižuje hustota a to vede ke snížení plnící účinnosti, což se negativně projevuje na výkonu motoru. Za optimální stav je považována hodnota mezi těmi to teplotními stavy.
Vliv tlaku spalovaného vzduchu
Tlak spalovaného vzduchu má přímý účinek na výkon spalovacího motoru. Tohoto účinku využívají přeplňované motory. Díky změně tlaku nasávaného vzduchu je totiž možné měnit množství nasáté směsi dodávané do válce motoru. S rostoucím množstvím nasávané směsi roste i výkon spalovacího motoru.
10
Vliv vlhkosti spalovaného vzduchu
Vlhkost vzduchu je dalším faktorem, který se může negativně podepsat na výkonu spalovacího motoru. V případě, že je nasáván dlouhodobě vzduch o vysoké vlhkosti, může docházet k tvorbě koroze a to jak v spalovacím tak ve výfukovém systému. Především však přebytečná vlhkost způsobuje snížení podílu kyslíku na objemovou jednotku vzduchu. Za určitou výhodu je možné považovat chlazení spalovacího prostoru, nebo redukování produktů, které vznikly nedokonalým spalováním.
3.2 Termomechanika spalovacích motorů Spalovací motory jsou z hlediska termomechaniky považovány za tepelné stroje, ve kterých dochází díky pracovní látce, která je nositelem tepelné energie, k přeměně tepla v mechanickou energii. U zážehových motorů dochází k nasávání směsi vzduchu a par paliva, jež je v závěru komprese zažehnuta elektrickou jiskrou. Moderní motory využívají přímého vstřikování, kdy je palivo vstřikováno přímo do válců, obdobně jako u vznětových motorů. Hoření má explozivní charakter a je považováno za hoření při konstantním objemu. Ottův cyklus je proto brán jako cyklus isochorický. U vznětových motorů dochází ke stlačování čistého vzduchu, který je vlivem stlačení zahřán a za vysokého tlaku se do něj vstřikuje palivo. Proto je důležité, aby teplota na konci komprese byla vyšší vůči zápalné teplotě paliva. Hoření probíhá oproti hoření za konstantního objemu jako tomu je u zážehových motorů, za konstantního tlaku. Diesselův cyklus se proto nazývá také rovnotlakým cyklem. [3]
Porovnávací cykly spalovacích motorů
Slouží pro získání pracovních cyklů skutečných tepelných strojů. Ty se získají porovnáním indikátorových diagramů a daných porovnávacích cyklů. Pro zážehové motory, se jako porovnávací cyklus, volí oběh s přívodem tepla za stálého objemu.
11
Obr. 1 – Porovnávací oběh spalovacího motoru, s přívodem tepla za stálého objemu [2]
1-2 – izoentropická komprese 2-3 – izochorický přívod tepla 3-4 – izoentropická expanze 4-1 – izochorický odvod tepla Wu – užitečná práce
Z obrázku je patrné, jak v prvním zdvihu dochází k nasátí směsi do válce o tlaku nižším, než-li je tlak atmosferický. Uzavřením sacího ventilu dojde ke kompresi, a to tak aby výsledná kompresní teplota byla nižší, než je zápalná teplota směsi. V okamžiku před koncem komprese dojde k zažehnutí směsi, za pomoci jiskry, z důvodu dosažení isochorického spalování. Současně dojde k dosažení nejvyššího spalovacího tlaku. Následně dochází k expanzi. Před ukončením expanze dojde k otevření výfukového ventilu a spaliny odcházejí za stálého objemu, díky čemuž je cyklus uzavřen. [3] [2] Pro motory vznětové se využívá smíšeného porovnávacího cyklu. U vznětového motoru, je omezení kompresního poměru, jako je tomu u zážehového motoru odstraněno díky nasávání čistého vzduchu. Díky tomu je možné využití vyššího kompresního poměru a následně tak zvýšení termické účinnosti. [3]
12
Obr. 2 – Smíšený porovnávací oběh vznětového motoru [2]
1-2 – izoentropická komprese 2-3 – izochorický přívod tepla 3-4 – izobarický přívod tepla 4-5 – izoentropická expanze 5-1 – izochorický odvod tepla Wu – užitečná práce
Z obrázku je patrné, že v části 1-2 probíhá adiabatické stlačování čistého vzduchu a to na teplotu tak vysokou, že přesáhne zápalný bod tekutého paliva. V bodě 2 kde dojde k ukončení stlačování se tekuté palivo rozpráší do žhavého vzduchu a dojde k jeho vznícení. Část paliva shoří při stálém objemu jak je vidět na přímce 2-3 a vzniklým teplem Qpv se zvýší tlak z P2 na P3. Zbytek spalování probíhá za stálého tlaku jak je vidět na přímce 3-4. Vzniklé teplo Qpp vykoná práci na změnu objemu z V3 na V4. Cykly 4-5 a 5-6 jsou podobné jako u zážehového motoru. Práce při kompresi je dána plochou křivkou 1-2, ale práce při expanzi pak plochou pod průběhy 3-4 a 4-5. Na základě těchto údajů, je možné potvrdit, že vznětový motor má vyšší termodynamickou účinnost oproti zážehovému motoru. Co se ekonomiky jízdy týče, vznětový motor má nižší spotřebu paliva při stejném obsahu a výkonu než motor zážehový. [3] [2]
13
Pracovní oběh skutečného motoru, se od oběhu motoru ideálního podstatně liší. Příčiny těchto rozdílů jsou následující: •
Ve válci se nenachází pouze čistá náplň, ale také zbytky plynů z přecházejícího pracovního oběhu.
•
Spalování neprobíhá při konstantním objemu a při konstantním tlaku, protož směs hoří konečnou rychlostí.
•
Samotné palivo shoří nedokonalým způsobem, díky nevhodné teplotě stlačeného vzduchu, nižší energii zážehu, nebo nedostatečně připravenou směsí.
•
Mezi plynem a materiálem válce dochází k výměně tepla. [3]
Jak bylo řečeno v úvodu této kapitoly, pracovní cyklus skutečného tepelného stroje, se získá porovnáním indikátorového diagramu a daného ideálního porovnávacího cyklu. Zakreslíme-li do jednoho grafu indikátorový diagram a ideální cyklus stejného motoru, jsou jasně viditelné odchylky mezi skutečným a ideálním motorem.
Obr. 3 – Indikátorový diagram čtyřtaktního zážehového motoru v porovnání s ideálním oběhem [2]
14
I – Ideální oběh, s přívodem tepla při p stálém objemu: 1-2-3-4 II – Indikátorový diagram Vz – Zdvihový objem Vk – Kompresní objem 1– Ztráty prouděním ěním při př sání a výfuku 2 – Křivka ivka komprese je z počátku strmější, jší, po té plošší než entropická následkem přívodu ívodu a odvodu tepla 3 – Spalování probíhá při p proměnlivém objemu 4 – expanzní křivka řivka je strmější strm následkem odvodu tepla
3.3 Točivý ivý moment Točivý ivý (kroutící) moment motoru Mt je definován jako moment vyvozený motorem na hnací hřídeli. Patří ří mezi základní charakteristiky spalovacího motoru a je rovněž výchozí hodnotou pro výpočet výpo et výkonu motoru. U klikového zkráceného mechanismu vzniká působením sobením síly Ft na rameni kliky r. [1]
Obr. 4 – Velikost sil v klikovém ústrojí během b cyklu, vznik točivého ivého momentu od síly Ft na rameni r [1] 15
Z grafu lze vyčíst, že velikost točivého momentu Mt a síly Ft se mění napříč celým pracovním cyklem. Mění se úhel natočení kliky a velikost síly F. Tato síla je tvořena složkami Fp a Fm. Složka Fp vyjadřuje tlakovou sílu expandujících plynů uvnitř válce a složka Fm setrvačnou sílu posuvných hmot v ose válce.
Síla Ft je dána vztahem:
Ft = F ⋅
sin(α + β ) cos β
[N]
(2.1)
Tlaková síla Fp je dána vztahem: F p = p ⋅ S [N]
(2.2)
p – tlak plynů působící na píst [Pa] S – plocha pístu [m2]
Síla Fm je dána vztahem:
Fm = m p ⋅ r ⋅ ω 2 (cos α + λ ⋅ cos 2α ) [N] (2.3)
mp – hmotnost posuvných částí [kg] r – délka ramena kliky [m] ω – úhlová rychlost [s-1], ω = 2 ⋅ π ⋅ n , kde n jsou otáčky [s-1] λ – klikový poměr [-]
, λ=
r sin β = , přičemž l je délka ojnice [m] l sin α
Točivý moment Mt je dán vztahem:
M t = Ft ⋅ r [Nm]
(2.4)
16
Obr. 5 – Průběh ě točivého čivého momentu jednotlivých válců motoru, celková hodnota a průmě ůměrná hodnota točivého momentu motoru [1]
Z grafu zaznamenávajícího průběh pr točivého ivého momentu jednotlivých válců, válc jsou patrné značné né rozdíly hodnot točivých to momentů jednotlivých válců v v průběhu pracovního cyklu. Pokud okud si ale uvědomíme, že při např.. 5000 ot./min trvá jedna otáčka otá pouze 0,012 s, pak lze uvedenou situaci zjednodušit zavedením průměrné pr prů hodnoty točivého momentu, omentu, aniž bychom se dopustili jakékoliv chyby z hlediska měření výkonových parametrůů motoru. [1]
3.4 Druhy výkonu motoru Výkon motoru, je pokládán za jednu z nejdůležitějších jších charakteristik motoru. motoru U spalovacího motoru neuvažujeme pouze jeden druh výkonu, ale vzhledem ke škále uvažovaných parametrů uvažujeme výkonů výkon hned několik. Mechanický výkon motoru, není možné definovat přímým měřením. ěřením. Jeho vztah je dán ze známých parametrů, parametrů při kalkulaci s otáčkami motoru (nebo-li li úhlovou rychlostí), rychlostí točivým ivým momentem Mt, nebo středním st tlakem p. [1]
Obecný výkon je dán vztahem: P=
W
τ
[W]
(2.3)
17
3.4.1
Indikovaný výkon
Indikovaným výkonem rozumíme výkon, u nějž n neuvažujeme važujeme ztráty a získáme jej provedením pracovního oběhu ob uvnitř válce motoru. Jeho velikost je úměrná úm součtu ploch indikátorových diagramů diagram všech válců motoru. Díky indikátorovému diagramu oběhu hu spalovacího motoru a z jeho plochy získané indikované práce, jsme schopní určit indikovaný výkon spalovacího motoru. [1]
Obr. 6 – Indikovaná práce v p-V diagramu [1]]
Na obrázku je vyjádřen vyjádř vztah a průběh tlaku plynů ve válci motoru, zakreslený v indikátorovém diagramu. Z grafu je patrná kladná a záporná práce v průběhu celého oběhu, hu, které dávají ve výsledku indikovanou i práci Wi. V grafu je znázorněna znázorn tato práce modrou barvou. Stejněě tak ji lze vyjádřit vyjád součinem středního edního indikovaného tlaku pitv a zdvihového objemu Vzl, v grafu zelenou barvou. [1]
Indikovaný výkon je dán vztahem:
Pi =
Wi
τ
[W]
(1.2)
18
Jestliže, je znám střední indikovaný tlak:
Pi =
3.4.2
2 ⋅ V M ⋅ pi ⋅ n
τ
[W]
(1.3)
Efektivní výkon
Efektivní výkon, nebo-li užitečný výkon, je výkon, který může motor využít prostřednictvím klikového hřídele, nebo pomocí spojkové části k pohonu všech jeho součástí, nebo dalších potřebných zařízení. Jeho velikost je ovšem vůči indikovanému výkonu snížená o ztráty způsobené třením pohybujících se součástí motoru, o ztráty následkem pohonu pomocných zařízení motoru, o hydraulické ztráty a o ztráty spojené s výměnou náplně válců. Pokud bude celkový ztrátový výkon označen Px, bude následně rozdíl indikovaného výkonu Pi a celkového ztrátového výkonu Px roven efektivnímu výkonu na klikové hřídeli. [1]
Efektivní výkon je dán vztahem: Pe =
We
τ
[W]
(1.4)
Při známém středním efektivním tlaku lze psát: Pe =
2 ⋅ VM ⋅ p e ⋅ n
τ
[W]
(1.5)
19
Obr. 7 – p-V V diagram s vynesením efektivní práce [1]
V p-V diagramu je znázorněn znázorn vztah mezi efektivní prací oběhu, ěhu, zelenou barvou, vůči v práci potřebné ebné na výměnu výmě náplně válce, označenou červenou ervenou barvou. Modrá barva znázorňuje uje odchylky skutečného skuteč oběhu od výpočtového. [1]
3.4.3
Ztrátový výkon
V souvislosti s tímto výkonem hovoříme hovo íme o odporu proti pohybu součástí souč spalovacího motoru, ale také o příkonech říkonech pomocných zařízení za ízení spalovacího motoru, důležitých d pro jeho činnost innost a správnou funkci jako jsou například: nap
rozvodový mechanismus, zařízení ízení pro dopravu do paliva a přípravu směsi, zařízení ízení chladícího systému, zařízení ízení mazacího systému, zařízení ízení elektrické výstroje motoru, zařízení přeplň řeplňovacího systému, řídicí ídicí a regulační regulač systémy.
20
Tyto ztráty jsou nejčastěji vyjádřeny pomocí mechanické účinnosti, která je poměrem efektivního a indikovaného výkonu.
Ztrátový výkon je dán vztahem:
ηm =
Pe P = 1 − x [-] Pi Pi
(1.6)
Vzhledem k množství činitelů majících vliv na měření ztrátového výkonu jako jsou mechanický stav motoru a jeho příslušenství, teplotě a druhu použitého oleje, tepelném stavu motoru, otáčkách, atd. je samotný výpočet ztrátového výkonu poměrně složitý. Proto je pro zjednodušení výpočtu Px a možnost porovnat různé motory, zaveden definovaný střední ztrátový tlak Px analogicky označen jako Pi. Ten představuje střední hodnotu tlaku, jež působí na píst, proti jeho pohybu, při němž by se za jeden zdvih spotřebovalo množství práce rovné množství práce spotřebované za jeden oběh. Na základě výzkumu, bylo zjištěno, že hodnota Px je závislá hlavně na střední pístové rychlosti. [1]
3.4.4
Jmenovitý výkon
Vzhledem k množství zkoumaných veličin během měření výkonu motorů, existují v praxi ještě další druhy výkonů týkající se provozu motoru, výpočtů a měření spalovacích motorů. Jmenovitý výkon považujeme jako nejužitečnější výkon, ke kterému se nám výrobce zavazuje a je udán na štítku motoru. Tento výkon motor může produkovat po předem určenou dobu. To znamená trvale, či přerušovaně a to tak jak to odpovídá účelům a využití, pro něž byl motor konstruován, dle následujících podmínek. [1]
Při jmenovitých otáčkách. Při jmenovitém stavu vzduchu při podtlaku v sání nepřekračujícím udanou mezní hodnotu.
21
Při přetlaku ve výfuku (za výfukovým sběračem, nebo při přeplňování turbodmychadlem za turbínou), nepřekračujícím udanou mezní hodnotu. [1]
3.4.5
Naměřený výkon
Hovoříme o výkonu, jenž jsme naměřili na klikovém hřídeli motoru v předem daných atmosférických podmínkách. Je nutné nezaměnit tento výkon, se ztrátovým výkonem, který se taktéž označuje Pz, ovšem v jeho případě zahrnujeme do výpočtu ztráty na převodovém ústrojí motorového vozidla a valivé odpory.
3.4.6
Redukovaný výkon
Redukovaný výkon, neboli přepočtený výkon, je výkon jenž je získán přepočtením naměřeného efektivního výkonu v daných podmínkách na podmínky jmenovité. Tyto podmínky jsou dohodnuty normou. Redukovaného výkonu se dosáhne díky korekčnímu součiniteli, kterým se výsledné hodnoty naměřených výkonů pronásobují. Korekční součinitel je dán normou.
3.4.7
Maximální výkon
Maximální výkon motoru představuje hodnotu užitečného výkonu, které lze s daným motorem na základě jeho konstrukce dosáhnout a udržovat ji po předem stanovenou dobu, bez možných vedlejších negativních vlivů jako jsou tepelné či mechanické námahy. Musí ovšem platit, že motor před tím i potom bude trvale zatížen dle podmínek pro jmenovitý výkon motoru.
22
3.5 Charakteristika spalovacích motorů Aby bylo možné zkoumat parametry spalovacích motorů a následně s nimi pracovat, či je mezi sebou porovnávat u vícero motorů, byly zavedeny takzvané charakteristiky spalovacích motorů. Tyto charakteristiky jsou prezentovány ve formě grafických závislostí. Nejčastěji pracují s veličinami výkon efektivní tlak
Pe,
Pe,,
otáčkay n, měrná spotřeba paliva
dále točivý moment
mpe,
Mk,,
střední
hodinová spotřeba paliva
Mp
a
další.
3.5.1
Otáčková charakteristika
Jedná se o nejčastěji uváděnou charakteristiku v automobilovém průmyslu. Dříve označovaná i jako rychlostní.
Vnější otáčková charakteristika
Podstatou je nastavení pedálu akcelerátoru (ovládací zařízení) na maximální hodnotu v celém rozsahu otáček. Na základě množství dodávaného paliva, se tato charakteristika dále rozlišuje na:
Absolutní - je limitní charakteristikou získanou z bodů při nastavení motoru na hranici dosažitelného výkonu bez jakýchkoli omezení. Její praktické využití je ojedinělé, samotné měření náročné, protože každý měřený bod se získá při samostatném nastavení motoru. Na hranici kouřivosti – tato charakteristika se používá při vývoji vstřikovacích systémů a jejich součástí, charakteristika nám udává mezní dávku paliva na, která je na hranici kouřivosti v jednotlivých otáčkách. Provozní - je charakteristika motoru nastaveného na konkrétní provozní podmínky, jako je životnost, hlučnost, spotřeba, povolené exhaláty a další. [1]
23
Točivý moment (Nm)
Výkon motoru (kW)
220 660 210 630 200 600 190 570 180 540 170 510 160 480 150 450 140 420 130 390 120 360 110 330 100 300 90 270 80 240 70 210 60 180 50 150 40 120 30 90 Výkon 20 60 Točivý moment 10 30 0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 Otáčky motoru (1/min)
Obr. 8 – Vnější otáčková charakteristika motoru (dynamický test na válcové zkušebně) [1]
Částečná charakteristika
Svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišují podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální. [1]
3.5.2
Zatěžovací charakteristika
Zatěžovací charakteristiky se zjišťují měřením spalovacího motoru na zkušebním stavu při udržování konstantních otáček jako parametru. Přitom se mění zátěžový moment z minimální na maximální hodnotu, pomocí změny polohy ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Zaznamenává a vyhodnocuje se většinou spotřeba, popřípadě další sledované provozní veličiny. Jsou výhodné při 24
posuzování stacionárních motorů, motor motorů kolejových vozidel, ale slouží také jako podklad na konstrukci úplných charakteristik motorů, motor při ři vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. [1]
Obr. 9 – Zatěžovací charakteristika [1]
3.5.3
Regulační ční charakteristika
Regulační ní charakteristiky znázorňují znázor ují závislost provozních veličin velič spalovacího motoru (Pe, Mk, Mp, mpe…) na některé konstrukční, nebo provozní veličině, veli charakterizující seřízení řízení motoru. Například N úhel předstihu (před vstřiku), součinitel přebytku ebytku vzduchu, otvírací tlak vstřikovačů, vst časování asování rozvodu, složení směsi sm apod. Při zjišťování ování charakteristiky měřením m se mění ní jen sledovaná nezávisle proměnná, prom ostatní vstupní veličinyy se podle možnosti udržují konstantní například například otáčky, otá poloha regulačního ního orgánu, teploty atd. Regulační Regula ní charakteristiky se využívají ve sféře sfé výzkumu, vývoje, při ři navrhování systémů systém řízení, nebo seřizování izování konstrukčních konstruk prvků, které ovlivňují ují výstupní hodnoty motoru. motoru [1] [10]
25
Obr. 10 – Regulační charakteristika [10]
3.5.4
Úplná charakteristika
Na komplexní posuzování spalovacích motorů motor z hlediska výkonu, momentu, spotřeby, eby, teplot, exhalátů a dalších veličin se v praxi uplatňuje uje úplná charakteristika, která v jednom grafu umožňuje umož zobrazit několik závislostí současně č ě pomocí průsečíkových diagramůů. Nedá se získat měřením ani výpočtem č přímo, římo, ale je sestavená z otáčkové nebo zatěžovací ěžovací charakteristiky. charakteristiky A to přenosem bodůů vybrané veličiny veli s konstantní hodnotou do souřadnicového sou systému Mk - n. [1]
26
Obr. 11 – Úplná charakteristika v grafu x-y [1]
3.5.5
Zvláštní charakteristiky
Výšková charakteristika
Určuje závislost průbě ůběhu provozních veličin na nadmořské výšce.
Přechodová echodová charakteristika
Přechodové echodové charakteristiky se znázorňují v závislosti na čase provozních veličin veli spalovacího motoru v neustálených režimech. Uplatňují Uplat se při ři zkouškách samotných motorů ve zkušebnách při p řešení dynamiky pohonů, při ř řešení problémů problém řízení a regulace spalovacích motorů motor v součinnosti s poháněnými ěnými spotřebiči spot atd. Pro zážehové motory silničních silnič motorových vozidel se dělají lají záznamy některých n veličin motoru, především edevším spotřeby spo a složení výfukových plynůů ve stanovených režimech jízdy, kde jsou přechodové řechodové charakteristiky ve tvaru mpe = f (t), složky spalin (CO, CHx, NOx) = f (t) apod. [1]
27
Detonační charakteristika
Slouží pro grafické zobrazení parametrů motoru a jejich vliv na rozvin detonačního spalování v prostoru válce.
3.6 Řízení výkonu motoru Obecně platí, že řízení výkonu spalovacího motoru se provádí za pomoci změny množství dodávaného paliva motoru. A to za konstantních, či proměnlivých otáček. Podle způsobu využití, druhu paliva a účelu daného motoru je možné změnu množství paliva dosáhnout několika volitelným způsoby.
3.6.1
Kvalitativní řízení výkonu motoru
Výkon spalovacího motoru lze řídit množstvím dodávaného paliva. V souvislosti s tím, množství nasávaného vzduchu není omezováno vůbec, nebo jen z části. Podle těchto opatření se následně může měnit složení směsi. Pokud je motor v režimu nízkého zatížení, může být hodnota směsi poměrně vzdálená od stechiometrické hodnoty. Tedy s klesající zatížením dochází k ochuzování nasávané směsi. Řízením změny bohatosti směsi, se upravuje hodnota středního efektivního tlaku. Hmotnost vzduchu přivedeného do válce je v tomto případě v podstatě neměnná. [2]
28
Obr. 12 – Závislost spotřeby, neklidu chodu motoru a úrovně jeho emisí Nox při různém složení směsi [2]
Z obrázku je patrný průběh skutečné spotřeby a neklidu chodu upraveného zážehového motoru s dostatečně výkonným zapalováním, v závislosti na složení směsi spolu s emisemi Nox. Z toho vyplývá, že parametry spalovacího motoru jsou na složení směsi velice závislé. [2] Jestliže dojde ke snižování zatížení motoru, přivádí se do válce nižší množství paliva a zvýší se přebytek vzduchu. Díky tomu dojde ke změně směšovacího poměru a výsledná výhřevnost směsi se sníží. Při nízkém zatížení spalovacího motoru dochází k dohořívání chudé směsi vždy při expanzním zdvihu. Mnohdy i při zdvihu výfukovém. Dohořívání ve výfukovém zdvihu, může být doprovázeno zvukovým jevem. Dochází totiž k zapálení nové směsi dohořívajícími spalinami ještě před vstupními průřezy jež se otevírají dříve, než-li výfuk. Dojde-li k dalšímu snižovaní paliva, jež je přiváděno do spalovacího prostoru, dojde ke vzniku nezápalné směsi. [2] Kvalitativní systém řízení výkonu motoru, se používá u všech vysokotlakých naftových motorů. Možností jak eliminovat nevýhody toho systému řízení při menším zatížení motoru je ohřívání nasávaného vzduchu. Nicméně to by bylo po technické stránce dosti náročné. Proto dochází k řešení tohoto problému pomocí přisávání výfukových plynů za pomoci ventilu EGR (exhaust gas recyrculation), negativně však ovlivňují čistotu spalovacího prostoru a sacího systému. [2]
29
3.6.2
Kvantitativní řízení výkonu motoru
Výkon spalovacího motoru je závislý na množství přiváděného paliva do válců, které v nich následně shoří. Na začátku je důležité říci, že tato regulace je pro benzinové motory. Nejpříznivějšími podmínkami pro spalovaní benzinu je poměr, kterému říkáme stechiometrický (palivo/vzduch). S množstvím přiváděného paliva, se musí měnit množství nasávaného vzduchu. Spalovaná směs se vytváří nastavením množství spalovaného vzduchu, který je nasáván motorem a na základě množství vzduchu se vyhodnotí množství přidávaného paliva. Co se přiváděného vzduchu týká, jeho množství se reguluje za pomoci škrtící klapky, která je umístěna v sacím potrubí a je propojena s plynovým pedálem automobilu. Poloha škrtící klapky, je řízena sešlápnutím plynového pedálu a tím se docílí změny průřezu sacího potrubí. Se změnou průřezu se mění výsledné množství nasávaného vzduchu. V případě částečné zátěže motoru, dohází ke zmenšování průřezu sacího potrubí a to vede ke ztrátám výkonu motoru během výměny náplně motoru. Tyto ztráty vedou ke zvýšení měrné spotřeby paliva a ke zvýšené tvorbě emisí. Hovoříme především o oxidu uhličitém (CO2), vztaženém na jednotku výkonu (kWh). [2] Ztráty způsobené výměnou náplně je možné eliminovat zaváděním jiných způsobů regulace množství nasávaného vzduchu, jako například přeplňování s regulací plnícího tlaku, dle požadovaného výkonu motoru, nebo změna časování a zdvihu sacích ventilů. U motorů s více ventily, se mění množství aktuálně používaných sacích ventilů. Množství emisí oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků (HC) je nejmenší při spalování stechiometrické směsi. Je proto výhodnější pokud bude složení směsi mírně ochuzeno oproti λ=1,0 protože bude k dispozici více kyslíku. To zapříčiní vyšší pravděpodobnost dobrého spalování. [2]
30
3.6.3
Kombinované regulace
Vzhledem ke kladným možnostem, které nabízí jak kvalitativní tak kvantitativní řízení výkonu motoru, je snahou využít veškerých dobrých vlastností těchto regulací a využít je v moderních spalovacích motorech. Střední efektivní tlak je v okamžiku kdy se nachází v určité oblasti zátěže řízen změnou bohatosti směsi, jež je nasávána do spalovacího prostoru motoru. V další oblasti zatížení, je řízen změnou hmotnosti náplně spalovacího prostoru. Co se oblasti s proměnlivou bohatostí týká, může dojít k jejímu řízení také kvantitativně. Tato regulace bývá využívána u zážehových přeplňovaných motorů, ale také u vznětových přeplňovaných motorů. U vznětových motorů dochází k řízení středního efektivního tlaku změnou dávky paliva, ale také za využití principu změny hmotnostního naplnění díky přeplňování. [2]
4 ZPŮSOBY MĚŘENÍ VÝKONU SPALOVACÍHO MOTORU
4.1 Normativní požadavky na měření výkonu spalovacího motoru V dnešní době existuje celá řada způsobů měření výkonu spalovacího motoru. Všechny tyto způsoby musejí podléhat určitým standardům. K těmto účelům se celosvětově využívá množství velké množství národní, ale také mezinárodních norem pro zjištění jak hrubého tak čistého ( na klikové hřídeli) výkonu spalovacího motoru. Následně budou popsány technické požadavky, které vycházejí z nejčastěji užívané ISO 1585. Tato mezinárodní norma je postupem ke zkoušení motorů, které byly vyvinuty pro vozidla. Je použitelná pro ohodnocení jejich výkonnosti, zvláště s ohledem na vypracování křivek pro výkon a specifickou spotřebu paliva při plném zatížení v závislosti na otáčkách motoru. Platí pro stanovení čistého výkonu. Týká spalovacích motorů s vnitřním spalováním, které jsou používány pro pohon osobních vozidel a dalších motorových vozidel - ne však pro motocykly, mopedy, zemědělské stroje a traktory. [6]
31
Ze standardu plynou také požadavky na přesnost měřicích zařízení, která zahrnují následující veličiny:
Točivý moment – měřící systém točivého momentu dynamometru musí mít v potřebném rozsahu měření přesnost ± 1 %. Otáčky motoru – přesnost měřícího systému pro otáčky motoru musí být ± 0,5 %. Průtok paliva – přesnost měřícího systému pro průtok paliva musí být ±1 %. Teplota paliva – přesnost měřícího systému pro teplotu paliva musí být ±2K. Teplota vzduchu – přesnost měřícího systému pro teplotu vzduchu musí být ± 2 K. Tlak okolního prostředí – přesnost měřícího systému pro tlak okolního prostředí musí být ± 100 Pa. Tlak výfukových plynů – přesnost měřícího systému pro tlak výfukových plynů musí být ± 200 Pa. Snížení tlaku v sacím systému – přesnost měřícího systému pro snížení tlaku v sacím systému musí být ± 50 Pa. Absolutní tlak v sacím systému – přesnost měřícího systému pro absolutní tlak v sacím systému musí být ± 2 %. [6]
Zkouška čistého výkonu musí sestávat u zážehových motorů ze zkušebního chodu při plném plynu a u dieselových motorů ze zkušebního chodu při pevném nastavení plného zatížení palivového vstřikovacího čerpadla, přičemž motor je vybaven podle zařízeními, která jsou normou specifikována.. [6] Údaje výkonu se musí stanovit při stabilních provozních podmínkách se změřeným přívodem čerstvého vzduchu k motoru. Motory musí být podle doporučení výrobce zaběhnuty, spuštěny a ohřátý. Spalovací prostory mohou v omezeném objemu obdržet obložení. [6] Zkušební podmínky, jako například teplota přiváděného vzduchu, musí co nejblíže ležet referenčním podmínkám, aby se korekční faktor udržel blízký standardním podmínkám. Teplota nasávaného vzduchu motorem (okolního vzduchu) se musí měřit 0,15 m proti proudu od sacího otvoru vzduchu. Teploměr nebo termočlánek musí být chráněn před vyzařováním tepla a přímo umístěn v proudu vzduchu. Musí být také 32
chráněn proti zpětně proudící mlze paliva. Pro reprezentativní, průměrnou teplotu, nasávaného vzduchu se musí zvolit dostatečný počet měřících míst. Pokles tlaku v sání musí být měřen po proudu vstupního vedení, vzduchové mřížky, tlumiče hluku sání, zařízení pro omezení otáček (pokud jsou zabudovány) nebo odpovídajících stejně hodnotných zařízení. Absolutní přetlak na vstupu do motoru, po proudu od kompresoru a tepelného výměníku (pokud jsou zabudovány), musí být měřen ve sběrné trubce sání a v každém bodě, kde měření tlaku mělo za následek výpočet korekčních faktorů. Protitlak ve výfukovém systému musí být měřen v bodě, který je vzdálen nejméně ve vzdálenosti od příruby (přírub) výfuku, rovné trojnásobku průměru trubky a po proudu od turbokompresoru (pokud je zabudován). Poloha se musí udat. Měřená data se smí snímat teprve tehdy, když točivý moment, otáčky a teplota zůstanou konstantní nejméně po jednu minutu. Otáčky motoru se nesmí během zkušebního chodu nebo odečítání odchylovat od zvolených otáček o více než ± 1 % nebo ±10 min"'. Snímání dat měření pro snímač síly, spotřebu paliva a teplotu nasávaného vzduchu se musí provést co možná současně a musí představovat pro každou veličinu průměr ze dvou stabilizovaných, za sebou následujících hodnot, které se nesmí u brzdné váhy a spotřeby paliva se odchylovat navzájem o více než 2 %. Druhé snímání hodnot se musí provést přibližně 1 min po prvním, bez toho že by bylo změněno nastavení motoru. [6] Teplota chladicí kapaliny na výstupu motoru musí ležet ± 5 K od horní teploty regulované termostatem a výrobcem udávané. Pokud není udána žádná teplota, musí být teplota (363 ± 5) K. Teplota paliva musí být u zážehových motorů měřena co nejblíže u vstupu vstřikovacího ventilu. Teplota paliva musí být udržována v rozpětí i 5 K od výrobcem zadané teploty. Nejnižší přípustná teplota zkušebního paliva však musí být stejná jako teplota okolí. Pokud výrobce neudává žádnou teplotu zkušebního paliva, tak musí být (298 ± 5) K. [6] U vznětových motorů musí být měřena teplota paliva u vstupu vstřikovacího čerpadla paliva. Na přání výrobce může být měřena teplota paliva také u jiného bodu v čerpadle, který je reprezentativní pro provozní podmínky motoru. Teplota paliva musí být udržována v rozpětí i 3 K od výrobcem zadané teploty. Nejnižší přípustná teplota paliva na vstupu čerpadla je ve všech případech 303 K. Pokud výrobce neudává žádnou teplotu zkušebního paliva, tak musí být (313 + 3) K. Teplota mazacího oleje musí být měřena na vstupu do hlavního olejového kanálu, nebo pokud se vyskytuje, na výstupu z olejového chladiče, pokud nebyl výrobcem zadán žádný jiný bod měření. Teplota se 33
musí udržovat v rámci mezí zadaných výrobcem. Aby se teploty udržely v mezích, může být použit přídavný regulační systém - pokud je potřebný.[6] Pro zkoušku se mají pomocná zařízení, která jsou potřebná pro provoz motoru v plánovaném použití, na zkušebním stanovišti nainstalovat v co možná stejné poloze, jako při plánovaném použití. Určené příslušenství, které je potřebné pouze pro provoz vozidla, které může být namontováno na motoru, je třeba pro zkoušku odstranit. [6]
Následující seznam si nečiní žádný nárok na úplnost a představuje příklad:
vzduchový kompresor pro brzdy, čerpadlo pro posilovač řízení, kompresor pro pérování, klimatizační zařízení. U neodstranitelného příslušenství může být výkon, odebraný nezatíženým příslušenstvím přičten k naměřenému výkonu motoru. [6]
4.2 Možné rozdělení způsobů měření a jejich metody S rostoucími požadavky na vozidlové motory, se v dnešní době využívá celá řada způsobů, díky kterým je možné zjišťovat jednotlivé parametry daného motoru. Proto se s postupem času vyvíjely nerůznější metody měření a z nich jednotlivé způsoby, kterými lze požadované parametry získat. •
Dynamická metoda o Motor je umístěn ve vozidle Měření úhlového zrychlení setrvačných hmot –válcové zkušebny Měření úhlového zrychlení klikového hřídele – volná akcelerace, nebo využití přídavných setrvačných hmot – na klikovém hřídeli
34
•
Statická metoda o Motor je upevněn na zkušební zařízení Měření výkonu na klikovém hřídeli –způsob brzdění pomocí absorpční, univerzální dynamometry o Motor je umístěn ve vozidle Měření na obvodu hnacích kol - válcové zkušebny absorpční, univerzální dynamometry
4.3 Systémy zátěže během měření výkonu motoru
4.3.1
Dynamická metoda
Díky této metodě jsme schopní vykreslit křivky výkonu a momentu závisející na otáčkách. Při tomto způsobu měření, klade systém brzdy odpor otáčejícím se součástem motoru, při čemž momenty setrvačnosti jsou přesně udány výrobcem. K měření je nutné uvést co nejpřesněji i hodnotu momentu setrvačnosti daného motoru, která ovšem nebývá známa. Tuto hodnotu jsme schopni určit laboratorně za pomoci doběhové
Výkon motoru (kW)
150 450 140 420 130 390 120 360 110 330 100 300 90 270 80 240 70 210 60 180 Výkon - serie 50 150 40 120 Výkon - chip 30 90 Točivý moment - serie 20 60 Točivý moment - chip 10 30 0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 Otáčky motoru (1/min)
Točivý moment (Nm)
zkoušky, nebo měřením ztrát v převodovém ústrojí. [10]
Obr. 13 – Graf otáčkové charakteristiky během dynamické zkoušky [10]
35
4.3.2
Statická metoda
Tato metoda je založena na principu zjištění velikosti síly, která působí při brzdění válce na určitém rameni. Na základě této metody, se určují hodnoty výkonu a momentu v předem stanovených bodech. Motor je během měření udržován v konstantních otáčkách a to díky elektromotoru systému, vytvářejícímu potřebný brzdný účinek. Výhodou této metody je, že dochází k lepšímu ohřevu motoru a především je přesnější než-li metoda dynamická. Výhodou je pokud lze provést porovnání obou metod jak metody dynamické tak statické a lze tak ověřit hodnotu uvedeného momentu setrvačnosti zadaného při dynamické metodě. [10]
Obr. 14 – Graf otáčkové charakteristiky během statické zkoušky [18]
36
5 ZAŘÍZENÍ PRO MĚŘENÍ VÝKONU SPALOVACÍHO MOTORU
5.1 Dynamometry Na základě způsobu měření, můžeme rozlišit měření výkonu motoru na dva způsoby a to na měření za pomoci válcového, nebo motorového dynamometru. Mechanický výkon, patří mezi veličiny, které není možné měřit přímým způsobem. Jeho velikost je možné určit v případě motorového dynamometru odečetem hodnot na klikové hřídeli, během rotačního pohybu. V případě válcového dynamometru na kole měřeného vozidla.
5.2 Válcové dynamometry Díky tomuto způsobu měření, jsme schopní staticky měřit výkon silničních vozidel při provozní zátěži, přičemž testované vozidlo je v klidu a zajištěno proti pohybu. Během měření se určuje síla, kterou působí kola na válec, a díky níž jej roztáčejí. U této metody měření, je nutné brát na vědomí fakt, že tímto měření není možné získat shodnou hodnotu výkonu jako při měření během něhož je dynamometr upevněn přímo ke klikovému hřídeli. Důvodem je vznik ztrát v převodovém ústrojí, valivé odpory atd. Tyto rozdíly je možné eliminovat takzvanými korekčními faktory.
5.2.1
Zařízení válcových dynamometrů pro disipaci energie
Maření vzniklé energie působící na válce válcové zkušebny měřeným vozidlem, se provádí
za
pomoci
brzdových
systémů.
elektromagnetické vířivé a elektrické.
37
Rozlišujeme
brzdy
hydraulické,
Hydraulické dynamometry
Tyto brzdové systémy, jsou charakteristické tím, že se pohybová energie spalovacího motoru přenesená na hnací kola přemění v teplo vnitřním třením částic kapaliny (nejčastěji vody). Kapalina zde slouží nejen jako pracovní látka, ale i jako chladící médium. [9]
Elektromagnetické dynamometry vířivé
Pracují na principu vzniku vířivých proudů při toku stejnosměrného proudu budícím vinutím. Často jsou řešeny tak, že výkyvné uložené těleso obsahuje ozubený pólový kotouč, budící vinutí a chladicí komory, kterými protéká voda. Protéká-li budícím vinutím stejnosměrný proud vzniká magnetické pole, které má statický charakter v zubech pólového kotouče (obíhá současně s pólovým kotoučem, přičemž siločáry procházejí zuby pólového kotouče pouze v axiálním směru), ale vztažené ke stěnám chladících komor má frekvenci shodnou s frekvencí otáčejících se zubů. Takto vznikají ve stěnách vířivé proudy, které vytváří pole s brzdným účinkem. [9]
Obr. 15 – Elektromagnetická vířivá brzda, červeně označený pólový kotouč, žlutě budící vinutí, modře chladicí komory. [9]
38
Elektrické dynamometry
Tyto brzdové systémy jsou v podstatě elektrické generátory, nebo elektromotory s výkyvně uloženým statorem. Jejich výhoda oproti předchozím je v možnosti nejen brzdit, ale i pohánět kola vozidla a zjišťovat tak např. brzdné síly, monitorovat funkci systému ABS a dalších. [9]
5.2.2
Požadavky na válcové zkušebny
Válcové zkušebny jako takové jsou technická zařízení, jejichž vlastnosti sestávají ze dvou určitých požadavků.
Technické požadavky o Tyto zkušebny slouží zpravidla jako vývojové, nebo pro zkoušení vlastností pohonných ústrojí a schopností přenosu síly na vozovku. Eventuálně se také může jednat o měření vibrací, hluku, či spolehlivosti.
Legislativní požadavky o je doménou zkoušení emisních parametrů vozidel pro testy, které jsou obsaženy v homologacích (např. EHK R83 atp.), dále jsou některé dynamometry konstruovány pro zkoušení elektromagnetické kompatibility EMC či zkoušení bezpečnosti vozidel. [1]
5.2.3
Koncepce válcových dynamometrů
Co se týče konstrukčního řešení válcových zkušeben, je možné je rozlišit podle uspořádání válců, dle počtu válců na kolo, či dle způsobu přenosu síly mezi nápravou a měřícím zařízením na zkušebny duo válcové, mono válcové a bez válcové ( bez válcové zkušebny typu rototest).
39
Duo válcové uspořádání
Přenos síly z kola je tvořen párovými válci. Tento typ je častější pro dynamometry, které mají charakter spíše jednoduchého zkušebního zařízení. Válce mohou být z důvodu přenesitelné síly spojeny řetězem či lépe řemenem, nebo se lze setkat i s jedním brzděným válcem a druhým opěrným, ovšem za cenu snížení maximální přenesitelné síly, neboť se síla na válci rozkládá a při překročení limitní hodnoty dochází k nárůstu prokluzu. [1]
Obr. 16 – Duo válcové uspořádání [17]
40
Mono válcové uspořádání řádání
Toto uspořádání ádání respektuje více skutečný ný stav pneumatiky na vozovce, neboť nebo velké mono válce mají povrch tvořen tvo pouze mírným zakřivením ivením (na rozdíl od dvojí deformace u párových válců, válc které s sebou nesou značný čný vliv dynamiky celé pneumatiky, což je například např u diagonální pneumatiky extrémní případ, př pokud jsou vytvořeny eny podmínky pro stojaté vlny šířící ší se celým pláštěm). ěm). Mono válcový dynamometr je veskrze vhodnějším vhodn řešením, ešením, ale má také svá konstrukční konstrukč úskalí, neboť není možné vytvořit řit zkušebnu, zkušebnu která by měla la menší rozvor než je průměr prů ě válce a dále je válec hmotnější a v případě řípadě, že se jedná o aktivní dynamometr s pohonem, pak se hůře h simulují setrvačné č účinky činky. [1]
Obr. 17 – Mono válcové uspořádání [1]
41
Bez válcové uspořádání
Tento způsob, jak již název napovídá pracuje bez nutnosti vybavení systému válců, přičemž samotné měření probíhá demontáží kola a montáží vlastní brzdy k náboji kola. Při tomto způsobu měření odpadá problematického členu spočívajícího v kombinaci kola a válce, kdy je nutné monitorovat skluz. [15]
Obr. 18 – Bez válcové uspořádání tipu Rototest [16]
Obr. 19 – Detail bez válcového systému Rototest [15] 42
5.3 Motorové dynamometry Tento druh laboratorních zkušeben je zatížen skutečností, že pro samotné měření je nutné před samotným procesem měření, demontovat testovaný motor z vozidla, což s sebou přináší jak časovou, tak finanční náročnost. Systém měření je nicméně velice přesný. Za pomoci motorového dynamometru, neměříme přímo výkon daného motoru, ale točivý moment, který se zde maří – disipuje a otáčky motoru. Točivý moment, je měřen vážením reakce výkyvného statoru. Po té dojde k výpočtu efektivního výkonu motoru, který se dále přepočítá v rámci korekce s uvážením atmosférického tlaku a teploty 25 °C. S takto vypočtenou hodnotou spalovacího motoru se setkáváme u výrobců automobilů, kde je považována za základní technickou specifikaci daného motoru. Jedná se o takzvaný čistý výkon spalovacího motoru. Motorové dynamometry rozlišujeme v základním uspořádání na dynamometry pasivní a aktivní
5.3.1
Pasivní dynamometry
Tyto brzdové systémy nedisponují schopností simulovat reálné podmínky provozu. To znamená, že neumožňují vytvářet točivý moment stejného směru jako motor a tím jej moci pohánět. Jsou schopny pouze testovaný motor brzdit a vstřebávat vytvořenou energii.
Hydrodynamické dynamometry
Tento druh dynamometru je tvořen válcovým rotorem, otáčejícím se ve vodotěsném statoru. Vně statorové a rotorové části, jsou obrobeny vybrání toroidního tvaru, které spolu vytváří pomyslné kapsy. Brzdný účinek je produkován působením odstředivé síly kapaliny, jež je při otočném pohybu rotoru, připojeného ke klikovému hřídeli motoru, tlačena proti vybrání ve statorové části. Regulace brzdného účinku je umožněná za pomoci změny objemu kapaliny v dynamometru.
43
Obr. 20 – Motorový dynamometr během měření [12]
Této změny lze dosáhnout několika způsoby. A to za pomoci různých stavidlových desek, které jsou vkládány mezi statorovou a rotorovou část a díky nimž je možné přerušit, či ovládat cirkulaci kapaliny mezi kapsami. Tím je umožněno rozdílné zatížení motoru. Tento způsob regulace se využívá u takzvaných dynamometrů s konstantním plněním. Jedním z dalších způsobů změny objemu kapaliny v dynamometru, je regulace objemu kapaliny právě se nacházející v dynamometru. Tato změna je prováděna za pomoci regulačních ventilů připojených na řídící systém dynamometru, umístěných na vstupu a výstupu kapaliny z dynamometru. Velká výhoda toho systému spočívá v možnosti rychlé regulace zatížení působícího na měřený motor oproti regulaci za pomoci stavidlových desek. Tento způsob regulace se využívá u takzvaných dynamometrů s proměnlivým plněním.
44
Obr. 21 – Hydrodynamický dynamometr SF-902 [14]
Vířivé dynamometry
Jedná se o elektrické zařízení, pracující na principu elektromagnetické indukce. Vířivá brzda využívá pro vytvoření brzdícího momentu vířivé proudy, uložené na krátko v tělese magnetického obvodu. Rotor je vyroben z oceli a má tvar ozubeného kola. Na statoru, je umístěna budící cívka, kterou protéká stejnosměrný proud, který budí v magnetickém obvodu magnetický tok. Rotor se otáčí v magnetickém poli statoru a díky střídání zubu a mezery rotoru, se mění magnetický tok. Změna magnetického toku má následně za důsledek, vznik indukovaného napětí v magnetickém obvodu, díky čemuž začnou obvodem protékat vířivé proudy. Brzdného momentu je dosaženo právě díky vířím proudům. Velikost brzdného momentu je ovlivnitelná změnou proudu v budící cívce. [5]
45
Jako výhodu tohoto brzdového systému považujeme možnost přesného a rychlého nastavení brzdového momentu. Dle způsobu chlazení vířivých dynamometrů, jsme schopní tyto systémy rozlišit na systémy s přímým a nepřímým vodním chlazením.
Obr. 22 – Vířivý dynamometr AVL [13]
5.3.2
Aktivní dynamometry
Tyto systémy jsou oproti Pasivním dynamometrům schopny nejen testovaný motor brzdit, ale také vytvářet točivý moment stejného směru jako daný motor a tím pádem jej i pohánět. Díky tomu, je možné na daném motoru simulovat reálné podmínky.
Elektrické stejnosměrné dynamometry
Jedná se o zařízení tvořena stejnosměrným elektrickým motorem, napájeným stejnosměrným proudem. Motor pracuje na principu minimální energie. Ve vnitřním magnetickém poli, se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje magnetické
46
pole, které je vždy orientováno stejně jako vnější magnetické pole. Toho je dosaženo díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaždé, kdy dojde k překlopení. Nevýhodou tohoto systému, je omezený rozsah otáček a poměrně velký moment setrvačnosti. Naopak výhodami je poměrně snadná obsluha a možnost dynamometru roztáčet motor a provádět zkoušky roztáčením. [11]
Elektrické střídavé dynamometry
Tato elektrická zařízení pracují na principu běžného třífázového asynchronního elektromotoru. Střídavý třífázový proud, prochází vinutím statoru a vytváří točivé magnetické pole. Vzniklé magnetické pole indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud vyvolává sílu otáčející rotorem. Změnu otáček, je možné provést změnou frekvence proudu. Co se momentu týká, jeho úpravu je možné provést změnou napětí. [12] Nevýhodami tohoto systému je nižší přesnost a malý rozsah otáček. Naopak za výhody lze považovat jednoduché konstrukční řešení, přijatelné pořizovací náklady.
47
6 ZÁVĚR Měření výkonu spalovacího motoru je možné provádět několika způsoby měření. Základním rozdělením je možné rozlišit měření, během kterého je motor umístěn v daném vozidle a měření probíhá za pomoci válcového dynamometru vybavené jedním z několika brzdových systémů a za pomoci využití jedné z koncepcí rozložení měřících válců. Druhým způsobem je měření výkonu spalovacího motoru, který je umístěn mimo automobil a je upevněn přímo na měřícím zařízení, tzv. motorovém dynamometru, který je rovněž vybaven některým brzdovým systémem. Systémy pro disipaci energie, nebo-li pro vytváření brzdového účinku rozlišujeme v případě válcových dynamometrů na hydraulické, elektromagnetické vířivé a elektrické
dynamometry.
V případě
motorových
dynamometrů
rozlišujeme
dynamometry aktivní a pasivní. Za aktivní dynamometry považujeme v dnešní době dynamometry elektrické stejnosměrné a elektrické střídavé. Mezi pasivní řadíme hydrodynamické a vířivé dynamometry. Celá problematika měření výkonu spalovacího motoru je ovlivněna nejen způsobem měření, ale také fyzikálními podmínkami působícími na výsledek měření. Může se jednat jak o valivé odpory působící negativně v případě měření na válcovém dynamometru, tak o ztráty výkonu vzniklé v převodovém ústrojí. V neposlední řadě důležitou roli hrají okolní vlivy, jako jsou teplota, tlak, nebo vlhkost nasávaného vzduchu motorem během procesu měření.
48
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Literární zdroje: [1]
HLAVŇA V., KUKUČA P., ISTENÍK R., LABUDA R., LIŠČÁK Š., Dopravný prostriedok-jeho motor. 1. vyd. Žilina: Žilinská univerzita v Žilině, 2000. 442s. ISBN 80-7100-665-3.
[2]
FERENC B., Spalovací motory, karburátory a vstřikování paliva. 1. vyd. Praha: Vydavatelství a nakladačství Computer Press, 2004. 388s. ISBN 80-251-0207-6
[3]
GRODA B., VÍTĚZ T., Termomechanika 1. 1. vyd. Brno: Mendelova zemědělská univerzita v Brně vlastním nákladem, 2008. 236s. ISBN 978-80-7375-160-9
[4]
VLK F., Dynamika motorových vozidel. 2. vyd. Brno: Prof. Ing. František Vlk DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2005. 432s. ISBN 80-239-0024-2.
[5]
NOVÁK J., Dynamometr na vířivé proudy a jeho regulace [online]. [cit. 26. února 2013] Dostupné na
.
[6]
NORMA ISO 1585
[7]
JAN Z., ŽDÁNSKÝ B., Automobily 3 Motoroy. 3. vyd. Brno: Nakladatelství Avid s.r.o. Brno, 2004. 165s.
49
Internetové zdroje: [8]
ČUPERA J., Typy zkušebních zařízení. [online]. 2013 [cit. 13. ledna 2013]. Dostupné na:
[9]
ČUPERA J., Vozidlová zkušebna pro osobní automobily. [online]. 2013 [cit. 2. Března 2013]. Dostupné na:
[10]
ČUPERA J., Studijní opory pro ZMOV. [online]. 2013 [cit. 2. Března 2013]. Dostupné na: < http://web2.mendelu.cz/autozkusebna/html/prostud.htm>
[11]
WIKIPEDIE, Stejnosměrný motor. [online]. 2013 [ 12. Března 2013]. Dostupné na:
[12]
WIKIPEDIE, Asynchronní motor. [online]. 2013 [ 12. Března 2013]. Dostupné na:
[13]
BRENT M., Dyno test - SF 902. [online]. 2013 [ 13. Března 2013]. Dostupné na:
[14]
AVLCECHY., Vířivý dynamometr AVL [online]. 2013 [ 13. Března 2013]. Dostupné na:
[15]
SUPERFLOW.COM., SF-902 Engine dynamometer [online]. 2013 [ 14. Března 2013]. Dostupné na:
[16]
MY NEWS DESK, Rototest. [online]. 2013 [ 14. Března 2013]. Dostupné na: 50
[17]
ROTOTEST.COM., Rototest dynamometer. [online]. 2013 [ 17. Března 2013]. Dostupné na:
[18]
MILLTEKSPORT., Audi S4 V6 being dyno-testing. [online]. 2013 [ 17. Března 2013]. Dostupné na:
[19]
YETISKODA.CZ., Motory., [online]. 2013 [ 17. Března 2013]. Dostupné na:
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 – Porovnávací oběh spalovacího motoru [2] ...................................................... 12 Obr. 2 – Smíšený porovnávací oběh vznětového motoru [2] .......................................... 13 Obr. 3 – Indikátorový diagram čtyřtaktního zážehového motoru v porovnání s ideálním oběhem [2] ...................................................................................................................... 14 Obr. 4 – Velikost sil v klikovém ústrojí během cyklu [1]................................................. 15 Obr. 5 – Průběh točivého momentu jednotlivých válců motoru [1] ................................ 17 Obr. 6 – Indikovaná práce v p-V diagramu [1] .............................................................. 18 Obr. 7 – p-V diagram s vynesením efektivní práce [1] .................................................. 20 Obr. 8 – Vnější otáčková charakteristika motoru [1] ..................................................... 24 Obr. 9 – Zatěžovací charakteristika [1] .......................................................................... 25 Obr. 10 – Regulační charakteristika [10] ....................................................................... 26 Obr. 11 – Úplná charakteristika v grafu x-y [1] ............................................................. 27 Obr. 12 – Závislost spotřeby, neklidu chodu motoru a úrovně jeho emisí Nox při různém složení směsi [2] .............................................................................................................. 29 Obr. 13 – Graf otáčkové charakteristiky během dynamické zkoušky [10] ...................... 35 Obr. 14 – Graf otáčkové charakteristiky během statické zkoušky [18] ........................... 36 Obr. 15 – Elektromagnetická vířivá brzda, červeně označený pólový kotouč, žlutě budící vinutí, modře chladicí komory. [9].................................................................................. 38 51
Obr. 16 – Duo válcové uspořádání [17] ......................................................................... 40 Obr. 17 – Mono válcové uspořádání [1] ........................................................................ 41 Obr. 18 – Bez válcové uspořádání tipu Rototest [16] ..................................................... 42 Obr. 19 – Detail bez válcového systému Rototest [15] ................................................... 42 Obr. 20 – Motorový dynamometr během měření [12] .................................................... 44 Obr. 21 – Hydrodynamický dynamometr SF-902 [14] ................................................... 45 Obr. 22 – Vířivý dynamometr AVL [13].......................................................................... 46
52
53
