MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2011
Bc. LUKÁŠ STAŇA
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Měření průtoku kapalin v aplikaci zkoušení motorových vozidel Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Bc. Lukáš Staňa
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma MEŘENÍ PRŮTOKU KAPALIN V APLIKACI ZKOUŠENÍ MOTOROVÝCH VOZIDEL vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně
dne……………………………………… podpis diplomanta………………………
PODĚKOVÁNÍ Tímto chci poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za ochotu, čas strávený při konzultacích, za připomínky a odborné vedení při zpracovávání diplomové práce.
ANOTACE Tato diplomová práce se zabývá měřením průtoků kapalin při zkouškách motorových vozidel. Práce je rozdělena na čtyři hlavní částí. V první části popisuji jednotlivá provedení průtokoměrů a objasňuji jejich fyzikální princip. Druhá část práce se podrobněji věnuje jednotlivým metodám měření průtoku kapalin a plynů. Ve třetí části je popsána metodika, která byla aplikována na praktickém měření v motorové zkušebně Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Poslední čtvrtá část práce je zaměřena na diskuzi a interpretaci výsledků měření.
Klíčová slova: průtok, průtokoměr, zkušebna motorů, Coriolisův průtokoměr.
ANNOTATION This thesis deals with the measurement of fluid flow in tests of motor vehicles. The work is divided into four main parts. The first part describes the various technical performance of flowmeters and clarify their physical principle. The second part is discussed in detail the various methods of flow measurement of liquids and gases. In the third section is described the methodology that was applied to the practical engine testing of Mendelu Brno Faculty of Agronomy, Department of Engineering and Automobile Transport. The last fourth part deals with the discussion and interpretation of results.
Keywords: flow, flowmeter, engine test-room, Coriolis flowmeter.
OBSAH 1
ÚVOD ..................................................................................................................... 9
2
CÍL PRÁCE ......................................................................................................... 10
3
PRŮTOKOMĚR, PRŮTOK TEKUTIN ........................................................... 11
4
3.1
Objemový průtok .............................................................................................. 11
3.2
Hmotnostní průtok ............................................................................................ 11
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY .......................................... 12 4.1
4.1.1
Venturiho trubice .................................................................................... 13
4.1.2
Clona ....................................................................................................... 13
4.1.3
Dýza ........................................................................................................ 14
4.1.4
Pitotova trubice ....................................................................................... 14
4.1.5
Prandtlova trubice ................................................................................... 15
4.1.6
Plováčkové průtokoměry ........................................................................ 16
4.2
Měření rychlosti proudění tekutiny .................................................................. 16
4.2.1
Turbínkové průtokoměry ........................................................................ 16
4.2.2
Vírové průtokoměry ................................................................................ 17
4.2.3
Elektromagnetické (indukční) průtokoměry ........................................... 18
4.2.4
Ultrazvukové průtokoměry ..................................................................... 18
4.3
Měření objemového průtoku ............................................................................ 19
4.3.1
Průtokoměry s kývavým diskem ............................................................. 19
4.3.2
Průtokoměry s oválnými koly ................................................................. 20
4.4
Měření hmotnostního průtoku .......................................................................... 20
4.4.1
Coriolisovy průtokoměry ........................................................................ 20
4.4.2
Tepelné hmotnostní průtokoměry ........................................................... 21
4.5 5
Měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru ..................... 12
Srovnání jednotlivých průtokoměrů ................................................................. 22
MĚŘIČE MNOŢSTVÍ VZDUCHU................................................................... 23
6
5.1
Měřič mnoţství vzduchu měřící náporový tlak LMM ...................................... 23
5.2
Měřiče hmotnosti nasávaného vzduchu ............................................................ 24
5.2.1
Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem (HLM) ........................ 24
5.2.2
Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným filmem (HFM) ........................ 26
MĚŘENÍ SPOTŘEBY PALIVA ........................................................................ 28 6.1
6.1.1
Datron DFL - karburátorové motory ....................................................... 29
6.1.2
Datron DFL 2 - vznětové motory, Common Rail ................................... 30
6.1.3
Systém Pierburg PLU-106 ...................................................................... 32
6.2
7
8
Silniční zkoušky spotřeby ................................................................................. 28
Měření spotřeby na válcové zkušebně .............................................................. 33
6.2.1
Odměrné baňky ....................................................................................... 33
6.2.2
Elektricky ovládaný měřič spotřeby........................................................ 34
METODIKA MĚŘENÍ ....................................................................................... 35 7.1
Cíl měření ......................................................................................................... 35
7.2
Popis měřícího zařízení .................................................................................... 35
7.2.1
Motorová zkušebna ................................................................................. 35
7.2.2
Řídící místnost ........................................................................................ 37
7.2.3
Vířivý dynamometr ................................................................................. 38
7.2.4
Průtokoměry ............................................................................................ 39
7.2.4.1
Palivo ............................................................................................... 39
7.2.4.2
Chlazení............................................................................................ 40
7.2.4.3
Mazání .............................................................................................. 41
7.3
Měřený spalovací motor ................................................................................... 43
7.4
Příprava měření................................................................................................. 43
7.5
Vlastní měření................................................................................................... 47
VYHODNOCENÍ A DISKUZE ......................................................................... 48 8.1
Tabulky naměřených a vypočtených dat .......................................................... 48
8.2 9
Grafické vyjádření naměřených a vypočtených dat ......................................... 50
ZÁVĚR ................................................................................................................. 56
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ......................................................................... 58 SEZNAM OBRÁZKŮ .................................................................................................. 59 SEZNAM TABULEK ................................................................................................... 60 SEZNAM INTERNETOVÝCH ODKAZŮ ................................................................ 60
1
ÚVOD Měření průtoku kapalin a plynů patří mezi nejčastější měření (snímání)
neelektrických veličin. Pouţívání průtokoměrů je nedílnou součástí lidského ţivota a lze je nalézt v kaţdé domácnosti v podobě různých technických provedení. Nejčastěji je známe v podobě plynoměrů a vodoměrů, se kterými se dnes a denně setkáváme. Díky nim získáváme přehled o mnoţství námi spotřebovaných nerostných surovin a vody. Nejčastěji a v největší míře se uplatňuje měření průtoku v průmyslové praxi. Tam nachází uplatnění při sledování toku tekutin či plynů a s jejich pomocí lze velmi snadno dosáhnout správného dávkování, odměřování, zjišťování skutečných parametrů průtoku a jeho následnou regulaci. Velmi často jsou metody měření průtoku vyuţívány v lékařství jako diagnostický nástroj, kde např. dopomáhají zjišťovat průtok krve cévami a jejich průchodnost, komplexní měření plicních parametrů, aj. Ovšem pro naše účely jsou průtokoměry vyuţívané převáţně při zkoušení motorových vozidel v laboratorních podmínkách, např. při měření zatěţovacích, otáčkových či regulačních charakteristik spalovacích motorů, kdy zjišťujeme měrnou spotřebu paliva. V jiných případech mohou být pouţívány k měření průtoku chladících kapalin či oleje a k následnému vyhodnocení tepelné bilance motorů.
9
2
CÍL PRÁCE Cílem práce bylo popsat jednotlivá provedení měřících zařízení pro zjišťování
průtoku (průtokoměrů), objasnit jejich fyzikální princip, jak tato zařízení pracují a následně vybrat, které z metod měření jsou vhodné pro aplikace zkoušení motorových vozidel. V praktické
části
je
popsána
metodika
měření
pomocí
hmotnostních
průtokoměrů, která byla následně aplikována na praktické měření v motorové zkušebně Mendelovy univerzity v Brně, a to na kapalině blízké vodě a na palivu. Data z tohoto měření byla zaznamenána a zpracována do grafů a tabulek. Závěr práce je zaměřen na interpretaci výsledků měření.
10
3
PRŮTOKOMĚR, PRŮTOK TEKUTIN Průtokoměr je technické zařízení slouţící k měření průtoku kapalin a plynů.
Pojem průtok se pouţívá jak pro označení rychlosti proudění, tak pro označení hmotnostního nebo objemového průtoku. Ovšem mezi těmito pojmy je určitý rozdíl. V následujících podkapitolách tyto rozdíly objasním.
3.1 Objemový průtok Značí se QV, je definován jako objem kapaliny, který proteče zvoleným průřezem potrubí za jednotku času. Při zjišťování objemového průtoku se vyuţívá měření rozdílů tlaků nebo výpočet rychlosti proudění tekutiny v potrubí o známem průřezu. Ovšem vycházíme z předpokladu, ţe tekutina vyplňuje celé potrubí, coţ obvykle neodpovídá skutečnosti. Při měření průtoku kapalin je v některých případech potřeba provést korekci objemového průtoku na změny teploty a tlaku. Ovšem při měření průtoku plynů a par musíme tyto korekce provádět vţdy vzhledem ke stlačitelnosti proudícího média (plynu).
3.2 Hmotnostní průtok Značí se Qm a je definován jako hmotnost kapaliny, která proteče zvoleným průřezem potrubí za jednotku času. Pro přímé měření průtoku existují dvě základní metody - průtokoměry zaloţené na Coriolisově principu nebo tepelné hmotnostní průtokoměry. Nepřímo lze hmotnostní průtok vypočíst z objemového průtoku, známe-li měrnou hmotnost proudící tekutiny ρ. Pak vzorec pro výpočet bude vypadat následovně: (1) kde:
Qm – hmotnostní průtok; [kg·s-1] QV – objemový průtok; [m3·s-1] ρ – měrná hmotnost tekutiny; [kg·m-3]
11
4
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Mezi základní měření průtoku tekutin patří: Měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru Měření rychlosti proudění tekutiny Měření objemového průtoku Měření hmotnostního průtoku
4.1 Měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru Převáţná většina průmyslových průtokoměrů je zaloţena právě na tomto principu měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru. Základní skupinu těchto průtokoměrů tvoří škrtící orgány, mezi které patří např. Venturiho trubice, clona a dýza. Dále mezi průtokoměry zaloţené na snímání diference tlaku patří rychlostní sondy jako je nepř. Pitotova trubice, Prandtlova trubice, plováčkové průtokoměry, aj. (OKTÁBEC, 1998) Tlakové poměry v potrubí při proudění popisuje Bernoulliho rovnice. Ta vyjadřuje zákon zachování mechanické energie v tekutinách. V potrubí s větším průřezem má proudící kapalina větší tlak, ale menší rychlost, zatímco v místě s menším průřezem má naopak menší tlak, ale větší rychlost. K tomuto jevu dojde, kdyţ do potrubí vloţíme překáţku. Rychlost proudění (kinetická energie) tekutiny při průchodu překáţkou roste za poklesu statického tlaku v tekutině (potenciální energie). Pak platí, ţe rozdíl tlaků před překáţkou a za ní je přímo úměrný druhé mocnině rychlosti proudění. Ovšem tvar překáţky tuto skutečnost ovlivňuje. (MILLER, 1989) (2) kde:
v - rychlost proudění tekutiny; [m·s-1] k - konstanta určující vlastnosti primárního prvku průtokoměru; [-] ρ - měrná hmotnost tekutiny; [kg·m-3] Δp - diferenční tlak; [Pa]
12
Obr. 1 - Tlakové poměry v okolí škrticího orgánu (TZB-INFO) 4.1.1 Venturiho trubice Venturiho trubice pracuje tak, ţe tekutina je zrychlována v kuţelovém konfuzoru, coţ má za následek růst rychlosti proudění tekutiny a pokles jejího tlaku. V následující části trubice (difuzoru), se tlak téměř vrací na úroveň tlaku před zúţením. Tlaková diference pak odpovídá určitému průtoku. Značnou a nezanedbatelnou výhodou Venturiho trubice je malá tlaková ztráta a velká přesnost měření. Nevýhodou je poměrně vysoká cena, proto se Venturiho trubice vyuţívá velmi málo. (ČSN ISO 5167-1, 1993)
Obr. 2 - Venturiho trubice (PRŮTOKY) 4.1.2 Clona Clona je plochá kovová deska s otvorem, která je vloţena do potrubí mezi příruby. Podle typu měřené tekutiny se volí průměr a umístění škrtícího otvoru. Odběry statických tlaků jsou prováděny těsně před a za deskou, kdy existují dva základní typy odběrů - koutové odběry a přírubové odběry. (MILLER, 1989) 13
Máme několik základních typů clon, např. clonu soustřednou (normalizovanou), segmentovou a excentrickou. Clonou lze měřit průtok většiny tekutin, ale musí být čisté. Clony jsou náchylné na opotřebení, které bývá způsobeno znečištěnou tekutinou nebo částicemi v ní obsaţené. To můţe ovlivnit tlakovou diferenci odpovídající určitému průtoku. Průtokoměry se škrticí clonou jsou robustní, a přesto jsou relativně levné. Aby se dosáhlo poţadovaných vlastností, musí být clona zabudována do přímého úseku potrubí s předem definovanými uklidňujícími úseky před a za clonou (uklidňující potrubí před a za průtokoměrem je udáváno u všech typů průtokoměrů, ovšem u normalizované clony bývají tyto úseky jedny z nejdelších). (ČSN ISO 5167-1, 1993) 4.1.3 Dýza Dýza je svou konstrukcí obdobou clony a Venturiho trubice. Na rozdíl však od Venturiho trubice neobsahuje difuzor a je finančně dostupnější. Její hlavní výhodou je schopnost měřit větší průtok neţ pomocí clony. Další nesmírnou výhodou je schopnost měřit průtok tekutin, které obsahuje i větší pevné částice a nečistoty, coţ bylo u clon nepřípustné. Na druhou stranu jsou dýzy méně přesné a způsobují větší tlakovou ztrátu. (MILLER, 1989)
Obr. 3 - Clona, dýza, Venturiho trubice 4.1.4 Pitotova trubice Pitotova trubice je jednou z nejstarších a nejjednodušším rychlostních sond pro měření průtoku tekutiny. Je realizována tenkou trubičkou otočenou ústím proti směru proudění tekutiny. Pitotovy trubice se pouţívají především pro měření průtoku plynů nebo velmi čistých kapalin z důvodu moţného zanesení otvorů trubice, kterými se tlak snímá. V trubicích je snímán tlak statický (hs), dynamický (hd) a absolutní (ht), jemuţ odpovídají diference hladin. (ČSN ISO 5167-1, 1993) 14
Obr. 4 - Pitotova trubice (ENGINEERINGTOOLBOX) 4.1.5 Prandtlova trubice Jedná se o rychlostní sondu tvořenou tenkostěnnou trubku, která je dvouplášťová a je otočena ústím vnitřní trubky proti směru proudění plynu. Další otvory ve stěně vnější trubky jsou situovány kolmo na směr proudění plynu. K měření je vyuţito rozdílu celkového (součet statického a dynamického tlaku) a statického tlaku. Celkový tlak se snímá otvorem v čele sondy a statický tlak je zjišťován štěrbinami ve válcovité části sondy.
Obr. 5 - Prandtlova trubice (PRŮTOKY)
15
4.1.6 Plováčkové průtokoměry Plováčkový průtokoměr tvoří svislá kónická měřící trubice, která se rozšiřuje směrem nahoru a ve které se plovák volně pohybuje. Plováček je vyroben z materiálu, který má větší hustotu neţ je hustota měřené tekutiny. Plováček je v trubici dole, jakmile začne tekutina proudit do komory, plováček se začne zvedat. Při určitém průtoku kapaliny se plovák ustálí na rovnováţné poloze s takovou plochou mezikruţí, pří níţ je síla nadnášející plovák rovna gravitační síle, kterou na něj působí zemská přitaţlivost. Zdvih plováčku je tedy úměrný rychlosti proudění tekutiny a coţ je vyhodnocováno na základě snímání polohy plováčku. (MILLER, 1989) Tvar a velikost plováčku se mění dle účelu pouţití. Dříve se poloha plováčku zjišťovala přímo na stěně skleněné trubice průtokoměru. Dnes je vše snímáno elektricky nebo i pneumaticky pomocí systému klapka - tryska. K nejvýznamnějším výhodám těchto zařízení patří veliký měřící rozsah (10:1), snadná instalace, relativně nízká cena, schopnost měřit malé průtoky a především malá tlaková ztráta.
4.2 Měření rychlosti proudění tekutiny U tohoto způsobu měření se stanovuje objemový průtok následujícím způsobem: (3) kde:
QV – objemový průtok; [m3·s-1] – střední rychlost proudění tekutiny; [m·s-1] S – průřez potrubí; [m2]
Signál z výstupu průtokoměru je v tomto případě lineárně závislý na průtoku, oproti tomu u snímačů zaloţených na měření rozdílu tlaku je tato závislost ryze kvadratická. Do této skupiny průtokoměrů patří námi dobře známé turbínkové, vírové, elektromagnetické a ultrazvukové průtokoměry. (MILLER, 1989) 4.2.1 Turbínkové průtokoměry Turbínkový průtokoměr tvoří volně otočný rotor s lopatkami. Tekutina proudící průtokoměrem roztáčí rotor a jeho otáčky jsou přímo úměrné rychlosti jejího proudění. 16
Ke snímání otáček se pouţívá bezdotykový indukční snímač, jehoţ výstupem jsou napěťové impulzy, které jsou následně zpracovávány a vyhodnoceny. Výhodou těchto zařízení je moţnost pouţití v širokém rozsahu měřených rychlostí a reprodukovatelnost měření. Nejčastěji se pouţívají pro měření průtoku vody. Jejich značnou nevýhodou je, ţe se nedají pouţít pro měření průtoku tekutin s velkou viskozitou i tam, kde dochází k víření tekutiny. Protoţe jsou tyto průtokoměry zaloţeny na mechanickém pohybu, jsou náchylné na opotřebení a na usazování nečistot. (MILLER, 1989) 4.2.2 Vírové průtokoměry Vírové průtokoměry jsou zaloţeny na von Kármánově efektu. Po stranách překáţky neaerodynamického tvaru, kterou tekutina obtéká, se střídavě na obou stranách oddělují víry, které vytvářejí tzv. von Kármánovou stezku. Frekvence vzniku vírů je v určitém rozsahu hodnot Reynoldsova čísla úměrná rychlosti proudění tekutiny, a proto i velikosti průtoku. (KUCHAŘ, 1999) (4) kde:
QV – objemový průtok; [m3·s-1] f – základní frekvence vloţeného tělesa; [Hz] D – průměr potrubí; [m] b – šířka čelní plochy vloţeného tělesa; [m] Sr – Strouhalovo číslo vyjadřující rychlost změny rychlostního pole tekutiny v závislosti na čase; [-] Vznik vírů na překáţce (vloţené těleso) doprovází změna rychlosti a tlaku. To je
snímáno senzorem a převedeno na elektrický signál. Jako senzory jsou pouţívány piezoelektrické nebo kapacitní diferenční snímače. Vírové průtokoměry se liší převáţně principem snímání, velikostí a tvarem vloţeného tělesa, jeho umístěním v potrubí. Jejich výhodou je relativní necitlivost vůči změnám teploty, tlaku a hustoty měřené tekutiny. Tlaková ztráta při měření je velmi malá a dají se pouţít při měření v rozsahu 20:1. Nevýhodou je nemoţnost pouţití při velmi malých rychlostech proudění tekutiny a pro měření průtoku tekutin s viskozitou nad 30 mPa·s.
17
4.2.3 Elektromagnetické (indukční) průtokoměry Vyuţívají principu Faradayova zákona elektromagnetické indukce. Pohybem vodiče (u měření průtoku pohybem tekutiny) v homogenním magnetickém poli se indukuje elektrické napětí. Máme-li potrubí kruhového průřezu, kterým protéká kapalina, úpravou základní rovnice dostaneme následující tvar pro výpočet: (5) kde:
Ui – indukované napětí; [V] B – indukce magnetického pole; [T] l – délka; [m] v – rychlost proudění; [m.s-1] D – průměr potrubí; [m] QV – objemový průtok; [m3·s-1] Lze jimi měřit kapaliny elektricky vodivé i nemagnetické. Podmínkou správného
měření průtoku je zaplnění celého průřezu potrubí tekutinou. Při měření nevzniká ţádná tlaková ztráta, protoţe se indukční průtokoměry nevkládají do potrubí, jsou bezdotykové. Neobsahují ţádné mechanické části, které by se mohli opotřebovat. (MILLER, 1989) 4.2.4 Ultrazvukové průtokoměry Jsou to přístroje, které vyuţívají Dopplerova principu. Vysílají do tekutiny ultrazvukové vlny s konstantní frekvencí a přijímají vlnění odraţené od pevných částic nebo od bublin rozptýlených v tekutině. Vzhledem k pohybu částic a bublin v tekutině, je frekvence přijatého ultrazvukového vlnění odlišná od frekvence vyslané vlny. Rozdíl frekvencí je pak úměrný rychlosti proudění tekutiny. (JENČÍK, 1998) Druhý typ ultrazvukových průtokoměrů měří dobu průchodu médiem. Skládají se ze dvou vysílacích/přijímacích jednotek umístěných za sebou ve směru proudění tekutiny. Jeden vysílač vysílá ultrazvukový signál proti směru proudění a druhý po směru proudění tekutiny. Rozdíl mezi dobou průchodu obou signálů k druhé jednotce je úměrný rychlosti proudění tekutiny. Na rozdíl od průtokoměrů zaloţených na
18
Dopplerově principu, tyto ultrazvukové průtokoměry měří pouze rychlost proudění čistých tekutin.
Obr. 6 - Ultrazvukový průtokoměr Ultrazvukové průtokoměry jsou obdobně jako elektromagnetické průtokoměry bezkontaktní, a proto nezpůsobují ţádné tlakové ztráty. Neobsahují ţádné mechanické části, které by se opotřebovávaly. (MILLER, 1989)
4.3 Měření objemového průtoku Objemového průtokoměry měří objem tekutiny přímo rozdělením jejího objemu do samostatných odměrných prostor, jejichţ objem je známý. Vynásobíme-li známý objem odměrného prostoru počtem těchto postupně naplněných prostor, získáme hodnotu objemu tekutiny, která protekla potrubím za určitou měřenou dobu. Tyto průtokoměry obvykle zaznamenávají celkový proteklý objem, ale mohou mít na výstupu i impulsy odpovídající počtu naplněných prostor. Existuje mnoho typů a provedení těchto průtokoměrů, liší se např. velikostí a tvarem naplňovaných prostor, uloţením lopatek atd. Patří sem například průtokoměr s kývavým diskem, měřidlo s oválnými koly a další. (MILLER, 1989) 4.3.1 Průtokoměry s kývavým diskem Vrchní a spodní část měřící komory přístroje mají kuţelovitý tvar. Disk je v měřící komoře vystředěn pomocí kuličkového uloţení. Tekutina procházející měřicí komorou vyvolává kývavý pohyb disku. Těleso disku rozděluje objemy v přítokové a odtokové části měřící komory. Trn umístěný ve svislé ose disku vymezuje jeho 19
kývavý pohyb, který je magneticky snímán pro další zpracování. Jsou učeny pro měření kapalin s malou a střední viskozitou. (BADGERMETER, 2012) 4.3.2 Průtokoměry s oválnými koly Tekutina vtéká do měřicí komůrky, způsobuje rotační pohyb měřícího soukolí a vytéká z měřicí komůrky ven. Kaţdá otáčka kola (soukolí) znamená průtok definovaného mnoţství kapaliny. Přesná konstrukce měřicí komůrky minimalizuje úniky
kapaliny
po stěnách.
Otáčivý
pohyb
kol
je
magneticky
přenášen
na vyhodnocovací mikroprocesorovou jednotku. (BADGERMETER, 2012)
Obr. 7 - Průtokoměr s oválnými koly (BADGERMETER)
4.4 Měření hmotnostního průtoku Vedle nepřímého zjištění hmotnostního průtoku přepočtem z objemového průtoku existuje relativně málo přímých metod měření hmotnostního průtoku. Dvě základní metody jsou Coriolisův průtokoměr a tepelný hmotnostní průtokoměr. 4.4.1 Coriolisovy průtokoměry Coriolisovy průtokoměry se rychle rozšířily do všech odvětví provozního měření. Především nacházejí uplatnění při měření velmi malých průtoků v laboratorních podmínkách. Měří hmotnostní průtok velice přesně a jejich údaj je v podstatě nezávislý na teplotě, tlaku, viskozitě a na obsahu pevných částic v tekutině. (FATURÍK & KUCHAŘ, 1998) Vyuţívá tzv. Coriolisovy síly, která vzniká ve vibrujících měřicích trubicích při průtoku hmotného média. Coriolisova síla je setrvačná síla, která působí na tělesa pohybující se v rotující soustavě tak, ţe mění jejich vzdálenost od osy otáčení, tedy způsobuje stáčení trajektorie pohybujícího se tělesa. Má největší účinek tehdy, kdyţ směr pohybu tělesa je kolmý ke směru otáčení soustavy.
20
Při průtoku tekutiny trubicí dojde vlivem Coriolisovy síly k její deformaci. Podle velikosti hmotnostního průtoku se mění úhel zkroucení (deformace) trubice, coţ je snímáno vhodnými senzory polohy. Jejich umístění je patrné z Obr. 8. Deformace je velmi malá a vyhodnocuje se jako fázový posun snímaných kmitů. Fázový posun v rezonančním kmitání trubic, který vzniká jako důsledek působení Coriolisovy síly, je úměrný hmotnostnímu průtoku tekutiny trubicí a frekvence vlastních kmitů odpovídá hustotě tekutiny.
Obr. 8 - Coriolisův průtokoměr a jeho vnitřní uspořádání (AUTOMA) a – kmitající senzor tvaru U s nulovým průtokem; b – působení Coriolisových sil při průtoku kapaliny; c – čelní pohled na deformovanou trubici tvaru U; 4.4.2 Tepelné hmotnostní průtokoměry Vycházejí ze závislosti výměny tepla mezi zdrojem a okolím, které tvoří proudící tekutina. Řadíme sem termoanemometry a kalorimetrické průtokoměry. Jsou to elektricky vyhřívané sondy, které jsou umístěny do potrubí, ve kterém proudí tekutina (plyn). Mnoţství tepla odebíraného na sondě tekutinou je závislé na rychlosti proudění, hustotě, tepelné vodivosti a na teplotě proudícího média, kterou je potřeba měřit. Podrobněji bude popsáno v 5. kapitole a jejích podkapitolách.
21
4.5 Srovnání jednotlivých průtokoměrů Tab. 1 - Srovnání průtokoměrů (OMEGA ENGINEERING, 1992)
22
A = čistá tekutina, B = znečištěná tekutina, C = viskózní tekutina, D = korozivní tekutina, x = průtokoměr je přímo určen pro daný typ tekutiny, o = průtokoměr lze pouţít pro tento typ tekutiny, - = průtokoměr není určen pro tuto tekutinu. Hodnoty teplot, tlaků, měřicích rozsahů a přesnosti jsou typické pro dané druhy průtokoměrů.
5
MĚŘIČE MNOŢSTVÍ VZDUCHU Pro spalovací motory je mnoţství nasávaného vzduchu důleţitou veličinou,
kterou je sledováno, při jakém zatíţení motor pracuje a jak je motor opotřebován v průběhu jeho provozu (zakarbonování, změna časování, výrobní nepřesnosti). K tomu účelu se pouţívají měřiče mnoţství vzduchu, které jsou umístěny v sacím potrubí motoru.
5.1 Měřič mnoţství vzduchu měřící náporový tlak LMM Procházející proud vzduchu QL natáčí vzduchovou měřící klapku tak, ţe se volný průřez s rostoucím mnoţstvím vzduchu zvětšuje. Proti vychýlení klapky působí konstantní síla vratné pruţiny. Aby nedocházelo k přenosu kmitů na měřící klapku, a to vlivem kmitání vzduchu v sacím potrubí, je na měřící klapku připojena klapka kompenzační. Obě klapky jsou spojeny s hřídelkou, na jejímţ konci je připojen jezdec potenciometru, který převádí úhel natočení klapky na elektrické napětí (U A= 0-5 V). Tato veličina je posílána do řídící jednotkou motoru, která následně upravuje správně přizpůsobení dávky paliva při daném zatíţení. (JAN, a další, 2005) Změna volného průřezu v závislosti na poloze klapky je zvolena tak, aby mezi úhlem natočení klapky a mnoţstvím nasávaného vzduchy byla logaritmická závislost. Tím je dosaţena vysoká citlivost měřiče při menším průtoku vzduchu. Poţadovaná přesnost měření je 1–3 % z měřené hodnoty v rozsahu QMAX : QMIN = 100 : 1. (KAMPÁN, 2003)
23
Obr. 9 - Měřič množství vzduchu měřící náporový tlak (KAMPÁN, 2003)
5.2 Měřiče hmotnosti nasávaného vzduchu Měřiče hmotnosti nasávaného vzduchu s vyhřívaným drátkem (HLM Hitzdraht-LuftmassenMesser) nebo měřiče s vyhřívanou tenkou vrstvou neboli filmem (HFM - HeissFilm-LuftmassenMesser) jsou termické snímače zatíţení. (JAN, a další, 2005) Nachází se mezi filtrem nasávaného vzduchu (čističem) a škrticí klapkou. Jejich úkolem je vyhodnocování proudu hmotnosti vzduchu v (kg·h-1), který je motorem nasáván. Oba dva druhy snímačů pracují na stejném principu. Elektricky vyhřívané těleso je umístěno v proudu nasávaného vzduchu. Tím jak vzduch proudí tělesem, ho ochlazuje. Do tělesa je přiváděn elektrický proud, který způsobuje jeho ohřev a udrţuje jeho teplotu konstantní a zároveň vyšší, neţ je teplota nasávaného vzduchu. Měřítkem proudu hmoty vzduchu je tedy jiţ zmíněný „ohřívací proud“. Hustota vzduchu ovlivňuje velikost odběru tepla z ohřívaného tělesa a je tedy při tomto způsobu měření zohledněna. 5.2.1 Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným drátem (HLM) U tohoto měřiče je vyhřívané těleso realizováno pomocí platinového drátku o tloušťce 0,07 mm. V tělese měřiče je integrován snímač teploty, který slouţí ke kompenzaci teploty nasávaného vzduchu. Měřící můstek a zesilovač tvoří hlavní část elektrického zapojení. Jiţ zmíněný platinový drátek a snímač teploty jsou součástí tohoto můstku a pracují jako teplotně závislé rezistory.
24
Obr. 10 - Zapojení měřiče vzduchu HLM (KAMPÁN, 2003) RK – rezistor pro kompenzaci teploty; RH – odporový vyhřívací drát; RM – měřící rezistor; R1,2 – rezistory pro vyváţení můstku; UM – měřené napětí; IH – vyhřívací proud; tL – teplota vzduchu; QM – proud vzduchu; Po vypnutí motoru se drátek za velmi krátkou chvíli (přibliţně 1 s) ohřeje na 1000 ºC, tím dojde k odpaření a spálení veškerých usazených nečistot. Nedochází tedy k ovlivňování naměřených hodnot v průběhu jeho ţivotnosti. (JAN, a další, 2005)
Obr. 11 - Měřič hmotnosti nasávaného vzduchu HLM (JAN, a další, 2005) 1 – hybridní obvody; 2 – víčko; 3 – kovová vloţka; 4 –vnitřní potrubí s vyhřívaným drátkem; 5 – těleso měřiče; 6 –ochranná mříţka; 7 – upevňovací krouţek; 8 – snímač teploty; 9 – krouţek snímače s vyhřívaným drátem; 10 – přesný rezistor;
25
Výhody uvedeného způsobu měření: malý hydraulický odpor, vyšší výkon motoru z důvodu vyšší plnící účinnosti (závodní automobily), přesné stanovení optimálního směšovacího poměru a tím sníţení škodlivin exhalací ve výfukových plynech, odpadají pohyblivé části zařízení v sacím kanále, menší chyba měření při rozdílných teplotách okolí a nadmořských výškách, menší závislost na pulsacích v sacím systému (rychlá odezva výstupního signálu z anemometru, aţ 1000krát za sekundu), rychlé přizpůsobení podmínkám motoru. (BAUMRUK, 1999) 5.2.2 Měřič hmotnosti vzduchu s vyhřívaným filmem (HFM) Tento typ měřiče obsahuje těleso s vyhřívaným platinovým filmem (tenká vrstvička platiny). Vše se nachází spolu s dalšími prvky na keramické destičce v provedení odporového můstku. Ten obsahuje tři kalibrační a dva teplotně závislé rezistory.
Obr. 12 - Zapojení měřiče vzduchu HFM (KAMPÁN, 2003) RK – rezistor pro kompenzaci teploty; RH – vyhřívací rezistor; R1,2,3 – rezistory můstku; RS – snímací rezistor; UM – měřené napětí; IH – vyhřívací proud; tL – teplota vzduchu; QM – proud vzduchu; Teplotně závislý rezistor RS zjišťuje průtočné mnoţství vzduchu a rezistor R K měří jeho teplotu. Jsou od sebe vzájemně odděleny pomocí dvou proříznutých štěrbin, aby nedocházelo k tepelnému ovlivnění. Rezistor RS udrţuje takovou teplotu, aby rozdíl 26
mezi ní a teplotou na rezistoru RK byl konstantní. To je zajištěno změnou vyhřívacího proudu tekoucího obvodem. Dlouhodobá přesnost této metody měření je ± 4 % v celém měřícím rozsahu. (KAMPÁN, 2003) U menších spalovacích motorů (s menším počtem válců), dochází při plném zatíţení k silným tlakovým pulzacím v sacím traktu. Můţe být aţ takové, ţe vzduch v určitých velmi krátkých časových intervalech proudí opačným směrem. Tím však dochází k ochlazení rezistoru RS a následnému zkreslení měření. Tento neţádoucí efekt je odstraněn pouţitím dalšího vyhřívaného rezistoru RH, který zpětný proud vzduchu ohřívá, a tak nedochází k ochlazení vlastního měřícího rezistoru RS.
Obr. 13 - Keramická destička (KAMPÁN, 2003) A – přední strana; B – zadní strana; 1 – keramický substrát; 2 – prořezy (štěrbiny); RK – snímač pro kompenzaci teploty; RH – vyhřívací rezistor; RS – snímací rezistor; R1 – rezistor můstku; Jelikoţ se nečistoty usazují převáţně na čelní hraně keramické destičky snímače, jsou prvky rozhodující pro přechod tepla umístěny ve směru proudu vzduchu. Snímač je navíc navrţen tak, aby usazené nečistoty neovlivňovaly jeho obtékání vzduchem. Z tohoto důvodu tedy zůstává zachována dlouhodobá přesnost měření i bez spalování nečistot, jakoţ to bylo u předchozího typu měřiče. (JAN, a další, 2005)
27
6
MĚŘENÍ SPOTŘEBY PALIVA Spotřeba
paliva
vozidla
je
důleţitým
ukazatelem
jeho
hospodárnosti
a charakterizuje zároveň technický stav motoru. Spotřebu paliva můţeme zjišťovat několika způsoby, a to při jízdních zkouškách nebo v laboratorních podmínkách válcové zkušebny.
6.1 Silniční zkoušky spotřeby U silničních motorových vozidel se udává tzv. základní spotřeba paliva podle ČSN 30 0510. Základní spotřeba paliva je definována jako mnoţství paliva, které by vozidlo spotřebovalo při ujetí dráhy dlouhé 100 km, při splnění podmínek uvedených v této normě. Při projíţdění měřícího úseku má být rychlost vozidla udrţována na 2/3 největší rychlosti podle ČSN 30 0029. V případě, ţe není největší rychlost udána v dokumentaci, je jí nutno zjistit zkouškou. Při tomto průjezdu měřeným úsekem je zařazen nejvyšší rychlostní stupeň, který není povoleno v průběhu zkoušky měnit. Při měření základní spotřeby se pouţívají poměrně jednoduché přesné přístroje. Měřič spotřeby obsahuje odměrné nádoby, které se připojují k vedení paliva mezi palivové čerpadlo a palivovou nádrţ. V měřiči je ruční pístové čerpadlo (popř. elektrické), kterým se do odměrných nádob před započetím měření palivo dočerpává. Při rozjezdu se palivo odebírá z jedné odměrné nádoby. Na začátku měřícího úseku se přepne přívod paliva z první na druhou odměrnou nádobu a na konci měřícího úseku se přepne zase zpět. Mnoţství spotřebovaného paliva se odečte na stupnici druhé odměrné nádoby. Dle ČSN 30 0510 je vyţadována přesnost odečítání ± 2,5 cm3. Tato zkouška se provádí v obou směrech zkušební dráhy, která musí mít minimální délku 5 km. Z celkové dráhy a celkové spotřeby paliva se pak vypočte základní spotřeba v l/100 km. Při zkoušení vozidel se často zjišťuje křivka spotřeby paliva při jízdě na rovině, na které je znázorněna spotřeba paliva v závislosti na rychlosti jízdy. Pomocí této křivky můţeme velice snadno vyhodnotit, při jaké rychlosti jízdy je pro nás provoz vozidla nejekonomičtější. (VLK, 2005)
28
Obr. 14 - Křivka spotřeby paliva při jízdě na rovině (VLK, 2005) Jednoduché
měřiče
spotřeby jsou
kvůli
své
přesnosti
vhodné
spíše
k orientačnímu měření. Při zkoušení motorových vozidel byly nahrazeny měřiče s odměrnými
nádobami
novějšími
průtokoměry.
Nesmírnou
výhodou
těchto
průtokoměrů je schopnost měřit průběţnou spotřebu paliva při jízdě na dlouhé vzdálenosti. Moderní přístroje umoţňují měřit i okamţitou spotřebu paliva. 6.1.1 Datron DFL - karburátorové motory Rychlé a jednoduché zjištění spotřeby paliva nám umoţňuje průtokový měřič spotřeby od firmy Datron DFL, které byl odvozen od přístroje Flowtronic 205. Tento přístroj je vhodný jak pro silniční zkoušky, tak pro měření na zkušebních zařízeních. Spotřeba je udávána přímo v litrech/100 km. Tento měřícího přístroj je zaloţen na principu objemového čerpadla, které se skládá ze čtyř radiálně uloţených pístků, které se vlivem tlaku kapaliny pohybují. Přímočarý pohyb pístků je přenášen pomocí ojnic na rotační pohyb klikové hřídele. Snímač impulsů zaznamenává otáčky klikové hřídele a předává je ke zpracování mikropočítači, který impulsy přepočítá na objemovou jednotku (cm3) a výsledek zobrazuje na číslicovém displeji. Ukazovací přístroj má programovatelný mikropočítač, který nám umoţňuje provádět různé početní operace. Průtokoměr se umísťuje mezi benzínové podávací čerpadlo a karburátor, nebo v některých konstrukčních provedeních mezi podávací čerpadlo a rozdělovací lištu vstřikovacích ventilů. V tomto případě je za podávacím čerpadlem zapojen také regulátor tlaku paliva. (VLK, 2005) 29
Obr. 15 - Umístění měřiče Datron DFL (Flowtronic 205) (VLK, 2005) 1 – palivová nádrţ; 2 – čerpadlo; 3 – průtokoměr; 4 – karburátor; 5 – mikropočítač s číslicovým displejem;
Obr. 16 - Funkční schéma měřiče spotřeby Datron DFL (VLK, 2005) 1 – písty; 2 – ojnice; 3 – klikový hřídel. 6.1.2 Datron DFL 2 - vznětové motory, Common Rail U vozidel se vstřikovacími systémy K-Jetronic a L-Jetronic nebo u vznětových motorů je nutno pouţít přídavné zařízení, dříve pojmenované jako Flowjet - Ventil 4703. U spalovacích motorů se vstřikováním paliva je při měření nutné zajistit, aby objem palivové nádrţe byl konstantní. Pak platí, ţe mnoţství paliva, které je nutno doplnit odpovídá mnoţství paliva, které spotřebují vstřikovací trysky. Nádrţ s konstantním objemem (stacionární měření spotřeby) nahrazuje pro měření spotřeby za
30
jízdy výměník tepla. Výměník tepla má tu přednost, ţe i při krátkém měření má stejný chladicí výkon jako palivová nádrţ.
Obr. 17 - Schéma přístroje pro měření spotřeby Datron DFL 2 (VLK, 2005) 1 – průtokoměr; 2 – výměník tepla; 3 – palivová nádrţ; 4 – filtr; 5 – vstřikovací zařízení; 6 – ovládací páka; 7,8 – připojení průtokoměru; P1 – čerpadlo primárního okruhu A; P2 – čerpadlo sekundární okruhu B; Normální vstřikovací okruh (tenké čáry) se v místech označení přerušovanými čárami rozdělí na dva oddělené okruhy. Horní část (A) je primární okruh, spodní část (B) je sekundární okruh. Sekundární okruh odpovídá normálnímu vstřikovacímu okruhu s výměníkem tepla jako nádrţ. Tlak v systému zajišťuje čerpadlo (P2). Primární okruhu je poháněn vozidlovým čerpadlem (P1) a zásobuje výměník tepla. Mezi primární a sekundární okruh se zapojí snímač Flowtronic 205. Protoţe objem v sekundárním okruhu zůstává konstantní, odpovídá mnoţství paliva, které proteče průtokoměrem a tedy i spotřebě na vstřikovacích tryskách. Před měřením je nutno zařízení odvzdušnit (ovládací pákou), potom zapnout čerpadlo (zařízení má kabel, který se připojí na 12 V akumulátoru), nastartovat motor a asi po půl minutě přestavit ovládací páku na měřící polohu. (VLK, 2005)
31
6.1.3 Systém Pierburg PLU-106 Princip tohoto systému měření spotřeby je zaloţen na objemovém měřidle, tedy na zubovém čerpadle, ve kterém nevznikají ţádné ztráty prosakováním. V tomto případě je tlakový rozdíl měřidla roven nule a počet otáček je úměrný průtoku. Motor pohání zubové čerpadlo pouţité jako objemoměr. Při stálém průtoku na čerpadle nevzniká ţádný talkový rozdíl. Dojde-li ke změně průtoku, změní se i tlakový rozdíl. Při nárůstu průtoku se zvýší i tlak na vstupní větvi čerpadla. Vlivem nárůstu tlaku na vstupní větvi dojde k posunutí měřícího pístu tak, ţe měřícím průhledem začne procházet více světla od lampy na fotoelektrický odpor. Na vstupu zesilovače tak bude větší signál od odporové fotonky, neţ je signál tachogenerátoru. Výsledný kladný signál přinutí motor ke zvýšení otáček, aţ dojde k vyrovnání signálu mezi tachogenerátorem a fotoelektrickým odporem. Tím se tlakový rozdíl mezi vstupní a výstupní větvi čerpadla vyrovná. Dojde-li poklesu průtok měřicím přístrojem, pak dojde k poklesu tlaku na vstupu čerpadla a děj probíhá obráceně. (VLK, 2005)
Obr. 18 - Průtokový měřič spotřeby paliva Pierburg PLU-106 (VLK, 2005) 1 – indikační přístroj (analogový ukazatel v l/h); 2 – číslicový ukazatel v (cm3); 3 – snímač otáček; 4 – zubové čerpadlo; 5 – lampa; 6 – přepouštěcí kanál; 7 – měřící píst; 8 – fotonka; 9 – měřící průhled; 10 – zesilovač; 11 – motor; 12 – tachogenerátor; Vysoké přesnosti měřícího přístroje je dosaţeno pomocí vyváţení dutého pístu. Ten je vyváţen tak, ţe jeho hmotnost je rovna hmotnosti kapaliny pístem vytlačované. Píst nemá tedy ani tíhu ani vztlak a nevyvozuje tedy ţádné tření. Proto je schopní reagovat na sebemenší tlakové rozdíly a vyrovnávat tlak mezi vstupem a výstupem 32
zubového čerpadla. Nedochází tak k ţádným ztrátám průsakem a měřením otáček lze určit výsledný průtok. Měřící zařízení je osazeno indikačním přístrojem, který je vybaven analogovým a číslicovým ukazatelem. Analogový ukazatel zobrazuje okamţitou spotřebu paliva a na číslicovém počítadle je zobrazena celková spotřeba. Důleţité je, aby před měřidlem byla umístěna plováková komora, která odstraňuje z paliva obsaţené plynné a parní bubliny, které by mohly ovlivnit přesnost měření a tím i jeho výsledek. (VLK, 2005)
6.2 Měření spotřeby na válcové zkušebně Spotřebu paliva je moţno měřit i v laboratorních podmínkách, kdyţ je zkoušené vozidlo umístěno na válcové zkušebně. K takovému měření jsou pouţívány přístroje s odměrnými nádobami a průtokoměry, které jsem popsal v předcházejících podkapitolách. 6.2.1 Odměrné baňky Jeden z nejjednodušších měřících systémů spotřeby paliva. Palivo je přiváděno z výše umístěné palivové nádrţe přes čistič paliva aţ k třícestnému kohoutu (ventilu). V první poloze je ventil otevřen tak, ţe protéká palivo přímo z nádrţe aţ ke karburátoru. Druhá poloha je obdobou první polohy a současně dochází k plnění odměrných baněk. Dojde-li k natočení kohoutu do třetí polohy, je přívod paliva přerušen ze zásobní nádrţe a palivo je ke karburátoru dodáváno z odměrných baněk. Současně se měří čas, odkdy došlo k tomuto přepnutí do třetí polohy. Ze změřeného průtoku paliva a naměřeného času se určí výsledná
Obr. 19 - Odměrné baňky
hodinová spotřeba v kg/h. (VLK, 2005) Následně můţeme dopočítat spotřebu paliva v litrech na 100 km podle vztahu: (VLK, 2005), (6) 33
kde:
Mp - hodinová spotřeby paliva; [kg·h-1] ρp - měrná hmotnost paliva; [kg·m-3] v - zkušební rychlost vozidla; [km·h-1]
6.2.2 Elektricky ovládaný měřič spotřeby Elektricky ovládaný měřič spotřeby paliva pouţívaný na válcových zkušebnách je funkčně odlišný. Schéma měřícího systému je na Obr. 7. Vlastní měření spotřeby probíhá při uzavřeném ventilu (1) a otevřeném ventilu (9). Palivo je ke karburátoru dodáváno dávkovacím čerpadlem přečerpáváním z odměrné nádoby. V okamţiku poklesu hladiny paliva uvádí plovák a kontaktní relé do činnosti zařízení pro měření dráhy (100 m) a po dosaţení této dráhy se elektromagnetický ventil (1) otevře a ventil (9) zavře. Úbytek paliva v odměrné nádobě lze na stupnici odečítat v jednotkách spotřeby l/100 km. Spotřeba paliva naměřená při zkoušce na válcových zkušebnách neodpovídá spotřebě změřené při jízdních zkouškách. Ovšem tato měření jdou kdykoliv opakovat a to i za stejných podmínek.
Obr. 20 - Elektricky ovládaný měřič spotřeby paliva (VLK, 2005) 1 – elektromagnetický ventil; 2 – nádrţ; 3 – dávkovací čerpadlo; 4 – karburátor; 5 – odměrná nádoba; 6 – plovák; 7 – kontaktní relé; 8 – plnící čerpadlo; 9 – elektromagnetický ventil; 10, 11 – filtry; Velké moderní válcové zkušebny nám umoţňují simulovat skutečné jízdní podmínky, takţe se měření spotřeby v tomto případě blíţí skutečné provozní spotřebě paliva. (VLK, 2005) 34
7
METODIKA MĚŘENÍ
7.1 Cíl měření Cílem diplomové práce bylo vytvořit vhodnou metodiku měření pomocí hmotnostních průtokoměrů. Tuto metodiku následně ověřit při měření na kapalině blízké vodě či na palivu.
7.2 Popis měřícího zařízení Měření bylo realizováno na motorové zkušebně Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Nově vybudovaná motorová zkušebna je osazena vířivým dynamometrem a slouţí jako výukové pracoviště pro studenty univerzity. 7.2.1 Motorová zkušebna Pouţité technologie motorové zkušebny lze rozdělit do jednotlivých celků a to následovně: Strojní zařízení brzdového stanoviště s vířivým dynamometrem, k tomuto zařízení přináleţí systémy: a. Vodní hospodářství vč. systému rozvodů chladicí kapaliny, b. Palivové hospodářství vč. systému rozvodů paliv a maziv, c. Vzduchotechnika
brzdového
stanoviště
vč.
systému
rozvodů
vzduchotechnických kanálů, d. Potrubní systém odvodu spalin vč. ventilátoru s příkonem 75 kW pro odvod výfukových plynu (spalin) ze zkoušeného motoru, e. Rozvody tlakového vzduchu. Systém řízení brzdového stanoviště a navazujících obsluţných systémů vč. silového a řídícího rozvaděče a rozvodu kabelů. Systém řízení zkoušek motorů, tj. měření, sběr dat a vyhodnocování naměřených hodnot zkoušek spalovacích motorů vč. příslušného rozvaděče a kabelových rozvodů. Systém havarijní signalizace a zhášecí protipoţární systém. 35
Pracoviště techniků a příruční sklad k zajištění provozu brzdového stanoviště. Vytápění/ ventilace prostor s instalovanou technologií. Na obr. 21 je znázorněno provedení moderního stanoviště pro zkoušení spalovacích motorů Mendelovy univerzity v Brně.
Obr. 21 - Vnitřní prostor motorové zkušebny (Mendelu v Brně) Měřící stanoviště se skládá z těchto jednotlivých celků: 1. zkoušený motor s příslušenstvím, 2. spojovací hřídel mezi motorem a dynamometrem včetně krytu, 3. vířivý dynamometr, 4. odpruţená základní deska (vzduchové měchy), 5. rám pro uchycení motoru, 6. přívod spalovacího vzduchu, 7. výstupní vyústka přiváděného vzduchu do kobky, 8. odvod vzduchu, 9. odvod spalin z motoru (výfukové plyny), 36
10. přívodní potrubí paliva, 11. box pro připojení snímačů, 12. akumulátor a soustava pro nabíjení, 13. zařízení pro kondici chladicí vody (modrý výměník, umístěný vzadu za motorem, vedle pak výměník pro kondici motorového oleje) 14. odvod chladicí vody z dynamometru, 15. chladicí okruh motoru. 7.2.2 Řídící místnost K ovládání celého komplexu motorové zkušebny slouţí tzv. velín. Ten je zařízen a uzpůsoben pro dlouhodobý pobyt obsluhy i v případě zkoušek spolehlivosti, mnohdy trvajících aţ 800 hodin. Především je kladen důraz bezpečí a pohodlí obsluhy zkušebny.
Obr. 22 - Velín motorové zkušebny (Mendelu v Brně) Technologie zkušebny je ovládána softwarově z velína. Na monitoru 1 je spuštěna konzole, která přistupuje on-line přes sběrnici RS 232 do řídicí jednotky. Monitor 2 parametrizuje vlastní zkoušky, tedy přímo přistupuje do systému reálného 37
operačního času, který je „mozkem“ celého systému řízení dynamometru a obsluţného hospodářství. Na monitoru 3 se zobrazují data měřených veličin (tlaky, teploty aj.). Čtvrtý monitor je vyhrazen pro ovládání technologie chlazení, vzduchotechniky, ovládání paliva atp. (Čupera, 2007) Řízení je rozděleno na systém, který ovládá dynamometr a dále na technologii budovy. Regulace buzení dynamometru má časovou bázi 10ms, tedy je schopen reagovat na změnu zatíţení 100krát za sekundu. Celá koncepce je modulární a lze ji velmi jednoduše rozšiřovat. V případě snímačů je jedná řádově o desítky analogových vstupů a stovky vstupů digitálních, včetně i komunikačních protokolů na bázi např. CAN-BUS, LIN atp. (Čupera, 2007) 7.2.3 Vířivý dynamometr Vířivé dynamometry jsou díky jednoduché konstrukci a vynikajícím vlastnostem nejrozšířenějším typem elektromagnetických brzd. Jsou zaloţeny na principu působení vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného do budící cívky za vzniku magnetického pole. Konstrukční provedení vířivé brzdy je symetrické, coţ jí umoţňuje otáčet se oběma směry. Oproti elektrickým dynamometrům stejnosměrným či střídavým nemůţe pohánět motory, ale pouze brzdit.
Obr. 23 - Dynamometr Dyno Perform 240 (AVL) 38
Motorová zkušebna je osazena vířivým dynamometrem od firmy AVL s typovým označením Dyno Perform 240. Jeho parametry jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 2 - Vlastnosti dynamometru Výrobce
Model Dyno Perform 240
AVL
Max. brzdný výkon
Max. otáčky
Max. brzdný moment
240 kW
10000 ot./min
600 Nm
7.2.4 Průtokoměry Jednotlivé typy snímačů byly zvoleny s přihlédnutím k vlastnostem protékajících tekutiny, jejich teplotě, tlaku, hustotě, viskozitě, mechanické čistotě a v případě paliv také tlaku par a výbušnosti. 7.2.4.1 Palivo Pro měření spotřeby paliva byly pouţity dva Coriolisovy hmotnostní průtokoměry od výrobce Siemens. Skládající se ze dvou částí, převodníku a měřící trubice. Pouţité převodníky SITRANS F C MASSFLO MASS 6000, byly osazeny měřícími trubicemi SITRANS F C MASSFLO MASS 2100. Jejich parametry jsou uvedeny v následující tabulce.
Tab. 3 - Parametry převodníku MASS 6000 (SIEMENS)
39
Tab. 4 - Parametry měřící trubice MASS 2100 SITRANS F C MASSFLO MASS 2100 Dimenze: DI 3 aţ DI 40 Procesní připojení: ISO228/1, EN 1092-1, DIN 11 850 Rozsah měření: 0 aţ 52 000 kg/h Tloušťka stěny měřicí trubice: 0,5 aţ 2,6 mm (dle DI) Přesnost měření průtoku: aţ 0,1 % aktuálního průtoku Přesnost měření hustoty: aţ 0,0007 g/cm3 Teplota média: -50 aţ +180 °C Materiál měřicí trubice: nerezová ocel AISI316L, Hastelloy Krytí: IP 65 Tab. 5 - Parametry měřící trubice MASS 2100 (SIEMENS)
7.2.4.2 Chlazení Pro účely měření průtoku chladící kapaliny soustavou jsme pouţili indukční průtokoměr od výrobce Badger Meter, s typovým označením M 1500. Kvůli teplotnímu omezení byl do okruhu vřazen aţ těsně před vstupem chladící kapaliny do motoru.
Obr. 24 - Indukční průtokoměr M 1500 40
Tato varianta M 1500 je vybavena LCD displejem. Zesilovač je vestavěn do tlakově odlité hliníkové skříně s práškovým nátěrem, která je vybavena dvojicí kabelových průchodek. Tab. 6 - Parametry M 1500 (Badger Meter) INDUKČNÍ PRŮTOKOMĚR BADGER METER M 1500
Napájení Přesnost Opakovatelnost Rozsah průtoku Vodivost Směr průtoku Displej
Programování Interface Analogový výstup
Pulsní výstup
Frekvenční výstup Stavový výstup
24 VDC volitelně 115 / 230 VAC (50 / 60 Hz), 10 VA ±0,5% skutečného průtoku, 0,5 m/s ±2,5 mm/s skutečného průtoku, 0,5 m/s 0,1% plného rozsahu 0,03 - 12 m/s min. 5 μS/cm obousměrné měření volitelně s LCD, 4 řádky / 16 znaků, prosvětlený aktuální průtok, 3 součtové přístroje, stavový displej RS 232 nebo volitelně 3 tlačítky (M 1500) RS 232 pro měření hodnot a programování 0/4 - 20 mA pasivní, volitelně aktivní směr toku je zobrazen v rámci samostatného stavového výstupu pasivní, volitelně aktivní 2 otevřené kolektory pasivní 24 VDC, 50 mA, max. 10 kHz max. 10 kHz (otevřený kolektor) min./max. alarm, předvolba dávkování, směr toku, chybové hlášení, volně konfigurovatelný
Detekce prázdného potrubí
samostatná elektroda
Hranice potlačení malých průtoků
0 - 10 %
Pouzdro Třída ochrany Kabelové vývodky Teplota prostředí
hliníkový odlitek s povrchovou úpravou práškovou Třída ochrany IP 65 Kabelové vývodky 2 x M20 -20 aţ do 60⁰ C
7.2.4.3 Mazání Do okruhu mazání byl vřazen objemový průtokoměr s oválnými koly od firmy Badger Meter s typovým označením MN 10. Jeho parametry jsou uvedeny v 8. tabulce. 41
Tab. 7 - Parametry objemového průtokoměru MN 10 Typ
MN 1O
Model Světlost Rozsah průtoku Přesnost Opakovatelnost Max. viskozita Max. tlak Max. teplota Impulzní číslo Vysílač impulzů Doporučený filtr Připojení Kryt Mat. oválného kola Moţnost
s vysílačem impulzů DN 25 pod 5 mPas: 600 - 6000 l/h nad 5 mPas: 360 - 7200 l/h ±0,5% hodnoty 0,03% 1000mPas 16 bar 80/120 °C 36 nebo 72 PPL jazýčkové relé 0,1 mm vnitř. závit R 1˝ / DN 25 Alu 316 SS PPS / 316 SS vysílač impulzů s Hallovou sondou
Obr. 25 - Objemový průtokoměr s oválnými koly
42
7.3 Měřený spalovací motor K měření byl pouţit záţehový spalovací motor, který je majetkem Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Jedná se o šestiválcový vidlicový motor značky Peugeot. Tab. 8 - Technické parametry měřeného motoru Parametry: Typ: Výrobce: Počet válců: Uspořádání: Úhel sevření: Vrtání: Zdvih: Zdvihový objem: Plnění: Kompresní poměr: Pořadí zapalování: Palivo: Max. výkon
PRV6 – záţehový Peugeot 6 V 60° 87 mm 82,6 mm 2946 cm3 atmosférické 8,2 : 1 163524 E85 148 kW
7.4 Příprava měření Motor byl umístěn do prostoru zkušebny a následně uchycen do strojního zařízení brzdového stanoviště. Propojení motoru a dynamometru bylo realizováno pomocí spojovací hřídele. Všechny spoje a mechanické části byly překontrolovány a pečlivě dotaţeny. Spojovací hřídel byla následně zakrytována. Pomocí kabelů a vodičů se jednotlivé snímače motoru propojily s boxem pro připojení snímačů, který je díky softwaru propojen s řídícím stanovištěm („velínem“). Jedná se řádově o desítky analogových vstupů a stovky vstupů digitálních, včetně i komunikačních protokolů na bázi CAN-BUS, LIN apod. Řídící jednotku motoru byla připojena pomocí sběrnice RS 232, která nám umoţňovala on-line přístup k datům řídící jednotky.
43
Obr. 26 - Propojení motoru s elektronikou Následně byl motor připojen k chladícímu okruhu, který mu zabezpečuje odvod tepla pomocí kapalného media, aby nedošlo k přehřátí motoru a tím i jeho zničení. Do tohoto okruhu byl vřazen jiţ výše zmíněný indukční měřič průtoku a to do větve mířící ke vstupu do motoru. Do obou větví byla zapojena čidla na snímání vstupní a výstupní teploty chladící kapaliny.
Obr. 27 - Zapojení teplotních čidel a indukčního měřiče do okruhu chlazení Okruh mazání motoru byl rozšířen o vřazený objemový průtokoměr s oválnými koly a o chladič (výměník) motorového olej. Zde bylo také důleţité připojit teplotní čidla do obou větví okruhu. Vše je detailně vidět na následujícím obrázku.
44
Obr. 28 - Chladič oleje s průtokoměrem a zapojení teplotních čidel Dále byl motor připojen k okruhu, který motor zásobuje palivem. V našem případě se jednalo o palivo E85. Do palivového okruhu byly zapojeny dva Coriolisovy průtokoměry na měření spotřeby. První byl zapojen ve větvi přívodu paliva k motoru a druhý na vratně (odpadní) větvi vedoucí zpět do nádrţe. Díky tomuto zapojení se dal zcela přesně určit rozdíl průtoků a tím spotřeba paliva motoru.
Obr. 29 - Coriolisovy hmotnostní průtokoměry V poslední řadě bylo zapotřebí zajistit přívod čerstvého vzduchu do saní motoru, coţ měla na starosti vzduchotechnika pro úpravu spalovacího vzduchu. V přívodní části
45
sání byl umístěn hmotnostní průtokoměr nasávaného vzduchu (tzv. váha vzduchu). Odvod spalin byl zajištěn přistavením odsávacího tubusu vzduchotechniky.
Obr. 30 - Váha vzduchu
Obr. 31 - Přívod vzduchu k sání motoru 46
7.5 Vlastní měření Před započetím vlastního měření bylo zapotřebí zjistit následující laboratorní podmínky:
Pouţité palivo: Ethanol E85, Teplota 24,5 ˚C, Výhřevnost paliva 28,6 MJ·kg-1, Měrná hmotnost 795 kg·m-3, Oktanové číslo 111, Výparné teplo 900 kJ·kg-1, Teoretická spotřeba vzduchu 9 kg·kg-1.
Popis průběhu zkoušky: provedeme kontrolu upevnění motoru na dynamometru, kontrola připojení snímačů a kabelů od řídící jednotky, kontrola okruhu přívodu paliva, chladící kapaliny a oleje v motoru, zahřátí motoru na provozní teplotu, nastavíme otevření škrticí klapky na maximum, měřící otáčky zvyšujeme po 1000 ot.·min-1 v rozsahu od 3000 do 6000 ot.·min-1, vyčkáme na ustálení provozních hodnot (teplota vody, motoru, otáček motoru), odečtení potřebných hodnot a zaznamenání měřených dat, měření opakujeme 3krát po sobě, pokaţdé se stejným nastavením otáček motoru po odměření následovalo odlehčení motoru, jeho vychlazení a vypnutí.
47
8
VYHODNOCENÍ A DISKUZE
8.1 Tabulky naměřených a vypočtených dat Tab. 9 - Tabulka naměřených hodnot Otáčky motoru Moment motoru Výkon motoru Klapka [%] Teplota sání Teplota paliva Teplota výfuku Teplota chladicí kapaliny IN Teplota chladicí kapaliny OUT Teplota oleje IN Teplota oleje OUT Teplota oleje IN (průtokoměr) Teplota oleje OUT (průtokoměr) Průtok chlazením Průtok mazáním MAF_napětí MAF_průtok Coriolis 1 Coriolis 2 Spotřeba paliva
[1/min] [Nm] [kW] [%] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [°C] [l/h] [l/h] [V] [kg/h] [kg/h] [kg/h] [kg/h]
3000 257,12 80,85 103 13,03 24,68 676,15 80,21 85,02 72,14 91,00 69,85 89,32 5513,10 1688,15 3,07 295,95 165,29 135,72 29,57
4000 300,71 125,90 103 13,15 24,76 721,20 83,44 89,10 72,52 92,28 69,39 89,93 7753,25 1888,16 3,50 458,32 166,11 120,04 46,08
5000 6000 286,29 257,79 149,83 162,10 103 103 14,00 14,58 23,89 23,52 780,02 804,60 70,70 77,17 74,55 80,56 74,19 75,06 97,78 101,48 69,47 69,98 91,93 94,36 8905,86 11103,61 2040,01 2151,64 3,73 3,85 575,14 647,69 166,45 166,44 111,20 104,10 55,25 62,35
Tab. 10 - Vypočtené hodnoty tepelné bilance Otáčky [ot.·min-1] 3000 4000 5000 6000
Qp [kW] 234,92 366,05 438,94 495,3
Qe [kW] Qw [kW] Qwo [kW] Qv [kW] Qost [kW] 80,77 30,01 12,5 67,76 43,87 125,96 49,6 14,64 112,11 63,73 149,91 39,11 18,89 151,59 79,45 161,98 42,66 22,31 176,09 92,26
48
Tab. 11 - Vypočtené hodnoty tepelné bilance qe [%] 34,38 34,41 34,15 32,70
Otáčky [ot.·min-1] 3000 4000 5000 6000
qw [%] 12,78 13,55 8,91 8,61
qwo [%] 5,32 4,00 4,30 4,51
qv [%] 28,85 30,63 34,53 35,55
qost [%] 18,67 17,41 18,10 18,63
Tab. 12 - Výpočet objemové účinnosti motoru Objemová účinnost motoru ot.·min-1 3000 4000 5000 6000
VT [m3] 0,0737 0,0982 0,1228 0,1473
VS [m3] 0,0642 0,0995 0,1248 0,1406
MAF [kg/h] 295,95 458,32 575,14 647,69
ηv [%] 87,2 101,3 101,7 95,4
V předchozí Tab. 9 jsou uvedena data získaná měřením, která jsou jiţ zprůměrovaná, a to z celého záznamu měření. Z těchto naměřených dat byly vypočteny hodnoty Tab. 10 a 11 pro vyhodnocení tepelné bilance a tepelných toků. Cílem tepelné bilance spalovacího motoru je určit, jaká část tepelné energie přivedené v palivu je vyuţita k uţitečné práci a jak velkou část tepla obnáší jednotlivé ztráty. Pro výpočet objemové (plnící) účinnosti motoru byla pouţita data hmotnostního průtoku vzduchu MAF. Plnící účinnost je měřítkem kvality procesu sání. Lze ji tedy povaţovat za poměr objemu vzduchu, který je ve válci na konci plnění, ke zdvihovému objemu válce. Jsme tedy schopni ji stanovit pouhým měření jen nasávaného mnoţství vzduchu, neboť zdvihový objem je znám z konstrukce motoru. Vypočtené hodnoty jsou uvedeny v Tab. 12.
49
8.2 Grafické vyjádření naměřených a vypočtených dat
Využití energie paliva v závisloti na otáčkách motoru 200
Energie Q [kJ]
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
Otáčky motoru [ot.·min-1] Qe - energie efektivní [kJ] Qwo - energie v oleji [kJ] Qost - ostatní nevyužitá [kJ]
Qw - energie v chlazení [kJ] Qv - energie ve spalinách [kJ]
Obr. 32 - Graf využití energie paliva Teoreticky je známé rozdělení 30:30:30:10, coţ představuje poměr energie efektivní (efektivní výkon motoru), energie výfukových plynů, energie chlazení (voda + olej) a zbylých 10 % jsou ostatní energetické ztráty. Z Obr. 32 je patrné rozdělení energie obsaţené v palivu. V našem případě největší podíl představuje energie, která je spotřebovávána na efektivní výkon motoru. Druhá největší je část energie výfukových plynů. Ostatní energie představuje sloţka sálavého tepla vyzářeného motorem do okolního prostředí. Nezanedbatelná část energie je odváděna chladící kapalinou a motorovým olejem. Je zřejmé, ţe energetické ztráty s rostoucími otáčkami motoru narůstají.
50
Využití energie paliva při maximálním výkonu motoru 600
Energie [kJ]
500
495,30
400 300 176,09
200
161,98 92,26
100
42,66
22,31
0 6000
Otáčky [ot.·min-1]
Qp - energie paliva [kJ]
Qe - energie efektivní [kJ]
Qw - energie v chlazení [kJ]
Qwo - energie v oleji [kJ]
Qv - energie ve spalinách [kJ]
Qost - ostatní nevyužitá [kJ]
Obr. 33 - Využití energie paliva při max. výkonu motoru Maximálního výkonu motoru bylo dosaţeno při otáčkách 6000 ot.·min-1 a činil 162 kW. Energie obsaţená v palivu měla hodnotu 495 kJ, z toho bylo na vlastní funkci motoru spotřebováno pouhých 162 kJ. Zbylou část činily ztráty výfukem 176 kJ, chlazením motoru 65 kJ a ostatní ztráty 92 kJ. Na následujícím Obr. 34 jsou vyneseny tepelné toky. Je to procentuální vyjádření jednotlivých sloţek energie a celkové hodnoty energie obsaţené v palivu. Zde jde skutečně vidět, ţe motor vyuţívá pouhých 32–34 % energie obsaţené v palivu, kterou převádí na efektivní výkon motoru. Velká část energie nám uniká výfukovým potrubím, tato ztráta činí 28–35 %.
51
Tepelná bilance při plném zatížení motoru v celém rozsahu měřených otáček 40 35
Tepelný tok q [%]
30 25 20 15 10 5 0
3000 ot./min
4000 ot./min
5000 ot./min
6000 ot./min
qe [%]
34,38
34,41
34,15
32,70
qw [%]
12,78
13,55
8,91
8,61
qwo [%]
5,32
4,00
4,30
4,51
qv [%]
28,85
30,63
34,53
35,55
qost [%]
18,67
17,41
18,10
18,63
Obr. 34 - Tepelná bilance při plném zatížení motoru 52
Grafické vyjádření tepelné bilance motoru 100 18,67
17,41
28,85
30,63
50
5,32
4,00
40
12,78
13,55
90
18,10
18,63
34,53
35,55
4,30
4,51
8,91
8,61
Tepelný tok q [%]
80 70 60
30 20
34,38
34,41
34,15
32,70
3000 ot./min
4000 ot./min
5000 ot./min
6000 ot./min
10 0
qe [%]
qw [%]
qwo [%]
qv [%]
qost [%]
Obr. 35 - Podíl jednotlivých složek energie obsažených v palivu Z předchozího obrázku je patrné, jakou část z celkové energie obsaţené v palivu zaujímají jednotlivé sloţky ztrát. Můţeme konstatovat, ţe motor spotřebovává největší část energie na efektivní výkon motoru, a to aţ do hranice 5000 ot.·min-1. Od této hranice dochází k razantnímu nárůstu energetických ztrát ve výfukových plynech. Tato energie není ţádným způsobem vyuţívána, ačkoliv bychom ji mohli vyuţít ke zvýšení objemové neboli plnící účinnosti motoru, za pomocí turbodmychadla. Ovšem to by si ţádalo nemalé konstrukční změny celého systému sání, výfuku a řídící části motoru. Velikost jednotlivých sloţek tepla při konstantních otáčkách je názorně patrna ze Sankeyova diagramu, který byl vytvořen ze získaných dat za pomocí programu AutoCad. Jedná se o grafické znázornění sloţení určité veličiny tak, ţe šířka prouţků oddělujících se od základny je úměrná poměrné velikosti části vzhledem k celku.
53
Obr. 36 - Sankeyův diagram
Objemová účinnost - ηv
104,0
101,3
102,0
101,7
ηv [%]
100,0 98,0
95,4
96,0 94,0
η [%]
92,0 90,0 88,0
87,2
86,0 2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru [ot.·min-1] Obr. 37 - Objemová účinnost motoru
54
7000
Na Obr. 37 je plnící účinnost motoru. Závisí na řadě činitelů, ovlivňuje ji např. uspořádání plnícího potrubí, časování rozvodů, umístění sacích ventilu a průměr sedla ventilů, kompresní poměr, otáčky motoru a řada dalších. Měřený motor byl plněn atmosfericky. Plnící účinnost nepřeplňovaných spalovacích motorů se pohybuje v rozmezí 75–85 %. Z předchozího obrázku je patrné, ţe plnící účinnost našeho motoru dosahovala vysokých hodnot, na coţ mělo značný vliv rezonanční plnění a pouţité sací potrubí se sportovním filtrem KN. U rezonančního přeplňování se vyuţívá tlakové pulsace v sacím potrubí. Rezonance nastává tehdy, pokud se frekvence sání daná otáčkami shoduje s frekvencí kmitů vln ve sloupci vzduchu a dochází k dalšímu navýšení plnícího tlaku. V rozmezí 4000–5000 ot.·min-1 docházelo k silnému rezonančnímu plnění válců a tím bylo dosaţeno nejvyšší plnící účinnosti. V niţších otáčkách se motor nemohl tzv. „nadechnout“, protoţe nedocházelo k rezonanci, a proto byly hodnoty plnící účinnosti niţší.
55
9
ZÁVĚR Ve své práci jsem se snaţil poukázat na jednotlivé metody měření průtoku
kapalin a nově se vyvíjející zařízení pouţívané k tomuto účelu. Je zřejmé, ţe se jedná o velice rozsáhlou problematiku, kterou nebylo moţné dopodrobna v této práci rozebrat, a tak jsem chtěl čtenářům alespoň nastínit jednotlivé principy a vyuţití této moderní stále se vyvíjející technologie. Ve větší míře byla věnována pozornost měřícím metodám a technologiím aplikovaných při zkouškách automobilů a jejich spalovacích motorů. Jejich pouţitím lze podrobně popsat účinnost pístových spalovacích motorů a odhalit tak nedostatky, které jsou spojeny s vlastní konstrukcí motoru, špatným nastavením či jeho opotřebením. Díky jim lze diagnostikovat závady jednotlivých okruhů chladící, mazací či palivové soustavy a předcházet tak poruchám. V současné době se čím dál více hledí na finanční náklady spojené s provozem motorových vozidel, které představují převáţně náklady spojené s údrţbou a finanční náklady na vlastní provoz. Kvůli neustále rostoucím cenám pohonných hmot jsou navrhovány a vytvářeny moderní konstrukce motorů, které vyuţívají především technologií přeplňování spalovacích motorů. Změnou v koncepci motorů se vývojoví konstruktéři snaţí dosahovat lepších výsledků a to hlavně zvýšením plnící účinnosti motorů, které lze dosáhnout pomocí jednostupňového či vícestupňového přeplňování, čímţ dochází k lepšímu vyuţití energie obsaţené v palivu. To má za následek i sniţování produkce výfukových plynů a jejich sloţení, které se staly ostře sledovaným parametrem při schvalování motorových vozidel do provozu. Vzhledem k vysokým negativním vlivům výfukových plynů na lidský organismus a na ţivotní prostředí se vývoj spalovacích motorů nezastavil a v následujících letech dosáhl značného růstu. V praktické části práce jsem se zaměřil na měření záţehového pístového spalovacího motoru. Stěţejním úkolem bylo vlastní řešení integrace průtokoměrů do měřicího řetězce motorového dynamometru. Experimentálně pak byl systém vyzkoušen na úloze tepelné bilance. Průtokoměry, které byly do soustavy měření vřazeny pracovaly na rozličných fyzikálních principech a s rozdílnou povahou výstupního signálu. Systémem pak byly zpracovávány hodnoty proudové smyčky, napěťové signály i čítačové výstupy z průtokoměru oleje. Celý systém byl ověřen a zahrnut do výuky 56
v předmětu Vozidlové motory. Záţehové spalovací motory pracují s niţší účinností neţ motory vznětové. Vznětové motory pracují s vyšším kompresním poměrem, díky kterému umí vyuţít větší část energie paliva. Z praktické části této práce je patrné neefektivní vyuţívání energie získávané z fosilních zdrojů. Při práci pístových spalovacích motorů bez přeplňování je vyuţito pouhých 30-35 %, coţ je pouhá třetina z energie obsaţené v palivu. Zbytek energie je ze systému odveden výfukovými plyny a převeden na teplo. Tato práce byla vytvořena se záměrem upozornit na vyuţívání energie docházejících fosilních paliv. Vezměme v úvahu jaké mnoţství pracovních strojů, osobních i nákladní automobilů po celém světě denně jezdí a kolik energie je skutečně efektivně vyuţito.
57
SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY 1. VLK, František. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel: výkon vozidla, brzdné vlastnosti, převodová ústrojí, řízení, geometrie kol, tlumiče a pružiny, řiditelnost a ovladatelnost, životní zkoušky, motor, zapalování, elektronické systémy. 2. vyd. Brno: František Vlk, 2005, 576 s. ISBN 80-239-3717-0 (broţ.). 2. JAN, Zdeněk a Bronislav ŢDÁNSKÝ. Automobily: Příslušenství. 4. vyd. Brno: Avid, 2005, 305 s. 3. BAUMRUK,
Pavel.
Příslušenství
spalovacích
motorů.
Vyd.
2.
Praha:
Vydavatelství ČVUT, 1999, 241 s. ISBN 80-01-02062-2. 4. KAMPÁN, Tomáš. Snímače v motorových vozidlech. 1. české vyd. Praha: Robert Bosch, 2003, 148 s. ISBN 80-903132-5-6. 5. MILLER, R.W. Flow measurement Engineering Handbook, McGraw-Hill, New York, 1989. 6. ČUPERA, Jiří a Pavel ŠTĚRBA. Automobily 7. 1. vyd. Brno: Avid, 2007, 195 s. ISBN 978-80-903671-9-7. 7. OKTÁBEC, K. Fisher-Rosemount představuje AnnubarO` Dieterich Standard, Automatizace, ročník 41, číslo 6, strana 343 - 345, 1998. 8. ČSN ISO 5167-1 Měření průtoku tekutin pomocí snímačů diferenčního tlaku, Část 1: Clony, dýzy a Venturiho trubice vložené do zcela vyplněného potrubí kruhového průřezu, Český normalizační institut, Praha, 1993. 9. KUCHAŘ, P. Vírové průtokoměry - princip, vlastnosti a aplikace, Automatizace, ročník 42, číslo 1, str. 42 - 47, 1999. 10. JENČÍK, J. Ultrazvukové průtokoměry, Automatizace, ročník 41, číslo 5, str. 300 303, 1998. 11. FATURÍK, Š., KUCHAŘ, P. Hmotnostní průtokoměry na bázi Coriolisova principu z pohledu teorie a praxe, Automatizace, ročník 41, číslo 6, str. 346 -348, 1998. 12. The flow and level handbook, OMEGA ENGINEERING, INC., Stamford, 1992.
58
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 - Tlakové poměry v okolí škrticího orgánu (TZB-INFO) .................................... 13 Obr. 2 - Venturiho trubice (PRŮTOKY) ........................................................................ 13 Obr. 3 - Clona, dýza, Venturiho trubice ......................................................................... 14 Obr. 4 - Pitotova trubice (ENGINEERINGTOOLBOX) ............................................... 15 Obr. 5 - Prandtlova trubice (PRŮTOKY) ...................................................................... 15 Obr. 6 - Ultrazvukový průtokoměr .................................................................................. 19 Obr. 7 - Průtokoměr s oválnými koly (BADGERMETER) ............................................ 20 Obr. 8 - Coriolisův průtokoměr a jeho vnitřní uspořádání (AUTOMA) ....................... 21 Obr. 9 - Měřič množství vzduchu měřící náporový tlak (KAMPÁN, 2003) ................... 24 Obr. 10 - Zapojení měřiče vzduchu HLM (KAMPÁN, 2003) ........................................ 25 Obr. 11 - Měřič hmotnosti nasávaného vzduchu HLM (JAN, a další, 2005).................. 25 Obr. 12 - Zapojení měřiče vzduchu HFM (KAMPÁN, 2003) ........................................ 26 Obr. 13 - Keramická destička (KAMPÁN, 2003) .......................................................... 27 Obr. 14 - Křivka spotřeby paliva při jízdě na rovině (VLK, 2005) ................................ 29 Obr. 15 - Umístění měřiče Datron DFL (Flowtronic 205) (VLK, 2005) ....................... 30 Obr. 16 - Funkční schéma měřiče spotřeby Datron DFL (VLK, 2005) ......................... 30 Obr. 17 - Schéma přístroje pro měření spotřeby Datron DFL 2 (VLK, 2005) .............. 31 Obr. 18 - Průtokový měřič spotřeby paliva Pierburg PLU-106 (VLK, 2005) ............... 32 Obr. 19 - Odměrné baňky ............................................................................................... 33 Obr. 20 - Elektricky ovládaný měřič spotřeby paliva (VLK, 2005) ............................... 34 Obr. 21 - Vnitřní prostor motorové zkušebny (Mendelu v Brně).................................... 36 Obr. 22 - Velín motorové zkušebny (Mendelu v Brně) ................................................... 37 Obr. 23 - Dynamometr Dyno Perform 240 (AVL) ......................................................... 38 Obr. 24 - Indukční průtokoměr M 1500 .......................................................................... 40 Obr. 25 - Objemový průtokoměr s oválnými koly ........................................................... 42 Obr. 26 - Propojení motoru s elektronikou ..................................................................... 44 Obr. 27 - Zapojení teplotních čidel a indukčního měřiče do okruhu chlazení................ 44 Obr. 28 - Chladič oleje s průtokoměrem a zapojení teplotních čidel ............................. 45 Obr. 29 - Coriolisovy hmotnostní průtokoměry .............................................................. 45 Obr. 30 - Váha vzduchu .................................................................................................. 46 Obr. 31 - Přívod vzduchu k sání motoru ......................................................................... 46 Obr. 32 - Graf využití energie paliva .............................................................................. 50 59
Obr. 33 - Využití energie paliva při max. výkonu motoru............................................... 51 Obr. 34 - Tepelná bilance při plném zatížení motoru ..................................................... 52 Obr. 35 - Podíl jednotlivých složek energie obsažených v palivu ................................... 53 Obr. 36 - Sankeyův diagram ........................................................................................... 54 Obr. 37 - Objemová účinnost motoru ............................................................................. 54
SEZNAM TABULEK Tab. 1 - Srovnání průtokoměrů (OMEGA ENGINEERING, 1992) .............................. 22 Tab. 2 - Vlastnosti dynamometru .................................................................................... 39 Tab. 3 - Parametry převodníku MASS 6000 (SIEMENS) .............................................. 39 Tab. 4 - Parametry měřící trubice MASS 2100 .............................................................. 40 Tab. 5 - Parametry měřící trubice MASS 2100 (SIEMENS)........................................... 40 Tab. 6 - Parametry M 1500 (Badger Meter) ................................................................... 41 Tab. 7 - Parametry objemového průtokoměru MN 10 .................................................... 42 Tab. 8 - Technické parametry měřeného motoru ............................................................ 43 Tab. 9 - Tabulka naměřených hodnot ............................................................................. 48 Tab. 10 - Vypočtené hodnoty tepelné bilance ................................................................. 48 Tab. 11 - Vypočtené hodnoty tepelné bilance ................................................................. 49 Tab. 12 - Výpočet objemové účinnosti motoru ............................................................... 49
SEZNAM INTERNETOVÝCH ODKAZŮ URL: http://www.automa.cz URL: https://www.avl.com URL: http://www.badgermeter.cz URL: http://docs.engineeringtoolbox.com/documents/612/pitot-tube-2.png URL: http://www.prutoky.cz URL: http://www.siemens.com URL: http://www.tzb-info.cz/docu/clanky/0046/004624o2.gif 60
