MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2010
LUKÁŠ BĚLÁNEK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Vliv teploty, tlaku a vlhkosti spalovacího vzduchu na výkonové parametry motoru Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Lukáš Bělánek
Brno 2010
¨
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou téma………………………………………………….
práci
na
……………………………………………………………………………………………… ….. vypracoval(a) samostatně a použil(a) jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………………. podpis ……………………….
diplomanta
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za skvělý a příkladný přístup k výuce a studentům během celého studia, dále děkuji za odborné rady a dobré odborné vedení během zpracování diplomové práce.
ABSTRAKT Tato práce pojednává o problematice jednotlivých vlastností spalovacího vzduchu jako je teplota, tlak a vlhkost na výkonové parametry spalovacího motoru. Dále má nastínit možnosti úpravy spalovacího vzduchu a možnosti korekce na normovaný výkon pomocí korekčních koeficientů běžně užívaných norem. Praktické měření výkonových parametrů automobilu Nissan 300ZX, které bylo dynamického charakteru, proběhlo v areálu Mendelovi univerzity v Brně na válcovém dynamometru 4VDM-E120D pro osobní automobily. Měřením jsme prokázali vliv změny vlhkosti nasávaného vzduchu. Vlhkost nasávaného vzduchu se měřila pomocí dvojice vlhkoměrů Omega HX71. Data byla sledována softwarem vytvořeném v grafickém prostředí LabVIEW. Poté byla naměřená data transportována do tabulkového procesoru MS Office a následně zpracována.
Klíčová slova: automobil, dynamometr, měření
ABSTRACT This thesis discusses the various properties of combustion air, such as temperature, pressure and humidity on the performance parameters of an internal combustion engine. The thesis is supposed to describe some possibilities of modifications of combustion air and the possibilities of correction to standard performance using the correction coefficients by commonly used standards. A practice dynamic measurement of a Nissan 300YX’s performance parameters took place in the area of Mendel University in Brno on a roller dynamometer 4VDM-E120D for passenger cars, relative humidity of inlet air was measured using two Omega HX71 hygrometers. We proved influence of humidity of combustion air. The data was monitored by software created in the graphical environment of LabVIEW. Then the measured data was transported to MS Office excel and subsequently processed
Key words: car, dynamometer, measurement
Obsah 1 ÚVOD...................................................................................................... 7 2 CÍL PRÁCE ............................................................................................. 8 3 TEORIE SPALOVACÍCH MOTORŮ ..................................................... 9 3.1 Složení a tvorba směsi ............................................................................................... 10 3.2 Nasávaný vzduch ....................................................................................................... 12 3.2.1 Čistič vzduchu .................................................................................................... 15 3.2.2 Měření hmotnosti nasávaného vzduchu ............................................................. 17 3.3 Teplota nasávaného vzduchu..................................................................................... 17 3.3.1 Vliv teploty ......................................................................................................... 18 3.3.2 Měření teploty nasávaného vzduchu .................................................................. 20 3.4 Tlak nasávaného vzduchu.......................................................................................... 21 3.4.1 Vliv tlaku nasávaného vzduchu .......................................................................... 22 3.4.2 Měření tlaku nasávaného vzduchu ..................................................................... 23 3.5 Vlhkost nasávaného vzduchu .................................................................................... 24 3.5.1 Vliv vlhkosti ....................................................................................................... 27
4 KOREKCE NA ATMOSFERICKÉ PODMÍNKY ................................. 29 5 PODMÍNKY MĚŘENÍ PODLE NORMY ČSN 30 2008 ....................... 33 5.1 Podmínky parametrů vzduchu při měření .................................................................. 34
6 ZAŘÍZENÍ UPRAVUJÍCÍ SPALOVACÍ VZDUCH.............................. 34 7 POSTUP MĚŘENÍ ................................................................................. 39 7.1 Měřící zařízeni válcový dynamometr 4VDM............................................................ 40 7.2 Podmínky při měření ................................................................................................. 43 7.3 Parametry zkoušeného vozidla Nissan 300ZX.......................................................... 43 7.3.1 Specifikace motoru ............................................................................................. 44 7.3.2 Rozměry a hmotnost........................................................................................... 45 7.4 Vlhkoměr Omega HX71............................................................................................ 45 7.5 Software pro měření parametrů vzduchu.................................................................. 46
8 VÝSLEDKY MĚŘENÍ A DISKUZE..................................................... 47 8.1 Výpočet normovaného výkonu podle normy ISO 1585............................................ 49
9 ZÁVĚR .................................................................................................. 50 10 POUŽITÁ LITERATURA ................................................................... 52 11 SEZNAM OBRÁZKŮ ......................................................................... 53 12 SEZNAM TABULEK .......................................................................... 54 14 SEZNAM PŘÍLOH .............................................................................. 56
1 ÚVOD Pro objektivní a opakovatelné porovnání výkonových parametrů spalovacích motorů je nezbytně důležité stanovení takových podmínek, například pomocí sofistikovaných zařízeni, které dokáží měnit aspoň jeden z výše uvedených parametrů vzduchu nebo dokonce všechny, které to umožní a nebo aspoň následný přepočet naměřených hodnot pomocí korekčních koeficientů na normované hodnoty. Problematikou korigování naměřených výkonů se zabývá mnoho národních i mezinárodních organizací produkující normy jako například ISO, SAE, ECE. Parametry spalovacího vzduchu jako teplota, tlak a vlhkost mají zásadní vliv na výkon spalovacího motoru. Teplota vzduchu spolu s barometrickým tlakem mají přímou souvislost s hustotou vzduchu. Teplý vzduch je řidší než studený vzduch, a proto obsahuje méně molekul kyslíku v daném objemu. Tlak přímo souvisí s nadmořskou výškou, dá se snadno stanovit pomocí známých fyzikálních zákonů úbytek tlaku vzduchu s rostoucí nadmořskou výškou a zjistit tak hmotnostní úbytek kyslíku ve vzduchu. Protože kyslík je nezbytný pro spalovací proces ve spalovacím prostoru motoru, tak jeho hmotnostní úbytek s rostoucí nadmořskou výškou znamená pokles výkonu motoru. Měření výkonových parametrů motoru se obvykle provádí bez nutnosti demontáže motoru z měřeného automobilu na vozidlovém dynamometru přímo na kolech za pomocí roztáčení válců, kdy dynamometr vyvine stejnou hodnotu kroutícího momentu jako měřený motor, akorát s opačným smyslem. Kroutící moment se přenáší na stator dynamometru a na jeho siloměrné zařízení-tenzometr a nebo přímo na klikovém ústrojí motoru na motorové brzdě.
.
7
2 CÍL PRÁCE •
Z dostupných literárních zdrojů popsat problematiku spalovacího procesu v pístových spalovacích motorech.
•
Popsat vliv jednotlivých parametrů vzduchu z hlediska teploty, tlaku a vlhkosti na výkonové parametry motoru.
•
Popsat možnosti úpravy parametrů vzduchu v příslušných zařízeních.
•
Srovnání normativů korekčních koeficientů na atmosférické podmínky.
•
Provést měření na válcovém dynamometru.
•
Analyzovat výsledky měření parametrů motoru při změně vlastnosti spalovacího vzduchu.
8
3 TEORIE SPALOVACÍCH MOTORŮ Spalovací motor je hnací stroj, který transformuje tepelnou energii obsaženou ve spalovaném palivu na mechanickou práci prostřednictvím termodynamických dějů, kterým se podrobuje pracovní látka. Výkon, který motory vytvářejí, vzniká přetvořením chemické energie vázané v palivu na teplo a přeměnou tohoto tepla na mechanickou práci. Přeměna chemické energie na teplo probíhá spalováním, přeměna tepelné energie v mechanickou práci jejím přenesením na pracovní medium, jehož tlak proto stoupne a při návazném rozpínání (expanzi) vykonává práci. Jako pracovní media přicházejí v úvahu buď kapaliny, které dosahují vzrůstu pracovního tlaku fázovou přeměnou (vypařováním), nebo plyny, které toho dosahují svojí stlačitelností.
Obrázek 1: Spalovací motor
Palivo sestává většinou z uhlovodíků a k jeho spalování je nezbytný kyslík, obvykle přiváděný s nasávaným vzduchem. Palivem může být buď automobilový benzin, jehož směs se vzduchem se zapálí zážehem, obvykle elektrickým výbojem přivedeným z vnějšího zdroje, nebo motorová nafta, která se vznítí, když je vzduch potřebný k jejímu zapálení
9
stlačen natolik, že jeho teplota dosáhne zápalné teploty paliva. Podle způsobu zapálení tady dělíme motory na zážehové a vznětové. Pro zajištění trvalého chodu motoru musí být zajištěno pohlcování tepla pracovního media tak, aby mohl probíhat kruhový děj. Tedy obnovení počátečních tepelných, tlakových a objemových podmínek. Jestliže se pracovní medium při pohlcování tepla změní, např. použitím části svých složek jako oxidačního prostředku, je jeho návrat do výchozího stavu možný jen výměnou. Tedy shořelé plyny jsou vytlačeny a do pracovního prostoru se přivede nová náplň. U pístových motorů tento děj probíhá cyklicky na rozdíl od turbín, kde probíhá kontinuálně. Proces, podle kterého v pístovém motoru probíhá přeměna energie přiváděné palivem, se nazývá pracovním oběhem. Rozeznáváme dvoutaktní a čtyřtaktní pracovní oběh. Spalovací motory mohou být zkonstruovány klasickou a nejvíce používanou koncepcí s přímočarým vratným pohybem pístu nebo s krouživým pohybem (Wankelův motor).
3.1 Složení a tvorba směsi Složení směsi je určeno poměrem hmotnosti paliva a spalovacího vzduchu a jelikož je hoření oxidační proces, tak je zapotřebí k danému objemu paliva přivést adekvátní množství kyslíku, který je do motoru přiváděn spalovacím vzduchem. Teoretické množství kyslíku LO [ kg ], které je potřebné pro dokonalé spálení jednoho kilogramu paliva, v kterém jsou poměrná množství jednotlivých složek mC [ kg ] uhlíku, m H [ kg ] vodíku,
m S [ kg ] síry a mO [ kg ] kyslíku, kterého může být v palivu vázáno určité množství, tak můžeme určit:
LO =
8 ⋅ mC + 8 ⋅ m H + m S − mO 3
[ Kg ]
Protože hmotnost kyslíku ve vzduchu je 23%, můžeme teoretické množství vzduchu Lt [ kg ] , které je potřebné pro spálení 1 kg paliva, určit ze vztahu:
10
Lt =
1 ⋅ LO 0.23
[ Kg ]
Z toho po vyčíslení plyne, že pro benzín se Lt = 14.7 − 15kg vz kg pal
−1
a pro naftu
−1
Lt = 14.3 − 14.5kg vz kg pal , podle chemického složení, které může být pro různé paliva mírně rozdílné. Převedeme-li hmotnostní poměr na objemy, ke spálení 1 litru paliva budeme potřebovat řádově 10.000 litrů vzduchu. Tento ideální směšovací poměr se někdy označuje jako stechiometrická směs Složení směsi se v praxi posuzuje podle dalšího důležitého parametru, kterým je součinitel přebytku vzduchu λ , který je definovaný poměrem množství vzduchu skutečně obsaženém ve směsi k teoretickému množství vzduchu, které je potřebné pro dokonalé spálení paliva a je určen vztahem:
λ=
M vz Lt ⋅ M p
[-]
Pokud je λ > 1 , tak je směs označována jako chudá, pokud je λ < 1 , tak je směs označována jako bohatá a v případě, kdy λ = 1 , tak jde o směs ideální (stechiometrickou).
Tabulka 1: Součinitel přebytku vzduchu
λ Motory zážehové Motory vznětové s přímým vstřikem Motory vznětové komůrkové Motory vznětové přeplňované
0.85 - 1.10 1.40 - 1.65 1.15 - 1.40 1.70 - 2.20
Z tabulky je patrné, že hodnota součinitele přebytku vzduchu pro vznětové motory je v poměrně velkém rozsahu. Je to dáno diametrálně odlišnou metodou přípravy směsy od motorů zážehových. Přestože je směs u vznětových motorů heterogenní, je nutný poměrně velký přebytek vzduchu z důvodu požadavku na její dobré prohořeni. Je nutné poznamenat, že po vstříknutí dávky paliva do stlačeného vzduchu se kapičky paliva ihned začnou
11
vypařovat a v určitém okamžiku se v okolí každé z nich vytvoří podmínky pro vznícení. Z toho plyne, že heterogenní směs se vznítí prakticky při každém součiniteli přebytku vzduchu. Naopak u zážehových motorů, protože jde o zapálení plynné směsi, kde se rozstřikuje tekuté palivo do proudu nasávaného vzduchu ve formě kužele kapiček velmi malých rozměrů, které se během dalšího sání a komprese přemění na plyn a smísí se vzduchem, existují hranice určité koncentrace paliva ve směsi, kdy se směs už elektrickou jiskrou zapálit nedá. Pro směs benzínu se vzduchem je dolní hranice zápalnosti λ > 1.3 a horní hranice zápalnosti λ < 0.5 .
3.2 Nasávaný vzduch Vzduch je směs různých plynů s majoritou dusíku, jehož hmotnostní podíl je 77% a kyslíku s podílem 23 % hmotnosti. Pro spalovací proces ve spalovacím motoru je potřebný kyslík, který je nezbytný pro spálení paliva. Z hlediska výkonových parametrů spalovacího motoru jsou důležité veličiny teplota vzduchu, tlak vzduchu a vlhkost vzduchu. Jeden z nejdůležitějších požadavků na kvalitu vzduchu je i jeho mechanická a chemická čistota a nasávaný vzduch má být suchý a chladný.
12
Tabulka 2: Složení vzduchu
Plynná složka
Chemická značka
Obsah složky dle Objemu
Hmotnosti
%
%
78.09 20.95
75.5 23.17
Dusík
N2
Kyslík
O2
Argon
Ar CO2
0.93
1.286
0.03
0.043
Ne
1.8 ⋅ 10 −3 5.24 ⋅ 10 −5
1.2 ⋅ 10 −3 7.0 ⋅ 10 −5 3.0 ⋅ 10 −4
Oxid uhličitý Neon Helium Krypton
He
1.0 ⋅ 10 −4 5.0 ⋅ 10 −5 8.0 ⋅ 10 −6
Kr H2
Vodík Xenon Ozon
Xe O3
Vzduch
-
4.0 ⋅ 10 −4
1.0 ⋅ 10 −6
100
100
Plnění spalovacího prostoru vzduchem je čistě objemového charakteru a tak můžeme stanovit objemovou účinnost, která vyjadřuje stupeň naplnění válců spalovacího motoru a je to poměr mezi množstvím čerstvé náplně Vs [ m 3 ], která projde sacím traktem a teoretickým množstvím Vz [ m 3 ], které odpovídá zdvihovému objemu válce.
ηv =
Vs ⋅ 100 Vz
[%]
Tabulka 3: Parametry plnění spalovacích motorů Typ motoru Nepřeplňovaný Teplota náplně ve válci [K]
Přeplňovaný
Zážehový
Vznětový
Zážehový
Vznětový
350 - 400
360 - 370
370 - 420
380 - 410
Tlak náplně ve válci
[kPa]
75 - 90
80 - 95
100 - 120
100 - 350
Objemová účinnost
[%]
60 - 85
75 - 90
>100
>100
13
Spalovací motor je v podstatě „vzduchový motor“, kde vzduch je pracovní složka směsy a funkce paliva je pouze zásobování teplem. Neexistují žádné určité technické obtíže při dodávce dostatku paliva do pracovního válce, ale dosažitelný výkon je závislý na spalovacím vzduchu, který může být sáním nasán do pracovního válce. Z toho vyplývá, že dosažení co nejvyšší objemové účinnosti je důležitým cílem ve vývoji vysoko-výkonných spalovacích motorů.
Parametry nasávaného vzduchu, které ovlivňují výkon motoru jsou: •
tlak vzduchu
•
teploty vzduchu
•
obsah vodních par ve vzduchu neboli relativní vlhkost
•
mechanické nečistoty
Normativní hodnoty tlaku, teploty a relativní vlhkosti jsou definované podle norem, podle kterých se provádí měření v praxi, jako hodnoty: •
atmosférický tlak 1 bar (750 mmHg )
•
teplota 25 °C (298 K )
•
relativní vlhkost 30 %
Spotřeba nasávaného vzduchu ve spalovacím procesu je definována jako hmotnostní průtok vzduchu ve spalovacím motoru. Teoretická hodnota je vyjádřená ze zdvihového objemu a otáček motoru. M vz s = V z ⋅ n ⋅ ρ vz ⋅ i
[ kg ⋅ s −1 ]
Skutečná hodnota průtoku nasávaného vzduchu spalovacím motorem je vyjádřena z teoretické hodnoty a objemové účinnosti.
14
M vz =
V z ⋅ n ⋅ ρ vz ⋅ i ⋅η v k
[ kg ⋅ s −1 ]
kde: •
V z [ m 3 ] – zdvihový objem válce
•
i [–] – počet válců
•
ρ vz [ kg ⋅ m −3 ] – měrná hmotnost vzduchu
•
k [–] – pro dvojdobý motor = 1, pro čtyřdobý = 2
•
n [ s −1 ] – otáčky motoru
3.2.1 Čistič vzduchu
Mechanická čistota je jeden z důležitých požadavků na kvalitu vzduchu. Zvýšená prašnost nasávaného vzduchu má velmi nepříznivý vliv na opotřebení motoru. Obsah prachu podle jeho druhu nemá překročit asi 0.01 až 0.03 g ⋅ m −3 . Škodlivý je hlavně jemný křemenný písek s ostrými hranami a jiný abrazivní prach, který působí rychlé opotřebení nejen všech součástí ve spalovacím prostoru, válce, pístních kroužků, pístů, ale i ložisek a dalších částí motoru. Na začátku sacího, respektive plnícího traktu je proto vždy umístěn čistič vzduchu neboli filtr, který zachytává mechanické nečistoty.
Atmosférický vzduch, který se dopravuje do spalovacího prostoru motoru, obsahuje mechanické nečistoty, které v případě vniknutí do motoru způsobují jeho opotřebení. Primárně jde o stěny válců, pístní kroužky a plášť pístu. Protože stěny válců jsou pokryty tenkou mazací vrstvou oleje, nečistoty se s ním mísí a dostávají se pod píst a odtud do mazacího okruhu motoru. Ty částice, které čistič nasávaného vzduchu nezachytí, se dostávají k mazacím místům, kde svým abrazivní účinkem zvětšují opotřebení ostatních částí motoru. Proto se musí nasávaný vzduch před vstupem do motoru co nejlépe očistit .
Z hlediska opotřebení není žádoucí, aby se do motoru dostaly nečistoty větší než 5-10 µm . Kvalitu čištění vyjadřujeme účinností čističe η c , která je vyjádřena vztahem:
15
ηc =
M nc − M znc M nc
[-]
kde M nc je celkové množství nečistot a M znc je množství nečistot za čističem vzduchu. Vyžaduje se, aby účinnost čističe vzduchu nebyla nižší než η c = 0.9 , přičemž za kvalitní čističe vzduchu se považují čističe s účinností η c = 0.95 až 0.98. V praxi se na čištění vzduchu používají různé fyzikální principy.
Tabulka 4: Účinnost čističe vzduchu Typ čističe vzduchu
Účinnost [%]
Gravitační
85-90
Suchý s filtrační vložkou (textil, plasty) Suchý s papírovou vložkou
90-95 až 99
Mokrý s filtrační vložkou (kov, plasty)
95-96
Kapalinový s filtrační vložkou Odstředivý
95-98 93-98
Kombinovaný (gravitační + odstředivý)
96-98
Čistič vzduchu musí svoji funkci vykonávat tak, aby nezvyšoval odpor vzduchu proti
jeho proudění do válce. Odpor čističe je obvykle vyjádřen talkovou ztrátou ze vztahu: p z = p pc − p zc [ Pa ]
kde p pc [ Pa ] vyjadřuje statický tlak před čističem a p pz [ Pa ] za čističem. Pro nový čistič vzduchu by tato hodnota neměla překročit 4 kPa .(Hlavňa a kol., 2003)
16
3.2.2 Měření hmotnosti nasávaného vzduchu
Množství nasávaného vzduchu je pro složení směsi důležité a je potřeba toto množství nějakým způsobem měřit . Množství nasávaného vzduchu je zpravidla závislé na potřebách motoru, takže systémy přípravy směsi toto množství pouze měří a podle něj nastavují příslušné množství paliva. S vývojem systémů vstřikování vznikla řada způsobů měření množství nasávaného vzduchu, které umožnily získat informaci potřebnou pro řízení dodávky paliva, nebo přímo odměřit jeho množství, aby odpovídalo nasátému množství vzduchu. Zpřísňování emisních předpisů si vynutilo přesnější regulaci složení směsi. Přesnost je omezena přesností měření nasávaného vzduchu. Z důvodů požadavku na vyšší přesnost měření hmotnosti nasávaného vzduchu, byli vyvinuty způsoby přímého měření jako měřiče objemu a měřiče hmotnosti vzduchu, které umožňují dosáhnout vyšší přesnosti než způsoby nepřímého měření. Přímé měření hmotnosti nasávaného vzduchu umožňují „termické“ snímače zatížení motoru. Měří hmotnost vzduchu nasátého motorem v jednotkách hmotnosti za časovou jednotku. Využívají principu ochlazování elektricky vyhřívaného tělíska proudem nasávaného vzduchu, kterým je tělísko ochlazováno. Regulační obvod snímače přivádí do tělíska takový vyhřívací proud, aby rozdíl teploty tohoto tělíska proti teplotě nasávaného vzduchu byl stálý. Velikost vyhřívaného proudu je úměrná hmotnosti proudu vzduchu. Hustota vzduchu je u těchto měřičů zohledněna velikostí přenosu tepla z vyhřívaného tělíska. Tělísko je buď žhavený drát nebo vyhřívaný tenkovrstvý odpor tzv. film. (Ferenc, 2004)
3.3 Teplota nasávaného vzduchu
Teplota nasávaného vzduchu přímo souvisí s jeho hustotou. Teplý vzduch je řidší než studený vzduch, protože ve vzduchu s vyšší teplotou je méně molekul vzduchu než ve stejném objemu chladnějšího vzduchu. Pokud se teplota zvyšuje, tak hustota nasávaného
17
vzduchu klesá a naopak. Hustotu můžeme jednoduše určit ze stavové rovnice, plynové konstanty vzduchu r = 287 [ J ⋅ Kg −1 ⋅ K −1 ], změřeného barometrického tlaku p atm a teploty Tatm .
ρ vz =
p atm r ⋅ Tatm
[ kg ⋅ m −3 ]
3.3.1 Vliv teploty
Teplota nasávaného vzduchu zásadním způsobem ovlivňuje výkonové parametry spalovacího motoru. Jak už bylo uvedeno výše teplota nasávaného vzduchu přímo souvisí s jeho hustotou a tak změnu hustoty můžeme vyjádřit ze vztahu:
ρt = ρ n ⋅
298
t t + 273
[ kg ⋅ m −3 ]
kde t t je hodnota okolní teploty a ρ n je hodnota hustoty za normovaných podmínek 30% RH a při teplotě 25 °C . Protože naplnění spalovacího prostoru je ryze objemové, tak se při vyšší teplotě dostane do válce méně kyslíku nezbytného pro spalovací proces spalovacího a tak výstupní výkon motoru klesá. Teplota vzduchu na začátku komprese ovlivňuje teplotu na konci komprese. V případě atmosférického dieselového motoru s kompresním poměrem 16:1 a nasávaného vzduchu o teplotě 25 °C , bude teplota na začátku komprese kolem 50 °C a na konci komprese bude teplota směsi kolem 530 °C . Pokud se teplota nasávaného vzduchu zvýší o
18
10 °C , tak teplota směsi se na konci komprese bude 560 °C , což bude mít vliv na zhoršeni emisí NO x ve výfukových plynech. V případě přeplňovaných spalovacích motorů, kde se atmosférický vzduch stláčí turbodmychadlem nebo kompresorem, dochází při tomto stlačování k nárůstu teploty nasávaného vzduchu vlivem jeho stlačení a tím dochází ke zmenšení hustoty, což způsobuje snížení výkonu motoru. K potlačení snížení výkonu se mezi dmychadlo a motor umísťuje mezichladič nebo-li intercooler, což je v podstatě malé topení, které odvádí teplo ze stlačeného vzduchu. Při zachování stejného přebytku vzduchu a kompresním tlaku se může výkon motoru zvýšit o 1%, pokud se sníží teplota nasávaného vzduchu o 3 °C .
Obrázek 2: Mezichladič stlačeného vzduchu
19
3.3.2 Měření teploty nasávaného vzduchu
S výjimkou přímého měření hmotnosti nasávaného vzduchu je u všech ostatních metod určování hodnoty této veličiny nezbytné stanovit teplotu vzduchu. Snímač teploty nasávaného vzduchu je polovodičový rezistor se záporným teplotním součinitelem odporu, obdobný jako u snímače teploty motoru. Na rozdíl od snímače teploty motoru musí ale reagovat podstatně rychleji. Tomu se přizpůsobuje konstrukce. Pokud je snímač teploty nasávaného vzduchu vestavěn přímo v měřiči objemu nebo v tělese škrtící klapky, je proveden jako otevřený a umisťuje se v prostoru vysoké rychlosti nasávaného vzduchu. Jestliže je snímač teploty samostatným dílem vešroubovaným do sacího potrubí, je rezistor uložen do držáku a bývá částečně chráněn nebo zcela chráněn klíckou z plastu nebo kovovým pouzdrem. Takové ochrany se většinou používá u přeplňovaných motorů při snímaní teploty stlačeného vzduchu za dmychadlem, která ovlivňuje hmotnost tohoto media, bývá u snímačů objemu nebo množství nasávaného vzduchu umísťován v tělese těchto snímačů. U snímačů hmotnosti nasávaného vzduchu není třeba jeho teplotu měřit. (Ferenc, 2004) Signály snímačů teploty a startování motoru bývají většinou doplňovány informací o volnoběžné poloze škrtící klapky (pokud se nejedná o soustavu s jejím elektronickým natáčením). Při volnoběhu se neměří množství nebo hmotnost nasávaného vzduchu, příslušný měřič je vynulován, takže řídící jednotka využívá uvedené informace spolu s údaji ze snímačů teploty motoru, případně i se signálem startu, k řízení množství vstřikovaného paliva podle předprogramovaných hodnot.
20
Obrázek 3: Snímač teploty vzduchu v motorovém prostoru
3.4 Tlak nasávaného vzduchu Tíha atmosféry, která působí kolmo k dané rovině, se nazývá atmosférická tlaková síla. Působí na všechna tělesa i na celý povrch Země. Tlak jí vyvolaný se nazývá atmosférický tlak. Tlak obecně může být vyjádřením tíhového zrychlení, hustoty a sloupce, což naznačuje, že dojde-li ke změně hodnoty tlaku, tak musí dojít ke změně hodnoty sloupce (ke změn), který v případě atmosférického tlaku znázorňuje nadmořskou výšku. Z toho je zřejmé, že bude-li klesat tlak, pak to může znamenat změnu hustoty, což je ve stejných podmínkách těžko myslitelné, stejně jako změna tíhového zrychlení. Proto se jedná o změnu sloupce, což představuje v případě atmosférického tlaku změnu nadmořské výšky. Tabulka 5: Vliv nadmořské výšky na parametry vzduchu
Výška [ m ] 0
Teplota[ °C ]
Tlak [ kPa ]
Hustota[ kg ⋅ m −3 ]
15.0
101.3
1.20
1000
8.5
90.0
1.10
2000
2.0
80.0
1.00
3000
-4.5
70.0
0.91
4000
-11.0
60.0
0.82
21
3.4.1 Vliv tlaku nasávaného vzduchu
Vzhledem k tomu, že objemová účinnost motoru je nezávislá na tlaku přiváděného vzduchu do spalovacího prostoru, hmotnost spotřebovaného vzduchu při spalování souvisí přímo s hustotou, která je úměrná absolutnímu tlaku za stejných podmínek. Jelikož normovaný atmosférický tlak je Pn = 1bar neboli 100 kPa , pak z toho plyne:
ρt = ρn
[ kg ⋅ m −3 ]
P
kde:
ρ t [ kg ⋅ m −3 ] je hustota za zkušebních podmínek ρ n [ kg ⋅ m −3 ] je hustota za normálních podmínek P [ Pa ] je atmosférický tlak za zkušebních podmínek
Z toho vyplývá, že změna velikosti o 1%, nebo 7.5 mmHg odpovídá změně hmotnosti vzduchu vstupujícího do motoru o 1%. Pro většinu dní v roce (úroveň mořské hladiny) je atmosférický tlak někde kolem hodnoty 750 mmHg nebo 100 kPa ± 3%, tedy mezi 97 kPa a 103 kPa , což odpovídá změně hmotnosti nasávaného vzduchu v rozmezí 6%. Atmosférický tlak klesá s rostoucí nadmořskou výškou a to tak, že ve výšce 1000 m nad mořem poklesne o hodnotu 11,5 kPa (86 mmHg ), což značí úbytek hmotnosti spalovacího vzduchu o 1% s každými 90 m nadmořské výšky navíc. (Martyr & Plint, 2007)
22
Tabulka 6: Pokles tlaku při změně nadmořské výšky Nadmořská výška (m)
Pokles tlaku (bar)
0
0
500
0,0059
1000
0,115
1500
0,168
2000
0,218
3000
0,312
4000
0,397
Tlak ve válci na začátku komprese je závislý na tlaku nasávaného vzduchu a tlak na konci komprese se změní ve stejném poměru, což může mít významný negativní vliv na spalovací proces ve smyslu vzniku ložisek detonačního spalování, což může vést až k poškození motoru.
3.4.2 Měření tlaku nasávaného vzduchu
Protože motor potřebuje ve vyšších nadmořských výškách méně paliva, jsou některé systémy regulace složení směsi vybaveny snímačem atmosférického tlaku. Snímač vysílá signál do řídící jednotky, která zkrátí dobu otevření vstřikovacích trysek. Snímač barometrického tlaku se používáno zejména u motorů s vnitřní recirkulací výfukových plynů, kdy jsou současně otevřeny sací i výfukové ventily. Směs vzduchu s palivem je tak stále korigována podle nadmořské výšky. Korekce podle výšky není potřebná u systémů měřících hustotu nasávaného vzduchu, tj. se snímači tlaku v sacím potrubí a teploty nasávaného vzduchu. Tyto snímače registrují změny způsobené měnící se nadmořskou výškou. Nejčastěji používané snímače tlaku v sacím potrubí lze rozdělit do dvou skupin. První z nich jsou polovodičové snímače, využívající piezorezistivního jevu. V pouzdře snímače je uložen křemíkový krystal, na jehož povrchu je vytvořen odporový můstek. Vlivem
23
deformací způsobených tlakem přiváděným ke krystalu potrubím se mění proud protékající můstkem. Proud se zesílí a zavede se teplotní kompenzace. Druhou skupinu tvoří snímače založené na principu membrány, která je uložena v uzavřené komoře do níž se přivádí tlak obdobně jako u předchozího typu snímačů. Působením tlaku se membrána deformuje a zasouvá nebo vysouvá jádro indukčnosti, které je s ní mechanicky spojeno.
Obrázek 4: Snímač tlaku vzduchu
3.5 Vlhkost nasávaného vzduchu Přítomnost vodních par ve spalovacím vzduchu je charakterizována relativní vlhkostí RH (z anglického Relative Humidity). Vzduch obsahuje vždy ve svých dolních vrstvách vodní páry. Vodní pára se dostává do atmosféry jednak vypařováním vody z povrchu moří, řek, rybníků a jezer, ale i třeba dýcháním rostlin. Všechny tyto jevy pozorujeme u
zemského povrchu. Proto není překvapující, že u povrchu Země je vodních par v ovzduší nejvíce. Dále platí, že nad hladinami velkých vodních ploch je vzduch vlhčí než nad souší. Vodní pára se vypařuje z povrchu vody i pevného ledu. Tento jev nazýváme sublimace. Sublimací se do okolního vzduchu uvolňuje obecně méně molekul než při vypařování z vody kapalné. Voda se však do svého okolí nemůže vypařovat stále. Pokud koncentrace par
24
dosáhne jisté hranice, je počet vypařených molekul a molekul zkondenzovaných totožný. V tom případě hovoříme o mokrém vzduchu, který je p. Neobsahuje-li vzduch molekuly vody, jedná se o suchý vzduch. Podle množství vodních par určujeme vlhkost vzduchu. Podle evropských a amerických norem pro měření parametrů spalovacích motorů byla určena normovaná hodnota relativní vlhkosti RH 30% ve 25 °C .
Tabulka 7: Závislost vlivu teploty vzduchu na tlak vodní páry Teplota [ °C ]
Tlak vodní páry [ kPa ]
0 10
0.61 1.23
20
2.34
30 40
4.24 7.37
50
12.33
60 70 80 90
19.92 31.18 47.34 70.11
100
101.33 = 1 atm
25
Obrázek 5: Hmotnost vody ve vzduchu při různém RH
Relativní vlhkost vzduchu ϕ [ % ] udává poměr absolutní vlhkosti vzduchu φ [ kg ⋅ m −3 ] a absolutní vlhkosti vzduchu, který by byl při téže teplotě sytý vodními parami
φ max [ kg ⋅ m −3 ]. Relativní vlhkost vzduchu udává míru nasycení vodních par.
ϕ=
φ φ max
26
⋅ 100 [ % ]
Absolutní vlhkost φ [ kg ⋅ m −3 ] vzduchu udává hmotnost vodních par v 1m3 vzduchu a můžeme ji vyjádřit vztahem, kde m [ kg ] charakterizuje hmotnost vodních par a V [ m 3 ] objem vzduchu.
φ=
m [ kg ⋅ m −3 ] V
φ max [ g ⋅ m −3 ] nad vodou
φ max [ g ⋅ m −3 ] nad ledem
-40
0,18
0,12
-30
0,45
0,34
-20
1,07
0,88
-10
2,36
2,14
0
4,85
4,85
10
9,40
-
20
17,30
-
30
30,38
-
40
51,19
-
Teplota[ °C
]
Obrázek 6: Závislost hmotnosti vodních par na teplotě
3.5.1 Vliv vlhkosti
Přiměřená vlhkost vzduchu je nezbytnou podmínkou některých reakcí při spalovacím procesu, ale nadbytečná vlhkost snižuje docílený výkon motoru, protože vodní páry zaujímají ve válci určitý prostor podobně jako nevypláchnuté spaliny z předcházejícího pracovního oběhu, na úkor možného naplnění vzduchem respektive směsí, takže tím omezují množství přítomného kyslíku. Jak je uvedeno výše, evropský normativ pro objektivní měření parametrů motorů je 30% RH a při teplotě 25 °C . Tlak vodní páry ve vzduchu při této RH a teplotě se rovná 1 kPa a z toho plyne, že tlak suchého vzduchu je
27
99 kPa při barometrickém tlaku 100 kPa a to odpovídá snížení obsahu vzduchu o 1 % v porovnání se suchým vzduchem při stejném tlaku.
Při teplotě 0 °C je rozdíl hmoty
nasávaného vzduchu mezi suchým vzduchem (0% RH) mokrým vzduchem (100% RH) změnu pouze 0,6 a při teplotě -10 °C je to dokonce méně než 0,3 procenta. Z toho vyplývá, že závislost není lineární a že úprava vlhkosti nasávaného vzduchu je do teploty 10 °C zbytečná. Vliv vlhkosti se zvýrazňuje při vyšších teplotách. Při zvýšení teploty na hodnotu 40 °C a relativní vlhkosti 30% je pro spalování dodáváno o 7.4% méně vzduchu než v případě nasávání jen suchého vzduchu.
Obrázek 7: Závislost tepoty a RH na změnu spalovacího vzduchu
Voda, která je přítomna v pracovní náplni má kladné i záporné vlivy. Nevýhodou je, že při zvýšené vlhkosti spalovacího vzduchu zmenšují vodní páry podíl kyslíku na jednotku objemu vzduchu a působení vody na spalovací prostor, sacího potrubí a výfukového potrubí
28
z hlediska tvorby koroze. Výhoda je chladící účinek ve spalovacím prostoru a snížení obsahu produktů nedokonalého spalování jako je CO , CH x , C .
4 KOREKCE NA ATMOSFERICKÉ PODMÍNKY Z důvodů vlivu parametrů nasávaného vzduchu na parametry spalovacího motoru byly různými mezinárodními a národními organizacemi na tvorbu norem odvozeny vzorce korekčních koeficientů, což není nic jiného než bezrozměrný součinitel, kterým vynásobíme změřený výkon spalovacího motoru a který se snaží korigovat vliv těchto vlivů a upravuje výsledek měření na normované hodnoty. To znamená, že můžeme porovnávat měření za různých podmínek souvisejících s parametry nasávaného vzduchu, dokonce i v různých nadmořských výškách např. pro posouzení stavu měřeného spalovacího motoru nebo výzkumu, vývoji a měření bude objektivní. Nejznámější organizace pro tvorbu norem a jejich příslušné normy, které popisují proces měření výkonu a výpočet jimi odvozených korekčních faktorů jsou: •
ISO (Mezinárodní) norma ISO DIN 1585
•
SAE (USA) norma SAE J 1349
•
ECE (Evropa) norma ECE R85
•
JIS (Japonsko) norma JIS D 1001
•
DIN (Německo) norma DIN70020
ČSN 30 2008, ISO DIN 1585 a EHK (ECE) R85 jsou nejvíce používané normy v České Republice, které se zabývají problematikou korigování naměřeného výkonu
a
z tohoto důvodu zde budou uvedeny a rozebrány podrobněji. Jak je vidět v tabulce 8, tak výpočet korekčního koeficientu se neliší pouze podle druhu normy, kterou je stanoven, ale i podle druhu používaného paliva, způsobu plnění válců směsí a různých dalších konstrukčních odlišností.
29
Tabulka 8: Vztahy pro výpočet korekčních koeficientů podle norem ISO, EHK, ČSN
30
Česká norma vychází z barometrického tlaku, avšak u ISO či EHK se udává tlak
suchého vzduchu, je tedy nutné v aktuálních podmínkách znát vlhkost a z těchto údajů vypočítat tlak vodní páry ve vzduchu, která se pak odečte od barometrického tlaku. Průběh tlaku vodní páry znázorňuje obrázek 8. U EHK R85 jsou odlišeny vznětové motory navíc z hlediska chlazení plnicího vzduchu, pokud není chlazen u motoru s mechanickým přeplňováním, pak se počítá korekce dle vztahu pro turbodmychadlo. U vznětových motorů jsou navíc počítány tzv.
Tlak vodní páry [kPa]
motorové faktory dle jejich konstrukce, ty lze nalézt v příslušných normách.
4,5 Teplota 20°C Teplota 25 °C Teplota 30 °C
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
20
40
60
Obrázek 8: Vliv RH a teploty na tlak vodní páry
31
80 100 Relativní vlhkost [% ]
Normy zahrnují limity na jejich použitelnost a každá má stanovený horní i spodní limit použitelnosti. Tento limit je např. u normy ISO 1585 pro zážehové motory ± 7% . To znamená, že v případě, že korekční faktor je větší než hodnota 1.070, nebo menší než hodnota 0.930, tak hodnota korigovaného výkonu není oficiálně považována za přijatelnou, údaje o okolních podmínkách musí být zapsané do protokolu měření a zkouška by měla být provedena znovu za podmínek, které jsou blíže k normovaným podmínkám.
Tabulka 9: Limiti korekčního faktoru
Norma
Spodní limit
Horní limit
Poznámka
ČSN
0,96
1,06
pro všechny motory
ISO
0,9
1,1
pro vznětové motory
ISO
0,93
1,07
pro zážehové motory
EHK
0,9
1,1
pro vznětové motory
EHK
0,93
1,07
pro zážehové motory
Na obrázku 9, který znázorňuje hodnotu výkonu zážehového přeplňovaného motoru za standardních podmínek o velikosti 110 KW a hodnoty korigovaných výkonů norem ISO DIN 1585, ČSN 30 2008, můžeme vypozorovat diferenci mezi různými výsledky výpočtu korigovaného výkonu, která v tomto případě činí cca. 3.5% .
32
Obrázek 9: Porovnání korigovaného výkonu podle jednotlivých norem
5 PODMÍNKY MĚŘENÍ PODLE NORMY ČSN 30 2008 Aby měření parametrů spalovacích motorů bylo objektivní, opakovatelné a mělo nějakou vypovídající hodnotu, tak je podřízeno určitým standardům. Existuje mnoho mezinárodních i národních norem, které se touto problematikou zabývají, jak bylo zmíněno v předcházející kapitole. Norma ČSN 30 2008 platí pro automobilové pístové spalovací motory vznětové, zážehové, vícepalivové, plynové, s rotačním pohybem pístu a to jak nepřeplňované, tak přeplňované turbodmychadlem nebo kompresorem a stanoví metody zkoušek na brzdném stanovišti. Norma se nevztahuje na motory s volnými písty. (ČSN 30 2008)
33
5.1 Podmínky parametrů vzduchu při měření Teplota a tlak vzduchu nasávaného motorem musí být při zkoušce z důvodu minimalizace korekčního součinitele co nejblíže hodnotám p = 100kPa a T = 23°C . V případě, že výrobce automobilu nepředepisuje hodnotu teploty, nesmí teplota okolního vzduchu převyšovat 40°C . Teplota nasávaného vzduchu musí být měřena s přesností ± 2% a barometrický tlak vzduchu musí být měřen s přesností 200kPa . Teplota
nasávaného vzduchu se musí měřit ve vzdálenosti nejvýše 0.15m od vstupního otvoru do vzduchového čističe, pokud není vzduchový čistič použit , tak nejvýše 0.15m od sacího hrdla. (ČSN 30 2008)
6 ZAŘÍZENÍ UPRAVUJÍCÍ SPALOVACÍ VZDUCH
Pokud má být dosaženo objektivnosti a opakovatelnosti měření výkonových parametrů spalovacích motorů, tak musí být teplota, tlak a relativní vlhkost nasávaného vzduchu regulovány na normované parametry nebo na parametry jiných simulovaných klimatických podmínek. Systémy upravující tyto parametry nasávaného vzduchu se široce používají nejen v zařízeních pro zkoušky výkonových parametrů, ale i pro zařízení určené na zkoušky emisní výfukových plynů, kde eliminují denní změny vlhkosti, tlaku a teploty vzduchu. Základní kritérium pro rozdělení je složitost těchto systémů, kde nejednoduší zařízení může měnit pouze teplotu spalovacího vzduchu a je konstruováno jako tzv. přeplněné sání, kde se neustále připravuje konstantní množství vzduchu
rovnající se dvojnásobku
maximálního množství, který je měřený motor schopen nasát. Dále můžeme tyto regulační zařízení podle maximálního výkonu měřeného motoru, což je zobrazeno v tabulce 10.
34
Tabulka 10: Zařízení na úpravu vzduchu ACS společnosti AVL
Maximální množství Vhodné pro motor do [kW]: Označení jednotky
upravené vzdušniny 3
-1
Vznětový
[m .h ]
motor
Zážehový motor
ACS 400
400
70
100
ACS 800
800
140
200
ACS 1600
1600
280
400
ACS 2400
2400
420
600
ACS 2700
2700
470
675
Rozdílnost stechiometrického pojetí mezi zážehovými a vznětovými motory, kde u vznětových motorů se při spalovacím procesu pracuje s daleko větším přebytkem vzduchu a výrazně chudší směsí než u motorů zážehových, způsobuje rozdílné
požadavky na
množství upraveného vzduchu pro tyto odlišné koncepce spalovacích motorů, což je vidět v tabulce 10, která ukazuje, že maximální množství upraveného vzduchu jednotlivých zařízení vždy dovoluje změřit zážehové motory s vyššími výkony než ekvivalent motoru vznětového. Složitější systémy jsou schopny měnit více parametrů najednou, ale konstrukce takových zařízení je daleko náročnější především z energetického hlediska. Pro snížení vlhkosti vzduchu na požadované hodnoty se aplikuje princip, kdy se spalovací vzduch ochladí a odvede se z něj přebytečná vlhkost ve formě kondenzátu. Naopak zvýšení vlhkosti, které je znázorněno na obrázku 10, se provádí tak, že se do proudu vzduchu rozptyluje vodní pára.
35
Obrázek 10: Schéma zařízení na úpravu vzduchu (vlhkost. teplota)
Z výše napsaného plyne, že systémy, které mění vlastnosti spalovacího vzduchu se podle složitosti a možnosti regulace více parametrů vzduchu, rozdělují do tří skupin: •
Systémy, které mění pouze teplotu
•
Systémy, které mění teplotu a vlhkost
•
Systémy, které mění teplotu , vlhkost a tlak
Systém, který dokáže přizpůsobit teplotu, vlhkost i tlak vzduchu klade vysoké nároky na kvalitu regulace. Doba 30 s , která postačuje pro ustálení hodnot parametrů spalovacího vzduchu pro stabilní režimy spalovacího motoru avšak zejména z důvodu aplikace dynamických testů jsou požadavky na rychlost regulace daleko vyšší, jejíž hodnota pro změnu 500 min −1 by neměla přesáhnout hodnotu 2 s . Po splnění předpokladu snížení části odtahu exhalátu na definovaný tlak můžeme simulovat měření v různých nadmořských výškách.
36
Přísun energie, který je nezbytný pro úpravu vzduchu o teplotě t=30 °C a 80% RH pro vznětový motor s výkonem P=250 kW , směšovacím poměrem 25:1 a měrnou spotřebou paliva
210 g ⋅ kW −1 ⋅ h −1 si ukážeme na příkladu. Podmínky upraveného spalovacího
vzduchu, které se vyžadují jsou normované hodnoty (t=25°C a 30% RH).
Postup úpravy: 1. ochlazení vzduchu na 7°C – chladicí výkon činí 34 kW 2. odvod kondenzátu (0,5 l ⋅ min −1 ) 3. ohřátí vzduchu na 25 °C – příkon 6,5 kW Ochlazení na teplotu 7°C proběhne pomocí snížení vlhkosti z 30 g na 6 g v jednom kg vzduchu, což je ekvivalent 24 g vody na 1 kg vzduchu . Následující obrázky zobrazují jedno ze zařízení (ACS 1600) od společnosti AVL List GmbH a jeho schéma se schopností měnit teplotu, vlhkost i tlak vzduchu v kategoriích dle
tabulky 10.
Obrázek 11: ACS 1600
37
Obrázek 12: Schéma ACS 1600
Možnosti regulace zařízení je nejlépe vidět na časovém záznamu parametrů (interpretováno odebíraným výkonem). Na obrázku 13, kde je zachycen průběh časového záznamu při změně otáček a zatížení motoru ze systému ACS, můžeme dobře vidět možnosti dynamické regulace.
Obrázek 13: Časový záznam ze zařízení ACS
38
7
POSTUP MĚŘENÍ
Obrázek 14: Měření na dynamometru
Měření probíhalo na válcovém dynamometru osobních automobilů v areálu Mendelovi univerzity v Brně, měřený automobil byl automobil japonského původu Nissan 300ZX. Před měřením se kalibrací samotného měřícího ústrojí eliminovaly vlivy, které by mohly znehodnotit měření. Kalibrace proběhla teplotním stabilizováním všech částí, hlavně ložisek. Před samotným měřením proběhla kontrola pneumatik, zda-li není nějaká viditelně fyzicky poškozená a tlaku v pneumatikách, protože výrobce měřícího zařízení uvádí, že tlak v pneumatikách by měl být na samé horní hranici huštění stanovené výrobcem automobilu, tedy pro maximální zatížení. Po najetí automobilu na místo měření došlo k ukotvení a zafixování automobilu pomocí kotvícího zařízení zkušebny. Na konec výfukového potrubí automobilu se nasadil Poté došlo k důkladnému zahřátí motoru automobilu a jeho převodového ústrojí. Pomocí přípravku byla do proudu vzduchu v sání automobilu rozprašována voda, aby se docílilo změny vlhkosti nasávaného vzduchu. V sání vzduchu byl umístěny senzory na měření vlhkosti Omega HX71 pro každou řadu válců zvlášť, které byly připojeny k osobnímu počítači ve zkušebně pomocí zařízení pro sběr dat Compact DAQ a analogovému vstupnímu modulu NI 9203. Naměřená data byla sledována ve vytvořeném programu
39
v prostředí LabVIEW, ukládána na pevný disk tohoto PC a poté exportována do tabulkového procesoru. Po ukončení byly naměřené hodnoty vytištěny na papír jako zkušební protokoly motoru, které jsou součásti této práce jako příloha. Měření bylo prováděno dynamickou zkouškou.
Obrázek 15: Kontrolní stanoviště
7.1 Měřící zařízeni válcový dynamometr 4VDM
Tato zkušebna sestává z dynamometru pro osobní automobily 4VDM-E120D a traktorového dynamometru VDU-E270T–E150T. Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska válců o průměru 1.2 m , stojin a základních rámů se stejnosměrnými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru VDU E120 – T. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil.
40
Propojení válcových jednotek se elektrickými dynamometry typu SDS 225 5604 je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrždění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící držáky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými křivými plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací trubicí připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. (www.zkusebna.wz.cz)
Obrázek 16: Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D
41
Rozdělení pevné a posuvné části měřícího stanoviště pro osobní automobily: •
rám
•
válce se spojkou
•
hnacími řemeny a brzdou
•
dynamometry s ventilací
•
snímací rolny
•
ustavovací zařízení
Obrázek 17: Schéma zkušebny 4VDM E120D
Nezbytnou a velice důležitou součástí měřícího stanoviště je vzduchotechnika a spalinové hospodářství těchto parametrů: •
regulace podtlaku v místnosti měřícího stanoviště v rozsahu od 5 Pa do 300 Pa
•
množství vyměněného vzduchu může být až 25 000 m 3 ⋅ h −1
•
regulace množství výfukových plynů až do 24 000 m 3 ⋅ h −1
42
Obrázek 18: Schéma zkušebny 4VDM E120D (pohled shora)
7.2 Podmínky při měření Barometrické podmínky: •
Teplota vzduchu: 23 °C
•
Tlak vzduchu: 96.88 kPa
•
Vlhkost vzduchu: 47 %
Palivo: •
Použité paliva: Natural 98
•
Teplota paliva: 23 °C
•
Hustota paliva: 0.765 g ⋅ cm −3
7.3 Parametry zkoušeného vozidla Nissan 300ZX •
Karoserie: dvou-dveřové coupe
•
Motor: 3.0 V6 twinturbo uložený napříč nad přední nápravou
•
Převodovka: manuální, 5ti stupňová
•
Poháněná náprava: Zadní 43
•
Palivo: benzín
•
VIN code: JN1RZ26A6LX003010
•
Počet najetých kilometrů: 98245 km
•
Rok výroby: 1990
•
Poznámka: automobil měl instalovaný neoriginální výfukový systém a zvýšený tlak turbodmychadel na 0.6bar
Obrázek 19: Nissan 300ZX
7.3.1 Specifikace motoru
•
Maximální sériový výkon motoru: 223.7 kW v 6400 min −1
•
Maximální sériový kroutící moment: 382.7 Mk v 3600 min −1
•
Způsob
plnění:
motor
přeplňovaný
s mezichladičem stlačeného vzduchu •
Objem válců: 2.960 dm 3
•
Počet válců: 6
•
Uspořádání válců: do V
•
Ventiloví rozvod: DOHC
44
pomocí
dvojice
turbodmychadel
•
Počet ventilů na válec: 4
•
Vrtání: 87.0mm
•
Zdvih: 83.0mm
•
Kompresní poměr: 8.5:1
•
Chlazení: kapalinové
7.3.2 Rozměry a hmotnost
•
Délka: 4305 mm
•
Šířka: 1791 mm
•
Výška: 1250 mm
•
Rozvor: 2451 mm
•
Pohotovostní hmotnost: 1579 kg
7.4 Vlhkoměr Omega HX71
Obrázek 20: Vlhkoměr Omega HX71
45
Parametry vlhkoměru Omega HX71: •
Přesnost u relativní vlhkosti ±3,5% v rozsahu od 15% do 85% relativní vlhkosti při 23°C ±4% v rozsahu pod 15% a nad 85% relativní vlhkosti při 23°C
•
Rozsah napájecího napětí: 8 až 24Vss (ochrana proti přepólování) Výstup HX71-V1: 0 až 5Vss pro 0 až 100% relativní vlhkosti
•
Zapojení HX71-V1 červený vodič: +napájení černý vodič: -napájení/výstup
bílý vodič: +výstup •
Teplotní kompenzace: -25 až 85°C
•
Opakovatelnost: ±1% relativní vlhkosti
•
Kryt: nerez 316
•
Připojení: 2m stíněný kabel, odizolované vodiče, plášť kabelu PVC
•
Rozměry: 136 x 16 mm (průměr)
•
Hmotnost: 67 g
7.5 Software pro měření parametrů vzduchu Program pro měření parametrů vzduchu byl vytvořen v programovacím prostředí LabVIEW od firmy National Instruments. Výhoda tohoto programovacího prostředí je programovaní pomocí blokových diagramů a ne pomocí textových příkazů. Program je rozdělen do čtyř bloků. V prvním bloku z levé strany jsou umístěny ve barevných sloupcích naměřené hodnoty parametrů vzduchu (teplota, tlak, relativní vlhkost), ve druhém jsou tyto hodnoty vyobrazeny číselně. Dále je v druhém bloku grafický ukazatel nasycenosti vzduchu. Ve třetím bloku můžeme nastavit hodnoty parametru vzduchu okolí v reálném
46
čase. V posledním bloku je okamžitý výpočet hodnot korekčních koeficientů podle norem ČSN 30 2008 a ISO 1585 pro vznětové i pro zážehové motory s přeplňováním i bez.
Obrázek 21: Prostředí programu na sledování hodnot při měření
8 VÝSLEDKY MĚŘENÍ A DISKUZE Naměřené hodnoty byly zpracovány v tabulkovém procesoru MS Excel, kde byly vzneseny do grafu a proloženy lineární spojnicí. Na obrázku 19 a obrázku 20 je znázorněný negativní vliv stoupající relativní vlhkosti spalovacího vzduchu na kroutící moment motoru a na výkon motoru. Při teplotě nasávaného vzduchu 23 °C , tlaku vzduchu 96.88 kPa a při otáčkách motoru 2000 min −1 dělal rozdíl 8 Nm respektive 1.7 kW mezi krajními hodnotami relativní vlhkosti RH=9.4% a RH=52%.
47
Kroutící moment Mk [Nm]
Naměřené hodnoty
y = -0.1483x + 276.25 2 R = 0.5274
Linearní spojnice
278.0 277.0 276.0 275.0 274.0 273.0 272.0 271.0 270.0 269.0 268.0 267.0 0
10
20
30
40
50
60
Relativní vlhkost RH [%]
Obrázek 22: Vliv RH na kroutící moment motoru (měřeno při 2000
Naměřené hodnoty
min −1 )
y = -0.03x + 57.812 2
R = 0.5545
Výkon [kW]
Lineární spojnice 58.0 57.8 57.6 57.4 57.2 57.0 56.8 56.6 56.4 56.2 56.0 0
10
20
30
40
50
Relativní vlhkost RH [%]
Obrázek 23:Vliv RH na výkon motoru (měřeno při 2000
48
min −1 )
60
8.1 Výpočet normovaného výkonu podle normy ISO 1585 Pro výpočet normovaného výkonu byly vybrány dvě různé hodnoty s odlišnými parametry spalovacího vzduchu. Při parametrech vzduchu s RH = 50% ,
p A = 96.9kPa , t = 23.6°C
naměřenou hodnotou
byl naměřen výkon motoru 56.9 kW
naměřenou hodnotu relativní vlhkosti RH = 9.4% ,
p A = 96.9kPa , t = 26.9°C
a s byl
naměřen ve 2000 min −1 výkon měřeného automobilu 57.3 kW . Po výpočtu korekčních koeficientů podle normy ISO 1585 a po následném přepočítání na normovaný výkon bylo zjištěno, že výkon měřeného automobilu v normovaných podmínkách je 58.8 kW .
Tabulka 11: Korigovaný výkon
Výkon [kW]
RH [%]
Korekční koeficient [-]
Korigovaný výkon [kW]
57.3
9.4
1.027
58.8
56.9
50.0
1.034
58.8
49
9 ZÁVĚR Pokud
měření výkonových parametrů spalovacího motorů, která probíhají na
odlišných místech a v různou dobu, tedy za odlišných atmosférických podmínek, mají mít nějakou vypovídající hodnotu a možnost srovnání, tak nesmíme zanedbat vlivy parametrů spalovacího vzduchu na výkon motoru. Jednotlivé parametry vzduchu mají na výkon spalovacího motoru různý vliv. Přestože přiměřená vlhkost vzduchu je nezbytnou podmínkou některých reakcí při spalovacím procesu, tak přebytečná vlhkost snižuje výkon motoru, protože vodní páry obsadí ve válci určitý prostor na úkor kyslíku. Vliv vlhkosti na výkonové parametry motoru je nejmenší z diskutovaných parametrů. Při hodnotě teploty vzduchu 10 °C a pod ní je rozdíl hmotnosti kyslíku obsaženém ve spalovacím vzduchu mezi suchým a mokrým vzduchem pouze 0.6% a menší. Teplota a tlak spalovacího vzduchu jsou svázány s hustotou vzduchu a to tak, že když roste teplota, tak klesá hustota vzduchu. S růstem tlaku naopak dochází ke zvětšení hodnoty hustoty vzduchu. Pokles výkonu způsobuje snižování hustoty vzduchu a tím snižování objemu kyslíku, který je nezbytný pro spalovací proces, což je v případě tlaku nasávaného vzduchu vyjádřeno přírůstkem hodnoty nadmořské výšky, kdy dochází s každými 90 m navíc k hmotnostnímu úbytku kyslíku ve spalovacím vzduchu o 1%. Normované podmínky při měření se dají navodit pomocí zařízení umožňující změny barometrických vlastností, které dokáží přizpůsobit hodnoty klidně i všech výše zmíněných parametrů vzduchu. Pokud není při měření takovéto zařízení k dispozici, tak je nutné přepočítat naměřené výkonové parametry motoru na normované parametry z důvodu objektivnosti a opakovatelnosti měřeni a to pomocí korekčních koeficientů. Cílem práce bylo provést měření výkonových parametrů automobilu Nissan 300ZX na vozidlovém dynamometru 4VDM-E120D v areálu Mendelovi univerzity v Brně a pomocí rozprašování vody do proudu nasávaného vzduchu přímo v sání automobilu zjistit vliv změny parametrů spalovacího vzduchu na výkon motoru. Pomocí rozstřiku vody se měnila vlhkost spalovacího vzduchu a poté se zjišťoval přímý dopad této změny na výkonové parametry motoru. Vlhkost se měřila dvojicí vlhkoměrů Omega HX71 umístěnými přímo s sacím potrubí motoru. Úbytek výkonových parametrů motoru ve 50
2000 min −1 mezi krajními naměřenými hodnotami relativní vlhkosti RH=9.4% a RH=52% odpovídal 1.7 kW respektive 8 Nm . Byly vybrány 2 hodnoty a byl proveden korigující přepočet na normované podmínky vzduchu. Korigovaný výkon podle normy ISO 1585 po přepočtu na standardní podmínky v obou případech vyšel shodně 58.8 kW ve 2000 min −1 . Hodnoty byly sledovány v programu vytvořeném v programovém prostředí LabVIEW s okamžitou možností výpočtu normovaných výkonů podle norem ISO 1585 a ČSN 30 2008.
51
10 POUŽITÁ LITERATURA 1.
Martyr, A.J. – Plint M.A.: Engine testing, Burlington 2007
2.
Macek, J. – Suk., B.: Spalovací motory, ČVUT v Praze, Praha 2003
3.
Charles, F.T.: The internal combustion engine in theory and practise, The Masschasusetts institute of technology 1985
4.
Hlavňa, V. a kolektiv: Dopravný prostriedok-Jeho motor, Žilina 2003
5.
Ferenc, B.: Spalovací motory, Computer Press, Praha 2004
6.
NASA: U.S. Standard atmosphere, 1976
7.
Papoušek, M. – Štěrba, P.: Diagnostika spalovacích motorů, Computer Press, Praha 2007
8.
Český normalizační institut: ČSN 30 2008, Praha 1978
Internet: 1.
www.ni.com
2.
www.zkusebna.wz.cz
3.
www.edmunds.com
4.
www.omegaeng.cz
52
11 SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1: Spalovací motor ............................................................................................... 9 Obrázek 2: Mezichladič stlačeného vzduchu .................................................................... 19 Obrázek 3: Snímač teploty vzduchu v motorovém prostoru ............................................. 21 Obrázek 4: Snímač tlaku vzduchu ..................................................................................... 24 Obrázek 5: Hmotnost vody ve vzduchu při různém RH .................................................... 26 Obrázek 6: Závislost hmotnosti vodních par na teplotě ................................................... 27 Obrázek 7: Závislost tepoty a RH na změnu spalovacího vzduchu .................................. 28 Obrázek 8: Vliv RH a teploty na tlak vodní páry.............................................................. 31 Obrázek 9: Porovnání korigovaného výkonu podle jednotlivých norem .......................... 33 Obrázek 10: Schéma zařízení na úpravu vzduchu (vlhkost. teplota) ............................... 36 Obrázek 11: ACS 1600 ..................................................................................................... 37 Obrázek 12: Schéma ACS 1600 ........................................................................................ 38 Obrázek 13: Časový záznam ze zařízení ACS ................................................................... 38 Obrázek 14: Měření na dynamometru .............................................................................. 39 Obrázek 15: Kontrolní stanoviště ..................................................................................... 40 Obrázek 16: Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D .......... 41 Obrázek 17: Schéma zkušebny 4VDM E120D .................................................................. 42 Obrázek 18: Schéma zkušebny 4VDM E120D (pohled shora) ......................................... 43 Obrázek 19: Nissan 300ZX ............................................................................................... 44 Obrázek 20: Vlhkoměr Omega HX71 ............................................................................... 45 Obrázek 21: Prostředí programu na sledování hodnot při měření .................................. 47 Obrázek 22: Vliv RH na kroutící moment motoru (měřeno při 2000 min −1 ) ................. 48 Obrázek 23:Vliv RH na výkon motoru (měřeno při 2000 min −1 ) .................................... 48
53
12 SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Součinitel přebytku vzduchu ........................................................................... 11 Tabulka 2: Složení vzduchu .............................................................................................. 13 Tabulka 3: Parametry plnění spalovacích motorů ........................................................... 13 Tabulka 4: Účinnost čističe vzduchu ................................................................................ 16 Tabulka 5: Vliv nadmořské výšky na parametry vzduchu................................................. 21 Tabulka 6: Pokles tlaku při změně nadmořské výšky ....................................................... 23 Tabulka 7: Závislost vlivu teploty vzduchu na tlak vodní páry ........................................ 25 Tabulka 9: Limiti korekčního faktoru ............................................................................... 32 Tabulka 10: Zařízení na úpravu vzduchu ACS společnosti AVL ...................................... 35 Tabulka 11: Korigovaný výkon ......................................................................................... 49
54
PŘÍLOHY
55
14 SEZNAM PŘÍLOH 1. Zkušební protokol č.2 2. Zkušební protokol č.4 3. Zkušební protokol č.5 4. Zkušební protokol č.6 5. Zkušební protokol č.7 6. Zkušební protokol č.8 7. Zkušební protokol č.9 8. Zkušební protokol č.10 9. Zkušební protokol č.11 10. Zkušební protokol č.12
56
