Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Zkušební stanoviště pro měření motorů UT a AD MZLU v Brně
Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.
Filip Ševčík
Brno 2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma…………………………………………… …………………………………………………………………………………………….. vypracoval samostatně a použil 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 AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych na tomto místě poděkovat panu doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi CSc a zvláště panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a připomínky během zpracování mé diplomové práce.
ANOTACE Cílem této diplomové práce je získání teoretických znalostí z oblasti testování motorů a tyto znalosti následně uplatnit při návrhu zkušebny. Nejdříve bylo nutné seznámit se s aktuálním stavem dané problematiky, tedy určit a popsat všechny prvky, bez kterých by proces zkoušení motorů nemohl fungovat. Dále popsat současnou zkušebnu motorů na MZLU a na závěr navrhnout technologické řešení pro budoucí zkušebnu. V návrhu jsou zmíněny též základní stavební úpravy budoucí zkušebny, dále výběr konkrétních zařízení, zahrnující dynamometr, zařízení na měření spotřeby, analýzu výfukových plynů, systém regulace a vzduchotechniky.
ANNOTATION The aim of this thesis is to gain theoretical knowledge in engine testing domain and these knowledge subsequently apply in test room project. First of all, it was necessary to get acquainted with up to date state of a existing object matter, therefore point out and describe all components as without them the testing process can not work. Furthermore describe existing test room at MZLU and in the end project a technological solution for the designated test room. There are also mentioned basic construction works of the designated test room, in the following of particular equipment including dynamometer, consumption measurement system, exhaust gas analysis, regulation system and air conditioning unit.
OBSAH OBSAH.......................................................................................................................... 5 1. ÚVOD ........................................................................................................................ 6 2. ZKOUŠENÍ MOTORŮ A JEJICH VELIČIN ...................................................... 7 2.1 Druhy zkoušek ........................................................................................................ 7 2.1.1 Výzkum a vývoj motorů........................................................................................ 7 2.1.2 Výstupní technická kontrola.................................................................................. 7 2.1.3 Dlouhodobé zatěžovací zkoušky........................................................................... 8 2.2 Příprava motoru........................................................................................................ 8 2.3 Měřící přístroje..................................................................................................... 10 2.3.1 Tenzometry.......................................................................................................... 12 2.3.1.1 Tenzometry kovové ........................................................................................... 13 2.3.1.2 Tenzometry polovodičové ................................................................................. 14 2.3.2 Dynamometry...................................................................................................... 15 2.3.2.1 Hydraulické dynamometry ............................................................................... 16 2.3.2.2 Elektrické dynamometry ................................................................................... 18 2.3.2.3 Elektrický dynamometr vířivý........................................................................... 18 2.3.2.4 Elektrický dynamometr střídavý....................................................................... 19 2.3.2.5 Elektrický dynamometr stejnosměrný............................................................... 21 2.4 Stavební zásady zkušebny motorů...................................................................... 21 2.4.1 Utlumení hluku.................................................................................................... 22 2.4.2 Utlumení vibrací.................................................................................................. 22 2.4.3 Odvod spalin ....................................................................................................... 22 2.4.4 Chlazení dynamometru........................................................................................ 23 2.4.5 Chlazení zkoušeného motoru .............................................................................. 24 3. POPIS STANOVIŠTĚ NA ZKOUŠENÍ MOTORŮ NA MZLU ....................... 24 3.1 Stanoviště se vznětovým motorem ...................................................................... 25 3.2 Stanoviště se zážehovým motorem...................................................................... 28 4. CÍL PRÁCE.............................................................................................................. 31 5. TECHNOLOGICKÉ ZPRACOVÁNÍ A NÁVRH ZKUŠEBNY....................... 32 5.1 Pracoviště motorové brzdy .................................................................................. 32 5.1.1 Komunikační a ovládací systém.......................................................................... 32 5.1.2 Stavební úpravy................................................................................................... 34 5.1.2.1 Podlaha ............................................................................................................ 34 5.1.2.2 Protihluková úprava......................................................................................... 35 5.1.3 Popis a technické údaje dynamometru ................................................................ 37 5.1.4 Další technologická zařízení pro zkušební stanoviště......................................... 44 5.1.4.1 Měření spotřeby................................................................................................ 44 5.1.4.2 Analýza výfukových plynů ................................................................................ 47 5.1.4.3 Měření tlaku ..................................................................................................... 48 5.1.4.4 Měření teploty .................................................................................................. 49 5.1.4.5 Lambda sondy .................................................................................................. 50 5.1.4.6 Řešení vzduchotechniky.................................................................................... 51 5.1.4.7 HW a SW pro řízení a regulaci ........................................................................ 57 5.1.4.8 Palivové a vodní hospodářství ......................................................................... 60 6. ZÁVĚR .................................................................................................................... 60 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................ 62 INTERNETOVÉ STRÁNKY.................................................................................... 62 SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................ 63
1. ÚVOD Zkoušení a testování motorů se v současnosti stává čím dál tím více důležitějším aspektem ve vývoji motorů a v automobilovém průmyslu obecně. Ať už jde o zpětné kontrolování teoretických výpočtů při vývoji nebo nově zaváděný proces snižování emisí, je kladen velký důraz a investovány nemalé finanční i materiálové prostředky do těchto testů. Obecně lze říci, že princip zkoušení motorů se v podstatě nezměnil a v zásadě je stejný jako v počátcích automobilového průmyslu resp. v počátečním období kdy se začínaly motory samostatně zkoušet. Co se ale změnilo je systém měření a vyhodnocování parametrů motoru. Toto je dáno hlavně tím, že současné motory v sobě již mají zabudované elektronické řídící jednotky, které jednak samy sledují stavy kontrolovaných médií a v případě poruchy hlásí poruchové stavy, ale hlavně mají v sobě zabudovány porty na komunikaci s počítači propojenými se speciálním softwarem na zkušebnách, díky kterým jsme dnes schopni velice přesně určit a v některých případech i monitorovat stav konkrétní veličiny nebo parametru. Zkušebna motorů a její vybavení slouží k měření parametrů motoru a jejich zkoušení. Protože ovšem není vždy možné početně vyjádřit vzájemné působení jednotlivých procesů k nimž dochází ve spalovacím motoru, je třeba užít zařízení a měřící techniky zkušebny motorů. To nám umožní rozšířit a dále zpřesnit představy o probíhajících dějích, analyzovat práci spalovacích motorů a současně také vytvořit správné předpoklady pro jejich efektivní využití. Měření resp. zkoušení motorů je samo o sobě velice komplexní proces. Mimo vlastního zkušebního zařízení – dynamometru, jsou zde ještě další, neméně důležité prvky v procesu zkoušení. Jedná se např. o přívod paliva a maziva do zkoušeného motoru, musí být zajištěno chlazení motoru i dynamometru, musí být zajištěn i dostatečný odvod spalin z motoru a je zde mnoho dalších procesů, které přímo, či nepřímo souvisí s průběhem vlastní zkoušky. Tyto všechny procesy samozřejmě musí být kontrolovány a řízeny v reálném čase, což obstarává výkonná řídící jednotka, která se stará nejenom o řízení a regulaci právě probíhajících procesů zkoušky, ale má v sobě implementovány také bezpečnostní protokoly a hlavně umožňuje komunikaci mezi obsluhujícím personálem a jednotlivými stanovišti v průběhu zkoušky.
6
2. ZKOUŠENÍ MOTORŮ A JEJICH VELIČIN
2.1 Druhy zkoušek Nejčastější důvody zkoušení motorů: - výzkum a vývoj motorů, obvykle v laboratořích výrobce - výstupní technická kontrola na výrobní lince výrobce - dlouhodobé zatěžovací zkoušky
2.1.1 Výzkum a vývoj motorů Výzkumná činnost předchází vývoji, který výsledky výzkumu aplikuje v praxi. Při zkouškách za účelem výzkumu je cíl zjištění vlastností nově navrhovaných agregátů, případně zjištění probíhajících procesů během chodu motoru za různých podmínek. Při těchto zkouškách je užíváno nejpřesnějších měřících přístrojů a je prováděno několik opakování pro zvýšení přesnosti a minimalizaci případných chyb lidského faktoru. Tyto zkoušky vedou také ke zdokonalování samotných měřících metod. Při vývoji nových agregátů se výrobci snaží splňovat tři základní požadavky: - vysoká účinnost při využití paliva - zlepšení regulovatelnosti a životnosti - splnění emisních limitů Kromě standardních hodnot a charakteristik se měří i průběhy tlaků ve válcích, termická, objemová a mechanická účinnost, tepelné poměry apod.
2.1.2 Výstupní technická kontrola Zkoušky výstupní technické kontroly spadají pod jednotlivá oddělení závodů, která zajišťují provedení těchto zkoušek a porovnávají, zda naměřené hodnoty 7
odpovídají stanoveným podmínkám. V průběhu výroby jsou části motoru kontrolovány během jednotlivých operací pomocí měřících přístrojů. Ovšem i přes tato měření je ve výrobní fázi nejdůležitější výstupní kontrola na zkušebně motorů. Při této je nejdříve motor určitou dobu v záběhu a kontroluje se těsnost olejové soustavy, případně přídavná zařízení apod. Posléze následuje vlastní zkoušení při krátkodobých zatíženích.
2.1.3 Dlouhodobé zatěžovací zkoušky Doba trvání dlouhodobé zkoušky, dle normy ČSN 30 0506 je 400 hodin standardně (ve zvláštních případech může být zkrácená, může být i 800 hodin), rozdělených do čtyř period, každá po 100 hodinách. Na konci každé periody musí být motor podroben kontrole ve formě vnější otáčkové charakteristiky (plného zatížení). Po každé 100 hodinové periodě je přípustná normální údržba a seřízení. Motorový olej a filtry mohou být vyměněny po každé 100 hodinové periodě. Teplota motorového oleje musí být měřena v mazacím systému. Místo měření teploty oleje musí být specifikováno. Každá 100 hodinová perioda zahrnuje deset 10 hodinových cyklů. Každý 10 hodinový cyklus musí být proveden podle zvláštního programu. V průběhu kteréhokoli cyklu není dovoleno žádné přerušení chodu motoru. Motor může být vypnut jen na konci každého cyklu. Nejméně 5krát během každé 100 hodinové periody musí být motor zastaven na dobu minimálně 8 hodin. Před pokračováním ve zkoušce musí být motor prohřátý. [1]
2.2 Příprava motoru Před zkouškou se motor umístí na zkušební stanoviště a spojí se s hřídelí dynamometru. Motor se umístí buď na stacionární nebo mobilní podstavec, který se pak pevně připevní k základové desce, ležící na pevném podkladě. Konstrukce podstavce a systému závěsu musí umožnit pohyb ve vodorovném i svislém směru tak, aby bylo možno umístit na něj motory různých rozměrů.
8
Obr. 1: Příklad zapojení motoru na mobilním podstavci
Před samotným připojením hřídele motoru k dynamometru je třeba zkontrolovat souosost obou hřídelí. Po zkontrolování souososti se hřídele motoru a dynamometru spojí pomocí pružných spojek. Tyto mají výhodu v tom, že u nich dochází k menšímu křížení hřídele a zamezují větším přenosům torzních rázů na dynamometr, a to zejména u vznětových motorů. Méně citlivé na souosost hřídelí je spojení kloubové, které však nedokonale tlumí torzní rázy, a proto se v současnosti používá nejvíce speciálních spojek. Tento druh spojek, nejčastěji vyztužený ocelovou tkaninou nebo kevlarovými vlákny, dovoluje poměrně velkou osovou nesouměrnost a zároveň umožňuje přenos velkých kroutících momentů. Tyto spojky se osvědčily i při tlumení větších torzních rázů. Na takto připojený a zajištěný motor je připojeno potrubí pro přívod vzduchu a chladící kapaliny, potrubí pro odvod výfukových plynů, dále jsou připojena případná pomocná zařízení a měřící přístroje.
Před každým měřením a před spuštěním motoru je třeba: -
zkontrolovat správnost upevnění spojovací hřídele motoru a dynamometru
-
zkontrolovat upevnění motoru na rámu podstavce
-
zjistit stav paliva
9
-
provést kontrolu úplnosti, upevnění a seřízení měřících přístrojů
-
zabezpečit dodržení bezpečnostních předpisů
Dále je nutné zaznamenat: -
teplotu vzduchu ve zkušebně
t [°C]
-
barometrický tlak
p [kPa]
-
relativní vlhkost vzduchu ve zkušebně
-
úplnost příslušenství motoru
-
výrobní číslo motoru a příp. další identifikační znaky
[%]
Na závěr přípravy je ještě nutné zajistit požadované parametry médií vstupujících do zkoušeného motoru, tzn. teplotu, tlak a vlhkost vzduchu, teplotu vody a teplotu a hustotu oleje a paliva. [6]
2.3 Měřící přístroje Ke zkoušení motorů a zjišťování jejich parametrů jsou potřeba zařízení určená k tomuto účelu a bez nichž nejde zkouška provést. Základní zařízení je výkonová brzda – dynamometr. Při zkoušení motoru na dynamometru jde o to,že proti neznámému kroutícímu momentu motoru působí definovaný brzdný moment, který je za ustáleného režimu rovný kroutícímu momentu motoru.
Zatěžovaný motor se brzdí odporem kapaliny, elektricky nebo pohonem jiného stroje, dříve se ještě používalo brždění třením a pomocí odporu vzduchu, ovšem tyto způsoby jsou již zastaralé a nepoužívají se. U těchto zařízení, s výjimkou pohonu od jiného stroje, se mechanická práce motoru mění na jinou energii, nejčastěji tepelnou, a proto se tyto brzdy – dynamometry nazývají absorpční. Z toho plyne, že zjišťujeme brzdný moment, a proto jsou statory všech dynamometrů uloženy tak, aby bylo možno na rameni, upevněném na statoru, měřit sílu.
10
Obr. 2: Řez dynamometrem
Pro změření síly na rameni nebo přímo kroutícího momentu se v současnosti používají pouze tenzometrické snímače, které umožňují, pomocí vhodného měřícího zesilovače a číslicového převodníku, snadný odečet naměřených hodnot. Kroutící moment a při známých otáčkách tedy i výkon je možné zjistit i jinými způsoby, např. tenzometrickými snímači přímo na hřídeli nebo měřící přírubou, což je vhodné pro zjišťování časově proměnných kroutících momentů.
11
2.3.1 Tenzometry Princip funkce tenzometru spočívá ve změně odporu mechanicky namáhaného vodiče délky l0, průřezu S a s rezistivitou ρ. Změny odporu jsou zde nejčastěji dány změnou parametru délky vodiče o ∆l. Tenzometr je proto nejcitlivější na deformaci (natažení, prohnutí apod.) právě ve směru delší strany.
Obr. 3: Princip funkce tenzometru
Obvykle nás však zajímá relativní změna odporu ∆R/R, kde R je nominální odpor tenzometru v základním nenamáhaném stavu (F= 0 N). Častěji se však udává koeficient K, tj. součinitel deformační citlivosti, pro který platí vztah ∆R/R=K * ε. Veličina ε představuje relativní deformaci tenzometru ve směru délky tenzometru (viz. obr. 3.). Pro kovové tenzometry je typická hodnota K = 2, i když jsou zde odchylky v závislosti na použitém materiálu. Tenzometry se dělí na dvě základní skupiny -
tenzometry kovové
-
tenzometry polovodičové
12
2.3.1.1 Tenzometry kovové Obecně lze kovové odporové tenzometry rozdělit na: -
drátové - dále mohou být v provedení volném či lepeném k podložce
-
vrstvové - mohou být vakuově nanesené nebo naprašované
-
fóliové
Z nich se dnes nejčastěji používají právě fóliové. Ty jsou vyráběny v nejrůznějších tvarech a skupinách pro měření různě tvarovaných objektů a působení sil z různých směrů. Základní klasické provedení je pak na obrázku 4. Na nosné izolační vrstvě (nosič) obdélníkového tvaru tloušťky cca 20 až 50 µm, která je typu polyamid nebo sklem vyztuženém fenolovém filmu, je upevněn měřící odporový meandr (měřící mřížka) o tloušťce 3 až 6 µm, určité délky, šířky a klidového odporu R (obvykle 100, 120, 350, 700 nebo 1000Ω). Meandr je obvykle vyráběn fotolitografickou technikou z kovových fólií materiálů konstantan, karma (slitina chromu a niklu). Na povrchu je pak senzor pokryt krycí vrstvou tloušťky okolo 30 µm a vyvedeny jsou buď pájitelné plošky nebo již přímo vodiče. Takové provedení tenzometru velmi dobře kopíruje měřenou deformaci a lze i zatěžovat i značnými proudy s hustotou až 100 A/mm2. Životnost bývá obvykle přes 10 miliónů cyklů deformace, která se pohybuje do 0.5% rozměrů tenzometru.
Obr. 4: Fóliový tenzometr
13
2.3.1.2 Tenzometry polovodičové Základním měřeným parametrem je elektrický odpor R homogenního tělesa (vodič nebo polovodič), který je přímo úměrný změně délky vodiče a jeho průřezu. Například protahujeme-li odporový drátek v rozmezí pružné deformace silou F, zvětší se jeho odpor úměrně jeho prodloužení. Aby změna odporu byla co největší, je nutné aby i délka drátu byla co největší. Protože se změnou délky se mění i průřez vodiče a jeho měrný odpor, je skutečná změna odporu větší, než odpovídá prodloužení odporového drátku. Zvětšení odporu se vyjadřuje jako deformační citlivost, která je závislá na materiálu snímače. Odporové tenzometry se vyrábějí z materiálu, který je málo citlivý na teplotě. Nejčastěji z konstantanu. Nyní se však v běžných aplikacích a hlavně v integrovaných senzorech používají polovodičové tenzometry s podstatně větší poměrnou deformační citlivostí. Jejich nevýhodou je však velká teplotní závislost a citlivost na světlo. Přesněji vyjádřeno, elektrické polovodičové tenzometry jsou založeny na piezorezistivním jevu = piezorezistence, tj. na změně elektrického odporu v závislosti na deformaci polovodičového krystalu (např. monokrystalu křemíku, germania). Polovodiče mají schopnost měnit vodivost ve velmi širokém rozmezí (o 6 až 8 řádů), a to buď vlivem vnějších fyzikálních jevů (tlak, tah, teplota, světlo) nebo přidáním nepatrného množství příměsi (cizích atomů) do čisté látky polovodiče Polovodičové tenzometry lze podle struktury materiálu rozdělit na: -
monokrystalické - lze dále rozdělit na "klasické" lepené a na difundované do Si substrátu
-
polykrystalické = naprašované
14
Obr. 5: Řez polovodičovým tenzometrem
Obr. 6: Reálná fotografie integrovaných křemíkových tenzometrů
2.3.2 Dynamometry Dle vyvozeného tření se dynamometry dělí na:
-
Třecí dynamometry
-
Vzduchové dynamometry
-
Hydraulické dynamometry
-
Elektrické dynamometry - vířivé
15
- střídavé (ty se dále dělí na asynchronní a synchronní) - stejnosměrné
Jak již bylo uvedeno dříve, třecí a vzduchové jsou již zastaralé, a proto se nepoužívají. Každý dynamometr má svoji pracovní charakteristiku která udává závislost brzdného momentu na otáčkách a vymezuje tak tím pracovní oblast dynamometru.
Obr. 7: Příklad charakteristiky dynamometru
2.3.2.1 Hydraulické dynamometry U těchto zařízení se brzdící moment získává odporem, který klade kapalina otáčejícímu se kotouči. Třecí sílu u těchto dynamometrů je možno vyjádřit vztahem:
[
]
F = k ⋅ n 2 N ; − ; s −1 . Součinitel k vyjadřuje brzdící vlastnosti kapaliny i otáčejícího se kotouče – rotoru. 16
Pro zvýšení schopnosti ubrzdit větší výkon se rotor i stator vhodně tvarují. Regulace brzdného momentu se u těchto dynamometrů děje buď změnou množství kapaliny, která vytváří brzdný moment nebo změnou velikosti funkční plochy rotoru pomocí zasouvání a vysouvání stínících clon.
Obr. 8: Hydraulický dynamometr
Na hřídeli je umístěn rotor s lopatkami. Stator je výkyvně uložen na stojanech. Prostor mezi statorem a rotorem je zaplněn vodou, která je přiváděna vstupním hrdlem. Regulace brzdného momentu je zajištěna změnou pozice stínících clon. Jelikož hydraulický dynamometr stejně jako všechny ostatní přeměňuje mechanickou energii na tepelnou, je nutno tuto energii odvádět. To zajišťuje neustálý průtok vody, který musí být tak velký, aby na výstupu nebyla voda teplejší než 50 – 60 °C a zamezilo se vzniku kavitace na lopatkách rotoru a usazování vodního kamene v tělese dynamometru. Tento druh dynamometrů je celkem spolehlivý a má nízké
17
provozní náklady. Není však příliš rozšířen. Přesnost a regulovatelnost pro nízké otáčky je problematická, dynamometr je vhodný pro vysokootáčkové motory. [6]
2.3.2.2 Elektrické dynamometry Použití elektrických točivých dynamometrů k zatěžování motorů, a tím ke zjišťování kroutících momentů, má některé přednosti ve srovnání s předcházejícími způsoby. Mohou být použity různá řešení dle účelu zkoušek. Mají výbornou regulovatelnost. Elektrické dynamometry se jeví jako vhodnější pro dálkové ovládání a automatizaci.
2.3.2.3 Elektrický dynamometr vířivý Tento druh dynamometrů funguje na principu působení Focaultových vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného do budící cívky ve statoru. Mají ovšem nevýhodu v tom, že dokáží pouze brzdit, k roztočení rotoru je třeba výše zmiňovaný budící proud Tyto dynamometry jsou relativně malé, lze je jednoduše ovládat dálkově a je možná plná automatizace celého průběhu měření. Dynamometr je uložen výkyvně na dvou ložiskových stojanech. V jednom ze stojanů je zabudováno tachodynamo pro měření otáček. Uvnitř statoru je umístěna budící cívka ve vodotěsném pouzdře. Rotor ve tvaru ozubeného kola je uložen ve valivých ložiscích. Hřídel je na obou koncích opatřena přírubami pro připojení motoru. Chlazení dynamometru je provedeno vodou z vodního chladícího systému zkušebny, proudící přes regulační ventily a kontrolní tlakový snímač do horní části dynamometru.[7]
18
Obr. 9: Vířivý dynamometr
2.3.2.4 Elektrický dynamometr střídavý U střídavých elektrických dynamometrů se jedná v podstatě o běžný třífázový motor. Je-li jím otáčeno nad jeho synchronní otáčky, vzniká ve vinutí rotoru třífázový proud. Výkon testovaného motoru bude úměrný výkonu vyrobeného proudu a účinnosti stroje. Reguluje se změnou rotorového proudu. Výhodou tohoto zařízení je nízká pořizovací cena a relativní jednoduchost celého zařízení. Naopak nevýhoda u střídavých dynamometrů je nízký rozsah otáček ve kterých je možno měřit a menší přesnost měření. Z tohoto důvodu se dynamometr obvykle vybavuje dalším elektrickým příslušenstvím sloužícím k rozšíření rozsahu provozních otáček, dále umožňuje generátorový i motorový chod, chod v obou směrech otáčení a případně ještě měření kroutícího momentu pomocí výkyvně uloženého statoru. Energii získanou při měření je možno rekuperovat zpět do sítě. Takto provedená úprava podstatně zlepší vlastností dynamometru a zvýší tím i jeho rozsah použitelnosti, ovšem zvýší se také náklady na regulaci takto upraveného dynamometru.
19
Asynchronní dynamometr:
Asynchronní dynamometry jsou v podstatě upravené třífázové motory s kotvou nakrátko. Stator je uložen výkyvně. Výhodou je spouštění bez nutnosti přídavného měniče, nízký moment setrvačnosti, široký rozsah pracovních otáček a provoz s nízkými nároky na údržbu. Regulace pomocí budícího proudu. Chlazení je prováděno vzduchem. Přesnost měření se pohybuje cca okolo 0,2%. Při použití speciálního tlumícího systému lze dosáhnout přesnosti až 0,04%. U dynamometrů vyšších výkonů je brzdná energie vrácena do elektrické sítě prostřednictvím rekuperační jednotky statického měniče kmitočtu, u dynamometrů do výkonu 10kW se brzdná elektrická energie maří v brzdném odporu.
Obr. 10: Momentové a výkonové charakteristiky asynchronního dynamometru
Synchronní dynamometr:
Synchronní dynamometry jsou stejně jako asynchronní dynamometry, upravené třífázové motory, které ovšem místo běžného rotorového vinutí mají po celém obvodu rotoru umístěny magnety. Další odlišnost od asynchronních
20
dynamometrů spočívá v tom, že pro rozběhnutí potřebují budič, tedy nejsou schopny se roztočit jen po připojení do sítě. Výhoda oproti asynchronním dynamometrům je ta, že mají velké momenty i při nízkých otáčkách. Chlazení je opět realizováno vzduchem resp. cizím zdrojem vzduchu, obvykle připojeným na výměník, kde se ohřátý vzduch zase chladí od protékající kapaliny. Přesnost měření stejná jako u asynchronních dynamometrů, tedy standardně 0,2% a při použití speciálního tlumícího systému až 0,04%
2.3.2.5 Elektrický dynamometr stejnosměrný Pracuje podobně jako střídavý elektrický dynamometr, má však větší rozsah otáček a je vhodný pro větší momenty setrvačnosti. V podstatě se jedná o dynamo, kterým zatěžujeme zkoušený motor. Regulace probíhá pomocí změny odběru energie a změnou buzení dynama. Stator dynama je uložen výkyvně a brzdný moment se měří stejně jako u ostatních typů dynamometrů. Výhoda u tohoto zařízení je, že kromě jednoduché obsluhy, která jde navíc velice snadno automatizovat, také fakt, že můžeme zkoušený motor roztáčet a provádět zkoušky protáčením motoru. Dále je zde možnost, obdobně jako u střídavého elektrického dynamometru, měřením získanou energii rekuperovat zpět do sítě. Nevýhodou jsou poměrně velké rozměry zařízení, vyšší náklady a vetší momenty setrvačnosti.
2.4 Stavební zásady zkušebny motorů Již při projektování zkušebny musí být brán zřetel na to, že zkušebna nesmí své okolí obtěžovat hlukem z právě zkoušeného motoru, dále se nesmí přenášet vibrace do okolního prostředí a musí být zajištěn dostatečný odvod spalin. Musí být zajištěno chlazení jak pro zkoušený motor, tak pro vlastní dynamometr. Dále zkušebna musí splňovat normy pro přechovávání vysoce hořlavých látek a taktéž nesmí být ohroženo zdraví a životy personálu obsluhujícího zkušební stanoviště. A v neposlední řadě je dobré dbát na maximální hospodárnost při spotřebě vody a energie.
21
2.4.1 Utlumení hluku Hladina zvuku se na zkušebnách motorů pohybuje v hodnotách nad 80dB a výše, to v závislosti na velikosti, typu a zatížení právě zkoušeného motoru, v průměru se však hodnoty pohybují cca v rozmezí 100 – 130 dB. Takováto vysoká úroveň zvuku působí nebezpečně na sluchové orgány a nervovou soustavu obsluhujícího personálu. Opatření k utlumení zvuku jsou vždy poměrně nákladná a jejich efektivnost závisí nejen na konstrukčním řešení, ale také na pečlivém uspořádání vlastního stanoviště. Z těchto důvodů je již vlastní zkušební zařízení stavebně řešeno tak, aby motor pracoval v uzavřeném prostoru a obsluhující personál byl mimo tento prostor. Stěny zkušebny jsou stavěny ze speciálních materiálů a vnitřní strany stěn jsou obloženy zvuk pohlcujícími obklady tak, aby bylo zajištěno maximální utlumení zvuku.
2.4.2 Utlumení vibrací Pro utlumení vibrací vznikajících při zkoušení motorů je deska, dříve se tato deska vyráběla z litého betonu, v dnešní době se ovšem používají buď litinové nebo hliníkové monolitické desky, které mají lepší tlumící vlastnosti. Na této desce je umístěn dynamometr a podstavec se zkoušeným motorem. Mezi touto a základovou deskou bývá medium zabraňující přenosu vibrací z této desky do základů. Základy samotné pak obvykle ještě leží na vrstvě písku, který také přispívá k minimalizaci šíření vibrací do okolní půdy. K dalším opatřením ještě patří zavěšení zkoušeného motoru na speciální zařízení, které také pomáhá snižovat množství vibrací jdoucích do základů.
2.4.3 Odvod spalin Výfukové plyny zkoušených motorů se odvádějí ze zkušebního stanoviště tak, aby se zamezilo úniku a hluk na pracovišti i mimo něj byl co nejmenší. Výfukové
22
plyny se odvádějí z každého stanoviště do společného výfukového potrubí, které má dvojitý plášť čímž je tlumené a má velký průřez. Potrubí jsou uložena ve zvláštních kanálech. Takto jsou výfukové plyny vedeny mimo vlastní budovu a v případě nutnosti je možné ještě další snížení hluku pomocí tlumících kanálů o velkém objemu. Odtud jsou vedeny do komínu na střeše zkušebny, kde se dále rozptýlí do okolí. Samozřejmostí je použití filtrů zabraňujících úniku škodlivých látek ze spalin do okolí. Aby nedošlo k nežádoucímu zvýšení protitlaku ve výfuku při zkoušení motoru, jsou výfukové plyny ředěny a odsávány ventilátorem, který je umístěn obvykle za tlumícím kanálem a vyfukuje spaliny komínem ven.
2.4.4 Chlazení dynamometru Při zkoušení motorů musí dynamometr, v závislosti na velikosti a typu motoru, mařit menší či větší výkon. Tento proces je charakteristický tím, že při něm vzniká obrovské množství tepelné energie a tuto je nutno odvádět pryč. Teplo je z dynamometru zásadně odváděno vodou, a to buď v otevřeném okruhu nebo v rámci uzavřeného okruhu. Otevřený chladící okruh se používá jen zcela výjimečně, a to tehdy, jedná-li se o chlazení jednoho stanoviště, které bude pracovat jen krátkodobě a výstavba a celkově konstrukční řešení chladícího zařízení by bylo ekonomicky nevýhodné. Princip chlazení spočívá v tom, že voda je do dynamometru přiváděna z dostatečně vysoko umístěné nádrže, kde je plovákový ventil, který připouští z rozvodné sítě vodu a udržuje konstantní výšku hladiny a tím udržuje i konstantní tlak vody v dynamometru. Z něj pak ohřátá voda odtéká přímo do odpadu. Z tohoto druhu uspořádání je tedy zřejmé, že je značně nehospodárné a je vhodné jen pro případ uvedený výše. U uzavřeného okruhu je voda přiváděna stejným způsobem, tedy z nádrže, ovšem ohřátá voda z dynamometru není vypouštěna do odpadu, ale je čerpána do chladícího zařízení. Obvykle se jedná o chladící věž, ve které se voda ochladí a dále je přečerpána zpět do nádrže, odkud je vedena zpět k dynamometru. U tohoto typu oběhu bývá navíc obvyklá kontrola vody s možností případné úpravy. V závislosti na úrovni hladiny v nádrži je do okruhu přiváděna voda z vnějšího rozvodu. Toto se děje
23
z důvodů případných odparů či úniků vody v důsledku netěsností v některém z článků okruhu. Výhoda tohoto způsobu spočívá ve vysoké hospodárnosti s vodou. Nevýhoda je ovšem další náklady spojené s vybudováním přečerpávacího a chladícího zařízení.
2.4.5 Chlazení zkoušeného motoru Při zkoušení motorů musí být chlazen nejen dynamometr, ale i samotný zkoušený motor. Toto se v zásadě děje dvěma způsoby, buď pomocí běžného chladiče nebo za použití externího chladícího zařízení. V prvním případě se obvykle jedná o ventilátor zajišťující potřebný nápor vzduchu, ovšem je nutné tomu přizpůsobit okolní podmínky. V případě druhém externí zařízení pracuje na principu voda – vzduch, kdy voda ochlazuje proudící vzduch a ten chladí resp. odvádí teplo ze zkoušeného motoru.
3. POPIS STANOVIŠTĚ NA ZKOUŠENÍ MOTORŮ NA MZLU
Stanoviště zde popsané je vybudováno a provozováno na Ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě v Brně. Uspořádání tohoto stanoviště odpovídá velikostí i výbavou menším výzkumným stanovištím tohoto druhu. Vlastní zkušební stanoviště je umístěno ve speciální odhlučněné místnosti a veškeré ovládání jak dynamometru, tak i motoru a ostatních přídavných a pomocných zařízení je dálkové a je prováděno z ovládací místnosti. Tato místnost je od stanoviště oddělena speciální protihlukovou stěnou. Vizuální kontrolu zkoušeného motoru má obsluhující personál prostřednictvím průzoru ze speciálního bezpečnostního tvrzeného skla. Obsluhující personál je tedy chráněn před vysokou hladinou zvuku na zkušebně a v případě nehody jsou tak i chráněny životy a zdraví obsluhy. Kontrola a regulace médií vstupujících během zkoušky ať už do motoru nebo do dynamometru je prováděna z této kontrolní místnosti. Snímání všech měřených hodnot je rovněž zobrazeno zde na monitorech a po skončení měření je zde provedeno
24
okamžité vyhodnocení zkoušky a naměřená data jsou uložena pro případné další použití.
Obr. 11: Příklad kontrolní místnosti
Základním zařízením tohoto stanoviště je elektrický vířivý dynamometr. Jelikož dynamometr umožňuje zabudování dvou zkoušených motorů a jejich postupné připojení, jsou na stanovišti dva motory. Tímto uspořádáním jsou vytvořena s jedním dynamometrem dvě samostatná zkušební stanoviště:
-
se vznětovým motorem
-
se zážehovým motorem
3.1 Stanoviště se vznětovým motorem Elektrovířivý dynamometr je připevněn na základové desce. Vznětový, vodou chlazený motor je spojen s dynamometrem prostřednictvím hřídele opatřené klouby nebo pružnými spojkami. Spojovací hřídel a spojky jsou z bezpečnostních důvodů zajištěny krytem. Velikost kroutícího momentu, kterým je motor zatěžován, je odečítána na dynamometrové váze. Pro chlazení dynamometru slouží rozvod vody s vyrovnávací
25
nádrží, která je vybavena plovákovým ventilem a hladinovým spínačem pro zapínání oběhového čerpadla. Pro měření spotřeby paliva je použito objemové měřící soustavy, která se sestává z palivové nádrže, odměrného zařízení, které je s nádrží paliva a motorem propojeni trojcestným kohoutem a potrubím. Motor nasává vzduch potrubím přes vyrovnávací nádrž, clonkovou trať, do které je vzduch nasáván z prostoru laboratoře vstupním hrdlem. Toto zařízení včetně mikromanometrů slouží ke zjišťování množství nasátého vzduchu. Chlazení motoru je pomocí mísící nádrže, ze které motor odebírá vodu pro chlazení potrubím. Tlakový vzduch pro pneumatický regulační systém je přiváděn potrubím. Pro měření všech tlaků a podtlaků, které je třeba na motoru měřit, složí skříň s U-manometry, které jsou dle velikosti měřeného tlaku naplněny lihem, vodou nebo rtutí. Výfukové plyny jsou vedeny výfukovým potrubím, kde je zabudována sonda pro měření tlaku ve výfuku a termočlánek pro měření teploty výfukových plynů. Přes tlumič výfuku jsou spaliny vedeny do sběrného výfukového potrubí tlumícího kanálu a odsávacím ventilátorem jsou vyfukovány nad střechu budovy. Pro měření kouřivosti motoru je ve výfukovém potrubí ve stanovené vzdálenosti od motoru zabudována odběrová sonda, která zajišťuje odběr vzorků spalin, který je veden potrubím do opacimetru. Tlak a teplota oleje motoru jsou kontrolovány tlakoměrem a elektrickým odporovým teploměrem na ovládacím pultu v ovládací místnosti. Rovněž tam lze sledovat výstupní teplotu z motoru, která je měřena elektrickým odporovým teploměrem. Tuto teplotu je možno také kontrolovat na tyčinkovém rtuťovém teploměru, který je zabudován v potrubí. Otáčky motoru jsou odečítány s přesností 0,5% na ovládacím regulátoru dynamometru. [6]
26
Obr. 12: Stanoviště se vznětovým motorem
27
1 - elektrovířivý dynamometr
12 - clonková trať
2 - vznětový motor
13 - nasávání vzduchu
3 - hřídel
14 - mikrometr
4 - kryt spojky
15 - skříň s U-manometry
5 - dynamometrová váha
16 - mísící nádrž
6 - vyrovnávací nádrž
17 - 22 - potrubí
7 - oběhové čerpadlo
23 - sonda pro měření tlaku ve výfuku
8 - palivová nádrž
24 - termočlánek
9 - odměrné zařízení
25 - odběrová sonda
10 - trojcestný kohout
26 - výfukové potrubí
11 - vyrovnávací nádrž
27 - opacimetr
3.2 Stanoviště se zážehovým motorem Toto zkušební stanoviště má podobné uspořádání jako stanoviště se vznětovým motorem. Na společné základové desce je upevněn elektrovířívý dynamometr. Zážehový, vodou chlazený motor je spojen s dynamometrem prostřednictvím hřídele opatřeného klouby nebo pružnými spojkami. Spojovací hřídel a spojky jsou z bezpečnostních důvodů zajištěny krytem. Velikost kroutícího momentu, kterým je motor zatěžován, je odečítána na vhodném rozsahu stupnice dynamometrové váhy. Okruh chlazení dynamometru a použití objemové měřící soustavy pro měření spotřeby paliva je shodný se stanovištěm pro zážehové motory. Chlazení motoru je rovněž mísícím způsobem připouštěním chladné vody. Na tomto stanovišti jsou však dvě nádrže – vyrovnávací a chladící. Vetší z obou nádrží je nádrž chladící, kam přitéká voda potrubím z motoru. Tato nádrž je opatřena stavoznakem a složí pro měření proleklého množství vody potrubím do motoru. Přesnou teplotu jak vstupující, tak vystupující chladící vody z motoru lze přesně odečítat na teploměrech. Pro regulaci teploty chladící vody složí ručně ovládaný ventil na potrubí chladící vody nebo při použití pneumatické regulace,
28
pneumatický ventil. Pro automatickou pneumatickou regulaci je přiváděn tlakový vzduch potrubím. Výfukové plyny jsou vedeny potrubím, ve kterém je zabudován termočlánek pro měření teploty výfukových plynů a sonda pro odběr tlaku spalin, do tlumiče výfuku. Odtud jsou spaliny vedeny potrubím do sběrného výfukového potrubí, odkud jsou odsávány ventilátorem. Tlak a teplota oleje motoru jsou kontrolovány tlakoměrem a elektrickým odporovým teploměrem. Pro měření otáček pomocí čítače impulsů složí fotoelektrický snímač. Množství nasávaného vzduchu motorem je měřeno pomocí potrubí, vyrovnávací nádrže a cejchovaného plynoměru, kterým vstupuje vzduch z prostoru laboratoře. [6]
29
Obr. 13: Stanoviště se zážehovým motorem
30
1 - dynamometr
13 - vstupní hrdlo
2 - zážehový motor
14 - mikrometr
3 - hřídel
15 - vyrovnávací nádrž
4 - kryt hřídele
16 - mísící nádrž
5 - dynamometrové váhy
17 - 22 - potrubí
6 - vyrovnávací nádrž
23 - tyčinkový teploměr
7 - oběhové čerpadlo
24 - teploměr
8 - palivová nádrž
25 - stavoznak
9 - odměrné zařízení
26 - potrubí
10 - trojcestný kohout
27 - vyrovnávací nádrž
11 - vyrovnávací nádrž
28 - cejchovaný plynoměr
12 - clonková trať
4. CÍL PRÁCE Cílem práce je návrh dispozičního řešení a vybavení stanoviště na zkoušení motorů na ústavu techniky a automobilové dopravy MZLU. Toto zahrnuje seznámení se s technologickým řešením různých druhů motorových zkušeben a dále brát zřetel na stavební řešení těchto zkušeben. Na základě těchto informací je třeba posoudit klady a zápory a především vhodnost jednotlivých řešení a na závěr vybrat to nejvhodnější, podle kterého se následně stanoví základní stavební parametry budoucí zkušebny a podle těchto se vypracuje návrh technologického vybavení vlastní zkušebny.
31
5. TECHNOLOGICKÉ ZPRACOVÁNÍ A NÁVRH ZKUŠEBNY
5.1 Pracoviště motorové brzdy V současné době při navrhování vybavení zkušeben, považuje řada firem z tohoto odvětví za rozhodující komplexnost a maximální přehlednost svých zkušebních systémů s ohledem na stále sofistikovanější konstrukce motorů a na zvyšující se nároky na jejich obsluhu. Tyto aspekty vyžadují aby vlastní testovací aplikace byly co nejvíce přehledné, ale aby v nich bylo integrováno co nejvíce typů testů. S tímto faktem také souvisí stále se zvyšující nároky na hardwarové vybavení ovládacího stanoviště zkušebny. Dále je v současnosti čím dál více dbáno na ekonomickou hospodárnost a na šetrnost vůči životnímu prostředí. Další, neméně důležitou složkou návrhu zkušebního stanoviště je bezpečnost provozu na zkušebně a především bezpečnost obsluhujícího personálu.
5.1.1 Komunikační a ovládací systém Veškerá komunikace mezi ovládacím panelem, systémem regulace, dynamometrem a přídavnými moduly se uskutečňuje prostřednictvím TCP/IP protokolu v rámci ethernetové sítě. Množství médií přiváděných do motoru řídí vlastní systém regulace, tato komunikuje s motorem a moduly s médii pomocí CAN nebo LIN sběrnice. Je zde také využíváno standardu OBD2, což je standard pro palubní diagnostiku, pomocí kterého řídící jednotka monitoruje definované parametry motoru a v případě potřeby upravuje přísun paliva do motoru.
32
Obr. 14: Schéma zapojení stanoviště na zkoušení motorů
1 - ovládací panel 2 - dynamometr 3 - zkoušený motor 4 - moduly s médii pro zkoušený motor 5 - kontroler regulace a měření 6 - řídící jednotka motoru 7 - přídavná zařízení 8 - ethernetový přepínač
33
5.1.2 Stavební úpravy
5.1.2.1 Podlaha Podlaha zkušebny bude zhotovena z betonové vrstvy. Betonový blok základů bude uložen na vrstvu zhutněného písku či štěrku z důvodu zamezení dalšího šíření vibrací. Vlastní dynamometr a podstavec s motorem budou však uloženy na masivní hliníkové desce, která bude od betonové základové desky oddělena pryžovými pružinami. Jako další možnost utlumení vibrací by se jevilo použití pneumatických pružin. Pružné uložení základové desky je nahrazeno soustavou pneumatických pružných podpor s přídavnými vzduchojemy připojenými k pneumatickým pružinám za účelem snížení tuhosti. Pro regulaci stálé statické výšky jsou pneumatické pružiny rozděleny do sekcí a připojeny ke třem regulátorům stálé statické výšky. Soustava pružin je doplněna o hydraulické tlumiče kmitů za účelem omezení rezonančních jevů v průběhu zkoušky. Toto řešení je ovšem značně náročné, jak finančně, tak prostorově, kvůli zmíněnému systému vzduchotechniky, který je zapotřebí k udržení optimální tlumící účinnosti celého systému. Z tohoto důvodu bude použito relativně jednoduššího způsobu utlumení vibrací, a to již dříve zmíněného použití systému pryžových pružin.
34
Obr. 15: Schéma uložení hliníkové desky na pryžových pružinách
5.1.2.2 Protihluková úprava Protihluková úprava celé zkušebny spadá mezi nejdůležitější aspekty celého projektu. Nejvyšší přípustnou úroveň hluku uniklého do okolí zkušebny a stejně tak parametry protihlukového obložení zkušebny, stanoví norma ČSN 730532. Akustika a protihluková opatření v prostorách souvisí jednak s akustickými vlastnostmi použitého materiálu na obložení, a také s vhodným uspořádáním vlastního vybavení na zkušebně. Vzhledem k dosahovaným vysokým hodnotám zvuku v prostoru vlastního zkušebního stanoviště je třeba toto izolovat od okolního prostředí samostatným boxem resp. samostatnou uzavřenou místností a ostatní prostory, jako velín apod. umístit mimo tento prostor. Jako vhodný izolační materiál byl zvolen materiál Sonit PP20. Jedná se o akustický stěnový obklad použitelný jak pro interiérové, tak i pro exteriérové aplikace. Vyznačuje se nehořlavostí, ekologickou čistotou (neobsahuje vlákna) a velmi dobrou mechanickou, klimatickou a chemickou odolností. Jedná se o obdélníkové desky různých formátů s rovinnou lícovou stranou se zkosenými hranami. Některé formáty jsou na protilehlých bočních stranách opatřeny drážkou pro montáž do nosné konstrukce. Obkladové prvky se montují na stěnu se vzduchovou mezerou na kovovou nosnou konstrukci povrchově upravenou základním nátěrem nebo žárovým zinkováním. Prostor mezi konstrukcí a stěnou lze využít pro technologické rozvody.
35
Obklad je možné řezat na požadovaný rozměr za sucha diamantovým kotoučem nebo rozbrušovacím kotoučem na kámen. Otvory do obkladu (např. pro zásuvky a vypínače) lze vrtat tvrdokovovými nástroji.
Obr. 16: Princip montáže protihlukových obkladů
36
Obr. 17: Parametry zvukové pohltivosti
5.1.3 Popis a technické údaje dynamometru Na základě zadaných parametrů v požadavcích na technologické vybavení zkušebny se po předložení nabídek od firem zabývajících se touto tématikou, jeví jako nejvhodnější kandidát elektrický dynamometr vířivý řady Alpha od firmy AVL LIST GmbH se sídlem v Rakousku.
37
Obr. 18: Řez dynamometrem Alpha 240
Základní parametry:
max. výkon: 240 kW max. točivý moment: 600 Nm max. otáčky: 10000-1
38
Obr. 19: charakteristiky dynamometrů řady Alpha
39
Obr. 20: Základní technické a rozměrové parametry dynamometrů řady Alpha
Zadaným podmínkám na stanoviště zkušebny motorů nejlépe vyhovuje, z hlediska pořizovacích a provozních nákladů, užitkovosti a technických požadavků, dynamometr Alpha 240. Mezi hlavní výhody patří relativně nízké pořizovací náklady, vysoká měřící přesnost, výborná a přesná regulace točivého momentu a otáček v celém rozsahu dynamometru, snadná obsluha a vysoká životnost jednotlivých součástí.
40
Obr. 21: Technický výkres dynamometru Alpha 240
Dynamometr Alpha 240 bude používán pro zážehové i vznětové motory osobních automobilů. Pokud by případně nějaký motor překročil funkční oblast dynamometru, lze tento použitím nesériového řídícího systému tzv. „přebudit“, jinými slovy zvětšit
41
pracovní oblast daného dynamometru, ovšem s vědomím, že se tímto úkonem sníží životnost dynamometru. Jako referenční motory pro znázornění a porovnání s charakteristikou dynamometru jsem použil zážehový motor automobilu Škoda Octavia RS 2.0 TSFI a vznětový motor automobilu BMW X5 3.0d
Parametry referenčních motorů:
Škoda Octavia RS 2.0 TSFI
BMW X5 3.0d
max. výkon: 147 kW
max. výkon: 160 kW
max. toč. moment: 280 Nm
max. toč. moment: 500 Nm
max. otáčky: 6500-1
max. otáčky: 4500-1
Výkonová a momentová charakteristika dynamometru AVL alpha 240
700
300
650 600
250
550
200
450 400 350
150
300 250
100
200 150 100
Mt Charakteristika Alpha 240
50
P Charakteristika Alpha 240
AVL alpha 240 Mt max = 600 Nm Pmax = 240 kW J = 0.368 kg.m2
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
-1
Otáčky [min ]
Graf 1: Momentová a výkonová charakteristika dynamometru Alpha 240
42
50
nmax = 10 000 min-1
9000
0 10000
Výkon [kW]
Točivý moment [Nm]
500
Porovnání momentových charakteristik sp. motorů vs. dynamometr AVL alpha 240
700 AVL alpha 240 Mt max = 600 Nm Pmax = 240 kW
650
Točivý moment [Nm]
600 550
nmax = 10 000 min-1
500
J = 0.368 kg.m2
450 400 350 300 250 200 150
BMW X5 3.0d Škoda Octavia RS 2.0 TSFI Mt Charakteristika Alpha 240
100 50 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
-1
Otáčky [min ]
Graf 2: Porovnání momentových charakteristik vybraných motorů a dynamometru Alpha 240 Porovnání výkonových charakteristik sp. motorů vs. dynamometr AVL alpha 240
300
250
Výkon [kW]
200
150
AVL alpha 240 Mt max = 600 Nm Pmax = 240 kW
100
nmax = 10 000 min-1 J = 0.368 kg.m2
BMW X5 3.0d Škoda Octavia RS 2.0 TSFI
50
P Charakteristika Alpha 240 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
-1
Otáčky [min ]
Graf 3: Porovnání výkonových charakteristik vybraných motorů a dynamometru Alpha 240
43
Z výše uvedených grafů vyplívá, že dynamometr Alpha 240 je dostačující a jeho pracovní oblast je schopna pokrýt pracovní oblasti většiny dnešních spalovacích motorů pro osobní automobily.
5.1.4 Další technologická zařízení pro zkušební stanoviště
5.1.4.1 Měření spotřeby Na měření spotřeby paliva na zkušebnách existuje v současné době již velmi široká paleta průtokoměrů, jmenovitě od objemových průtokoměrů, které jsou spíš vhodné pro měření průtoku plynných médií, přes rychlostní sondy, kapilární průtokoměry, rotametry, turbínové a lopatkové průtokoměry, relativně nové indukční a ultrazvukové průtokoměry, až po vírové nebo hmotnostní průtokoměry, mezi které patří např. Coriolisův hmotnostní průtokoměr. A právě posledně jmenovaný se díky svojí univerzálnosti použití hodí pro měření spotřeby paliva v laboratoři MZLU. Coriolisovy hmotnostní průtokoměry jsou dobře známy svou vynikající přesností a opakovatelností při měření ustálených průtoků. Pokulhávají však, co se týče dynamických vlastností. Vývoj zaměřený na jejich zlepšení v poslední době přinesl určité slibné výsledky. Měření průtoku je základem mnoha řídicích úloh. Zmínit lze např. dodávku paliva do motorů, chlazení v elektrárnách a nespočetné množství aplikací měření průtoku plynů, čistých kapalin apod. v potravinářství a při výrobě nápojů, v chemickém a petrochemickém průmyslu atd. Úměrně jeho významu také existuje mnoho metod měření průtoku – od již dlouhodobě osvědčených (např. široce používaná clonová měřidla) po nově zaváděné (např. ultrazvukové průtokoměry, prosazující se v současné době při měření průtoku vody). Základním citlivým prvkem Coriolisova průtokoměru je kmitající tzv. měřicí trubice, kterou protéká měřené médium. Při pohybu média trubicí dochází, v důsledku působení Coriolisovy síly, k asymetrické deformaci trubice přímo úměrné velikosti hmotnostního průtoku média. Coriolisův průtokoměr má jeden nebo dva budiče
44
oscilací a dva snímače pohybu (umístěné tak, aby snímaly pohyby trubice). Napájení budičů, udržujících oscilace trubice, obstarává a výsledný elektrický signál, úměrný hmotnostnímu průtoku média, vyhodnocuje z fázového posunutí signálů ze snímačů oscilací (způsobeného deformací trubice) elektronický převodník. Nejvýznamnější výhodou Coriolisových průtokoměrů je, že měří přímo hmotnostní průtok, což je důležité všude, kde má větší význam znalost proteklé hmotnosti než proteklého objemu média, např. v petrochemii. K přednostem Coriolisových průtokoměrů dále patří zejména velká přesnost měření (až 0,1 %) a přestavitelnost měřicího rozsahu (100 : 1 nebo lepší). Naopak mezi nedostatky patří nezbytnost zvláštního napájení a poměrně vysoká cena. [1]
Obr. 22: Princip funkce Coriolisova průtokoměru
45
Přesnost (grafy) Světlost (mm) Kavitace Materiál trubice Max. tlak (bar) Připojení
Komunikace
CNG Měření teploty Měření hustoty
Danfoss
Endress-Hauser
MicroMotion
Siemens MassFlo
velmi dobrá
dostatečná
velmi dobrá
výborná
3
4
2,5
4
ne
ne
při vyšších průtocích
ne
AISI 316L
ANSI 150
17 349
Hastelloy C22
295
160
100
410
závit ISO G
příruba
příruba
příruba
HART, ProfibusPA,
HART, Profibus PA,
HART, ProfibusPA
HARTt, ProfibusPA, možnost Fieldbus
RS 485
Profibus DP, Devicenet CANopen, Modbus RTU
ano
ano
ne
ano
ano
ano
ano
ano
ano
ano
ano
ano
Tab. 1: Srovnání vybraných typů průtokoměrů
Přesnost měření v závislosti na průtoku 5
Danfoss 4,5
Endress+Hauser MicroMotion
4
Siemens MassFlo 2100
Přesnost měření [%]
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Průtok [kg/h]
Graf 4: Srovnání přesnosti měření v závislosti na průtoku jednotlivých průtokoměrů
46
90
100
Obr. 23: Siemens MassFlo 2100
Na základě srovnání vybraných typů průtokoměrů, se jako nejlepší jeví průtokoměr MassFlo 2100 od firmy Siemens, který kromě měření průtoku umožňuje i měření teploty a hustoty protékajícího média a přes HART komunikační rozhraní se dá ještě připojit modul na měření tlaku.
5.1.4.2 Analýza výfukových plynů U analýzy výfukových plynů nelze použít standardních analyzátorů, jaké se používají např. na stanicích technické kontroly. Analýza výfukových plynů je nedílnou součástí zkoušení motorů a výsledky z této analýzy jsou dále využívány pro budoucí výzkum a vývoj motorů. Každá složka výfukových spalin je analyzována zvlášť svou vlastní metodou. Obsah CO a CO2 se zjišťuje metodou NDIR, HC složka se zjišťuje HFID metodou (využití vodíkového plamene), NOx složky se zjišťují metodou chemické luminiscence. Z těchto důvodů není možné použít obyčejný analyzátor, ale je třeba komplexní zařízení, které dokáže přesně a rychle změřit, resp. zanalyzovat vzorek výfukových plynů. Na základě stanovených požadavků jsem zvolil analyzátor od firmy Horiba, typ Mexa 1400FR.
47
Rozsahy měření jednotlivých složek výfukových plynů
CO: 0 - 12% CO2: 0 - 16% HC: 0 - 2% NOx: 0 - 200, 500, 1k, 2k, 5k, 10k ppm s 500 mm vedením
Čas odezvy
Td ≤ 100ms nebo méně T90 ≤ 30ms
Opakovatelnost Linearita
Okolní podmínky
Napětí Výstupy
± 1% z měřené hodnoty ± 1% z měřené hodnoty Analyzovací jednotka: 0 - 40ºC, max. 80% relativní vlhkosti Řídící jednotka: 0 - 35ºC, max. 80% relativní vlhkosti 100, 115, 220, 230, 240 V st.směr. 50/60 Hz Analogové: 0 - 1V, 5V nebo 10V pro každou součást a válec
Tab. 2: Specifikace analyzátoru Mexa 1400FR
5.1.4.3 Měření tlaku Dnes se již využívá plně integrovaných senzorů tlaku, kde integrovaný obvod obsahuje nejen samotný senzor citlivý na tlak, ale i vyhodnocovací logiku. Ta může signál ze senzorové části zpracovávat analogově a poskytovat analogový výstup ze součástky nebo obsahuje A/D převodník, a výstup je pak ve formě digitální. Navíc některé dnešní vyspělé integrované senzory poskytují možnosti měření dalších veličin v rámci jednoho integrovaného obvodu. U tlakových senzorů je to nejčastěji měření teploty, kterého se nemusí jen využívat pro nějakou teplotní kompenzaci měření tlaku uvnitř integrovaného obvodu, ale také někdy bývá vyveden na dalším pinu pouzdra nebo je jeden výstup přepínatelný mezi měření tlaku a teploty.
48
Obr. 24: Snímač tlaku
5.1.4.4 Měření teploty Měření teploty patří mezi klasické úlohy. Protože je dnes na trhu obrovské množství teplotních snímačů, měřidel a regulátorů, tak se firmy, zabývající se touto tématikou, na jedné straně zaměřují zejména na jednoduchá a levná řešení měření teploty, a na druhé straně na specializovaná měření, která se vymykají běžným požadavkům. Z první kategorie lze vybrat termočlánkové snímače typu J nebo K, které jsou vyráběny svařením termočlánkových vodičů v elektrickém výboji. Měřicí konec má po svaření tvar kuličky o průměru 0,5 až 1mm v závislosti na použitém průřezu termočlánkového vodiče. Tyto termočlánky se vyznačují velmi rychlou odezvou na měřenou teplotu (několikrát za sekundu, záleží na typu) a umožňují i měření teploty okolního vzduchu. Pro vyhodnocení měřené teploty lze využít běžný číslicový voltmetr, liniový zapisovač nebo měřicí AD převodník s výstupem RS232 pro připojení k počítači. Další možností je výroba měřicí jednotky na zakázku. Ze druhé kategorie lze vybrat číslicový měřič teploty pro snímače typu Pt100. Tento přístroj umožňuje měřit teplotu v rozmezí 0 až +850°C v rozlišení 0,1°C na rozsahu 1999,9 °C a nebo v rozmezí 0 až +199,99°C v rozlišení 0,01°C. Přístroj provádí linearizaci převodní charakteristiky snímače a proto je v celém měřeném rozsahu dosaženo vysoké přesnosti měření. Snímač PT100 je připojen čtyřvodičově a
49
délka připojovacího kabelu tudíž nemá vliv na přesnost měření. Napájení je napětím 12, příp. 24V.
Obr. 25: Schéma odporového snímače PT100
5.1.4.5 Lambda sondy To, co se nazývá Lambda sonda, je ve skutečnosti senzor kyslíku ve výfukových plynech, který je nutný pro řízení spalování motoru tak, aby bylo dosaženo snížení koncentrace škodlivých látek ve výfukových plynech. To znamená, že Lambda sonda měří koncentraci kyslíku ve výfukovém potrubí a získaná hodnota napětí na jejím výstupu řídí poměr paliva a vzduchu v sání nebo ve válci tak, aby bylo co nejvíce dosaženo optimální směsi. Za tu se považuje tzv. stechiometrický poměr pro spalování. Ten je označován hodnotu λ = 1 a fakticky mu odpovídá poměr zhruba 14.7 kg vzduchu na 1 kg paliva (benzínu). Samotný lambda senzor zjednodušeně pracuje na principu baterie, kdy přítomností různé koncentrace kyslíku na mikropórovitých platinových elektrodách, mezi nimiž se nachází pevný elektrolyt, vzniká el. napětí úměrné právě rozdílu koncentrace kyslíku. Aby vše fungovalo co nejlépe, je senzor zahříván na teplotu okolo 550 °C. Na obr. 26 je zobrazena sada od firmy MoTeC, tato je schopna měřit hodnoty λ od 0,7 až do 32,0, používá Bosch LSU a NTK UEGO komunikační rozhraní, obsahuje jeden analogový plně programovatelný
50
výstup a dva digitální vstupy, taktéž plně programovatelné, jednotka je řízena vlastním mikroprocesorem.
Obr. 26: MoTeC PLM
5.1.4.6 Řešení vzduchotechniky
V této části je proveden nástin problematiky z pohledu vzduchotechniky. V prvé řadě je nutné zabezpečit ve zkušebně podmínky dané normou ISO 1585:
teplota vzduchu:
tvv = 25ºC
tlak vzduchu:
pvv = 101,3 kPa
relativní vlhkost vzduchu:
φvv = 60%
Tyto hodnoty nejsou závazné, ale měli bychom se k nim co nejvíce přiblížit.
Parametry zkoušeného motoru:
typ: čtyřdobý, zážehový zdvihový objem: Vm = 2,0l 51
otáčky:
n = 6500 ot/min
směšovací poměr: 11,8:1 (λ=0,8)
Vzduch je míšen (karburátor nebo vstřikování) s palivem při maximálním zatížení motoru v poměru 11,8 : 1. Plynová konstanta směsi rsm = 281,7 J.kg-1K-1. Tlak po smíchání vzduchu a paliva můžeme pro zjednodušení uvažovat psm = 101,3 kPa. Pokud je palivo v nádrži umístěné ve zkušebně, můžeme taktéž teplotu směsi považovat stejnou s teplotou okolního vzduchu. Tzn. tsm = 25°C. objemový tok motorem nasávané směsi: Vsm = Vm ⋅ n ⋅ 0,2 = 2 ⋅ 6500 ⋅ 0,2 = 2600 m 3 ⋅ h −1 = 0.7222 m 3 ⋅ s −1 hmotnostní tok motorem nasávané směsi: p sm ⋅ Vsm = rsm ⋅ m sm ⋅ Tsm m sm =
p sm ⋅ V sm 101,3 ⋅ 10 3 ⋅ 0,7222 = = 0,8711 kg ⋅ s 1 rsm ⋅ Tsm 281,7 ⋅ 298,16
hmotnostní podíl vzduchu ve směsi: Při směšovacím poměru (hmotnostním) 11,8 : 1 to tedy znamená, že 12,8 kg směsi obsahuje 11,8 kg vzduchu, což je 92,19 % z celkové hmotnosti. Podíl paliva je 7,81% => jvv = 0,9219 hmotnostní tok motorem nasávaného vzduchu: mvv = j vv ⋅ m sm = 0,9219 ⋅ 0,8711 = 0,8031 kg ⋅ s −1 a ze stavové rovnice určíme objemové množství vzduchu spotřebované motorem: Vvv =
mvv ⋅ rvv ⋅ Tvv 0,8031 ⋅ 289,15 ⋅ 298,16 = 0,6834 m 3 ⋅ s −1 = p vv 101,3 ⋅ 10 3
Vvv = 2460 m 3 ⋅ h −1
Ten samý výpočet, ale pro vznětový motor:
typ: čtyřdobý, vznětový zdvihový objem: Vm = 3,0l otáčky:
n = 4500 ot/min
směšovací poměr: 23,5:1 (λ=1,6)
52
Vsm = Vm ⋅ n ⋅ 0,35 = 3 ⋅ 4500 ⋅ 0,35 = 4725 m 3 ⋅ h −1 = 1.3125 m 3 ⋅ s −1 p sm ⋅ Vsm = rsm ⋅ m sm ⋅ Tsm m sm
p sm ⋅ Vsm 101,3 ⋅ 10 3 ⋅ 1,3125 = = = 1,5829 kg ⋅ s −1 rsm ⋅ Tsm 281,7 ⋅ 298,16
j vv = 0,9592 mvv = j vv ⋅ m sm = 0,9592 ⋅ 1,5829 = 1,5183 kg ⋅ s −1 Vvv =
mvv ⋅ rvv ⋅ Tvv 1,5183 ⋅ 289,15 ⋅ 298,16 = 1,2922 m 3 ⋅ s −1 = 3 p vv 101,3 ⋅ 10
Vvv = 4652 m 3 ⋅ h −1 Vyšlo nám tedy, že referenční motory potřebují 2460 resp. 4652 m3 vzduchu za hodinu. Vypočtenou hodnotu nasávaného vzduchu je nutné zvýšit kvůli nutnosti volného nasávání motorem, tzn. budeme uvažovat hodnotu 5000 m3.h-1. Pro tuto hodnotu následně vybereme zdroj s nejbližší vyšší výkonností. Jako nejvhodnější se jeví zdroj od firmy FEV – AirCon, který má výkonnost 5500 m3.h-1.
Obr. 27: jednotka vzduchotechniky AirCon
53
Toto je tedy množství vzduchu nutné pro chod motoru při výše uvedených podmínkách. Ve zkušebně se však na spotřebě vzduchu podílí ještě systém odsávání spalin motoru. Potrubí pro odsávání spalin, nesmí být připojeno přímo na koncovku výfuku. Odsávací nástavec, kterým je toto potrubí ukončeno, musí umožňovat přisávání okolního vzduchu, aby nebyly změněny podmínky (tlakové poměry), při kterých motor pracuje ve skutečném provozu. Množství vzduchu odsávané tímto potrubím se určí z množství vyprodukovaných výfukových plynů. Potřebujeme znát tedy stav výfukových plynů na výstupu z poslední části výfuku (koncovka). Je tedy nutné změřit teplotu vystupujících spalin při daném zatížení motoru. Ta není u všech motorů stejná. Záleží na účinnosti motoru, typu a materiálu výfuku, atp. Budeme tedy vycházet z předpokladu, že spaliny mohou dosahovat teplot až 650 - 700ºC, a teplotu spalin si určíme 700ºC. Na výstupu z výfuku, musí být stále udržován mírný podtlak, aby nedocházelo k úniku spalin do prostoru zkušebny. Pokud tedy uvažujeme tlak ve zkušebně pvv=101,3 kPa, pak tlak na výstupu z výfuku může být cca psp = 99 kPa. Plynová konstanta těchto výfukových plynů je rsp = 289,07 J.kg-1.K-1.
Opět tedy pro zážehový motor: m sm = m sp
Vsp =
msp ⋅ rsp ⋅ Tsp p sp
=
0,8711 ⋅ 289,07 ⋅ 973,15 = 2,4752 m 3 ⋅ s −1 99000
Vsp = 8910 m 3 ⋅ h −1 m spv = m sp + mvv1 Norma pro odsávání výfukových plynů uvádí objemový tok vzduchu přisávaného do odsávacího potrubí jako 0,5 násobek objemového toku výfukových plynů. Tedy:
Vvv1 = 0,5 ⋅ Vsp = 0,5 ⋅ 8910 = 1,2375 m 3 ⋅ s −1 p vv1 ⋅ Vvv1 = rvv1 ⋅ mvv1 ⋅ Tvv1 mvv1 =
p vv1 ⋅ Vvv1 99000 ⋅ 1,2375 = = 1,4211 kg ⋅ s −1 Tvv1 ⋅ rvv1 298,16 ⋅ 289,15
stav směsi výfukových plynů s přisávaným plynem:
54
m sp ⋅ rsp + mvv1 ⋅ rvv1
rspv =
m spv
=
0,8711 ⋅ 289,07 + 1,4211 ⋅ 289,15 = 431,07 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 0,8711 + 1,4211
m spv ⋅ c pspv ⋅ (t spv − 0 ) = mvv1 ⋅ c pvv1 ⋅ (t vv1 − 0 ) + m sp ⋅ c psp ⋅ (t sp − 0 ) c pspv =
mvv1 ⋅ c pvv1 + msp ⋅ c psp mspv
=
1,4211 ⋅ 1010,3 + 0,8711 ⋅ 1185,3 = 1886,2 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 2,2922
mvv1 ⋅ c pvv1 ⋅ t vv1 + m sp ⋅ c psp ⋅ t sp
t spv =
m spv ⋅ c pspv
=
1,4211 ⋅ 1010,3 ⋅ 25 + 0,8711 ⋅ 1185,3 ⋅ 700 2,2922 ⋅ 1886,2
t spv = 175,47 ο C výkonnost spalinového ventilátoru: m spv ⋅ rspv ⋅ Tspv
Vspv =
p spv
=
2,2922 ⋅ 431,07 ⋅ 448,62 = 4,4775 m 3 ⋅ s −1 99000
Vspv = 16119 m 3 ⋅ h −1
Obdobně pro vznětový motor: m sm = msp Vsp =
msp ⋅ rsp ⋅ Tsp p sp
=
1,5829 ⋅ 289,07 ⋅ 973,15 = 4,4978 m 3 ⋅ s −1 99000
Vsp = 16192 m 3 ⋅ h −1 m spv = m sp + mvv1
Vvv1 = 0,5 ⋅ Vsp = 0,5 ⋅ 26571 = 2,2489 m 3 ⋅ s −1 p vv1 ⋅ Vvv1 = rvv1 ⋅ mvv1 ⋅ Tvv1 p vv1 ⋅ Vvv1 99000 ⋅ 2,2489 = = 2,5824 kg ⋅ s −1 Tvv1 ⋅ rvv1 298,16 ⋅ 289,15
mvv1 = rspv =
m sp ⋅ rsp + mvv1 ⋅ rvv1 m spv
=
1,5829 ⋅ 289,07 + 2,5824 ⋅ 289,15 = 289,11 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 1,5829 + 2,5824
m spv ⋅ c pspv ⋅ (t spv − 0 ) = mvv1 ⋅ c pvv1 ⋅ (t vv1 − 0 ) + m sp ⋅ c psp ⋅ (t sp − 0 ) c pspv =
mvv1 ⋅ c pvv1 + msp ⋅ c psp mspv
=
2,5824 ⋅ 1010,3 + 1,5829 ⋅ 1185,3 = 1076,8 J ⋅ kg −1 ⋅ K −1 4,1653
55
t spv =
mvv1 ⋅ c pvv1 ⋅ t vv1 + m sp ⋅ c psp ⋅ t sp m spv ⋅ c pspv
=
2,5824 ⋅ 1010,3 ⋅ 25 + 1,5829 ⋅ 1185,3 ⋅ 700 4,1653 ⋅ 1076,8
t spv = 307,36 ο C Vspv =
m spv ⋅ rspv ⋅ Tspv p spv
=
4,1653 ⋅ 289,11 ⋅ 580,51 = 7,0612 m 3 ⋅ s −1 99000
Vspv = 25420 m 3 ⋅ s −1
Nyní tedy víme, že výkonnost spalinového ventilátoru musí být minimálně těchto 16119 resp. 25420 m3.h-1. Vybereme tedy z nabídky výrobce ventilátor s nejbližší vyšší výkonností. Jako nejvhodnější se jeví ventilátor řady RNH/2 typ 500 od firmy Janka s výkonností v rozsahu 5400 až 30600 m3.h-1. Vzduch bude čištěn a vysušován v mechanických filtrech, aby nedocházelo ke kondenzaci. Přívod vzduchu pro motor je předpokládán rourou ústící u dynamometru s možností natočení a nastavení pro jednotlivé typy motorů.
Obr. 28: Ventilátor RNH/2
56
5.1.4.7 HW a SW pro řízení a regulaci Veškerá regulace a řízení bude zajišťována centrálně z řídící místnosti, a to včetně regulace teplot médií motoru, dynamometru, vzduchotechniky, apod. Celý systém bude řešen bude se dělit na následující části: -
systém řízení technologie zkušebního stanoviště a správa bezpečnostních prvků.
-
systém řízení a regulace vlastního zkušebního procesu.
Systém regulace a měření:
Řešeno automatizovaným systémem snímajícím a zpracovávajícím naměřené údaje v reálném čase. Toto řešení vyžaduje speciální řídící jednotku s možností o doplnění pomocných řídících modulů. Těmto požadavkům nejlépe vyhovuje řídící jednotka resp. kontroler cRio od firmy National Instruments. Na obr. 23 je znázorněn kontroler cRio, který obsahuje strukturu průmyslového počítače – CPU, paměti RAM, statickou paměť Compact Flash. Na kontroler navazuje hradlové pole (FPGA) – 1M nebo 3M.
Obr. 29: Kontroler cRio
57
Jako nejvhodnější kombinace modulů pro cRio se jeví tato: -
1x 16bit modul se 4 analogovými výstupy 10V 100 kHz; např. pro řízení budiče dynamometru, pro frekvenční měniče ventilátorů aj.
-
2x 16bit modul s 32 analogovými vstupy; použití pro snímání analogových signálů ze snímačů
-
2x modul s digitálním výstupem; výstupy pro externí zařízení, řízení havarijní matice atp.
-
1x modul s 32 digitálními vstupy; použití pro bezpečnostní aplikace, např. při vypuknutí požáru odpojí okamžitě řídící jednotka přísun paliva do motoru apod.
-
1x modul tenzometru; pro připojení a snímání hodnot z tenzometrického snímače na dynamometru
-
1x digitální Input/Output modul; pro komunikaci
Tento systém je díky své univerzálnosti, díky velkému výběru přídavných modulů a možnosti konfigurace softwaru, vhodný k provádění celé řady testů. Např.simulace statických nebo dynamických podmínek při měření výkonu, dlouhodobé zatěžovací zkoušky, simulace jízdy apod.
Budič:
Budič obecně slouží k regulaci vířivého dynamometru, resp. k regulaci budícího proudu a tím i k regulaci vířivého dynamometru. Pro zkušebnu jsem zvolil budič SIMOREG DC-Master od firmy Siemens AG.
58
Obr. 30: SIMOREG DC-Master
Výhody tohoto budiče jsou vysoká modularita, redundantní řešení pohonu v rozsahu 5 - 50 A prostřednictvím inteligentního paralelního řazení řízených usměrňovačů, rozšiřitelnost vstupů a výstupů, komunikace přes PROFIBUS-DP, CANbus, SIMOLINK, paralelní chod až 6 měničů.
Řídící místnost:
V řídící místnosti je hlavní ovládací panel pro celou zkušebnu, dále HW na ukládání dat z měření a periferní výstupní zařízení (monitory, tiskárny). Dále je počítáno s tím, že v objektu vznikne laboratoř pro studenty, kde bude možno v praxi zkoušet a testovat různé nastavení parametrů motoru. Ovládací terminály ve zkušebně však budou propojeny s hlavním řídícím panelem, který bude omezovat dolní a horní rozsah nastavených parametrů pro motor. Toto opatření je z důvodu bezpečnosti a prevence nechtěného zničení motoru či vybavení zkušebny v důsledku špatné konfigurace testu.
59
5.1.4.8 Palivové a vodní hospodářství Ve zkušebně se budou nacházet nádrže na uskladnění paliv pro zkoušené motory. Jedná se o nádrže na benzin, naftu a bomby s CNG. Dále se počítá se stavební úpravou zkušebny ve smyslu vyhloubení odchytových jímek pro případ nežádoucích úniků paliv, maziv apod. V objektu zkušebny se budou též nacházet nádrže na vodu, jakožto chladící médium. Dále zde budou zařízení na chlazení vody, čerpadla pro dopravu s příslušnými regulačními prvky, filtrační zařízení a zařízení na úpravu vody, snímače výšky hladiny v nádržích a přípojka na vodovodní řad pro dopouštění vody v případě odparů nebo průsaků.
6. ZÁVĚR Cílem práce je navrhnout řešení nového stanoviště pro měření motorů ústavu techniky a automobilové dopravy MZLU v Brně. Při návrhu technologického vybavení bylo nutné seznámit se s vlastní problematikou zkoušení motorů, uvědomit si principy a postupy, bez kterých by zkouška nemohla být provedena a na základě těchto úvah sestavit vybavení zkušebny tak, aby jednak odpovídalo zadávacímu projektu a pak, aby všechny prvky vybavení byly vzájemně parametrově vyrovnané. Toto obnášelo seznámit se s nabídkou firem působících v dané oblasti a vybrat vhodná zařízení, pro určité prvky provést teoretické ověřovací výpočty výkonnosti pro ujištění se zda budou zvolené prvky výkonově dostačující. V první části je tedy popsáno rozdělení různých typů dynamometrů a teoretické zásady při stavbě zkušebny. V druhé části je popsán současný stav zkušebny a ve třetí části je nastíněn návrh vybavení včetně konkrétních příkladů. Na základě zadaných parametrů a po pečlivém posouzení všech možností, byl pro dynamometr zvolen typ Alpha 240 od firmy AVL List, GmBH. Pro měření spotřeby byl vybrán hmotnostní průtokoměr MassFlo 2100 od firmy Siemens AG, pro
60
analýzu výfukových plynů byl zvolen analyzátor Mexa 1400FR od firmy Horiba. V rámci vzduchotechniky jako jednotka na úpravu vzduchu pro motor byla vybrána jednotka AirCon od firmy FEV Motorentechnik, GmBH a pro odsávání spalin byl vybrán ventilátor RNH/2 500 od firmy Janka. Jako budič pro regulaci dynamometru byl zvolen SIMOREG DC-Master od firmy Siemens AG a pro systém regulace a měření byl vybrán kontroler cRio od firmy National Instruments. Již od samého počátku bylo počítáno s tím, že zkušebna bude využívána nejen pro výukové účely, ale je zde možnost využití pro výzkumné a vývojové projekty subjektů z komerční sféry. Samozřejmostí je také, v případě zájmu, spolupráce s ostatními technicky založenými školami. Komerční využití je pak plánováno z důvodu alespoň částečného navrácení vynaložených investic a svým způsobem také ke zvýšení prestiže školy.
61
POUŽITÁ LITERATURA 1 2 3 4 5 6 7 8
ČSN 30 0506. Dlouhodobá zkouška motorů silničních vozidel 1. vyd. Praha, 1978. GRODA, B. Termomechanika 1. vyd. Brno, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2001, 240 s. ISBN 80-7157-555-0. GRODA, B. Termomechanika – cvičení 1. vyd. Brno, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2005, 139 s. ISBN 80-7157-888-6. JELÍNEK, K. Návrh vybavení zkušebny motorů Diplomová práce. Brno. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 2004, 61 s. KOŽOUŠEK, J. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I 1. vyd. Praha, SNTL, 1978, 368 s. 04-231-78. ONDRÁČEK, J. Mobilní energetické prostředky I (Návody do cvičení) 2. vyd. Brno, Vysoká škola zemědělská v Brně, 1989, 172 s. 55-903a-89. ONDRÁČEK, J. Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů 1. vyd. Brno, Vysoká škola zemědělská v Brně, 1981, 36 s. VLK, F. Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. 1. vyd. Brno, Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, 2003, 580 s. ISBN 80238-8756-4.
INTERNETOVÉ STRÁNKY 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10 11
AUTOMA. Coriolisovy průtokoměry pro dynamické aplikace. Dostupné na WWW < http://www.odbornecasopisy.cz/automa/2003/au070326.htm> AUTOMATIZACE. Tenzometry. Dostupné na WWW
AVL. Dynamometry, analýza výfukových plynů. Dostupné na WWW , BADGER METER. Průtokoměry. Dostupné na WWW FEV. Klimatizace. Dostupné na WWW FROUDE HOFMANN. Dynamometry. Dostupné na WWW HORIBA. Analýza výfukových plynů. Dostupné na WWW JANKA. Odvod spalin. Dostupné na WWW NATIONAL INSTRUMENTS. Systém regulace a měření. Dostupné na WWW PIPER. Dynamometry. Dostupné na WWW SIEMENS. Měniče. Dostupné na WWW
62
12 13 14
SUPERFLOW. Dynamometry. Dostupné na WWW VTS ZLÍN. Tenzometry. Dostupné na WWW VUES. Dynamometry. Dostupné na WWW
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Příklad zapojení motoru na mobilním podstavci ............................................... 9 Obr. 2: Řez dynamometrem ......................................................................................... 11 Obr. 3: Princip funkce tenzometru ............................................................................... 12 Obr. 4: Fóliový tenzometr ............................................................................................ 13 Obr. 5: Řez polovodičovým tenzometrem ................................................................... 15 Obr. 6: Reálná fotografie integrovaných křemíkových tenzometrů ............................. 15 Obr. 7: Příklad charakteristiky dynamometru .............................................................. 16 Obr. 8: Hydraulický dynamometr ................................................................................ 17 Obr. 9: Vířivý dynamometr .......................................................................................... 19 Obr. 10: Momentové a výkonové charakteristiky asynchronního dynamometru ........ 20 Obr. 11: Příklad kontrolní místnosti............................................................................. 25 Obr. 12: Stanoviště se vznětovým motorem ................................................................ 27 Obr. 13: Stanoviště se zážehovým motorem ................................................................ 30 Obr. 14: Schéma zapojení stanoviště na zkoušení motorů ........................................... 33 Obr. 15: Schéma uložení hliníkové desky na pryžových pružinách ............................ 35 Obr. 16: Princip montáže protihlukových obkladů ...................................................... 36 Obr. 17: Parametry zvukové pohltivosti ...................................................................... 37 Obr. 18: Řez dynamometrem Alpha 240 ..................................................................... 38 Obr. 19: charakteristiky dynamometrů řady Alpha...................................................... 39 Obr. 20: Základní technické a rozměrové parametry dynamometrů řady Alpha......... 40 Obr. 21: Technický výkres dynamometru Alpha 240 .................................................. 41 Obr. 22: Princip funkce Coriolisova průtokoměru....................................................... 45 Obr. 23: Siemens MassFlo 2100 .................................................................................. 47 Obr. 24: Snímač tlaku................................................................................................... 49 Obr. 25: Schéma odporového snímače PT100 ............................................................. 50 Obr. 26: MoTeC PLM .................................................................................................. 51 Obr. 27: jednotka vzduchotechniky AirCon................................................................. 53 Obr. 28: Ventilátor RNH/2........................................................................................... 56 Obr. 29: Kontroler cRio ............................................................................................... 57 Obr. 30: SIMOREG DC-Master................................................................................... 59 63
