MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2007
MARTIN KRŠEK 1
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Metody stanovení parametrů motoru a jejich vliv na provoz vozidla
Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc.
Martin Kršek
Brno 2007
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Metody stanovení parametrů motoru a jejich vliv na provoz vozidla 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
Dovoluji si touto cestou poděkovat doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za cenné rady a odborné vedení při zpracování mé diplomové práce.
Abstrakt
Moje práce je zaměřena na měření motoru traktoru přes vývodový hřídel. Uvádím přehled charakteristik motoru, metody měření a vyhodnocení. Popisuji nejpoužívanější měřicí přístroje. Měření bylo zaměřeno na zjištění vnějších provozních parametrů motoru traktoru John Deere 7730 během zkoušek za ustálených stavů. Tyto údaje byly použity pro vytvoření jmenovité a úplné otáčkové charakteristiky motoru. Měření
bylo
uskutečněno
v laboratořích
Ústavu
základů
techniky
a
automobilové dopravy MZLU v Brně. Vyhodnotil jsem naměřená data a sestrojil příslušné grafy. Výsledky jsem vyhodnotil v závěru diplomové práce.
- traktor John Deere 7730, vývodový hřídel, dynamometr, jmenovitá otáčková charakteristika, úplná otáčková charakteristika.
Abstrakt
My thesis is dealing with measuring of parametre sof the traktor engine by means of power take–off (PTO). It cover a survey of characteristics of the combustion engine including thein methods of measurment and elaboration. Then it was sepplemented with the summary of the most used equipments for such method of measurment. The aim of the measurment was to find out operational specefekations of the engine of traktor John Deere 7730 during different stable operational states. These specefecations were used for creating an specific and complete speed charakteristic. Measurement was executed in laboratories of the Department of Engineering and Automobile Transport in Mendel University of Agriculture and Forestry. Then I processed the measured data and created appropriate graphs. The whole thesis is evaluated in the cocnclusion. - tractor John Deere 7730, power take-off (PTO), dynamometer, specific speed charakteristic, complete speed charakteristic.
OBSAH 1. ÚVOD.......................................................................................................................... 9 2. CHARAKTERISTIKY SPALOVACÍCH MOTORŮ............................................... 10 2.1 Otáčkové (rychlostní) charakteristiky...................................................................... 10 2.1.1 Vnější charakteristiky ............................................................................................ 11 2.1.2 Částečné charakteristiky ....................................................................................... 12 2.1.3 Zvláštní charakteristiky......................................................................................... 12 2.2 Zatěžovací charakteristiky ....................................................................................... 13 2.3 Regulační charakteristiky ........................................................................................ 14 2.4 Úplná charakteristika motoru................................................................................... 14 2.5 Zvláštní charakteristiky............................................................................................ 15 3. TECHNICKÁ USTANOVENÍ.................................................................................. 16 3.1 Obsah jednotlivých druhů charakteristik ................................................................. 16 3.2 Směrnice pro měření při zjišťování charakteristik................................................... 18 4. MĚRĚNÍ A VYHODNOCENÍ CHARAKTERISTIK .............................................. 19 4.1 Měření otáčkové charakteristiky.............................................................................. 20 4.2 Vyhodnocení měření................................................................................................ 21 4.3 Protokol o zkoušce................................................................................................... 23 5. ZAŘÍZENÍ A MĚŘICÍ TECHNIKA PRO ZKOUŠENÍ MOTORŮ......................... 24 5.1 Měření výkonu ......................................................................................................... 24 5.2 Měření spotřeby paliva ............................................................................................ 27 5.2.1 Měření spotřeby paliva hmotnostní metodou ....................................................... 28 5.2.2 Měření spotřeby paliva objemovou metodou ........................................................ 28 5.3 Měření otáček .......................................................................................................... 34 5.4 Měření teplot............................................................................................................ 35 5.5 Měření tlaků ............................................................................................................. 37 5.6 Měření kouřivosti naftových motorů ....................................................................... 38 6. ZKOUŠENÍ MOTORŮ PŘES VÝVODOVÝ HŘÍDEL........................................... 39 7. VLASTNÍ MĚŘENÍ .................................................................................................. 42 7.1 Cíl práce................................................................................................................... 42 7.2 Charakteristika měřeného traktoru........................................................................... 42 7.3 Zkušební stanoviště.................................................................................................. 44
7.4 Metodika měření ...................................................................................................... 45 7.4.1 Měření jmenovité otáčkové charakteristiky.......................................................... 45 7.4.2 Měření úplné otáčkové charakteristiky................................................................. 51 7.5 Výsledky měření a diskuse ...................................................................................... 52 7.5.1 Výsledky měření jmenovité otáčkové charakteristiky.......................................... 52 7.5.2 Výsledky měření úplné otáčkové charakteristiky................................................. 56 8. ZÁVĚR ...................................................................................................................... 60 9. SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................................... 61 10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ..................................................................... 62
1. ÚVOD Zemědělství je velice důležité odvětví pro zajištění potravin pro lidstvo. Naprostá většina potravin pochází právě ze zemědělské produkce, ať rostlinné nebo živočišné výroba. Zpracování půdy a sklizeň vypěstovaných plodin je energeticky velmi náročná činnost. Tuto práci zastávají v dnešní době silné mechanizační prostředky. Hlavním strojem, který se nejčastěji vyskytuje v zemědělských podnicích je traktor. Jeho provoz je nákladný a velký podíl na tom má cena za spotřebované pohonné hmoty. Vzhledem k celosvětovému snižování zásob ropy a následnému zvyšování cen tohoto černého zlata, je snaha o zlepšování ekonomických parametrů motoru. Nejen ekonomické parametry, ale také ekologické aspekty vedou ke zvyšování užitečného výkonu při současném snižování spotřeby paliva. Toho lze dosáhnout efektivnějším využíváním výkonu motoru traktoru. Velikou zásluhu na tom mají nové technologie, mezi které patří i vstřikování paliva. Nové systémy vstřikování (čerpadlo – tryska, Common Rail) jsou schopny zvyšovat výkonové parametry motoru při současném snižování spotřeby paliva. To je zajištěno přesným dávkováním a vysokým tlakem vstřikovaného paliva, který může dosáhnout až 200 MPa. Díky tomu je palivo velmi jemně rozprášeno, čímž dochází k lepšímu průběhu spalování. K optimalizaci spotřeby musíme mít k dispozici také informace o motoru. Ty získáme měřením parametrů motoru. Z vypočtených a vyhodnocených výsledků je zřejmé, ve kterých provozních režimech je nutné se pohybovat, abychom dosáhli požadovaného výkonu při co nejnižší spotřebě. V mé diplomové práci se zaměřuji na stanovení parametrů motoru, jejich vyhodnocení a sestavení jmenovité otáčkové a úplné charakteristiky motoru. Měření bylo realizováno přes vývodový hřídel traktoru. Tento způsob měření je výhodný především proto, že není nutná demontáž motoru z traktoru.
9
2. CHARAKTERISTIKY SPALOVACÍCH MOTORŮ Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami jako jsou výkon Pe, točivý moment Mk, střední efektivní tlak pe, otáčky n, měrná spotřeba paliva mpe, hodinová spotřeba paliva Mph, dále vybraná teplota a tlak, účinnosti, veličiny charakterizující exhalace atd. Charakteristiky se dělí podle vzájemné závislosti jednotlivých veličin. Hlavními druhy charakteristik jsou:
-
otáčková (rychlostní) charakteristika – znázorňuje závislost výkonu a ostatních důležitých provozních veličin motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru
-
zatěžovací charakteristika – znázorňuje závislost spotřeby paliva, zpravidla měrné mpe, respektive dalších důležitých provozních veličin, na některé veličině charakterizující zatížení spalovacího motoru, jako například výkon Pe, točivý moment Mk atd.
-
regulační charakteristika – znázorňuje závislost veličin spalovacího motoru od některé veličiny charakterizující nastavení motoru.
-
úplná charakteristika – je diagram znázorňující soustavou křivek závislost sledované provozní veličiny na dvou základních veličinách, vynesených na osy souřadnic. Každé křivce diagramu přísluší určitá stálá hodnota sledované veličiny, jako parametr. Ve skutečnosti se jedná o prostorový diagram.
-
zvláštní charakteristiky – které popisují vlastnosti a ,,chování“ spalovacího motoru z jiných hledisek.
2.1 Otáčkové (rychlostní) charakteristiky Otáčkové (rychlostní) charakteristiky jsou nejpoužívanější nejen v odborných kruzích, ale i v motoristické veřejnosti. Vyskytují se jako součást technické dokumentace motorů vozidel, pracovních strojů apod., v protokolech z měření, v propagačních a prospektových materiálech výrobců, respektive prodávajících atd.
10
Jsou rozdělené podle několika hledisek na:
2.1.1 Vnější charakteristiky Jsou typické tím, že ovládací zařízení (pedál akcelerátoru) regulující výkon motoru, je nastavené na maximum v celém rozsahu otáček. Podle stupně a způsobu ,,seřízení“ dodávky paliva se vnější charakteristika dělí na tyto druhy:
Absolutní – je limitní charakteristikou získanou z bodů při nastavení motoru na hranici maximálního výkonu bez jakéhokoliv omezení. Její praktické využití je ojedinělé, samotné měření náročné, protože každý měřený bod se získal při samostatném nastavení motoru. Na hranici kouřivosti – je otáčková charakteristika pro limitní dodávku paliva v každém měřeném bodě na hranici povolené hodnoty kouřivosti. Charakteristika slouží pro návrh konstrukce vstřikovacích systémů, respektive korekci dodávky paliva v existujících vyhotoveních. Provozní – je charakteristika motoru nastaveného na konkrétní provozní podmínky jako je životnost, hlučnost, spotřeba, dovolené exhalace atd. Její průběh je platný pro konstantní stanovenou hodnotu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Její průběh je od absolutní charakteristiky posunutý směrem k nižším hodnotám výrazně pro vznětové, méně pro zážehové motory.
Obr. 1 Otáčkové charakteristiky spalovacího motoru
11
Na obr. 1 je znázorněný průběh výkonu a středního efektivního tlaku vznětového motoru při vnější otáčkové provozní charakteristice (křivka 3) a vztah při charakteristice na hranici kouřivosti (křivka 2 ) a absolutní (křivka 1). 2.1.2 Částečné charakteristiky Svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se liší podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální.
2.1.3 Zvláštní charakteristiky Jsou zařazené pod skupinu otáčkových, které znázorňují závislosti základních veličin motoru pro určité vybrané režimy, respektive podmínky. Patří sem například:
Vrtulová charakteristika – jako nezávisle proměnnou má otáčky n, respektive střední pístovou rychlost motoru cs. Přitom dodávka paliva (poloha regulačního orgánu) v závislosti na otáčkách je řešená tak, aby generovaný točivý moment spalovacího motoru odpovídal průběhu momentu odebraného vrtulí nebo lodním šroubem.
Charakteristika motoru s regulátorem – je část otáčkové charakteristiky, zobrazující závislost výkonu, momentu a jiných provozních veličin v závislosti na otáčkách spalovacího motoru při změně zatížení z nuly do maxima a změně polohy regulačního orgánu dodávky paliva řízeného samočinným regulátorem, přičemž poloha ovladače (pedálu akcelerátoru) je konstantní. V literatuře se často charakteristika uvádí pod názvem ,,regulátorová“. V automobilových vznětových motorech se používá regulátor, který samočinně řídí velikost dodávky v oblasti volnoběžných a maximálních otáček, takzvaný omezovací (dvourežimový). Soustava charakteristik s tímto regulátorem je znázorněna na obr. 2a. Pro motory mobilních pracovních strojů se používá takzvaný výkonnostní regulátor. Soustava charakteristik s výkonnostním regulátorem představuje několik vnějších otáčkových charakteristik (podle počtu stupňů nastavení regulátoru - %), je zobrazena na obr. 2b.
12
Obr. 2 Otáčková charakteristika s regulátorem a) omezovacím, b) výkonnostním
Charakteristika chodu naprázdno – znázorňuje závislost celkové spotřeby paliva [kg.h-1] spalovacího motoru pracujícího bez zatížení (Pe = 0) na jeho otáčkách a to v celém provozním rozsahu.
2.2 Zatěžovací charakteristiky Zatěžovací
charakteristiky
se
zjišťují
měřením
spalovacího
motoru
na zkušebním stavu při udržování konstantních otáček, jako parametru. Přitom se mění zátěžový moment z minimální na maximální hodnotu, pomocí změny polohy ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Zaznamenává a vyhodnocuje se většinou spotřeba, popřípadě další sledované provozní veličiny. Jsou výhodné pro posuzování stacionárních motorů, motorů kolejových vozidel, ale slouží také jako podklad pro konstrukci úplných charakteristik, při vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. Na obr. 3a je ukázka soustav zatěžovacích charakteristik s průběhy hodinové spotřeby – Mph v závislosti na efektivním výkonu motoru, na obr. 3b závislost měrné spotřeby – mpe na točivém momentu motoru. V obou soustavách charakteristik jsou parametrem otáčky spalovacího motoru (n = konst.).
13
Obr. 3 Zatěžovací charakteristiky spalovacího motoru a) závislost hodinové spotřeby na výkonu, b) závislost měrné spotřeby na točivém momentu
2.3 Regulační charakteristiky Regulační charakteristiky znázorňují závislost provozních veličin spalovacího motoru (Pe, Mk, Mph, mpe …) na některé konstrukční nebo provozní veličině, charakterizující seřízení motoru, například úhel předstihu (předstřiku), součinitel přebytku vzduchu, otevírací tlak trysky, časování rozvodů, složení směsi apod. Při zjišťování charakteristiky měřením se mění jen sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny se podle možností udržují konstantní, například otáčky, poloha regulačního orgánu, teploty atd. Regulační charakteristiky se využívají ve sféře výzkumu, vývoje, při navrhování systémů řízení nebo seřizování konstrukčních prvků, které ovlivňují výstupní hodnoty motoru.
2.4 Úplná charakteristika motoru Na komplexní posuzování spalovacích motorů z hlediska výkonu, momentu, spotřeby, teplot, exhalací a dalších vedlejších veličin se v praxi uplatňuje úplná (celková) charakteristika, která v jednom diagramu umožňuje zobrazit několik závislostí současně pomocí průsečíkových diagramů. Nedá se přímo získat měřením ani výpočtem, ale je zkonstruovaná z otáčkové nebo zatěžovací charakteristiky přenosem bodů vybrané 14
veličiny s konstantní hodnotou do souřadnicového systému pe – n, respektive Mk – n. Na obr. 4 je ukázka úplné charakteristiky vznětového nepřeplňovaného motoru
se
zobrazením pěti základních veličin – otáček n, efektivního tlaku pe, výkonu Pe, měrné spotřeby mpe a kouřivosti D [m-1], přičemž jednotlivé zobrazené křivky spotřeby, výkonu a kouřivosti představují stálou hodnotu dané veličiny.
Obr. 4 Úplná charakteristika spalovacího motoru
2.5 Zvláštní charakteristiky Výšková charakteristika – vyjadřuje průběh provozních veličin spalovacího motoru v závislosti na nadmořské výšce.
Přechodové charakteristiky – znázorňují v závislosti na čase průběh provozních veličin spalovacího motoru v neustálených režimech. Uplatňují se při zkouškách samotných motorů ve zkušebnách při řešení dynamiky pohonů, při řešení problémů řízení a regulace spalovacích motorů v součinnosti s poháněnými spotřebiči atd. Pro zážehové motory osobních motorových vozidel se vykonávají záznamy některých veličin motoru, hlavně spotřeby a složení výfukových plynů ve stanovených režimech jízdy, kde jsou přechodové charakteristiky ve tvaru mpe = f(t), složky spalin (CO, CHx, NOx) = f(t) apod. [1].
15
3. TECHNICKÁ USTANOVENÍ
3.1 Obsah jednotlivých druhů charakteristik Otáčkové charakteristiky – mají vždy obsahovat křivky pro tyto veličiny:
-
užitečný výkon (přepočtený) - Pr
[kW]
-
točivý moment příslušný užitečnému výkonu - Mk
[Nm]
-
měrnou spotřebu paliva (přepočtenou) - mpr
[g.kW-1.h-1]
-
teplotu výfukových plynů - tv nebo Tv
[°C, K]
-
součinitel absorpce - k
[m-1]
U motorů přeplňovaných turbodmychadlem dále křivky pro:
-
otáčky turbodmychadla – nTD
[s-1, min-1]
-
tlak plnícího vzduchu za dmychadlem - pD2
[kPa]
-
tlak plynů při vstupu do turbíny - pT1
[kPa]
Veličiny doporučené pro doplnění otáčkových charakteristik:
-
střední užitečný tlak na píst odpovídající užiteč. výkonu - per
-
spalovací tlaky ve válcích (u přeplňovaných motorů) - pxI, pxII [MPa]
-
teplota mazacího oleje
-
teplota chladicí vody
[kPa, MPa]
- výstupní - to2
[°C]
- vstupní - to1
[°C]
- výstupní - tw2
[°C]
- vstupní - tw1
[°C]
Jsou-li teploty mazacího oleje nebo chladicí vody proměnlivé jen málo, postačí udat rozmezí, v němž byly při zkoušce udržovány (platí i pro ostatní charakteristiky).
Lodní charakteristiky – mají stejný obsah jako ostatní otáčkové charakteristiky, pouze bez křivek točivého momentu.
16
Zatěžovací charakteristiky – mají vždy obsahovat vedle údaje otáček, při nichž byly zjišťovány, křivky pro tyto veličiny:
-
mpr, Tv, k U motorů přeplňovaných turbodmychadlem dále křivky pro:
-
nTD, pD2, pT1, Veličiny doporučené pro doplnění zatěžovacích charakteristik:
-
střední užiteč. tlak - per (je-li diagram v závislosti na výkonu)
[kPa, MPa]
-
užiteč. výkon - Pr (je-li diagram v závislosti na užitečném tlaku) [kW]
-
to2, to1, tw2, tw1 Mimo veličiny předepsané pro jednotlivé druhy charakteristik je třeba uvést
u všech charakteristik údaje o středních hodnotách veličin charakterizujících stav vzduchu, tj.:
-
barometrický tlak - pb
[kPa]
-
teplota vzduchu - ta
[°C]
-
poměrná vlhkost vzduchu - φ
[%]
Dále je potřeba zjišťovat i všechny veličiny charakterizující pracovní podmínky motoru, zejména:
-
přetlak ve výfuku - pv
[kPa]
-
podtlak v sání na určitém místě - ps
[kPa]
Důležité je uvést všechny charakteristické vlastnosti použitého paliva. Kromě uvedených veličin je možno do charakteristik vynášet hodnoty kterýchkoliv jiných provozních veličin, které mají význam při daném způsobu použití motoru. 17
Stejná zásada platí pro seřizovací charakteristiky, jejichž obsah se normou nepředepisuje. Obsah úplných charakteristik je dán soustavami charakteristik, z nichž se sestrojují. Křivky točivého momentu nebo středního užitečného tlaku při stálém nastavení dávek paliva lze odvozovat jen ze soustavy otáčkových charakteristik.
3.2 Směrnice pro měření při zjišťování charakteristik Pro každou charakteristiku musí být měřením zjištěno nejméně pět bodů přiměřeně od sebe vzdálených. Pro otáčkovou charakteristiku s regulátorem musí být kromě toho stanoveny nejméně ještě čtyři body v oblasti činnosti regulátoru. Před měřením pro každý bod je nutno dosáhnout ustáleného stavu motoru. Veličiny určující tepelný stav motoru mají být zachovány co nestálejší po celou dobu měření pro určitý bod. Patří mezi ně zejména: teplota výfukových plynů, teplota mazacího oleje, teplota chladicí kapaliny, teplota plnicího vzduchu za chladičem u přeplňovaného motoru apod.. Při měření pro určitý bod nesmí být nic měněno na seřízení motoru, brzdy ani pomocných zařízení. Odečítání z měřicích přístrojů se provádí současně. To platí zejména pro otáčky, údaj brzdy tj. zatížení a údaj o spotřebě paliva. Pro provádění vlastního měření (tj. volbu měřicích přístrojů, jejich připojení, způsob měření apod.), jeho vyčíslování a přepočítávání výsledků platí příslušné ustanovené ČSN. Zjišťuje-li se charakteristika měřením za stavu vzduchu odlišného od jeho jmenovitého stavu, provádí se přepočet výkonu (tedy i točivého momentu a středního užitečného tlaku) a spotřeby paliva. Ostatních naměřených hodnot (teplot, tlaků, otáček aj.) se přepočet netýká. Zkušební stanoviště, na kterém se provádí měření, musí být vybaveno takovým zkušebním a měřicím zařízením, které svou přesností splňuje požadavky ČSN.
18
Použití charakteristik
Všechny uvedené charakteristiky mají uplatnění v praxi:
- při vývoji a výzkumu - nového typu spalovacího motoru - při konstrukci zařízení, které spalovací motor používají jako zdroj výkonu - při posuzování stavu motoru a při zjišťování ekonomických ukazatelů -
při analýze statických a dynamických vlastností pohonů vozidel a mobilní techniky
Otáčkové charakteristiky se používají na posuzování vlastností motorů, které pracují s proměnlivými otáčkami. Jen v některých případech se vystačí s jmenovitou otáčkovou charakteristikou, například u stacionárních motorů. Hlavně u vznětových naftových motorů je při posuzování jejich chodu významná ta část otáčkové charakteristiky, kde působí nezávislý jedno- nebo celorežimový regulátor. Zatěžovací charakteristiky se požívají převážně na posuzování vlastností motorů, které pracují s konstantními otáčkami. Oba tyto druhy charakteristik slouží jako výchozí podklad pro konstrukci úplné chrakteristiky motoru. Regulační charakteristiky se zjišťují při vývojových a prototypových zkouškách s cílem optimálního nastavení motoru pro dané podmínky, respektive posuzování motoru v mimořádných pracovních podmínkách. Úplné charakteristiky mají význam při projektování pohonu. Umožňují komplexní pohled na pracovní oblast motoru se zobrazením nejpodstatnějších veličin a jejich vzájemný vztah v jednom diagramu.
4. MĚRĚNÍ A VYHODNOCENÍ CHARAKTERISTIK Při měření je třeba respektovat směrnice viz. kap. č. 3.2. Před začátkem měření je nutno zapsat: -
výrobní číslo zkoušeného motoru
-
úplnost příslušenství motoru
-
typ a konstantu dynamometru
-
druh použitého paliva a jeho hustotu
19
Dále je nutno stanovit měřený rozsah otáček, který je dán nejnižšími a nejvyššími užitečnými otáčkami motoru. Pro traktorové motory je normou (ČSN 30 2008) stanoveno, že pokud je rozdíl nejvyšších a nejnižších otáček větší než 3000min-1, zaokrouhlí se nejnižší otáčky na nejblíže vyšší a nejvyšší otáčky na nejblíže nižší násobek čísla 500. Při menším rozdílu otáček než 3000 min-1 na obdobné násobky čísla 100. Uvnitř takto upraveného rozsahu se měří při otáčkách odstupňovaných po 500 min-1. U motoru s menším rozsahem otáček než 2500 min-1 se měří uvnitř tohoto rozsahu při otáčkách odpovídajících rozdělení rozsahu na pět stejných dílů a zaokrouhlených na nejbližší násobek čísla 100 (např. 800 min-1, 1100 min-1, 1400 min-1, 1700 min-1, 2000 min-1) [2]. Měření jednotlivých druhů charakteristik probíhá velmi podobně, proto je dále podrobněji uvedeno pouze měření otáčkové charakteristiky.
4.1 Měření otáčkové charakteristiky (s výjimkou charakteristiky lodní, vrtulové) Při maximálně otevřené škrticí klapce (nebo odpovídající poloze regulační tyče vstřikovacího čerpadla) se podle druhu měřené charakteristiky nastaví nejvyšší otáčky a vyčká se, až teplota chladicí kapaliny, oleje a výfukových plynů nekolísá více než ± 2 % od střední hodnoty. Dynamometrem se jemně doregulují otáčky s tolerancí ± 1 % a je-li tepelný režim motoru ustálen, provede se měření. Veškeré hodnoty měřených veličin (viz. kap. č. 3.1) se odečítají současně. Všechny veličiny s výjimkou času na spotřebu paliva τp mají představovat průměrné hodnoty časového intervalu 30 sekund, během něhož nemají údaje příliš kolísat. Po zaznamenání všech potřebných hodnot se nastaví další nižší otáčky, aniž se mění hodnota regulačního orgánu. Opět se vyčká, než se ustálí tepelný režim motoru. Po překontrolování otáček se postupuje stejně jako v předchozím případě. Měření se provádí postupně až k nejnižším otáčkám. Potom se motor krátkodobě odlehčí a vše se stejným způsobem opakuje. Podle směrnic se má měření pro každý bod provádět třikrát. Takto se postupuje i při měření dalších křivek charakteristik [3].
20
4.2 Vyhodnocení měření Vyhodnocením měření se rozumí výpočet požadovaných veličin na základě naměřených hodnot, zapsání výsledků měření a výpočtů, zakreslení příslušných grafů a písemné zhodnocení dosažených výsledků. Pro rychlejší informaci o podmínkách měření je účelné předložit ještě schéma zkušebního stanoviště, ze kterého je patrné uspořádání měřicích přístrojů.
Výpočtové vztahy
Pro výpočet základních veličin se používají tyto vztahy:
Efektivní (užitečný) výkon motoru
-
Pe = M k .ω .10 −3 = M k .
π 30
.n.10 −3
M k – točivý moment
[Nm]
ω
– úhlová rychlost
[s-1]
n
– otáčky
[min-1]
P e – efektivní výkon motoru -
[kW]
[kW]
Redukovaný (přepočtený) výkon motoru (dle ČSN 30 2008) Pr = Pe . K
[kW]
kde pro naftové motory nepřeplňované p K = bj pb
0 , 65
T . a Taj
0 ,5
[-]
pro naftové motory přeplňované turbodmychadlem se redukce neprovádí. Tlak a teplota okolního vzduchu se však nemá lišit od normálních podmínek o více než ± 5 %, jinak musí být atmosférické podmínky uvedeny v protokolu.
21
Korekční součinitel K se používá v rozsahu od 0,96 do 1,06. Pokud hodnota korekčního součinitele překračuje tyto hodnoty, musí být atmosférické podmínky, při kterých se zkouška prováděla, uvedeny v protokolu o zkoušce.
-
pbj – jmenovitý tlak vzduchu (100 kPa)
[kPa]
pb – atmosférický tlak vzduchu při měření
[kPa]
Taj – jmenovitá teplota vzduchu (293 K)
[K]
Ta – teplota vzduchu při měření
[K]
Hodinová spotřeba paliva motoru (pro objemové měření)
M ph =
-
Vp
τp
[kg.h-1]
τp – čas na spotřebu daného množství paliva
[s]
Vp – měrné množství paliva
[m3]
ρp – měrná hmotnost paliva
[kg.m-3]
Hodinová spotřeba paliva motoru (pro hmotnostní měření) M ph =
-
.ρ p .3,6.10 3
M ph
τp
.3,6.10 3
[kg.h-1]
Mp – množství měřeného paliva
[kg]
τp – čas na spotřebu paliva Mph
[s]
Měrná přepočtená spotřeba
mpr =
M ph 3 .10 Pr
22
[g.kW-1.h-1]
Střední efektivní tlak přepočtený
-
per =
pr .i .103 Vm .2n
[m3]
Vm – zdvihový objem motoru
-
[kPa]
n
– otáčky motoru
[s-1]
i
– počet zdvihů na pracovní zdvih
[-]
Převýšení točivého momentu ∆M k =
M k max − M kj M kj
.100
Mkmax – maximální hodnota točivého momentu Mkj
– hodnota točivého momentu při jmenovitém výkonu
[%]
[Nm] [Nm]
4.3 Protokol o zkoušce Do protokolu o zkoušce motoru se zapisují naměřené a vypočtené hodnoty a je součástí zkušební dokumentace. Musí obsahovat údaje průvodního listu motoru a tyto údaje o zkouškách:
-
datum, místo a účel zkoušky
-
název dozorčích organizací
-
druh paliva a mazacího oleje použité při zkouškách
-
vybavení motoru s připojeným pomocným zařízením
-
zařízení zkušebního stanoviště (brzda a agregáty obsluhující motor)
-
měřicí přístroje
-
zdůvodnění speciálních měření
-
tabulku hodnot parametrů naměřených při zkouškách
-
výsledky kontrol soustav, ústrojí a součástí motorů dle ČSN
-
závěr ke shodnosti ukazatelů motoru s technickou dokumentací výrobního závodu
23
5. ZAŘÍZENÍ A MĚŘICÍ TECHNIKA PRO ZKOUŠENÍ MOTORŮ
5.1 Měření výkonu Ve zkušebnictví vozidel zjišťujeme mechanický výkon především při rotačním pohybu (vozidlo na válcové stanici), který nelze přímo měřit. Otáčející se součást přenáší výkon, který se určí ze známého vztahu
P = M . ω,
[kW]
kde M je točivý moment a ω je úhlová rychlost. Výkon při rotačním pohybu lze tedy zjistit měřením točivého momentu a otáček. Pro měření točivého momentu se používá většinou deformačních členů. Moment síly namáhá měřicí člen (hřídel s kruhovým průřezem) krutem, který se převádí na deformaci a měří tenzometrickými snímači nebo snímačem výchylky. Jiné konstrukce využívají změny magnetických vlastností deformačního členu. Pro určení výkonu je nutno zároveň měřit otáčky rotujících součástí. Pro měření mechanického výkonu se ve zkušebnictví vozidel používají výkonové brzdy. Označení ,,brzda“ je v tomto případě odvozeno z toho, že proti točivému (neznámému) momentu působí brzdný moment, jehož velikost buď známe, nebo můžeme měřit. Tekutinové brzdy se vyznačují tím, že pohybová energie dodávaná hnacím strojem se mění v teplo vnitřním třením částic kapaliny (brzdy hydraulické) nebo plynu (brzdy vzduchové). Točivý moment brzdy je úměrný čtverci otáček rotoru brzdy, protože síly vyvolané vnitřním třením – v podstatě aerodynamický odpor – jsou přibližně úměrné čtverci rychlosti proudění. Příklad hydraulické brzdy s elektrickým ovládáním je znázorněn na obr . 5.
24
Obr. 5 Schématické znázornění hydraulické brzdy s elektrickým ovládáním: 1 – kryt, 2 – přívod vody, 3 – kruhová komora, 4 – stator, 5 – těleso, 6 – dvojitý rotor, 7 – vířivá komora, 8 – příruba mezilehlého ložiska, 9 – labyrintové těsnění, 10 – snímač otáčkoměru,11 – spojovací příruba, 12 – spojovací příruba, 13 – řídicí ventil, 14 – odvzdušňovací otvor, 15 – otvor pro odvod prosakující vody, 16 – rám stroje, 17 – pohon řídicího ventilu, 18 – potenciometr pro nastavení skutečné hodnoty, 19 – kloubový hřídel, 20 – škrticí klapka, 21 – konec hřídele pro nasazení spojovací příruby na opačnou stranu
Voda v brzdě slouží současně jako pracovní médium i jako chladicí prostředek. Přes přívod se voda rovnoměrně rozděluje do kruhových komor a otvory ve statorových lopatkách protéká do vířivých komor. Otáčející se rotor víří vodu v těchto komorách a tím přeměňuje odbrzděný výkon zkoušeného zařízení v tepelnou energii. Točivý moment, který brzda odebírá, je při konstantních otáčkách závislý na stupni naplnění vířivých komor. Plnění komor je závislé na poloze servoventilu (13), který je umístěn na tělese brzdy a ovládán motorkem. Po zmaření energie vytéká ohřátá voda z vířivých komor přes kruhové mezery mezi statorem (4) a dvojitým rotorem (6). Přes servoventil (13) pak voda odtéká do odpadu. V průběhu přeměny energie přenáší voda točivý moment z dvojitého rotoru na oba statory, které jsou upevněny ve výkyvném tělese brzdy. Toto těleso se pákou
25
opírá o siloměrné zařízení (mechanické váhy, pneumatický nebo elektrický siloměr). Rychlost otáčení se měří bezdotykovým otáčkoměrem. Při použití elektrického měřicího zařízení může být točivý moment a počet otáček indikován analogovým nebo
číslicovým ukazovacím přístrojem.
Elektromagnetické vířivé brzdy mají širší využitelný rozsah otáček než hydraulické brzdy stejného výkonu. Schéma elektrické vířivé brzdy je znázorněno na obr. 6. U moderních vířivých brzd se točivý moment a otáčky nastavují elektricky. Proto jsou tyto brzdy velmi vhodné pro řešení úloh v automatizovaném zkušebnictví. Pro automatické nastavování zkušebního programu zkoušeného zařízení lze volit buď
řízení podle časového plánu nebo počítačem. Funkce elektromagnetické brzdy je zřejmá z obr. 6.
Obr. 6 – Elektromagnetická vířivá brzda 1 – těleso brzdy, 2 – budicí vinutí, 3 – pólový kotouč, 4 – chladicí komory, 5 – vodní chlazení, 6 – vzduchová mezera, 7 – levá příruba, 8 – pravá příruba, 9 – hřídel brzdy, 10 – rám, 11 – připojené měřené zařízení (např. válec zkušební stanice)
26
Výkyvně uložené těleso (1) obsahuje ozubený pólový kotouč (3). Dále těleso obsahuje budicí vinutí (2) a chladicí komory (4), kterými protéká voda. Při přítoku stejnosměrného proudu budicím vinutím vzniká magnetické pole. Toto pole je v zubech pólového kotouče statické, tzn. obíhá spolu s pólovým kotoučem. Ve stěnách chladicích komor přivrácených ke kotouči však toto pole pulsuje s frekvencí, která odpovídá frekvenci otáčejících se zubů. Tím vznikají ve stěnách komor vířivé proudy, které vytvářejí vstřícné pole a brzdí rotor. Odbržděná energie je v axiálním směru. Proto může být pólový kotouč poměrně úzký, čímž se v porovnání s jinými konstrukcemi získá malý moment setrvačnosti. Konstrukce vířivé brzdy je symetrická a může se tedy otáčet oběma směry. Výhodou elektrických strojů je možnost využít jich ve funkci motorů (elektromotor pohání např. válec, na kterém stojí kola vozidla bržděná vozidlovými brzdami). Elektromagnetická vířivá brzda naproti tomu nemůže válce zkušebního stavu pohánět, ale pouze zatěžovat (brzdit) [4].
5.2 Měření spotřeby paliva Spotřeba paliva je důležitým ukazatelem hospodárnosti provozu každého vozidla a zároveň ukazatelem technického stavu. Spotřebu paliva lze zjišťovat při jízdních zkouškách nebo také v laboratorních podmínkách na válcových stanicích. Měření spotřeby paliva může být prováděno různými metodami. Vždy se ale jedná o měření průtoku paliva v závislosti na čase. Toto měření se může provádět spojitě nebo přetržitě. Měření spotřeby paliva spojitě, tj. průběžné měření protékajícího množství paliva z nádrže do palivové soustavy motoru, se provádí při dynamických měřeních, kdy neměříme parametry motoru při ustálených režimech. K tomuto měření je nutno použít průtokoměru, aby bylo možné zjistit velikost průtoku v každém okamžiku. Tento způsob je vhodné používat při silničních zkouškách spotřeby. Jelikož při měření a zkoušení motorů na zkušebnách zjišťujeme jejich parametry téměř vždy za ustálených podmínek, zjišťujeme také ustálený průtok paliva. Spotřebu paliva měříme totiž při ustálení všech měřených parametrů motoru. Z tohoto důvodu se nejčastěji používá přetržitý způsob měření průtoku paliva, a to buď metodou hmotnostní nebo objemovou.
27
5.2.1 Měření spotřeby paliva hmotnostní metodou Princip
hmotnostního
měření
spotřeby
paliva
je
možné
vysvětlit
na automatickém hmotnostním palivoměru. Základním zařízením palivoměru je váha, která zaznamenává úbytek hmotnosti paliva odebíraného z nádoby umístěné na váze. Čas se měří od okamžiku překrytí ručky váhového ukazatele s ryskou jeho stupnice po dobu úbytku určitého hmotnostního množství. Po stisknutí spouštěcího tlačítka se otevře solenoidový ventil a nádoba, umístěná na váze, se plní palivem. Váha je opatřena bezdotykovými indukčními snímači polohy ručky, tzv. horním a dolním prahem. V okamžiku, kdy ručka váhy projde horním prahem, uvede se v činnost zpožďovací obvod, který zajišťuje naplnění nádoby větším množstvím paliva, než odpovídá poloze ručky na horním prahu. Po uzavření solenoidového ventilu ovládajícího přítok paliva z nádrže začne motor odebírat palivo z nádoby na váze. Při průchodu ručky horním prahem se současně uvedou do chodu elektrické stopky, které se zastaví v okamžiku, kdy ručka dosáhne dolního prahu. K palivoměru může být přidán i elektrický počítač impulsů, kterým se mohou současně s chodem stopek počítat otáčky motoru [5].
5.2.2 Měření spotřeby paliva objemovou metodou Měření spotřeby paliva pomocí průtokoměrů
Průtokoměry jsou většinou upraveny tak, že pracují jako snímače průtoku, tzn. že převádí velikost protékajícího množství paliva na elektrický signál, který je možno registrovat a zjistit tak průtok paliva i spotřebu v každém časovém úseku. Umožňují průběžné měření spotřeby paliva na dlouhé vzdálenosti, moderní přístroje měří i okamžitou spotřebu paliva. Jednoduché a rychlé zjištění spotřeby paliva umožňuje např. průtokový měřič spotřeby Flowtronic 205. Tento přístroj je vhodný jak pro jízdní zkoušky, tak pro měření na zkušebních stavech. Spotřeba je udána v litrech/100 km. Schéma měřiče je na obr. 7.
28
Obr. 7 Funkční schéma měřiče spotřeby Flowtronic 205 1 – písty; 2 – ojnice; 3 – klikový hřídel
Měřič je založen na principu objemového čerpadla a skládá se ze čtyř radiálně uspořádaných pístů (1), které se vlivem tlaku kapaliny pohybují. Přímočarý pohyb pístů je ojnicemi (2) a klikovým hřídelem (3) převáděn na otáčivý pohyb hřídele. Snímač impulsů předá tento otáčivý pohyb ve tvaru elektronických impulsů na mikropočítač, který impulsy přepočítá na objemovou jednotku [cm3] a znázorní na číslicovém displeji. Ukazovací přístroj má programovatelný mikropočítač, který umožňuje provádět některé početní operace. Pro měření spotřeby u vozidel se vstřikovacími systémy K-Jetronic a L-Jetronic nebo u vznětových motorů je možno použít přídavné zařízení (dřívější název FlowjetVentil 4703). U spalovacích motorů se vstřikováním paliva je k měření spotřeby nutno zajistit, aby objem palivové nádrže byl konstantní; pak množství, které je nutno doplnit odpovídá množství paliva, které spotřebuje vstřikovací tryska. Nádrž s konstantním objemem (stacionární měření spotřeby) nahrazuje pro měření za jízdy výměník tepla. Výměník tepla má tu přednost, že i při krátkém měření má stejný chladicí výkon jako palivová nádrž. Schéma měřicího zařízení je znázorněno na obr. 8.
29
Obr. 8 Schéma měřicího zařízení Flowjet-Ventil 4703 1 – průtokoměr, 2 – výměník tepla, 3 – palivová nádrž, 4 – filtr, 5 – vstřikovací zařízení, 6 – ovládací páka, 7,8 – připojení průtokoměru, P1 – čerpadlo primárního okruhu A, P 2 – čerpadlo sekundárního okruhu B
Normální
vstřikovací
okruh
(tenké
čáry)
se
v
místech
označených
přerušovanými čárami rozdělí na dva oddělené okruhy. Horní část (A) je primární okruh; spodní část (B) je sekundární okruh. Sekundární okruh odpovídá normálnímu vstřikovacímu okruhu s výměníkem tepla jako nádrží. Tlak v systému zajišťuje čerpadlo (P2). Primární okruh je poháněn vozidlovým čerpadlem (P1) a zásobuje výměník tepla. Mezi primární a sekundární okruh se zapojí snímač Flowtronic 205. Protože objem v sekundárním okruhu zůstává konstantní, odpovídá množství paliva, které proteče průtokoměrem, spotřebě na vstřikovacích tryskách. Před měřením je nutno zařízení odvzdušnit (ovládací pákou), potom zapnout
čerpadlo (zařízení má kabel, který se připojí k 12 V akumulátoru), nastartovat motor a asi po půl minutě přestavit ovládací páku na měřicí polohu.
Měřicí princip měřiče spotřeby PLU-106 (systém Pierburg) je založen na tom, že v objemovém měřidle (např. v zubovém čerpadle) nevznikají žádné ztráty netěsností
30
(prosakováním), jestliže je tlakový rozdíl v měřidle nulový. Pak je počet otáček velmi přesně úměrný průtoku. Schéma průtokoměru PLU-106 je znázorněn na obr. 9.
Obr. 9 Průtokový měřič spotřeby paliva Pierburg PLU – 106 1 – indikační přístroj (analogový ukazatel v l/h), 2 – číslicový ukazatel [cm3], 3 – snímač otáček, 4 – zubové čerpadlo, 5 – lampa, 6 – přepouštěcí kanál, 7 – měřicí píst, 8 – fotonka, 9 – měřicí průhled, 10 – zesilovač, 11 – motor, 12 - tachogenerátor
Při stálém průtoku pohání motor zubové čerpadlo použité jako objemoměr tak, že na čerpadle není žádný tlakový rozdíl. Změní-li se průtok, pak vznikne tlakový rozdíl. Při vzrůstajícím průtoku se bude např. tlak na vstupu čerpadla zvětšovat. Tím je měřicí píst posunut tak, že měřicím průhledem projde od žárovky více světla na fotoelektrický odpor a na vstupu a na vstupu zesilovače bude větší signál od odporové fotonky než signál od tachogenerátoru. Výsledný kladný signál přinutí motor k vyšším otáčkám, až signál od tachogenerátoru je roven signálu od fotoelektrického odporu. Tím nastane tlakový rozdíl před a za čerpadlem opět nulový. Poklesne-li průtok měřicím přístrojem, pak bude tlak na vstupu čerpadla klesat a děj probíhá opačně. Vysoká přesnost měřicího přístroje je dána tím, že dutý měřicí píst je vyvážen tak, že jeho hmotnost je rovna hmotnosti kapaliny vytlačované pístem. Píst nemá tedy ani tíhu, ani vztlak a nevyvozuje proto žádné tření. Proto reaguje na nejmenší tlakové
31
rozdíly a může tlak na vstupní a výstupní straně tak vyrovnávat, že nevzniknou žádné ztráty prosakováním a průtok je možno určit měřením otáček. Analogový ukazatel indikuje okamžitou spotřebu a číslicové počítadlo celkovou spotřebu. Před měřidlo se připojuje plováková komora, která vylučuje z paliva plynné a parní bubliny, které by mohly zkreslit výsledek měření. Vhodné je měřit při jízdních zkouškách současně také rychlost jízdy.
Měření spotřeby paliva pomocí kalibrovaných baněk
K měření spotřeby paliva touto metodou je použito kalibrovaných baněk různé velikosti, které jsou spojeny s palivovým vedením mezi nádrží a motorem prostřednictvím
trojcestného
kohoutu.
Obsah
baněk
je
cejchován.
Schéma
jednoduchého přístroje s odměrnými baňkami je na obr. 10. Palivo z výše umístěné nádrže dotéká přes čistič k trojcestnému kohoutu. V poloze I protéká palivo přímo ke karburátoru, v poloze II jsou navíc naplňovány odměrné baňky. Je-li trojcestný kohout natočen do polohy III, pak je přerušen přívod paliva ze zásobní nádrže a palivo je dodáváno ke karburátoru z odměrných baněk. Ze změřeného času průtoku a odměřeného množství paliva se určí spotřeba paliva.
Obr. 10 Kalibrované baňky pro měření spotřeby paliva 1 – nádrž s palivem, 2 – čistič, 3 – kohout, 4 - baňky
32
Funkčně odlišný je elektricky ovládaný měřič spotřeby paliva použitý u válcové zkušebny, obr. 11. Vlastní měření spotřeby probíhá při uzavřeném ventilu (1) a otevřeném ventilu (9). Palivo je ke karburátoru dodáváno dávkovacím čerpadlem přečerpáváním z odměrné nádoby. V okamžiku poklesu hladiny paliva uvádí plovák a kontaktní relé do činnosti zařízení pro měření dráhy (100 m) a po dosažení této dráhy se elektromagnetický ventil (1) otevře a ventil (9) uzavře. Úbytek paliva v odměrné nádobě lze na stupnici odečítat v jednotkách spotřeby l/100 km [4].
Obr. 11 Měřič spotřeby paliva 1 – elektromagnetický ventil, 2 – nádrž, 3 – dávkovací čerpadlo, 4 – karburátor, 5 – odměrná nádoba, 6 – plovák, 7 – kontaktní relé, 8 – plnicí čerpadlo, 9 – elektromagnetický ventil, 10,11 - filtry
Nevýhodou všech objemových měření je závislost objemu paliva na teplotě. U přesných měření se měří teplota paliva přímo za měřiči spotřeby, tím je možno změnu měrné hmotnosti paliva s teplotou při výpočtu korigovat.
33
5.3 Měření otáček Pro měření otáček se nejčastěji používají impulsní nebo indukční otáčkoměry (tachodynama, tachogenerátory).
Impulsní otáčkoměry
Jsou to elektrická počítadla impulsů generovaných v čidle (fotonka nebo indukční cívka) za časovou jednotku. Generátor impulsů je tvořen např. ozubeným kotoučem, který je spojen s hřídelem, jehož otáčky zjišťujeme. Při otáčení ozubeného kotouče snímá fotonka světelné impulsy (obr. 12), nebo ozubený kotouč indukuje impulsy v indukčním obvodě (obr. 13).
Obr. 12 Optický snímač impulsů
Obr. 13 Indukční snímač impulsů
1 – kotouč s ozubením, 2 – zdroj světla,
1 – kotouč s ozubením, 2 – snímač impulsů
3 – snímač impulsů (fotonka),
(indukční cívky), 3 – indukční obvod,
4 – počítač impulsů
4 – počítač impulsů
Tachodynama
Kotva dynama je pevně spojena s rotující měřenou součástí a nachází se v poli permanentního magnetu. Při otáčení rotoru se v kotvě indukuje stejnosměrné elektromotorické napětí U , které je přímo a lineárně závislé na počtu otáček rotoru n 34
(U = k . n). Napětí lze měřit magnetoelektrickým voltmetrem (pro přímé odečítání) nebo zaznamenávat. Princip tachodynama je znázorněn na obr. 14.
Obr. 14 Princip tachodynama
Obr. 15 Princip tachogenerátoru
Tachogenerátory
Rotor tachogenerátoru je vytvořen permanentním magnetem, který je mechanicky spojen s rotující měřenou součástí (např. s vozidlovým kolem). Při otáčení rotoru magnetický tok permanentního magnetu indukuje do pevného statorového vinutí střídavé elektromotorické napětí U úměrné otáčkám permanentního magnetu. Napětí lze měřit magnetoelektrickým voltmetrem s usměrňovačem nebo elektrodynamickým voltmetrem. Schéma tachogenerátoru je na obr. 15.
5.4 Měření teplot Teplota patří mezi fyzikální veličiny, které se nedají měřit přímo. Měříme ji proto tak, že sledujeme změny různých vlastností látek (roztažnost, změna vodivosti apod.), způsobené změnami teploty. Teploměry používané při zkoušení motorů dělíme na dilatační, odporové a termoelektrické (termočlánky).
35
Teploměry dilatační
Využívají roztahování látek jako průvodního jevu stoupající teploty. To umožňuje uskutečnit měření teploty transformací na měření délek. Nejčastěji se používají teploměry dilatační kapalinové s rtuťovou náplní. Principiálně jsou všechny teploměry podobné. Je to tlustostěnná skleněná kapilára s měrnou stupnicí, dole zakončená nádobkou pro vlastní kapalinovou náplň. Rtuťové teploměry se používají na měření teplot okolí.
Teploměry odporové
Využívají změnu elektrického proudu v závislosti na teplotě. Elektrický odpor kovů roste se vzrůstající teplotou. Odporové dráty se zhotovují z niklu nebo platiny. Odporový článek bývá zapojen do jedné větve Wheastonova mostu. Vlastní odporový
článek je obvykle plochého nebo válcovitého tvaru s bifilárním vinutím drátu o průměru okolo 0,04 mm. Platinový je schopen měřit teplotu do 1000 °C a niklový v rozsahu 60 až 180 °C. Slitiny zlato – stříbro se používají asi do 120 °C.
Termoelektrické teploměry
Tento typ teploměrů se při zkoušení motorů uplatňuje v poměrně širokém rozsahu měřené teploty. Jeho činnost je založena na termoelektrickém jevu spočívající v tom, že když se spojí konce vodičů ze dvou vhodných materiálů a spoj je udržován na dvou různých teplotách, vzniká mezi nimi elektrické napětí. Termoelektrické teploměry (termočlánky) se mohou používat na měření vyšších teplot jako např. teploty výfukových plynů až po teploty ve spalovacím prostoru. Pro měření nižších teplot v rozmezí od – 250 do 500 °C se používá termoelektrický snímač Cu – Ko (měď – konstantan). Pro vyšší teploty je vhodná dvojice Fe – Ko (Konstantan obsahuje 45 % Ni, 55 % Cu a zbytek přísady Mn, Si, Co a Mg) v rozsahu 200 až 600 °C. Dvojice Niklchrom – nikl v rozsahu 0 – 1000 °C, Wolfram – iridium 1000 – 2000 °C.
36
5.5 Měření tlaků K měření malých hodnot tlaků a tlakových diferencí jsou vhodné hydrostatické teploměry ve tvaru U trubice se šikmým ramenem. Do další skupiny patří deformační tlakoměry. Účinek tlaku se projevuje deformací pružného elementu. Nejrozšířenějším typem je tlakoměr s Bourdonovou trubicí (obr. 16), který může měřit tlak v širokém rozsahu. Deformačním členem je trubička, která se vlivem tlaku deformuje, a tak vychyluje ručičku přístroje.
Obr. 16 Tlakoměr s Bourdonovou trubicí
Na obr. 16 jsou nakresleny průřezy trubiček pro měření různých hodnot tlaku. Deformační tlakoměry s Bourdonovou trubicí se požívají pro statické měření tlaku, podtlaku a tlakových deformací a běžně se vyrábí v různých provedeních pro různé rozsahy v pěti stupních přesnosti. Pro měření na zkušebnách motorů se používá II. a III. stupeň přesnosti s 1 – 1,5 % chybou v celém rozsahu. Pro dálkově a automaticky řízené zkoušky se používají převodníky (vysílače) tlaku, jenž tlakový signál převádějí na elektrickou veličinu. Takovéto snímače využívají změny odporu, kapacity, indukčnosti nebo piezoelektrického jevu. Dále se využívají tlakoměry membránové, vlnovcové a termoelektrické, které pracují také na principu deformace. U tenzometrických snímačů tlaku je citlivým prvkem vetknutá kruhová deska, na jejímž povrchu je nalepena čtveřice tenzometrů.
37
5.6 Měření kouřivosti naftových motorů Princip měření kouřivosti motoru je nejčastěji v pohlcování (absorpci) světla sloupcem výfukových plynů procházejících měřicí trubičkou plnoprůtokového kouřoměru (opacimetru). Absorpce světelného toku je indikována měřicím zařízením. Nula náleží plnému světelnému toku, největší hodnota úplnému ztemnění.
Opacimetr RDN - 4
Tento kouřoměr pracuje na principu okamžitého prosvěcování sloupce výfukových plynů žárovkou. Intenzitu propuštěného světla snímá fotobuňka. Před vlastním měření necháme přístroj nasávat měřicí trubičkou okolní vzduch. Mikroampérmetr kalibrovaný v % má ukazovat nulu. Pokud ne, nastaví se regulačním kolečkem. Při měření připojíme ventil tak, aby výfukové plyny vstupovaly do měřicí trubičky. Fotobuňka snímá intenzitu propuštěného světla a znázorňuje ji na stupnici. Napájecí napětí je 12 V, přesnost měření je ± 2 %.
Opacimetr Hartridge Mk3
Hlavní části tvoří dvě opticky a rozměrově podobné trubice. Přední trubice je srovnávací, při měření jí prochází čistý vzduch, dodávaný pod nízkým tlakem elektricky poháněným ventilátorem. Zadní měřicí (kouřovou) trubicí prochází kontinuálně vzorek kouře z motoru. Délka trubic (L = 430 mm) představuje účinnou délku dráhy světelných paprsků. Světelný zdroj a fotočlánek jsou upevněny v ramenech připojených na hřídeli. Pomocí páky lze hřídel se zdrojem a fotoelementem překlápět z polohy měřicí (světlo prochází kouřovou trubicí) do polohy kontrolní (obr. 17). Správná funkce přístroje je zabezpečena tehdy, dodrží-li se hodnoty u obtokové klapky (teploměr 12) od 14 do 210 °C a v kouřové trubici (teploměr 17) od 70 do 140 °C. Přístroj je napájen 12 volty.
38
Obr. 17 Schéma opacimetru Hartridge Mk3 1 – srovnávací trubice, 2 – kouřová trubice, 3 – poháněcí ventilátor, 4 – světelný zdroj, 5 – fotočlánek, 6,7 – ramena, 8 – otočná hřídel, 9 – ovládací páka, 10 – vstupní trubice, 11 .- obtoková klapka, 12 – teploměr, 13 – kondenzační válec, 14 – výpustný šroub, 15 – tlakový ventil, 16 – kapalinový tlakoměr, 17 – kontrolní teploměr, 18 - tlakoměr
Kouř vstupuje trubicí (10) do prostoru, ve kterém je umístěna obtoková klapka (11) a teploměr (12). Otevření klapky umožní vstup kouře do kondenzačního válce (13). Ten je opatřen výpustným šroubem (14), pomocným tlakovým ventilem (15) a hadičkou je spojen s kapalinovým tlakoměrem (16). Z kondenzačního válce (13) se kouř dostává do kouřové trubice (2), odtud putuje spolu s čistým vzduchem ze srovnávací trubice (1) do výpustného otvoru [5].
6. ZKOUŠENÍ MOTORŮ PŘES VÝVODOVÝ HŘÍDEL K měření parametrů motoru se využívá vývodový hřídel (déle jen VH), není tedy nutno vyjmout motor z traktoru. Měření se provádí bržděním konce VH u stojícího traktoru. Zjištěné výsledky se zapisují do protokolu o zkoušce bez vlivu ztrát v reduktoru VH, popř. přenosu výkonu mezi vývodovým hřídelem a dynamometrem. 39
Všeobecné požadavky
Traktor musí být při měření ustaven na pevné, hladké a vodorovné podložce, jejíž podélný a příčný sklon nepřesahuje 0,5 %. Konec VH musí být spojen s hřídelem dynamometru dvoukloubovým hřídelem. Úhly mezi hřídeli nesmí přesáhnout 2 °. Jestliže je zkušebna vybavena zařízením na odsávání výfukových plynů, nesmí tato zařízení ovlivňovat ukazatele motoru (v mezích nepřesnosti měřicího zařízení) [6].
Podmínky zkoušky
Traktor musí být před zkouškou zajetý. Pro zážehové motory vybavené zařízením ovládaným řidičem, které umožňuje měnit poměr směsi palivo - vzduch, se musí zkoušet s nastavením doporučeným pro běžný provoz. Seřízení karburátoru nebo vstřikovacího čerpadla musí souhlasit s technickými údaji výrobce. Zajíždět se musí s plným nastavením regulátoru a s motorem pracujícím při jmenovitých otáčkách.
Pracovní podmínky
Naměřené
hodnoty
točivého
momentu
nebo
výkonu
se
vzhledem
k atmosférickým podmínkám nebo jiným parametrům nekorigují. Atmosférický tlak nesmí být menší než 96,6 kPa. V případě, že toto není vzhledem k nadmořské výšce možné, potom je nutno upravit nastavení vstřikovacího čerpadla. Podrobnosti úpravy se zaznamenávají do zkušebního protokolu. Teplota okolního prostředí musí být 23 °C ± 7°C [7]. Před zahájením zkušebních měření je nutno zajistit pro každé nastavení zátěže stabilní pracovní podmínky (ČSN ISO 789-1). Atmosférický tlak, teplotu a relativní vlhkost je třeba měřit před traktorem ve vzdálenosti od 2 do 2,5 m a ve výšce od 1,5 do 2 m nad povrchem podložky. Rovněž je měřena teplota vzduchu na vstupu do motoru. Měřicí zařízení se seřídí tak, aby se tlakové a teplotní výkyvy v průběhu zkoušky omezily. Je-li spotřeba měřena objemově, vychází se při výpočtu hmotnostních údajů z hustoty odpovídající příslušné teplotě paliva. Teplota motorového oleje se měří v příhodném místě mazacího okruhu. 40
Teplota chladícího média se měří na výstupu z bloku válců nebo hlavy válce před termostatem. U vzduchem chlazeného motoru se teplota motoru měří na místě stanovené výrobcem.
Pomocná příslušenství
Pro všechny zkoušky musí být příslušenství, jako je čerpadlo hydrauliky nebo
čistič vzduchu, vypnuta, jestliže je to možné provést řidičem v běžném provozu v souladu s návodem k obsluze a bez použití nářadí. Pokud to není možné, musí zůstat tato příslušenství v činnosti při minimální zátěži. V případě, že je traktor vybaven zařízeními, která způsobují proměnné nežádoucí ztráty výkonu, jako je chladicí ventilátor s proměnnými otáčkami, přerušované odběry hydraulické nebo elektrické energie apod., nesmí být tato zařízení vypnuta nebo upravena pro zkušební účely. Pokud je to účelné, mohou být pro zkušební účely řidičem vypnuta zařízení uvedená v návodu k obsluze. Toto musí být zaznamenáno do zkušebního protokolu. Změny výkonu v průběhu zkoušek způsobené těmito zařízeními, které překračují ± 5 %, musí být zaznamenány do zkušebního protokolu v procentech, jako úchylka od střední hodnoty.
Spotřeba paliva
Přístroj na měření spotřeby paliva se seřídí tak, aby tlak paliva v karburátoru nebo ve vstřikovacím čerpadle odpovídal tlaku, při kterém je palivová nádrž traktoru naplněna do jedné poloviny. Teplota paliva musí být srovnatelná s teplotou, kterou by mělo palivo odebírané z palivové nádrže traktoru v průběhu 2 hodinové zkoušky traktoru při plném zatížení.
41
Paliva a maziva
Palivo pro vznětové motory používané pro zkoušky musí odpovídat referenčnímu palivu (viz. přílohy ČSN ISO 789-1). Maziva použitá při zkouškách musí odpovídat technické charakteristice výrobce a musí být označena obchodním názvem, typem a třídou viskozity - v souladu s ISO 3448. Pokud se použije různých maziv, musí být dány přesné informace o místě použití (motor, převodovka apod.).
7. VLASTNÍ MĚŘENÍ
7.1 Cíl práce Cílem mé diplomové práce bylo provést měření parametrů naftového motoru traktoru John Deere 7730 přes vývodový hřídel. Dále naměřené údaje vyhodnotit a sestrojit úplnou charakteristiku motoru. Provést rozbor naměřených a vypočtených hodnot a vyvodit závěry pro provoz.
7.2 Charakteristika měřeného traktoru Traktor JOHN DEERE 7730
Číslo motoru:
PE6068L0005
Počet motohodin:
39
Číslo traktoru:
RW7730A000153
Vybrané základní údaje uváděné výrobcem: Motor Typ
6068HRW64
Objem válců
6,877
42
[dm3]
Počet válců
6
[-]
Vrtání
107
[mm]
Zdvih
127
[mm]
Kompresní poměr
17:1
Maximální točivý moment
859
[Nm]
Maximální výkon
148
[kW]
Rozsah konst. výkonu
500
[min-1]
Jmenovité otáčky
2100
[min-1]
Převýšení momentu
40
[%]
Chlazení motoru
kapalinové
Přeplňování
turbodmychadlem s proměnnou geometrií a mezichladičem
Vstřikovací systém
Common Rail s elektronickým řízením vstřikování
Převodovka Typ
AutoQuad + EcoShift
Řazení
20/20 4 stupně automaticky pod zatížením Reverzace 1:1 pod zatížením
Pohon pojezdu
4K4
Rychlost jízdy
0 – 42
[km/h]
Vývodový hřídel Spojka
lamelová v olejové lázni, elektrohydraulické ovládání s brzděním
Otáčky hřídel / motor
1000 / 540
[min-1]
Základní rozměry a hmotnosti traktoru Šířka
2440
[mm]
Délka
5450
[mm]
43
Výška
3110
[mm]
Při rozměru pneumatik: Zadní náprava
710/70 R38
Přední náprava
600/65 R28
Hmotnost zkoušeného traktoru: Pohotovostní
7 850
[kg]
Celková dovolená
13 100
[kg]
Zadní náprava
5 440
[kg]
Přední náprava
5 390
[kg]
Rozložení hmotnosti:
Traktor přistavený ke zkouškám byl vybaven odpruženou přední nápravou,
čelním tříbodovým závěsem se závažím, kompresorem se soustavou pro pneumatické brzdění přívěsu a klimatizací. Motor traktoru je opatřen elektronickým řízením s navýšením výkonu (IPM) při dopravě a při práci se stroji poháněnými přes vývodový hřídel.
7.3 Zkušební stanoviště Měření bylo provedeno na zkušebním stanovišti v laboratořích Ústavu základů techniky a automobilové dopravy MZLU v Brně. Tato zkušebna je vybavena zařízením umožňujícím dle platných předpisů (ČSN ISO 789-1) měření výkonu traktorů přes vývodový hřídel. Způsob měření je na obr. 18.
44
Obr. 18 Měření parametrů motoru traktoru John Deere 7730
Vířivý dynamometr V 500, upevněný pomocí šroubů ve vodicích drahách, je kloubovým hřídelem spojen se zadním vývodovým hřídelem měřeného traktoru. K výfukovému potrubí je přistavena hubice na odsávání výfukových plynů. Ty jsou odváděny mimo měřicí prostor. Na traktoru jsou namontována jednotlivá měřicí zařízení pro měření sledovaných veličin. Ovládání měření a zaznamenávání všech naměřených hodnot je možné pomocí centrálního počítače, který je nainstalován v odhlučněné místnosti v rohu laboratoře.
7.4 Metodika měření
7.4.1 Měření jmenovité otáčkové charakteristiky Jmenovitá otáčková charakteristika byla měřena při plné dodávce paliva. Charakteristika se zjišťuje jak v oblasti působení regulátoru, (tzv. regulátorová větev charakteristiky) tak i v oblasti mimo působení regulátoru (tzv. přetěžovací větev charakteristiky). Do zkoušek byl přistaven traktor, u kterého elektronika umožňuje práci motoru ve dvou režimech, s navýšením (IPM) a bez navýšení. Podle informace od zadavatele
45
zkoušky je možno nastavit práci motoru s navýšením pomocí řídicí elektroniky z kabiny traktoru. Uvedenou funkci se ale ani servisnímu technikovi nepodařilo nastavit. Proto proběhlo měření pouze bez navýšení výkonu.
Použitá měřicí zařízení a podmínky měření
Měření točivého momentu motoru
Otáčková charakteristika motoru traktoru JD 7730 byla měřena přes vývodový hřídel. K měření točivého momentu byl použit vířivý dynamometr V 500, připojený k vývodovému hřídeli traktoru přes kloubový hřídel viz obr. 19.
Obr. 19 Vířivý dynamometr V 500
Technické údaje dynamometru:
Typ dynamometru
V 500
Otáčky
150
Výkon
4
Moment
254
1 500 3 000 500
500
3 184 1 592 46
[min-1] [kW] [Nm]
Chlazení
vodní
Zatížení
trvalé
Moment, jímž je brzděn rotor vůči statoru, je pomocí ramene (opatřeného břitem pro pověšení kalibračního závěsu) převáděn ze statoru na tenzometrický snímač síly. Velikost síly se zobrazí na digitálním ukazateli ovládacího pultu nebo přímo v centrálním (měřicím) počítači. Dynamometr je možné regulovat na konstantní moment nebo na konstantní otáčky. Chlazení dynamometru zajišťuje tlaková voda dodávaná z chladicího okruhu, jímž je laboratoř vybavena. Dynamometr je chráněn: automaticky se odstaví při nedodržení minimálního tlaku vstupní vody, při překročení maximálních hodnoty teploty výstupní vody nebo při překročení maximálních nastavených otáček [8].
Spotřeba paliva
V součinnosti s dalším průmyslovým počítačem, připojeným na síť traktoru, byla přebírána data ze sběrnice CAN. Pro snímání dat ze sítě traktoru byl na Ústavu techniky a automobilové dopravy MZLU vytvořen program v prostředí LabVIEW 8. Snímané údaje byly připojeny k datům z čidel zkušebny. Ze sběrnice CAN - BUS byla zaznamenávána hodinová spotřeba paliva, teplota paliva, otáčky motoru, teplota chladicí kapaliny, teplota oleje, teplota plnicího vzduchu, zatížení motoru a napětí elektrické sítě. Teplota vstřikovaného paliva odečítaná ze sítě traktoru, byla použita pro korekci měrné hmotnosti při výpočtu měrné spotřeby.
Měření ostatních hodnot
Ustálení parametrů motoru bylo kontrolováno měřením teploty mazacího oleje v motoru. Současně byla měřena teplota nasávaného vzduchu před čističem, teplota a tlak vzduchu za turbodmychadlem, teplota plnicího vzduchu za mezichladičem, teplota výfukových plynů, teplota v laboratoři, barometrický tlak a relativní vlhkost vzduchu. Uvedené hodnoty byly měřeny snímači, které jsou součástí zkušebny. Teploty byly
47
měřeny snímači s termočlánky NiCr-Ni, tlak vzduchu za turbodmychadlem tenzometrickým snímačem tlaku, barometrický tlak barometrem, relativní vlhkost vzduchu vlasovým vlhkoměrem. Měřené hodnoty ze všech uvedených snímačů spolu s údaji ze sběrnice CAN, byly průběžně ukládány
do paměti měřicího počítače
zkušebny. Při měření byla zapnuta klimatizace v kabině. Zkoušky probíhaly podle metodiky OECD. Otáčky vývodového hřídele byly při všech zkouškách nastaveny na 1000 min-1. Před každou zkouškou se zjišťují základní technické parametry motoru zkoušeného vozidla uváděné výrobcem, údaje o případném speciálním příslušenství a parametry použitého paliva. Po celou dobu zkoušky byla nastavena plná dodávka paliva a všechna měření proběhla ve třech opakováních.
Obr. 20 Zobrazení dat v programu pro snímání údajů ze sítě traktoru CAN-BUS
Měrná hmotnost paliva Pro výpočet hmotnostní spotřeby paliva je nutné zjistit hodnotu měrné hmotnosti paliva podle okamžité teploty měřené v tlakovém zásobníku palivového systému.
48
Pro stanovení závislosti měrné hmotnosti nafty na její teplotě bylo provedeno laboratorní měření použitého paliva pomocí Mohrových vah. Mohrovy váhy vycházejí z Archymedova zákona. Jedná se o nerovnoramenné váhy, na jejichž delším rameni je zavěšeno ponorné tělísko. Delší rameno je rozděleno na deset stejných dílů, na kterých jsou háčky pro zavěšení vyvažovacích závaží. Váhy se před samotným měřením nejprve vyrovnají pomocí stavěcího šroubu. Poté se na ně zavěsí vyvažovací tělísko a pomocí stavěcí matice se na vzduchu vyváží do vodorovné polohy. Když jsou váhy vyvážené, umístí se pod ně nádoba s měřeným palivem. Ta je postavena na ohřívadle. Ponorné tělísko se zcela ponoří do měřené kapaliny a provede se vyvážení pomocí tří vyvažovacích závaží o rozdílných hmotnostech. Pro měrnou hmotnost platí vztah:
ρ = (n1 + n2 + n3 ) kde:
[kg.m-3]
n1 = 100 x poloha nejtěžšího závaží n2 = 10 x poloha středního závaží n3 = 1 x poloha nelehčího závaží
Měřilo se po 5 °C pro teplotu od 20 do 75 °C. V průběhu měření se palivo ohřívalo a jeho teplota sledovala pomocí digitálního multimetru. Měření bylo prováděno při teplotě vzduchu 21 °C a relativní vlhkosti 31 %. Přesnost měření byla 1 kg.m-3. Naměřené výsledky jsou uvedeny v tab. 1. Naměřené hodnoty byly proloženy polynomem druhého stupně. Z regresní rovnice byla pro každou naměřenou teplotu paliva vypočtena měrná hmotnost. Vypočtená závislost je na obr. 21. Těsnost závislosti je hodnocena indexem korelace. Hodnota indexu 0,9965 svědčí o velmi vysoké těsnosti vypočtené závislosti. To znamená, že vypočtená rovnice dobře charakterizuje naměřené hodnoty.
49
Tab. 1 Měrná hmotnost paliva v závislosti na teplotě Teplota paliva [°C] 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Č. měř. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Měrná hmotnost -3 [kg.m ] 826 823 822 816 814 812 806 804 802 796 793 788
830 2
y = -0,0027x - 0,4263x + 835,64 2 R = 0,9931 825
Měrná hmotnost [kg.m-3]
820
815
810
805
800
795
790
785 15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Teplota [°C]
Obr. 21 Graf závislosti měrné hmotnosti nafty na teplotě
50
70
75
80
7.4.2 Měření úplné otáčkové charakteristiky Úplná nebo také celková charakteristika motoru je obecně diagram, znázorňující soustavou křivek závislost sledované provozní veličiny, (měrné spotřeby paliva) na dvou veličinách základních, vynesených na osy souřadnic. V našem případě na otáčkách a točivém momentu motoru. Každé křivce diagramu přísluší určitá stálá hodnota měrné spotřeby paliva.
Použitá měřicí zařízení a podmínky měření Úplná charakteristika se nezjišťuje přímým měřením, ale sestavuje se ze soustavy částečných charakteristik. Při měření částečných charakteristik bylo použito stejné měřicí zařízení a byly zjišťovány stejné údaje, jak při měření jmenovité otáčkové charakteristiky motoru. Kromě vnější charakteristiky bylo provedeno měření dvanácti
částečných charakteristik při snížené dodávce paliva. K měření při snížené dodávce byla použita funkce nastavení maximálních otáček z elektroniky řízení motoru. Tím byly dosaženy konstantní otáčky v celém rozsahu momentů až po zatěžovací větev jmenovité charakteristiky.
Z naměřených
a
vypočtených
hodnot
jsem
nakreslil
úplnou
charakteristiku motoru. Pro sestrojení průběhů izočar stejných měrných spotřeb byly požadované hodnoty při konstantních otáčkách u jednotlivých částečných charakteristik vypočteny pomocí polynomické interpolace. Měření spotřeby paliva bylo provedeno objemově, odečtením ze sběrnice CAN traktoru. Hmotnostní spotřeba byla stanovena výpočtem s korekcí provedenou dle teploty vstřikovaného paliva. Také ostatní údaje byly zjišťovány stejným způsobem jako při měření jmenovité otáčkové charakteristiky. Úplná charakteristika byla měřena bez navýšení výkonu. V průběhu celého měření byla zapnuta klimatizace v kabině traktoru.
51
7.5 Výsledky měření a diskuse
7.5.1 Výsledky měření jmenovité otáčkové charakteristiky Měření otáčkové charakteristiky probíhalo v rozsahu otáček 1201 až 2193 min-1. Ustálení parametrů motoru bylo kontrolováno měřením teploty mazacího oleje v motoru. Byla měřena také teplota paliva pro přesné stanovení hmotnostní spotřeby. V průběhu zkoušky se teplota vstřikovaného paliva pohybovala od 61 do 73 °C. Průběh točivého momentu, výkonu a měrné spotřeby v závislosti na otáčkách motoru je znázorněn
900
140
800
125
700
110
600
95
500
80
400
65
300
50
200
35
100
20
1200
1400
1600
1800
2000
2200
-1
Otáčky motoru n [min ]
Obr. 22 Jmenovitá otáčková charakteristika motoru
52
Výkon P [kW]
-1
Točivý moment Mk [Nm]
-1
Měrná spotřeba mp [g.kW .h ]
na obr. 22.
Z grafu je patrné, že nejvyšší dosažený výkon byl 126 kW a maximální točivý moment 737 Nm. Převýšení točivého momentu měřeného motoru je 52,6 %. Nejnižší naměřená měrná spotřeba byla 231 g.kW-1.h-1. Teplota nasávaného vzduchu do motoru, měřená před čističem, se pohybovala v průběhu zkoušky v rozmezí 26,0 až 30,1 °C. Tlak za turbodmychadlem vzrůstal od 0,110 do 0,180 MPa. Teplota vzduchu po stlačení za turbodmychadlem stoupala od 85,3 do 197,4 °C. Po průchodu mezichladičem došlo k jejímu poklesu na 32,0 až 62,6 °C. Snížení teploty nasávaného vzduchu do motoru má velký vliv na zvýšení objemové účinnosti. Průběh tlaku vzduchu a teplot za turbodmychadlem a mezichladičem je znázorněn na obr. 23.
0,2 200
0,18
160 0,16 140
0,14
120
100 0,12 80
60
Tlak za turbodmychadlem pp [Mpa]
Teplota vzduchu za mezichladičem tp[°C] Teplota vzduchu za turbodmychadlem tt [°C]
Teplota nasávaného vzduchu tvst [oC]
180
0,1
40 0,08 20
0 1200
0,06 1400
1600
1800
2000
2200
Otáčky motoru n [min-1]
Obr. 23 Průběh tlaku vzduchu a teplot v závislosti na otáčkách motoru
53
Tab. 2 Hlavní naměřené a vypočtené hodnoty Parametr Max. točivý moment motoru Max. výkon motoru Min. měrná spotřeba paliva Převýšení toč. momentu Průběh konst. výkonu Průběh konst. spotř. paliva Max. teplota vzd. za mezichl. Max. teplota vzd. před mezichl. Max. tlak za turbodmychadlem
Jednotka [Nm] [kW] -1 -1 [g.kW .h ] [%] -1 [min ] -1 [min ] [°C] [°C] [MPa]
Hodnota 737 126 231 52,6 1640 - 1920 1200 – 2150 62,6 197,4 0,18
Hodnocení jmenovité otáčkové charakteristiky
Při hodnocení motoru zpravidla vycházíme z jeho hlavních konstrukčních, provozních a ekonomických parametrů. Jmenovitá otáčková charakteristika poskytuje důležité informace z hlediska provozních a ekonomických parametrů motoru. Pro posouzení traktorového motoru z hlediska jeho provozních vlastností nestačí znát jeho hlavní technické údaje (maximální výkon, točivý moment, měrnou spotřebu paliva), potřebujeme znát průběhy těchto veličin při různých režimech motoru. Rozbor jmenovité otáčkové charakteristiky vychází z funkce výkonnostního regulátoru, který reguluje točivý moment motoru. Celkový rozsah otáček lze rozdělit na oblast regulátorovou a přetěžovací. Regulátor je v činnosti od jmenovitých po maximální otáčky. Točivý moment se v regulátorové oblasti zvyšuje od nuly na hodnotu 490 Nm. V přetěžovací oblasti dále roste až po maximální hodnotu 737 Nm, které dosáhne v otáčkách 1601 min-1. Potom klesá až do minimálních otáček. Je požadováno, aby se točivý moment v přetěžovací oblasti s klesajícími otáčkami co nejvíce zvyšoval. Převýšení točivého momentu je v tomto případě 52,6 %. Efektivní výkon narůstá v regulátorové oblasti od nuly po 110 kW, podobně jako točivý moment. V oblasti přetěžovací dále zvyšuje svoji hodnotu až na 126 kW při otáčkách 1854 min-1. Motor dosahuje konstantního výkonu 125 kW v rozmezí otáček 1930 až 1650 min-1. Poté začíná klesat. Převýšení výkonu má hodnotu 14,5 %. Maximální efektivní výkon je jedním z rozhodujících parametrů při volbě motoru. Volí se podle podmínek, ve kterých bude pracovat. Vycházíme ze jmenovité otáčkové charakteristiky motoru, aby byl motor provozován v oblasti výhodného pracovního režimu s co možná nejnižší měrnou spotřebou paliva.
54
Měrná spotřeba paliva se pro nulový výkon blíží k nekonečnu. V regulátorové oblasti se snižujícími se otáčkami rychle klesá, skoro až k nejnižší hodnotě. V přetěžovací oblasti dále mírně klesá. Motor se vyznačuje plochým průběhem měrné spotřeby paliva v širokém rozmezí otáček od 1200 až do 2150 min-1. Nejnižší naměřená spotřeba byla 231 g.kW-1.h-1. Měrná spotřeba je kritériem, které umožňuje srovnávat různé motory z hlediska spotřeby paliva i hospodárnosti jejich provozu nezávisle na výkonové třídě. Z uvedeného rozboru průběhu hlavních provozních veličin motoru ve jmenovité otáčkové charakteristice je zřejmé, že motor by měl být v provozu co nejvíce zatížený. Při větším zatížení se snižuje měrná spotřeba paliva a tím i spotřeba paliva na jednotku vykonané práce.
Tab. 3 Naměřené hodnoty jmenovité otáčkové charakteristiky nmot -1
[min ]
MK [Nm]
P
mp -1
-1
tvst
tt [°C]
[kW]
[g.kW .h ]
[°C]
tpln [°C]
pp
tpal
tvýf
[MPa]
[°C]
[°C]
2186
83,05
19,01
620,60
26,01
85,28
32,03
0,043
61,3
231,4
2148
483,16
108,68
257,76
26,12 143,12
44,33
0,136
62,0
279,4
2139
490,19
109,82
255,44
26,41 156,21
52,23
0,142
62,0
303,1
2129
493,79
110,07
254,43
27,08 162,09
55,06
0,146
63,0
315,9
2068
531,47
115,12
245,42
27,08 167,90
56,87
0,153
64,0
325,9
2031
560,39
119,16
240,58
27,66 172,86
58,37
0,158
65,0
334,1
2002
579,57
121,51
238,89
27,59 176,45
59,54
0,162
66,0
340,6
1993
583,21
121,70
238,96
28,15 178,96
60,47
0,164
67,0
345,5
1983
590,93
122,69
237,32
28,36 180,64
60,99
0,165
67,8
349,1
1972
593,63
122,58
237,91
28,43 181,78
61,33
0,166
68,4
352,2
1962
599,09
123,11
237,15
28,48 182,98
61,58
0,167
69,0
355,0
1951
607,07
124,04
235,66
28,94 184,05
61,93
0,167
70,0
357,2
1942
608,86
123,82
236,34
29,18 185,02
62,14
0,168
70,8
359,4
1934
614,94
124,56
235,18
29,15 185,90
62,61
0,168
71,0
361,3
1914
621,62
124,58
235,91
29,55 186,69
61,66
0,168
72,0
363,7
1854
648,44
125,92
234,51
29,80 187,19
58,09
0,169
72,0
368,1
1757
678,60
124,82
237,78
29,91 187,94
56,67
0,169
72,0
377,0
1660
718,78
124,96
240,10
29,99 192,13
56,35
0,174
73,0
390,3
1601
737,03
123,59
245,22
30,19 197,39
55,72
0,180
73,0
402,7
1562
735,01
120,26
244,04
30,24 194,22
53,36
0,171
73,0
410,4
1466
718,20
110,29
237,90
30,28 181,81
52,87
0,151
73,0
409,3
1367
709,77
101,63
231,64
30,06 173,68
49,94
0,142
73,0
397,7
1269
701,51
93,23
232,45
30,19 161,93
44,87
0,122
73,0
395,2
1211
695,04
88,12
233,42
30,09 152,78
41,48
0,110
73,0
397,2
55
7.5.2 Výsledky měření úplné otáčkové charakteristiky Pro sestavení úplné otáčkové charakteristiky bylo provedeno měření vnější charakteristiky s plnou dodávkou paliva a dvanácti částečných charakteristik při snížené dodávce paliva. Ustálení podmínek bylo hodnoceno teplotou oleje motoru. Sestrojení úplné otáčkové charakteristiky sestávalo z několika kroků. Nejprve bylo nutné sestavit rovnice z jednotlivých větví, které by charakterizovaly vztahy mezi točivým momentem, otáčkami motoru a měrnou spotřebou paliva. Vynesením hodnot točivého momentu a měrné spotřeby paliva jako souřadnic do grafů byly vytvořeny body. Proložením vynesených bodů pomocí polynomické regrese byla získána požadovaná rovnice. Postupně se měnily stupně polynomu, aby se získalo co nejpřesnější proložení naměřených bodů. Těsnost vypočtených závislostí byla hodnocena indexem korelace (viz obr. 24).
750 y = -0,0000x 5 + 0,0000x 4 - 0,0001x3 + 0,0538x 2 - 11,0088x + 1164,6944 R2 = 0,9999
700 650
550
-1
-1
mp [g.kW .h ]
600
500
500
Naměřené hodnoty Dopočítané hodnoty
450 400
400
350 340 330 310 320 290 280 300
350 300
270
260
250
250
240 235
235
200 0
100
200
300
400
500
600
700
Mk [Nm]
Obr. 24 Graf závislosti měrné spotřeby paliva na točivém momentu
Všechny vypočtené hodnoty veličin byly rozděleny do souborů dle stejných měrných spotřeb a byly pro ně vypočítány příslušné výkony. Při konstrukci úplné otáčkové charakteristiky byly tyto soubory se stejnými hodnotami měrných spotřeb postupně vynášeny do grafu závislosti točivého momentu na otáčkách a samostatně prokládány polynomy. Takto vzniklé pole bylo ohraničeno křivkou jmenovité otáčkové charakteristiky.
56
Následně byla charakteristika doplněna soustavou křivek vyjadřujících konstantní hodnoty efektivních výkonů (viz obr. 25). Z grafu je zřejmé, že na plnou dodávku paliva pracuje motor s nejnižší měrnou spotřebou paliva v oblasti otáček 1317 až 1610 min-1, kdy dosahuje výkonu 82 až 104 kW. Uvedený režim je v oblasti maximálního točivého momentu. Při odlehčení motoru se dostáváme do oblasti vyšších otáček s vyšší měrnou spotřebou. U úplné otáčkové charakteristiky neuvádím naměřené hodnoty z důvodu velkého množství naměřených dat.
Hodnocení úplné otáčkové charakteristiky
Úplná otáčková charakteristika komplexně charakterizuje motor z hlediska jeho provozních vlastností, tj. využití jeho výkonu při co nejnižší měrné spotřebě paliva. Z hodnocení průběhu křivek konstantních výkonů a konstantních měrných spotřeb paliva vyplývá: -
čím vyšší je hodnota konstantního výkonu, na kterou je motor využíván, tím je nižší měrná spotřeba paliva
-
snížením otáček na příslušné křivce konstantního výkonu se dostáváme do oblasti nižších měrných spotřeb paliva
Díky úplné charakteristice můžeme zvolit pracovní režim motoru tak, abychom optimálně využili jeho výkon při minimální měrné spotřebě paliva. Z naměřených hodnot jsem sestrojil grafy teploty vzduchu za turbodmychadlem (obr. 26) a plnící teploty vzduchu (obr. 27) a v závislosti na točivém momentu a otáčkách motoru. Postupoval jsem stejným způsobem jako při sestavování úplné charakteristiky motoru pro měření spotřeby paliva.
57
mpe
800
[g.kW-1.h-1]
Točivý moment motoru M k [Nm]
700
235
600
Pe [kW] 230 235 240 250 260 270 280
500
400
300
120 110 100 90
290
80
300
70 60 50
200
350
40
400 500
100
0 1200
1400
1600
1800
2000
-1
Otáčky motoru n [min ]
Obr. 25 Úplná charakteristika motoru traktoru John Deere 7730
2200
800 tt [°C] 700
180 170 160
Točivý moment motoru M k [Nm]
600
150 140 130
500
120 400
110 100
300
90 80
200
70 100 1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
-1
Otáčky motoru n [min ]
Obr. 26 Teplota vzduchu za turbem v závislosti na toč. momentu a otáčkách motoru
800
700
Točivý moment motoru M k [Nm]
tp [°C] 55 600
50 45 500
40 400
35
300
30 200 1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
Otáčky motoru n [min-1]
Obr. 27 Teplota nasávaného vzduchu v závislosti na toč. momentu a otáčkách motoru
59
Z výsledných hodnot je patrné, že teplota za turbodmychadlem a plnící teplota vzduchu spolu úzce souvisí. Maximální teplota vzduchu za turbodmychadlem 180 °C byla naměřena při otáčkách 1550 – 1660 min-1. Teplota nasávaného vzduchu 55 °C byla naměřena při otáčkách 1805 – 2035 min-1.
8. ZÁVĚR Cílem mé práce bylo provést měření parametrů motoru traktoru John Deere 7730 přes vývodový hřídel. Jedná se o bezdemontážní metodu, která je výhodná pro svou jednoduchost a rychlost. Vzhledem k tomu, že jsem při tomto měření nebral v úvahu ztráty vzniklé přenosem točivého momentu z motoru na vývodový hřídel, jsou naměřené hodnoty nižší, než uvádí výrobce (měřené na klikovém hřídeli). Pro praktické využití jsou mnou naměřené hodnoty použitelnější, protože právě tyto máme při provozu stroje k dispozici. Účelem vlastního měření bylo zjistit provozní veličiny daného motoru při různých ustálených provozních režimech. Naměřené údaje sloužily k vytvoření jmenovité a úplné otáčkové charakteristiky. Měření bylo uskutečněno na zkušebním stanovišti v laboratořích Ústavu základů techniky a automobilové dopravy MZLU v Brně. Podrobnosti k měření jsou uvedeny v kap. 7.3 a 7.4. Měření bylo provedeno na vířivém dynamometru V 500. Zpracováním a vyhodnocením naměřených výsledků jsem zjistil, že nejvyšší výkon motoru, měřený přes vývodový hřídel, je 126 kW, maximální točivý moment činí 737 Nm a nejnižší měrná spotřeba paliva 231 g.kW-1.h-1. Převýšení točivého momentu je 52,6 %, výkonu 14,5 %. Měřený traktor John Deere 7730 disponuje výkonným přeplňovaným motorem s velkým převýšením točivého momentu. Dosahovat nízké měrné spotřeby paliva při provozu lze pouze se znalostí úplné otáčkové charakteristiky motoru. Jedině řádně zaškolená a poučená obsluha, může dosáhnout ekonomického provozu při využití výkonového potenciálu motoru traktoru.
60
9. SEZNAM OBRÁZKŮ 1
Otáčkové charakteristiky spalovacího motoru
2
Otáčková charakteristika s regulátorem
3
Zatěžovací charakteristiky saplovacího motoru
4
Úplná charakteristika spalovacího motoru
5
Schématické znázornění hydraulické brzdy s elektrickým ovládáním
6
Elektromagnetická vířivá brzda
7
Funkční schéma měřiče spotřeby Flowtronic 205
8
Schéma měřicího zařízení Flowjet-Ventil 4703
9
Průtokový měřič spotřeby paliva Pierburg PLU – 106
10
Kalibrované baňky pro měření spotřeby paliva
11
Měřič spotřeby paliva
12
Optický snímač impulsů
13
Indukční snímač impulsů
14
Princip tachodynama
15
Princip tachogenerátoru
16
Tlakoměr s Bourdonovou trubicí
17
Schéma opacimetru Hartridge Mk3
18
Měření parametrů motoru traktoru John Deere 7730
19
Vířivý dynamometr V 500
20
Zobrazení dat v programu pro snímání údajů ze sítě traktoru CAN-BUS
21
Graf závislosti měrné hmotnosti nafty na teplotě
22
Jmenovitá otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 7730
23
Průběh tlaku vzduchu a teplot v závislosti na otáčkách motoru
24
Graf závislosti měrné spotřeby paliva na točivém momentu
25
Úplná charakteristika motoru traktoru John Deere 7730
26
Teplota vzduchu za turbem v závislosti na toč. momentu a otáčkách motoru
27
Teplota nasávaného vzduchu v závislosti na toč. momentu a otáčkách motoru
61
10. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1]
Hlavňa, V.
- Dopravný prostriedok – jeho motor, Žilinská univerzita v Žiline, 2000, ISBN: 80-7100-665-3
[2]
ČSN 30 2008
- Motory automobilové – Zkoušky na brzdovém stanovišti
[3]
Ondráček, J.
- Mobilní energetické prostředky (návody do cvičení), VŠZ Brno, 1989
[4]
Vlk, F.
- Zkoušení a diagnostika motorových vozidel, Brno, 2005, ISBN 80-239-3717-0
[5]
Křepelka, V.
- Cvičení z mobilních energetických prostředků I, VŠZ Praha 1987
[6]
ČSN 30 0415
- Zemědělské a lesnické traktory- Metody zkoušení
[7]
ČSN ISO 789-1
- Zemědělské traktory – Zkušební metody,
Část 1: Zkoušky výkonu na vývodovém hřídeli [8]
Kasal, V.
- Vířivý dynamometr V 500 – Technický návod, VÚES Brno, 1982
62
