Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Měření parametrů vozidlových motorů na válcovém dynamometru Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Bc. Petr Doškař Brno 2008
Prohlášení:
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Měření parametrů vozidlových motorů na válcovém dynamometru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu 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.
V Brně, dne……………………..
Podpis diplomanta……………..
Poděkování:
Dovoluji si touto cestou poděkovat Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení, připomínky a rady při zpracovávání mé diplomové práce.
ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá měřením parametrů motoru na válcovém dynamometru s využitím vytvořených technických prostředků monitorujících základní veličiny systémů zapalování a tvorby směsi. K měření byl použit osobní automobil Škoda Felicia 1.3i. Měření na válcovém dynamometru bylo provedeno statickou a dynamickou metodou. Data byla dále převáděna na server zkušebny. Vzhledem k opotřebení vozidla byly naměřené hodnoty výkonu a točivého momentu nižší, než jaké uvádí výrobce. Dalším cílem práce je navrhnout a vytvořit systém snímání dat analogových veličin. Naměřené hodnoty byly zpracovány pomocí vyvinutého softwaru pod vývojovým prostředím LabVIEW firmy National Instruments. Snímaly se hodnoty lambda sondy ve výfukovém potrubí, otáčky z Hallova snímače na klikové hřídeli a průběh zapalování na digitálním osciloskopu, zpracování je podrobně uvedeno v kapitole 4 a 5. Klíčová slova: Dynamometr, Lambda sonda, Hallův snímač, Osciloskop
ABSTRACT My thesis is dealing with measuring of parameters of engines on chassis dynamometer with exploitation of the created technical instruments which monitor basic units of ignition system and formation mixture. For measuring was used passenger car Škoda Felicia 1.3i. Measuring was performed statically and dynamically. Dates were transformed to the server of the test room. Due to the fact that the car was worn out the measured values of power and torque were lower than the producer presents. The additional aim of the work is to devise and generate a system for scanning dates of analog units. Measured values were processed by the advanced software LabVIEW from company National Instruments. Scanned were the values of O2 sensor, Hall sensor and ignition. Process is described in detail in chapter 4 and 5. Key words: Chassis dynamometer, O2 sensor, Hall sensor, Digital Store Oscilloscope
OBSAH 1. ÚVOD ........................................................................................................................... 9 2. CÍL PRÁCE ................................................................................................................ 10 3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY ................................................... 10 3.1 Zkoušení motorových vozidel............................................................................... 10 3.2 Zkoušky na válcové zkušebně .............................................................................. 12 3.3 Typy zkušebních zařízení ..................................................................................... 13 3.3.1 Dynamometry ................................................................................................ 13 3.3.1.1 Hydraulické dynamometry ...................................................................... 13 3.3.1.2 Třecí dynamometry ................................................................................. 14 3.3.1.3 Vzduchové dynamometry ........................................................................ 14 3.3.1.4 Elektrické dynamometry.......................................................................... 14 3.3.1.5 Střídavý elektrický dynamometr.............................................................. 15 3.3.1.6 Elektrovířivý dynamometr....................................................................... 15 3.3.1.7 Stejnosměrný elektrický dynamometr ..................................................... 16 3.3.2 Konstrukční řešení vozidlového dynamometru na MZLU ............................ 16 3.3.3 Emisní systémová analýza ............................................................................. 19 3.4 Zkoušky prováděné na válcovém dynamometru .................................................. 20 3.4.1 Druhy zkoušek ............................................................................................... 20 3.4.1.1 Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů)....................................... 20 3.4.1.2 Zkoušky brzdové soustavy ....................................................................... 20 3.4.1.3 Kalibrační testy....................................................................................... 20 3.4.1.4 Doplňkové zkoušky.................................................................................. 20 3.4.2 Popis měření................................................................................................... 21 3.5 Charakteristiky spalovacích motorů ..................................................................... 22 3.5.1 Rozdělení a použití charakteristik spalovacích motorů ................................. 22 3.5.1.1 Otáčkové charakteristiky ........................................................................ 23 3.5.1.2 Zatěžovací charakteristiky ...................................................................... 24 3.5.1.3 Regulační (nastavovací) charakteristiky................................................. 24 3.5.1.4 Úplná charakteristika ............................................................................. 25 3.5.1.5 Zvláštní charakteristiky........................................................................... 25 4. MATERIÁLY A METODY ZPRACOVÁNÍ ............................................................ 26 4.1 Lambda regulace................................................................................................... 26 4.1.1 Lambda sonda ................................................................................................ 27 4.2 Měření otáček Hallovým snímačem ..................................................................... 29 4.2.1 Hallův snímač ................................................................................................ 29 4.3 Snímání zapalování osciloskopem........................................................................ 30 4.3.1 Osciloskop...................................................................................................... 30 4.3.2 Druhy osciloskopů ......................................................................................... 31 4.4 Diagnostické prostředky ....................................................................................... 33 4.4.1 Hardware........................................................................................................ 33 4.4.1.1 Modul NI 9205 ........................................................................................ 33 4.4.1.2 Modul NI USB 6009................................................................................ 34 4.4.2 Software ......................................................................................................... 35 4.4.2.1 LabVIEW................................................................................................. 35 4.5 Vlastní měření....................................................................................................... 41 4.5.1 Prvotní nastavení............................................................................................ 41 Bylo nutné provést konfiguraci komponent, která sestává z několika kroků: ............ 41 4.5.2 Měření ............................................................................................................ 42
4.5.2.1 DataSocket .............................................................................................. 45 5. VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUZE ........................................................................... 46 5.1 Doplňkové testy .................................................................................................... 46 5.1.1 Kalibrace tachometru a kalibrace závislosti rychlosti vozidla a otáček motoru ................................................................................................................................. 46 5.1.2 Kalibrace pro statické zkoušky ...................................................................... 46 5.2 Grafické znázornění naměřených hodnot ............................................................. 46 5.2.1 Statická zkouška............................................................................................. 46 5.2.1.1 Měření č.1 ............................................................................................... 47 5.2.1.2 Měření č.2 ............................................................................................... 49 5.2.2 Dynamická zkouška ....................................................................................... 51 5.2.2.1 Měření č.1 ............................................................................................... 52 5.2.2.2 Měření č.2 ............................................................................................... 53 6. ZÁVĚR ....................................................................................................................... 56 7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................ 59 8. SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................ 60 PŘÍLOHY ....................................................................................................................... 61 SEZNAM PŘÍLOH......................................................................................................... 62
1. ÚVOD Automobilový průmysl na celém světě se neustále rozvíjí. Zákazníci si kladou vysoké nároky na komfort cestování, bezpečnost posádky, hospodárnost provozu, nízké emise kvalitní a dostupný servis atd. S tím souvisí neustálá snaha všech výrobců co nejlépe uspět na trhu. Vývoj dopravních prostředků musí proto probíhat ve zkušebním provozu, napodobujícím skutečné, tj. provozní podmínky vozidla. Do vývoje a výzkumu jsou investovány finanční prostředky, které jsou větší než náklady na konstrukci. Nedílnou součástí vývoje automobilu je testování motoru. Tyto testy se označují jako komplexní diagnostika. Ta je souhrnem úkonů, které dávají ve svém výsledku celkový obraz o technickém stavu celého motoru a jeho funkčních částí. Pro optimální posouzení technického stavu motoru by měla i diagnostická zařízení napodobovat co nejvěrohodněji provozní podmínky motoru. Z těchto důvodů se nejvíce osvědčuje provádění diagnostiky motoru vozidla na zařízeních, která svými parametry tyto podmínky splňují. Diagnostika se nevyužívá jen při vývoji, ale také v oblasti servisu. Vývoj diagnostických zařízení se posouvá také neustále kupředu a směřuje k plně automatizovaným přístrojům jedno nebo víceúčelovým. To má za následek urychlení celého průběhu diagnostiky a určení stavu motoru a dalších funkčních částí. Dnešní vozidla jsou již těmto zařízením přizpůsobovány a mají zabudovány přípojky pro diagnostické přístroje, tzv. motortestry. V mé diplomové práci se zabývám měřením parametrů vozidlových motorů na válcovém dynamometru a sběrem dat analogových veličin. K získání potřebných charakteristik motoru vozidla. popř. dalších informací o funkčních prvcích je válcový dynamometr jedním ze základních měřících zařízení. Lze si nadefinovat požadované provozní podmínky a zároveň je možné připojit k automobilu další diagnostické přístroje. Pro měření bylo použito vozidlo Škoda Felicia Combi 1.3i a měření se uskutečnilo na pracovišti MZLU.
9
2. CÍL PRÁCE Úkolem bylo navrhnout a vytvořit systém měření analogových veličin, které je nutné přenést na server zkušebny s jednotnou časovou bází. Data musí být ukládána synchronně. Využili jsme prostředků National Instruments, neboť software zkušebny a ostatní podpůrné prostředky pocházejí z jejich produkce. To zajistíilo bezproblémovou integraci námi vytvořeného modulu snímání analogových dat.
Cíl práce je možné rozdělit do několika samostatných kroků: -
popis toretické části problematiky měření motorů vozidel a jejich funkčních částí,
-
provést praktické měření na zkušebně MZLU,
-
vytvořit vlastní systém snímání vybraných parametrů zážehového motoru a provést jeho ověření,
-
zpracovat naměřené hodnoty a provést celkové zhodnocení zkoušky.
3. SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY 3.1 Zkoušení motorových vozidel Zkoušky motorových vozidel je možno rozdělit podle zkoušených objektů způsobu provádění podmínek zkoušek atd. Provádí se zkoušky zkušebních a modelových vzorků nových nebo modernizovaných vozidel a jejich modifikací, zkoušky vozidel, z probíhající výroby, zkoušky vozidel po generální opravě atp. Podle nejrůznějších zkoušek se sleduje, do jaké míry vozidlo vyhovuje požadavkům funkčním ekonomickém a životností. Slabá místa a nedostatky funkce je nutné přitom rychle poznat aby mohly být konstrukcí opraveny, Aby doba ke zkoušení byla co nejkratší (mezi vydáním dokumentace pro funkční vzorek a náběhem sériové výroby bývá běžně doba kolem tří let), musí jednotlivé zkoušky probíhat souběžně. Zkušebnictví vozidel je možno rozdělit na jízdní zkoušky a na zkoušky laboratorní (ve zkušebnách). Pro urychlení vývoje probíhá často provozní ověřování agregátů nového typu (motor, převodovka, hnací hřídel, nápravy, řídící ústrojí) ve vozidle stávající výroby, protože stavba nosné konstrukce a karoserie je většinou časově náročnější. Po postavení funkčního vzorku (prototypu) začínají funkční zkoušky: jízdní
10
vlastnosti (ovladatelnost), brzdné zkoušky, zkoušky rychlosti, akcelerace, stoupavosti, rozjezd ve stoupáni, spotřeba, pohodlí jízdy včetně optimalizace pružící soustavy atd. Provozní životností zkoušky (tj. jízdní) začínají obvykle současně se zkouškami funkčními. Životností jízdní zkoušky mohou být buď dlouhodobé nebe krátkodobé (speciální zkušební dráhy s velmi špatným povrchem). Speciální vozidla (např. terénní ) jsou podrobeny různým dalším zkouškám ( stoupavost, průchodnost, brodivost aj.). Souběžně s jízdními zkouškami probíhají zkoušky laboratorní: funkční, pevnostní a životností. V poslední době nabývají pro své výhody laboratorní zkoušky neustále na významu, zejména při zkouškách trvanlivosti. Moderní měřící zařízení spolu s výpočetní technikou umožňuje věrně simulovat provozní podmínky. Pro ověření technického stavu vozidel v provozu se provádějí zkoušky, které zařazujeme do oblasti diagnostiky motorových vozidel. Přehled zkoušek – rozdělení z různých hledisek udává tab. 1. (Vlk 2005)
Tab. 1 Přehled zkoušek motorových vozidel Hledisko Výrobní fáze
Cíl zkoušky Instituce
Předmět zkoušky
Podmínky
Členění zkoušek motorového vozidla Výzkum Vývoj Vývoj spojený s projekcí schvalování typu Výroba Kontrola přejímání Ověření zkoušky - krátkodobě Ověření životnosti a spolehlivosti Zkušební útvary výrobce Orgány odběratele – zákazníka Centrální ústavy – homologační zkušebny Vozidlo jako Základní hmotnostní a rozměrové údaje celek Výkonové vlastnosti, hospodárnost Brzdné vlastnosti Plavnost jízdy, pružící soustava, hluk Ovladatelnost (řiditelnost, stabilita) Životnost a spolehlivost Speciální zkoušky Ústrojí Hnací soustava Řídící ústrojí Brzdy Nosné části Díly Např. tlumič, ráfek, aj. Zkoušky Laboratorní, jízdní, provozní
11
Volba metod zkoušek nebo měření je důležitou etapou, která se řeší při přípravě prací a sestavování programu. Metody se volí podle: zkoušeného předmětu (typ vozidla, část vozidla), určení vozidla (provozní podmínky), cíle zkoušky, zákonných a normalizačních ustanovení a metodik, organizačních a ekonomických možnosti. Zkoušky vozidel a jejich částí se podle prováděcích podmínek dělí na zkoušky laboratorní a na zkoušky jízdní. Laboratorní zkoušky vozidel, jeho ústrojí a dílů se provádí na zkušebních stavech. Výhodou je dobrá reprodukovatelnost a u životnostních zkoušek také možnost výrazné zkrácení zkoušky. Jízdní zkoušky jsou a stále budou velmi důležité, neboť zkoušení se děje za skutečných podmínek. Zkoušky na zkušebních stavech mohou být v některých případech výhodnější než zkoušky silniční. Konečné ověření vozidla je však nutno provést při skutečné jízdě na silnici. Zákonná ustanovení jsou obsažena ve vyhlášce o podmínkách provozu vozidel na pozemních komunikacích; způsob provádění některých zkoušek je uveden v normách ČSN. (Vlk 2005)
3.2 Zkoušky na válcové zkušebně K měření výkonu spalovacího motoru vozidla bez nutnosti demontáže na zkušebnu motorů slouží válcový vozidlový dynamometr. Jeho činnost lze zjednodušeně popsat následovně. Spalovací motor přenáší výkon na hnací kola vozidla, ta třením roztáčí zkušební válce dynamometru (z konstrukčního hlediska se může jednat o monoválcové či duoválcové výkonové zkušebny). K válci je připojeno zařízení (z principu maření energie existují vířivé, hydraulické či elektrické brzdy), které klade otáčejícímu se kolu brzdný odpor a umožňuje regulaci jeho velikosti. Tento brzdný moment vyvolává reakční moment stejné velikosti ale s opačným smyslem a jelikož válce jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší se reakční moment přes stator na siloměrné zařízení - tenzometr. Měřením velikosti reakčního momentu lze určit obvodové hnací síly na kolech vozidla a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení je možné vypočítat výkon. (www.zkusebna.wz.cz)
12
3.3 Typy zkušebních zařízení 3.3.1 Dynamometry Základním zařízením je výkonová brzda – tzv. dynamometr, bez kterého nelze prakticky žádnou zkoušku provádět. Používá se dynamometrů hydraulických, vzduchových nebo elektrických. Otáčky motorů se měří a nastavují různými typy otáčkoměrů s dostatečnou přesností. Měření spotřeby paliva se provádí objemově, ale lépe hmotnostně, zařízením ovládaným ručně nebo automaticky. Pro měření teploty se používají různé typy snímačů a to buď odporové, termočlánky nebo termistorové snímače. Podstatou měření na výkonovém dynamometru je skutečnost, že proti neznámému točivému momentu motoru působí definovaný brzdný moment, který je za ustáleného režimu rovný točivému momentu motoru. Zatěžovaný motor se brzdí třením, odporem kapaliny, vzduchu, elektricky nebo pohonem jiného stroje. U těchto zařízení, s výjimkou pohonu jiného stroje, se mechanická práce motoru mění na jinou energii, nejčastěji tepelnou, a proto se tyto dynamometry nazývají absorpční.
3.3.1.1 Hydraulické dynamometry U těchto zařízení se brzdný moment získává odporem, který klade kapalina otáčejícímu se kotouči. 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 funkční plochy rotoru pomocí zasouvání a vysouvání stínících clon. Na hřídeli je umístěn rotor opatřený lopatkami. Stator je výkyvně uložen na stojanech. Prostor mezi statorem a rotorem je zaplněn vodou, která je přiváděna vstupním hrdlem. Jelikož hydraulický dynamometr 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 rotoru a usazování vodního kamene v tělese dynamometru. Přesnost a regulovatelnost pro nízké otáčky je problematická. Dynamometr je vhodný pro vysokootáčkové motory. Hydraulický dynamometr je na obr. 1.
13
Obr. 1 Hydraulický dynamometr
3.3.1.2 Třecí dynamometry Z hlediska konstrukčního jsou třecí dynamometry nejjednodušší. Mají výhodnou lineární charakteristiku závislosti výkonu na otáčkách. Motor je pod neustálým zatížením, způsobeným proměnlivostí součinitele tření vlivem změny teploty. V důsledku toho potřebují náročné chlazení a neustále nutnost regulace. Dnes se už nepoužívají.
3.3.1.3 Vzduchové dynamometry K vytvoření brzdného momentu je použito odporu vzduchu, kdy výkon zkoušeného motoru je absorbován odporem pohybující se vrtule ve vzduchu. Jsou to vlastně lopatková kola nebo vrtule. Brzdný moment je ale značně ovlivňován teplotou a vzdušnými proudy okolí, a proto se používají tyto dynamometry omezeně a to spíše jako zatížení motoru při záběhu.
3.3.1.4 Elektrické dynamometry Použití elektrických točivých strojů k zatěžování motorů, a tím ke zjišťování točivých momentů, má některé přednosti ve srovnání s předcházejícími způsoby. Mohou být použita různá řešení dle účelu zkoušek. Elektrické dynamometry se jeví vhodnější pro dálkové a automatické ovládání.
14
3.3.1.5 Střídavý elektrický dynamometr Jde v podstatě o běžný třífázový motor. Otáčíme-li jím nad jeho synchronní otáčky, vzniká ve vinutí rotoru třífázový proud. Výkon zkoušeného motoru bude úměrný výkonu vyrobeného proudu a účinnosti stroje. Reguluje se změnou rotorového proudu. Výhodou tohoto zařízení je jeho jednoduchost a malé pořizovací náklady. Jako nevýhoda se jeví malá přesnost a omezený rozsah otáček, ve kterém se může měřit. Proto se toto zařízení vybavuje dalším elektrickým příslušenstvím tak, že je rozšířen rozsah provozních otáček, možnost generátorového i motorického chodu, chod v obou smyslech otáčení a měření točivého momentu uložením statoru výkyvně. Energii získanou je možno rekuperovat zpět do sítě. Takto provedený dynamometr má dobré vlastnosti, ale cena regulace je dost vysoká.
3.3.1.6 Elektrovířivý dynamometr Tento druh dynamometrů je založen na působení vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí brzdícího proudu přiváděného do budící cívky ve statoru. Tyto dynamometry jsou relativně malé. Lze je jednoduše ovládat dálkově a je možná plná automatizace celého měření. Stator dynamometru je uložen výkyvně na dvou ložiskových stojanech. V jednom ze stojanů je zabudováno zařízení pro měření otáček. Uvnitř statoru je umístěna budící cívka ve vodotěsném pouzdře. Rotor ve tvaru ozubeného kola je uložen ve valivých ložiskách. Hřídel je na obou koncích opatřena přírubami pro připojení motoru. Chlazení dynamometru je prováděno vodou z vodního chladícího systému zkušebny, proudící kanály přes regulační ventily a kontrolní tlakový snímač. Elektrovířivý dynamometr je zobrazen na obr. 2.
15
Obr. 2 Elektrovířivý dynamometr
3.3.1.7 Stejnosměrný elektrický dynamometr Pracuje podobně jako střídavý, umožňuje však širší rozsah otáček zkoušeného motoru a je vhodný pro větší momenty setrvačnosti. Je to v podstatě dynamo, které zatěžuje zkoušený motor. Reguluje se změnou buzení dynama a změnou odběru energie. Stator dynama se ukládá výkyvně a brzdný moment se měří stejně jako u jiných dynamometrů. Výhodou tohoto zařízení je kromě jednoduché obsluhy, kterou lze dobře automatizovat, také fakt, že můžeme zkoušený motor roztáčet a provádět zkoušky protáčením motoru. Dále pak i u tohoto typu energii získanou při měření je možno rekuperovat zpět do sítě.
3.3.2 Konstrukční řešení vozidlového dynamometru na MZLU Vozidlový dynamometr nese označení 4VDM E120-D a zkušebna traktorů VDU E270T – E150T. Konstrukční řešení vychází z tuhých základních rámů, na kterých jsou umístěny ložiska válců o průměru 1,2 m, stojin a základních rámů se stejnosměrnými. elektrickými dynamometry. Tyto rámy se stojinami tvoří základní bloky jednotlivých os. Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru, společně s přední osou vozidlového dynamometru. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná frikční spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. 16
Propojení válcových jednotek s elektrickými dynamometry typu SDS 225 5604 je provedeno pomocí ozubených řemenů. Každý válec je vybaven pneumaticky ovládanými brzdami pro umožnění najetí vozidla a bezpečnostní zabrždění. Dále je každá válcová jednotka vybavena pneumaticky ovládaným nájezdovým a středícím zařízením a měřícími rolnami s odsouvatelným krytem. Obě osy jsou umístěny na konstrukci z ocelových profilů upevněné na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí vozidlového dynamometru. V podlaze okolo montážní jámy jsou zality kotvící drážky pro upevnění úvazků vozidla. Celá plocha okolo vozidlového dynamometru je v rovině podlahy překryta ocelovými krycími plechy. Přívod chladícího vzduchu do montážní jámy je vyústěn pod jednotlivými osami uprostřed (v zapuštěném kanálu). Před zkoušeným vozidlem je umístěn ventilátor náporového chlazení s usměrňovací hubicí, připojený pohyblivým přívodem do zásuvky spínané přes ovládací klávesnici z kabiny vozidla. Schémata kompletní zkušebny jsou zobrazeny ve dvou pohledech z hora na obr. 3 a z boku na obr. 4. (www.zkusebna.wz.cz)
Obr. 3 Schéma kompletní zkušebny
17
Obr. 4 Schéma kompletní zkušebny
Velmi důležitou součástí zkušebny je také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v mísnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa, přičemž vyměněné množství vzduchu činí až 25 000 m3/h. U výfukových plynů lze regulovat množství ručně či v závislosti na odebíraném výkonu motoru a to až do 24 000 m3/h. (www.zkusebna.wz.cz)
Tab. 2 Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D Max. zkušební rychlost [km.h-1] Max. výkon na nápravu [kW] Max. hmotnost na nápravu [kg] Průměr válců [m] Šířka válců [mm] Mezera mezi válci [mm] Povrch válců Setrvačná hmotnost válců (každá náprava) [kg] Min. rozvor [mm] Max. rozvor [mm] Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] Zatížitelnost krytí v místě chůze [kg] Tlakový vzduch [bar] Rozsah měření rychlosti [km.h-1] Rozsah měření sil [kN] Přesnost měření rychlosti [km.h-1] Přesnost měření sil [%] Přesnost regulace rychlosti [%] Přesnost regulace síly [%]
18
200 240 2000 1,2 600 900 zdrsnění RAA 1,6 1130 2000 3500 2000 500 min. 4 0 - 200 4x ± 5 ± 0,01 ± 0,25 ± 0,1 ± 0,5
3.3.3 Emisní systémová analýza Přístroje Bosch ESA (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. ESA je modulárně řešený systém, jehož funkce je možné podle potřeb postupně rozšiřovat. ESA také umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku, ..) a nabízí i funkci multimetru. Součástí softwaru ESA je databanka předepsaných hodnot některých vozidel, kterou lze dále doplnit a databanka zákazníků. Modul analyzátoru ETT 8.70 provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO2, O2 a z nich pak vypočítává hodnotu součinitele přebytku vzduchu lambda pro právě měřené palivo (benzín, LPG, CNG a metanol). Modul ETT 8.71 je navíc připraven na montáž snímače pro měření NOx. Modul opacimetru RTM 430 se vyznačuje unikátně řešeným systémem vzduchových závěsů který zaručuje vysokou přesnost měření a dlouhé intervaly údržby. (www.zkusebna.wz.cz)
1 - Monitor 2 – Dálkové ovládání 3 – Inkoustová tiskárna 4 – Měřící modul MTM Plus 5 – Modul opacimetru RTM 430 6 – Klávesnice 7 – PC modul 8 – Modul analyzátoru ETT 008.70-1 9 – Dílenský vozík
Obr. 5 Bosch ESA
19
3.4 Zkoušky prováděné na válcovém dynamometru 3.4.1 Druhy zkoušek 3.4.1.1 Zkoušky hnacího ústrojí (spalovacích motorů) • V = konstantní - standardní způsob měření otáčkových charakteristik motorů vozidel. • F = konstantní - standardní způsob měření zatěžovacích charakteristik motorů vozidel. • Vnější otáčková - standardní způsob měření vnější rychlostních charakteristik motorů vozidel v regulaci v = konstantní. • Simulace vozovky - simulace jízdy (road load). • Jízdní zkoušky - vychází z předchozí, ale je doplněna funkcemi pro jízdu podle předem předepsané charakteristiky v čase jako např. u exhalačních testů EHK. • Akcelerační zkouška - zkouška pro měření vnější rychlostní charakteristiky dynamickou metodou.
3.4.1.2 Zkoušky brzdové soustavy • Pomaluběžné zkoušky - zkoušení brzdové soustavy dle metodiky platné pro STK, doplněná o možnost měření brzdění obou náprav současně. • Rychloběžné zkoušky - obdoba předešlé zkoušky s tím rozdílem, že zkušební rychlost může být výrazně vyšší než u pomaluběžných. • Dynamické zkoušky - zkouška spočívá v brzdění vozidla z počáteční rychlosti až do zastavení. • ABS - obdoba předešlé zkoušky, ale s vyhodnocením reálného chování ABS.
3.4.1.3 Kalibrační testy • Určení pasivních ztrát pro zkoušky brzd - slouží k určení pasivních ztrát nezávisle pro každé kolo • Určení pasivních ztrát pro zkoušky výkonu - slouží k určení pasivních ztrát pouze hnaných náprav.
3.4.1.4 Doplňkové zkoušky • Zkouška rychloměru a tachometru - ověřuje přesnost měření rychloměru a tachometru vozidla. 20
• Zkouška otáčkoměru - slouží k ověření přesnosti měření vozidlového otáčkoměru a zjištění dynamického poloměru pneumatik při akceleraci. • Zkouška náhonu 4x4 - při akceleraci a deceleraci ověřuje chování viskózních spojek a diferenciálů. Díky řešení válcové zkušebny je možno dále simulovat průjezdy zatáčkou, a tak sledovat rozdělení sil diferenciálu(ů). (www.zkusebna.wz.cz)
3.4.2 Popis měření Před zkouškou výkonu na válcové zkušebně je nutno zkontrolovat, zda jsou na hnacích kolech použity předepsané pneumatiky a zkontrolovat upevnění vyvažovacích závaží. Tlak v pneumatikách má být na horní mezi stanovené výrobcem vozidla. Po usazené vozidla na válcích je nutno provést zajištění vozidla. Vozidlo se zafixuje pomocí konstrukce k podlaze zkušebny. Ta je vybavena pryžovými dorazy, které doléhají na nárazník a umožňují vozidlu maření nadměrných dynamických sil. Před spuštěním motoru se musí na výfuk nasadit odsávací zařízení. Vlastní zkouška se kvůli reprodukovatelnosti výsledků musí provádět na určitý rychlostní stupeň. U vozidel se samočinnou převodovkou se doporučuje provádět zkoušku na nejvyšší rychlostní stupeň, a to rychlostí, při níž nedojde k prokluzu hnacích kol o ohledem na provozní pole dynamometru. Velký výkon nelze měřit při malých rychlostech jízdy, protože v tomto případě není styčná plocha mezi pláštěm a válci jej schopna přenést a dojde k prokluzu hnaných kol na zkušebních válcích. Následuje kalibrace zkušebny, měření pasivních ztrát a měření výkonu. Měření výkonu lze provádět dvěma způsoby, staticky i dynamicky. (www.zkusebna.wz.cz) Statická zkouška – měření je prováděno při konstantních otáčkách motoru, který je zatížen dynamometrem – brzdou. Odečítají se otáčky dynamometru a jim odpovídající hodnota točivého momentu, který je snímán snímačem síly. Z těchto hodnot se následně zjišťuje výkon motoru. (www.zkusebna.wz.cz) Dynamická zkouška – motor je krátkodobě zatížen odporem setrvačných hmot během jejich roztáčení. Výkon je v tomto případě stanoven výpočtem: výkon jest součinem točivého momentu a úhlové rychlosti, přičemž točivý moment je součinem momentu setrvačnosti a úhlového zrychlení. Při měření výkonu bývá obvykle zapojen analyzátor výfukových plynů, který zaznamenává údaje CO, CO2, HC, O2, NOx. Výkon motoru je násoben korekčním faktorem dle normy ISO DIN 1585 i ČSN 302008. (www.zkusebna.wz.cz) 21
3.5 Charakteristiky spalovacích motorů Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami jako jsou výkon Pe, točivý moment Mt, střední efektivní tlak pe, otáčky n, měrná spotřeba paliva mpe, hodinová spotřeba paliva Mph, dále vybraná teplota a tlak, účinnost, veličiny charakterizující exhaláty atd. Hledisek, podle kterých se charakteristiky dělí, je několik. Základní dělení je podle zvolené nezávislé proměnné veličiny. (Hlavňa a kol.,2000)
3.5.1 Rozdělení a použití charakteristik spalovacích motorů • Otáčková charakteristika, znázorňuje závislost výkonu a ostatních důležitých veličin motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. • Zatěžovací charakteristika znázorňuje závislost spotřeby paliva, zpravidla měrné mpe (g.kW-1.h-1), respektive dalších důležitých
veličin, na některé veličině
charakterizující zatížení spalovacího motoru, jako například výkon Pe, stření efektivní tlak pe, točivý moment Mt atd. • Regulační (nastavovací) charakteristika znázorňuje závislost veličin spalovacího motoru na některé konstrukční veličině, charakterizující seřízení (nastavení) motoru. • Úplná charakteristika je diagram znázorňující soustavou křivek závislost sledované veličiny na dvou základních veličinách, zanesených na osy souřadnic. Každé křivce diagramu náleží určitá stálá hodnota sledované veličiny jako parametr. Ve skutečnosti to je prostorový diagram. • Zvláštní charakteristiky, které popisují vlastnosti a chování spalovacího motoru z jiných hledisek. Použití charakteristik: • 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.
22
3.5.1.1 Otáčkové charakteristiky Otáčkové charakteristiky se používají na posuzování vlastností motorů, které pracují s proměnlivými otáčkami. Pouze v některých případech se vystačí s jmenovitou otáčkovou charakteristikou, například při stacionárních motorech. Především při vznětových naftových motorech je při posuzování jejich chování významná ta část otáčkové charakteristiky, kde působí nezávislý autonomní jedno-, dvou- nebo celorežimový regulátor. Otáčkové charakteristiky jsou nejpoužívanější nejen v odborných kruzích, ale i na motoristické veřejnosti. Vyskytují se jako součást technické dokumentace motorů, vozidel, pracovních strojů apod., v protokolech z měření, v propagačních materiálech a prospektech výrobců, respektive prodejců atd. Rozděleny jsou podle více hledisek na: 1. vnější charakteristiky - 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 charakteristiky dělí na tyto druhy: • absolutní, • na hranici kouření, • provozní, • jmenovité. 2. částečné charakteristiky - svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišují podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší než maximální. 3. zvláštní charakteristiky - zařazené pod skupinu rychlostních, které znázorňují závislosti základních veličin motoru pro určité vybrané režimy, respektive podmínky. Patří sem například: • vrtulová charakteristika, • charakteristika motoru s regulátorem, • charakteristika chodu naprázdno. (Hlavňa a kol., 2000)
23
3.5.1.2 Zatěžovací charakteristiky Zatěžovací charakteristiky se používají převážně při posuzování vlastností motorů, které pracují s konstantními otáčkami. Oba dva tyto druhy charakteristik slouží jako výsledný podklad pro konstrukci úplné charakteristiky motoru. 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. Jsou výhodné při posuzování stacionárních motorů, motorů kolejových vozidel, ale slouží také jako podklad na konstrukci úplných charakteristik motorů, při vyhodnocování ztrátového momentu, chodu naprázdno atd. (Hlavňa a kol., 2000)
3.5.1.3 Regulační (nastavovací) charakteristiky Regulační
(nastavovací)
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. Regulační charakteristiky znázorňují závislost provozních veličin spalovacího motoru (Pe, Mt, Mph, mpe…) na některé konstrukční nebo provozní veličině, charakterizující seřízení motoru, například úhel předstihu (předvstřiku), součinitel přebytku vzduchu, otvírací tlak, časování rozvodu, složení směsi apod. Při zjišťování charakteristiky měřením se mění jen sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny se podle možnosti 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. (Hlavňa a kol., 2000)
24
3.5.1.4 Úplná charakteristika Na komplexní posuzování spalovacích motorů z hlediska výkonu, momentu, spotřeby, teplot, exhalátů 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 získat měřením ani výpočtem přímo, ale je sestavená z otáčkové nebo zatěžovací charakteristiky přenosem bodů vybrané veličiny s konstantní hodnotou do souřadnicového systému pe - n, respektive Mt - n. (Hlavňa a kol., 2000)
3.5.1.5 Zvláštní charakteristiky • Výšková charakteristika - vyjadřuje průběh provozních veličin spalovacího motoru v závislosti na nadmořské výšce. • Přechodové charakteristiky - znázorňují v závislosti na čase 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. (Hlavňa a kol., 2000)
25
4. MATERIÁLY A METODY ZPRACOVÁNÍ Pro měření na zkušebně jsem použil školní vozidlo Škoda Felicia Combi 1.3i, obr. 6. Kromě vlastních zkoušek na válcovém dynamometru byly na vozidle měřeny další diagnostické veličiny.
Proto bylo zapotřebí k automobilu připojit některá
diagnostická zařízení. Soustředil jsem se zejména na měření hodnoty signálu lambda sondy, otáček z Hallova snímače na klikové hřídeli a průběh zapalování na osciloskopu.
Obr. 6 Škoda Felicia Combi 1.3i na zkušebně při měření
4.1 Lambda regulace Úloha měření hodnoty lambda je zpětná regulace směsi v motoru prostřednictvím systému přípravy směsi paliva tak, aby bylo dosaženo požadované hodnoty koncentrace škodlivých látek ve výfukových plynech, co možná nejvýhodnější pro funkci katalyzátoru vloženého do výfukového potrubí. Požadované pásmo lambda regulace, ve kterém musí poměr vzduch – palivo ležet, je tedy velmi úzké. Pohybuje se nejčastěji v rozsahu λ = 0,98 až 1,02. Pro dosažení těchto hodnot je nutno použít
26
uzavřený regulační okruh se snímačem, který měří koncentraci zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. K tomuto účelu se nejčastěji používá tzv. napěťová lambda sonda.
4.1.1 Lambda sonda Lambda sonda měří součinitel přebytku vzduchu lambda λ. Lambda je poměrné číslo určující poměr vzduchu a paliva ve směsi. Při λ = 1 pracuje katalyzátor optimálně. Vnější strana elektrody lambda sondy zasahuje do proudu výfukových plynů, vnitřní je v kontaktu s venkovním vzduchem. blokové schéma lambda sondy je zobrazeno na obr. 7, její provedení firmou Bosch na obr. 8. (Vlk 2004) 1 – aktivní keramika senzoru 2 – elektrody 3 – kontakt 4 – upevnění v tělese 5 – výfukové potrubí 6 – keramická porézní ochranná vrstva
Obr. 7 Blokové schéma lambda sondy
Obr. 8 Lambda sonda Bosch
Sonda sestává ze speciální keramiky, na jejímž povrchu jsou naneseny tenké, plyn propouštějící platinové elektrody. Účinek sondy je založen na propustnosti porézní keramické hmoty, jež umožňuje difúzi vzdušného kyslíku (pevný elektrolyt). Keramika se stává při vysokých teplotách vodivou. Je-li obsah kyslíku na obou stranách elektrod různě veliký, objeví se na elektrodách elektrické napětí. Při stechiometrickém poměru složení směsi vzduchu s palivem λ = 1 se projeví skoková funkce, obr. 9. (Vlk 2004) Na obr. 10 je záznam lambda regulace z měření – v prostředí LabVIEW.
27
Obr. 9 Napěťová charakteristika lambda sondy
Napětí a vnitřní odpor sondy je závislý na její teplotě. Spolehlivá regulace je zajištěna od 350 °C (nevyhřívaná sonda) popř. od 200 °C (vyhřívaná sonda). (Vlk 2004)
Obr. 10 Záznam lambda regulace z měření (LabVIEW)
28
4.2 Měření otáček Hallovým snímačem 4.2.1 Hallův snímač Poloha klikové hřídele je nejčastěji snímána Hallovým snímačem, obr. 12. Ten je tvořen prvkem, jehož polovodičovou destičkou protéká elektrický proud. Tento prvek je řízen clonkou, která se otáčí spolu s klikovou hřídelí. Clonka je vytvořena z feromagnetického materiálu a když se otáčí, dochází k přerušování permanentního magnetického pole. V Hallově prvku se tak vytváří napětí, které je kolmé vůči směru magnetického toku. Pohybují-li se elektrony ve vodiči, kterým procházejí siločáry magnetického pole, pak jsou elektrony vychylovány kolmo ke směru průtoku proudu a kolmo ke směru magnetického pole: A1 a A2 vzniká Hallovo napětí. Tímto tzv. Hallovým jevem, obr. 11, se vyznačují zejména polovodiče. (Vlk 2004)
B – hustota magnetického toku IH – Hallův proud IV – napájecí proud UH – Hallovo napětí d - tloušťka
Obr. 11 Hallův jev
Pokud se otáčí hřídel, pohybují se clonky rotoru bez dotyku ve vzduchové mezeře magnetické závory. Pokud je vzduchová mezera volná, protéká magnetické pole vestavěným integrovaným obvodem a tím také Hallovou vrstvou. (Vlk 2004)
29
1 – clonka s šířkou b 2 – slabě magneticky vodivý prvek s trvalým magnetem 3 – Hallův integrovaný obvod 4 – vzduchová mezera UG - Hallovo napětí
Obr. 12 Hallův snímač
Na Hallově vrstvě je vysoká hustota magnetického toku B a Hallovo napětí dosahuje maximum. Hallův integrovaný obvod je zapnut. Pokud jedna ze clonek vběhne do vzduchové mezery, ztrácí se ve clonce větší část magnetického toku a nepůsobí tak na integrovaný obvod. Hustota magnetického toku na Hallově vrstvě klesne až na malou zbytkovou hodnotu, která pochází z rozptýleného pole. Napětí UH dosáhne maximum. Protože velikost Hallova napětí leží v oblasti milivoltů, je tento signál upraven ve vlastním snímači a do řídící jednotky jsou vedeny pravoúhlé spínací impulzy. V nejjednodušším případě zjišťuje řídící jednotka, zda při průchodu zubové mezery ozubeného kotouče klikového hřídele, je na Hallově snímači napětí a tedy zda se 1. válec nachází v pracovní fázi. (Vlk 2004)
4.3 Snímání zapalování osciloskopem 4.3.1 Osciloskop Osciloskop je elektronický měřící přístroj s obrazovkou vykreslující časový průběh měřeného napěťového signálu. Funkce osciloskopu spočívá v horizontálním a vertikálním vychylování elektronického paprsku , který dopadá na stínítko pokryté
30
fluorescenční hmotou. Vykreslené křivky se nazývají oscilogram. Parametry zobrazení oscilogramu mohou být změněny různými nastaveními osciloskopu: -
volbou měřícího rozsahu
-
horizontálním a vertikálním zesílením
-
horizontálním a vertikálním posunutím obrazu
4.3.2 Druhy osciloskopů 1. analogové -
klasické
-
paměťové
–
používají
paměťovou
obrazovku
pro
uchování
jednorázového nebo neperiodického průběhu -
vzorkovací – pro zachycení velmi rychlého průběhu odebere z každé n-té periody vzorek posunutý oproti předchozímu vzorku. Z těchto vzorků je složen výsledný průběh stejného tvaru n-krát pomalejší.
2. digitální – mohou spolupracovat s osobním počítačem nebo plnit funkci paměťových a vzorkovacích osciloskopů
Pro diagnostické účely je dobré zvolit digitální paměťový osciloskop. Ten se hodí pro snímání rušení a pro snímání výpadků v čase. Má také možnost uchování signálu a listování v paměti záznamu. Pro měření jsem použil digitální osciloskop a také komplexní systém NI ELVIS. Schématický průřez osciloskopickou obrazovkou je na obr. 13.
1 – vychylovací destičky 2 – emitor 3 – svazky elektronů 4 – zaostřovací cívky 5 – fluorescenční vrstva
Obr. 13 Schématický průřez osciloskopickou obrazovkou
31
Na obr. 14 je digitální osciloskop, na kterém je zachycen zapalovací impulz s invertovanou polaritou. Ve svislém směru je zachyceno vychýlení závislé na velikosti sekundárního napětí. Vodorovné vychýlení představuje čas trvání jevu. Svislá linie zapalovacího napětí zobrazuje nejvyšší sekundární napětí před přeskokem jiskry. Je označována jako ,,jehla´´. Po vytvoření oblouku stačí pro jeho udržení mnohem nižší napětí. To je zobrazeno jako téměř vodorovná linie a je označována jako ,,linie zapalovacího napětí´´. Délka označuje dobu, po kterou je mezi kontakty zapalovací svíčky oblouk. Po určité době dojde k poklesu energie a oblouk zhasne – nastane tzv. výkmit. Je zobrazen jako drobné kmitání. Po sepnutí kontaktů přerušovače nastává tzv. uzavírací úsek . Na obr. 15 je zachycen průběh zapalování pomocí softwaru NI ELVIS.
Obr. 14 Digitální osciloskop, zapalování
32
Obr. 15: Sekundární zapalování, PC monitor, NI ELVIS
4.4 Diagnostické prostředky Využil jsem prostředků National Instruments, dále NI, neboť software zkušebny a ostatní podpůrné prostředky pocházejí z jejich produkce. To zajistí bezproblémovou integraci vytvořeného modulu snímání analogových dat.
4.4.1 Hardware Jako hardwarové prostředky byly použity komponenty CompactDAQ 9172, modul analogových napěťových vstupů NI 9205 a NI USB modul 6009. Přenos dat byl zajištěn protokolem DataSocket přes TCP/IP. Dále je uveden jejich popis.
4.4.1.1 Modul NI 9205 NI 9205 je modul z Series C, který se používá s NI cDAQ a s NI cRIO šasi. NI 9205 charakterizuje 32 SE nebo 16 diferenčních analogových vstupů, 16-ti bitové rozlišení a maximální vzorkovací rychlost 250 kS/s. Každý kanál má programovatelný vstupní rozsah ± 200 mV, ±1, ±5, and ±10 V. Modul je schopen trvale odoláván napětí 60V (stejnosměrná složka) a až 1500V mezi vstupem a zemí (odolnost 5s), trvale 250Vrms. 33
Obsahuje 2 možné konektory připojení. 36 – pinovou pružinovou svorku pro přímé spojení nebo 37 – pinový D-sub konektor. NI 9205 s 37 – pinovým D-sub konektorem je opatřený běžným kabelem pro široké spektrum příslušenství NI nebo jiných výrobců. Modul NI 9205 je na obr.16.
Obr. 16 Modul NI 9205 4.4.1.2 Modul NI USB 6009 Ni 6009 poskytuje základní funkci k získávání dat z aplikací jako jsou základní protokolování dat, přenosná měření a laboratorní pokusy. Je dostupný pro studijní účely a schopný měřit i propracovanější aplikace. Modul NI USB 6009 je na obr.17. Pro rychlejší vzorkování, přesnější měření, vyšší počet kanálů, užívá NI 6009 vysoce výkonné USB zařízení k získávání dat. Všechny NI USB zařízení k měření dat obsahují sw podporu NI LabVIEW SignalExpress LE, takže můžeme rychle získat, analyzovat, a prezentovat data bez programování. Technický popis zařízení: - 8 analogových vstupů (14-bit, 48 kS/s) - 2 analogové výstupy (12-bit, 150 S/s); 12 digitální vstup/výstup; 32-bit čítač - Sběrnice USB 2.0, až 480 Mbit/s
Obr. 17 Modul NI USB 6009
34
4.4.2 Software Jako software jsem použil vývojové prostředí LabVIEW. Dále je uveden jeho popis. Software je psán s co největší účelnostía a není ošetřeno ladění chyb. Celý program běží přímo v prostředí, nebyla provedena (z vývojových důvodů) kompilace do exe tvaru. Pro účely vývoje je však toto řešní optimální.
4.4.2.1 LabVIEW Stručné představení LabVIEW je vývojovým grafickým prostředím, postaveném na využití programovacího jazyka G. Toto prostředí je zaměřeno na vývoj aplikací, zajišťujících řízení celého procesu sběru měřených dat, jejich analýzy a prezentace. Jedná se o produkt firmy National Instruments. Využití Použití tohoto systému, díky jeho koncepci pro tvorbu měřících a řídících aplikací, je výrazné zjednodušení jak při vývoji nové aplikace, tak při jejich následném modifikování. LabVIEW je určeno především pro získávání dat a ovládání přístrojů, proto obsahuje knihovny funkcí a vývojové nástroje navržené speciálně k tomuto účelu. Dá se však použít i pro obecné programovací úlohy. Aplikace tvořené v LabVIEW jsou nazývány Virtual Instruments (VI) (virtuální přístroje), neboť jejich vzhled a činnost připomínají skutečné přístroje. Jejich výkon a použitelnost jsou na rozdíl od tradičních přístrojů omezeny pouze výkonem použitého počítače a k němu připojeného hardwaru. Programátor se zbavuje starostí s řadou syntaktických detailů konvenčního programování a může se plně soustředit na řešení zadaného problému. Sběr dat Zařízení pro přímé vyhodnocení signálu: - jednoúčelové Jedná se zpravidla o zásuvné moduly pro standardní počítačové sběrnice PCI, PC Card (PCMCIA), ISA, EISA, PXI, SCXI atd. Tyto zásuvné moduly jsou přímo hotovými měřícími přístroji, resp. jejich stěžejní části. Pro další zpracování jsou výsledky předávány po sběrnici k archivaci, zobrazení naměřených hodnot, nastavení přístroje, komunikaci s uživatelem atd. Zpravidla jsou dodávány s již vytvořeným softwarem pro přímé použití přístroje pomocí PC a dále knihovnami umožňujícími napsat vlastní software, případně "zabudování" takového přístroje do měřící
35
aparatury. Hlavní předností je lepší přizpůsobení pro daný účel a zpravidla dosažení lepších parametrů, než v případě víceúčelových zařízení. - víceúčelové Zařízení je zpravidla vybaveno kombinací A/D převodníku s multiplexorem, D/A převodníku, digitálního vstupu/výstupu a případně čítačem/časovačem. Takováto multifunkční zařízení jsou levnější a univerzálnější než jednoúčelová, avšak zpravidla nedosahují jejich výkonů a přesností. Na vstup je přiveden analogový nebo digitální signál, který je vzorkován a výsledky jsou předávány po sběrnici k dalšímu zpracování. Některá zařízení jsou schopna vyvolat události při změně signálu. Zařízení pro úpravu signálu: Potřebujeme-li změřit libovolnou fyzikální veličinu jako např. teplotu, tlak, průtok, proudovou smyčku atd., pak je zpravidla výhodné provést nejprve úpravu signálu na odpovídající úroveň. Moduly pro úpravy signálu bývají vícekanálové a mohou zahrnovat zesílení, izolaci signálu, kompenzaci, usměrnění, filtraci a mnoho dalších funkcí. Přenos dat od samostatných zařízení: Pro měření lze taktéž využít soběstačných zařízení, která pro přenos dat užívají sběrnice GPIB, sériové sběrnice RS-485/422 nebo RS-232, sítě LAN atd.. Pro připojení takových zařízení je výhodné využít speciální moduly. Tato zařízení jsou zpravidla schopná rozšířit možnosti připojení a to při udržení vysokých přenosových rychlostí. Řízení a ovládání - univerzální modul K řízení je využíván přímý výstup z vhodných karet. Řídící signál je příslušně upraven výstupní kartou. Zajištění požadovaných parametrů signálu je ponecháno na PC. Nevýhodou takového uspořádání je, zvláště u úloh s komplikovanějším řízením, vysoké zatížení řídícího PC. Další ožehavou otázkou bývají, zvláště u silových prvků, nedostatečné parametry výstupů. Zpravidla se užívá pro jednodušší úlohy v kombinaci s užitím univerzálních měřících karet k řízení malých motorků, spínání malých odběrů atd. - speciální modul Vybrané prvky jsou ovládány přes "svůj" hardware, jehož chování je možné měnit jen do určité míry. Výhodou takových řešení je zpravidla větší rychlost, jednodušší ovládání. Nevýhodou je naopak fakt, že nízko úrovňové funkce řídicí
36
jednotky jsou dány hardwarem, případně firmwarem a uživatel má velmi omezené možnosti změny. - ostatní Dále se užívají zařízení komunikující po sběrnicích GPIB, sériových sběrnicích RS485/422 nebo RS-232, případně v síti LAN atd.. Virtuální přístroj Hotová aplikace VI simuluje vzhled skutečného přístroje, na jehož předním panelu jsou soustředěny všechny potřebné prvky (prvky pro zobrazení průběhu signálů nebo naměřených hodnot, signalizační prvky, ovládací prvky, tlačítka, posuvníky, atd.). Výsledná aplikace, pro větší přehlednost, může obsahovat i několik předních panelů a zobrazovat je podle předvoleb uživatele. Ovládací a kontrolní prvky VI mohou být spojeny s periferiemi PC, např. numerické klávesnice, upravené klávesnice, přímé zapisovače grafu, atd.. Grafické rozhraní Při vytváření aplikace virtuálního přístroje se pracuje ve dvou základních oknech, označovaných jako Front panel preview a Block diagram preview. V prvním zmiňovaném se vytváří vnější vzhled přístroje, tj. rozmístnění prvků, jejich vzhled atd.. V druhém okně modelujeme blokové schéma algoritmu aplikace. Schéma algoritmu se vytváří z několika typů entit: - terminály - zajišťují komunikaci s předním panelem -funkce - výkonný aparát pro zpracování dat - interface - umožňuje přímý přístup k podporovanému hardwaru - ovladače - ovládání podporovaných periférií počítače - vodiče - zajišťují tok dat mezi ostatními entitami Vytváření jednoduchých aplikací je díky této struktuře a řadě předpřipravených entit jednoduché a intuitivní. LabVIEW obsahuje všechny běžné nástroje pro ladění programů. Front panel je an obr. 18, block panel preview je na obr. 19.
37
Obr. 18 Front panel preview
Obr. 19 Block panel preview
38
Simulace Prostředí LabVIEW disponuje navíc předpřipravenými entitami a moduly umožňují simulaci některých procesů. Tato možnost se užívá především v několika případech: - při testování a ladění - umožňuje při tvorbě a ladění aplikace VI být nezávislý na experimentálním zařízení. Navíc u zařízení, kde jsou vysoké nároky na provoz, tyto v době přípravy aplikace výrazně snižuje. - kontrola běhu aplikace - využívá se jako součást aplikace pro ověření správného běhu aplikace a případných vnějších zařízení, u kterých je možné testovat jejich správnou funkci. Některá zařízení během kontroly provádí též kalibraci. - porovnávání výsledků - opět se využívá jako součást aplikace, ovšem v tomto případě především možnosti přímého srovnání naměřených výsledků s teoretickými hodnotami. Za výhodu lze považovat skutečnost, že pokud simulujeme primární signál prochází tento stejným zpracováním jako naměřená data. Další možností využití je zapojení do simulace více PC, kdy jedno může sloužit jako simulátor procesu pro testování kritických situací. Výstup dat LabVIEW je vybaveno řadou funkcí pro prezentaci a ukládání dat. Základní přístupy jsou zobrazení na monitoru v rámci aplikace VI, uložení do ASCI souboru a do binárního souboru. - ukládání do souborů Předností ASCI souboru je jeho čitelnost a relativní univerzálnost, avšak ukládání je pomalé a zdržuje aplikaci stejně jako ukládání do strukturovaných dokumentů jednotlivých výrobců, i když se jedná o binární soubory. Nejrychlejším způsobem uložení je binární soubor VI (formát LabVIEW) , uložení do takového souboru může být až mnohonásobně rychlejší než do jiných dokumentů. - spolupráce s programy fy. Microsoft Aplikace VI v prostředí Windows může zavolat další obslužný program a předat mu naměřené hodnoty, aby si je uživatel mohl sám zpracovat. Případně je uložit v příslušném formátu. Programátor disponuje sadou funkcí, je schopen vytvořit požadovaný dokument včetně vyšších struktůr, nebo pouze naměřená data do souboru vytvořeného těmito prostředky na požadované místo přidat. - obecně podporované formáty Pro distribuci dat naměřených aplikací VI je možno využít některý předpřipravený modul pro zjednodušené generování dokumentů ve strukturovaných dokumentech. 39
Jedná se především o formáty RTF, TeX a jeho odnože, dále pak formáty užívané pro publikování na internetu, HTML a jeho odnože včetně skriptů, PHP, atd. -přenos dat po síti Jak již bylo zmíněno dříve v LabVIEW jsou integrovány prostředky pro přenos dat po síti. Nejedná se jen o přenos dat v rámci měřící aparatury nebo lokální sítě, ale i výstup do vzdálenějších sítí, např. formou FTP a URL přenosů, případně je možné vytvoření vlastního serveru nebo mail klienta. - datový tok Nejmocnějším nástrojem pro komunikaci je možnost vytvořit tak zvaný data stream, jenž umožňuje provést kódování dat, krom jiného i na nejnižší úrovni. Tímto nástrojem je prakticky možné vytvořit libovolný výstup, počínaje řízeným zápisem do paměti a generováním audio signálu na libovolném portu konče. - externí zobrazovače Pro běžné výstupy, jako je televize, monitor, řádkové LCD, průmyslový zobrazovací panel atd., jsou v LabVIEW připraveny moduly. S pomocí těchto modulů lze vytvořit celkem jednoduše nenáročné, ale přehledné zobrazení procesu pro obsluhu. - tiskárny LabVIEW je též vybaveno moduly pro přímý tisk v prostředí Windows, nečastěji pomocí API funkcí přes nainstalované ovladače tiskárny. V případě nepřímo dostupných tiskáren je pak doporučována spíše forma PostScriptu. - jiné možnosti Krom výše popsaného je podle dostupných informací možnost komunikovat s libovolným zařízením, kde není přenos dat nijak blokován a je známa struktura dat. Z těch nejběžnějších to jsou mechaniky CD-ROM, páskové paměti, ale i faxy, mobilní telefony, atd.
40
4.5 Vlastní měření 4.5.1 Prvotní nastavení Bylo nutné provést konfiguraci komponent, která sestává z několika kroků: -
zvolení typu měření: diferenční (plovoucí), se společnou zemí RSE, resp, NRSE,
-
volba rozsahu měření -10V až 10V,
-
vzorkování, nebo-li sample rate. Maximální hodnoty jsou 250 kS/s pro Compact DAQ a 48 KS/s pro USB 6009
-
mód vzorkování: Nsamples, On demand, Continous. N samples znamená, že měřicí karta provede odměr zvoleného počtu vzorků a zastaví měření (pokud není aktivována loop smyčka. On demand značí odměr vzorků na požádání uživatele. Continous je kontinuálním typem vzorkování, probíhá neustále a je třeba ho korektně ukončit tak, aby karta po ukončení jiné smyčky stále neměřila, což je v podstatě šetření systémovými prostředky PC, Správná konfigurace je interně sledována a pokud jsou hodnoty mimo rozsahy,
pak to ovládací a konfigurační program DAQ Assistant oznámí a navrhne řešení. Pro případ mého měření bylo nutné vytvořit dvě nezávislé instance DAQ Asistentu tak, aby byly nezávisle na sobě konfigurovány obě karty. Prostředí konfiguračního programu DAQ Assistant je na obr. 20.
Obr. 20 Prostředí konfiguračního programu DAQ Assistant 41
4.5.2 Měření Ovladače karty (NI-DAQmx) sami přistupují přes vlastní DLL na karty a data jsou systému poskytována jako Dynamic Data, která jsou formátu pole s definicí času. Jelikož je předpoklad, že dt mezi vzorky je konstantní, pak je tato časová informace irelevantní a dochází ke konverzi na typ pole (1D array). Prostředí konverze dat je na obr. 21. Data 1D array je již vzorkem, který je dále zobrazován a posílán na server zkušebny.
Obr. 21 Prostředí konverze dat
Na obr. 22 je pod číslem 1 je kód programu, kde dochází ke čtení hodnoty z lambda sondy, což je analogová hodnota mezi 0 a 1 V. Tato byla čtena Compact DAQ modulem NI 9205. Počet vzorků byl stanoven na 1000 a po 100 ms byla data poslána do smyčky, tedy celkově 10 Hz. Vzhledem k rychlosti odezvy lambda sondy je to naprosto vyhovující. Vzorky byly navíc vnitřně průměrovány.
42
Obr. 22 Nastavení programu čtení lambda sondy
Po odečtu v první části programu dojde k přepnutí na odměr druhé karty, obr. 23. Ta má za úkol měřit signál z Hallovy sondy otáček motoru. Signál je dobře známý obdélníkový průběh. Pro naše účely by však bylo nesmyslné jakkoliv ho průměrkovat atp. Je nutné určit dobu mezi pulsy. Ta se určí samostatným podprogramem (Timing and transition measurement), obr. 24. Vizuální okno je jednoduché, avšak účelné a nezatěžuje systém animacemi a efekty. V případě signálu z Hallovy sondy je tento způsob plně vyhovující. Pokud by se ovšem jednalo o zašuměný signál, bylo by nutné provést FFT analýzu, resp. ještě i filtraci (Bessel, Buterworth, Chebyshev aj.).
43
Obr. 23 Nastavení programu čtení Hallovy sondy
Obr. 24 Podprogram Timing and transition measurement
44
Po výpočtu jsou data lokální proměnou posílána do subVI, kde dochází ke komunikaci se serverem zkušebny přes TCP/IP, přičemž použitý protokol je DataSocket. Data jsou po síti posílána jako 1-D pole a frekvence je fixně nastavena na 20 Hz (dáno požadavky serveru zkušebny).
4.5.2.1 DataSocket K přenosu a sdílení dat mezi různými aplikacemi byl použit systém DataSocket, který zjednodušuje skutečná data vyměněná mezi různými aplikacemi na jednom počítači nebo na více počítačích spojených sítí. Ačkoliv dnes existují různé technologie sdílení dat mezi aplikacemi, mnohé z nich nejsou zaměřeny na přenos skutečných dat. DataSocket nicméně implementuje jednoduchý vysoce výkonný programový nástroj navržený specielně pro sdílení a publikování skutečných dat z měření a automatických aplikací. Propojení více počítačů pomocí DataSocket je na obr. 25.
Obr. 25 DataSocket
45
5. VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUZE Při měření jsou data zpracována a ukládána na PC. Mohou se exportovat do tabulkového procesoru. Pro vyhodnocení měření jsem vybral hodnoty výkonu, točivého momentu, součinitele přebytku vzduchu lambda a otáček z Hallova snímače. Otáčky motoru, ze kterých jsem vycházel při sestrojování grafů, byly snímány zařízením Bosch. Údaje o výkonu a točivém momentu, které jsou uvedeny v grafech jsou již korigované a odpovídají skutečným hodnotám přímo na motoru.
5.1 Doplňkové testy 5.1.1 Kalibrace tachometru a kalibrace závislosti rychlosti vozidla a otáček motoru Největší rozdíl mezi skutečnou rychlostí a naměřenou rychlostí činil 1 km/h, což je výsledek, který je v normě. Při zvyšování rychlosti se odchylka příliš neměnila. Tyto zkoušky jsou jen informativní a nemají na další měření vliv. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v příloze.
5.1.2 Kalibrace pro statické zkoušky Se zvyšující se rychlostí rostou také pasivní odpory. Jde téměř o lineární nárůst. Největší pasivní odpor 0,145 kN byl naměřen při rychlosti 120 km/h. Přesný průběh je zobrazen v grafu v příloze.
5.2 Grafické znázornění naměřených hodnot 5.2.1 Statická zkouška Měření bylo provedeno celkem dvakrát. Zkouška probíhala po dobu 36 s. Hodnoty byly zaznamenány pouze ve čtyřech časových intervalech, které ovšem pokryly celé spektrum měřených otáček. Tabulky s výběrem naměřených hodnot jsou uvedeny v příloze.
46
Výkon motoru [kW]
5.2.1.1 Měření č.1 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 26 Závislost výkonu na otáčkách motoru Na obr. 26 je znázorněna závislost výkonu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět,
Točivý moment [Nm]
že největší výkon 34,1 kW je dosažen při otáčkách 4696 min-1. 85 80 75 70 65 60 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčkymotoru [min-1]
Obr. 27 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru Na obr. 27 je znázorněna závislost točivého momentu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět, že největší točivý moment 83,2 Nm je dosažen při otáčkách 3209 min-1.
47
Lambda [-]
0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 28 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru Na obr. 28 je znázorněna závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru. Měření bylo zaznamenáno v pásmu otáček motoru od 2461 - 4696 min-1. Je vidět, že křivka se zvyšujícími se otáčkami pozvolna klesá. Hodnoty
-1
Otáčky Hall [min ]
součinitele přebytku vzduchu lambda byly naměřeny v rozsahu 0,972 – 0,874. y = 1,0022x 2 R = 0,9999
5000 4500 4000 3500 3000
Skutečná závislost
2500
Teoretická závislost
2000 2000
2500
3000
3500
Lineární (Skutečná závislost) 4000 4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 29 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru Na obr. 29 je znázorněna závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru. Modře jsou zobrazeny naměřené hodnoty. Skutečná křivka je nahrazena lineární spojnicí trendu (červeně). Zelená přímka znázorňuje teoretickou závislost. Otáčky snímané Hallovým senzorem byly nepatrně vyšší, než otáčky snímané zařízením Bosch. Se zvyšujícími se otáčkami se rozdíl snižoval. Při nejnižších měřených otáčkách činil rozdíl otáček 16 min-1, při nejvyšších měřených otáčkách byl rozdíl pouze 9 min-1.
48
Výkon motoru [kW]
5.2.1.2 Měření č.2 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 30 Závislost výkonu na otáčkách motoru
Na obr. 30 je znázorněna závislost výkonu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět,
Točivý moment [Nm]
že největší výkon 34,0 kW je dosažen při otáčkách 4696 min-1.
85 80 75 70 65 60 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 31 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru
Na obr. 31 je znázorněna závislost točivého momentu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět, že největší točivý moment 83,0 Nm je dosažen při otáčkách 3209 min-1. 49
Lambda [-]
0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 32 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru Na obr. 32 je znázorněna závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru. Měření bylo zaznamenáno v pásmu otáček motoru od 2461 - 4696 min-1. Křivka klesá nejprve strměji, od otáček 3200 min-1 je klesání pozvolnější.
-1
Otáčky Hall [min ]
Hodnoty součinitele přebytku vzduchu lambda byly naměřeny v rozsahu 0,965 –0,874. y = 1,0156x R2 = 0,9991
5000 4500 4000 3500
Skutečná závislost
3000
Teoretická závislost
2500
Lineární (Skutečná závislost)
2000 2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 33 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru
Na obr. 33 je znázorněna závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru. Modře jsou zobrazeny naměřené hodnoty. Skutečná křivka je nahrazena lineární spojnicí trendu (červeně). Zelená přímka znázorňuje teoretickou závislost.
50
Otáčky snímané Hallovým senzorem byly vyšší, než otáčky snímané zařízením Bosch. Se zvyšujícími se otáčkami se rozdíl zvyšoval. Při nejnižších měřených otáčkách činil
Lambda [V]
rozdíl otáček 4, při nejvyšších měřených otáčkách byl rozdíl až 98. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 48,5
48,8
49,1
49,4
49,7
50,0
čas [s]
Obr. 34 Záznam lambda regulace z měření (server zkušebny)
Na obr. 34 je znázorněn záznam lambda regulace. Zobrazen je pouze výřez z měření. Je zde dobře vidět, že se napětí na lambda sondě pohybuje skokově v rozmezí 100 mV – chudá směs až 800 mV – bohatá směs.
5.2.2 Dynamická zkouška Měření bylo provedeno celkem dvakrát. Zkouška probíhala po dobu 27 s. V každém měření byly všechny snímané hodnoty zaznamenány více jak pětsetkrát. Tabulky s výběrem naměřených hodnot jsou uvedeny v příloze.
51
Výkon motoru [kW]
5.2.2.1 Měření č.1 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 35 Závislost výkonu na otáčkách motoru
Na obr. 35 je znázorněna závislost výkonu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět,
Točivý moment [Nm]
že největší výkon 35,1 kW je dosažen při otáčkách 4504 min-1. 90 85 80 75 70 65 60 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 36 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru
Na obr. 36 je znázorněna závislost točivého momentu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět, že největší točivý moment 84,1 Nm je dosažen při otáčkách 3294 min-1.
52
-1
Otáčky Hall [min ]
y = 1,0069x R 2 = 0,9756
5000 4500 4000 3500 3000
Skutečná závislost
2500
Teoretická závislost
2000
Lineární (Skutečná závislost)
1500 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 37 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru Na obr. 37 je znázorněna závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru. Modře jsou zobrazeny naměřené hodnoty. Skutečná křivka je nahrazena lineární spojnicí trendu (červeně). Zelená přímka znázorňuje teoretickou závislost. Z grafu je zřejmé, že snímané otáčky dvěma různými zařízeními byly rozdílné. Při měření otáček Hallovým snímačem se měřila doba pulzu a časové kolísání způsobilo problémy s měřením hodnoty. Se zvyšujícími se otáčkami se rozdíl zvyšoval, nejvyšší činil 493.
Výkon motoru [kW]
5.2.2.2 Měření č.2 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min -1]
Obr. 38 Závislost výkonu na otáčkách motoru Na obr. 38 je znázorněna závislost výkonu na otáčkách motoru. Z grafu je vidět, že největší výkon 34,9 kW je dosažen při otáčkách 4500 min-1. 53
Točivý moment [Nm]
85 80 75 70 65 60 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 39 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru
Na obr. 39 je znázorněna závislost točivého momentu na otáčkách motoru.
Lambda [-]
Z grafu je vidět, že největší točivý moment 83,2 Nm je dosažen při otáčkách 3323 min-1. 1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru [min-1]
Obr. 40 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru
Na obr. 40 je znázorněna závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru. Měření bylo zaznamenáno v pásmu otáček motoru od 1877 - 4504 min-1.
54
-1
Otáčky Hall [min ]
y = 1,005x R2 = 0,9712
5000 4500 4000 3500 3000
Skutečná závislost
2500
Teroretická závislost
2000
Lineární (Skutečná závislost)
1500 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000 -1
Otáčky motoru [min ]
Obr. 41 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru
Na obr. 41 je znázorněna závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru. Modře jsou zobrazeny naměřené hodnoty. Skutečná křivka je nahrazena lineární spojnicí trendu (červeně). Zelená přímka znázorňuje teoretickou závislost. Dochází zde ke stejnému jevu jako v prvním případě. Se zvyšujícími se otáčkami se rozdíl zvyšoval, nejvyšší činil 613.
55
6. ZÁVĚR Cílem práce bylo zpracovat analýzu možností měření parametrů motoru na válcovém dynamometru, navrhnout systém snímání dat analogových veličin a vše ověřit v praktickém měření sběru dat analogových veličin. Měření se uskutečnilo na zkušebním stanovišti MZLU a bylo provedeno na školním vozidle Škoda Felicia combi 1.3i. Nejprve bylo nutné nachystat pracoviště tak, aby bylo možné správně provést měření. Použitá zařízení, jsou blíže popsána v kapitole Materiály a metody zpracování. Jednotlivé měřicí prostředky byly kombinovány. Zkoušky provozních parametrů vozidla byly provedeny statickou i dynamickou metodou. Naměřená data byla v průběhu zkoušení odesílána na server zkušebny s jednotnou časovou bází (50 ms) a synchronně s daty měřicích členů zkušebny ukládána. Praktická část mé diplomové práce vychází z požadavku měření parametrů regulace motoru, které mají markantní vliv na výsledné výkonové parametry motoru, ale taktéž svojí podstatou značně ovlivňují výslednou produkci polutantů, ať limitovaných tak i nesledovaných. Stěžení část leží v přípravě systému, který je schopen snímat data v průběhu zkoušek, provést jejich analýzu a v žádaném čase je odeslat na server zkušeny. Mnou navržený způsob byl prakticky ověřen. Pro účely stanovení funkčnosti a odolnosti systému byly vybrány parametry otáček motoru a dále dvě veličiny přímo vztažené ke spalovacímu procesu: - napěťový signál lambda sondy určující kvalitu směsi a dále průběh přeskokového napětí sekundárního okruhu zapalování. Koncepce systému byla navržena jako modulární, programové smyčky lze zapínat i vypínat libovolně. Ovšem je nutné respektovat výpočetní výkon. Moje řešení výpočtu otáček motoru spoléhalo na měření doby periody signálu z Hallovy sondy. Tento modul vnitřně užívá rychlou Fourierovu transformaci (FFT), pokud by bylo nutné FFT analýzu provádět současně v několika smyčkách, pak by docházelo k úplnému vytížení procesoru a nárůstu zpoždění smyček do takové míry, že je ohrožen i vlastní operační systém. Je tedy nutné před zahájením měření rozhodnout, které signály budou prioritní a které méně. Při ošetření stavů a chyb je navýsost vhodné ošetřit také state stavy, tedy stavy, kdy je jednou z proměnných čas. Frekvence je samozřejmě časová
56
veličina a derivace hodnoty signálu v nekonečně dlouhé době (motor stojí) je nejen matematický nesmysl, ale také chyba výpočtu v FFT. Existuje také druhá možnost monitorování signálu Hallovy sondy, a to čistě v digitální podobě. Tento způsob pouze uvádím, jelikož průběh lze přivést na digitální vstupy, resp. čítač. V případě digitálního vstupu lze naprogramovat vlastní sw čítač, kdy se bude počítat náběžná hrana signálu, jen je potřeba respektovat Nyquist-Shannonův teorém aplikovaný na digitální signál. Vzhledem k výrazné převaze spojitých signálů a také jistému „analogovému původu“ a možnostmi postprocesingu se první metoda ukázala velmi zajímavější a byla pozitivně verifikována. Jak již bylo popsáno výše. Je patrná změna otáček mezi stanovením z kapacitních kleští diagnostickým přístrojem a mnou vytvořeným systémem. Statická metoda vykazovala nepatrné rozdíly, avšak u dynamické metody měření byly změny výrazné. Důvodem byla časová fluktuace otáček, neboť analýza doby trvání pulzů je vhodná pro harmonické signály, v mém případě se však doba mezi pulzy neustále zkracuje. Řešení leží ve zvýšení rychlosti smyčky a načtení většího množství dat. Vyvstává otázka: „Proč tomu tedy tak nebylo?“ Odpověď s sebou nenese jen specifické aspekty měření při zkoušení motorových vozidel, ale také ty obecné, těžko determinovatelné. Výrazně se na rychlosti smyčky podílí fakt, že prostředí bylo programováno na operačním systému Windows (verze XP). Reálná schopnost zpracovávat proměnné je cca 10ms, ale jelikož tento systém je cílen spíše běžným uživatelům, není schopen čas smyčky stabilně udržet. Interní služby (indexace souborů, defragmentace atd.) způsobují zatěžování systému a diferenci času ve smyčce. Tedy můj koncept alespoň částečně respektoval požadavky systému. Obecně bych však pro náročnější úlohy tohoto typu nasadil měřicí zařízení která budou postavena na operačním systému reálného času (VxWorks, PharLap aj.). Hodnoty výkonu a točivého momentu, byť nebyly prioritním cílem, byly naměřeny nižší než jaké uvádí výrobce. To přisuzuji stáří vozidla a počtu ujetých kilometrů. Statickou metodou byl naměřen nejvyšší výkon motoru 34,1 kW při otáčkách 4696 min-1 a točivý moment 83,2 Nm při otáčkách 3209 min-1. Dynamickou metodou byl naměřen nejvyšší výkon motoru 35,1 kW při otáčkách 4504 min-1 a točivý moment 84,1 Nm při otáčkách 3294 min-1. Měřením analogových veličin jsem ověřil funkčnost všech prvků, které jsem diagnostikoval. Průběh lambda regulace, který je uveden v kapitole 4.1 ukazuje, že
57
lambda sonda pracuje zcela korektně, a to jak v úrovni signálu, tak i v časových měřítcích: - doba náběhu signálu i trvání regulační smyčky. Všechny naměřené hodnoty jsou vyneseny v grafech v kapitole 5.2 a v přílohách, které jsou vytištěné ze serveru zkušebny.
58
7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY VLK, F.: Zkoušení a diagnostika motorových vozidel, Nakladatelství a vydavatelství VLK, Brno, 2005, 575 s, ISBN 80–239–3717–0
HLAVŇA a kol.: Dopravný prostriedok – jeho motor, ŽU, Žilina, 2000, 442 s, ISBN-80-7100-665-3
VLK, F.: Elektronické systémy motorových vozidel, Nakladatelství a vydavatelství VLK, Brno, 2004, 298 s, ISBN 80-238-7282-6
ONDRÁČEK, J.: Zařízení a měřící technika pro zkoušení motorů, VŠZ v Brně, 1981, 36 s
JIČÍNSKÝ, Š.: Osciloskop a jeho využití v autoopravárenské praxi, Grada Publishing, Praha, 2006, 238 s, ISBN 80-247-1417-5
INTERNET www.zkusebna.wz.cz www.autopress.cz www.ni.com
59
8. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Hydraulický dynamometr..................................................................................... 14 Obr. 2 Elektrovířivý dynamometr ................................................................................... 16 Obr. 3 Schéma kompletní zkušebny................................................................................. 17 Obr. 4 Schéma kompletní zkušebny................................................................................. 18 Obr. 5 Bosch ESA........................................................................................................... 19 Obr. 6 Škoda Felicia Combi 1.3i na zkušebně při měření .............................................. 26 Obr. 7 Blokové schéma lambda sondy ............................................................................ 27 Obr. 8 Lambda sonda Bosch........................................................................................... 27 Obr. 9 Napěťová charakteristika lambda sondy ............................................................. 28 Obr. 10 Záznam lambda regulace z měření (LabVIEW)................................................. 28 Obr. 11 Hallův jev........................................................................................................... 29 Obr. 12 Hallův snímač .................................................................................................... 30 Obr. 13 Schématický průřez osciloskopickou obrazovkou.............................................. 31 Obr. 14 Digitální osciloskop, zapalování ....................................................................... 32 Obr. 15: Sekundární zapalování, PC monitor, NI ELVIS ............................................... 33 Obr. 16 Modul NI 9205................................................................................................... 34 Obr. 17 Modul NI USB 6009........................................................................................... 34 Obr. 18 Front panel preview........................................................................................... 38 Obr. 19 Block panel preview........................................................................................... 38 Obr. 20 Prostředí konfiguračního programu DAQ Assistant ......................................... 41 Obr. 21 Prostředí konverze dat....................................................................................... 42 Obr. 22 Nastavení programu čtení lambda sondy .......................................................... 43 Obr. 23 Nastavení programu čtení Hallovy sondy.......................................................... 44 Obr. 24 Podprogram Timing and transition measurement............................................. 44 Obr. 25 DataSocket......................................................................................................... 45 Obr. 26 Závislost výkonu na otáčkách motoru................................................................ 47 Obr. 27 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru.............................................. 47 Obr. 28 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru ............... 48 Obr. 29 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru.................................. 48 Obr. 30 Závislost výkonu na otáčkách motoru................................................................ 49 Obr. 31 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru.............................................. 49 Obr. 32 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru ............... 50 Obr. 33 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru.................................. 50 Obr. 34 Záznam lambda regulace z měření (server zkušebny)....................................... 51 Obr. 35 Závislost výkonu na otáčkách motoru................................................................ 52 Obr. 36 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru.............................................. 52 Obr. 37 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru.................................. 53 Obr. 38 Závislost výkonu na otáčkách motoru................................................................ 53 Obr. 39 Závislost točivého momentu na otáčkách motoru.............................................. 54 Obr. 40 Závislost součinitele přebytku vzduchu lambda na otáčkách motoru ............... 54 Obr. 41 Závislost otáček z Hallova snímače na otáčkách motoru.................................. 55
60
PŘÍLOHY
61
SEZNAM PŘÍLOH Kalibrační list tachometru Kalibrace závislosti rychlost vozidla & otáčky motoru Protokol kalibrace pro statické zkoušky výkonu Zkušební protokol motoru – statická zkouška (měření č.1) Zkušební protokol motoru – statická zkouška (měření č.2) Zkušební protokol motoru – dynamická zkouška (měření č.1) Zkušební protokol motoru – dynamická zkouška (měření č.2)
62
