Metody měření provozních parametrů výkony, volba a využití pro diagnostiku
Provozní parametry stroje Provozní parametr stroje - každá běžně měřitelná fyzikální veličina, charakterizující činnost stroje při jeho pracovní činnosti: výkon účinnost hospodárnost provozu (spotřeba paliva) provozní teplotu tlak rychlost zrychlení spotřeba provozních hmot Některé provozních parametry lze výhodně využít přímo jako diagnostické signály. signály Výhoda a jednoduchost je v tom, že signály jsou vybuzeny pracovní činností stroje, kterou lze obvykle snadno realizovat nebo alespoň imitovat v dílenských podmínkách. Příklady: Příklady měření zvedací rychlosti a síly hydraulického mechanizmu lze realizovat zvedáním závaží, provozní zatížení motoru lze nahradit výkonovou brzdou nebo též krátkodobě pomocí momentu setrvačnosti rotujících hmot …
1
Výkon spalovacího motoru Výkon je významný diagnostický signál, využitelný především k souhrnné diagnóze: pístní skupiny rozvodového ústrojí palivové soustavy popřípadě též zapalovací soustavy
Výkon sám a sobě ke stanovení diagnózy zpravidla nestačí. nestačí. Při naměření určitého výkonu se zcela logicky vždy budeme ptát, s jakou hospodárností a s jakými vedlejšími důsledky bylo tohoto výkonu dosaženo. dosaženo.
Například: Je-li například výkon vznětového motoru v toleranci jmenovité hodnoty, avšak současně je zvýšena kouřivost, svědčí to o špatném technickém stavu motoru.
Volba diagnostického signálu Jako výstupní diagnostický signál může být u spalovacího motoru bezprostředně měřen jeho výkon P. Například torzním dynamometrem lze získat elektrický napěťový signál, který je úměrný točivému momentu M, tachodynamem lze získat napěťový signál úměrný úhlové rychlosti ω a výsledný výkon P dostáváme v podobě uvnitř přístroje realizovaného součinu:
P=M.ω P [ kW ] - užitečný výkon na klikovém hřídeli motoru M [ N m] - točivý moment motoru ω [rad/s] - úhlová rychlost klikového hřídele motoru Často však bývá mnohem výhodnější použít signál, který je měřenému měřenému výkonu pouze úměrný: točivý moment při předvolené úhlové rychlosti úhlové zrychlení, též při předvolené úhlové rychlosti a daném momentu setrvačnosti rotujících hmot motoru
2
Volba výkonového parametru Charakteristika vozidlového vznětového motoru: Je-li jako výstupní diagnostický signál volena hodnota točivého momentu M1, dochází v důsledku chybného předvolení úhlové rychlosti ω1, o hodnotu ∆ω k chybám měření. Protože křivka točivého momentu M(ω M(ω) je poměrně plochá, je chyba ∆M1, vzniklá v důsledku chyby ∆ω malá.
Je-li jako výstupní diagnostický signál volena hodnota výkonu P1, dochází za jinak stejných podmínek měření k podstatně větší výsledné chybě ∆P1.
Použití výkonu v diagnostice Přímé použití výkonu jako výstupního diagnostického signálu má určitou výhodu pouze při kontrole činnosti regulátoru vstřikovacího čerpadla vznětového vznětového motoru. V regulátorové větvi rychlostní charakteristiky totiž dochází při při jmenovitých otáčkách k ostrému zlomu křivky výkonu a lze tak snadněji kontrolovat kontrolovat začátek a konec regulace. Jako výstupní diagnostický signál se též s výhodou používá úhlové zrychlení nezatíženého motoru rozbíhajícího se při plném sešlápnutí akceleračního akceleračního pedálu. Točivý moment M je zde roven součinu úhlového zrychlení ε a momentu setrvačnosti I rotujících hmot motoru:
M=I.ε P =I.ε.ω P M ω I
[kW] - užitečný výkon na klikovém hřídeli motoru [N.m] - točivý moment motoru [rad/s] - úhlová rychlost klikového hřídele motoru [kg.m2] - moment setrvačnosti pohybujících se hmot motoru redukovaných na klikový hřídel ε [rad/s2] - úhlové zrychlení klikového hřídele motoru
3
Volba mezi užitečným a indikovaným výkonem Z hlediska konečného efektu je pro uživatele samozřejmě rozhodující informací velikost užitečného výkonu motoru. Je-li však motor v normálním technickém stavu, dosahuje svých jmenovitých parametrů včetně užitečného výkonu zcela zákonitě a nebylo by je ani nutno zjišťovat. Základním problémem tedy je odhalit odchylku od normálního stavu, čehož lze ve srovnání s užitečným výkonem docílit přesněji pomocí výkonu indikovaného. indikovaného Konstantní předepsanou teplotu motoru lze obtížně dodržet, protože by to znamenalo značné časové a jiné ztráty při dlouhodobém předehřívání, jeví se proto indikovaný výkon jako přesnější kritérium technického stavu motoru ve srovnání s výkonem užitečným. užitečným Předepíše-li se při diagnostické prověrce výkonu teplota motorového oleje v rozmezí 50 až 90 °C, lze odchylku indikovaného 20 30 40 50 60 70 80 90 100 výkonu od jmenovité hodnoty považovat za příznak poruchy (malý t [ o C] vliv teploty a viskozity oleje).
Volba mezi výkonem celého motoru a jednotlivých válců Z výkonu celého motoru nepoznáme, který válec je nositelem poruchy poruchy, protože
jednotlivé válce se na výkonu podílejí anonymně (podpálené podpálené ventily v důsledku tepelného působení spalovacího procesu přestanou těsnit – pravděpodobná brzká porucha i ostatních, porucha jednotlivých vstřikovačů nebo zapalovacích svíček odhalení bezprostřední příčiny sníženého výkonu zabrání zbytečné demontáži a pracné detailní kontrole). Snížený výkon jednoho válce může být vykompenzován bezvadnou činností činností válců ostatních a porucha se všemi dalšími důsledky by v tomto případě nebyla odhalena (částečné opotřebení ventilů v jednom válci čtyřválcového motoru o výkonu 60 kW - pokles výkonu o 1,5 kW, tj. o 2,5%, pomocí výkonu celého motoru nelze tuto skutečnost zjistit, protože zmíněných 2,5% je na hranici přesnosti přesnosti měření výkonu běžnými metodami. metodami Bude-li se však měřit výkon jednotlivých válců, lze poměrně snadno i méně přesnou metodou zjistit, že v příslušném válci došlo k poklesu výkonu z původních 15 kW na 13,5 kW, kW, tedy o 10%. Dalším hlediskem je investiční a provozní nákladovost měřicího zařízení. zařízení To však přichází v úvahu pouze při aplikaci měření na výkonových brzdách, kdy instalovaný výkon brzdy pro postupné měření jednotlivých válců může být podstatně menší, než je užitečný výkon celého motoru. Je-li výkon snímán např. z vývodového hřídele traktoru, traktoru může vzniknout další problém v souvislosti s tím, že vývodový hřídel u výkonnějších traktorů není schopen přenést celý výkon motoru. Měření jednotlivých válců je proto i z tohoto hlediska výhodné. Výkon celého motoru je zpravidla využíván pro souhrnnou diagnózu a výkony jednotlivých válců pro diagnózu dílčí.
4
Volba měřicích otáček Mi (n) M e (n) P e (n)
n1 = 40% n2 = 65%
n1
n2
n3 = 90%
n3
n
U motoru v normálním technickém stavu smějí být naměřené odchylky točivého momentu nebo výkonu v závislosti na otáčkách pouze v dovolených mezích od jejich standardního průběhu - postačí změřit charakteristické body křivky, křivky dávající dostatečný obraz o odchylkách od normálního stavu.
Tvar křivky točivého momentu v závislosti na otáčkách - účelové tvarování pro ekonomicky a ekologicky výhodný provoz motorů (vznětový vznětový motor - obvykle je použita tzv. korekce dodávky paliva, která způsobí výrazné zvýšení zálohy točivého momentu ∆M při poklesu otáček z jmenovitých, při dalším poklesu otáček zasahuje antikorekce, která naopak točivý moment v nižších provozních otáčkách omezí a výrazně tak sníží kouřivost motoru. motoru Moderní benzinový motor se vstřikováním paliva - předepsaný tvar křivky točivého momentu v závislosti na otáčkách je konstruktérem pečlivě volen a zabezpečen pomocí dodávky paliva řízené počítačem - spolehlivost počítačů → neklamná známka opotřebení a nebo jiné mechanické poruchy motoru.
Orientační posouzení výkonu vypínáním válců – Ždanovského metoda – vznětový motor Principem metody je měření otáček, na nichž se ustálí nezatížený motor pracující při plném sešlápnutí palivového pedálu na část měřených měřených válců, válců přičemž u ostatních válců je krátkodobě zrušena dodávka paliva povolením vysokotlakého šroubení. Za uvedené podmínky je dosaženo rovnováhy indikovaného točivého momentu pracujících válců se ztrátovým momentem motoru a na základě standardního průběhu ztrátového momentu v závislosti na otáčkách je možno tedy usuzovat na hodnotu indikovaného točivého momentu měřených válců. Počet měřených válců je třeba volit tak, aby ustálené otáčky nepřekročily jmenovitou hodnotu a aby tudíž nezasáhly do regulační větve rychlostní charakteristiky, kde již dochází k nekontrolovatelnému omezení dodávky paliva. U čtyřválcového motoru je postupně v činnosti a tudíž se měří vždy pouze jeden válec a pokud je motor v dobrém technickém stavu, měřené otáčky se pohybují přibližně v rozmezí od 1/2 do 2/3 jejich jmenovité hodnoty. Při velmi špatném technickém stavu není jeden válec schopen překonat mechanické ztráty celého motoru a motor se úplně zastaví. Naopak u motoru ve velmi dobrém technickém stavu a nebo při nepřípustně zvýšené dodávce paliva se dosažené otáčky přibližují jmenovité hodnotě.
5
Orientační posouzení výkonu vypínáním válců – Ždanovského metoda – vznětový motor V případě osmiválcového motoru se měří postupně vždy dva a u dvanáctiválcového vždy tři válce za obdobných podmínek jako u motoru čtyřválcového. Problémem je aplikace metody vypínání válců na motor tříválcový a šestiválcový. šestiválcový U tříválcového motoru dochází při práci na jeden válec téměř vždy k překročení jmenovitých otáček a měřená hodnota točivého momentu je pak nekontrolovatelně omezena. Problém lze řešit např. dotížením motoru předvolenou hodnotou točivého momentu. Základní podmínkou objektivního vyhodnocení naměřených hodnot je znalost funkční závislosti ztrátového točivého momentu na otáčkách motoru.
Mm(n) – ztrátový moment Md – dotěžovací moment Mip – indikovaný točivý moment
Orientační posouzení výkonu vypínáním válců – Ždanovského metoda – vznětový motor Jednoduchý a rychlý způsob měření – nevýhoda - malá přesnosti způsobená
možnou změnou ztrátového momentu Mm v závislosti na viskozitě oleje a mechanických vlastnostech konkrétního motoru (nelze určit přesně hodnoty), výhoda - lze však velmi přesně stanovit relativní podíl jednotlivých válců na výkonu celého motoru.
Orientační posouzení výkonu vypínáním válců – Ždanovského metoda – zážehový motor Motor bez katalyzátoru – stejný postup pouze pozor na těsný výfukový systém – nebezpečí explozivního spalování ve výfuku
Motor s katalyzátorem - i při těsném výfukovém potrubí pouze krátkodobé
vypínání zapalování v jednotlivých válcích – nebezpečí poškození katalyzátoru
6
Měření výkonu dynamometrem Výhodný způsob, způsob i když je investičně poněkud nákladnější. nákladnější Snadno lze však takto měřit pouze traktorové motory, motory a sice pomocí vývodového hřídele traktoru. Ostatní vozidla vyžadují dvě dvojice válců – zvýšení investičních nákladů Volba vhodného typu a velikosti dynamometru se řídí těmito požadavky: je účelné volit universální elektrický dynamometr, dynamometr, který může pracovat nejen jako výkonová brzda, ale i jako motor pohánějící měřený nepracující spalovací motor – asynchronní elektromotor (nadsynchronní otáčky – brzda, podsynchronní otáčky – motor) Kompromisním řešením je použití libovolného typu absorbčního dynamometru, dynamometru například hydraulické brzdy a nebo brzdy elektrické, absorbující výkon vířivými proudy, přičemž je možno využít metodiku měření motoru po částech, včetně indikovaného a ztrátového točivého momentu Požadavek na výkon dynamometru je zpravidla dán užitečným výkonem největších v úvahu přicházejících měřených motorů – možnost měřit jednotlivé válce
Schéma hydraulické brzdy 1 – přítok vody 2 – vířivá komora 3 – rotor 4 – těsnění 5 – ložisko 6 – hřídel rotoru 7 – spojovací příruba 8 – těleso brzdy 9 – snímač otáček 10 – pružné uložení 11 – měřič síly 12 – rám 13 – škrtící ventil 14 – odtok vody 15– pohon škrtícího ventilu
7
Schéma elektromagnetické vířivé brzdy 1 – snímač otáček 2 – chladící komora 3 – rotor 4 – budící cívka 5 – hřídel rotoru 6 – ložisko 7 – spojovací příruba 8 – těleso brzdy 9 – pružné uložení 10 – měřič síly 11 – rám 12 – odtok vody 13 – přítok vody
Ztráty při měření na dynamometru
Výrobce – prodejce Válcové zkušebny Jaroš MAHA Consulting
Naměřený max.výkon motoru– korigovaný / otáčky 45,77 kW/4028 min-1 48,00 kW/4380 min
-1
Naměřený max.točivý moment / otáčky 120,89 Nm/2328 min-1 112,00 Nm/2780 min-1
Mezservis
42,66 kW/4587,5 min-1
100,20 Nm/3226,1 min-1
Bosch
46,10 kW/4240 min-1
115,80 Nm/2810 min-1
Technology – Garage
42,90 kW/4545 min-1
99,70 Nm/2970 min-1
Údaje výrobce
47,00 kW/4300 min
-1
124 Nm/2500-3200 min-1
8
Měření univerzálním dynamometrem - celý motor Při práci všech válců motoru se naměří Meh [Nm] - točivý moment, měřený na vývodovém hřídeli nebo na hnacích kolech vozidla a vztažený na klikový hřídel diagnostický signál. signál Nedostatkem však je závislost této užitečné hodnoty na teplotě motoru a dále pak závislost na ztrátách v převodech..
Meh = Mi + Mo +Mp Moh = Mo + Mp Mi = Meh - Moh Mi [N.m] - indikovaný točivý moment motoru (výsledná hodnota) Mo [N.m] - ztrátový moment motoru (záporná hodnota) Mp [N.m] - ztrátový moment v převodech (záporná hodnota) vztažený na klikový hřídel Moh [N.m] - celkový ztrátový moment (záporná hodnota) Meh [N.m] – efektivní hodnota točivého momentu
9
Měření univerzálním dynamometrem – jednotlivé válce
M1,3 = Mi1 + Mi3 + Mo M3 = Mi3 + Mo
Mi1 = M1,3 - M3
Akcelerační měření výkonu spalovacích motorů Výkon a točivý moment jsou úměrné
úhlovému zrychlení klikového hřídele vně nezatíženého motoru, rozbíhajícího se při plném sešlápnutí akceleračního pedálu z volnoběžných otáček. Rovněž tak úhlové zpomalení nepracujícího motoru je zajímavým signálem úměrným ztrátovému točivému momentu motoru. Měřit úhlová zrychlení a zpomalení spalovacího motoru lze různými způsoby: způsoby: napěťový signál tachodynama, tachodynama kde je rychlost přímo úměrná výstupnímu napětí a zrychlení je přímo úměrné elektrickou cestou provedené derivaci napětí podle času obdobným způsobem lze kontinuálně měřit a vyhodnotit úhlové zrychlení a zpomalení získané z frekvence impulsů snímaných z rotující části motoru
10
Výhody a nevýhody akceleračního způsobu měření proti klasickému měření na výkonové brzdě
Výhody:
Nevýhody:
nízké pořizovací náklady měření bezdemontážní na klikovém hřídeli motoru operativnost měření měření rychlé řádově několik sekund nemusí se nikde přivádět ani mařit energie
nutnost znát moment setrvačnosti přeplňované motory proměnlivé sání proměnlivé nastavení vačky fázový posun měření spotřeby měření exhalací stabilizaci vnitřních teplot motoru
Metodika měření měření převodového poměru, měření setrvačné hmotnosti vozidla, menší motory se roztáčejí elektromotory, větší motory se roztáčí motorem vozidla,
vlastní akcelerace měřeného motoru, měření ztrát v převodech, valením apod.
11
350 325 300
3
275
2
225
5
200
4
175
6
150 125 100 75 50 25 0 500
1000
1500
1
110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 2000 2500 3000 3500 55 Otáčky motoru 50 (1/min) Výkon motoru (kW)
Točivý moment (Nm)
250
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 500
3 2
1 4000
4500
5000
4 5 6
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Otáčky motoru (1/min)
80
160
70
140
60
120
50
100
40
80
30
60
20
40
10
20
0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
80
160
80
70
140
70
60
120
60
100
50
80
40
60
30
10
40
20
0
20
10
50 40 30 20
0
-10 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
12
100
50
90
45
80
40
70
35
60
30
50
25
40
20
30
15
20
10
10
5
0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Výkon (kW)
Točivý mom ent (Nm )
Škoda Felicia 1,3 MPi (50 kW)
0 6500
6000
Otáčky m otoru (1/min)
Točivý moment (Nm) při otáčkách (1/min) Výkon (W) při otáčkách (1/min)
Tabulkové 106 2600 50 5000
Měřené 1 93 2675 40 4750
Porovnání
Měřené 2 90 2950 42 5225
87,7 % 80 %
Porovnání 84,9 % 84 %
120
60
110
55
100
50
90
45
80
40
70
35
60
30
50
25
40
20
30
15
20
10
10
5
0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Výkon [kW]
Točivý moment [Nm]
Škoda Fabia 1,4 (55 kW)
0 6000
Otáčky motoru [ot/min]
Točivý moment (Nm) při otáčkách (1/min) Výkon (W) při otáčkách (1/min)
Tabulkové 126 3800 55 5000
Měřené 116 3750 56 5075
Porovnání 92,1 % 101,8 %
13
280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5000
Výkon motoru (kW)
Točivý moment motoru (Nm)
Škoda Octavia II 2,0 (103 kW)
Otáčky m otoru (1/m in)
Točivý moment (Nm) při otáčkách (1/min) Výkon (W) při otáčkách (1/min)
Tabulkové 320 2000 103 4000
Měřené 128 2000 103 4100
Porovnání 40 % 100 %
Válcové brzdy Bezdemontážní ale výkon na hnacích kolech - při přepočtu na motor (klikový hřídel) hřídel): Ztráty závislé na hnací síle - tyto ztráty rostou proporcionálně s přenášeným výkonem. Rozdíl mezi vysokým přenosem hnací síly během akcelerace a nízkým přenosem při deceleraci koriguje zkušebna automaticky ztráty třením odvalováním ozubených kol v mechanické převodovce a rozvodovce - ztráty činí průměrně asi 7 % ve vztahu k výkonu motoru prokluz mezi pneumatikou a válcem zkušebny, ztráty činí asi 5% výkonu motoru Ztráty závislé na rychlosti - v závislosti na rychlosti rostou progresivně ztráty způsobené viskozitou oleje v převodovce a rozvodovce se pohybují okolo 2% ztráty způsobené odvalováním pneumatik se podle provedení a tlaku vzduchu v pneumatikách podílí nejvíce na ztrátovém výkonu 7 – 20 % z výkonu motoru
14
Kvazistatická metoda
Kvazistatické zatížení je velmi blízké zatížení statickému, a to tím, že akceleračním pedálem nastavený výkon je střídavě jednak brzděn a jednak absorbován urychlováním jeho setrvačných hmot. Metoda kvazistatického měření tedy umožňuje levný a časově nenáročný způsob charakterizovat technický stav motorových vozidel z hlediska vlivu na měrnou spotřebu paliva a produkci škodlivin emisí.
Měření přímočarého zrychlení vozidla Kyvadlový akcelerometr na hmotnost kyvadla m působí při rozjezdu vozidla jednak síla m.a, úměrná zrychlení vozidla a jednak síla m.g úměrná gravitační konstantě g
smìr pohybu pohybuvozidla vozidla Směr
a = g . tgα a [m/s2] - přímočaré zrychlení vozidla g [m/s2] - gravitační konstanta. tgα - tangenta úhlu výkyvu kyvadla
Kapalinový akcelerometr u obou typů je nutné zajistit co nejrychlejší ustálení hodnoty (tlumení) tlumící tryska
15
Piezoelektrický akcelerometr volby správné citlivosti snímače měření ve třech osách
GPS problematika dostatečné frekvence (Hz) možnost opakovaných měření
Metody měření provozních parametrů výkony, volba a využití pro diagnostiku
16
