Technická univerzita v Liberci

Transkript

1 Technická univerzita v Liberci Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka Dobudování experimentální základny v laboratoři KVM FS TU v Liberci (etapa E.1.3.1) Vedoucí katedry: Zodpovědný řešitel úkolu: Spoluřešitel: Doc. Ing. Celestýn SCHOLZ, Ph.D. Prof. Ing.. Stanislav BEROUN, CSc. Doc. Ing. Celestýn Scholz, Ph.D. Doc. Ing. Lubomír Moc, CSc. Ing. Josef Blažek Ing. Hynek Drozda Ing. Lukáš Mrnuštík Ing. Vlastimil Štechr Projekt: 1M0568 Č. zprávy: SM 550/2006 Liberec, listopad 2006 Počet stran zprávy: 15

2 SOUHRN Technická zpráva popisuje výsledky prací na výzkumném programu z projektu Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka v etapě E1.3.1., ukazuje uspořádání a vybavení laboratoře motorů KVM na FS TU v Liberci a dokumentuje připravenost pracoviště zajišťovat zkoušky a měření na motorech podle běžných i nadstandardních postupů se zjišťováním výkonových a emisních parametrů motorů legální metrologie. V rámci realizovaných prací v etapě E1.3.1 byla realizována modernizace na 3 zkušebních stanovištích: měřicí technika na zkušebních stanovištích je připojena jednak k monitorovacímu systému pro průběžné sledování hodnot jednotlivých veličin, jednak k systému automatizovaného sběru dat. V laboratoři byla upravena instalace rozvodu plynných paliv a měření spotřeby plynných paliv tak, aby převážná většina těchto měření probíhala rovněž s automatizovaným sběrem dat. Na 2 zkušebních stanovištích bylo spolu s elektronickým systémem sběru dat zavedeno i automatizované nastavování a ovládání motoru a zkušebního zařízení. Pozn.: Laboratoř pístových spalovacích motorů byla stavebně a technologicky vybudována v letech a postupně byla upravována podle podmínek, možností a požadavků na provoz a výzkumně-vývojové programy. Od r tvořila laboratoř technické zázemí pro Státní zkušebnu č. 232 (SZ 232). V r bylo zahájeno postupné rozšiřování technického vybavení laboratoře na měření výfukových emisí a v r začala výrazná modernizace zkušebnické technologie v celé laboratoři KVM: významnou pomoc laboratoři přitom poskytují firmy německého automobilového průmyslu a iniciativa Ing. Radko Kubiase, bývalého pracovníka fy AUDI Ingolstadt. Velkou pomocí je rovněž zabezpečení rozvoje laboratoře a výzkumných programů v laboratoři projektem Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka. 2

3 Laboratoř pístových spalovacích motorů na katedře vozidel a motorů (KVM) FS TU v Liberci je umístěna v objektu laboratoří budovy E. Půdorysnou situaci laboratorních prostor KVM ukazují nákresy na obr. 1 a 2. Emisní válcová zkušebna 1 Velín 1 Velín 2,3 2 3 Laboratoř pístových spalovacích motorů Velín 4,5 2 Schenck W 150 (132 kw/ /min) 3 Schenck WT 190 (190 kw/ /min) 4 Schenck D 630 (630 kw/2100 1/min) 5 Schenck D 700 (700 kw/7500 1/min) 6 MEZservis ASD 235 M250 (360 kw/9000 1/min) 7 MEZ 2 VD 110 (220 kw/6000 1/min) 8 OKC upravený, (ε = 6 17, n = /min) 9 MEZ 56B4 (280 kw/2800 1/min) 10.. MEZ 56B4 (280 kw/2800 1/min) Obr. 1: Schéma půdorysného uspořádání laboratoře vozidel a vozidlových motorů 3

4 Laboratoř vozidel a vozidlových motorů je doplněna 2 menšími místnostmi pro uložení měřicí techniky (vč. mikrováhy v klimatizovaném boxu pro emisní měření PM) a pro zkoušky příslušenství a dále skladovými prostory pro uložení náhradních a zkušebních dílů, které jsou umístěny nad vozidlovou válcovou zkušebnou a laboratoří výfukových emisí. Další skladové prostory jsou umístěny vně laboratoře pod přístřeškem (obr. 2). Zkušební stanoviště s motorem na LPG Nádrž LPG s čerpadlem LPG CNG Sklad dílů a materiálu pro zkušební stanoviště Přístřešek u laboratoře KVM na dvoře budovy E 10 m 2,25 m Uzavírací a redukční ventily, průtokoměry plynných paliv Sklad kapalných paliv Sklad LPG Kompresor CNG 0,8 m 1,3 m Přívod kapal.lpg 5,6 m 5 m Laboratoř motorů KVM 4 m 11 m 9,2 m 4 m Baterie lahví CNG 2 m 6 Baterie lahví H 2 Obr. 2: Půdorysný pohled na rozmístění vnějšího příslušenství k zajištění provozu laboratoře KVM. Palivové hospodářství laboratoře umožňuje provoz na klasická i alternativní paliva. 4

5 Laboratoř KVM je vybavena odsávacím potrubím na výfukové plyny, které je umístěno v kanále pod podlahou po celém vnitřním obvodu laboratoře a je napojeno k výkonnému odsávacímu ventilátoru, který odvádí výfukové plyny potrubím nad střechu budovy E. Technické podmínky laboratoře KVM vymezují možnosti a rozsah výzkumně-vývojových a zkušebnických úkolů, které jsou laboratoři zadávány: tyto práce jsou potom koordinovány se vzdělávacími programy na KVM tak, aby studenti magisterského a zejména doktorského studia co nejvíce využívali možností výzkumných aktivit laboratoře KVM. V projektu Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka (VCJB) mají výzkumné programy v laboratoři KVM výraznou orientaci na pracovní oběhy PSM a na alternativní paliva (podmínky jejich využívání a jejich vliv na energetické, výkonové a emisní parametry). Pro zajištění provozu motorů v laboratoři KVM na plynná alternativní paliva byla proto v laboratoři opraven systém palivové instalace, rozvody plynných paliv k jednotlivým stanovištím byly vybaveny spolehlivými uzavíracími ventily, rozvodná sít pro CNG a směsné palivo (CNG+H2) byla potom doplněna centrálními redukčními ventily a hmotnostními průtokoměry typu Mikromotion (obr.3). Rozvody plynných paliv v laboratoři KVM byly z hlediska technických i předpisových požadavků vytvořeny ve spolupráci se specializovanou firmou. Obr. 3: Uspořádání sestavy palivového systému v místě přívodu plynů do laboratoře. 5

6 Laboratoř KVM je využívána jako experimentální základna VCJB pro práce realizované na KVM FS TU v Liberci k plnění programu VCJB v následujících etapách: E : Stanoviště č.2 spalovací proces, vizualizace, komůrkový zážeh Stanoviště č.8 spalovací proces, HCCI E : Stanoviště č.4 a laboratoř výfukových emisí emisní měření na PSM E1.1.6: Stanoviště č.10 nová koncepční řešení palivových systémů: ověřování na motoru E : Stanoviště č.2 a 6 výzkum metod optického přístupu do vnitřních prostor PSM E1.3: Stanoviště č.4 a 6, přípravné práce na stanovišti č.5 alternativní paliva Uspořádání měření na zkušebních stanovištích a příprava měřicí techniky v laboratoři KVM jsou zajišťovány postupy, které vychází z požadavků na přesnost měření jednotlivých veličin. Kalibrace měřidel (přístrojů, snímačů s převodníky, analyzátory výfukových škodlivin) jsou prováděny pomocí prověřených etalonů: KVM má pro některé veličiny vlastní etalony s certifikátem, kalibrační plyny s certifikátem jsou pravidelně v laboratoři KVM obnovovány nákupem nových plynů a pro ostatní veličiny je kalibrace měřicí techniky zajišťována autorizovanými dodavateli. Způsob prokazování správnosti výsledků měření vychází z Příručky jakosti, která byla vypracována pro laboratoř spalovacích motorů v souvislosti s dřívější akreditací SZ 232 (AO 232) a současnou akreditací MŽP laboratoře KVM pro emisní měření na zdrojích znečišťování ovzduší podle Zák.č. 86/2002 Sb. Kalibrační protokoly jednotlivých snímačů a přístrojů z přípravných etap měření a záznamy z každého měření jsou archivovány v listinné nebo elektronické formě. Analyzátory výfukových plynů jsou kromě kalibrace pravidelně ověřovány i z hlediska linearity analyzátorů. V průběhu emisních měření jsou prováděny kalibrace všech analyzátorů kalibračními plyny a rovněž je prováděna kontrola těsnosti odběrových míst a vedení vzorku výfukových plynů k analyzátorům. Instalace snímačů, jejich připojení k převodníkům a systému automatizovaného sběru dat spolu s kalibrací měření jednotlivých veličin i způsob záznamu a archivace dat jsou na jednotlivých stanovištích řešeny individuálně, podle povahy prováděných prací na zkušebním motoru. Příklady uspořádání a vybavení zkušebních stanovišť č. 4 a 6 a sestavy měřicí techniky pro emisní měření v laboratoři KVM ukazují schémata na obr. 4 až 9 a tabulky T1 až T3. 6

7 vzorek výfukových plynů k analyzátorům CO, HC, NO x, O 2 vzorek výfukových plynů k analyzátorům CO, HC, NO x, O 2 8 n 9 M t 10 t výf 11 λ 12 p výf 16 p válce 17 α KH PC VAG Dynamometr ASD 235 KSD FS TU v Liberci 13 t voda 14 t olej 15 p olej Filtr 4 α šk 1 t sání 2 p bar 3 ϕ rel EŘJ EŘJ LPG 7 m BA 6 t s-potr Přepínač paliva 7 m LPG 5 p sání LPG BA Elektronická váha Obr.4: Schéma uspořádání měření na zkušebním zážehovém motoru (stanoviště č.6) pro výzkumný program v E

8 Obr.5: Pohled na instalaci zkušebního zážehového motoru na stanovišti č.6. Tabulka T1: Přehled měřených veličin a použitých měřidel č veličina - parametr senzor způsob měření poznámka 1 teplota vzduchu - t sání [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp teplota ve filtru 1a teplota vzduchu - t sání-kl [ 0 C]Pt100 JUMO Vibrotemp teplota za škrticí klapkou 2 barometrický tlak - p bar [kpa] Hydrargric B1 3 relativní vlhkost vzduchu [%] Exatherm FN A848 4 poloha škrticí klapky [ 0 KH] ASD235 M250 data servo 5 tlak v sacím potrubí [kpa] BD Senzor DMP teplota v sacím potrubí [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 7 spotřeba paliva [kg/h] CNG - Micromotion CMF BA 95 a LPG- váha Sartorius 8 otáčky motoru [1/min] Inkrementální senzor, ASD235 9 točivý moment motoru [Nm] Měř.příruba Hottinger, ASD teplota výfukových plynů [ 0 C] Plášť.termočl. 3mm JUMO K před katalyzátorem 11 součinitel přebytku vzduchu [-] λ sonda: VAG COM-ETAS 12 tlak ve výfuku motoru [kpa] BD Senzor DMP 331 před katalyzátorem 13 teplota chladicí kapaliny [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 14 teplota mazacího oleje [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 15 tlak mazacího oleje [bar] BD Senzor DMP tlak ve válci motoru [bar] Pressure tranducer AVL GU 21D 17 poloha klikového hřídele [ 0 KH] Angle encoder AVL 364C předstih, časování vstřiku, VAG-COM Vysokotlaká indikace, termodynam. analýza Tabulka T2: Použité analyzátory a kalibrační plyny CO HC NO x CO 2 Analyzátor HORIBA VIA ppm H&B Uras 2T 0-6% Kalibrace 890 ppm 5,01% H&B Fidas 2T EMERSON NGA 2000 H&B Uras 2T ppm (C 3 H 8 ) ppm 0-16% 899 ppm 2830 ppm 10,1 % Pozn.: Kalibrace nulového bodu na všech analyzátorech byla prováděna pomocí N 2. 8

9 Measuring arrangement on engine to dilution tunnel PM measuring 1 Intake air temperature 2 Barometric pressure 3 Intake air mass flow 10 Intake humidity probe temperature (10a-wet,10b-dry) 24 Intake relative humidity to gas analyzer to smokemeter 51 air flowmeter 11 Compressor inlet temperature 4 Intake restriction DYNAMOMETER 22 Engine speed 21 Engine torque 51 Dynamometer water outlet 12 Compressor outlet temperature 16 Compressor outlet pressure B T Exhaust outlet restriction Leakage of nozzles Obr.6: Schéma označení měřených veličin a jejich umístění na motoru a zkušebním stanovišti č Exhaust manifold temperature 18 Exhaust manifold pressure ENGINE INTERCOOLER fuel weighting 50 Exhaust outlet temperature 13P Intake manifold temperature 17P Intake manifold pressure 13L, 17L cooler 28 Fuel mass 29 Time consump. 9 Cell temperature (cooling air) 5 Fuel temperature (before filter) 6 Fuel inlet restriction 7 Fuel return restriction 20 Oil pressure 25 Oil temperature 27 Cooling air pressure 23 Throttle position KVM-TU Liberec

10 Emission Measuring Schema C ENGINE FID (WET) 48 THC conc w T.HC T-B T Heated pipe JUM COOLER air F DILUTION TUNEL ANALYZERS (DRY) CO (NDIR) NO x (CLD) CO 2 (NDIR) concentration of 45 CO conc-dry 46 NO x conc-dry 47 CO 2 conc-dry 49 SMOKEMETER Exhaust gases KVM-TU Liberec Obr.7: Schéma označení měřených veličin pro zjišťování emisních vlastností motoru s vyznačením odběru a vedení vzorku výfukových plynů k jednotlivým měřícím sestavám.

11 Lay-out of measuring system (mikrotunel) for PM emission Obr.8: Schéma vedení vzorku výfukových plynů v minitunelu do ředícího vzduchu, vedení vzorku zředěných výfukových plynů přes filtry a označení měřených veličin pro zjišťování emisí pevných částic (PM) ve výfukových plynech motoru. 11

12 Obr.9: Celkový pohled na uspořádání zkušební stanoviště č.4 se zkušebním motorem TATRA T3C Před motorem je minitunel pro měření emisí PM a vpravo je sestava analyzátorů pro plynné složky výfukových plynů. Sondy pro odběry vzorků výfukových plynů pro analyzátory plynných složek výfukových plynů (CO, HC, NO x, a CO 2 ), pro minitunel k měření PM a pro kouřoměr byly umístěny v jednotlivých místech výfukového potrubí podle požadavků příslušných předpisů. Tabulka T3: Přehled měřených veličin, použitých měřidel s údajem o jejich kalibraci a způsobem záznamu dat (č. v 1. sloupci odpovídají označení ve schématech na obr.6 až 8). Č: veličina Měřicí zařízení Relativní Kalibrace Způsob chyba [%] záznamu 1 Intake air temperature Pt100-Regmet 0, autom.record RI4P4 2 Barometric pressure Hydrargyric B1 0, manual record 3 Intake air mass flow Flowmeter Fischer 0, autom.record 4 Intake air restriction BD DMP ,5 (4kPa) autom.record 5 Fuel temperature Pt100-Orbit-RTD4-0,76 (40 0 C) autom.record 6 Fuel inlet restriction Manometer WIKA 0,6% only check 7 Fuel return restriction Manometer WIKA 0,6% only check 8 Exhaust restriction BD DMP ,66 (15 kpa) autom.record 9 Cell temperature Pt100-Regmet 0, autom.record RI2P3 10 Intake humid. probe temp. Exatherm FN A Compressor inlet temp. Pt100-Regmet RI4P4 12-1, autom.record 0, autom.record 12 Compres. outlet temp. Pt100-Orbit-RTD1 0, autom.record 13L Intake manifold temperature Pt100-Orbit-RTD2 0, autom.record 13P Intake manifold temperature Pt100-Orbit-RTD3 0, autom.record 14 Exhaust manif. temp. (left) TC-JSP-PT ,81 (500 0 C) autom.record

13 15 Exhaust manif. temp. (right) TC-JSP-PT ,42 (500 0 C) autom.record 16 Compressor outlet pressure BD-DMP , autom.record Orbit1 (200kPa) 17L Intake manifold pressure Huba-501-CH10 0,25 (200kPa) autom.record 17P Intake manifold pressure Huba-501-CH11 0,50 (200kPa) autom.record 18 Exhaust manif. press. (left) BD-DMP , autom.record Orbit3 (200kPa) 19 Exhaust manif. press. (right) BD-DMP331- Orbit2-0,30 (200kPa) autom.record 20 Oil rifle pressure Huba-501-Orbit4-0, autom.record (300kPa) 21 Torque Calibr. VAMONT 0, autom.record 21 Torque Schenk LSG , autom.record 22 Engine speed Calibr.TECTRA- 0, autom.record Engine speed Schenk LSG2000 0, autom.record 23 Throttle positron Schenk LSG autom.record 24 Intake relative humidity Exatherm FN -1, autom.record A Oil pan temperature Pt100-RegmetRI- 4P5 0,33 (120 0 C) autom.record 26 Fuel rate calculated 27 Cooling air pressure JSP-DSP-12 0,00 (5 kpa) autom.record 28 Fuel mass consumption Sartorius IC64 0, manual record 29 Time of fuel consumption Elektročas DTS11 ± 0,2 s manual record 30 Temper. of raw exhaust gases Pt 100, MERET +1,0 (50 0 C) autom.record v.č ,2 (200 0 C) 31 Temperature of raw exhaust gases sample Pt100, PT-041 0, autom.record 32 Temperature of diluted exh. sample (after cooler) 33 Temperature of diluted exhaust gases 34 Temperature of sample flow in measurement device Pt100, PT-041 0, autom.record Pt 100, MERET v.č Pt 100, MERET v.č Temperature of air dilution Pt100-Regmet RI2P3 36 Relat. humidity of dilution air Exatherm FN A Pressure on filter particle Digital manometer DM Pressure of flow in measurement device 39 Concentration of CO 2 E in raw exhaust gases 40 Concentration of CO 2 D in diluted exhaust gases 41 Concentration of CO 2 A in dilution air Analyzátor Horiba AIA 310K, v.č Hartman-Braun Uras 2T bez v.č. Hartman-Braun URAS 3E v.č Time of sample flowing MERET v.č , autom.record - 0,40 (50 0 C) autom.record 0, autom.record -1, autom.record +1,96 (5 kpa) only check +1,96 (5 kpa) only check -0, ,1 % CO2 č. 1128/05 autom.record + 2, autom.record 1,0% CO2 č. 1127/05 + 0, autom.record 3000 ppm č. 1129/05 0, manual record

14 43 Volume flow of sample Premagas G4 BK + 0, manual record v.č a Mass of particle sample at primare filter Mettler MT5 0, manual record 44b Mass-back of particle sample into filter Mettler MT5 0, manual record 45 Concentration of CO in HORIBA VIA , autom.record exhaust gases v.č Concentration of NO x in Emerson NGA + 0, autom.record exhaust gases 200P v.č Concentration of CO 2 in Horiba AIA 310K, -0, autom.record exhaust gases v.č Concentration of THC in FIDAS 2T + 1, autom.record exhaust gases v.č / Smokemeter Hartridge Mk3 1, manual record 50 Exhaust outlet temperature TC-JSP-TC1 0,40 (500 0 C) autom.record 51 Dynamometer water outlet Pt100-Regmet- 0,25 (80 0 C) only check RI4P6 Reserve Pt100-Regmet- RI4P7 0,74 (80 0 C) ETALONY Voltage, current Atmospheric pressure Air flowmeter Pressure Time Frequence, pulse Volume concentration Relativ humidity Multimetr Metra M1T, No Hydrargyric pressure gauge B1, No.3444 Whirl flowmeter Fischer-Porter D10S, No.8205 N 1777/A1 Digitál pressure gauge KELLER LEO 2, No Technical timer DTS 11, No Calibration standard ALTEK 942/1170, No Standard material Linde-Technoplyn CO2-3000ppm CO2-1% CO2-10,1% C3H8-39,6 ppm NO- 904 ppm CO- 896 ppm hygrometer PM 821 L, No. 024/88 No.1031-KL No. TLK 0212 No KL-P No.2/690/05 M No. E 01/05 No /1 No.1129/05 No.1127/05 No.1128/05 No.1131/05 No.1166/05 No.2114/04 No Č Resist. Resist.DP ,03 (100 Ω)

15 Měření a záznam převážné většiny sledovaných veličin je zajištěno automatizovaně elektronickým systémem stanoviště (data mohou být zaznamenávána každou sekundu): motorová data automaticky zaznamenávají systémy hlavního PC na zkušebních stanovištích (systém hlavního PC na zkušebním stanovišti je součástí ovládání a regulace dynamometru), data z měření výfukových emisí jsou automaticky zaznamenávána pomocí samostatné sběrové karty připojené k dalšímu PC, jehož funkce jsou synchronizovány s hlavním PC. Manuální záznamy měřených dat jsou pro: - měření spotřeby paliva (čas, hmotnost) - kouřivost motoru - průtok zředěných výfukových plynů přes filtr PM v minitunelu: objem, čas - hmotnost zachycených PM na filtrech zředěných výfukových plynů v minitunelu Pozn.: měření spotřeby paliva pomocí elektronické váhy lze rovněž připojit do systému elektronického systému sběru dat. Ve 2. pol.r byla v laboratoři KVM zahájena další etapa modernizace a úprav technického vybavení, která zvýší potenciál experimentální základny jak pro vědeckovýzkumné programy aplikovaného výzkumu (VCJB, VZ, granty), tak pro výzkumněvývojovou spolupráci s průmyslem. Modernizace se týká především instalace vozidlové válcové zkušebny a zkušebním stanovišti č. 1 v laboratoři KVM a stanovišť č. 3 a 5 v laboratoři pístových spalovacích motorů. 15