PROBLEMATIKA MĚŘENÍ SPOTŘEBY PALIVA

Transkript

1 PROBLEMATIKA MĚŘENÍ SPOTŘEBY PALIVA PROBLEMS OF FUEL CONSUMPTION MEASUREMENT J. Hromádko 1), P.Miler 1), J.Hromádko 2), M. Kotek 1) 1) Česká zemědělská univerzita v Praze 2) Ministerstvo životního prostředí Abstract The main topic of the paper is determination fuel consumption of combustion engines by the classic gravimetric method and by the method of emission calculation. At the gravimetric method we measure the most often time of consumption certain predetermined mass of fuel quantity. At the method of determination fuel consumption by emission calculation we measure the capacity of emission s concentration which has the fundamental influence on the fuel consumption and at the same time we measure the quantity of the air passed through the engine. Keywords: internal combustion engine, fuel consumption, exhausts emissions Úvod Měrná spotřeba paliva představuje komplexní ekonomicko-ekologický ukazatel vyspělosti konstrukce motoru a jeho technického stavu. K jejímu určení je bezprostředně nutné umět stanovit spotřebu paliva při daném zatížení. Tu můžeme stanovit přímo gravimetrickou nebo volumetrickou metodou anebo nepřímo výpočtem z výfukových emisí. Přímé gravimetrické (hmotnostní) měření spotřeby paliva lze s dostatečnou přesností aplikovat na klasickém zkušebním stanovišti současně s měřením výkonových parametrů motoru. Měření se realizuje obvykle pomocí speciální váhy, a to měřením času na spotřebování určitého množství paliva v předem zvolených konstantních režimech otáček a zatížení motoru. Toto měřící zařízení (palivoměr) musí být umístěno do palivové soustavy spalovacího motoru. Bezproblémové připojení do palivové soustavy je možné pouze u starších konstrukcí motorů, tj. u vznětových motorů s neproplachovaným vstřikovacím čerpadlem a zážehových motorů vybavených karburátorem pro přípravu výbušné směsi. U vznětových motorů s proplachovaným vstřikovacím čerpadlem je nutné připojit palivoměr tak, aby se přepadové palivo nepromítalo do měření a aby přitom byly zachovány všechny důležité funkce spojené s proplachováním, zejména je to odplynění paliva a chlazení vstřikovacího čerpadla. Ještě obtížnější je eliminace vlivu vratného paliva u zážehových motorů se vstřikováním paliva, a zejména pak udržení systémového tlaku paliva. [1] V současné době na nejmodernějších zkušebnách, z důvodů výše uvedených, není spotřeba paliva přímo měřena (gravimetricky nebo volumetricky), ale je nepřímo stanovena výpočtem z emisí oxidu uhelnatého CO (carbon monoxide), oxidu uhličitého CO 2 (carbon dioxide) a nespálených uhlovodíků HC (hydrocarbon), které vznikají spalováním uhlovodíkových paliv. Nutné je znát nejen objemové koncentrace těchto emisí, ale také jejich objemový průtok. Existují dvě metody výpočtu spotřeby paliva z emisí. [2] První metoda spočívá v měření neředěných spalin a množství nasátého vzduchu do motoru tzv. hltnosti motoru, které se běžně provádí na motorovém zkušebním stanovišti. Odběr vzorku spalin pochází přímo z výfukového traktu spalovacího motoru a analyzuje se emisními analyzátory. Nasáté množství vzduchu motorem se určuje např. pomocí bezztrátové dýzy nebo škrtícím orgánem (clonkou), kdy je clonka umístěna do sacího potrubí a proteklé množství vzduchu motorem je přímo úměrné rozdílu tlaku před a za clonkou. Toto měření se také používá ke stanovení objemové účinnosti motoru. Při použití v praxi je nevýhodou této metody zajištění univerzálnosti měření množství nasávaného vzduchu motorem, a také možnost ovlivnění základních parametrů motoru, např. tlak nasávaného vzduchu. Z tohoto důvodu se v praxi začíná pomalu rozšiřovat způsob měření proteklého množství vzduchu (spalin) až za motorem. V tomto případě se dýza (clonka) umístí až do výfukového traktu motoru, kde již jen velmi málo ovlivňuje parametry měřeného spalovacího motoru. [3] Druhá metoda spočívá v měření ředěných výfukových plynů při ustáleném průtoku ředícího vzduchu. Průtok ředícího vzduchu je několikanásobek průtoku spalin. Při změně zatížení motoru se výrazně mění koncentrace výfukových emisí, přičemž průtok zředěných spalin je takřka neměnný. V tomto případě není nutné zajistit kontinuální měření nasávaného množství vzduchu motorem, je však nutné zajistit odsávání spalin velmi výkonným ventilátorem s konstantním průtokem zředěných plynů. Tato metoda je označována CVS (Constant Volume Sampling) a je používána ke stanovení spotřeby paliva při homologačních měření motorových vozidel do 3,5 t.[4] Materiál a metody Měření bylo provedeno na motorovém zkušebním stanovišti katedry Vozidel a pozemní dopravy. Toto zkušební stanoviště je vybaveno elektromagnetickým vířivým dynamometrem, pro zatěžování motoru a přesnými měřidly pro 1

2 určení provozních parametrů motoru. Testovaným motorem byl traktorový motor Zetor Z 7701 s neproplachovaným vstřikovacím systémem. Při různě nastavených stavech (otáčky, moment motoru) se porovnávala gravimetrická spotřeba paliva se spotřebou paliva vypočtenou z neředěných emisí a množství nasátého vzduchu motorem. 2.1 Gravimetrické měření spotřeby paliva Gravimetrické měření spotřeby paliva bylo prováděno pomocí přesných vah a časového měřiče. Zaznamenával se čas na spotřebování 100 g paliva. Z takto získaného časového údaje se vypočte spotřeba paliva podle rov. (1). kde: M p 100 t 3.6 (1) M p [kg.h -1 ] je spotřeba paliva, t [s] čas na spotřebu 100 g paliva Zjištění tohoto tlaku dává podklad pro určení hmotnostního toku vzduchu, tzv. hltnosti motoru. Křivka vnitřního povrchu dýzy je část matematické křivky lemniskaty. Právě tato křivka umožňuje vytvořit profil pro vstup vzduchu bez vzniku turbulentního proudění. V místě, kde již má dýza konstantní kruhový průřez, je úzký otvor (r = 0,4 mm) pro odběr uvedeného tlaku. Tyto otvory jsou tři, rozmístěné po obvodu průřezu po 120 a jsou propojeny kruhovou trubicí. Na tuto trubici je v jednom místě napojen U-manometr, který slouží k měření statického tlaku. [5] Z naměřených výfukových emisí a množství nasátého vzduchu motorem byla spotřeba paliva vypočtena pomocí rov. (2). Mp kde: CO 2 CO HC 12 Q (2) CO 2 [%] je objemová koncentrace oxidu uhličitého, CO [ppm] je objemová koncentrace oxidu uhelnatého, HC [ppm] je objemové koncentrace nespálených uhlovodíků, Q [m 3 h -1 ] je množství nasávaného vzduchu motorem Obr. 1 Měřič spotřeby paliva 2.2 Stanovení spotřeby paliva výpočtem z emisí K měření plynných emisí byl použit čtyřsložkový analyzátor Infralyt 4000 obr. 2. Jedná se o běžný servisní analyzátor vyhodnocující složení výfukových emisí metodou NDIR (Non Dispersive Infrared). Tato metoda se používá pro měření koncentrace oxidu uhelnatého (CO) a oxidu uhličitého (CO 2 ) jako standardní metoda. Pro stanovení koncentrace nespálených uhlovodíků má pouze orientační charakter. Infraanalyzátor je nejjednodušší a nejlevnější typ analyzátoru s vlastnostmi opravňujícími k nasazení ve výzkumu a vývoji. Nasávané množství vzduchu do motoru se měří pomocí bezztrátové dýzy (lemniskaty) obr. 3. Při laminárním proudění plynu (vzduchu) v potrubí kruhového průřezu vzniká v mezní vrstvě statický tlak, úměrný rychlosti proudění. Obr. 2 Emisní analyzátor Obr. 3 Bezztrátová dýza 2

3 Výsledky měření Tab. 1 Naměřené a zpracované hodnoty spotřeb paliva moment [Nm] otáčky [min -1 ] čas [s] dýza [mm] CO [ppm] CO 2 [%] HC [ppm] Mp váhy [kg/h] Mp emise [kg/h] chyba [-] chyba [%] 11, ,34 0 1,12 1,04 0,08 7,45 100, , ,26 3,41-0,15-4,81 197, , , ,72 6,03-0,31-5,53 247, , , ,74 8,18-0,44-5,70 26, , ,07 2,09-0,02-0,72 70, , ,51 3,63-0,12-3,26 136, , , ,67 5,93-0,26-4,60 206, , , ,23 8,56-0,33-3,99 273, , , ,90 12,84-0,94-7,91 21, , ,97 3,01-0,04-1,42 53, , , ,12 4,29-0,17-4,17 108, , , ,60 6,78-0,18-2,75 160, , , ,70 8,97-0,27-3,05 215, , , ,92 12,77-0,85-7,13 Naměřené diskrétní hodnoty byly zpracovány v programu Mathcad na spojité plochy a vyneseny do prostorových grafů. Pomocí takto získaných grafů můžeme porovnávat gravimetrickou spotřebu paliva se spotřebou paliva určenou výpočtem z emisí a množství nasátého vzduchu motorem. Samotný postup zpracování dat v programu Mathcad zde nebude pro rozsáhlost uváděn. Obr. 5 Spotřeba paliva výpočtem emisí Obr. 4 Spotřeba paliva gravimetrickou metodou Z těchto dvou grafů představující hodinovou spotřebu paliva stanovenou gravimetricky a výpočtem z výfukových emisí a množství nasátého vzduchu motorem byl stanoven rozdíl. Obr. 6 znázorňuje absolutní odchylku hodinové spotřeby paliva a obr. 7 znázorňuje relativní odchylku paliva. Za etalonovou hodnotu se zde považuje gravimetrická spotřeba paliva. 3

4 Obr. 6 Absolutní odchylka spotřeby paliva Závěr Z výše uvedeného je zřejmé, že přesnost stanovení spotřeby paliva výpočtem z výfukových exhalací při použití běžných servisních analyzátorů a množství nasátého vzduchu motorem je srovnatelná s přesností gravimetrické metody. Z tohoto důvodu má velký význam dále se zabývat touto metodou stanovení spotřeby paliva a rozšířit jí do běžné servisní praxe. V servisní praxi jsou již dostatečně rozšířeny analyzátory na měření neředěných spalin. Problematika je tedy zúžena jen na měření množství proteklého vzduchu motorem. Měření před vstupem do motoru představuje několik závažných problémů jak s montáží, tak s možností ovlivnění základních parametrů motoru, které brání jejímu širšímu použití. Měření průtoku spalin až za motorem je výrazně univerzálnější. Odpadají problémy s montáží a také méně ovlivňuje parametry spalovacího motoru, proto se tento způsob měření jeví jako výhodnější při využití v servisní praxi. Poděkování Příspěvek vznikl za podpory projektů: 1. Ministerstvo dopravy ČR, projekt č. CG Metodika kvantifikace a vyhodnocení environmentálních a bezpečnostních vlivů dopravy 2. Ministerstvo školství mládeže a tělovýchovy ČR, projekt (identifikační kód OC 193), součást akce EU COST 356 Metody hodnocení a multidisciplinární ocenění vlivů dopravy na trvale udržitelné životní prostředí Obr. 7 Relativní odchylka spotřeby paliva Literatura: [1] KADLEČEK,B. - PEJŠA,L. - OTTO,K.: Měření výkonu a spotřeby paliva při diagnostice vozidlových motorů. In: Sborník přednášek mezinárodní konference TD2000- DIAGON 2000 Zlín Academia centrum , VUT Brno Academia centrum Fakulty technologické ve Zlíně str , ISBN [2] TAKÁTS, M.: Měření emisí spalovacích motorů, ČVUT Praha 1997, 111s. [3] HROMADKO, J.: Posuzování jakosti motorových vozidel z hlediska jejich provozní spotřeby paliva a škodlivých emisí, Ph.D. Thesis, ČZU, 2007 [4] HROMÁDKO, J., HÖNIG, V., MILER, P.: Application of NRTC Cycle to Determinate a Different Fuel Consumption and Harmful Emissions Caused by Changes of Engine s Technical Conditions. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability, Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystvo Eksploatacyjne, Warszawa, ISSN , s [5] KŘEPELKA, V.: Cvičení z mobilních energetických prostředků I., VŠZ Praha 1987, 140s. 4

5 Abstrakt: Cílem článku je porovnat možnosti stanovení spotřeba paliva klasickou gravimetrickou metodou a za metodou založenou na výpočtu spotřeby paliva z emisí. Při gravimetrické metodě měříme čas spotřeby známého množství paliva. Při metodě založená na výpočtu spotřeby z emisí měříme objemovou koncentraci uhlíkových emisí a množství vzduchu proteklé motorem. Klíčová slova: spalovací motor, spotřeba paliva, škodlivé emise Kontaktní adresa: Ing. Jan Hromádko, Ph.D., Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, Kamýcká 129, Praha 6 Suchdol, Česká republika tel janhromadko@tf.czu.cz 5