Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Tuning a jeho vliv na parametry motoru Diplomová práce Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Bc. Karel Mucha Brno 2010

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Tuning a jeho vliv na parametry motoru vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis diplomanta.

3 Poděkování Chtěl bych touto formou velice poděkovat panu doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, Csc. za trpělivé poskytnutí rad a pomoci při vedení práce. Panu Ing. Jiřímu Čuperovi, PhD. za pomoc při měření na válcovém dynamometru. Panu Panovci za zapůjčení vozidla a celému kolektivu firmy 67 s.r.o. za poskytnutí zázemí při řešení diplomové práce.

4 Anotace Tato práce si klade za cíl vyhodnotit změnu parametrů vozu Fiat Uno po jeho úpravě. V literární části práce se zabývám popisem nejčastěji upravovaných dílů motoru a možnostmi jejich tuningu, dále pak metodikou meření, které slouží jako podklad pro vyhodnocování praktické části práce. Vlastní práce je zaměřena na konkrétní úpravu vozidla Fiat Uno, na které bylo instalováno několik tuningových prvků. Po každé změně následovalo odměření na vozidlové zkušebně Mendelovy univerzity v Brně. Všechny naměřené hodnoty byly upraveny a vloženy do grafů. Z jednotlivých grafů lze vyčíst, jak se s kterou úpravou změní parametry motoru. V diskuzi je konfrontuji garantované a skutečné vlastnosti jednotlivých komponentů a v závěru shrnuji celé měření. Klíčová slova: Tuning, motor, výkon, emise, spotřeba Annotation The aim of this thesis is to evaluate change of parameters after modifikation of the car Fiat Uno. In the theoretical part I describe the most offen modified parts of the car engine and its tuning possibilities. Then I feature the measuring methodology, which is angaged as a basis for practical part evaluation. The practical part is focused on concrete tuning of Fiat Uno, on which there were instaled some tuning elements. After every change there followed measurement in the car testing department of Mendel University in Brno. All measured values were modified and embedded in graphs. From the graphs is possible to state, how do the parameters change in relation to different alternations. In the discussion I confront guaranteed and real quelities of the tuning components. At the close I sum up the whole measurement. Key words: Tuning, engine, power, gas mileage, emission

5 Obsah 1 ÚVOD MOTORY A JEJICH ROZDĚLENÍ TUNING MOTORŮ Úpravy mechanických dílů motoru Písty Ojnice Vačkový hřídel Ventily Čističe vzduchu Zapalovací svíčky NOS- Nitrous Oxide Systems Blow- off ventil Úpravy související se změnou dat ECU Chiptuning Power-box EMISE Složení výfukových plynů spalovacího motoru Charakteristika jednotlivých složek výfukových plynů Oxidy dusíku (NOx) HC-uhlovodíky Hodnocení škodlivosti exhalátu - CO Součinitel přebytku vzduchu λ PŘEPLŇOVÁNÍ Turbodmychadla Mechanické přeplňování Dynamické přeplňování MĚŘENÍ PARAMETRŮ OSOBNÍHO AUTOMOBILU Měření výkonu Měření spotřeby CÍL PRÁCE Metodika měření Měřené vozidlo... 40

6 7.1.2 Použité přístroje Válcový dynamometr Diagnostický přístroj Bosch Průtokoměr Siemens Sitrans F C Metody měření výkonu Příprava měřícího stanoviště Průběh vlastního měření Metodika vyhodnocení VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ Porovnání výkonových parametrů Porovnání emisních parametrů Porovnání spotřeb ZHODNOCENÍ PROVEDENÝCH ÚPRAV A DISKUZE Hodnocení všech úprav Hodnocení sportovního čističe vzduchu Hodnocení ručního regulátoru tlaku turbodmychadla ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ... 66

7 1 ÚVOD S tuningem jsme se v nějaké podobě setkali pravděpodobně všichni. Je to záliba především mladší generace, která nechce splynout s davem, ale chce mít něco výjimečného, něco, co se liší od šedi sériově vyrobených modelů, ať už automobilů, motocyklů, mobilních telefonů či jiných věcí. Samotný tuning je asi stejně starý, jako je stará sériová výroba osobních vozidel. Sériovou výrobu automobilů zavedl Henry Ford, a protože vyráběl automobily pouze v jediné barvě, byl svým způsobem tuning i změna laku tohoto automobilu. Starší generace znají slovo tuning spíše jako nápis na otočném ovladači jejich starého zahraničního rádia, který měl funkci ladit stanice. Ladit, neboli upravit, zdokonalit příjem, aby byl co nejlepší podle představy posluchače. Podobné je to i u automobilů. Další etapou tuningu bylo vylepšování jízdních vlastností, kdy v poválečné době američtí mladíci dávali do svých fordů T osmiválcové motory a snižovali těžiště, aby mohli soutěžit v rychlosti či zrychlení na dnech vyschlých solných jezer. Postupným vývojem docházelo k rozšíření tuningu do ostatních vyspělých částí světa. V České republice byl vlivem vládnoucí strany tuning omezen pouze na kutilství v garážích a obtížné shánění potřebného materiálu na burzách. V západních státech se mezitím ze skupin nadšených úpravců aut vyvíjeli profesionální společnosti složené z bývalých závodníků, designérů, inženýrů a konstruktérů. Jejich práce dosahovaly tak vysoké úrovně, že je později vzaly pod svá křídla společnosti jako Mercedes, BMW a učinili z nich oficiální spolupracovníky na úpravu určitých modelů vozů. U nás se v té době spoléhalo na zlaté české ruce. Se změnou režimu, kdy se otevřely dveře do světa, dostali naši tuneři úplně nové možnosti. Ovšem fenomén garážového kutilství po revoluci neskončil, a tak se koncem devadesátých let objevovaly na silnici spíše polovraky v podobě starých golfů, kadetů a escortů s co možná největšími koly, nejtmavšími skly a největším výfukem. Zcela přirozeně dochází k rozčleňení tuningu do tří základních kategorií. První je opravdový tuning, neboli přibližování se parametrům závodního vozidla. Jde o velmi finančně náročnou úpravu, která se skládá z mechanických a elektronických úprav motoru, úprav podvozku a samozřejmě i brzd. Takové vozidlo se na první pohled ani nemusí lišit od sériových vozidel. Druhým typem je spíše styling nežli tuning. Jde o vizuální úpravu, kdy dříve než motor přijdou na řadu prahy, spoilery, nárazníky, světla a interiér. Na automobil 8

8 jsou montovány komponenty typické pro závodní vozy. Většinou jde o díly bez homologace, a protože nejsou otestovány v laboratořích společně s konkrétním vozidlem, plní víceméně pouze funkci estetickou. Do třetí kategorie patří lidé, kteří chtějí za málo peněz a úsilí velké výsledky. Přijedou na benzínovou stanici, zde nakoupí vše, co má na sobě nápis Tuning a nainstalují to na svůj vůz. Jejich auta poté připomínají spíše vánoční stromečky a působí značně komicky. 9

9 2 MOTORY A JEJICH ROZDĚLENÍ Chceme-li hovořit o úpravě spalovacích motorů s přímočarým vratným pohybem pístu, je třeba uvést nejprve jejich základní rozdělení a stručnou charakteristiku některých uvedených pojmů pro lepší pochopení problematiky. Možností, jak motory rozdělit, je velmi mnoho. Závisí vždy na tom, jaké zvolíme kritérium. Podle působení spalin Pístové Lopatkové Tryskové Podle způsobu zapálení palivové směsi Vznětové Zážehové Podle typu používaného paliva Na kapalná paliva Na plynná paliva Vícepalivové systémy Podle způsobu chlazení Chlazené kapalinou Chlazené vzduchem Podle pracovního cyklu Čtyřdobé Dvoudobé Podle uspořádání válců Řadové Do V Do H S protiběžnými písty Podle polohy válců Stojaté Ležaté Šikmé 10

10 Podle použitého rozvodového mechanizmu S ventilovým rozvodem S kanálovým rozvodem S šoupátkovým rozvodem S kombinovaným rozvodem Podle způsobu plnění válce Přeplňované Nepřeplňované Podle poměru zdvihu k vrtání Podčtvercové Čtvercové Nadčtvercové Podle počtu válců 1,2,3,4,5,6,8,10,12,24 Vysvětlení některých užitých pojmů: Tepelný motor- je hnací stroj, transformující tepelnou energii na mechanickou práci, prostřednictvím termodynamických dějů, kterým se podrobuje pracovní látka. Vznětový motor- je tepelný motor, v němž se vstříknuté rozprášené palivo samovolně vzněcuje ve vzduchu, který je ohřátý kompresním teplem z předcházejícího stlačení nad teplotu vznícení paliva Obr. 1 Obr. 1 Vznětový motor: A- vysokotlaké Obr. 2 Zážehový motor: A- přívod paliva; Potrubí; B-sací potrubí; C- vstřikovací B-sací potrubí; C- karburátor; čerpadlo; E- vstřikovací tryska [6] D- rozdělovač; E- zapalovací svíčka [6] 11

11 Zážehový motor- stlačená směs paliva a vzduchu se zapaluje řízeným zdrojem (elektrickou jiskrou viz. Obr. 2), který tvoří zpravidla zapalovací svíčka. Dvoudobý motor- u dvoudobého pístového spalovacího motoru připadá na jednu otáčku klikové hřídele jeden pracovní cyklus. V jedné fázi dochází k sání a stlačení ve druhé dochází k expanzi a výfuku. Klasická konstrukce známá například z malých motocyklů je charakteristická napouštěním čerstvé směsi do prostoru klikové skříně a zároveň stlačováním směsi nad pístem při pohybu z dolní do horní úvrati. Následně dojde k zapálení směsi, píst se pohybuje směrem do dolní úvrati, při odkrytí výfukové hrany dochází k výfuku a zároveň k napouštění čerstvé směsi při odkrytí přepouštěcího kanálu. Příklad konstrukčního uspořádání viz. Obr. 3 Obr. 3 Dvoudobý motor [15] Čtyřdobý motor- na jeden cyklus připadají dvě otáčky klikové hřídele. Výměnu směsi a utěsnění pracovního prostoru zajišťuje rozvodový mechanizmus. Po sobě jdoucí fáze se nazývají: sání, stlačení, expanze, výfuk. Každé připadá samostatný zdvih pístu viz. Obr. 4 12

12 Obr. 4 Čtyřtaktní motor: A-sání; B- stlačení; C- expanze; D- výfuk [6] Přeplňované motory- viz. Kapitola 5 13

13 3 TUNING MOTORŮ Vzhledem k tomu, že jsem se ve své práci zaměřil na úpravy motorů, je první část této kapitoly věnována nejčastěji upravovaným mechanickým dílům motoru. Ve druhé části se zabývám přeprogramováním dat řídící jednotky. 3.1 Úpravy mechanických dílů motoru Nejčastěji upravovanými díly motoru jsou: Písty Písty patří k pohyblivým součástem motoru, jejichž účelem je zachytit tlak expandujících plynů při hoření, převést tento tlak na pístní čep, ojnici a klikový hřídel. Dále utěsnit spalovací prostor od prostoru klikové skříně a v neposlední řadě odvést teplo ze dna pístu co nejrychleji do stěn válce. Ve válci písty konají přímočarý vratný pohyb. Konstrukční požadavky na píst jsou: malá tepelná roztažnost, malá hmotnost a velká pevnost. Materiály pro výrobu pístů jsou slitiny hliníku, litina, slitiny hořčíku, titan a jiné. Písty se vyrábí kováním nebo odléváním. Obr. 5 Kompletní píst s ojnicí [16] Obr. 6 Odlehčený kovaný píst [17] Pro běžné motory s nižším výkonem většinou postačí písty odlévané, jejichž výroba není tak náročná a drahá. Kované písty se vyznačují vyšší pevností, a proto je možné snížením tloušťky stěn dosáhnout nižší hmotnosti. Kované písty jsou nezbytností u vysokovýkonných motorů. Z pevnostního hlediska je dno pístu předimenzováno, protože přenáší tlak na ojnici a klikový hřídel a zároveň odvádí největší díl tepla, který píst absorbuje. Proto musí být tloušťka dna dostatečná, aby se teplo rychle odvádělo přes pístní kroužky do stěny válce. Zesílení pístu se v místě uložení pístního čepu dělá 14

14 co nejmenší, aby se zbytečně nezvyšovala hmotnost pístu. Stěna pístu se v ose pístního čepu může značně odlehčit, protože nepřenáší žádný tlak způsobený výfukovými plyny. U závodních motorů se používají tzv. T-písty; jejich název vznikl z jejich charakteristického tvaru písmene T při pohledu na bok pístu kolmo na pístní čep. Plášť prakticky chybí, jen na stranách kolmých k ose pístního čepu jsou úzké pásky materiálu ode dna dolů. Ty nahrazují plášť pístu a podélně vedou píst ve válci. Jde o nejlehčí konstrukční variantu pístu. Firma Škoda jimi osazovala svoje závodní motory již někdy v 70. letech. Materiálem používaným na výrobu pístů jsou nejčastěji hliníkové slitiny. (Slitiny hořčíku se používají jen u závodních motorů, jejich výroba je velmi drahá a dá se zdůvodnit nižší měrnou hmotností hořčíkových slitin). Množství legujících prvků se liší podle účelu použití pístu. Slitiny s vysokým obsahem křemíku mají velmi dobrou pevnost a kluzné vlastnosti a jsou určeny pro písty kované. Mají také menší tepelnou roztažnost. Z tohoto pohledu rozlišujeme písty s obsahem křemíku do 13% (min. 11%) a nad 13% (max. 18%). První skupina se používá pro zážehové, druhá skupina pro vznětové motory.[1,6] Ojnice Ojnice spojuje píst s klikovou hřídelí a mění přímočarý vratný pohyb pístu na rotační pohyb klikové hřídele. Tvoří ji dřík, oko a hlava ojnice. Do hlavy jsou vloženy půlpánve a je sešroubována šrouby. Oko je nedělené a je do něj nalisováno pouzdro ze slitiny mědi viz. Obr. 7 15

15 Obr. 7 Ojnice s ložiskovými pánvemi [18] Ojnice jsou namáhány střídavě na tah a tlak. Dále na ně působí setrvačné síly v okamžiku změny směru pohybu. V rámci tuningu se ojnice mění pouze tehdy, je- li z důvodu jiných úprav zvýšen tlak pístu na ojnici. Samotnou výměnou ojnic se ale vlastnosti motoru nijak nezlepší. Pokud se snižuje hmotnost ubíráním materiálu kvůli zmenšení setrvačných hmot, může to být provedeno jen velmi málo a vždy dojde ke snížení životnosti. Obyčejné ojnice bývají odlévané z oceli, jejich výroba není nákladná a pro vyšší výkony se tyto ojnice nedoporučují. Proto jsou při zvyšování výkonu montovány ojnice kované, které mají lepší pevnost v tahu i tlaku, jsou houževnatější a mají nižší hmotnost. Kováním získají ojnice kruhový směr vláken u ojničních hlav. Pokud chceme eliminovat únavový lom, je dobré ojnice povrchově obrousit a vyleštit. 16

16 Obr. 8 Typy ojnic s vyznačenými profily dříku I,X,H [19] Vačkový hřídel Vačkový hřídel je zvláštní typ hřídele, který zajišťuje ovládání ventilů tím, že převádí rotační pohyb na posuvný a to v přesně požadovaný čas na přesně stanovenou dobu. Je osazen excentrickými nálitky viz. Obr. 9. Vačkový hřídel zajišťuje co nejlepší výměnu pracovní náplně válce z předcházejícího pracovního cyklu novou náplní. Vačkový hřídel je poháněný od klikové hřídele, a to v poměru 1:2. Podle typu ventilového rozvodu může být v motoru jedna nebo více vačkových hřídelí. Obr. 9 Sportovně upravený vačkový hřídel [20] 17

17 Pohyb rotující vačky se přenáší na zdvihátko prostřednictvím třecího, popřípadě valivého kontaktu. Proto musí mít vačky vhodnou povrchovou úpravu, zabezpečující jejich dlouhou životnost. Tvar vačky musí zajistit co nejlepší naplnění válce, tzn. zdvih ventilu musí být co největší, aby byly minimalizovány ztráty prouděním pracovní náplně válce. Tuto vlastnost nazývanou plnost vačky můžeme posoudit podle velikosti plochy pod zdvihovou křivkou. Počáteční část zdvihové křivky vačky je určená na vymezení ventilové vůle. Podle průběhu zrychlení vyvozeného vačkou se rozlišují vačky spojité a nespojité. Za spojité jsou považovány tehdy, je-li průběh zrychlení z matematického hlediska spojitá funkce. Mezi nespojité vačky patří například vačka tangenciální a vačka harmonická. Tangenciální vačku tvoří základní kružnice, přímkové boky a vrcholový oblouk. Boky harmonické vačky tvoří narozdíl od tangenciální kruhové oblouky. Běžné motory mívají úhel otevření ventilů okolo 250. Narozdíl od nich mají upravované vačky dlouhou dobu otevření sacích a výfukových kanálů. Sportovní vačky používají úhel otevření 290. [6,9] Obr. 10 Zdvihové křivky sací a výfukové vačky [9]. 18

18 3.1.4 Ventily Ventil je součást motoru, která zabezpečuje výměnu pracovní náplně. V okamžiku, kdy jsou ventily zavřené, musí být zabezpečena co nejlepší těsnost spalovacího prostoru. Případné netěsnosti mezi sedlem a dosedací plochou talíře ventilu výrazně snižují parametry motoru a mohou způsobit propálení ventilu. Výfukový ventil patří mezi nejvíce tepelně namáhané součásti motoru, jeho exponované části dosahují teplot až 800 C viz. Obr.11. Obr. 11 Charakteristické rozdělení teplot středně zatíženého výfukového ventilu [9] Nejvíce namáhaný je výfukový ventil u přeplňovaných zážehových motorů. Z tohoto důvodu jsou u upravovaných motorů používány ventily s vypouklým dnem talíře, který lépe usměrňuje proud spalin. Nad vypouklou částí se vytváří polštář spalin, který chrání před nadměrným přenosem tepla. Častější variantou jsou však ventily chlazené sodíkem viz. Obr. 12. Ventil je zhotoven s dutinou v dříku (částečné chlazení), případně v celém ventilu (úplné chlazení). V obou případech je naplněn do objemu % sodíkem. Sodík má teplotu tání 97 C při tlaku 100 KPa a bod varu 883 C. Sodík odvádí teplo asi 10x lépe než voda. Po zahřátí ventilu se změní v kapalinu o prakticky neměnném tlaku. Při pohybu ventilu se přelévá z talíře do dříku, 19

19 kterému předává více tepla, než by bylo možné pouhým přenosem průřezem materiálu dříku. Částečně chlazené ventily stačí pro běžně přeplňované motory. Plně chlazené ventily jsou nezbytné u přeplňování vysokými tlaky. Výroba plně chlazených ventilů je technologicky náročná a velmi drahá. Po naplnění dutiny sodíkem je provedeno přivaření dna talířku, kterým se ventil uzavře. Plnění sodíkem shora přes dřík lze pouze u částečně chlazených ventilů. Dosedací plocha talíře je opatřena prakticky bez výjimky návarem tvrdokovu, nejvíce se používá Stelit F. Jeho vrstva má tloušťku 0,7 1,5 mm, příliš silná vrstva má snahu praskat a odlupovat se. Proto při přebrušování výfukových ventilů je nutno dávat pozor, abychom tuto vrstvu neodbrousili. V případě styku čela dříku s válcovým zakončením vahadla je používán také návar Stelitem. Životnost tohoto místa se zvýší několikanásobně. Sedla ventilů v hlavě jsou u výrazně namáhaných motorů také navařována Stelitem pro zvýšení životnosti a odolnosti proti korozi a otěru. [1,6] Obr. 12 Ventil chlazený sodíkem a) částečně chlazený ventil b) plně chlazený ventil [3] 20

20 3.1.5 Čističe vzduchu Vzduch je základní složkou palivové směsi pro klasický spalovací motor, protože obsahuje kyslík potřebný na spálení paliva. Složení vzduchu: dusík N 2 : 78,03 % objemových (75,47 % hmotnostních), kyslík O 2 : 20,99 % objemových (23,20 % hmotnostních), ostatní plyny (Ar 0,933 % obj., CO 2 0,03 % obj., H 2 0,5 ppm obj., Ne 0,0018 % obj) Jedním z nejdůležitějších požadavků na nasávaný vzduch je jeho mechanická čistota. Případné nečistoty, nasáté do motoru, způsobí nadměrné opotřebení. Na začátku sacího potrubí je proto vždy umístěný čistič zachytávající mechanické nečistoty. [7] Na jeden litr spáleného paliva připadá přibližně litrů vzduchu. Z tohoto čísla logicky vyplývá, jak velké množství musí čističem vzduchu projít. Čím větší odpor čističe, tím má motor menší výkon, protože není dostatečně zásoben kyslíkem. Obyčejné čističe jsou dnes vyráběny převážně z papíru. Zvýšenou propustnost lze zajistit bavlněnými čističi, nejčastěji v kuželovém provedení s několika vrstvami bavlny na sobě viz. Obr. 13. Nejvíce používanými čističi jsou produkty firmy KaN, která udává navýšení výkonu 4-7 KW a zvýšení propustnosti vzduchu o 40 %.[6] 1. Zvířený vzduch vstupující do čističe 2. Mnohavrstvá chirurgická tkanina naimpregnovaná olejem 3. Nečistoty zachycené v čističi nijak nezvyšují jeho aerodynamický odpor 4. Čistič pevně drží pomocí kovového opletení svůj tvar 5. Okraje čističe jsou zpevněny speciální obručí 6. Vyčištěný vzduch vstupuje přímo do systému sání Obr. 13 Průřez povrchem sportovního čističe vzduchu firmy KaN [21] 21

21 3.1.6 Zapalovací svíčky Zapalovací svíčka je umístěna v hlavě válce motoru. Její základní funkcí je zapálení směsi vzduchu a paliva ve spalovacím prostoru v přesně daném okamžiku. Rozhodujícím faktorem při výběru svíčky je tepelná hodnota svíčky a materiál střední elektrody. Tepelná hodnota je schopnost svíčky odvádět vzniklé teplo ze spalovacího prostoru a tím udržet špičku izolátoru na správné teplotě. Obecně platí, čím více je motor zatěžovaný, tím studenější svíčku musíme použít. Materiál střední elektrody je volen podle zatížení svíčky. Obyčejné svíčky mají střední elektrodu z niklu, často v kombinaci s mědí, dražší potom z ytria, iridia platiny či tvrdého stříbra pro sportovní vozy.[6,11] NOS- Nitrous Oxide Systems Nitrous oxide (oxid dusný) je jednoduchá sloučenina dvou atomů dusíku a jednoho kyslíku, známá pod označením rajský plyn. Poprvé byla tato sloučenina použita za druhé světové války v pístových motorech stíhacích letadel, kde se jím kompenzovala menší hustota vzduchu ve výškách. Později se vstřikování N 2 O používalo v USA při závodech NASCAR. Dnes je N 2 O využíván v automobilech upravených pro sprint. Používání v běžném provozu je nezákonné, přesto se však používá. Princip činnosti spočívá ve vstřiknutí malého množství kapalného N 2 O do sacího traktu. Zde přejde do plynného skupenství, přičemž okolnímu vzduchu odebere skupenské teplo a tím ho ochladí. Do válce proudí cca o 30% více kyslíku, řídící jednotka vyhodnotí zvětšení dávky paliva. Tím je dosaženo většího výkonu. Lepší účinnosti dosáhneme u přeplňovaných motorů. Výhody použití NOS: - velký nárůst výkonu - nízká pořizovací cena NOS kitu Nevýhody: - lze použít na dobu max. 30 sekund - případné netěsnosti potrubí v kabině mohou způsobit omámení posádky vozu - extrémně zatěžuje motor není schválen pro provoz na pozemních komunikacích - náplň vydrží pouze 8 vstřiků po 30 s 22

22 3.1.8 Blow- off ventil Blow- off ventil (viz Obr. 14) je doplněk, který se používá převážně u přeplňovaných zážehových motorů pro snížení jevu, kterému se říká turboefekt. Při akceleraci vozidla dojde k roztočení motoru, respektive turbodmychadla a následnému přeřazení. Řidič automaticky uvolní akcelerační pedál, čímž se uzavře škrtící klapka v sacím traktu. Proud vzduchu, který je i nadále tlačen setrvačností turbodmychadla do motoru, narazí na uzavřenou škrtící klapku. Tlaková vlna, která se vrací zpět k turbodmychadlu, jej zbrzdí. Po opětovném sešlápnutí akceleračního pedálu se musí turbodmychadlo roztáčet z nízkých otáček a vzniká prodleva. Tomuto jevu se předchází vřazením BLOW-OFF ventilu, který při řazení přepouští stlačený vzduch do ovzduší, popř. zpět do sání. Obr. 14 Blow-off ventil [22] 23

23 3.2 Úpravy související se změnou dat ECU (řídící jednotky) Chiptuning V současné době je již velmi málo automobilů, které nejsou řízeny počítačem. Počítač, neboli řídící jednotka, je mozek celého automobilu a řídí vše od motoru až po radiopřijímač. Do každé řídící jednotky výrobce vloží sofistikovaný software, podle kterého je řízen chod motoru. Výrobci ovšem počítají s tím, že automobil bude fungovat jak v ČR, tak i v jiných zemích. A právě z důvodu rozdílnosti podmínek provozu (palivo, nadmořská výška, teplota a v neposlední řadě i rozmanitost povah řidičů) jsou data v ECU optimalizována, aby automobil měl vyhovující spotřebu, výkon a životnost. Celý průběh výkonu motoru je zakreslen v trojrozměrných grafech, jejichž body představují jednotlivé analogové veličiny. Analogové veličiny jsou AD převodníky transformovány do binární soustavy, aby byly srozumitelné mikroprocesoru, který s využitím dat statistických pamětí provede řadu výpočtů, které pak slouží jako základní data řízení. Výsledkem výpočtů jsou výstupy v podobě časových či napěťových hodnot. Pokud budou tedy změněna základní data, dojde ke změně výsledné hodnoty. Každá změna parametru v systému řízení vyvolá vnější odezvu, která bude patrná na výkonových parametrech, což je podstatou modifikace dat ECU. Data jsou uložena v EPROM paměti. Ve starších typech vozidel tato data přepisovat nelze, proto se přistupuje k demontáži této paměti z řídící jednotky (viz. Obr.15). Data se modifikují a po nahrání do nové EPROM paměti se i s ní připojí na základní desku řídící jednotky. V případě přepisovatelnosti paměti lze data upravit bez demontáže ECU z vozidla. Celá úprava se provede načtením přes OBD konektor, kde pomocí příslušného programu dochází k přepisování dat.[12,2] Obr. 15 Montáž paměti EPROM do řídící jednotky [22] 24

24 3.2.2 Power-box Druhou variantou zvýšení výkonu motoru pomocí modifikace dat řídící jednotky je namontování přídavné externí jednotky, tzv. power-boxu, který vyhodnocuje data a podle potřeby přidá vstřikované množství paliva. Oproti chiptuningu nezasahuje do parametrů tlaku vzduchu a regulace turbodmychadla. Instalace je poměrně jednoduchá- k danému typu vozu se vřadí box pomocí konektorů. Každý box má jinou funkci, protože každý výrobce používá jiný systém modifikace dat. Lze se setkat i s případem, kdy je v boxu pouze malý odpor (viz. Obr.16,17), který mění jen velikost signálu. Z osobní zkušenosti vím o mnoha lidech, kteří jsou spokojeni s navýšením výkonu pomocí chiptuningu, méně však s power-boxem. Setkal jsem se i s instalací power-boxu na zcela nový VW Passat, kdy navýšení výkonu motoru neproběhlo podle očekávání a do roka se objevily závady na mnoha snímačích a akčních členech- i na těch, které za normálního provozu vydrží řadu let. Obr. 16 Levná replika power-boxu [23] Obr. 17 Uvnitř repliky je namontován pouze odpor [23] 25

25 4 EMISE Analýza obsahu spalin je významnou součástí prověřování stavu vozidla. Je třeba dbát na splnění požadavků hladiny emisí škodlivin, aby automobil byl uznán provozuschopným k pohybu na běžných komunikacích. Toto je nutné zajistit i při jakékoliv úpravě motoru vozidla. V následujících kapitolách se zabývám složením výfukových plynů a jejich vlivem na životní prostředí Složení výfukových plynů spalovacího motoru Při spalování uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku, obsažených v palivu, oxid uhličitý (C0 2 ) a voda (H 2 0). Při nedokonalé oxidaci těchto prvků je ve spalinách přítomen oxid uhelnatý (CO) a vodík (H 2 ). Při použití vzduchu jako okysličovadla je vždy nejvýznamnější (co do obsahu) složkou spalin dusík (N 2 ). Kyslík (0 2 ) se objevuje ve výfukových plynech, když se celé jeho množství nepoužije k oxidaci paliva, protože byl v čerstvé směsi v přebytku, nebo se nevyužil z jiných důvodů. Za vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku (NO x ), sestávající zejména z oxidu dusnatého (NO) a menšího množství oxidu dusičitého (N0 2 ). Při velmi nepříznivých globálních či lokálních podmínkách pro oxidaci paliva obsahují výfukové plyny nespálené uhlovodíky (HC(I) různého složení (co do obsahu individuálních uhlovodíků). U motorů s vnější tvorbou směsi se tato složka objevuje jako součást spalin i z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) nastává při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jejímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách. S výfukovými plyny odchází z motoru též velmi malé množství dalších (pevných) částic (vysokomolekulové produkty tepelné degradace mazacího oleje, prach, popel, částečky rzi atd.). [7] 26

26 4.2 Charakteristika jednotlivých složek výfukových plynů Oxid uhelnatý (CO) Produktem nedokonalé oxidace uhlíku, obsaženého v uhlovodíkovém palivu, je oxid uhelnatý. Jeho výskyt ve spalinách je zapříčiněn především nedostatkem kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ<1. Jeho škodlivost spočívá v bezprostředním působení na organizmus. Na krevní barvivo se váže intenzivněji než kyslík, jednotlivé orgány pak trpí nedostatkem kyslíku. (Viz. Obr. 18) [7] Obr. 18 Vliv CO na lidský organizmus [7] Oxidy dusíku (NOx) Vznikají oxidací dusíku dodávaného společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Oxidace je endotermická, nastává tedy jako součást mechanizmu, kterým přírodní síly vzdorují zvýšení teplot. Při spalování bohaté směsi je intenzita oxidace dusíku do jisté míry snížena nedostatkem kyslíku. Maximální hodnoty NOx bychom dosáhli v oblasti lehkého přebytku vzduchu s hodnotou λ= 1,05-1,1. Přímý dopad oxidu dusnatého na lidský organizmus je malý, až při delším setrvání v atmosféře dochází k oxidaci na oxid dusičitý, a ten je škodlivější než CO. Ovšem nezanedbatelný podíl má NO 2 na tvorbě skleníkového efektu, podle nových studií je nebezpečnější nežli freon. [7,13] 27

27 4.2.3 HC-uhlovodíky Jsou produktem nedokonalého průběhu oxidační reakce. Jejich výskyt ve spalinách znamená kromě negativního vlivu na životní prostředí také energetickou ztrátu. Nežádoucí množství této složky vzniká při spalování extrémně chudé, nebo bohaté směsi. Negativní vliv na obsah HC mají oblasti s nízkou teplotou hoření (okolí stěn, úzké štěrbiny). Nejnižší hodnoty lze nalézt v oblasti λ = 1,1 až 1,2. Na velikost hodnoty HC má velký vliv celkový stav motoru a jeho seřízení. Nespálené uhlovodíky jsou skupina škodlivin, jejichž působení má různé účinky: od slabého dráždění pokožky, omamných účinků, skleníkový efekt až po poškození nervové soustavy a karcinogenní účinky. [7,13] Hodnocení škodlivosti exhalátu - CO 2 CO 2 vzniká při dokonalé oxidaci uhlíku a pro dané složení směsi slouží jeho vysoký obsah jako indikátor dokonalého spalování, a to jak po stránce energetické, tak i emisní (protože výpadek v hmotové bilanci uhlíku může být vyplněn pouze produkty nedokonalé oxidace, které jsou hygienicky závadnější než CO 2 ). Cesta ke snižování produkce CO 2 tedy vede přes snižování spotřeby paliva, případně používání paliva s menším podílem uhlíku. Obsah CO 2 vypovídá také o stavu motoru a funkci katalyzátoru. Oxid uhličitý není hodnocen jako škodlivina s přímým vlivem na živé organismy. V současnosti není emise této složky administrativně limitována. CO 2 je registrovaný jako významný skleníkový plyn, protože v atmosféře odráží teplo zpět na zem.v atmosféře jsou sice mnohem nebezpečnější plyny, ale žádný zde není zastoupen v takovém množství jako právě CO 2. [7] 28

28 4.3 Součinitel přebytku vzduchu λ Pro oxidační proces paliva musí být vhodným způsobem k palivu přivedeno okysličovadlo, tj. kyslík z atmosférického vzduchu. K dokonalé oxidaci paliva, tj. k úplnému vyhoření všeho paliva a vzniku produktů dokonalého hoření (tj. CO 2 a H 2 O), je zapotřebí přivést k 1 kg paliva nejméně tzv. teoretické množství vzduchu L VT. λ = MV M. L p VT [-], Kde M V - hmotnost přivedeného vzduchu [kg] M p - hmotnost paliva [kg] L VT - teoretické množství vzduchu pro dokonalé spálení [kg.kg -1 ] Při λ = 1 jde o stechiometrické složení Při λ < 1 jde o směs bohatou (nedostatek vzduchu) Při λ > 1 znamená směs chudou (přebytkem vzduchu). Při λ < 1 dochází k nedokonalému spalování s produkcí škodlivin, především CO. Z těchto důvodů, ale především z důvodů nevyužití energetického potenciálu v palivu, není žádoucí pracovat v režimu s λ < 1. Přesto k takovému spalování v určitých případech dochází: režimy maximálního zatížení motoru, nekvalitní homogenizace směsi s lokálním nedostatkem vzduchu v důsledku funkčních poruch v motoru, chybné seřízení motoru apod. U zážehových motorů není při plném zatížení motoru spalování směsi při λ < 1 výjimkou. Důvodem je zvýšení točivého momentu vlivem zvětšení rychlosti hoření paliva (roste indikovaná účinnost oběhu). Při vyšších otáčkách motoru je obohacování paliva jediným možným způsobem jak snížit teploty výfukových plynů a tím zabránit poškození třícestného katalyzátoru. S režimem λ = 1 pracuje převážná většina dnešních vozidlových zážehových motorů. Realizace tohoto způsobu tvoření směsi vyžaduje elektronicky řízený palivový systém se zpětnou vazbou (λ sonda na výstupu výfukových plynů z motoru). V režimu λ > 1 pracují ze zážehových motorů určité skupiny plynových motorů: řešení těchto motorů musí zajistit jednak spolehlivý zážeh chudé směsi (chudá směs má horší 29

29 zápalnost, navíc plynná paliva vyžadují větší zapalovací energii pro vytvoření kvalitního ohniska zážehu), jednak dostatečnou rychlost vyhořívání chudé směsi (chudé směsi hoří proti λ = 1 výrazně pomaleji). Všechny vznětové motory musí být seřízeny pro spalování směsí s λ > 1: celkový přebytek vzduchu u těchto motorů se při 100% zatížení pohybuje v rozsahu λ 1,3-2, při volnoběhu pracují tyto motory s přebytkem vzduchu λ 6 7. Stechiometrický poměr u vznětových motorů je 14,5 kg vzduchu na 1 kg paliva. Stechiometrický poměr u zážehových motorů je 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva. [10, 8, 2] 30

30 5 PŘEPLŇOVÁNÍ Přeplňování je nejefektivnější metodou zvyšování výkonu spalovacího motoru, protože se jím dosahuje nárůstu středního indikovaného tlaku, čímž se zvětší kladná plocha indikátorového diagramu při neměnném objemu motoru. Důvodem přeplňování je zvýšení množství vzduchu a tím i dodávky paliva do spalovacího prostoru za jednotku času. Lze tak dosáhnout vyššího točivého momentu, vyššího výkonu a nižší měrné spotřeby. Možnosti přeplňování: Mechanické Turbodmychadlem Kombinované Inerční Náporové Jednou z hlavních nevýhod spalovacích motorů je malý točivý moment při nízkých otáčkách, které jsou při běžné jízdě používané nejvíce. Z tohoto důvodu se nejvyšší plnící tlak aplikuje právě při nízkých otáčkách, čímž se alespoň částečně tento problém vylučuje. 5.1 Turbodmychadla Turbodmychadlo se skládá z turbínové a dmychadlové části. Turbínu roztáčejí výfukové plyny, které jí předávají část své energie. Na společném hřídeli s turbínovým kolem je dmychadlo, které stlačuje nasávaný vzduch a ten potom proudí do válců tlakem vyšším, nežli je tlak atmosférický. Hřídel, na níž se nachází obě kola, je nejčastěji uložena v kluzných ložiskách a její mazání a chlazení při vysokých otáčkách zajišťuje tlakový olej. Turbínové kolo bývá vyrobeno z žáropevné niklové slitiny, skříň turbíny a ložisek z temperované šedé litiny. Oběžné kolo dmychadla, stejně jako jeho skříň, bývají vyrobeny ze slitiny hliníku.. Je snahou, zajistit pomocí přeplňování při nízkých otáčkách potřebný tlak. Ovšem s otáčkami motoru rostou i otáčky dmychadla, tedy i plnící tlak. Pokud bychom vhodným konstrukčním řešením tento tlak nesnížili, došlo by k nadměrnému zatížení motoru, které by vedlo až k havárii. Řešením problému s maximálním plnícím tlakem je například regulace turbodmychadla pomocí obtokových ventilů, nebo proměnná geometrie rozváděcích lopatek turbíny. I když se konstrukce regulace tlaku podle jednotlivých systémů odlišují, obě mají, jak bylo již uvedeno,stejný úkol: zajistit 31

31 maximální účinek přeplňování v nízkých otáčkách a omezovat velikost plnícího tlaku v otáčkách vyšších. Obtokový ventil, používaný hlavně u zážehových motorů otevírá při zvýšení plnícího tlaku cestu výfukovým spalinám do paralelního výfukového kanálu. Ventil je řízen buď pneumaticky nebo elektricky. Při použití VGT (variabilní geometrie rozváděcích lopatek turbíny) se vychází z rovnice kontinuity, která říká, že konstantní objem tekutiny proudí zúženým průřezem rychleji. Podle potřeby jsou tedy rozváděcí lopatky nastaveny tak, aby v nízkých otáčkách byl malý průtočný průřez a naopak [4, 8, 9] 5.2 Mechanické přeplňování Toto konstrukční uspořádání na rozdíl od turbodmychadel obsahuje jenom dmychadlovou (kompresorovou) část, která je poháněná přímo od motoru. Ubírá tedy určité procento z výkonu, který by jinak byl použit na pohon vozidla. Oproti turbodmychadlu odpadá nepříjemně dlouhá prodleva mezi roztočením turbínového kola výfukovými plyny a nárůstem tlaku. Stlačený vzduch je tedy dodáván do motoru ihned po sešlápnutí akceleračního pedálu. Dmychadla jsou poháněna prostřednictvím převodného ústrojí, například plochý drážkový řemen. Nejčastěji používaná dmychadla jsou : Rootsovo dmychadlo Lysholmovo dmychadlo G dmychadlo V praxi se s mechanickým přeplňováním u sériových automobilů příliš často nesetkáme, jinak je tomu ale v tuningu. Kompresorový kit je poměrně snadno dostupný ve specializovaných obchodech a má řadu výhod: Jeho montáž je výrazně jednodušší než montáž turbodmychadla Přijatelnou pořizovací cena Dobrou účinnost Plnící tlaky nejsou tak vysoké jako u TD, tudíž je menší tepelné namáhání 32

32 Chlazení stlačeného vzduchu Aby bylo dosaženo potřebné účinnosti přeplňování, bývá v systému zařazen mezichladič stlačeného vzduchu tzv. Intercooler. Důvodem je fakt, že při stlačování vzduchu dochází k velmi intenzivnímu zahřívání, umocněnému přenosem tepla z výfukové turbíny. [8,4,9] 5.3 Dynamické přeplňování Při aplikaci dynamického přeplňování je využíváno periodických poklesů tlaku v sacím potrubí. Tato kolísání umožňují zvětšit plnění čerstvou směsí nebo vzduchem a tak dosáhnout nejvyššího možného točivého momentu [3]. Přitom se používá některé z následujících dvou možností: Pulzační přeplňování Rezonanční přeplňování Po uzavření sacího ventilu dojde k vytvoření tlakové vlny, která se vrací zpět až místu, k volnému konci sacího potrubí. Odtud se šíří zpátky k sacímu ventilu. Pokud je zvolena správná délka a průměr sacích kanálů (viz Obr. 16), dojde při otevření sacího ventilu k lepšímu naplnění prostoru válce vlivem tlakové vlny. Obecně platí, že krátké, široké sací potrubí je vhodné pro vyšší výkon a dlouhé potrubí s menším průžezem zajistí zvýšení točivého momentu v nižších otáčkách. [3, 8] Obr. 19 Schéma sacího potrubí délky L s rezonanční komorou [9] 33

33 6 MĚŘENÍ PARAMETRŮ OSOBNÍHO AUTOMOBILU 6.1 Měření výkonu Mechanický výkon nelze změřit přímo, je součinem dvou měřených veličin, které zjišťujeme na válcové stanici při rotačním pohybu, lze určit ze vztahu: kde: P= Mt ω [kw] P- výkon [kw], Mt- točivý moment [kn m], ω- úhlová rychlost [s -1 ] Výkon tedy stanovujeme podle točivého momentu a otáček. Při zjišťování Mt používáme převážně deformačních členů. Moment síly namáhá měřící člen (hřídel s kruhovým průřezem) krutem, který převádíme na deformaci a měříme snímačem výchylky nebo tenzometrickým snímačem. Další konstrukce využívají změny magnetických vlastností deformačního členu. Pro stanovení výkonu musíme znát otáčky rotující součásti. Výkonová brzda, jak je ve zkušebnictví nazýváno zařízení pro měření mechanického výkonu, působí proti měřenému vozidlu brzdnou silou, jejíž velikost známe nebo měříme. Podle způsobu transformace energie jsou brzdy hydraulické, elektromagnetické a další. Hydraulické brzdy jsou charakteristické tím, že kinetická energie hnacího stroje je přeměněna v teplo vnitřním třením částic kapaliny nebo plynu. Točivý moment brzdy je úměrný čtverci otáček rotoru brzdy, protože síly vyvolané vnitřním třením - v podstatě aerodynamický odpor - jsou přibližně úměrné čtverci rychlosti proudění. Příklad hydraulické brzdy s elektrickým ovládáním je znázorněn na obr

34 Obr. 20 Schématické znázornění hydraulické brzdy s elektrickým ovládáním: 1- kryt; 2-přívod kapaliny; 3- kruhová komora; 4- stator; 5- těleso; 6- dvojitý rotor; 7- vířívá komora; 8- příruba mezilehlého ložiska; 9- labyrintové těsnění; 10-snímač otáčkoměru; 11- spojovací příruba; 12- ložiskový stojan; 13- řídící ventil; 14- odvzdušňovací otvor; 15- otvor pro odvod prosakující vody; 16- rám stroje; 17- pohon řídícího ventilu; 18- potenciometr pro nastavení skutečné hodnoty; 19- kloubový hřídel; 20- škrtící klapka; 21- konec hřídele pro nasazení spojovací příruby na opačnou stranu [2] Voda v brzdě slouží současně jako pracovní médium i jako chladící prostředek. Přes přívod se voda rovnoměrně rozděluje do kruhových komor (3) a otvory ve statorových lopatkách protéká do vířivých komor (7). Otáčející se rotor víří vodu v těchto komorách, a tím přeměňuje odbržděný výkon zkoušeného zařízení v tepelnou energii. Točivý moment, který brzda odebírá, je při konstantních otáčkách závislý na stupni naplnění vířivých komor. Plnění komor je závislé na poloze servoventilu (13), který je umístěn na tělese brzdy a ovládán motorkem. Po změně energie vytéká ohřátá voda z vířivých komor přes obě kruhové mezery mezi statorem (4) a dvojitým rotorem (6). Přes servoventil (13) pak voda odtéká do odpadu. Točivý moment v průběhu transformace energie je přenášen prostřednictvím vody z dvojitého rotoru na oba statory, které jsou upevněny ve výkyvném tělese brzdy. Toto těleso se pákou opírá o siloměrné zařízení. Rychlost otáčení je měřena 35

35 bezdotykovým otáčkoměrem. Při použití elektrického měřícího zařízení může být točivý moment a počet otáček indikován analogovým nebo číslicovým ukazovacím přístrojem. Vířivé elektromagnetické brzdy mají větší použitelný rozsah otáček při stejném výkonu nežli brzdy hydraulické. Tyto brzdy mají velikou výhodu v automatizovaném provozu, protože točivý moment i otáčky lze nastavit elektronicky. Takové zkoušení je potom plně řízeno počítačem. Funkce elektromagnetické brzdy je zřejmá z Obr. 21. Obr. 21 Elektromagnetický dynamometr: 1- těleso brzdy; 2- budící ventil; 3- pólový kotouč; 4- chladící komory; 5- vodní chlazení; 6- vzduchová mezera; 7- levá příruba; 8- pravá příruba; 9- hřídel brzdy; 10- rám; 11- připojené měřené zařízení (např. válec zkušební stanice) [2] Výkyvně uložené těleso (l) obsahuje ozubený pólový kotouč (3). Dále těleso obsahuje budící vinutí (2) a chladící komory (4), kterými protéká voda. Při přítoku stejnosměrného proudu budícím vinutím vzniká magnetické pole. Toto pole je v zubech pólového kotouče statické, tzn. obíhá spolu s pólovým kotoučem. Ve stěnách chladicích komor přivrácených ke kotouči však toto pole pulsuje s frekvencí, která odpovídá frekvenci otáčejících se zubů. Tím vznikají ve stěnách komor vířivé proudy, které vytvářejí vstřícné pole a brzdí rotor. Odbržděná energie se odvádí do chladicích komor 36

36 ve formě tepla. Magnetické silokřivky procházejí zuby pouze v axiálním směru. Proto může být pólový kotouč poměrně úzký, čímž se v porovnání s jinými konstrukcemi získá malý moment setrvačnosti. Konstrukce vířivé brzdy je symetrická a brzda se proto může otáčet oběma směry. Elektrické brzdy (často označované jako dynamometry) jsou v podstatě elektrické stroje, které pracují jako elektrické generátory nebo elektromotory s výkyvně uloženým statorem. Výkyvné uložení může být (podobně jako u hydraulických a vířivých brzd) dvojího druhu. Bud' je stator zavěšen v ložiskách hřídele rotoru a hřídel rotoru v pevných ložiskách, nebo je rotor výkyvně uložen v pevných ložiskách, uložených ve statoru. Výhodou elektrických strojů je jejich možné využití ve funkci motorů (elektromotor pohání např. válec, na kterém stojí kola vozidla bržděná vozidlovými brzdami). Naproti tomu elektromagnetická vířivá brzda nemůže válce zkušebního stavu pohánět, ale pouze zatěžovat (brzdit). [2, 6] 6.2 Měření spotřeby Pro diagnostiku osobních automobilů, je často nutné změřit velikost průtoku. Podle vlastností protékajícího média volíme vhodný typ snímače (tlak, teplota, hustota, nečistoty, výbušnost). Podle měřící metody dělíme snímače na: 1. Objemové průtokoměry, 2. Rychlostní průtokoměry, 3. Hmotnostní průtokoměry. Objemový průtok je definován jako objem tekutiny proteklý za jednotku času. Platí tedy: V Q V = [m 3.s -1 ], t kde: Q V - objemový průtok [m 3.s -1 ], V- objem proteklého množství [m 3 ], t - čas [s] 37

37 Rychlostní průtok je dán součinem střední rychlosti proudění a průtočného průřezu: Q R = w S [m 3.s -1 ], kde: Q R - rychlostní průtok [m 3.s -1 ], w - střední rychlost proudění [m.s -1 ], S- plocha průtočného průřezu [m 2 ] Hmotnostní průřez je dán analogicky: m Q M = [kg.s -1 ], t kde: Q M - hmotnostní průtok [kg.s -1 ], m- hmotnost protékající tekutiny [kg], t- čas [s] Pro správnost výsledku měření průtoku tekutiny je důležitá znalost druhu proudění. V zásadě existují dva základní typy proudění: - Laminární - Turbulentní Z důvodu závislosti hustoty kapaliny na teplotě je nutno výsledek uvádět ve formě hmotnostního průtoku. Objemové průtokoměry mají v technické praxi řadu nevýhod, protože měří pouze objem a při přepočtu na hmotnostní průtok je také třeba sledovat teplotu média. Mnohé objemové průtokoměry mají také potíže s vysokou viskozitou protékající látky, z čehož plynou i vysoké tlakové ztráty v systému. Dříve se tyto komplikace řešily složitě pomocí vah a měření času. Dnes využíváme například průtokoměr pracující na principu Coriolisových sil, který je sice finančně náročný, ale velmi přesný. [4, 2]. 38

38 7 CÍL PRÁCE Cílem práce bylo provést úpravu vozu Fiat Uno tak, aby se zvýšil výkon jeho motoru a současně co nejméně stoupla spotřeba paliva. Po provedení úprav a následném zkoušení jsme hodnotili, zda je automobil schopen dosáhnout výsledků slibovaných výrobci jednotlivých komponentů, použitých při úpravě vozu. Na vozidle byli provedeny tyto úpravy: Pro snížení turboefektu byl přidán Blow off ventil BOV bidrin Performance MK II Twin port, stávající zapalovací svíčky byly nahrazeny kvalitnějšími značky NGK. Tyto komponenty byli namontovány již před zkouškou, proto jsou zahrnuty v měření označeném jako Test 1. V druhém kroku byl namontován sportovní čistič vzduchu KaN RR3001. Tento test je označen jako Test 2 a obsahuje i úpravy označené jako Test 1. Ve třetím kroku byl namontován ruční regulátor tlaku turbodmychadla (viz. Obr. 22) s manometrem a tlak seřízen na hodnotu 70 kpa. Tuto hodnotu uvádí v literatuře výrobce jako maximální. Měření bylo označeno Test 3 a obsahuje úpravy obsažené v testu 2 a v testu 3. Obr. 22 Ruční regulátor tlaku turbodmychadla 39

39 7.1 Metodika měření Měřené vozidlo Pro ověření účinnosti vybraných úprav byl vybrán osobní automobil Fiat Uno 1,3 i.e. Oproti předchozím modelům typu Fiat Uno má tento automobil již řadu úprav, které jej zařazují do segmentu sportovních vozidel: Zmenšení vrtání při nezměněné rozteči os válců umožnilo zavést chladicí kapalinu i mezi stěny sousedních válců o zlepšit tak chlazení tepelně více zatíženého přeplňovaného motoru Hliníková hlava válců s pozměněnými spalovacími prostory je spojena s blokem větším počtem šroubů a její nové těsnění z materiálu Astadur s lemy z antikorozní oceli odolává vyšším teplotám Písty jsou přídavně chlazeny olejem stříkajícím zvláštními tryskami od ložisek klikového hřídele Výfukové ventily jsou chlazené sodíkem Turbodmychadlo je vybaveno kapalinovým chlazením ložisek a turbíny 40

40 Tab. 1 Parametry zkoušeného vozidla Parametr Rozměr Hodnota Výrobce Model Fiat Uno Rok výroby 1988 Označení Uno i.e. Číselné označení motoru 146A2.146 Typ ventilového rozvodu OHC Objem válců [dm 3 ] 1,301 Výkon [kw/min -1 ] 77/5750 Točivý moment [Nm/min -1 ] 147/3200 Vrtání [mm] 80,5 Zdvih [mm] 63,9 Stupeň komprese 8 Druh paliva Bezolovnatý 95 Vstřikovací zařízení LE/LU Jetronic Zapalování VEZ Pořadí zapalování Vstřikování Bosh Přeplňování turbodmychadlo IHI Převodovka manuální, 5 stupňů Vnější rozměry [mm] 3644x1555x1415 Hmotnost [kg] 875 Maximální rychlost [kmh] 190 Zrychlení z km/h [s] 8,3 Brzdy kotoučové Spotřeba dle EHK (90/120/město) [l/100 km] 5,8/ 7,6/ 8,9 Pneumatiky 170/60 R Použité přístroje Válcový dynamometr Vozidlová zkušebna je vybavena dynamometrem 4VDM E120-D, které se skládá z tuhých základních rámů, na nichž jsou umístěna ložiska válců, stojin a pomocných rámů se stejnosměrnými elektrickými dynamometry. Rámy se stojinami vytvářejí základní bloky jednotlivých os (viz Obr. 23). Blok přední osy je umístěn pevně, blok zadní osy je umístěn posuvně v rozmezí požadovaného rozvoru. Spojení levého a pravého válce zajišťuje elektricky ovládaná 41

41 spojka. Rozpojení pravého a levého válce umožňuje dynamické měření brzdných sil z vysokých rychlostí. Propojení válcových jednotek s elektrickými dynamometry typu SDS 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 upevněných na základním rámu, který je zalit betonem na dně montážní jámy. Na základním rámu jsou rovněž uchyceny podpěry pevného a posuvného krytí válcového 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. [5] Tab. 2 Základní mechanické vlastnosti dynamometru MEZ 4VDM E120-D Max. zkušební rychlost [km.h -1 ] 200 Max. výkon na nápravu [kw] 240 Max. hmotnost na nápravu [kg] 2000 Průměr válců [m] 1,2 Šířka válců [mm] 600 Mezera mezi válci [mm] 900 Povrch válců zdrsnění RAA 1,6 Hmotnost válců (každá náprava) [kg] 1130 Min. rozvor [mm] 2000 Max. rozvor [mm] 3500 Zatížitelnost krytí v místě jízdy [kg] 2000 v místě chůze [kg] 500 Tlakový vzduch [bar] min. 4 Rozsah měření rychlosti [km.h -1 ] Rozsah měření sil [kn] 4x 0-5 Přesnost měření rychlosti [km.h -1 ] ± 0,05 Přesnost měření sil [%] ± 1,5 Přesnost regulace rychlosti [%] ± 1,5 Přesnost regulace síly [%] ± 2,5 42

42 Obr. 23 Schéma válcového dynamometru [5] Diagnostický přístroj Bosch Protože zkoušené vozidlo je starší konstrukce a nepřipadalo tedy v úvahu načítat hodnoty z řídící jednotky, byl na měření většiny veličin použit přístroj Bosch ESA Tento diagnostický přístroj provádí emisní analýzu, měření otáček, komunikaci s řídící jednotkou, měření teplot vzduchu, oleje a umožňuje připojení stroboskopické lampy a jiných zařízení. Je to v podstatě stavebnice sestavená z jednotlivých modulů spojená v jeden celek, který je umístěn na pojízdném vozíku. Pro svoji všestrannost je používán nejen na stanicích měření emisí, ale i v odborných servisech. Modul analyzátoru ETT 8.70 provádí měření čtyř základních složek výfukových plynů CO, HC, CO 2, O 2 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 NO x. Výfuková sonda s nastavitelnou délkou umožňuje bezproblémové připojení na výfuk i u vozidel s extrémně krátkou nebo nezvykle tvarovanou koncovkou výfuku. Magnetické uchycení přijímače a vysílače usnadňují obsluhu přístroje. [5] 43

43 1 Monitor 2 Dálkové ovládání 3 Inkoustová tiskárna 4 Měřící modul MTM Plus 5 Modul opacimetru RTM Klávesnice 7 PC modul 8 Modul analyzátoru ETT Dílenský vozík Obr. 24 Emisní systémová analýza Bosch ESA [5] Tab. 3 Charakteristika emisní systémové analýzy Bosch ESA Modul analyzátoru ETT Měřící rozsah Rozlišení CO 0,000-10,00 % obj. 0,001 % obj. CO 2 0,00-18,00 % obj. 0,01 % obj. HC ppm obj. 1 ppm obj. O 2 0,00-22 % obj. 0,01 % obj. Lambda 0,500-1,800 0,001 Modul opacimetru RTM 430 Měřící rozsah Rozlišení Kouřivost % 0,10% Opacita /m 0,01 1/m 44

44 Průtokoměr Siemens Sitrans F C Velmi přesné měření průtoku paliva bylo zajištěno dvěma přístroji Siemens Sitrans, u nichž se zjišťoval rozdíl průtoků. Tyto přístroje fungují na principu Coriolisovy síly. Coriolisova síla je setrvačná síla, která působí na tělesa pohybující se v rotující soustavě tak, že mění jejich vzdálenost od osy otáčení, tedy způsobuje stáčení trajektorie pohybujícího se tělesa. Velikost Coriolisovy síly lze vypočítat: kde F c - Coriolisova síla [N], m- hmotnost tělesa [kg], F c = 2 m ( ω v) [N], v- rychlost tělesa v soustavě[m.s -1 ], ω- vektor úhlové rychlosti otáčení soustavy [rad.s -1 ], označuje vektorový součin. Coriolisův hmotnostní průtokoměr využívá Coriolisovy síly vznikající v kmitajících měřících trubicích při průtoku tekutiny. Kmitání trubice nahrazuje otáčivý pohyb k projevu Coriolisovy síly (viz Obr. 25). Obr. 25 Působení Coriolisovy síly na kmitající trubici [24] Velikost Coriolisovy síly se vyhodnocuje nepřímo podle velikosti deformace měřicí trubice, kterou způsobuje, a která je úměrná hmotnostnímu průtoku média trubicí. Základní uspořádání měřicí části Coriolisova průtokoměru si lze představit tak, že měřicí trubice, kterou protéká měřené médium, je na obou koncích pevně uchycena a část trubice mezi mechanickými podpěrami je uprostřed elektromagneticky rozkmitána na kmitočet vlastní mechanické rezonance, kdy dojde ke shodě frekvence nuceného kmitání a vlastního kmitočtu. 45