Úplná charakteristika motoru a její využití v provozu vozidla Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Úplná charakteristika motoru a její využití v provozu vozidla Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Bc. Radek Macek Brno 2013

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma ÚPLNÁ CHARAKTERISTIKA MOTORU A JEJÍ VYUŽITÍ V PROVOZU VOZIDLA 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 Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

3 PODĚKOVÁNÍ Upřímně děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce a také mé přítelkyni a rodině za podporu při studiu.

4 ABSTRAKT MACEK, R. Úplná charakteristika motoru a její využití v provozu vozidla. Tématem mé diplomové práce je měření parametrů motoru traktoru pomocí vývodového hřídele a sestavení úplné charakteristiky motoru. V literárním přehledu jsou dle dostupné literatury popsány druhy charakteristik spalovacích motorů. Dále je zde popsána teorie tvorby směsi a spalování u vznětových motorů, druhy palivových soustav vznětových motorů a způsoby přeplňování. Praktická část práce je zaměřena na měření základních parametrů motoru traktoru New Holland T7050 AutoCommand. Z naměřených hodnot je poté sestavena úplná charakteristika motoru. Měření bylo uskutečněno v laboratořích Mendelovy univerzity v Brně. V závěru jsou výsledky měření přeneseny do grafů a doplněny příslušnými komentáři. Klíčová slova: charakteristiky, palivová soustava vznětového motoru, vývodový hřídel. ABSTRACT MACEK, R. Complete characteristic of the engine and its use in vehicle operation. The theme of my thesis is the measurement of motor parameters using the tractor PTO (power take-off) and composition a complete engine characteristic. In the literature review are according to available literature described the kinds of characteristics of internal combustion engines. Then there is the theory of formation mixture and combustion in diesel engines, types of diesel engines, fuel systems and ways of supercharging. Practical part is focused on measuring the basic parameters of the tractor New Holland T7050 AutoCommand. The measured values compile a complete characteristic of the motor. Measurements were carried out in the laboratories of the Mendel University in Brno. In conclusion, the measurement results are transferred to the relevant graphs and commentary. Key words: characteristics, diesel engine fuel system, power take-off.

5 OBSAH 1 Úvod Literární přehled Charakteristiky spalovacích motorů Otáčkové (rychlostní) charakteristiky Zatěžovací charakteristiky Seřizovací (regulační) charakteristiky Úplné (celkové) charakteristiky Zvláštní charakteristiky Tvorba směsi a spalování u vznětových motorů Palivová soustava vznětového motoru Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Palivová soustava s rotačním vstřikovacím čerpadlem Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem Common Rail Přeplňování Turbodmychadla Cíl práce Materiál a metodika Technické parametry traktoru Měřící stanoviště Metodika měření Podmínky měření Měření jmenovité (vnější) otáčkové charakteristiky Použitá měřící zařízení Měření úplné (celkové) charakteristiky... 33

6 5 Výsledky a diskuse Výsledky měření jmenovité (vnější) otáčkové charakteristiky Výsledky měření úplné (celkové) charakteristiky Diskuze Závěr Přehled použité literatury Seznam obrázků Seznam tabulek... 55

7 1 ÚVOD Využít tepelnou energii jako zdroj užitečné práce zamýšleli konstruktéři již od konce 17. století. Vývoj spalovacích motorů a jejich zdokonalování probíhá neustále. Moderní společnost je úzce spjata s různými dopravními prostředky, jichž je na světě něco přes jednu miliardu. Spalovací motory jsou od dob svého objevení předmětem neustálého zájmu konstruktérů, jelikož stále rostou nároky ze strany uživatelů, ale taktéž jsou zde mezinárodní normy omezující negativní vlivy provozu motorů na životní prostředí. Největší snahou dnešních konstruktérů je zkonstruovat motor, který je výkonný a zároveň má malou spotřebu paliva a co nejnižší hodnoty škodlivin výfukových plynů. Tato snaha se naplňuje pomocí nových technických řešení. Největší modernizace se dnes především projevuje v oblasti přípravy palivové směsi a aplikace elektroniky v řízení a ovládání motoru. V případě přípravy palivové směsi došlo hlavně k využití přeplňování motoru. Přeplňování je hlavní součástí motorů, kdy dnešním trendem je tzv. downsizing. Hlavní myšlenkou downsizingu je zmenšování objemu motoru při zachování výkonu. Tento problém pomáhá vyřešit přeplňování a přímé vstřikování palivové směsi do válce. Díky elektronice dokážeme pomocí snímačů a akčních členů provádět neustálou kontrolu a regulaci motoru a také současně spojovat řízení motoru s ostatními skupinami. Cílem prováděných změn je snížení spotřeby paliva, ztrátových výkonů, tepelného namáhání, opotřebení a škodlivin výfukových plynů. Pro zlepšování stávajících parametrů motorů a jejich komponentů mají velký význam zkoušky vozidel, které se provádí ve vozidlových nebo motorových zkušebnách. Z výsledků zkoušek lze určit technicko-ekonomické ukazatele a shodu s požadavky norem a předpisů. Pomocí počítačové techniky, snímačů a různých jiných záznamových přístrojů lze efektivně provádět zkoumání vlastností motorových vozidel v provozních i laboratorních podmínkách. Pomocí těchto moderních přístrojů byla naměřena úplná charakteristika motoru, což je tématem diplomové práce. 7

8 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED 2.1 Charakteristiky spalovacích motorů Charakteristiky spalovacích motorů jsou graficky znázorněné závislosti mezi základními veličinami, jako jsou výkon, točivý moment, střední efektivní tlak, otáčky, měrná spotřeba paliva, hodinová spotřeba, teplota, účinnost, veličiny charakterizující exhaláty atd. Charakteristiky dělíme na: otáčkové charakteristiky, zatěžovací charakteristiky, seřizovací (regulační) charakteristiky, úplné (celkové) charakteristiky, zvláštní charakteristiky Otáčkové charakteristiky Znázorňují závislost výkonu a dalších parametrů motoru na jeho otáčkách při stálém nastavení ovládacího zařízení (pedál akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Místo absolutních otáček se mohou na osu úseček vynášet poměrné otáčky, tj. poměr otáček skutečných ke jmenovitým. V tom případě je nutno na diagramu uvést číselnou hodnotu otáček jmenovitých. Při přímém zjišťování otáčkové charakteristiky (s výjimkou lodní charakteristiky a charakteristiky běhu na prázdno) se změn otáček dosahuje změnou zatížení (přechodem na jinou charakteristiku zatěžujícího orgánu) bez jakéhokoli vnějšího zásahu do nastavení dodávky paliva a do seřízení regulátoru. (Ondráček, 1989) Otáčkové charakteristiky jsou nejpoužívanější. Vyskytují se jako součást technické dokumentace motorů, vozidel, pracovních strojů apod., v protokolech měření, v propagačních materiálech atd. Otáčkové charakteristiky se dále dělí na vnější, částečné a zvláštní. a) Vnější charakteristiky jsou typické tím, že ovládací zařízení (pedál akcelerátoru), regulující výkon motoru, je nastaveno na maximum v celém 8

9 rozsahu otáček. Podle stupně a způsobu seřízení dodávky paliva se vnější charakteristiky dělí na tyto druhy: Absolutní je limitní charakteristikou získanou z bodů při nastavení motoru na hranici dosáhnutelného výkonu bez jakéhokoliv omezení. Její praktické využití je ojedinělé, samostatné měření je náročné, protože každý měřený bod se získává při jiném nastavení motoru. Na hranici kouření je otáčková charakteristika pro limitní dávku paliva, v každém měřeném bodě, na hranici povolené hodnoty kouřivosti. Nezjišťuje se přímo, nýbrž na základě charakteristik zatěžovacích, stanovených pro různé otáčky, vždy s postupným zvyšováním zatížení až do hodnoty kouření uznaného za mezní. (Ondráček, 1989) Charakteristika slouží pro návrh konstrukce vstřikovacích systémů, resp. regulátorů dodávky paliva. Provozní charakteristika motoru nastaveného na konkrétní provozní podmínky jako je životnost, hlučnost, spotřeba, dovolené emise atd. její průběh je platný pro konstantní stanovenou hodnotu ovládacího zařízení (pedál akcelerátoru), regulujícího výkon motoru. Její průběh je od absolutní charakteristiky posunutý směrem k nižším hodnotám výrazně pro vznětové, méně pro zážehové motory. (1 - absolutní, 2 - na hranici kouření, 3 - provozní) Obr. 1 - Otáčkové charakteristiky spalovacího motoru 9

10 b) Částečné charakteristiky svým průběhem se podobají vnější provozní charakteristice, ale velikostí se odlišují podle nastavení ovládacího zařízení (pedálu akcelerátoru) regulujícího výkon motoru. Částečná charakteristika platí tedy i pro konstantní polohu ovládacího zařízení regulujícího výkon motoru v celém otáčkovém rozsahu, ale její hodnota je nižší od maximální. c) Zvláštní charakteristiky zařazené pod skupinu rychlostních, které znázorňují závislosti veličin motoru pro určité vybrané režimy, resp. podmínky. Patří sem: Lodní (vrtulová) charakterizuje práci motoru s lodním šroubem nebo na brzdovém stanovišti, které šroub nahrazuje. Nezávisle proměnnou jsou otáčky, resp. střední pístová rychlost motoru. Přitom dodávka paliva (poloha regulačního orgánu) v závislosti na otáčkách je řešená tak, aby generovaný točivý moment spalovacího motoru odpovídal průběhu momentu odebíraného vrtulí nebo lodním šroubem. Charakteristika motoru s regulátorem zobrazuje závislost výkonu, momentu a jiných provozních veličin v závislosti na otáčkách spalovacího motoru. Při změně zatížení z nuly do maxima dochází ke změně polohy regulačního orgánu dodávky paliva řízeného samočinným regulátorem, přičemž poloha ovladače (pedál akcelerátoru) je konstantní. V automobilových vznětových motorech se používá regulátor, který samočinně řídí velikost dávky v oblasti volnoběžných a maximálních otáček omezovací regulátor. Pro motory mobilních pracovních strojů se používá tzv. výkonnostní regulátor. Soustava charakteristik s výkonnostním regulátorem představuje několik vnějších otáčkových charakteristik. (Hlavňa a kol., 2000) Charakteristika chodu na prázdno znázorňuje závislost celkové spotřeby paliva (kg.h -1 ) spalovacího motoru bez zatížení (efektivní výkon roven nule) na jeho otáčkách a to v celém provozním rozsahu. 10

11 a) Omezovací regulátor b) Výkonnostní regulátor Obr. 2 - Otáčková charakteristika s regulátorem Zatěžovací charakteristiky Se zjišťují měřenímm spalovacího motoru na zkušebním stavu při stálých otáčkách motoru. Přitom se mění zatěžující moment od minimální hodnoty na maximální a to pomocí změny polohy ovládacího zařízení regulujícího výkon motoru. Většinou se měří spotřeba paliva (zpravidla měrná), popř. další provozní veličiny charakterizující zatížení motoru, tj. užitečný výkon, střední užitečný tlak nebo točivý moment při určitém nastavení otáček motoru. Tyto charakteristiky slouží jako podklad pro konstrukci úplných charakteristik. (a závislost hodinové spotřeby na výkonu, b závislost měrné spotřeby na točivém momentu) Obr. 3 - Zatěžovací charakteristiky spalovacího motoru 11

12 2.1.3 Seřizovací (regulační) charakteristiky Znázorňují závislost provozních veličin spalovacího motoru (užitečný výkon, točivý moment, měrná spotřeba, hodinová spotřeba) na některé provozní nebo konstrukční veličině (úhel předstihu, otvírací tlak vstřikovače, součinitel přebytku vzduchu, atd.). Při měření se mění pouze sledovaná nezávisle proměnná, ostatní vstupní veličiny jsou podle možností udržovány na konstantní hodnotě (otáčky, pedál akcelerátoru, teploty, atd.). Hlavní využití je ve sféře výzkumu a vývoje, při navrhování systémů řízení anebo seřizování konstrukčních prvků, které mají vliv na výstupní hodnoty motoru Úplné (celkové) charakteristiky Obecně se jedná o diagramy, znázorňující soustavou křivek závislost sledované provozní veličiny na dvou veličinách základních vynesených na osy souřadnic. Každé křivce diagramu přísluší určitá stálá hodnota sledované veličiny jako parametr. Pro jednotné posuzování motorů celkovou charakteristikou se stanoví soustava os. Na jednotlivých osách mohou být vyneseny otáčky, střední užitečný tlak, točivý moment a jiné požadované veličiny. Úplná charakteristika je v podstatě prostorová plocha vytvořená množinou bodů, jejichž souřadnice jsou hodnoty sledované provozní veličiny pro body základní roviny dané osami. Vrstevnice vytvořené jako průsečnice rovin rovnoběžných se základní rovinou a prostorovou plochou sledované provozní veličiny udávají místa se stejnou hodnotou. Úplná charakteristika se nezjišťuje přímým měřením, ale sestrojuje se z otáčkové a zatěžovací charakteristiky. Způsob je ten, že se ke všem bodům s určitou stejnou souřadnicí na křivkách jedné ze sledovaných veličin (tj. pro určitou hodnotu této veličiny) zjistí požadované hodnoty. Jejich vynesením se získají body jedné křivky úplné charakteristiky. (Ondráček, 1989) 12

13 Obr. 4 - Úplná charakteristika motoru Škoda Fabia 1,2 HTP Zvláštní charakteristiky a) Výšková charakteristika popisuje průběh provozních veličin spalovacího motoru v závislosti na nadmořské výšce. b) Přechodové charakteristiky znázorňují v závislosti na čase průběh provozních veličin motoru v neustálených režimech. Využití této charakteristiky je zejména při zkouškách motorů při řešení dynamiky pohonů, při řešení problémů řízení a regulace spalovací motorů v součinnosti s poháněnými spotřebiči atd. Pro osobní automobily se zážehovým motorem se dělají záznamy některých veličin motoru jako spotřeba a složení výfukových plynů ve stanovených režimech jízdy. c) Detonační charakteristiky slouží pro grafické zobrazení parametrů motoru a jejich vliv na vznik detonačního spalování ve spalovacím prostoru. 13

14 d) Plavební charakteristiky, hlukové charakteristiky specifické pro konkrétní parametr. 2.2 Tvorba směsi a spalování u vznětových motorů Příprava palivové směsi je důležitá u každého spalovacího motoru, protože ovlivňuje průběh a velikost parametrů charakterizujících jeho činnost. Cílem je stav, při kterém bude do spalovacího prostoru přivedeno ve správný okamžik, v požadovaném stavu a množství, palivo společně se vzduchem, které umožní vznícení a uvolnění tepelné energie. Ta je poté přeměněna na mechanickou práci klikového mechanismu. Příprava směsi je také prostředkem regulace motoru. U vznětového motoru je výkon regulován kvalitativně tzn., mění se jen obsah paliva ve směsi se vzduchem, jehož množství se nemění. V důsledku vysoké teploty stlačeného vzduchu při kompresi (800 až 900 C) se vstřikované palivo odpaří a po vytvoření hořlavé směsi se vzduchem samo vznítí. Palivo je do spalovacího prostoru přiváděno vstřikováním ve formě elementárních kapiček za pomoci vstřikovačů. Tyto kapičky se pomocí intenzivního víření vzduchu a vysokých kompresních teplot přemění do plynného stavu a umožní jeho vznícení. Teoreticky je k dokonalému spálení 1kg nafty nutné 14,3 14,5 kg vzduchu. Čas mezi vstřiknutím a vznícením paliva (prodleva vznícení) je mezi 0,002 0,005 s v závislosti na podmínkách před začátkem hoření. (Bauer a kol., 2006) Je žádoucí, aby tento čas byl co nejkratší, jinak roste dynamické namáhání klikového ústrojí vlivem velkého přírůstku tlaku na stupeň pootočení klikového hřídele. Přírůstek tlaku by se měl pohybovat mezi 0,2 0,6 MPa na stupeň pootočení klikového hřídele. Ve výsledku se vyšší prodleva vznícení projeví poklesem indikované práce a energetické účinnosti. Důležitý je i okamžik vstříknutí paliva vzhledem k poloze pístu, ten má být zvolen tak, aby maximum tlaku ve válci nastalo 6 10 KH za horní úvratí pístu. Pro splnění uvedených požadavků bylo nutné přistoupit ke změnám, které se projevily zvýšením vstřikovacího tlaku, chlazením paliva, zvýšením nároků na čistotu paliva a vzduchu, ochlazováním vzduchu a hlavně využití elektroniky pro přesné řízení palivové soustavy. Příprava směsi paliva se vzduchem výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a hluk spalování vznětového motoru. Důležitou roli hraje provedení vstřikovacího zařízení a řízení vstřikování. Tvoření směsi a průběh spalování ovlivňuje: 14

15 - začátek dodávky paliva a začátek vstřiku, - doba vstřiku a průběh vstřiku, - vstřikovací tlak, - směr vstřikování a počet vstřikovaných paprsků, - přebytek vzduchu, - rozvíření vzduchu. (Bauer a kol., 2006) Moderní naftové motory pracují při chodu naprázdno s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu λ = 3,4 i více a při plném zatížení λ = 1,3 2. Uvedená příprava je vnitřní, protože k ní dochází uvnitř spalovacího prostoru. Spalovací prostory můžeme rozdělit na: - dělené na hlavní a vedlejší část komůrkové, - nedělené, vytvořené nejčastěji v pístu. V souvislosti se spalovacími prostory se vstřikování paliva dělí na nepřímé (do komůrky) a na vstřikování přímé (do spalovacího prostoru vytvořeného v pístu). V současné době se u traktorů používají téměř výhradně motory s přímým vstřikem. Motory s přímým vstřikem mají jednoduchý a kompaktní spalovací prostor. Tvar spalovacího prostoru s uspořádáním sacího kanálu (např. šroubový sací kanál v hlavě válce) pomáhá k intenzivnímu rozvíření nasávaného vzduchu. (1 Hesselman, 2 Man, 3 Saurer, 4 Polokulový) Obr. 5 - Spalovací prostory motorů s přímým vstřikem paliva 15

16 Víření umožní rovnoměrný přístup vzdušného kyslíku k hořlavým složkám vstřikovaného paliva a pomůže k jeho dokonalému spalování. Poměr povrchu spalovacích prostorů (obr. 5) k jejich objemu je malý, proto jsou také tepelné ztráty malé. Píst je zpravidla chlazen nepřímo, což vede k menšímu odvodu tepla. Při nižších tepelných ztrátách se vzduch při kompresi lehce zahřeje na teplotu vyšší, než je zápalná teplota paliva. Tím dochází ke snadnému spouštění motoru i za nízkých teplot bez dalšího přídavného zařízení. 2.3 Palivová soustava vznětového motoru Palivová soustava musí zajistit dodávku stejného množství paliva do všech válců v daném okamžiku a množství. Dodávka paliva musí odpovídat požadovanému průběhu točivého momentu a její regulace musí být plynulá a snadná. Palivo musí být do válce dodáváno s velkou přesností a někdy i v několika samostatných vstřicích. Pro dokonalé rozprášení se u motorů s přímým vstřikem používají vysoké tlaky až 250 MPa. Palivový systém je tvořen nízkotlakou a vysokotlakou částí. Nízkotlaká část zajišťuje dopravu paliva z nádrže přes čistič k vysokotlaké části. Kromě dopravy paliva má zpravidla za úkol také chlazení vstřikovacího čerpadla. Některé traktory proto mají v nízkotlaké větvi vřazen také chladič paliva. Vysokotlaká část zajišťuje vytvoření vysokého tlaku paliva, jeho dopravu ke vstřikovačům a dávkování paliva do spalovacího prostoru Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Čerpadlo má pro každý válec motoru jeden element čerpadla. Ten se skládá z pístu čerpadla a válce čerpadla. Píst je ve válci zvedán vačkou vačkového hřídele poháněného od motoru. Zpět se píst vrací působením pružiny. Elementy čerpadla jsou uspořádány v řadě. Zdvih pístu je konstantní. Pro změnu dodávky paliva slouží šikmá spodní řídící hrana pístu. Pootočením pístu, pomocí posuvné regulační hřebenové tyče, se mění užitečný zdvih pístu a tedy i vstřikovaný objem paliva na jeden zdvih. Mezi vysokotlakým prostorem čerpadla a začátkem vysokotlakého vedení je umístěn výtlačný ventil. Ten určuje přesné ukončení vstřiku, zamezuje dostřiku u vstřikovací trysky a zajišťuje rovnoměrné pole charakteristik čerpadla. Velikost vstřikovacích tlaků 16

17 dosahuje až 135 MPa. Řadová vstřikovací čerpadla se vyrábějí ve dvou modifikacích jako standardní a se zdvihovým šoupátkem. (Bauer a kol., 2006) Obr. 6 - Palivová soustava s řadovým vstřikovacím čerpadlem Palivová soustava s rotačním vstřikovacím čerpadlem Na rozdíl od řadového čerpadla má pouze jeden výtlačný element pro všechny válce a pomocí rozdělovače je palivo rozdělováno k jednotlivým vstřikovačům. V současné době se používají dvě konstrukční provedení těchto vstřikovacích čerpadel: Jednopístová s axiálním pohybem pístu kde počet výtlačných zdvihů pístu na jedno otočení odpovídá počtu válců motoru. Píst kromě výtlaku řídí svým otáčivým pohybem rozdělení paliva do jednotlivých vstřikovačů. Obr. 7 - Princip vstřikovacího čerpadla s axiálním pístem 17

18 Dvoupístová (třípístová) s protiběžným radiálním pohybem pístů výhodou těchto čerpadel je možnost dosažení vysokých vstřikovacích tlaků, až 160 MPa, při poměrně malých vnějších rozměrech. (Jan, Ždánský, 2010) Obr. 8 - Princip činnosti rotačního vstřikovacího čerpadla s radiálními písty Samostatná jednoválcová vstřikovací čerpadla Palivová soustava PLD (Pumpe Leitung Düse Systém), v češtině známo jako systém čerpadlo potrubí tryska. Jedná se o modulární vysokotlaký vstřikovací systém se samostatnými jednopístovými vstřikovacími čerpadly, poháněnými vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Počet čerpadel odpovídá počtu válců. Ze vstřikovacích čerpadel je palivo přiváděno krátkým vstřikovacím potrubím k jednotlivým vstřikovačům. Vstřikovací tlak má hodnotu až 180 MPa. Regulace vstřikování je prováděná elektronickou řídící jednotkou prostřednictvím elektromagnetických ventilů, umístěných na jednotlivých vstřikovacích čerpadlech. (Jan, Ždánský, 2010) 18

19 Obr. 9 - Princip činnosti systému PLD Palivová soustava PDE (Pumpe Düse Einheit), v češtině se používá termín čerpadlo tryska. V tomto případě tvoří pístová vstřikovací jednotka a vstřikovací tryska jeden celek umístěný v hlavě válce. Vstřikovací jednotky pohání vačkový hřídel ventilového rozvodu, elektromagnetické ventily a elektromagnetická regulace jsou součástí sdružených vstřikovacích jednotek. U tohoto systému odpadá vstřikovací potrubí a vstřikovací tlaky mohou dosáhnout hodnoty až 200 MPa. Určitou nevýhodou je obtížné použití u stávajících motorů s původně konvenčním vstřikovacím zařízením, proto je použití tohoto systému možné především u nově konstruovaných motorů. (Jan, Ždánský, 2010) 19

20 Obr Princip činnosti systému PDE Vstřikovací systém s tlakovým zásobníkem Common Rail Zkoušený motor je vybaven vstřikovacím systémem Common Rail a proto zde bude popsán detailněji než předchozí palivové soustavy. Systém se vyznačuje použitím jednoho vysokotlakého čerpadla (obvykle se třemi písty) a společného palivového potrubí (zásobníku tlaku), které je potrubím spojeno s jednotlivými vstřikovači. Dnes je na trhu systém Common Rail čtvrté generace. Na tomto stupni vývoje je poprvé aplikován hydraulicky zesilující vstřikovač nafty HADI (Hydraulically Amplified Diesel Injektor). Tento vstřikovač pracuje s převodovým pístem, který zvyšuje systémový tlak v railu a umožňuje dosáhnout vstřikovacích tlaků až do 250 MPa. Tato nová technika otevírá možnost pracovat v samotném řídicím systému se zjevně nižším tlakem, který je snadněji ovladatelný, a požadovaný maximální tlak vytvářet teprve až ve vstřikovači. Požadovaný konstrukční prostor u vstřikovače čtvrté generace Common Rail přitom v podstatě odpovídá potřebě tradičního vstřikovače druhé generace. Méně škodlivin při spalování vzniká také tím, že palivo není náhle vstříknuto do spalovacího prostoru, ale díky speciálnímu geometrickému dimenzování vstřikovače je vstřikováno s rostoucím tlakem. Tento průběh vstřiku umožňuje šetrnější postup spalování s méně patrnými teplotními špičkami a příslušně redukovanou tvorbou kysličníku dusíku. Zlepšuje se také příprava směsi, a tím se redukuje vznik částic. 20

21 Čtvrtá generace Common Rail umožňuje vícenásobný vstřik, aby bylo možné řídit regeneraci filtrů pevných částic Princip činnosti U systému Common Rail je odděleno vytváření tlaku a vstřikování paliva. Vstřikovací tlak je vytvářen vysokotlakým čerpadlem nezávisle na otáčkách motoru a na vstřikované dávce paliva. Palivo pro vstřikování je připraveno ve vysokotlakém zásobníku (railu). Vstřikovaná dávka je určena řidičem (polohou pedálu akcelerátoru), okamžik vstřiku a vstřikovací tlak jsou vypočteny z polí hodnot uložených v elektronické řídící jednotce. Vstřikování je realizováno vstřikovačem na každém válci prostřednictvím elektromagneticky řízeného ventilu. Vstřikovací systém Common Rail nabízí větší flexibilitu při řešení vstřikování než konvenční vačkou poháněné systémy: - široký rozsah použití (od motorů pro osobní automobily až po motory s výkonem 300 kw na válec), - vysoký vstřikovací tlak (až 250 MPa), - proměnný předvstřik, - možnost rozdělení dávky na úvodní, hlavní a následný vstřik, - přizpůsobení vstřikovacího tlaku provoznímu tlaku motoru. Hlavní částí palivového systému Common Rail jsou podávací čerpadlo, palivový filtr, vysokotlaké čerpadlo, vysokotlaké potrubí, vysokotlaký zásobník (rail), vstřikovače a řídící jednotka. Podávací čerpadlo (zubové, lamelové a další s mechanickým nebo elektrickým pohonem) neustále nasává palivo z nádrže a přes filtr ho dopravuje do vysokotlakého čerpadla. Vysokotlaké čerpadlo nevytlačuje palivo přímo ke vstřikovačům, ale do vysokotlakého zásobníku (railu), kde je udržován stejný tlak paliva. Proto musí čerpadlo stále pracovat. Nejčastěji se jedná o radiální čerpadlo se třemi písty, které vykonávají stále stejný zdvih a jsou mazány palivem. Umístěn je na bloku motoru stejně jako u konvenčních čerpadel. Zdvih pístů čerpadla je odvozen od excentricky uložené vačky. Nad každým pístem je talířový sací ventilek, který se otevírá podle tlakových poměrů paliva nad a pod ním. 21

22 Obr Schéma vstřikovacího systému s tlakovým zásobníkem Common Rail Pístem je palivo vytlačováno přes kuličkový ventil do regulátoru tlaku a odtud do vysokotlakého zásobníku (railu). Při nízkých otáčkách, kdy není tak velká spotřeba paliva, je zbytečné aby čerpadlo podávalo plný dopravní výkon. Proto se používá odpojení jednoho až dvou elementů čerpadla. Odpojení je zajištěno otevřením sacího ventilu pomocí elektromagnetu. Ventil zůstává otevřený i při výtlaku, což zajistí snížení příkonu pohonu čerpadla a zároveň snížení zahřívání paliva při průtoku do přepadu. Pohon čerpadla je dovozen od pohonu rozvodu motoru. Tlak paliva ve vysokotlakém zásobníku je nastavován a udržován regulačním ventilem v závislosti na zatížení. Vysokotlaký zásobník akumuluje palivo dopravované od čerpadla a současně tlumí kmitání tlaku vzniklé dopravou paliva a vstřikováním. Velikost udržovaného tlaku se pohybuje mezi 40 až 135 MPa. (Bauer a kol., 2006) Na zásobník jsou napojena vysokotlaká potrubí k jednotlivým vstřikovačům, snímač tlaku a pojistný ventil s přepadovým potrubím. Vstřikovače jsou elektromagneticky ovládány z řídící jednotky, která rozhoduje o množství a okamžiku vstřiku paliva. Komunikace mezi řídící jednotkou Common Railu a ostatními řídícími jednotkami probíhá prostřednictvím digitální sběrnice CAN-Bus využívané také k diagnostice. 22

23 2.4 Přeplňování Výkon spalovacího motoru závisí na množství vzduchu a paliva, které je přivedeno do motoru ke spálení. Výkon čtyřdobého motoru můžeme zvýšit: Otáčkami což znamená zvýšení střední pístové rychlosti, která se projeví nárůstem spotřeby paliva, většími požadavky na mazání, zkrácením intervalu výměny motorového oleje, větším hlukem, náročností uložení klikového mechanismu, zvýšením tepelného namáhání a také s rostoucími otáčkami se zvyšuje ztrátový výkon. Zdvihovým objemem motoru zvýšením se nedosáhne úměrného nárůstu výkonu (souvisí s velikostí středního indikovaného tlaku). Efektivní je tehdy jestliže je střední efektivní tlak vyšší než 1 MPa. Navíc dochází ke zvětšení rozměrů a hmotnosti motoru. Počtem válců motoru zvyšování počtu válců vede k úměrnému zvýšení výkonu, ale pro konstrukci to znamená nárůst hmotnosti, velikosti motoru, výrobní náročnosti a také nákladů na opravy. Středním efektivním tlakem což je průměrný tlak ve válci během celého cyklu po odečtení tlaku připadajícího na mechanické ztráty motoru. Vyššího středního efektivního tlaku se dá dosáhnout zvýšením hmotnosti vzduchu dopraveného do válce. To umožňuje zvětšit množství paliva dodávaného na jeden pracovní oběh. Tento způsob se označuje jako přeplňování. Přeplňováním dojde ke zvýšení objemové účinnosti motoru. Pomocí přeplňování lze zvýšit výkon motoru při nezměněném zdvihovém objemu nebo při stejném výkonu zmenšit jeho rozměry. Zvýšením výhřevnosti paliva nelze do budoucna očekávat růst, možný pokles v důsledku nahrazování uhlovodíkových paliv alternativními s nižší výhřevností. Zvýšením mechanické účinnosti existence rezerv, zejména u ztrátového výkonu nutného k pohonu pomocných zařízení. 23

24 Přeplňování zajišťuje dopravu vzduchu do spalovacího prostoru s tlakem vyšším, než je atmosféricky. Přeplňování je možné realizovat pomocí: - Turbodmychadel, - Mechanicky poháněných dmychadel (kompresory), - Tlakových vln (laděná sací potrubí, rotační rozdělovač Comprex), - Náporu vzduchu (při rychlostech jízdy nad 100 km h -1 ). Dle plnícího přetlaku a nárůstu výkonu motoru lze přeplňování rozdělit: Tab. 1 - Druhy přeplňování podle tlaku Plnící přetlak [MPa] Zvýšení výkonu [%] Nízkotlaké do 0,1 méně než 50 Středotlaké 0,1 0, Vysokotlaké nad 0,18 nad Turbodmychadla U traktorových motorů se nejčastěji používá přeplňování pomocí turbodmychadla. Turbodmychadlo se skládá z turbíny a dmychadla spojených hřídelem uloženým v ložiscích v tělese turbíny. K roztáčení turbíny je využito energie spalin opouštějící spalovací prostor. Plnění válců čerstvým vzduchem zajišťuje dmychadlo. Podle druhu a režimu práce se celkový rozsah otáček může pohybovat v rozmezí min -1 až min -1 (Zážehový motor Ford 1.0 EcoBoost má otáčky turbodmychadla až min -1 ). Turbína odebírá kinetickou energii výfukovým plynům a přeměňuje ji na mechanickou práci a následně opět na kinetickou energii plnícího vzduchu. Termická účinnost motoru se tímto způsobem zvyšuje, neboť se pro plnění válců využívá část jinak nevyužité energie výfukových plynů. Mezi další výhody přeplňování patří: snížení výkonové hmotnosti, dmychadlo působí na straně sání jako tlumič hluku (snížení až o 4 db), příznivější parametry výfukových emisí, provozně výhodnější průběh točivého momentu, lepší chování ve vysokých nadmořských výškách. 24

25 Obr Schéma znázornění motoru přeplňovaného turbodmychadlem Vazba mezi turbodmychadlem a motorem je pouze pneumatická. Počet otáček turbodmychadla, na němž závisí množství a tlak plnícího vzduchu, se reguluje samočinně podle množství a tlaku spalin, tedy v závislosti na zatížení motoru. Proto by bylo vhodné, aby se otáčky motoru v provozu měnily co nejméně. (Jan, Ždánský, 2010) Tento požadavek ovšem v praxi splnit nelze. Tato nevýhoda přeplňovaných motorů turbodmychadlem se při jízdě projeví tzv. turboefektem, tj. zpožděním reakce motoru na sešlápnutí akcelerátoru. Toto někdy i jedno sekundové zpoždění je způsobeno opožděným roztočením turbíny (a tím i dmychadla) zvýšeným množstvím výfukových plynů. Proto se používá regulace turbodmychadla pomocí regulačního ventilu plnícího tlaku nebo nastavitelné geometrie rozváděcích lopatek. Při středotlakém a zejména vysokotlakém přeplňování dochází ke zvyšování teploty plnícího vzduchu za dmychadlem. Aby se nesnižovala plnící účinnost, je nutné vzduch před vstupem do válců ochladit, tím dojde nejen ke zvýšení hustoty plnícího vzduchu, ale i ke snížení teploty pracovního oběhu motoru (snížení tepelného namáhání funkčních částí spalovacího prostoru). Jako mezichladiče plnícího vzduchu se používají nejčastěji výměníky vzduch vzduch nebo vzduch chladicí kapalina. 25

26 3 CÍL PRÁCE Cílem diplomové práce bylo především sestrojení úplné otáčkové charakteristiky vznětového motoru přeplňovaného turbodmychadlem na traktoru New Holland T7050 AutoCommand zkoušeného přes vývodový hřídel. Z naměřených a vypočtených parametrů motoru provést grafické vyhodnocení a rozbor. Dále dle zjištěných výsledků určit možnosti využití úplné otáčkové charakteristiky v provozu vozidla. 26

27 4 MATERIÁL A METODY Měření proběhlo na traktoru New Holland T7050 AutoCommand v laboratořích Mendelovy univerzity v Brně. Traktor byl měřen přes vývodový hřídel. Základní charakteristika měřeného traktoru je uvedena v tab. 2, 3, 4, Technické parametry traktoru Traktor: New Holland T7050 AutoCommand VIN: ZAB Vybrané základní údaje uváděné výrobcem (bez navýšení výkonu): Tab. 2 - Parametry motoru Parametry motoru Hodnota Jednotky Objem motoru 6728 [cm 3 ] Počet válců 6 [-] Vrtání /Zdvih 104x132 [mm] Kompresní poměr 16,5:1 [-] Maximální výkon 145 [kw] Maximální točivý moment 860 [Nm] Jmenovité otáčky 2200 [min -1 ] Palivový systém Common Rail s elektronickým řízením vstřikování Bosch Chlazení motoru Kapalinové s ventilátorem s viskózní spojkou Přeplňování Turbodmychadlem s mezichladičem Tab. 3 - Parametry převodového ústrojí Převodovka Hodnota Jednotky Název AutoCommand Typ Plynule měnitelný převod (CVT) Počet stupňů Bezstupňová Rychlost jízdy 0-40 [km h -1 ] Pohon pojezdu 4K4 27

28 Tab. 4 - Parametry vývodového hřídele Vývodový hřídel (PTO) Hodnota Jednotky Zapínání spojky Elektrohydraulicky s jemným rozběhem Spojka Lamelová v olejové lázni Otáčky vývodového hřídele 1000/540/540E/1000E [min -1 ] Tab. 5 - Rozměry a hmotnosti Rozměry a hmotnosti Hodnota Jednotky Délka 5735 [mm] Šířka 2334 [mm] Výška 3115 [mm] Rozvor kol 2884 [mm] Pohotovostní hmotnost 7200 [kg] Celková hmotnost [kg] Zatížení přední nápravy 4345 [kg] Zatížení zadní nápravy 4320 [kg] 4.2 Měřící stanoviště Měření bylo provedeno na zkušebním stanovišti v laboratořích Mendelovy univerzity v Brně. Zkušební stanoviště pro měření výkonu pomocí vývodového hřídele je součástí stanoviště pro měření výkonových parametrů traktorů MEZ VDU E270T- E150T, které umožňuje jejich zatěžování přes vývodový hřídel, válcový dynamometr nebo dohromady přes oba zatěžovací prvky (téměř 1 MW). Přes vývodový hřídel je možné brzdit až 500 kw v celém rozsahu otáčkové charakteristiky vznětového motoru. (Autozkušebna MENDELU, 2013) Vířivý dynamometr je pomocí šroubů upevněn ve vodicích drahách. Pomocí kloubového hřídele je spojen se zadním vývodovým hřídelem traktoru. K odsávání výfukových plynů je k výfukovému potrubí přistavena hubice, jež odsává tyto plyny a odvádí je mimo měřící prostor. Na traktoru jsou umístěna měřící čidla pro měření požadovaných veličin. Regulaci dynamometru a zaznamenávání naměřených dat zajišťuje řídící počítač zkušebny a server dat. Umístěny jsou v odhlučněné laboratoři v rohu zkušebny. Podle zvoleného programu pro řízení zkoušky a nastavených parametrů měření je možno průběh zkoušky automatizovat. 28

29 Obr Měření parametrů motoru pomocí vývodového hřídele 4.3 Metodika měření Podmínky měření Před zahájením měření bylo nutné zjistit atmosférické podmínky v laboratoři (tab. 6). Při měření je třeba dbát na příslušné normy (OECD code 1 a 2, ČSN ISO , ČSN ). Tab. 6 - Laboratorní podmínky Podmínky měření Hodnota Jednotky Teplota 24 [ C] Tlak 98,1 [kpa] Relativní vlhkost 70 [%] Měření jmenovité otáčkové charakteristiky Měření jmenovité otáčkové charakteristiky probíhalo při plné dávce paliva. Byl použit ruční akcelerátor. Měření se provádí jak na přetěžovací větvi, tak na regulátorové větvi (působení regulátoru). Počet měřících bodů byl zvolen, tak že na přetěžovací větev připadalo 11 bodů a na regulátorovou 5 bodů. Měření probíhalo bez zapnuté klimatizace a bez navýšení výkonu. 29

30 4.3.3 Použitá měřící zařízení Měření točivého momentu Pro měření točivého momentu byl použit vířivý dynamometr V 500 (obr. 14), který je připojen pomocí kloubového hřídele k vývodovému hřídeli traktoru. Technické údaje dynamometru jsou uvedeny v tab. 7. Tab. 7 - Technické údaje dynamometru V 500 Technické údaje Hodnota Jednotky Typ V 500 Otáčky 3000 [min -1 ] Výkon 500 [kw] Moment 1592 [Nm] Chlazení vodní Zatížení trvalé Obr Vířivý dynamometr V 500 Vířivý dynamometr se skládá z rotoru a statoru. Elektromagnetické vířivé brzdy jsou založeny na principu vířivých proudů. Velikost brzdného momentu se reguluje velikostí budícího proudu přiváděného na budící cívky statoru za vzniku magnetického pole. Dynamometr lze regulovat na konstantní moment nebo konstantní otáčky. Moment, jímž je brzděn rotor vůči statoru, je pomocí ramene definované délky 30

31 převáděn ze statoru na tenzometrický snímač síly. Velikost síly se zobrazuje na digitálním ukazateli ovládacího pultu nebo přímo v centrálním počítači. Chlazení dynamometru je zajištěno tlakovou vodou dodávanou z chladícího okruhu, jímž je laboratoř vybavena. Dynamometr je chráněn a automaticky se odstaví jestliže: klesne tlak vstupní vody, teplota výstupní vody překročí maximální hodnotu, dojde k překročení maximálních nastavených otáček. Otáčky jsou měřeny pulzním snímačem LUN , který je součástí dynamometru. Spotřeba paliva Spotřeba paliva byla měřena dvěma způsoby. V prvním případě pomocí dvou Coriolisových průtokoměrů, které měří palivo hmotnostně (kg h -1 ). První průtokoměr měří množství paliva dodávaného do vysokotlakého zásobníku paliva, druhý průtokoměr měří palivo, které se vrací zpět do nádrže. Odečtením obou hodnot dostaneme skutečnou spotřebu paliva. V druhém případě byla spotřeba paliva zjišťována pomocí datové sběrnice CAN ze sítě traktoru. Tato data byla odesílána do počítače. Pro snímání dat ze sítě traktoru byl na Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity vytvořen program v prostředí LabVIEW 8. Spotřeba byla měřena objemově (l h -1 ). Pro přepočet na hmotnostní spotřebu bylo potřeba měřit také teplotu paliva, abychom mohli určit měrnou hmotnost paliva, jež se s rostoucí teplotou mění. Určení měrné hmotnosti paliva Jak již bylo výše uvedeno, pro výpočet hmotnostní spotřeby paliva je nutné zjistit závislost měrné hmotnosti paliva na teplotě. Měření bylo prováděno pomocí Mohrových vážek. Ty vycházejí z Archimedova zákona. Jsou to nerovnoramenné váhy, na jedné straně je kratší rameno s jednoduchou stupnicí, na druhé delší rameno dělené na kratší úseky s možností zavěšení závaží. Na konci tohoto ramene je pak háček na zavěšení měrného tělíska. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tab

32 Tab. 8 - Měrná hmotnost nafty v závislosti na teplotě Číslo měření Teplota Měrná paliva hmotnost [ C] [kg m -3 ] y = -0,0027x 2-0,4263x + 835,64 R² = 0, Měrná hmotnost[kg m -3 ] Teplota [ C] Obr Graf měrné hmotnosti nafty v závislosti na teplotě Měřilo se postupně po 5 C pro teplotu 20 až 75 C. V průběhu měření se palivo zahřívalo a snímání teploty bylo provedeno pomocí digitálního teploměru. Měření bylo prováděno při teplotě vzduchu v laboratoři 21 C, relativní vlhkosti 31%. Naměřené hodnoty byly zpracovány pomoci programu Microsoft Excel. Hodnoty byly proloženy polynomem druhého stupně (obr. 15). Z rovnice regrese můžeme po dosazení teploty 32

33 určit měrnou hmotnost paliva. Koeficient determinace blízký hodnotě 1, dokazuje velmi silnou závislost. Měření ostatních hodnot Ustálení parametrů motoru je kontrolováno měřením teploty mazacího oleje v motoru. Současně je měřena teplota nasávaného vzduchu před čističem, teplota a tlak vzduchu za turbodmychadlem, teplota výfukových plynů, teplota v laboratoři, barometrický tlak, relativní vlhkost vzduchu a otáčky motoru. Teploty jsou měřeny snímači s termočlánky NiCr-Ni, tlak vzduchu za turbodmychadlem tenzometrickým snímačem tlaku, barometrický tlak rtuťovým barometrem, relativní vlhkost vzduchu vlhkoměrem. (Autozkušebna MENDELU, 2013) Ze sběrnice CAN-Bus byla zaznamenávána hodinová spotřeba paliva (objemová), teplota paliva, teplota chladící kapaliny, teplota oleje, teplota plnícího vzduchu, zatížení motoru, aktuální točivý moment, tlak oleje, otáčky motoru. Měřené hodnoty ze všech uvedených snímačů spolu s údaji s datové sběrnice CAN, byly průběžně ukládány do paměti počítače ve zkušebně Měření úplné (celkové) charakteristiky Úplná charakteristika se nezjišťuje přímým měřením, ale sestavuje se ze soustavy částečných charakteristik. Částečné charakteristiky byly měřeny stejným měřícím zařízením a zaznamenávaly jsme stejné hodnoty jako při měření jmenovité otáčkové charakteristiky. K sestavení úplné charakteristiky bylo naměřeno deset částečných charakteristik při snížené dávce paliva. K měření při snížené dávce paliva byla použita funkce nastavení maximálních otáček pomocí tempomatu otáček. Tím bylo dosaženo konstantních otáček v celém měřeném rozsahu momentů. Pro sestrojení průběhů izočar stejných měrných spotřeb (a jiných požadovaných hodnot) byly požadované hodnoty při konstantních otáčkách u jednotlivých částečných charakteristik vypočteny pomocí polynomické interpolace. K vyhodnocení dat a tvorbě grafů byl použit počítačový software Microsoft Office Úplná charakteristika byla měřena bez navýšení výkonu a bez klimatizace. 33

34 5 VÝSLEDKY A DISKUSE 5.1 Výsledky měření jmenovité otáčkové charakteristiky Měření jmenovité otáčkové charakteristiky probíhalo v rozmezí otáček 1206 min -1 až 2204 min -1. Stálost podmínek měření se posuzuje podle teploty mazacího oleje motoru. Rovněž byla měřena teplota nafty pro stanovení hmotnostní spotřeby paliva. Teplota oleje při měření jmenovité otáčkové charakteristiky se pohybovala od 93 C do 101 C, teplota paliva od 51 C do 54 C. Průběh točivého momentu, výkonu a měrné spotřeby paliva při plné dávce paliva v závislosti na otáčkách motoru je na obr P Točivý moment M k (Nm) Měrná spotřeba m pe (g kw -1 h -1 ) M k Výkon P (kw). 200 m p Otáčky motoru (min -1 ) Obr Jmenovitá otáčková charakteristika motoru 34

35 Z grafu můžeme zjistit, že nejvyšší výkon motoru má hodnotu 136 kw při otáčkách 1722 min -1, maximální točivý moment 820 Nm při otáčkách 1471 min -1. Nejvyšší výkon je téměř konstantní v rozsahu otáček 1722 min -1 až 1818 min -1. Převýšení točivého momentu měřeného motoru je 50,5 %. Nejnižší měrná spotřeba paliva byla 218 g kw -1 h -1 a odpovídá oblasti nejvyššího točivého momentu. Zásah regulátoru nastává při otáčkách kolem 2123 min -1. Točivý moment se v regulátorové oblasti zvyšuje od nuly na hodnotu 545 Nm. V přetěžovací oblasti dále roste až do svého maxima na hodnotu 820 Nm. Potom klesá až do minimálních otáček. Požadavkem je, aby se točivý moment v přetěžovací oblasti s klesajícími otáčkami co nejvýše zvyšoval (převýšení točivého momentu). Výkon v regulátorové větvi narůstá od nuly po 121 kw a to po přímce, podobně jako je tomu u točivého momentu. V oblasti přetěžovací má maximální hodnotu 136 kw, která je konstantní v rozmezí zhruba sta otáček. Poté postupně klesá. Spotřeba paliva byla měřena dvěma způsoby. V prvním případě pomocí dvou Coriolisových průtokoměrů, které měří palivo hmotnostně (kg h -1 ). V druhém případě byla spotřeba paliva zjišťována pomocí datové sběrnice CAN ze sítě traktoru, která měří spotřebu objemově (l h -1 ). Metoda měření spotřeby pomocí Coriolisových průtokoměrů je velice přesná, avšak při vyhodnocování výsledků bylo zjištěno, že při měření nejspíše došlo k přisávání vzduchu do měřící části průtokoměru a tak byly hodnoty měření nepřesné. Měrná spotřeba paliva se dopočítávala z hodinové spotřeby, měrné hmotnosti a výkonu motoru. Při nulovém výkonu se měrná spotřeba paliva blíží nekonečnu. V přetěžovací větvi postupně klesá až na hodnotu 218 g kw -1 h -1. Z obr. 16 lze pozorovat, že měrná spotřeba paliva má docela plochý průběh v širokém rozmezí otáček. 35

36 V tabulce (tab. 9) jsou vybrané hodnoty veličin charakterizující provoz motoru během měření jmenovité otáčkové charakteristiky. Tab. 9 - Vybrané hodnoty jmenovité otáčkové charakteristiky n mot. M k P m pe t vst. t pl t oleje p p t pal. [min -1 ] [Nm] [kw] [g kw -1 h -1 ] [ C] [ C] [ C] [MPa] [ C] 2204,04 17,84 4, ,99 29,51 31,19 93,02 0,04 51, ,05 18,23 4, ,54 30,21 31,66 94,11 0,04 51, ,04 18,81 4, ,41 30,50 31,97 94,70 0,04 51, ,83 41,43 9, ,89 30,73 32,72 95,37 0,04 52, ,09 173,56 39,62 416,90 31,34 36,27 95,91 0,08 51, ,54 544,52 121,09 262,91 33,17 50,45 97,05 0,17 50, ,74 581,77 125,91 258,42 34,44 53,80 98,97 0,17 50, ,75 604,85 127,30 253,94 34,95 54,01 100,20 0,17 51, ,86 659,23 132,05 244,44 35,61 54,44 101,16 0,17 52, ,49 711,06 135,33 235,65 35,62 54,04 101,73 0,17 53, ,97 752,63 135,72 232,31 36,04 54,08 102,26 0,17 53, ,73 774,41 131,92 233,07 35,98 53,98 102,50 0,17 53, ,36 809,40 128,10 224,71 36,66 50,89 102,29 0,15 54, ,05 819,76 121,65 218,82 36,04 48,25 102,02 0,13 54, ,25 804,56 109,55 218,32 35,62 44,67 101,43 0,11 54, ,40 780,58 98,61 220,04 35,04 42,15 101,10 0,09 54,00 Teplota nasávaného vzduchu do motoru, měřená před čističem, se pohybovala v průběhu zkoušky od 29,5 C do 35 C. Tlak za turbodmychadlem se zvyšoval od 0,09 MPa po 0,17 MPa. Maximální hodnota tlaku byla konstantní v rozsahu otáček od 1627 min -1 do 2123 min -1, kdy zasáhl regulátor. Teplota vzduchu po stlačení turbodmychadlem byla měřena, avšak její hodnoty nebyly reálné, došlo k chybnému měření, což nemá vliv na výsledky měření. Teplota vzduchu za turbodmychadlem se v praxi pohybuje v řádech stovek stupňů celsia. Průběh teploty plnícího vzduchu po průchodu mezichladičem je uveden na obr

37 160 0,18 p p 140 0,16 Teplota vzduchu, oleje ( o C ) t oleje t pl. 0,14 0,12 0,10 0,08 Tlak za turbodmychadlem p p (MPa) 40 t vst. 0, ,04 0 0, Otáčky motoru (min -1 ) Obr Průběh tlaku a teplot v závislosti na otáčkách motoru 37

38 5.2 Výsledky měření úplné (celkové) charakteristiky Úplná charakteristika motoru je sestavena z vnější otáčkové charakteristiky při plné dávce paliva a deseti částečných charakteristik při snížené dodávce paliva (obr. 18). Částečné charakteristiky byly měřeny při otáčkách hřídele od 627 min -1 do 1097 min -1. Konstantní otáčky byly nastaveny na požadovanou hodnotu pomocí tempomatu otáček. Mk PTO (Nm) Otáčky PTO (min -1 ) Soubor č Obr Hodnoty na měřené na vývodovém hřídeli Pro sestrojení úplné charakteristiky bylo nejprve nutné sestavit rovnice jednotlivých větví naměřených charakteristik charakterizující vztahy mezi otáčkami motoru, točivým momentem a námi zvolenou veličinou. Tato jedna námi zvolená veličina je charakteristická pro průběh izočar úplné charakteristiky. V níže uvedených grafech lze vidět šest různých typů otáčkových charakteristik, v nichž jsou vyneseny izočáry pro průběh měrné spotřeby paliva, teplotu plnícího vzduchu, tlak plnícího vzduchu, zatížení motoru, aktuálního točivého momentu a hodinové spotřeby. Vynesením hodnot točivého momentu a měrné spotřeby paliva (nebo jiných námi požadovaných hodnot) do grafů byly vytvořeny body. Požadovaná rovnice byla získána proložením bodů pomocí polynomické interpolace. Pro co nejpřesnější proložení 38

39 naměřených bodů se postupně měnily stupně polynomu, tak aby se dosáhlo co největší závislosti hodnocené pomocí koeficientu determinace. Do námi vypočtené rovnice se poté zadávaly hodnoty požadovaných měrných spotřeb, z nichž se vypočítávaly souřadnice X a Y, pro zobrazení spotřeb ve výsledném grafu. Poté byly tyto hodnoty překopírovány do dalšího listu souboru a následně rozděleny a setříděny do skupin podle stejné hodnoty měrné spotřeby. Takto seřazené hodnoty byly vyneseny do grafu. Po proložení polynomem vhodného stupně byly nakresleny izočáry konstantních měrných spotřeb. Tyto izočáry jsou ohraničeny křivkou vnější otáčkové charakteristiky a doplněny soustavou křivek vyjadřujících konstantní hodnoty výkonu. y = -0,0000x 5 + 0,0000x 4-0,0001x 3 + 0,0485x 2-11,1169x ,6657 R² = 1,0000 m pe (g kw -1 h -1 ) Mt (Nm) Obr Graf závislosti měrné spotřeby paliva na točivém momentu V grafu (obr. 19) je zobrazena závislost měrné spotřeby paliva na točivém momentu. Naměřené hodnoty jsou v grafu zobrazeny jako modré čtverce. Pomocí polynomické interpolace byly dopočítány požadované hodnoty rovných měrných spotřeb, v grafu zobrazeny jako růžové čtverce. Pomocí stejného principu se použije pro vyhodnocení dalších úplných charakteristik. V horní části grafu je uvedena rovnice polynomu pátého stupně, která popisuje závislost měrné spotřeby paliva na točivém momentu motoru. Index determinace rovný jedné představuje velmi silnou závislost. 39

40 Úplná otáčková charakteristika s vynesenou měrnou spotřebou paliva Tento typ charakteristiky patří mezi nejdůležitější. Díky ní lze jednoduše zjistit optimální hodnoty točivého momentu nebo výkonu motoru při současném zachování co nejmenší spotřeby paliva. Z grafu na obr. 20 je patrné, že nejmenší měrná spotřeba motoru se pohybuje v oblasti otáček od 1220 min -1 do 1511 min -1 a má hodnotu 220 g kw -1 h -1. Tato oblast je v místech nejvyššího točivého momentu motoru. Z průběhu konstantních výkonů lze zjistit, že jednomu požadovanému výkonu odpovídají dvě a více hodnot měrné spotřeby paliva. Snížením otáček na příslušné křivce konstantního výkonu je možný posun do oblasti s nižší měrnou spotřebou paliva. Např. motor může pracovat s výkonem 130 kw při otáčkách 1620 min -1 i 1880 min -1. Při pohledu na průběh izočar lze zjistit, že v druhém případě by motor pracoval v neekonomickém režimu, jelikož stejného výkonu lze dosáhnout i při nižších otáčkách motoru a nižší měrné spotřebě paliva. Měrná spotřeba paliva postupně narůstá se zvyšujícími se otáčkami a klesajícím točivým momentem. Úplná otáčková charakteristika s vynesením aktuálního točivého momentu Aktuální točivý moment byl při měření snímán ze sběrnice CAN-Bus. Hlavním důvodem pro sestavení této charakteristiky je správné ověření snímaných hodnot. Dalo by se říci, že slouží jako cejch. Z průběhů aktuálních točivých momentů vyplývá, že hodnoty ze sběrnice CAN-Bus jsou zatížena velkou chybou. Např. při otáčkách motoru 1500 min -1 a točivém momentu 400 Nm, je z grafu (obr. 21) možno zjistit, že hodnota aktuálního točivého momentu je 50%. Pomocí jednoduché matematiky by tedy hodnota 100 % točivého momentu odpovídala hodnotě 800 Nm. Z grafu však vyplývá, že tato hodnota odpovídá asi 88 %, což je důkaz chybného měření aktuálního točivého momentu. Z grafu je dále patrné, že hodnota aktuálního točivého momentu nedosáhne své maximální hranice 100%, při pohledu na minimální hodnoty jde průběh izočáry pro 20 % aktuálního točivého momentu směrem k záporným hodnotám. 40