Technická univerzita v Liberci

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

SOUHRN Technická zpráva popisuje výsledky prací na výzkumném programu z projektu Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka v etapě E1.3.1., ukazuje uspořádání a vybavení laboratoře motorů KVM na FS TU v Liberci a dokumentuje připravenost pracoviště zajišťovat zkoušky a měření na motorech podle běžných i nadstandardních postupů se zjišťováním výkonových a emisních parametrů motorů legální metrologie. V rámci realizovaných prací v etapě E1.3.1 byla realizována modernizace na 3 zkušebních stanovištích: měřicí technika na zkušebních stanovištích je připojena jednak k monitorovacímu systému pro průběžné sledování hodnot jednotlivých veličin, jednak k systému automatizovaného sběru dat. V laboratoři byla upravena instalace rozvodu plynných paliv a měření spotřeby plynných paliv tak, aby převážná většina těchto měření probíhala rovněž s automatizovaným sběrem dat. Na 2 zkušebních stanovištích bylo spolu s elektronickým systémem sběru dat zavedeno i automatizované nastavování a ovládání motoru a zkušebního zařízení. Pozn.: Laboratoř pístových spalovacích motorů byla stavebně a technologicky vybudována v letech 1963-66 a postupně byla upravována podle podmínek, možností a požadavků na provoz a výzkumně-vývojové programy. Od r. 1969 tvořila laboratoř technické zázemí pro Státní zkušebnu č. 232 (SZ 232). V r. 1990 bylo zahájeno postupné rozšiřování technického vybavení laboratoře na měření výfukových emisí a v r. 2002 začala výrazná modernizace zkušebnické technologie v celé laboratoři KVM: významnou pomoc laboratoři přitom poskytují firmy německého automobilového průmyslu a iniciativa Ing. Radko Kubiase, bývalého pracovníka fy AUDI Ingolstadt. Velkou pomocí je rovněž zabezpečení rozvoje laboratoře a výzkumných programů v laboratoři projektem Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka. 2

Laboratoř pístových spalovacích motorů na katedře vozidel a motorů (KVM) FS TU v Liberci je umístěna v objektu laboratoří budovy E. Půdorysnou situaci laboratorních prostor KVM ukazují nákresy na obr. 1 a 2. Emisní válcová zkušebna 1 Velín 1 Velín 2,3 2 3 Laboratoř pístových spalovacích motorů Velín 4,5 2 Schenck W 150 (132 kw/10000 1/min) 3 Schenck WT 190 (190 kw/10000 1/min) 4 Schenck D 630 (630 kw/2100 1/min) 5 Schenck D 700 (700 kw/7500 1/min) 6 MEZservis ASD 235 M250 (360 kw/9000 1/min) 7 MEZ 2 VD 110 (220 kw/6000 1/min) 8 OKC upravený, (ε = 6 17, n = 1500 1/min) 9 MEZ 56B4 (280 kw/2800 1/min) 10.. MEZ 56B4 (280 kw/2800 1/min) 4 6 9 10 5 7 8 Obr. 1: Schéma půdorysného uspořádání laboratoře vozidel a vozidlových motorů 3

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

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

Laboratoř KVM je využívána jako experimentální základna VCJB pro práce realizované na KVM FS TU v Liberci k plnění programu VCJB v následujících etapách: E1.1.1.7: Stanoviště č.2 spalovací proces, vizualizace, komůrkový zážeh Stanoviště č.8 spalovací proces, HCCI E1.1.5.5: Stanoviště č.4 a laboratoř výfukových emisí emisní měření na PSM E1.1.6: Stanoviště č.10 nová koncepční řešení palivových systémů: ověřování na motoru E1.2.1.3: Stanoviště č.2 a 6 výzkum metod optického přístupu do vnitřních prostor PSM E1.3: Stanoviště č.4 a 6, přípravné práce na stanovišti č.5 alternativní paliva Uspořádání měření na zkušebních stanovištích a příprava měřicí techniky v laboratoři KVM jsou zajišťovány postupy, které vychází z požadavků na přesnost měření jednotlivých veličin. Kalibrace měřidel (přístrojů, snímačů s převodníky, analyzátory výfukových škodlivin) jsou prováděny pomocí prověřených etalonů: KVM má pro některé veličiny vlastní etalony s certifikátem, kalibrační plyny s certifikátem jsou pravidelně v laboratoři KVM obnovovány nákupem nových plynů a pro ostatní veličiny je kalibrace měřicí techniky zajišťována autorizovanými dodavateli. Způsob prokazování správnosti výsledků měření vychází z Příručky jakosti, která byla vypracována pro laboratoř spalovacích motorů v souvislosti s dřívější akreditací SZ 232 (AO 232) a současnou akreditací MŽP laboratoře KVM pro emisní měření na zdrojích znečišťování ovzduší podle Zák.č. 86/2002 Sb. Kalibrační protokoly jednotlivých snímačů a přístrojů z přípravných etap měření a záznamy z každého měření jsou archivovány v listinné nebo elektronické formě. Analyzátory výfukových plynů jsou kromě kalibrace pravidelně ověřovány i z hlediska linearity analyzátorů. V průběhu emisních měření jsou prováděny kalibrace všech analyzátorů kalibračními plyny a rovněž je prováděna kontrola těsnosti odběrových míst a vedení vzorku výfukových plynů k analyzátorům. Instalace snímačů, jejich připojení k převodníkům a systému automatizovaného sběru dat spolu s kalibrací měření jednotlivých veličin i způsob záznamu a archivace dat jsou na jednotlivých stanovištích řešeny individuálně, podle povahy prováděných prací na zkušebním motoru. Příklady uspořádání a vybavení zkušebních stanovišť č. 4 a 6 a sestavy měřicí techniky pro emisní měření v laboratoři KVM ukazují schémata na obr. 4 až 9 a tabulky T1 až T3. 6

vzorek výfukových plynů k analyzátorům CO, HC, NO x, O 2 vzorek výfukových plynů k analyzátorům CO, HC, NO x, O 2 8 n 9 M t 10 t výf 11 λ 12 p výf 16 p válce 17 α KH PC VAG Dynamometr ASD 235 KSD FS TU v Liberci 13 t voda 14 t olej 15 p olej Filtr 4 α šk 1 t sání 2 p bar 3 ϕ rel EŘJ EŘJ LPG 7 m BA 6 t s-potr Přepínač paliva 7 m LPG 5 p sání LPG BA Elektronická váha Obr.4: Schéma uspořádání měření na zkušebním zážehovém motoru (stanoviště č.6) pro výzkumný program v E1.3.1. 7

Obr.5: Pohled na instalaci zkušebního zážehového motoru na stanovišti č.6. Tabulka T1: Přehled měřených veličin a použitých měřidel č veličina - parametr senzor způsob měření poznámka 1 teplota vzduchu - t sání [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp teplota ve filtru 1a teplota vzduchu - t sání-kl [ 0 C]Pt100 JUMO Vibrotemp teplota za škrticí klapkou 2 barometrický tlak - p bar [kpa] Hydrargric B1 3 relativní vlhkost vzduchu [%] Exatherm FN A848 4 poloha škrticí klapky [ 0 KH] ASD235 M250 data servo 5 tlak v sacím potrubí [kpa] BD Senzor DMP 331 6 teplota v sacím potrubí [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 7 spotřeba paliva [kg/h] CNG - Micromotion CMF 010-2700 BA 95 a LPG- váha Sartorius 8 otáčky motoru [1/min] Inkrementální senzor, ASD235 9 točivý moment motoru [Nm] Měř.příruba Hottinger, ASD235 10 teplota výfukových plynů [ 0 C] Plášť.termočl. 3mm JUMO K před katalyzátorem 11 součinitel přebytku vzduchu [-] λ sonda: VAG COM-ETAS 12 tlak ve výfuku motoru [kpa] BD Senzor DMP 331 před katalyzátorem 13 teplota chladicí kapaliny [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 14 teplota mazacího oleje [ 0 C] Pt100 JUMO Vibrotemp 15 tlak mazacího oleje [bar] BD Senzor DMP 331 16 tlak ve válci motoru [bar] Pressure tranducer AVL GU 21D 17 poloha klikového hřídele [ 0 KH] Angle encoder AVL 364C předstih, časování vstřiku, VAG-COM Vysokotlaká indikace, termodynam. analýza Tabulka T2: Použité analyzátory a kalibrační plyny CO HC NO x CO 2 Analyzátor HORIBA VIA 510 0-5000ppm H&B Uras 2T 0-6% Kalibrace 890 ppm 5,01% H&B Fidas 2T EMERSON NGA 2000 H&B Uras 2T 0-1000ppm (C 3 H 8 ) 0-5000ppm 0-16% 899 ppm 2830 ppm 10,1 % Pozn.: Kalibrace nulového bodu na všech analyzátorech byla prováděna pomocí N 2. 8

Measuring arrangement on engine to dilution tunnel PM measuring 1 Intake air temperature 2 Barometric pressure 3 Intake air mass flow 10 Intake humidity probe temperature (10a-wet,10b-dry) 24 Intake relative humidity to gas analyzer to smokemeter 51 air flowmeter 11 Compressor inlet temperature 4 Intake restriction DYNAMOMETER 22 Engine speed 21 Engine torque 51 Dynamometer water outlet 12 Compressor outlet temperature 16 Compressor outlet pressure B T 1 5 8 Exhaust outlet restriction Leakage of nozzles Obr.6: Schéma označení měřených veličin a jejich umístění na motoru a zkušebním stanovišti č. 4. 8 5 14 Exhaust manifold temperature 18 Exhaust manifold pressure ENGINE INTERCOOLER fuel weighting 50 Exhaust outlet temperature 13P Intake manifold temperature 17P Intake manifold pressure 13L, 17L cooler 28 Fuel mass 29 Time consump. 9 Cell temperature (cooling air) 5 Fuel temperature (before filter) 6 Fuel inlet restriction 7 Fuel return restriction 20 Oil pressure 25 Oil temperature 27 Cooling air pressure 23 Throttle position KVM-TU Liberec

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

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

Obr.9: Celkový pohled na uspořádání zkušební stanoviště č.4 se zkušebním motorem TATRA T3C-928-90. Před motorem je minitunel pro měření emisí PM a vpravo je sestava analyzátorů pro plynné složky výfukových plynů. Sondy pro odběry vzorků výfukových plynů pro analyzátory plynných složek výfukových plynů (CO, HC, NO x, a CO 2 ), pro minitunel k měření PM a pro kouřoměr byly umístěny v jednotlivých místech výfukového potrubí podle požadavků příslušných předpisů. Tabulka T3: Přehled měřených veličin, použitých měřidel s údajem o jejich kalibraci a způsobem záznamu dat (č. v 1. sloupci odpovídají označení ve schématech na obr.6 až 8). Č: veličina Měřicí zařízení Relativní Kalibrace Způsob chyba [%] záznamu 1 Intake air temperature Pt100-Regmet 0,37 13.10.2005 autom.record RI4P4 2 Barometric pressure Hydrargyric B1 0,5 25.3.2004 manual record 3 Intake air mass flow Flowmeter Fischer 0,5 11.5.2005 autom.record 4 Intake air restriction BD DMP331-9 - 2,5 (4kPa) 14.9.2005 autom.record 5 Fuel temperature Pt100-Orbit-RTD4-0,76 (40 0 C) 13.9.2005 autom.record 6 Fuel inlet restriction Manometer WIKA 0,6% only check 7 Fuel return restriction Manometer WIKA 0,6% only check 8 Exhaust restriction BD DMP331-8 0,66 (15 kpa) 14.9.2005 autom.record 9 Cell temperature Pt100-Regmet 0,50 13.10.2005 autom.record RI2P3 10 Intake humid. probe temp. Exatherm FN A848 11 Compressor inlet temp. Pt100-Regmet RI4P4 12-1,2 27.9.2005 autom.record 0,37 13.10.2005 autom.record 12 Compres. outlet temp. Pt100-Orbit-RTD1 0,50 13.9.2005 autom.record 13L Intake manifold temperature Pt100-Orbit-RTD2 0,99 13.9.2005 autom.record 13P Intake manifold temperature Pt100-Orbit-RTD3 0,25 13.9.2005. autom.record 14 Exhaust manif. temp. (left) TC-JSP-PT040-2 -0,81 (500 0 C) 13.10.2005 autom.record

15 Exhaust manif. temp. (right) TC-JSP-PT040-1 -1,42 (500 0 C) 13.10.2005 autom.record 16 Compressor outlet pressure BD-DMP331- -0,76 13.9.2005 autom.record Orbit1 (200kPa) 17L Intake manifold pressure Huba-501-CH10 0,25 (200kPa) 14.9.2005 autom.record 17P Intake manifold pressure Huba-501-CH11 0,50 (200kPa) 14.9.2005 autom.record 18 Exhaust manif. press. (left) BD-DMP331- -0,55 13.9.2005 autom.record Orbit3 (200kPa) 19 Exhaust manif. press. (right) BD-DMP331- Orbit2-0,30 (200kPa) 13.9.2005 autom.record 20 Oil rifle pressure Huba-501-Orbit4-0,30 13.9.2005 autom.record (300kPa) 21 Torque Calibr. VAMONT 0,06 27.9.2005 autom.record 21 Torque Schenk LSG2000-15 13-0,11 13.10.2005 autom.record 22 Engine speed Calibr.TECTRA- 0,00 14.9.2005 autom.record 12 22 Engine speed Schenk LSG2000 0,00 14.9.2005 autom.record 23 Throttle positron Schenk LSG2000 14.9.2005 autom.record 24 Intake relative humidity Exatherm FN -1,2 27.9.2005 autom.record A848 25 Oil pan temperature Pt100-RegmetRI- 4P5 0,33 (120 0 C) 13.10.2005 autom.record 26 Fuel rate calculated 27 Cooling air pressure JSP-DSP-12 0,00 (5 kpa) 14.9.2005 autom.record 28 Fuel mass consumption Sartorius IC64 0,02 8.9.2005 manual record 29 Time of fuel consumption Elektročas DTS11 ± 0,2 s 16.9.2005 manual record 30 Temper. of raw exhaust gases Pt 100, MERET +1,0 (50 0 C) 13.9.2005 autom.record 41180 v.č. 940609-0,2 (200 0 C) 31 Temperature of raw exhaust gases sample Pt100, PT-041 0,0 13.9.2005 autom.record 32 Temperature of diluted exh. sample (after cooler) 33 Temperature of diluted exhaust gases 34 Temperature of sample flow in measurement device Pt100, PT-041 0,0 13.9.2005 autom.record Pt 100, MERET 41180 v.č. 9406010 Pt 100, MERET 41180 v.č. 940606 35 Temperature of air dilution Pt100-Regmet RI2P3 36 Relat. humidity of dilution air Exatherm FN A848 37 Pressure on filter particle Digital manometer DM 9200 38 Pressure of flow in measurement device 39 Concentration of CO 2 E in raw exhaust gases 40 Concentration of CO 2 D in diluted exhaust gases 41 Concentration of CO 2 A in dilution air Analyzátor Horiba AIA 310K, v.č. 565480014 Hartman-Braun Uras 2T bez v.č. Hartman-Braun URAS 3E v.č.30885742 42 Time of sample flowing MERET 41180 v.č.940607 0,50 13.9.2005 autom.record - 0,40 (50 0 C) 13.9.2005 autom.record 0,50 13.10.2005 autom.record -1,2 27.9.2005 autom.record +1,96 (5 kpa) 13.9.2005 only check +1,96 (5 kpa) 13.9.2005 only check -0,83 27.9.2005 10,1 % CO2 č. 1128/05 autom.record + 2,2 13.9.2005 autom.record 1,0% CO2 č. 1127/05 + 0,2 27.9.2005 autom.record 3000 ppm č. 1129/05 0,0 15.9.2005 manual record

43 Volume flow of sample Premagas G4 BK + 0,3 8.2.2005 manual record v.č. 2056917 44a Mass of particle sample at primare filter Mettler MT5 0,004 2.9.2005 manual record 44b Mass-back of particle sample into filter Mettler MT5 0,004 2.9.2005 manual record 45 Concentration of CO in HORIBA VIA 510 + 0,5 27.9.2005 autom.record exhaust gases v.č. 56923901 46 Concentration of NO x in Emerson NGA + 0,55 27.9.2005 autom.record exhaust gases 200P v.č.25063833215 47 Concentration of CO 2 in Horiba AIA 310K, -0,83 27.9.2005 autom.record exhaust gases v.č. 565480014 48 Concentration of THC in FIDAS 2T + 1,5 27.9.2005 autom.record exhaust gases v.č.760905594/001 49 Smokemeter Hartridge Mk3 1,0 26.-29.9.2005 manual record 50 Exhaust outlet temperature TC-JSP-TC1 0,40 (500 0 C) 13.10.2005 autom.record 51 Dynamometer water outlet Pt100-Regmet- 0,25 (80 0 C) 13.10.2005 only check RI4P6 Reserve Pt100-Regmet- RI4P7 0,74 (80 0 C) 13.10.2005 ETALONY Voltage, current Atmospheric pressure Air flowmeter Pressure Time Frequence, pulse Volume concentration Relativ humidity Multimetr Metra M1T, No.7548992 Hydrargyric pressure gauge B1, No.3444 Whirl flowmeter Fischer-Porter D10S, No.8205 N 1777/A1 Digitál pressure gauge KELLER LEO 2, No.014007 Technical timer DTS 11, No.840106 Calibration standard ALTEK 942/1170, No.212587 Standard material Linde-Technoplyn CO2-3000ppm CO2-1% CO2-10,1% C3H8-39,6 ppm NO- 904 ppm CO- 896 ppm hygrometer PM 821 L, No. 024/88 No.1031-KL- 2090-05 No. TLK 0212 No. 5012- KL-P253-05 No.2/690/05 M No. E 01/05 No.050912/1 No.1129/05 No.1127/05 No.1128/05 No.1131/05 No.1166/05 No.2114/04 No.1288-05 Č. 1289-05 28.6.2005 25.3.2004 11.5.2005 19.7.2005 16.9.2005 9.9.2005 12.5.2005 12.5.2005 12.5.2005 12.5.2005 17.5.2005 3.11.2004 27.5.2005 Resist. Resist.DP869-2 -0,03 (100 Ω) 13.9.2005 14

Měření a záznam převážné většiny sledovaných veličin je zajištěno automatizovaně elektronickým systémem stanoviště (data mohou být zaznamenávána každou sekundu): motorová data automaticky zaznamenávají systémy hlavního PC na zkušebních stanovištích (systém hlavního PC na zkušebním stanovišti je součástí ovládání a regulace dynamometru), data z měření výfukových emisí jsou automaticky zaznamenávána pomocí samostatné sběrové karty připojené k dalšímu PC, jehož funkce jsou synchronizovány s hlavním PC. Manuální záznamy měřených dat jsou pro: - měření spotřeby paliva (čas, hmotnost) - kouřivost motoru - průtok zředěných výfukových plynů přes filtr PM v minitunelu: objem, čas - hmotnost zachycených PM na filtrech zředěných výfukových plynů v minitunelu Pozn.: měření spotřeby paliva pomocí elektronické váhy lze rovněž připojit do systému elektronického systému sběru dat. Ve 2. pol.r. 2006 byla v laboratoři KVM zahájena další etapa modernizace a úprav technického vybavení, která zvýší potenciál experimentální základny jak pro vědeckovýzkumné programy aplikovaného výzkumu (VCJB, VZ, granty), tak pro výzkumněvývojovou spolupráci s průmyslem. Modernizace se týká především instalace vozidlové válcové zkušebny a zkušebním stanovišti č. 1 v laboratoři KVM a stanovišť č. 3 a 5 v laboratoři pístových spalovacích motorů. 15