MOŽNOST ALTERNATIVNÍHO ZPŮSOBU MĚŘENÍ MĚRNÉ SPOTŘEBY PALIVA SPALOVACÍCH MOTORŮ THE ALTERNATIVE METHOD OF MEASUREMENT SPECIFIC FUEL CONSUMPTION COMBUSTION ENGINE J. Hromádko ), V. Hönig ), P.Miler ), J.Hromádko 2) P. Štěrba 3) ) Česká zemědělská univerzita v Praze 2) Ministerstvo životního prostředí 3) TÜV SÜD Auto CZ s.r.o. Abstract The main topic of the paper is determination of the specific fuel consumption without the need of using the external load of the combustion engine. Measurement of power parameter is expensive; therefore the moment of inertia of rotating engine parts was used for the engine loading as well as at the measuring of the power parameters by acceleration method. There is no meaning in measuring of the fuel consumption at common acceleration for its fast behavior. That is why the time was extended by alternating a few accelerative deceleration cycles. Keywords: internal combustion engine, fuel consumption, engine acceleration, engine deceleration Úvod Hlavním parametrem spalovacích motorů z hlediska ekonomiky a ekologie provozu je míra účinnosti přeměny chemické energie, obsažené v palivu, na mechanickou práci. Obecně lze konstatovat, že čím lépe se energie paliva využije, tím méně se při stejně vykonané práci zatíží životní prostředí, uvažujeme-li produkci oxidu uhličitého za současný největší problém spalovacích motorů. Nejvýznamnějším ukazatelem této účinnosti je měrná spotřeba paliva [g/kwh], kterou lze charakterizovat jako komplexní diagnostický signál spalovacích motorů. Pro její stanovení je nutné dostatečně přesně měřit výkonové parametry a spotřebu paliva.[] Spotřebu paliva lze měřit přímo volumetricky nebo gravimetricky. U současných motorů nelze palivoměr jednoduše zapojit do palivového systému motoru, je nutné zachovávat parametry palivové soustavy, zejména systémový tlak paliva. Problematické je také zpětné vedení paliva, jehož průtok musí být měřen a odčítán od odčerpaného množství paliva z nádrže. Montážně nejjednodušším způsobem měření spotřeby paliva je výpočet spotřeby paliva z produkce emisí, který se děje při homologaci vozidel do 3,5 t.[2] Pro měření výkonových parametrů, tj. točivého momentu [Nm] a výkonu [kw] v závislosti na frekvenci otáček motoru, lze v praxi použít několik metod s různou mírou přesnosti a náročnosti. Obecně lze nejvýznamnější metody dělit podle zatížení na stacionární (konstantní otáčky, konstantní zatížení, maření energie v dynamometru) a dynamické (urychlování setrvačných hmot zvoleným točivým momentem).[3] Pro stacionární zatížení je nutné mařit energii v dynamometru, který představuje rozsáhlé investiční náklady činící tuto metodu vhodnou, zejména pro vývoj nových motorů nebo zkoušení při jejich výrobě, případně pro homologační měření, nikoliv pro běžnou servisní a opravárenskou praxi.[4] Při dynamickém měření jsou výkonové parametry měřeny při dynamických režimech motoru, resp. při urychlování, nebo zpomalování jeho otáček. Prostředkem k zatěžování motoru je především setrvačnost všech příslušných pohyblivých hmot. Při plné dodávce plynu je zatížení motoru maximální bez ohledu na to, zda urychlujeme setrvačné hmoty samotného motoru (tzv. volná akcelerace) nebo urychlujeme všechny setrvačné hmoty vozidla, např. při jízdě na nejvyšší převodový stupeň. Rozdíl je pouze v tom, že velikost úhlového zrychlení klikového hřídele je nepřímo úměrná momentu setrvačnosti k ose rotace všech pohybujících se hmot redukovaných na klikový hřídel motoru. Prakticky se to projeví na době, po kterou motor akceleruje, a je tedy naplno zatížen. Nesporná výhoda je v pořizovacích nákladech, které jsou řádově nižší než u dynamometrů. Dále je třeba připomenout, že tato metoda jako jediná může přímo měřit výkonové parametry samotného motoru bez jeho demontáže, resp. bez jakéhokoliv zásahu do konstrukce celého stroje. Z výše uvedeného vyplývá, že akcelerační metoda měření výkonových parametrů spalovacích motorů představuje levnou alternativu v možnosti měření měrné spotřeby paliva. Problém s krátkou dobou akcelerace, u které je nutné měřit spotřebu paliva, je možné prodloužit opakováním akceleračních a deceleračních cyklů.[5] Materiál a metody Měření bylo provedeno na traktorovém motoru Zetor 770 umístěném na zkušebním stanovišti Katedry vozidel a pozemní dopravy Technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Umístění motoru na zkušebním stanovišti je znázorněno na obr.. Spotřeba paliva byla měřena gravimetricky zaznamenáváním času potřebného ke spotřebování 00 gramů paliva. Pro zatížení motoru byl použit alternativní způsob využívající setrvačné hmoty motoru, které se již úspěšně používají pro měření výkonových parametrů akcelerační metodou.
ním naintegrované plochy ztrátového momentu hodnotou momentu při akceleraci získáme kumulativní čas plného zatížení motoru. Známe-li dobu plného zatížení, spotřebu paliva připadající na dobu plného zatížení (spotřeba paliva za měřený úsek uvažujeme-li spotřebu paliva při deceleraci za nulovou) a výkon při plném zatížení, můžeme určit měrnou spotřebu odpovídající plnému zatížení. Obr. Umístění motoru Zetor 770 na zkušebním stanovišti Rychlý průběh akcelerace znemožňuje měření spotřeby paliva, proto bylo nutné prodloužit dobu měření střídáním akcelerace a decelerace motoru. Ručním plynem se nastavily otáčky 500 min - a rázným přidáváním a ubíráním plynu se střídala akcelerace s decelerací. Změna dodávky paliva musí být rázná, aby motor maximálně akceleroval a včasná, aby se motor pravidelně pohyboval v otáčkách nastavených ručním plynem a přeběhovými otáčkami. Časové impulsy jednotlivých otoček motoru, z kterých stanovíme průběh a hodnotu točivého momentu motoru, byly snímány optickým čidlem a zaznamenávány do počítače přes interface. Chceme-li určit spotřebu paliva připadající na plné zatížení, musíme určit kumulativní dobu akcelerace (motor plně zatížen). Princip spočívá v časové integraci plochy ztrátového momentu, který motor musí během měření překonat nezávisle na tom, zda akceleruje, nebo deceleruje. Vyděle- Vyhodnocení V prvním kroku je nutné z časových impulzů jednotlivých otoček motoru stanovit průběh točivého momentu motoru. Výpočet průběhu točivého momentu je definován rov. ( až 7), graficky je pak znázorněn na obr. 2. t READPRN ("00ot.txt") () i 0 last() t (2) t i 3 0 t i 0 tt() i (3) 3 ( i) tt() i 2 (4) ni () () i 30 (5) (6) M() i ()I i (7) kde: t jsou načtená data otoček motoru ze souboru 00ot.txt, i je počet impulzů, tt(i) je potřebný čas na jednu otočku motoru [s - ], w(i) je okamžitá úhlová rychlost motoru [rad s - ], n(i) jsou okamžité otáčky motoru [min - ], e(i) je okamžité úhlové zrychlení motoru [rad s -2 ], I je moment se- Obr. 2 Průběh otáček a točivého momentu motoru mezi 5 a 25 sekundou 2
trvačnosti všech rotujících částí motoru a dynamometru [kg m 2 ] a M(i) je okamžitý efektivní točivý moment motoru [Nm]. Dále je nutné pro integraci ztrátového momentu motoru představujícího vykonanou práci motorem vytvořit průběh ztrátového momentu motoru během akceleračně deceleračního zatěžování. Definování je provedeno rov. (8 až 0). (8) H csort( H ) (9) (0) kde: H i,0 přiřadí otáčky motoru prvnímu sloupci tabulky H, H i, přiřadí točivý moment motoru druhému sloupci tabulky H, vnitřní funkce csort seřadí vzestupně tabulku H podle druhého sloupce (točivého momentu) a vnitřní funkce submatrix vybere z tabulky H prvních 350 řádků a přiřadí je matici H2. V matici H2 jsou jednotlivým zaznamenaným ztrátovým momentům motoru přiřazeny otáčky motoru. Abychom mohli určit celkovou ztrátovou práci, musíme převést závislost ztrátového momentu na otáčkách motoru v závislost ztrátového momentu na čase zatěžovacího cyklu. k () z regress H2 0 H2 k (2) Mz( x) interp z H2 0 H2 x (3) kde: funkce z proloží ztrátovým momentem regresní přímku (k = ) a Mz(x) vytvoří její spojitý průběh, který přiřadí jakýmkoli otáčkám motoru daný ztrátový moment bez ohledu na to, zda motor akceleroval, nebo deceleroval. Poté sestrojíme průběh ztrátového momentu podle otáček motoru v závislosti na čase cyklu. Mz( n() i ) (4) kde: Mz(n(i)) je výsledný průběh ztrátového momentu motoru v závislosti na čase zatěžovacího cyklu. Pomocí rovnice (5) můžeme stanovit plochu ztrátového momentu, jež představuje celkovou ztrátovou práci motoru, která musí být překonávána při akceleracích motoru, a odpovídá tedy i celkové vykonané práci motoru. (5) kde: S je plocha ztrátového momentu [-4050], (Mz(n(i)) je průběh ztrátového momentu motoru v čase cyklu a tt(i) je časový průběh cyklu. Dle rov. 6 stanovíme váhový průměr otáček náležící maximálnímu momentu motoru n s t last( t) last( t) 60 (6) kde: n s jsou váhově průměrné otáčky motoru 23 [min - ], t last(t) je doba trvání akceleračně deceleračního cyklu a last(t) je celkový počet otoček motoru. Známe-li ztrátovou plochu momentu motoru, můžeme určit poměr doby plného zatížení k době trvání cyklu. P (7) N (8) t last ( t) kde: N je čas odpovídající ploše ztrátového momentu při indikovaném momentu 340 [Nm] náležícímu otáčkám n s, P je poměr doby plného zatížení k době trvání cyklu a t last(t) je doba trvání akceleračně deceleračního cyklu Obr. 3 Průběh ztrátového momentu a momentu motoru při akceleraci mezi 5 a 25 s 3
Obr. 4 Plocha ztrátového momentu a momentu při akceleraci motoru Spotřeba paliva připadající na maximální moment motoru dostupný při průměrných váhových otáčkách motoru odpovídá 23,3 procentům spotřeby paliva v celém akceleračně deceleračním cyklu. Průměrné váhové otáčky motoru jsou 23 [min - ], maximální efektivní moment připadající těmto otáčkám je 25 [Nm]. Průběh akceleračně deceleračních cyklů se znázorněním měřeného bodu je znázorněno na obr. 5 Čas spotřeby 00 g paliva v celém akceleračně deceleračním cyklu byl 94,8 s. Následně tento čas přepočteme na hodinovou a měrnou spotřebu paliva připadající měřenému bodu. Obr. 5 Výsledný měřený bod při akceleračně deceleračním zatěžování 4
cas P cas P (9) M p 00 3.6 cas P (20) m pe M p 000000 25 Diskuse a závěr n s 30 (2) kde: cas p je čas spotřeby paliva při otáčkách 23 [min - ] a točivém momentu motoru 25 [Nm], cas je spotřeba paliva v celém akceleračně deceleračním cyklu, M p je hodinová spotřeba paliva [kg h - ] v daném bodě a m pe je měrná spotřeba paliva [g kwh - ] v daném bodě. V měřeném bodě spotřebuje motor za jednu hodinu 6,278 kg paliva. Na každou vykonanou kwh práce spotřebuje 293,38 g paliva. Pomocí akceleračně deceleračních cyklů lze stanovit měrnou spotřebu paliva, jejíž hodnota je 293,38 g kwh -. Při statickém způsobu zatěžování pomocí dynamometru, byla měrná spotřeba shodného pracovního bodu 278,472 g kwh -. Relativní odchylka 5,27 % je poměrně malá. Nižší měrná spotřeba paliva při statickém způsobu zatěžování je způsobena obtížnějším zpracováním akceleračně deceleračního měření a drobnými nepřesnostmi v zaznamenávání otáček motoru v přechodových oblastech motoru. Alternativní způsob zatěžování motoru pomocí akceleračně deceleračních cyklů přináší několik výrazných výhod, které jsou shodné s výhodami akceleračního měření výkonových parametrů motorů. Ze všech výhod uvedu jen nejpodstatnější, odpadá nutnost pořizovat nákladné dynamometry, není nutné demontovat motor z vozidla, výrazná univerzálnost (jedním přístrojem, zaznamenávajícím otáčky klikového hřídele motoru, je možné měřit téměř všechny motory), neomezený rozsah měřícího zařízení atd. Nevýhodu představuje nutnost znát moment setrvačnosti motoru. Jeho nepřesné stanovení může výrazně zkreslit absolutní hodnotu měřeného výkonu a posléze i měrné spotřeby paliva. Ovšem uvažujeme-li, že tato metoda je vhodná zejména do servisní praxe, kde nepotřebujeme znát absolutní velikost měřené hodnoty, ale pouze její změnu od původní hodnoty, můžeme nevýhodu nepřesného stanovení momentu setrvačnosti zanedbat. Další nevýhodu představuje nemožnost měření přeplňovaných motorů. U přeplňovaných motorů získáme měrnou spotřebu při sníženém výkonu způsobeného prodlevou plnění, které dále zapříčiní zkreslení měrné spotřeby paliva, čímž tato hodnota bude opět pouze porovnávací. Pro praktické využití této metody je nutné vyřešit problém s měřením spotřeby paliva. Jelikož bylo měření provedeno na zkušebním stanovišti, bylo využito stávající metody pro měření spotřeby paliva. Tato metoda ovšem není použitelná u současných motorů, došlo by ke změně parametrů palivové soustavy, problém by byl i se zpětným vedením paliva. Tyto problémy by bylo možné odstranit využitím měření spotřeby paliva výpočtem z emisí. Při této metodě nedochází k zásahu do vozidla, jsou měřeny produkce jednotlivých složek emisí a hmotnostní množství vyprodukovaných emisí. Shrneme-li výhody a nevýhody této metody měření měrné spotřeby paliva, lze očekávat její brzké rozšíření do servisní a opravárenské praxe. Poděkování Příspěvek vznikl za podpory projektů:. Ministerstvo dopravy ČR, projekt č. CG92-058-520 Metodika kvantifikace a vyhodnocení environmentálních a bezpečnostních vlivů dopravy 2. Ministerstvo školství mládeže a tělovýchovy ČR, projekt (identifikační kód OC 93), součást akce EU COST 356 Metody hodnocení a multidisciplinární ocenění vlivů dopravy na trvale udržitelné životní prostředí Literatura [] HROMADKO, J.: Posuzování jakosti motorových vozidel z hlediska jejich provozní spotřeby paliva a škodlivých emisí, Ph.D. Thesis, ČZU, 2007 [2] KADLEČEK,B.: Dynamické testování výkonových parametrů spalovacích motorů. In: NDT Bulletin č. 2/200 (časopis ČNDT Česká společnost pro nedestruktivní testování ročník č. 2) s. 09-0, ISSN 23-3825 [3] KADLEČEK,B. - PEJŠA,L. - OTTO,K.: Měření výkonu a spotřeby paliva při diagnostice vozidlových motorů. In: Sborník přednášek mezinárodní konference TD2000- DIAGON 2000 Zlín Academia centrum 2.4.-3.4.2000, VUT Brno Academia centrum Fakulty technologické ve Zlíně str. 43-48, ISBN 80-24-578-9 [4] HROMÁDKO, J., HROMÁDKO, J.: Problems of Power Parameter Measurement of Constant-Speed Engines with Small Cylinder Volume by Acceleration Method. IX Ogólnopolska Konferencja Naukowa, Poznaň, 2006. ISBN 83-760-48- [5] HROMÁDKO, J., HROMÁDKO, J.: The alternative determination of specific fuel consumption. XXXVII. mezinárodní konference kateder a pracovišť spalovacích motorů českých a slovenských vysokých škol, Praha, 2006. ISBN 80-23-50-5 5
Anotace Cílem článku je stanovení měrné spotřeby paliva spalovacího motoru alternativním způsobem, bez nutnosti použití vnějšího zdroje zatěžování. Měření výkonových parametrů spalovacích motorů pomocí dynamometrů je investičně nákladná věc, z tohoto důvodu byl k zatěžování motoru využit moment setrvačnosti motoru, který je využíván u měření výkonových parametrů akcelerační metodou. Měření spotřeby paliva při krátké době akcelerace je nemožné, proto byla doba měření prodloužena střídáním aklcelerace a decelerace motoru. Klíčová slova: spalovací motor, mìrná spotøeba paliva, akcelerace motoru, decelerace motoru Kontaktní adresa: Ing. Jan Hromádko, Ph.D., Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, Kamýcká 29, 65 2 Praha 6 Suchdol, Česká republika tel. +420 732432255 e-mail: janhromadko@tf.czu.cz 6