Modul č.2 Měření parametrů spalovacích motorů, úpravy a ladění motorů jízdní zkoušky vozidel Úloha měření výkonových parametrů a emisí spalovacích motorů na motorové brzdě, srovnaní sériového a upraveného motoru. VŠB TU Ostrava, FMMI, Katedra materiálů a technologií pro automobily VŠB TU Ostrava, FMMI, Katedra materiálů a technologií pro automobily
Obsah Cíle výukových úloh... 3 Popis měřící soustavy... 3 Výukové úlohy jsou rozděleny do následujících částí... 4 Kalibrace tenzometru motorové brzdy... 5 Úloha Kalibrace tenzometru krouticího momentu motorové brzdy... 6 Měření výkonových parametrů sériového a upraveného motoru... 10 Úloha - Měření výkonových parametrů sériového a upraveného motoru... 11 Měření emisních parametrů sériového a upraveného motoru... 14 Úloha - Měření emisních parametrů sériového a upraveného motoru... 15 2
Cíle výukových úloh Podstatou těchto výukových úloh je obeznámit se s procesem úpravy výkonových vlastností spalovacího motoru za pomoci mechanického a elektronického zásahu do motoru. Před samotnou realizací úloh je důležité přiblížit posluchačům základní technické informace z oblasti funkce a měření spalovacích motorů. Proto před každou kapitolou Vás krátce seznámíme se základními informacemi, které jsou potřebné k úspěšnému provedení popsaných úloh. Popis měřící soustavy Měřící soustava viz Obr. 1, na které budou prováděny úlohy níže popsané, se skládá z hydrodynamické motorové brzdy, spalovacího motoru (v úlohách bude měřen sériový a následně upravený motor). Ty jsou dále doplněny o ovládací a měřící prvky. Motorová brzda je ovládána pomocí ovládacího panelu (X Console). Motorová brzda a spalovací motor jsou hřídelemi spojeny a vzájemně na sebe momentově působí. Na počítači jsou zobrazovány potřebné provozní údaje. Obr. 1 Blokové schéma měřící soustavy 3
Výukové úlohy jsou rozděleny do následujících částí Kalibrace tenzometru motorové brzdy str. 4 7 Měření výkonových parametrů sériového a upraveného motoru str. 8 9 Měření emisních parametrů sériového a upraveného motoru str. 10 13 4
Kalibrace tenzometru motorové brzdy Tenzometr pro měření krouticího momentu V současnosti obvyklý elektrický tenzometr je pasivní elektrotechnická součástka používaná k nepřímému měření mechanického napětí na povrchu součásti prostřednictvím měření její deformace. Elektrický tenzometr patří mezi převodníky sloužící k elektrickému měření neelektrických veličin. V tomto případě tenzometr měří sílu na konstantní známé páce viz Obr. 2. Motorová brzda tedy dostává informaci o síle a počítá z ní krouticí moment. Tenzometr je umístěn mezi volně se pohybující obal absorberu a pevnou konstrukci brzdy. Ze spalovacího motoru, který měříme, je přenášen krouticí moment pomocí třecího média (v našem případě voda) na obal (stator) absorberu a absorber tlačí tenzometr proti pevné konstrukci. Pohyblivý spoj absorberu s tenzometrem Tenzomet Pevný spoj konstrukce brzdy s tenzometrem Obr. 2 Tenzometr motorové brzdy SF 902 5
Úloha Kalibrace tenzometru krouticího momentu motorové brzdy Při každé výměně měřeného motoru na motorové brzdě je důležité znovu kalibrovat tenzometr krouticího momentu, aby brzda zobrazovala správné hodnoty Nm a kw. Základní kalibrace tenzometru je důležitá pro dobrou opakovatelnost testů. Kalibrace musí být provedena při každé změně motoru. Dále je popsán postup kalibrace krok po kroku. Krouticí moment je udáván v jednotkách Nm což představuje sílu působící na rameno o jisté délce. Také je krouticí moment uváděn v jednotkách lb ft (libra na stopu), pro případný přepočet je 1lb = 0,4536kg = 4,4498Nm a 1ft = 0,3048m. Je třeba znát přesnou hmotnost břemena, které bude při kalibrování použito, každá odchylka by později byla násobena s každým nárůstem či poklesem měřené hladiny. Velikost hmotnosti pro kalibraci by měla být blízká k očekávanému krouticímu momentu měřeného motoru. Například pro motor s maximálním krouticím momentem 200Nm je optimální kalibrační závaží cca. 20kg. Správná kalibrace zajišťuje přesnost měřeného výkonu. Je doporučeno použít několik závaží a při postupném odebírání sledovat linearitu hodnot v tomto rozsahu. Proveďte následující postup: 1. Spusťte aplikaci WinDyn. 2. Otevřete Test group. 3. Ve vizualizaci zobrazte hodnotu krouticího momentu Trq1 je shodný s EngTrq. 4. Instalujte kalibrační rameno včetně všech jeho částí krom závaží na absorbér dle Obr. 3 6
Obr. 3 Umístění kalibračního ramene 7
5. V hlavním menu WinDyn zvolte kolonku System a potom Calibrate, nebo stiskněte klávesu C. Objeví se dialogové okno kalibrace viz Obr. 4 Obr. 4 Dialogové okno kalibrace 6. Zvolte kanál číslo 2 Trq1. Zobrazuje nenulovou hodnotu, kterou vyvolává hmotnost samotného kalibračního ramene s příslušenstvím. 7. Kliknutím na tlačítko Zero odstraníme z kalibrace hmotnost ramene. 8. Dialogové okno Confirm vás upozorní na nulování. Stiskněte OK. 9. Zavěste kalibrační závaží na rameno a vyčkejte, než se závaží ustálí. 10. Vypočítejte skutečný krouticí moment. Délka ramena v m násobená hmotností závaží v kg a toto násobeno tíhovým zrychlením. Příklad Kalibrační závaží 50lb = 22,9kg = 224,64N (Tíhové zrychlení v ČR 9,81) Délka ramena od středu absorberu po místo zavěšení závaží jsou 3ft = 0,91m Krouticí moment je tedy: 224,64 x 0,91 = 204,42 Nm (136,28Nm pro 2ft) 11. Zvolte Calibrate. Zobrazí se dialogové okno Channel Calibrate a kolonka pro zadání nové hodnoty kanálu. Zadejte vypočítaný krouticí moment a potvrďte OK. 12. Pokud se vaše kalibrační závaží skládá s několika, je dobré při odnímání jednotlivých závaží kontrolovat hodnotu na displeji s vypočítanou zbylou hmotností. Po odstranění závaží by měl displej zobrazovat nulu. Pokud hodnoty neodpovídají, je třeba provést kalibraci znovu. 13. Po odstranění kalibračního ramene se zobrazí záporná hodnota Nm odpovídající 8
kompenzaci ramene. 14. Stiskněte Zero All a poté OK. 15. Pro uložení kalibrace zvolte Save potom OK, YES a znovu OK pro přepsání předchozí kalibrace. 9
Měření výkonových parametrů sériového a upraveného motoru porovnat. Měření výkonových parametrů motoru budeme provádět dvakrát za stejných podmínek, jednou na sériovém karburátorovém motoru typu boxer a podruhé na motoru stejného typu, ale s mechanickými a elektronickými úpravami. Tyto parametry potom budeme moci Pro toto měření využijeme automatického přírůstkového testu. Přírůstkový test je postupný test definovaný počátečními otáčkami, koncovými otáčkami, postupovými otáčkami (aktuální otáčky zvýšené o přírůstek Rate) a časem stabilizace kroku viz Obr. 5. Test je spuštěn v nastavených startovních otáčkách a postupným zvyšováním otáček po krocích pokračuje k otáčkám koncovým. V každém kroku brzda stabilizuje přednastavený čas otáčky a provede 10x měření. Z těchto hodnot se do počítače ukládá průměrná hodnota. Tím se zvyšuje přesnost měření. Obr. 5 Teoretický graf akceleračního testu Postupně proveďte přírůstkové měření motoru pro polohu škrticí klapky (throttle position) dle následující Tab. 1. Tab. 1 Tabulka nastavení parametrů pro test Skupina Poloha škrt. Klap. Startovní otáčky Koncové otáčky % RPM RPM Č.1 20 Č.2 40 Č.3 60 1500 3500 Č.4 80 Č.5 100 10
Úloha - Měření výkonových parametrů sériového a upraveného motoru 1. Nastartujte motor a nechte zahřát na provozní teplotu 80 C 2. Pomocí otočných knoflíků (Obr. 6) nastavíme měřený rozsah otáček testu. Knoflík 2 Lower reprezentuje startovní nejnižší otáčky, 1 Upper reprezentuje konečné nejvyšší otáčky a knoflík 3 Return určuje otáčky motoru po ukončení testu. (Postupové otáčky a čas stabilizace je přednastavena obsluhou brzdy) Obr. 6 Popis ovládání testu na X Consoli. 3. Po zadání parametrů, spusťte test pomocí tlačítka A Start Test. 4. Pomalu přidávejte plyn až do nastavení zatížení na požadovanou hodnotu polohu škrtící klapky dle Tab. 1. Absorbér je zatížen a drží motor ve stanovených otáčkách. Stiskněte tlačítko D Accel pod pravým displejem aby aktivoval test. 5. Motor zrychluje na postupové otáčky, stabilizuje a měří, zrychluje k dalším postupovým otáčkám. Proces se opakuje až po dosažení koncových otáček. Na konci testu absorbér zbrzdí motor k návratovým otáčkám. 6. Pro dokončení testu stiskněte tlačítko E Stop. 7. Vytiskněte výsledné grafy jednotlivých měření. 8. Zapište k Vašemu grafu hodnotu polohy škrticí klapky, pro kterou byl naměřen. (na Obr. 7 je příklad grafu pro hodnotu škrticí klapky 100% sériového a na Obr. 8 upraveného motoru) 9. Lektor připraví upravený motor na brzdové stanoviště. 10. Opakujte body měření 1 8 pro upravený motor. 11. Najděte rozdíly v naměřených grafech a konfrontujte je s provedenými úpravami motoru. 11
Obr. 7 Graf závislosti krouticího momentu a výkonu na otáčkách sériového motoru 12
Obr. 8 Graf závislosti krouticího momentu a výkonu na otáčkách upraveného motoru 13
Měření emisních parametrů sériového a upraveného motoru Úloha se zabývá měřením exhalací spalovacího motoru. Podobně jako v předchozí úloze se pokusíme o srovnání několika naměřených veličin. V úloze změříme hodnoty oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků (HC) pro různé otáčky motoru (viz Obr. 10) nejprve změříme sériový motor a poté budeme opakovat měření pro motor upravený. Měření budeme provádět zařízením GasAnalyser Atal, který využívá metodu NDIR Nedisperzní infračervená spektroskopie). Teoretický princip analýzy můžete vidět na Obr. 9. Měřené výfukové plyny, zbavené vodních par a pevných částí, jsou (světle modrým) čerpadlem dopraveny do (modré) kyvety přes, kterou proudí až k výstupu. Plyny mohou dále pokračovat k dalším kyvetám pro měření HC nebo CO 2. Infračervený zářič vysílá záření o přesné vlnové délce přes plyny CO v kyvetě. Procházející oxid uhelnatý pohltí část záření a zbylé záření dopadá na (zelený) přijímač. Přijímač je baňka naplněná čistým oxidem uhelnatým a záření o této vlnové délce pohlcuje. Je tedy zbylým zářením zahříván. Přijímač je spojen s referenční baňkou a mezi nimi je (červený) mikrosnímač proudění. Při zahřívání přijímače oxid uhelnatý mění svůj objem a přepouští se mezi přijímačem a referenční baňkou. Toto přepouštění je mikrosnímačem proudění měřeno a po zpracování zobrazováno na displeji v podobě procent. Stejně tomu je i v případě měření HC nebo CO 2. Mění se pouze vlnová délka infračerveného zářiče a obsah plynu v přijímači a referenční baňce. Obr. 9 Schéma principu měření emisí výfukových plynů Předpis EHK 83 je určen zejména pro vozidla kategorií M1 a N1 do 3,5 t celkové hmotnosti a limituje emise složek CO, HC, Nox. Charakteristickým znakem metodiky zkoušek podle předpisu EHK 83 je, že u vozidel o celkové hmotnosti do 3,5 t se zkouška provádí při testu simulujícím jízdu vozidla na válcové zkušebně. Měření má kumulativní charakter, tzn. 14
výfukové plyny se jímají do vaků a výsledné koncentrace jsou udány v g na km. Protože v našem případě, máme motor umístěn na motorové brzdě, použijeme sedmi bodový test, který nahrazuje na válcové zkušebně s jímáním plynů do vaků. Zkušební test se skládá z měření při ustálených režimech v sedmi bodech (viz Obr. 10). Úloha - Měření emisních parametrů sériového a upraveného motoru 1. Z grafu momentové charakteristiky vypracované v předchozí úloze odečteme hodnotu maximálního krouticího momentu (M MAX ) a otáčky ve kterých byl změřen u sériového motoru. Obě hodnoty zapíšeme do Tab. 2. Maximální hodnotu krouticího momentu považujeme za 100% (M MAX =100%). Vypočítáme a zapíšeme procentuální hodnoty krouticího momentu pro 75%, 50%, 25%, 10%. Tab. 2 Změřené a vypočítané hodnoty veličin pro výpočet celkového CO a HC (sériový motor) Sériový motor Body RPM M M k Váhový CO měř CO cor (%) HC měř HC cor (ppm) (ot/min) (%) (Nm) faktor (%) (ppm) 1 Volnoběh 0 0,125 2 10 0,125 3 25 0,125 4 50 0,125 5 75 0,125 6 100 0,250 7 Volnoběh 0 0,125 SUMA 1 CO HC Tímto jsme si doplnili body, ve kterých budeme měřit hodnoty emisí výfukových plynů CO a HC. Tyto body jsou určeny otáčkami a momentem jak je možné vidět na Obr. 10. Na tomto obrázku jsou naznačeny jednotlivé zkoušené režimy a zároveň jsou u nich uvedeny tzv. váhové faktory, které udávají podíl, jakým příslušný režim přispívá do celkového výsledku testu a tím i důležitost daného režimu v testu. 15
Obr. 10 Postup nastavení jednotlivých bodů měření při testu. 2. Spustíme program Gas Analyser. 3. Provedeme kalibraci a kontrolu netěsnosti Gas Analyseru dle instrukcí v levém dolním okraji dialogového okna viz Obr. 11. 16
Obr. 11 Dialogové okno Gas Analyseru 4. Spustíme sériový motor a necháme zahřát na provozní teplotu. 5. Nastavíme motor do prvého bodu testu (volnoběh) viz. Tab. 2. pedálem plynu nastavíme motor do volnoběžných otáček bez zatížení a po ustálení odečteme hodnotu CO a HC z dialogového okna Gas Analyseru (Obr. 11) a zapíšeme do Tab. 2. 6. Nastavíme motor do druhého bodu testu (otáčky při kterých byl změřen M max ) viz. Tab. 2. tzn. otočným knoflíkem na X Consoli nastavíme motor do požadovaných otáček. Zatížení motoru nastavíme pedálem plynu tak, aby odpovídalo 10% M max ). Po ustálení odečteme hodnotu CO a HC z dialogového okna Gas Analyseru (Obr. 11) a zapíšeme zpět do Tab. 2. 7. Postup opakujeme pro další body testu (25%, 50%, 75%, 100%). 8. Opakujeme bod 6. 9. Vypneme motor. 17
10. Naměřené hodnoty CO měř vynásobíme váhovým faktorem a zapíšeme do Tab. 2. Součet všech těchto hodnot je výsledná hodnota CO viz vzorec 1. ( k CO CO měě ) CO i vzorec 1 i cor kde: CO výsledná hodnota CO [%] CO měř naměřená hodnota CO [%] CO cor korigovaná hodnota CO [%] k váhový faktor [ ] 11. Naměřené hodnoty HC měř vynásobíme váhovým faktorem a zapíšeme do Tab. 2. Součet všech těchto hodnot je výsledná hodnota HC stejně jako v předešlém bodu. 12. Lektor připraví na motorové brzdě motor s provedenými mechanickými a elektronickými upravami. 13. Z grafu momentové charakteristiky vypracované v předchozí úloze odečteme hodnotu maximálního krouticího momentu (M MAX ) a otáčky ve kterých byl změřen pro křivku Upravená. Hodnoty zapíšeme do 14. Tab. 3 a vypočítáme a zapíšeme zbylé procentuální hodnoty krouticího momentu. Základní Body RPM M M k Váhový CO měř CO cor (%) HC měř HC cor (ppm) (ot/min) (%) (Nm) faktor (%) (ppm) 1 Volnoběh 0 0 0,125 2 10 0,125 3 25 0,125 4 50 0,125 5 75 0,125 6 100 0,250 7 Volnoběh 0 0 0,125 SUMA 1 CO HC Tab. 3 Změřené a vypočítané hodnoty veličin pro výpočet celkového CO a HC (upravený motor) 18
Tímto jsme si opět doplnili body, ve kterých budeme měřit hodnoty emisí výfukových plynů CO a HC. Tyto body jsou určeny otáčkami a momentem jak je možné vidět na Obr. 10. 15. Opakujte body měření 5 až 10. 16. Porovnáme hodnoty obou měření (CO, HC) a vyhodnotíme, zda motor po úpravě dosahuje lepších hodnot emisí výfukových plynů, než sériový karburátorový motor. 19