Využití dat ze sítě CAN ke stanovení zatížení motoru v provozu Diplomová práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Využití dat ze sítě CAN ke stanovení zatížení motoru v provozu Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Bc. Jan Krchňavý Brno 2013

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Využití dat ze sítě CAN ke stanovení zatížení motoru v provozu 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.

PODĚKOVÁNÍ Tímto bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za vedení, odbornou pomoc a cenné připomínky, které mi při řešení této práce s ochotou poskytoval.

ABSTRAKT Diplomová práce Využití dat ze sítě CAN ke stanovení zatížení motoru v provozu se v teoretické části nejdříve zabývá měřením základních parametrů spalovacích motorů, jako je výkon motoru, spotřeba paliva a emise. Dále se zaměřuje na přenos dat ve vozidlech pomocí digitálních komunikačních sítí, a to zejména na síť CAN-BUS. V praktické části se tato práce věnuje samotnému měření základních parametrů konkrétního traktorového motoru v laboratoři a následnému vyhodnocení dat se zaměřením na data snímané ze sítě CAN. Výsledky měření jsou zde vyneseny do tabulek, z nichž jsou následně sestaveny charakteristiky. Klíčová slova: výkon motoru, CAN-BUS, spotřeba paliva, úplná charakteristika ABSTRACT This dissertation is called Using Data from a CAN Net to Determinate Engine Load in Operation. The theoretical part first focuses on measurement of basics parameters of combustion engines such as engine power, fuel consumption and emissions. Then, it is targeted on data transfer in automobiles using digital communication nets, especially the CAN-BUS net. The practical part deals with measurement of basic parameters of tractor engine in a laboratory and subsequent data evaluation with focus on the data read from CAN net. The results of measuring are placed in tables which form a basis for creation of subsequent characteristics. Keywords: engine power, CAN-BUS, fuel consumption, complete engine charakteristic

Obsah 1 ÚVOD... 8 2 CÍL PRÁCE... 9 3 MĚŘENÍ PARAMETRŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ... 10 3.1 Výkon spalovacích motorů... 10 3.1.1 Metody zjišťování výkonu vozidlového spalovacího motoru... 10 3.1.2 Dynamometry... 17 3.2 Spotřeba paliva spalovacích motorů... 19 3.2.1 Měrná spotřeba paliva... 19 3.2.2 Měření spotřeby paliva... 20 3.3 Měření emisí spalovacích motorů... 22 3.3.1 Měření kouřivosti vznětového motoru... 23 3.3.2 Měření koncentrace plynných složek... 25 4 PŘÍSTUP K ÚDAJŮM ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY... 29 4.1 Sériová diagnostika... 29 4.2 Paralelní diagnostika... 29 4.3 Přenos informací ve vozidlech... 30 4.4 Síť CAN BUS... 32 4.4.1 Přenos informací po síti CAN-BUS... 33 4.4.2 Analýza a sběr dat ze sítě CAN... 34 5 MATERIÁL A METODIKA... 35 5.1 Metodika měření a vyhodnocení... 35 5.1.1 Měřící technika... 36 5.1.2 Měření jmenovité otáčkové charakteristiky... 38 5.1.3 Měření úplné charakteristiky... 38 5.2 Vyhodnocení výsledků měření... 39 5.2.1 Jmenovitá otáčková charakteristika... 39 5.2.2 Úplná otáčková charakteristika... 41 5.2.3 Spotřeba paliva... 46 6 ZÁVĚR... 49

1 ÚVOD Obory zabývající se zkoušením spalovacích motorů vznikly v důsledku potřeby porovnávání jednotlivých motorů mezi sebou. Nejstarší zařízení pro měření parametrů spalovacích motorů byla svým funkčním principem a svou konstrukcí velmi jednoduchá a nevyžadovala velké nároky na pracoviště. Z toho plynula ovšem také odpovídající přesnost měření, kterou tato zařízení disponovala. V této době navíc ještě nebyly kladeny tak vysoké nároky na spalovací motory jako je tomu dnes. Zájem lidstva o ekologii a ochranu životního prostředí se neustále zvyšuje a tímto tempem se také ubírají nároky na parametry spalovacích motorů. Cílem vývoje spalovacích motorů je především snížení spotřeby paliv, snížení emisí a komplexně dopadu na životní prostředí. Dále také docílení co nejvyššího efektivního výkonu a účinnosti při zachování předchozích parametrů. S vývojem spalovacích motorů velice souvisí také vývoj zařízení pro měření parametrů spalovacích motorů, protože jsou tato zařízení nezbytně nutná k přesnému ověření a kontrole parametrů motoru. V současné době je obor zkoušení a testování spalovacích motorů díky velmi vysokým požadavkům na přesnost měření velmi rozsáhlým vědním oborem, který zasahuje do mnoha vědních disciplín, a jeho poznatky jsou uplatňovány především při vývoji motorů. Vysoké nároky uživatelů vozidel si vyžádaly implementaci elektronických systémů pro řízení jednotlivých funkčních celků motorových vozidel. Proto jsou současná vozidla vybavována neustále složitějšími a finančně náročnějšími elektronickými systémy. Tyto stále složitější a sofistikovanější elektronické systémy ve vozidlech vyžadují připojení jednotlivých řídících jednotek do sítě, jako je například CAN-BUS. Přenos informací mezi jednotlivými systémy snižuje celkový počet snímačů a zefektivňuje tak využití jednotlivých celků. 8

2 CÍL PRÁCE Cílem mé diplomové práce je zpracovat současný stav v oblasti zkoušení vozidlových motorů se zaměřením na možnosti získávání dat ze sítě vozidla. Dále připravit a provést měření parametrů motoru se snímáním dat ze sítě CAN-BUS. Z naměřených dat potom sestavit charakteristiky a následně vyhodnotit provedené zkoušky. Z výsledků pak vyvodit závěry pro provoz. 9

3 MĚŘENÍ PARAMETRŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ Na motorová vozidla a jejich jednotlivé části jsou kladeny požadavky spolehlivého, bezvadného, ekologického a ekonomického provozu. Zabezpečit tyto požadavky nelze pouze kvalitní výrobou a konstrukcí, ale je nutné o vozidlo a jeho zařízení patřičně pečovat a jejich funkci také pravidelně kontrolovat. Za hlavní parametry spalovacího motoru můžeme považovat: výkon, spotřebu paliva, emise. 3.1 Výkon spalovacích motorů Výkon, respektive točivý moment je základním a významným parametrem, který slouží k posuzování vlastností motoru a určuje jeho správný technický stav. Proto je také využíván jako souhrnný diagnostický signál. Výkon je skalární veličina, obecně definovaná jako množství práce vykonané za jednotku času. [34] (1) Výkon spalovacího motoru je ovlivňován velkým počtem faktorů, a to zejména vlastním konstrukčním řešením motoru, použitým palivem a vlastnostmi vzduchu, který se společně s palivem zúčastňuje spalovacího procesu. Kromě maximální hodnoty výkonu motoru je velmi důležitý i jeho průběh v závislosti na měnících se otáčkách. To samé platí i pro točivý moment. 3.1.1 Metody zjišťování výkonu vozidlového spalovacího motoru K měření výkonových parametrů spalovacích motorů se využívá velké množství metod. Každá metoda měření má různé požadavky na její provedení a s tím souvisí také rozdílná přesnost. [4] 10

Metody měření výkonu: a) měření výkonu pomocí motorové brzdy (dynamometru), b) měření výkonu na válcových zkušebnách, c) měření výkonu pomocí snímání spalovacího tlaku ve válcích, d) snímání točivého momentu na výstupu motoru, e) měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru, f) stanovení výkonu pomocí metody odpojování válců. Při měření výkonu motoru výkon přímo neměříme, ale měříme jiné veličiny, ze kterých výkon následně počítáme. [6] 3.1.1.1 Měření výkonu pomocí motorové brzdy (dynamometru) Motorová brzda je velice přesné zařízení, ale mezi její nevýhody patří skutečnost, že motor, který chceme měřit, musíme demontovat z vozidla (obr. 1). Následně ho musíme nechat při spuštění zahřát na provozní teplotu a po ukončení měření jej opět do automobilu namontovat. Z toho plyne časová, ale i finanční náročnost této metody. Obr. 1 Motorová zkušebna v testovacím centru motorů DAF [21] 11

Neměří se přímo výkon motoru, nýbrž točivý moment motoru, který se zde maří, a současně se snímají otáčky motoru. Snímání momentu bývá zpravidla založeno na výkyvně uloženém statoru, kde se většinou pomocí tenzometrických snímačů měří síla působící na příslušném rameni. Potom se dopočítává efektivní výkon motoru podle vztahu: [Nm] (2) [W] (3) Následně se ještě přepočítá na atmosférický tlak a teplotu 25 C. Tomuto přepočtu se říká tzv. korekce výsledných hodnot. Takto přepočtený výkon motoru udává výrobce automobilu jako základní hodnotu výkonu v technických údajích o vozidle. Vypočtený výkon je čistý výkon demontovaného motoru. [6] Zkušební stanoviště s ohledem na své vysoké pořizovací náklady, požadavky na čas a pracnost najde využití zejména při vývoji nových motorů, zkoušení při jejich výrobě a případně při homologačním měření. Pro běžnou servisní a opravárenskou praxi je tento způsob měření výkonových parametrů nevhodný. [4] 3.1.1.2 Měření výkonu na válcových zkušebnách Některé uvedené nedostatky metody měření na zkušebním stanovišti řeší měření spalovacího motoru ve vozidle na válcové zkušebně. Tato metoda měření dosahuje obdobných přesností měření jako předchozí metoda, ale bez nutnosti demontáže motoru z vozidla. K měření výkonu slouží válcový vozidlový dynamometr, jehož činnost lze zjednodušeně popsat následovně. Spalovací motor přenáší výkon na hnací kola vozidla, ta třením roztáčí zkušební válce dynamometru (z konstrukčního hlediska se může jednat o monoválcové či duoválcové výkonové zkušebny, viz obr. 2). K válci je připojeno zařízení (brzda/dynamometr), které klade otáčejícímu se kolu brzdný odpor a umožňuje 12

regulaci jeho velikosti. Tento brzdný moment vyvolává reakční moment stejné velikosti, ale s opačným smyslem, a jelikož válce jsou spojeny s rotorem brzdného zařízení a poháněny koly vozidla, přenáší se reakční moment přes stator na siloměrné zařízení - tenzometr. Pomocí obvodové hnací síly na kolech vozidla a při znalosti otáček, resp. rychlosti otáčení je možné vypočítat výkon. [4], [15] Obr. 2 Schéma monoválcové a duoválcové zkušebny [26] Tento vypočítaný výkon odpovídá výkonu na kolech. Pro zjištění efektivního výkonu motoru je třeba zjistit výkon ztrátový. Nejvýznamnější ztráty vznikají právě při přenosu energie z klikového hřídele na hnací kola a jsou závislé na účinnosti částí, jako je spojka, převodovka, kloubový hřídel, rozvodovka, koncové převody apod. Dalšími ztrátami jsou ztráty, které se týkají prokluzu a deformační práce pneumatiky. K tomu slouží tzv. doběhová zkouška, která tyto ztráty vyhodnotí. Na velikost ztrát má vliv spousta okolních proměnlivých vlivů. Je to například huštění pneumatik, způsob upnutí upínacích popruhů a také jejich stažení. [4], [22] Alternativou k měření na válcích je měření přímo z hnací nápravy (obr. 3), kterým se zabývá např. firma Rototest. Měření probíhá prakticky identickým způsobem jako u válcového způsobu s tím rozdílem, že energie je přenášena přímo z náboje hnací nápravy, jak je vidět na obrázku 3. Prvním testem je doběhová zkouška. Avšak u testu tohoto typu nám odpadají ztráty způsobené odporem pneumatik či upnutím automobilu. Velikosti ztrát zjištěných při doběhové zkoušce jsou u každého testovaného vozidla 13

konstantní. Tyto ztráty vznikají pouze v převodovém ústrojí a mechanizmu, který přenáší točivý moment na náboj automobilu, a proto je tato metoda přesnější. [23] Obr. 3 Zkušebna s dynamometry Rototest [23] 3.1.1.3 Měření výkonu pomocí snímání spalovacího tlaku ve válcích Jedná se o nejpřesnější metodu stanovení indikovaného výkonu motoru. V dnešní době existují systémy diagnostiky, které umožňují zaznamenávat tlak, ale i průběh spalovacího procesu, a to za provozu vozidlového spalovacího motoru. V současnosti existuje několik typů těchto systémů např. Kistler, AVL, Indimeter, apod. Jako senzory tlaku jsou používány různé druhy piezoelektrických snímačů (obr. 4), které mohou být chlazené. Společně s tlakem měříme úhel natočení klikového hřídele. Výkon určíme při znalosti tlaku, plochy pístu a otáček ze vztahu: [6], [18] [kw] (4) 14

Obr. 4 Piezoelektrické snímače tlaku [16] Průběh tlaku, resp. indikátorový diagram čtyřdobého motoru je znázorněn na obrázku 5. Obr. 5 Průběh tlaku ve spalovacím prostoru [16] Snímání průběhu tlaku v jednotlivých válcích se v současnosti realizuje ve vývoji pohonných jednotek a u velkých stacionárních motorů. Běžné využití v servisní činnosti a diagnostice vozidlových spalovacích motorů se zatím nenachází z důvodu finanční náročnosti na pořízení těchto diagnostických systémů. 15

3.1.1.4 Měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru Princip zjišťování výkonových parametrů spalovacích motorů akcelerační metodou je založen na měření úhlového zrychlení ε klikového hřídele, které je přímo úměrné točivému momentu M t. Při známém konstantním momentu setrvačnosti I všech s klikovým hřídelem zároveň pohybujících se hmot motoru, včetně neodpojitelného příslušenství. Točivý moment M t je zde roven součinu úhlového zrychlení ε a momentu setrvačnosti I rotujících hmot motoru: [31] [Nm] (5) [W] (6) Metody měření úhlového zrychlení nebo zpomalení: a) akcelerací nezatíženého motoru z volnoběžných otáček na maximální otáčky při plné dávce paliva a následné deceleraci při nulové dodávce paliva, při průběžném měření úhlového zrychlení a zpomalení klikového hřídele motoru, b) měření akcelerace a decelerace pouze ve vhodně zvoleném úzkém intervalu otáček klikového hřídele motoru. Při realizaci obou metod lze měřit úhlové zrychlení a zpomalení klikového hřídele při práci celého motoru, popř. při práci motoru s vypínáním jednotlivých válců. V prvém případě pak diagnostikujeme výkon motoru jako celku a v druhém případě diagnostikujeme výkon jednotlivých válců. [6], [25] Způsoby měření úhlového zrychlení nebo zpomalení: a) pomocí napěťového signálu tachodynama, kde je úhlová rychlost přímo úměrná výstupnímu napětí a úhlové zrychlení je přímo úměrné elektrickou cestou provedené derivaci napětí podle času, 16

b) bezkontaktním snímáním frekvence impulsů z rotujících částí motoru a jejich průběžném vyhodnocováni, metodou cyklů tzv. opakovaných akcelerací. Během každého akceleračního cyklu je při akceleraci měřeno úhlové zrychlení a při deceleraci úhlové zpomalení klikového hřídele a stanoveny jejich střední hodnoty. [6], [25] Ostatními metodami a zařízením pro měření výkonu se v této práci zabývat nebudeme. V současnosti se pro své výhody nejvíce využívají válcové zkušebny. Pro zkoušení traktorů je výhodné využít vývodového hřídele. Měření výkonu přes vývodový hřídel lze provést dle metodiky OECD, podle které byl měřen i zkoušený traktor, viz praktická část (kapitola 4). 3.1.2 Dynamometry Jak už bylo nastíněno v předešlých kapitolách, dynamometr (v praxi také brzda) je zařízení, které slouží k měření mechanického výkonu, který se neměří přímo, ale stanovuje se na základě veličin při rotačním pohybu (točivý moment, otáčky). Pro měření točivého momentu se používá většinou deformačních členů. Moment síly namáhá měřící člen, který převádí napětí na deformaci a výsledná hodnota je převedena na sílu, resp. moment. Měřící členy jsou v zásadě dvojího druhu: a) reakční moment je přenášen tenzometrem na rameno, které je spojeno s tělesem dynamometru. Tento způsob měření je běžnější z důvodu nižších pořizovacích nákladů. b) tenzometrickou přírubou měřicí člen je vložen mezi zkoušený motor a dynamometr. Tento způsob se vyznačuje vysokou přesností a umožňuje správné měření při dynamických změnách otáčivé rychlosti. Každý dynamometr lze zatěžovat jen v určitém pásmu, které nám určují charakteristiky dynamometru. Ty jsou rozdílné podle typu dynamometru. Maximální limity zatěžování dynamometru nám zobrazuje obalová křivka momentové a výkonové charakteristiky (obr. 6 a 7). [33] 17

Obr. 6 Momentová a výkonová charakteristika hydraulického dynamometru [33] Obr. 7 Momentová a výkonová charakteristika elektrického dynamometru [33] Při znalosti momentové a výkonové charakteristiky je pak možné zvolit optimální variantu dynamometru pro dané zkušební stanoviště. 3.1.2.1 Rozdělení dynamometrů Dynamometry vytváří stejnou výši momentu, jakou generuje spalovací motor, pouze má opačný smysl působení. Silové působení momentu dělí dynamometry na dva základní typy. Na dynamometry, které pouze brzdí, a ty které mohou i pohánět. Dále můžeme dynamometry rozdělit podle principu činnosti: [33] 18

1. Hydraulické (hydrokinetické): a) s konstantním plněním, b) s proměnným plněním, c) diskové. 2. Hydrostatické 3. Elektrické: a) stejnosměrné, b) asynchronní, c) synchronní, d) vířivé. 4. Třecí 5. Vzduchové 3.2 Spotřeba paliva spalovacích motorů Spotřeba paliva je důležitým ukazatelem hospodárnosti automobilu. Je zvykem udávat spotřebu paliva v litrech na 100 km jízdy. Pro určení spotřeby v těchto jednotkách se vychází z charakteristik motoru. [11] Spotřeba paliva není jen důležitým ukazatelem hospodárnosti provozu vozidla, ale zároveň také ukazatelem technického stavu vozidla. Spotřebu paliva lze zjišťovat při jízdních zkouškách nebo také v laboratorních podmínkách na válcových stanicích. [14] 3.2.1 Měrná spotřeba paliva Přestože podstatně důležitější hodnotou je tzv. měrná spotřeba paliva vyjadřující potřebné množství paliva na vykonanou práci motoru, v praxi se více uplatňuje spotřeba udávaná v litrech na 100 km, na hodinu atd. Měrná spotřeba paliva je hlavním parametrem spalovacích motorů z hlediska ekonomiky a ekologie provozu, kterou lze charakterizovat stejně jako u výkonu, jako souhrnný diagnostický signál spalovacích motorů. Ve své podstatě vyjadřuje účinnost motoru, která je nepřímo úměrná měrné spotřebě paliva. Aby bylo možné stanovit měrnou spotřebu paliva, je nutné, aby byly dostatečně přesně změřeny výkonové parametry a spotřeba paliva motoru. [2], [11], [24] 19

[g*kw -1 *h -1 ] (7) 3.2.2 Měření spotřeby paliva Existuje celá řada způsobů měření spotřeby paliva. Tyto metody se liší zejména přesností měření, časovou a finanční náročností. Lze ji zjišťovat při jízdních zkouškách nebo také v laboratorních podmínkách na válcových stanovištích přímo volumetricky, gravimetricky nebo nepřímo výpočtem z emisí při známém objemovém průtoku spalin. Tento způsob měření je používán při homologačním měření vozidel o hmotnosti do 3,5 t. [2] 3.2.2.1 Objemové (volumetrické) měření Při objemovém měření spotřeby měříme proteklé množství paliva do motoru za určitý čas. K objemovému měření slouží celá řada přístrojů a přípravků. Ty nejjednodušší fungují na principu různých odměrných válců a baněk, ale může se jednat i o velice přesné komplikované průtokoměry. Při objemovém měření se musí provádět tzv. korekce naměřených hodnot podle teploty paliva, protože vlastní měření bude na této teplotě závislé. 3.2.2.2 Hmotnostní (gravimetrické) měření Hmotnostní měření má oproti objemovému měření výhodu v tom, že se u naměřených hodnot nemusí zohledňovat teplota paliva. V případě potřeby lze přepočítat hmotnostní spotřebu na spotřebu objemovou, ale je nutné znát hustotu paliva při referenční teplotě. Nevýhodou hmotnostního měření je však jeho obtížnější realizovatelnost. Proto je vhodné je používat spíše pro laboratorní měření. Mezi často používané hmotnostní měření spotřeby patří měření pomocí hmotnostního Coriolisova průtokoměru. Základním prvkem Coriolisova průtokoměru je kmitající tzv. měřicí trubice, kterou protéká měřené médium. Při pohybu média trubicí dochází, v důsledku působení Coriolisovy síly, k asymetrické deformaci trubice, která je přímo úměrná velikosti hmotnostního průtoku média. Coriolisův průtokoměr (na obrázku 8 20

v základním provedení s několikrát zakřivenou měřicí trubicí) má jeden nebo dva budiče oscilací a dva snímače pohybu (ty jsou umístěny tak, aby snímaly pohyby trubice). Napájení budičů, které udržují oscilace trubice, obstarává a vyhodnocuje elektronický převodník. Naměřené hodnoty se ve vyhodnocovací jednotce zpravidla digitalizují a jejich další zpracování a úprava probíhá v digitálním tvaru v integrovaném mikroprocesoru. K velkým přednostem Coriolisových průtokoměrů patří zejména velká přesnost měření (až 0.1 %). [20] Obr. 8 Schema funkce Coriolisova průtokoměru [20] 3.2.2.3 Měření pomocí průtokoměrů Měření pomocí průtokoměrů je poměrně jednoduché, ale můžou nastat některé problémy. Tyto problémy souvisí především s jeho správným umístěním do palivové soustavy měřeného motoru a také s načítáním spotřeby paliva v průběhu dynamických režimů. Při připojení palivoměru do palivové soustavy nesmí být ovlivněny správné provozní parametry a musí být respektováno zpětné vrácení přebytečného paliva do nádrže. Za těchto podmínek lze zcela bezproblémově připojit palivoměr do starších soustav vznětových motorů s neproplachovaným vstřikovacím čerpadlem a zážehových motorů s karburátorem. Problém s proplachováním soustavy je třeba řešit tak, aby byly zachovány všechny funkce proplachování a současně nebyla měřená spotřeba proplachovacím množstvím zvětšena. K tomu slouží speciální diferenční průtokoměry, které měří rozdíl průtoků mezi přívodem paliva do motoru a přepadem zpět do nádrže. Celá palivová soustava se musí po zapojení průtokoměrů dokonale odvzdušnit. Pokud by v okruhu někde zůstaly zbytky vzduchových bublin, ukazoval by průtokoměr chybné 21

hodnoty. Stejná situace by nastala, pokud by se v systému ohřálo palivo na takovou teplotu, že by v něm začaly vznikat bubliny palivových par. V tomto případě je nutné zavést v systému chlazení paliva. Dynamický způsob měření spotřeby paliva klade na konstrukci palivoměru podstatně vyšší nároky, než je tomu u klasického statického zatěžování. Především se jedná o přesnost, jemné rozlišení a co nejnižší setrvačnost mechanických a hydraulických systémů použitého palivoměru. [2], [24] 3.2.2.4 Měření spotřeby paliva z emisí Velkou výhodou metody zjišťování spotřeby paliva ze spalin je to, že není třeba zasahovat do palivové soustavy motoru připojením externího měřícího zařízení. To je u moderních palivových soustav velmi obtížné a pracné a v některých případech i nemožné. Nevýhodou jsou však podstatně vyšší investice na celý měřící systém. V současnosti se metody měření spotřeby paliva z emisí využívá u homologačních zkušeben. Spotřeba paliva zde není měřena přímo, ale je přepočítávána z emisí oxidu uhelnatého CO, oxidu uhličitého CO 2 a nespálených uhlovodíků HC, které vznikají při spalování paliva. Princip metody spočívá v tom, že se měří spaliny při stálém průtoku ředícího vzduchu. Průtok ředícího vzduchu je několikanásobkem průtoku spalin a je téměř neměnný. Při tomto způsobu měření je nutné zajistit odsávání spalin velmi výkonným ventilátorem s konstantním průtokem zředěných plynů. Taková metoda je označována jako CVS (Constant Volume Sampling). Pro vznětový motor se z naměřených hodnot produkcí emisí vypočte spotřeba paliva dle vzorce: [2], [24] [l*100 km -1 ] (8) 3.3 Měření emisí spalovacích motorů Analýza spalin je významnou součástí experimentální etapy výzkumu, vývoje a provozního sledování vlastností spalovacích motorů. Samotná emise škodlivin je 22

velmi důležitým parametrem motoru. Splnění požadavků na hladinu emisí škodlivin je součástí schvalovacího řízení před uvedením zařízení do provozu nebo do sériové výroby a emisní vlastnosti jsou kontrolovány i během jeho provozu. [10] Analyzátory měření emisí Přístroje pro měření emisí jsou velmi přesné a musí být dodrženy přesné podmínky. Podmínky měření: motor zahřátý na provozní teplotu, těsnost výfukové soustavy, správná funkce zapalovací soustavy, správně nastavené volnoběžné otáčky, správná funkce palivové soustavy. [32] 3.3.1 Měření kouřivosti vznětového motoru Kouření vznětového motoru lze zjistit i pouhou vizuální kontrolou. Pro zjištění přesné hodnoty je nutné použít speciálních přístrojů. 3.3.1.1 Filtrační metoda Podstatou této metody je zachycení kouřových částic na filtrační papír. Určité množství výfukových plynů se prosaje přes filtrační papír určitou rychlostí. Vyhodnocení se provádí opticky porovnáním testovaného papíru s novým papírem. Tato metoda není vhodná pro dynamické měření. Jedná se o zastaralou, dnes již už nepoužívanou metodu. [28] 3.3.1.2 Hmotnostní měření koncentrace částic Jedná se o metodu založenou na principu rozdílu hmotností měřeného elementu. Nejprve se musí změřit hmotnost měřeného elementu před samotným měřením, a po měření zvážíme element znovu. Hmotnostní koncentraci částic u měřeného elementu můžeme vypočítat vztahem: [28] 23

[kg*m -3 ] (9) 3.3.1.3 Opacimetrie Pomocí opacimetru se měří pohltivost světla při průchodu výfukovými plyny na principu Behr-Lambertova zákona. V praxi je to nejčastěji používaná metoda. Výfukovým potrubím se přivedou výfukové plyny do měřící komory (trubice). Na jedné straně komory je fototranzistor, na druhé straně je zdroj světla. Plyny prochází komorou a pohlcují část světla dopadajícího přes vyhřívaná skleněná okénka na fototranzistor. Vestavěné čerpadlo nasává neustále konstantní množství výfukových plynů. Tím je zajištěna necitlivost měření na kolísání tlaku ve výfukových plynech. Je-li v komoře čistý vzduch, světlo není pohlceno a hodnota opacity je N = 0 %. Při plném pohlcení je N = 100 %. Hodnota opacity se přepočítává na součinitel absorpce. Schéma opacimetru je znázorněno na obrázku 9. [28], [30] ( ) [m -1 ] (10) Obr. 9 Schéma opacimetru [30] 24

3.3.2 Měření koncentrace plynných složek 3.3.2.1 Měření založené na principu absorpce infračerveného záření Průchodem elektromagnetického záření vrstvou plynu je část procházející energie pohlcena. Pro zjištění přítomnosti určitého plynu v analyzované směsi se využívá skutečnosti, že závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce záření je individuální vlastností plynů, které obsahují v molekule alespoň dva různé atomy. Infraanalyzátor je nejjednodušší a také nejlevnější analyzátor s vlastnostmi, které lze využít k výzkumu a vývoji. Tyto přístroje jsou v dnešní době používány jako vícesložkové, kdy se v jednom optickém zařízení měří koncentrace více složek najednou (oxid uhelnatý CO, oxid uhličitý CO 2 a nespálené uhlovodíky HC). Analyzátor je však schopný analyzovat z celého spektra HC pouze část, proto tato metoda není vhodná pro měření celkových koncentrací HC. Měření je závislé na teplotě, při nízké teplotě kondenzují HC v hadicích a filtrech dříve než se dostanou do analyzátoru. Ten pak ukazuje nižší, nepřesné hodnoty. Touto metodou také nemůžeme měřit uhlovodíky ve vznětových motorech, protože patří do spektra uhlovodíku vyšších řádů. [28] Obr. 10 Schéma měření založeného na principu absorpce infračerveného záření [29] 3.3.2.2 Měření založené na principu absorpce ultrafialového záření Patří také do skupiny optických analyzátorů. Jako zářiče je zde využíváno plynových výbojek s dutou katodou. Ultrafialové záření prochází měřící kyvetou, kde dochází k pohlcení určité části záření pomocí absorpčně aktivních složek přítomných ve výfukových plynech, jimiž je kyveta kontinuálně proplachována. Referenční paprsek je veden přímo na korekční detektor. V elektronických obvodech se generuje napětí, které 25

je lineární funkcí koncentrace sledované složky plynu. Tento typ přístroje se užívá především na určování koncentrace oxidů dusíku ve výfukových plynech. Životnost přístroje je omezena plynovou náplní výbojky, která se za provozu spotřebovává. [28] Obr. 11 Schéma měření založeného na principu absorpce ultrafialového záření [28] 3.3.2.3 Měření s využitím chemické luminiscence Chemická luminiscence je emise specifických energetických kvant, které provázejí některé chemické procesy. V analýze výfukových plynů se tato metoda používá především pro stanovení koncentrace oxidů dusíku. Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také ozón, který je vyráběn v přístroji. Z oxidů dusíku je vstupní látkou pouze NO. Pro zjištění celkových emisí NO x se přepnou elektromagnetické ventily tak, aby vzorek procházel vyhřívaným katalytickým reaktorem, ve kterém dochází k redukci oxidu dusičitého na oxid dusnatý. Koncentrace NO 2 se zjistí rozdílem předchozích dvou hodnot. [28] 26

Obr. 12 Schéma měření s využitím chemické luminiscence [28] 3.3.2.4 Měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene Po připojení elektrického potenciálu na vodíko-vzduchový plamen vzniká velmi malý proud iontů. Po přivedení organicky vázaného uhlíku do zóny hoření narůstá proud iontů úměrně s množstvím uhlovodíků. Vodíkový plamen se zapaluje po spuštění přístroje žhavící svíčkou. Aby se podle koncentrace kyslíku ve vzorku neměnil příliš tvar plamene, smísí se část vzduchu s vodíkem před vstupem do hořáku. Tlak vodíku se reguluje v závislosti na tlaku spalovacího vzduchu, aby se zajistil trvalý přiměřený směšovací poměr. Proud iontů se snímá dvojicí elektrod, z nichž jedna bývá obvykle tvořena samotným tělesem hořáku. Druhá je umístěna na plamenu a má tvar šroubovice s proměnlivým průměrem, nebo se může jednat jen o jednoduchý rovný drát. [28] Obr. 13 Schéma měření založeného na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene [28] 27

3.3.2.5 Analyzátory pracující na principu měření magnetických vlastností Paramagnetické látky mají vysokou permeabilitu (vyjadřuje vliv určitého materiálu nebo prostředí na výsledné účinky působícího magnetického pole) a jsou vtahovány do magnetického pole. Na principu měření magnetických vlastností se stanovuje koncentrace kyslíku, protože z plynů má nejvyšší permeabilitu právě kyslík. Důležitou součástí je permanentní magnet nebo elektromagnet, jehož pole přitahuje molekuly kyslíku. Kyslík, který je vtažený do magnetického pole z levé větve prstence ztrácí při zvýšení teploty magnetismus a je vytlačován přísunem studeného kyslíku. Strháváním okolních nemagnetických molekul vzniká stabilní průtok příčným kanálem. Levé vinutí se chladí stálým ofukováním studeným proudem vzorku. Ochlazování pravého vinutí není tak intenzivní, protože magnetický vítr je již zahřátý. Rozdíl teplot vinutí je úměrný koncentraci kyslíku ve vzorku. [27], [28] Obr. 14 Schéma analyzátoru pracujícího na principu měření magnetických vlastností [28] 28

4 PŘÍSTUP K ÚDAJŮM ŘÍDÍCÍ JEDNOTKY Možností, jak zjistit údaje řídících jednotek je celá řada. Nejčastěji využívané přístupy k parametrům řídících jednotek jsou realizovány pomocí sériové a paralelní diagnostiky. sériová (vnitřní) diagnostika prostřednictvím palubní diagnostiky (OBD I, OBD II, EOBD) jsou kontrolovány jednotlivé soustavy vozidla, paralelní (vnější) diagnostika zabývá se zejména diagnostikou akčních členů (pomocí osciloskopu atd.). [3] 4.1 Sériová diagnostika Sériovou diagnostikou rozumíme napojení přístroje (testeru) k řídící jednotce pomocí konektoru (většinou dle normy OBD II) umístěného nejčastěji v interiéru vozidla. Sériová diagnostika (na rozdíl od paralelní diagnostiky) umožňuje: přečíst paměť závad, vymazat ji. reset do továrního nastavení nastavovat některé hodnoty např. otáčky volnoběhu provádět test akčních členů a další. [12], [17] 4.2 Paralelní diagnostika Paralelní diagnostika je v podstatě přímé čtení hodnot z jednotlivých čidel a komponentů motoru. Ke čtení postačí většinou multimetr, případně osciloskop, ale existují i speciální testery. Základní metody měření paralelní diagnostiky: měření napětí/proudu pomocí voltmetru/ampérmetru, měření odporu snímačů a aktuátorů pomocí ohmmetru, měření průběhu napětí/proudu pomocí osciloskopu, zkouška úplné funkce akčního členu elektricky i mechanicky. [12], [17] 29

Systémem paralelní diagnostiky lze získat např. data ze sběrnice CAN. Data můžeme číst a zaznamenávat pomocí osciloskopu, který připojíme k datovým vodičům sběrnice. Abychom nemuseli hledat vedení sběrnice v kabelovém svazku a vyhnuli se tak demontáži krytů nebo čalounění, můžeme se jednoduše připojit ke sběrnici přes diagnostickou zásuvku, kde sběrnici CAN náleží 2 piny (obr. 15). Obr. 15 Piny sítě CAN v diagnostické zásuvce [9] 4.3 Přenos informací ve vozidlech Informace jsou neseny signálem, především elektrickým, který jako přenosové médium využívá vodičů. Zatímco v padesátých letech minulého století se celková délka vodičů dala měřit v desítkách metrů, v dnešních automobilech jsou to řádově kilometry. Aby každá z řídících jednotek mohla získat informace od ostatních, je nutné tyto jednotky vzájemně propojit. To znamená, že musíme ve vozidle použít obrovské množství vodičů, které výrobcům způsobují nemalé problémy. Je to zejména cena vodičů, hmotnost kabeláže, velké množství spojových míst a z nich pramenící možnost vzniku přechodových odporů atp. Jednotky musely mezi sebou komunikovat principem každý s každým. Jediným řešením byl tak přechod na některou z komunikačních sítí vhodnou pro vozidla. Jednotky tak vysílají informace o svém stavu na sběrnici a současně si z ní čtou potřebné informace od ostatních. [7], [13] 30

Obr. 16 Komunikace mezi jednotkami [19] Obecně jsou preferovány sítě s vysokou rychlostí a spolehlivostí přenosu. Je třeba, aby byly odolné rušení, zachovávaly si přenosové vlastnosti i na delší vzdálenosti, mimo velkého množství informací v čase měly i malé zpoždění. Fyzicky by měly být jednoduše instalovatelné vhodná topologie, nízký počet vodičů, jednoduché 31

a spolehlivé konektorové spoje. Většina současných sítí je založena na typu sériové sběrnice. Za těmito požadavky na komunikační sítě vozidel vzniklo několik standardizovaných přenosových sítí, např.: CAN BUS, LIN, MOST, FlexRay. [7] 4.4 Síť CAN BUS Toto označení znamená Controller Area Network Bus, což značí topologii sběrnice (základní a nejjednodušší typ počítačové sítě). Ta je specifická v přístupu uzlů na síť, která je tvořená společným vodičem (vodiči). Síť umožňuje vysílat pouze jednomu uzlu v daném čase. Signál zaniká na konci sítě a je většinou ukončen kvůli echu tzv. terminátory (rezistory o impedanci 120 Ω). Pokud je přerušen přístup uzlu do sítě, je sběrnice funkční. Ovšem je-li poškozené vedení sběrnice, je potom komunikace nemožná. Sběrnice CAN v dnešní době dominuje komunikačním sítím ve všech kategoriích vozidel. V různých podobách ji lze nalézt v každém moderním vozidle. [7] Obr. 17 Uspořádání sítě CAN-BUS [1] 32

Z elektrického hlediska je tato sběrnice tvořena dvěma vodiči CAN_H a CAN_L (high a low). Maximální délka vedení je závislá na rychlosti sběrnice a může činit u rychlého provedení 30 metrů nebo u pomalého provedení 1000 metrů. Jednotlivá koncová zařízení je možné k vedení připojit kamkoli. S rostoucím počtem elektronických zařízení ve vozidle vzrůstá i zatížení této sběrnice. Můžeme se tak ve vozidlech setkat i s několika sběrnicemi typu CAN. Většinou jsou tyto sběrnice označovány jako: motorový CAN-BUS motor, přístrojová deska, převodovka, ASR, ESP, imobilizér atd., komfortní CAN-BUS osvětlení, stěrače, centrální zamykání, alarm, větrání, vytápění, stahování oken atd. Jednotlivé okruhy jsou pak mezi sebou navzájem propojené zařízením (tzv. bridge), které zabezpečuje přenos z jedné sběrnice do druhé. Komunikační protokol sběrnice je dán normou SAE J1939, avšak tuto normu dodržují pouze výrobci traktorů, autobusů a nákladních automobilů. Výrobci osobních automobilů si komunikační protokol často upravují podle svých potřeb. 4.4.1 Přenos informací po síti CAN-BUS [8], [9] Sběrnice je koncipována bez centrálního bodu, který by jinak komunikaci řídil. Všechny uzly jsou rovnocenné a sběrnice tak funguje jako multimaster. Proto musí být nějakým způsobem rozhodnuto, která informace je prioritní. CAN využívá způsob přiřazení priority vlastnímu rámci, ve kterém je pak obsažena zpráva a v ní jednotlivé kanály (obr. 18). Obr. 18 Struktura datové zprávy [1] 33

Rámec vyslaný jedním uzlem je přijímán všemi uzly. Ale jen některé uzly tento rámec pro svou činnost potřebují. Zahájení vysílání kteréhokoliv uzlu je možné, pouze je-li sběrnice volná. Definice sběrnice v linkové vrstvě zamezuje tomu, aby jednotlivé uzly vysílaly přes sebe. Může nastat případ, kdy například chtějí vyslat zprávu tři jednotky. Potom dochází k tzv. arbitráži, kde je vždy nalezeno řešení. [7] 4.4.2 Analýza a sběr dat ze sítě CAN Jak už bylo naznačeno dříve (kapitola 3.2 Paralelní diagnostika), musíme se nějakým způsobem připojit do sítě CAN. Můžeme také využít nestandardizovaných diagnostických zásuvek (tvar a zapojení se liší podle výrobce), kde lze také nalézt připojovací místa ke CAN-BUS. Po nalezení správného vedení je možné se do sítě připojit komunikačním převodníkem. Jeho prací je odposlechnout data a předat nám je ve srozumitelné podobě. [7] Poté co jsou data odposlechnuta se na základě porovnání dle SAE J1939 stanoví dostupné zprávy. Dále jsou vybrány kanály, které datové zprávy obsahují. Mezi nejčastěji sledované parametry patří: otáčky motoru, průtok paliva, teplota paliva, teplota plnícího vzduchu, teplota chladiva, barometrický tlak, plnící tlak, tlak motorového oleje, aktuální točivý moment, zatížení motoru, požadované otáčky, poloha regulačního členu výkonu, otáčky ventilátoru chlazení, napětí palubní sítě atd. [5] 34

5 MATERIÁL A METODIKA 5.1 Metodika měření a vyhodnocení Zkoušky motoru byly realizovány v laboratoři Ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně. Cílem měření bylo stanovit základní parametry motoru a ověřit možnosti využití signálů ze sítě CAN Bus traktoru pro stanovení výkonu a zatížení motoru. Zkoušky probíhaly ve zkušebně traktorů, kde byly měřeny parametry motoru, který byl zatěžován vířivým dynamometrem přes vývodový hřídel, viz obrázek 19. Otáčky vývodového hřídele byly při všech zkouškách nastaveny na 1000 min -1. Při měření točivého momentu a otáček vývodového hřídele byla současně měřena také hodinová spotřeba paliva, teplota nasávaného vzduchu, teplota plnícího vzduchu za turbodmychadlem, teplota za mezichladičem, tlak plnícího vzduchu za turbodmychadlem, teplota mazacího oleje, teplota chladící kapaliny a teplota výfukových plynů. Současně s daty ze snímačů zkušebny (externí snímače), byly snímány údaje z datové sběrnice traktoru CAN Bus (interní snímače). Sběrnice CAN zkoušeného traktoru je plně kompatibilní se standardem SAE J1939. Komunikační rychlost sběrnice je 250 kbps, měřené údaje byly snímány s frekvencí 18 Hz a ukládány do paměti měřícího počítače. Ze sběrnice CAN se snímalo především aktuální točivý moment, zatížení motoru, otáčky motoru, teploty provozních kapalin, hodinová spotřeba paliva a další hodnoty. Tyto hodnoty se ukládaly k dalšímu zpracování. V průběhu zkoušek se měřily také atmosférické podmínky, teplota, tlak a relativní vlhkost vzduchu v laboratoři. Při všech realizovaných zkouškách byly dodrženy všeobecné požadavky a ustanovení o dovolených mezních úchylkách dané normou ČSN ISO 789-1. Zkoušky byly prováděny na traktoru Claas Axion 850 Cebis, jehož základní údaje udávané výrobcem jsou uvedeny v následující tabulce. 35

Tab. 1 Základní parametry traktoru Claas Axion 850 Cebis Parametr maximální výkon maximální výkon s navýšením otáčky motoru při P max maximální točivý moment otáčky motoru při Mt max počet válců objem motoru chlazení motoru přeplňování vstřikovací systém Hodnota Jednotky 169 [kw] 193 [kw] 2 000 [min -1 ] 1 020 [Nm] 1 500 [min -1 ] 6 [ - ] 6 788 [cm 3 ] kapalinové turbodmychadlo s regulací Common Rail Obr. 19 Zkoušení traktoru Claas Axion 850 Cebis 5.1.1 Měřící technika Točivý moment K měření točivého momentu motoru byl použit vířivý dynamometr V 500 připojený k zadnímu vývodovému hřídeli traktoru přes kloubový hřídel. Regulaci dynamometru a snímání naměřených údajů zajišťuje řídící počítač vozidlové zkušebny a server dat. 36

Podle zvoleného programu pro řízení zkoušky a nastavených parametrů měření je možno průběh zkoušky automatizovat. Tab. 2 Technické údaje dynamometru V 500 Parametr otáčky výkon točivý moment chlazení zatížení výrobce Jednotky Hodnota [min -1 ] 150 1 500 3 000 [kw] 4 500 500 [Nm] 254 3 184 1 592 vodní trvalé VÚES Brno Otáčky Otáčky dynamometru jsou měřeny pulzním snímačem LUN 1326.02-8, který je součástí dynamometru. Signál ze snímače je po úpravě tvarovacím obvodem přiveden do měřícího počítače zkušebny. Spotřeba paliva Měření spotřeby paliva probíhalo pomocí dvou hmotnostních průtokoměrů Coriolis Sitrans FC MassFlo Mass 6000 v diferenciálním zapojení. Toto zapojení respektuje zpětné vrácení přebytečného paliva do nádrže a neovlivňuje tak palivový systém při měření. Coriolisovy průtokoměry jsou zobrazeny na obrázku 20. Obr. 20 Průtokoměry Coriolis Sitrans FC MassFlo Mass 6000 37

Teplota, tlak Teploty provozních tekutin byly měřeny snímači s termočlánky NiCr-Ni, tlak vzduchu za turbodmychadlem tenzometrickým snímačem a barometrický tlak pomocí piezoresistivního snímače. Jak už bylo výše řečeno, kromě měření jednotlivých hodnot pomocí snímačů zkušebny byly odečítány hodnoty ze snímačů vozidla prostřednictvím digitální komunikační sběrnice CAN-Bus připojené k měřícímu počítači. K odečítání údajů ze sítě traktoru byl použit program speciálně vyvinutý pro potřeby zkoušek na Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelu Brno. 5.1.2 Měření jmenovité otáčkové charakteristiky Motor byl zatěžován od nejnižších otáček až po maximální otáčky při nastavené maximální dávce paliva. Měření jmenovité otáčkové charakteristiky bylo provedeno v 18 bodech, ve kterých byly zachyceny hodnoty točivého momentu a otáček motoru. Před zaznamenáním každého bodu se vyčkalo na ustálení hodnot. Po naměření hodnot byly vypočteny průměry jednotlivých měření a uloženy na server zkušebny. Tyto hodnoty byly následně převedeny do programu MS Excel, ve kterém probíhalo i vyhodnocení výsledků. 5.1.3 Měření úplné charakteristiky Pro zjištění přesnosti údajů ze sítě CAN traktoru bylo provedeno měření úplné charakteristiky motoru. Při tomto měření jsme zjišťovali parametry motoru při jeho různých režimech tak, že měřené body pokrývají rovnoměrně celou plochu otáčkové charakteristiky. Úplná charakteristika se tedy nezjišťuje přímým měřením, jako charakteristika jmenovitá, ale sestrojuje se ze soustavy otáčkových charakteristik naměřených při různém zatížení motoru a dodávkách paliva. Pro sestrojení grafu úplné charakteristiky motoru sledovaného traktoru bylo provedeno měření jmenovité a jedenácti částečných charakteristik motoru při snížené dodávce paliva. Pro výpočet okamžitého výkonu motoru a pro porovnání se skutečnými hodnotami se z provedených měření jeví jako nejvhodnější hodnoty aktuálních momentů motoru ze sítě CAN, které jsou udávané v procentech. Proto byla pro stanovení přesnosti těchto údajů sestavena úplná charakteristika aktuálních momentů. Pro stanovení stejných 38

aktuálních momentů (měrných spotřeb, zatížení) na regulátorových větvích částečných charakteristik byla použita polynomická interpolace. Hodnoty točivého momentu naměřené exaktně dynamometrem a hodnoty aktuálního momentu ze sítě CAN byly metodou nejmenších čtverců proloženy polynomem. Stupeň polynomu byl volen tak, aby hodnota indexu determinace byla co nejvyšší a dosáhlo se co nejtěsnější závislosti hodnocené indexem korelace. Výsledná křivka pak reprezentuje nejpřesněji naměřené hodnoty. Z polynomu byl pro požadovanou hodnotu aktuálního momentu (měrné spotřeby, zatížení) vypočten příslušný točivý moment motoru. Obdobně byla pro regulátorovou větev vypočtena rovnice lineární závislosti točivého momentu na otáčkách motoru. Dosazením dříve vypočítaného točivého momentu do rovnice přímky v otáčkové charakteristice jsme získali otáčky, při kterých byl dosažen požadovaný aktuální točivý moment (měrná spotřeba, zatížení). Proložením vypočítaných hodnot na všech regulátorových větvích v otáčkové charakteristice, získáme izočáru stejného aktuálního momentu motoru, resp. izočáru stejné měrné spotřeby nebo zatížení. Stejně se postupuje při vynášení izočar dalších aktuálních momentů, měrných spotřeb a zatížení. Tímto způsobem byly výsledky vyhodnoceny taktéž v prostředí MS Excel. 5.2 Vyhodnocení výsledků měření 5.2.1 Jmenovitá otáčková charakteristika Jmenovitá otáčková charakteristika je znázornění závislosti točivého momentu a dalších provozních veličin na jeho otáčkách. Měření jmenovité otáčkové charakteristiky bylo provedeno bez navýšení výkonu motoru v rozsahu 1000-2350 min -1. Všechny naměřené body jmenovité otáčkové charakteristiky jsou uvedeny v následující tabulce. 39

Tab. 3 Výsledky měření jmenovité otáčkové charakteristiky otáčky motoru točivý moment výkon motoru měrná spotřeba paliva [min -1 ] [Nm] [kw] [g*kw -1 *h -1 ] 2350,142 11,395 4,854 892,768 2320,302 239,262 58,136 334,929 2280,256 509,917 121,762 281,766 2242,549 648,319 152,251 268,422 2202,289 651,700 150,297 267,121 2126,655 709,679 158,048 264,009 2029,927 781,218 166,066 262,737 1932,148 828,368 167,607 261,518 1835,240 852,251 163,791 260,183 1739,556 872,615 158,961 259,294 1643,173 892,322 153,544 256,720 1547,099 900,877 145,953 253,593 1451,851 914,525 139,042 250,065 1401,615 924,088 135,635 241,584 1354,228 925,263 131,216 236,068 1256,536 899,886 118,411 234,765 1161,649 868,054 105,597 236,612 1064,050 828,560 92,324 243,648 1006,378 796,065 83,895 253,510 Při měření jmenovité otáčkové charakteristiky bez navýšení výkonu motoru byl naměřen nejvyšší točivý moment 925,3 Nm při 1354 min -1. V tomto bodě činí výkon hodnotu 131,2 kw a měrná spotřeba paliva je 236,1 g*kw -1 *h -1. Nejvyššího výkonu 167,6 kw dosahoval motor při otáčkách 1932 min -1, točivém momentu 828,4 Nm a měrné spotřebě paliva 261,5 g*kw -1 *h -1. Nejnižší měrná spotřeba paliva byla naměřena v oblasti nejvyššího točivého momentu, její hodnota činí 234,8 g*kw -1 *h -1. Výkon při nejnižší naměřené měrné spotřebě paliva je 118,4 kw. Průběhy jednotlivých parametrů jsou vykresleny v následujícím grafu. 40

Obr. 21 Jmenovitá otáčková charakteristika 5.2.2 Úplná otáčková charakteristika Na komplexní posuzování motoru z hlediska točivého momentu, výkonu, spotřeby paliva a jiných parametrů nám nestačí pouze jmenovitá otáčková charakteristika, ale využívá se úplných otáčkových charakteristik, které se sestrojují ze soustavy otáčkových nebo zatěžovacích charakteristik. 5.2.2.1 Úplná otáčková charakteristika měrných spotřeb Aby bylo možné přiřadit datům z CAN konkrétní hodnoty točivého momentu motoru, musela být sestavena ze získaných naměřených údajů úplná charakteristika měrných spotřeb. 41

Při hodnocení úplné otáčkové charakteristiky vytvořené z průběhu měrných spotřeb (viz obr. 22) vycházíme z provozních vlastností motoru, takže se v podstatě snažíme dosáhnout co nejvyšší hodnoty výkonu při zachování co nejnižší spotřeby paliva. Díky úplné charakteristice tak můžeme zvolit pracovní režim motoru, a tím optimálně využít jeho výkon při minimální spotřebě paliva. Například motor může pracovat s výkonem 140 kw jak při 2250 min -1, tak při 1500 min -1. Z průběhu izočar měrné spotřeby je zřejmé, že v prvním případě motor pracoval v neekonomickém režimu a stejného výkonu lze dosáhnout i při nižších otáčkách, a tím i s nižší měrnou spotřebou. 5.2.2.2Úplná otáčková charakteristika aktuálních momentů V úplné charakteristice aktuálního točivého momentu motoru jsou izočárami vyznačeny průběhy konstantních aktuálních momentů motoru získané ze sítě CAN. Z grafu na obrázku 23 je zřejmé, že údaje ze sítě nejsou v souladu s dostatečnou přesností s hodnotami naměřenými pomocí dynamometru. Největší naměřené odchylky byly při nízkých procentech aktuálního točivého momentu. Například pro aktuální točivý moment 20 % při otáčkách 1400 min -1 by uvedený aktuální točivý moment měl odpovídat skutečně naměřenému momentu 185 Nm. Ve skutečnosti je to ale pouze 95 Nm, což je odchylka 48,6 % od požadované hodnoty. Při otáčkách 1800 min -1 a stejném aktuálním točivém momentu je odchylka již 69,8 %. Pro aktuální točivý moment 50 % je odchylka 23,9 % při otáčkách 1400 min -1 a 26,5 % při otáčkách 1800 min -1. Z uvedeného je zřejmé, že směrem k vyšším otáčkám chyba údajů ze sítě CAN roste a ve směru k vyšším zatížením zase chyba klesá. U měřeného traktoru byly také při plném zatížení na zatěžovací větvi charakteristiky naměřeny hodnoty vyšší jak 100%. 5.2.2.3Úplná otáčková charakteristika zatížení Obdobně jako u úplné otáčkové charakteristiky aktuálních točivých momentů jsou izočárami vyznačeny průběhy konstantních zatížení motoru získané ze sítě CAN. Z grafu na obrázku 24 opět plyne, že tyto údaje z CAN nejsou dostatečně přesné. Odchylky jsou však menší, než tomu bylo u aktuálních točivých momentů. Pro zatížení 20 % při otáčkách 1400 min -1 byla odchylka 8,1 % a při otáčkách 1800 min -1 a stejném zatížení 24,4 %. Pro zatížení 50 % byla odchylka 6,4 % při 1400 min -1 a 11,2 % při otáčkách 1800 min -1. Opět tedy směrem k vyšším otáčkám chyba údajů ze sítě CAN roste a ve směru k vyšším zatížením zase chyba klesá. 42

Obr. 22 Úplná otáčková charakteristika měrných spotřeb 43

Obr. 23 Úplná otáčková charakteristika aktuálních momentů 44

Obr. 24 Úplná otáčková charakteristika zatížení motoru 45

5.2.3 Spotřeba paliva Spotřeba paliva je v síti CAN uváděna v jednotkách l*h-1 a pohybovala se v intervalu od cca 3 do 50 l*h -1, přičemž bylo zjištěno, že hodnota spotřeby ze sítě CAN (Mph CAN) a z externích snímačů v laboratoři je zatížena určitou chybou. Pomocí dvou diferenciálně zapojených Coriolisových průtokoměrů jsme v laboratoři měřili spotřebu v kg*h -1 (Mph Cor). Z vynesené závislosti hmotnostní spotřeby na spotřebě získané z CAN je patrná odchylka dat (viz obr. 25). Odchylka se projevila při nižších spotřebách cca do 21,5 l*h -1. Obr. 25 Závislost hmotnostní spotřeby paliva na spotřebě objemové ze sítě CAN Tato odchylka je lépe znatelná po následném rozboru naměřených dat, kde byl vypočten poměr hmotnostní a objemové spotřeby paliva (viz obr. 26). Uvedený poměr vyjadřuje měrnou hmotnost, která je při minimálním kolísání teploty konstantní. Z vyneseného poměru spotřeb do grafu na obrázku 26 je zřejmé, že pro spotřeby paliva nižší jak 21,5 l*h -1 dochází k nárůstu odchylky. To znamená, že tyto údaje o spotřebě ze sítě CAN jsou zatíženy vysokou chybou a nelze je použít pro stanovení parametrů motoru. Uvedené spotřeby jsou ale dosahovány pouze v oblasti nízkých výkonů motoru, a proto se při práci traktoru (velkém zatížení) tolik nevyskytují. 46

Obr. 26 Závislost poměru spotřeb paliva na objemové spotřebě ze sítě CAN Pokud se v provozu uvedené hodnoty vyskytnou, je možné je snadno odfiltrovat. Z grafu je tedy patrné, že pro vyšší spotřeby lze hodnoty o spotřebě ze sítě bez problému využít. Po odstranění spotřeb nižších jak 21,5 l*h -1, byla vypočtena regresní funkce závislosti hmotnostní spotřeby na spotřebě odečtené ze sítě CAN-BUS traktoru. Regresní rovnice je zobrazena v grafu na obr. 27 společně s koeficientem determinace, který vykazuje velkou těsnost vypočtené závislosti. Obr. 27 Závislost hmotnostní spotřeby paliva na spotřebě objemové ze sítě CAN (od 21,5 l*h -1 ) 47