Možnosti uplatnění dynamických měření při diagnostice motorových vozidel

Česká zemědělská univerzita v Praze Technická fakulta Možnosti uplatnění dynamických měření při diagnostice motorových vozidel Disertační práce Doktorand: Ing. Martin Pexa Školitel: Prof. Ing. Ladislav Pejša, DrSc. Katedra: Jakosti a spolehlivosti strojů Praha 2005 1

Poděkování: Na tomto místě si autor dovoluje poděkovat svému školiteli Prof. Ing. Ladislavu Pejšovi, DrSc. za odborné vedení v celém průběhu doktorského studia a za cenné rady a věcné připomínky při řešení problémů v průběhu vypracování doktorské disertační práce. Poděkování za odborné připomínky, komentáře a poskytnutou literaturu patří také Doc. Ing. Boleslavu Kadlečkovi, CSc., Prof. Ing. Josefu Poštovi, CSc. a celému kolektivu katedry Jakosti a spolehlivosti strojů a katedry Vozidel a pozemní dopravy. 2

Abstrakt Disertační práce se zabývá problematikou diagnostiky mobilních strojů se spalovacími motory a vlivem jejich technického stavu na provozní parametry. V rámci zpracování byly sestaveny výpočetní programy, které na základě dynamického měření umožňují simulovat provozní zatížení strojů. Volené zatížení může být v souladu s příslušnými homologačními předpisy pro městský a mimoměstský cyklus, 13-bodový cyklus, kontrolu brzdného účinku a pro tahové charakteristiky. Pro konkrétní motorové vozidlo nebo mobilní stroj jsou naměřeny a vypočteny aktuální hodnoty spotřeby paliva a brzdné dráhy a řidiči je doporučován způsob řazení s ohledem na dosažení co nejnižší spotřeby paliva. Podrobněji je tato práce zaměřena na tvorbu tahové charakteristiky a simulovaný provoz traktoru na modelovaném poli, zabývá se vyhodnocováním spotřeby paliva a předpokládá, že vyhodnocování emisí výfukových plynů bude řešitelné obdobně. Dynamický způsob měření navržený v disertaci poskytuje obdobně přesné výsledky jako při homologačních měřeních a tudíž umožňuje provádět servisní úkony na strojích s úsporou nákladů a pracnosti. Na identifikované problémy systém upozorní a navrhne jejich řešení. Klíčová slova: dynamické a kvazistatické měření, městský a mimoměstský cyklus, tahová charakteristika, modelování polní práce, spotřeba paliva Abstract The thesis deals with mobile machine diagnostics problems with combustion engines and with the influence of their technical conditions on operation parameters. In terms of processing, computer programs which enable to simulate the operational load of machines on basis of dynamic measuring were made. Selected load can conform to relevant homologation regulations for urban and extraurban cycle, 13-punctual cycle, brake effect check and for tractive characteristics. Actual values of fuel consumption and of braking trajectory are measured and calculated for concrete motor vehicle or mobile machine and shift mode is recommended to driver with reference to the lowest fuel consumption achievement. This thesis is aimed on tractive characteristics processing and simulated tractor running on proposed field in detail, it deals with fuel consumption analyse and it assumes the exhaust emissions analyse to be solvable accordingly. Dynamic way of measuring proposed in the thesis provides accordingly accurate results like homologation measuring and therefore it allows to carry on service operation on machines with saving of cost and time. The method will advise of problems identified in the thesis and suggest their solutions. Keywords: dynamic and quasistatic measuring, urban and extraurban driving cycle, tension characteristic, agricultural labour simulation, fuel consumption 3

Obsah Úvod 1 1. Přehled současného stavu problematiky hodnocení motorových vozidel. 4 1.1 Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů. 4 1.1.1 Metody měření výkonových parametrů spalovacích motorů 5 1.1.1.1 Měření při stacionárním zatěžovacím momentu.. 5 1.1.1.1.1 Měření motorovým dynamometrem na zkušebním stanovišti... 6 1.1.1.1.2 Měření spalovacího motoru ve vozidle pomocí válcového dynamometru..... 6 1.1.1.2 Měření výkonových parametrů dynamických způsobem... 7 1.1.1.2.1 Válcové zkušebny pro dynamická měření. 8 1.1.1.2.2 Metoda měření při volné akceleraci.. 8 1.1.1.2.3 Kvazistatická metoda měření... 9 1.1.2 Metody měření spotřeby paliva 11 1.1.2.1 Měření spotřeby paliva pomocí průtokoměrů. 11 1.1.2.2 Měření spotřeby paliva z emisí 12 1.1.3 Měření emisních složek výfukových plynů. 13 1.2 Stávající metody hodnocení motorových vozidel. 15 1.2.1 Aplikace dynamických měření na městský a mimoměstský cyklus osobních vozidel.. 15 1.2.1.1 Homologační měření městského a mimoměstského cyklu. 15 1.2.1.2 Využití dynamických měření při tvorbě městského a mimoměstského cyklu 17 1.2.1.2.1 Vstupní veličiny procesu simulace městského cyklu na počítači. 17 1.2.1.2.2 Vytvoření celkové veličinové charakteristiky motoru 18 1.2.1.2.2.1 Měření otáček, točivého momentu a spotřeby paliva motoru Š 136.. 18 1.2.1.2.2.2 Vytvoření celkové veličinové charakteristiky. 21 1.2.1.2.3 Aplikace dynamických měření na městský cyklus ECE 83 R.. 22 1.2.1.2.3.1 Potřebný točivý moment motoru. 23 1.2.1.2.3.2 Spotřeba paliva v simulovaném městském cyklu 24 1.2.1.2.4 Aplikace dynamických měření na mimoměstský cyklus.. 26 1.2.1.2.5 Spotřeba paliva ve smíšeném cyklu.. 27 1.2.1.2.6 Dílčí závěr.. 27 1.2.2 Aplikace dynamických měření na 13-bodový test a městský jízdní cyklu pro autobusy. 28 1.2.2.1 Homologační měření 13-bodového testu. 29 1.2.2.2 Dynamicky měřený 13-bodový test. 31 1.2.2.2.1 Vstupní celková charakteristika motoru a princip metody 31 1.2.2.2.2 Zatěžovací tabulky pro cyklus EHK a ESC.. 32 1.2.2.2.3 Spotřeba paliva podle cyklu EHK... 33 1.2.2.2.4 Spotřeba paliva podle cyklu ESC.. 34 1.2.2.3 Městský jízdní cyklus pro autobusy 35 1.2.2.3.1 Vstupní veličiny procesu simulace městského cyklu na počítači. 36 1.2.2.3.2 Zásady pro návrh A-cyklu 36 1.2.2.3.3 Příklad zpracování jízdního segmentu A43.. 37 4

1.2.2.3.4 Spotřeba paliva v celém jízdním cyklu. 40 1.2.2.3.5 Dílčí závěr.. 41 1.2.3 Aplikace dynamické kontroly brzdové soustavy vozidla 42 1.2.3.1 Metody měření brzdné dráhy.. 43 1.2.3.1.1 Měření brzdného zpomalení.. 43 1.2.3.1.2 Kontrola brzdného účinku měřením brzdné dráhy na vozovce. 44 1.2.3.1.3 Kontrola brzdného účinku měřením brzdné dráhy na válcové zkušebně. 44 1.2.3.1.4 Kontrola brzdného účinku měřením brzdné síly na obvodě kol na válcové zkušebně 44 1.2.3.1.5 Kontrola brzdného účinku měřením brzdné síly na obvodě kol na plošinové zkušebně 45 1.2.3.1.6 Shrnutí kontroly technického stavu brzd... 45 1.2.3.2 Dynamicky měřený brzdný účinek.. 46 1.2.3.2.1 Data zvoleného vozidla. 46 1.2.3.2.2 Princip dynamického měření brzdného účinku. 47 1.2.3.2.3 Stanovení brzdné síly 48 1.2.3.2.4 Modelování brzdné dráhy za nestandardních podmínek.. 51 1.2.3.2.4.1 Vliv pneumatiky a její adheze na brzdnou dráhu 51 1.2.3.2.4.2 Vliv větru v ose vozidla.. 54 1.2.3.2.4.3 Vliv sklonu svahu na brzdnou dráhu.. 54 1.2.3.2.4.4 Vliv řazení převodových stupňů na brzdnou dráhu 55 1.2.3.2.4.5 Vliv rychlosti reakce řidiče na dráhu do zastavení. 56 1.2.3.2.5 Dílčí závěr. 56 1.3 Stávající metody měření tahových charakteristik traktoru.. 57 1.3.1 Standardní tahové zkoušky.... 58 1.3.2 Urychlené tahové zkoušky... 59 1.3.3 Výpočtová tahová charakteristika... 60 2. Cíl disertační práce. 61 3. Metodika disertační práce 62 4. Návrh modelování tahové charakteristiky traktoru a jeho práce na modelovém pozemku 64 4.1 Návrh virtuální tahové charakteristiky traktoru 64 4.1.1 Návrh měření celkové charakteristiky motoru s výkonnostním regulátorem 64 4.1.1.1 Vstupní veličiny pro tvorbu celkové charakteristiky motoru... 65 4.1.1.2 Měření motoru bez vnějšího zatížení (body 1 3). 67 4.1.1.3 Měření motoru při maximálním zatížení (body 7 9) 69 4.1.1.4 Měření motoru při středním zatížení (body 4 6)... 71 4.1.1.5 Sestrojení celkové veličinové charakteristiky motoru 73 4.1.2 Návrh virtuální tahové charakteristiky 74 4.1.2.1 Zahrnutí problematiky prokluzu traktoru... 75 4.1.2.2 Dostupnost traktoru v terénu a kontrola řiditelnosti 77 4.1.2.3 Vztah tahové síly a točivého momentu motoru.. 79 4.1.2.4 Rychlost traktoru v závislosti na tahové síle... 80 4.1.2.5 Tahový výkon v závislosti na tahové síle 82 4.1.2.6 Zpracování závislosti měřené spotřeby paliva. 83 4.1.3 Vytvořená virtuální tahová charakteristika měřeného traktoru Z 8045. 84 5

4.1.4 Problematika účinnosti traktoru Z 8045.. 86 4.2 Návrh simulace jízdy traktoru Z 8045 na modelovaném pozemku 86 4.2.1 Tvorba modelovaného pozemku.. 86 4.2.2 Systém práce traktoru na modelovaném pozemku.. 88 4.2.2.1 Volba pracovního nástroje.. 89 4.2.2.2 Sklon svahu a úhel klesání nebo stoupání modelovaného pozemku.. 90 4.2.2.3 Stanovení odporu pracovního nástroje 91 4.2.2.4 Stanovení odporu stoupání. 92 4.2.2.5 Stanovení odporu valení. 93 4.2.2.6 Stanovení celkového jízdního odporu při jízdě na modelovaném 94 pozemku... 4.2.2.7 Stanovení potřebného točivého momentu motoru.. 95 4.2.2.8 Stanovení otáček motoru... 100 4.2.3 Stanovení spotřeby paliva na modelovaném pozemku.. 102 4.2.4 Stanovení celkové spotřeby paliva na celém pozemku.. 105 4.2.5 Výsledky simulace v různých systémech jízdy.. 106 4.2.5.1 Systém jízdy traktoru po pozemku napříč vln 106 4.2.5.2 Systém jízdy traktoru po pozemku podél vln. 107 4.3 Hodnocení vlivu přesnosti měření na výslednou spotřebu paliva.. 108 4.4 Dílčí závěr.. 111 5. Diskuze.. 115 6. Závěr.. 118 Přílohy Literatura. 120 Přílohy obsah 1 Příloha 1.1a) - Závislost rychlosti na dráze a na čase Sekce A1 a A2. 2 Příloha 1.1b) - Závislost rychlosti na dráze a na čase Sekce A3 a A4. 3 Příloha 1.1c) - Závislost rychlosti na dráze a na čase Sekce A5 a A6. 4 Příloha 1.2 - Protokol o stavu brzdové soustavy. 5 Příloha 1.3a) - Brzdná dráha vozidla na náledí při hloubce dezénu 0 mm. 6 Příloha 1.3b) - Brzdná dráha vozidla na vozovce o 0,4 mm vody při hloubce dezénu 1,6 mm.. 7 Příloha 1.3c) - Brzdná dráha vozidla na vozovce o 1,6 mm vody při hloubce dezénu 3 mm.. 8 Příloha 1.3d) Brzdná dráha vozidla na náledí při hloubce dezénu 5 mm 9 Příloha 1.4a) - Brzdná dráha vozidla a odpor vzduchu při protivětru 40 km.h -1.. 10 Příloha 1.4b) - Brzdná dráha vozidla a odpor vzduchu při protivětru + 40 km.h -1. 11 Příloha 1.5a) - Brzdná dráha vozidla při sklonu vozovky 10 %. 12 Příloha 1.5b) - Brzdná dráha vozidla při sklonu vozovky -5 % (jízda ze svahu) 13 Příloha 1.6a) - Brzdná dráha vozidla při zařazeném 2. rychlostním stupni. 14 Příloha 1.6b) - Brzdná dráha vozidla při zařazeném 5. rychlostním stupni. 15 Příloha 1.7a) - Dráha do zastavení vozidla při reakční době řidiče 0,2 s 16 Příloha 1.7b) - Dráha do zastavení vozidla při reakční době řidiče 1,7 s 17 Příloha 4 MathCad 2001: Tahová charakteristika a práce traktoru na poli. 18 6

Úvod Silniční motorová doprava patří k nejrozšířenějším způsobům přepravy nákladů a osob a tedy i k největším znečišťovatelům životního prostředí. Produkce jednotlivých složek je vyjádřena v následujícím obrázku číslo 0.1. Hodnoty uvedené v grafu platí pro období roku 1990 až 2003 v České republice a jsou rozděleny do tří skupin: - složky na něž se vztahují emisní limity (CO oxid uhelnatý, NO x oxidy dusíku, HC - uhlovodíky, PM pevné částice), - složky vytvářející skleníkový efekt (CH 4 metan, N 2 O oxid dusný, CO 2 oxid uhelnatý), - látky nelimitované s toxickým vlivem na lidské zdraví (Pb olovo, SO 2 oxid siřičitý). Na celkové produkci emisí se motorová vozidla v EU podílejí přibližně 36 % u oxidu uhličitého CO 2, 30 % u oxidu uhelnatého CO, 63 % u oxidů dusíku NO x a 39 % u uhlovodíků HC. Zpřísňováním emisních limitů (EURO II, EURO III, EURO IV, EURO V) bude a) zřejmě během deseti let v důsledku konstrukčních úprav motorů v podstatě vyřešen problém emisí CO, NO x a HC, avšak do popředí se dostanou nově sledované karcinogenní složky, zejména aromatické uhlovodíky, aldehydy, polychlorované dioxiny, b) dibenzofurany a další, včetně rovněž škodlivého CO 2. Výskyt jednotlivých složek je závislý na spotřebovávaných druzích paliva. Od roku 1990 výrazně vzrostla spotřeba c) Obr. 0.1 Emisní bilance ze silniční dopravy v ČR [84] bezolovnatého benzínu Natural a poklesla spotřeba olovnatého benzínu, která skončila v roce 2000. S tím souvisí výrazný pokles obsahu olova ve výfukových plynech. Nižší spotřeba paliva a nižší cena motorové nafty vede uživatele k pořizování vozidel se vznětovým motorem a tím vrostl počet vyprodukovaných pevných částic. S rozšířením vstřikovacích řídících jednotek bylo dosaženo většího využití energie akumulované v palivu a poklesla tak tvorba oxidu uhelnatého. Spotřeba jednotlivých druhů pohonných hmot je na obrázku číslo 0.2. 1

Na produkci emisí silničních vozidel se také podílí rostoucí počet zaregistrovaných dopravních prostředků, ale zejména jejich vysoké průměrné stáří. K 1. 1. 2005 bylo v evidenci České republiky registrováno 5 997 306 silničních vozidel a jejich průměrné stáří činí 16,6 roku. Zejména se na tak vysokém průměrném stáří podílejí motocykly, traktory a jejich přípojná vozidla. Během roku 2004 došlo ke zvýšení celkového počtu vozidel o 2,88 % a zvýšilo se jejich průměrné Obr. 0.2 Spotřeba pohonných hmot v silniční dopravě v ČR [84] stáří o 0,07 % roku. Z dosavadního vývoje důsledků rozvoje silniční dopravy lze vyvodit závěr, že její udržitelný rozvoj nezbytně vyžaduje zásadní opatření Obr. 0.3 Celkový počet silničních vozidel v ČR [84] v podobě intenzivního technického a legislativního působení na soustavné snižování ekologické zátěže a na zvyšování bezpečnosti provozu motorových vozidel. Technickou stránku dané problematiky, kterou se autor v předložené práci zabývá, lze v podstatě rozdělit na dvě základní části. Jednak je to stávající poměrně dokonalý systém homologačních měřících metod a předpisů, které vyvíjejí velice účinný tlak na soustavné zdokonalování konstrukce vozidel a dále pak je to stávající málo účinný systém periodických provozních kontrol, který zdaleka není schopen zachytit důsledky náhodných provozních změn technického stavu vozidel, vedoucí k výrazným odchylkám od homologačně měřených hodnot. Uvedená problematika účinných periodických provozních kontrol motorových vozidel je v současné době intenzivně preferována v některých státech USA, zejména v Kalifornii, a lze očekávat, že tak, jako tomu v daném oboru již bylo vícekrát, se vyvíjená progresivní opatření budou šířit i do Evropy. Američané pomocí systému několikastupňových periodických kontrol vozidel a s použitím investičně a provozně přijatelně levných prostředků dosahují [21], na rozdíl od běžné evropské praxe, takové výstupy provozních měření, které jsou v korelačním vztahu k přesným měřením homologačním. Dále pak příslušným represivním opatřením zabezpečují 2

poměrně malé odchylky od homologačně deklarovaného technického stavu vozidel po celou dobu jejich provozu. Uvedená myšlenka autora velice zaujala a v předložené práci prezentuje svůj přínos k dané problematice. Základ autorova přínosu spočívá v tom, že hledá, zpracovává a předkládá provozní měřící metody, jejichž výstupní data jsou přímo v jednotkách homologačního měření, tudíž bezprostředně srovnatelná s legislativně deklarovanými hodnotami nových vozidel, přičemž zůstává zachována investiční a provozní levnost měření a tím i široká základna jeho využitelnosti. Autor zde vychází z principů dynamických a kvazistatických měření [36], které umožňují v krátkých časových okamžicích plně nahradit stabilní zatížení motoru zatížením dynamickým, charakterizovat tak jeho silové a emisní chování a činit závěry pro provoz motoru ve stabilních i přechodových režimech. Poměrně dokonalé homologační měření městského a mimoměstského cyklu, 13-bodového testu, tahových charakteristik traktorů a brzdné dráhy velmi přesně vystihuje podmínky provozu na pozemních komunikacích jak z hlediska produkovaných emisí, tak i z hlediska aktivní bezpečnosti silničního provozu, na níž se brzdová soustava a její pomocné systémy (např. ABS, brzdový asistent atd.) velkou měrou podílejí. Velkým přínosem pro ekologii, ekonomiku i bezpečnost provozu by tudíž bylo, kdyby se uvedená přesná měření mohla periodicky opakovat při technických kontrolách a mohly z toho být vyvozovány závěry stimulující uživatele k důsledné kvalitní péči o technický stav vozidel. Rovněž tak se jeví účelné rozšířit obdobu uvedených přesných měření v běžných servisních pracovištích. Realizace je v zásadě možná za pomoci moderní výpočetní techniky s využitím známých dynamických a kvazistatických metod. V předložené práci využitá dynamická diagnostická hodnocení souhrnných provozních vlastností užitkových motorových vozidel vycházejí z probíhajícího řešení projektu COST 346 Metoda měření na volných válcích pro testování emisí, spotřeby paliva a technického stavu motorů nákladních automobilů traktorů a speciálních vozidel [23, 24, 25, 26], na němž se autor podílí, a navazuje na jeden z předcházejících dílčích úkolů tohoto projektu Kvazistatická metoda měření spotřeby paliva a produkce emisí spalovacích motorů [27]. Tato metoda byla v roce 1998 též částečně ověřována na nákladních automobilech a zemědělských traktorech a nabízí z technického hlediska velice zajímavou a účelnou alternativu stávajícího způsobu měření. Tento nový způsob měření se jeví jako velmi vhodný pro aplikování do servisní praxe s investičními náklady, které jsou více jak desetinásobně menší než u klasického homologačního měření. Z uvedeného hlediska je předložená práce zpracována ve snaze nalézt metody účelně využitelné jednak v systémech periodických emisních a technických kontrol motorových vozidel, které by lépe prosazovaly zájmy společnosti na jejich bezpečném a ekologickém provozu, a dále pak v systému servisních měření, kde by v zájmu uživatelů byly lépe odhalovány a napravovány odchylky od bezpečného a ekonomického provozu vozidel. 3

1. Přehled současného stavu problematiky hodnocení motorových vozidel Současné metody měření motorových vozidel se historicky vyvíjely v průběhu téměř celého minulého století bez podílu výpočetní techniky a teprve v posledních 10 až 15 letech do tohoto oboru výpočetní technika intenzivně proniká. Problémem však je, že výpočetní technika je využívána především pro kvalitnější, rychlejší a přehlednější zpracování výsledků měření jak číselných, tabulkových i grafických, ale stále nedostatečně zasahuje do samotného procesu měření a jeho vyhodnocení. Především se jedná o stávající nedostatečné využívání rychlých dynamických dějů při práci motoru, ze kterých je možno moderními výpočetními prostředky získat informace dostatečně přesné a ve větším rozsahu než při stabilním zatěžováním na motorové brzdě. Dále pak se jedná o nedostatečné využívání možnosti modelovat provozní režimy motorů a vozidel, s cílem rozpoznat důsledky jejich postupujícího opotřebení. Autor proto podrobil stávající systémy měření určité kritice, aby na základě poznání jejich nedostatků vytýčil možnosti měření dynamických jevů s využitím moderní výpočetní techniky. Řada stávajících měření je realizována při stabilních režimech práce motoru a vozidlových systémů. Například měření točivého momentu motoru při stabilních otáčkách a nebo měření účinku brzd při stabilních nízkých rychlostech má své specifické nedostatky, jejíž podrobnější poznání může vést k vhodnějším dynamickým způsobům měření. Autor se na svém pracovišti zúčastnil prací na dané problematice, jejichž výsledkem již byly některé dynamické metody měření a jsou tudíž zařazeny již jako metody stávající, na něž autor v této předkládané disertaci dále navazuje a předkládá svůj přínos. Tato kapitola je rozdělena do tří částí. V první části jsou shrnuty stávající způsoby měření hlavních parametrů spalovacích motorů (výkonů, spotřeby paliva, emisí) se zaměřením na vhodnost uplatnění dynamických měření. V druhé části kapitoly jsou obsaženy výsledky již dříve zpracovaných výzkumných úkolů na nichž se autor podílel a jejichž výstupy jsou vstupem do předkládané práce. Ve třetí části rozboru současného stavu se autor zaměřuje na možnosti měření (standardní, urychlená a výpočtová tahová charakteristika) a vytvoření tahové charakteristiky traktoru. 1.1 Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů Na silniční motorová vozidla a jejich části jsou kladeny požadavky bezvadného, spolehlivého, ekologického a ekonomicky příznivého provozu. Zabezpečit tyto požadavky nelze pouze kvalitní konstrukcí a výrobou, ale o vozidlo a jeho zařízení je nutno pečovat a jejich funkci pravidelně kontrolovat, protože zdroje paliv nejsou nevyčerpatelné, dochází ke znečišťování životního prostředí zplodinami výfukových plynů a může být ohrožen lidský život. Úkolem servisních pracovišť je kontrolovat jednotlivé funkce všech zařízení vozidla, zejména ty, co mají dopad na bezpečnost silničního provozu, ale také na ekologičnost provozu, protože silniční doprava patří k předním znečišťovatelům životního prostředí. Z tohoto důvodu vznikly stanice technické kontroly pro vozidla v provozu. Pro vozidla nová platí homologační měření, která s velkou přesností vystihují chování vozidla v silničním provozu. Hlavním parametrem spalovacích motorů z hlediska ekonomiky a ekologie provozu je míra účinnosti přeměny chemické energie obsažené v palivu na mechanickou práci. 4

V případě, že se na stejné množství práce lépe využije energie obsažená v palivu, dopad na životní prostředí bude menší. Nejvýznamnějším ukazatelem této účinnosti je měrná spotřeba paliva [g.kwh -1 ], kterou lze charakterizovat jako komplexní diagnostický signál spalovacích motorů. Na velikost měrné spotřeby paliva má vliv technický stav daného motoru, ale také pokrok v konstrukci motoru. Aby bylo možné stanovit uvedený komplexní diagnostický signál, tak je nutné, aby byly dostatečně přesně měřeny výkonové parametry a spotřeba paliva motoru. Tab. 1.1 Přehled metod měření výkonových parametrů motorů [21] Způsob zatížení Stacionární (statické) předvolené otáčky motoru jsou udržovány zatěžovacím momentem brzdy (automobilové motory) zatěžovací moment se volí nezávisle na otáčkách (motory s vlastní regulací) Dynamické urychlování setrvačných hmot zvoleným točivým momentem Uložení motoru zkušební stanoviště ve vozidle (v místě instalace) ve vozidle Měření výkonu na klikovém hřídeli nebo jiném srovnatelném místě obvodu hnacích kol (válcové zkušebny) klikovém hřídeli nebo jiném srovnatelném místě vývodovém hřídeli (traktory a užitková vozidla) obvodu hnacích kol (válcové zkušebny) klikovém hřídeli nebo jiném srovnatelném místě přepočet výkonu na klikový hřídel 1.1.1 Metody měření výkonových parametrů spalovacích motorů Princip měřícího zařízení Absorpční dynamometry: - elektromagnetické vířivé brzdy - hydraulické brzdy - mechanické frikční brzdy - vzduchové brzdy (vrtulové) - tandemové brzdy (kombinace) Univerzální dynamometry: - elektrodynamické motorgenerátory na stejnosměrný nebo střídavý proud Torzní dynamometry (nebrzdí) měření úhlového zrychlení setrvačných hmot (přídavné setrvačníky na válcích) měření úhlového zrychlení klikového hřídele samotného motoru (volná akcelerace) nebo s přídavnými setrvačnými hmotami při jízdě na určitý převodový stupeň měření přímočarého zrychlení celého vozidla K měření výkonových parametrů spalovacích motorů, výkonu a točivého momentu v závislosti na otáčkách, se využívá celá řada metod. Každá metoda měření má různé požadavky na její provedení a s tím souvisí také rozdílná přesnost. Z hlediska zatížení, lze rozdělit tyto metody na stacionární a dynamické. Podrobnější přehled uvádí tabulka číslo 1.1. 1.1.1.1 Měření při stacionárním zatěžovacím momentu Obvykle se statickým (stabilním) zatížením spalovacího motoru rozumí takové zatížení, které umožní nastavení předvolených otáček, které jsou v průběhu snímání jednotlivých 5

vstupů a výstupů z motoru konstantní. K udržování příslušného zatížení slouží celá řada dynamometrů. 1.1.1.1.1 Měření motorovým dynamometrem na zkušebním stanovišti [21, 42, 72, 79] Obr. 1.1 Měření samotného motoru na výkonovém dynamometru [79] Tento způsob měření spalovacího motoru vychází z normy ISO 1585:1992 Silniční vozidla Zkoušky motoru Výkon netto nebo ČSN 30 2008 Motory automobilové - Zkoušky na brzdovém stanovišti. Motor je v tomto případě demontován z vozidla a uložen na měřící stanoviště, kde je dovybaven pouze pomocným zařízením, které je nezbytné k jeho provozu. Měření výkonových parametrů motoru na zkušebním stanovišti patří k základním způsobům snímání parametrů na klikovém hřídeli. Příslušná norma limituje přesnost měření jednotlivých signálů včetně korekcí na standardní podmínky. Z tohoto důvodu je také toto měření považováno za plně průkazné. Z praktického hlediska se však i zde vyskytují chyby měření, které mohou být například způsobeny vlastními ztrátami a hysterezí použitého dynamometru, chybou snímačů reakční síly a případně také snímači teplot a atmosférického tlaku, které se projeví jako chyba ve výpočtu korekčních činitelů na referenční atmosférické podmínky. Zkušební stanoviště je s ohledem na své vysoké pořizovací náklady, požadavky na čas a pracnost vhodné zejména pro vývoj nových motorů, zkoušení při jejich výrobě a případně homologační měření. Pro běžnou servisní a opravárenskou praxi je tento způsob měření výkonových parametrů nevhodný i s ohledem na nestejné provozní podmínky v zabudovaném stavu a ve stavu uložení na zkušebním stanovišti (například rozdílná sací a výfuková soustava). 1.1.1.1.2 Měření spalovacího motoru ve vozidle pomocí válcového dynamometru [21, 34, 42, 72] Některé uvedené nedostatky metody měření na zkušebním stanovišti řeší měření spalovacího motoru ve vozidle na válcovém dynamometru. Tato metoda měření dosahuje srovnatelných přesností měření jako předchozí metoda, ale pouze při měření výkonových parametrů na obvodu hnacích kol. Ten je proti skutečnému výkonu motoru obvykle nižší. Navíc dochází ve vozidlech při přenosu rychlosti a momentu k transformaci v převodových a jízdních částech. Lze tedy říci, že 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 s jistým vlivem ventilačních ztrát při jejich rotaci. Velikost těchto ztrát je do jisté míry náhodného charakteru a není ani u vozidla stejné typové řady obvykle shodná. Na velikost ztrát má vliv technický stav a mazání všech třecích dvojic převodovek a rozvodovek a také řada faktorů, které se týkají pneumatiky jako je stav dezénu a nahuštění. V hydraulických, elektrických a jiných soustavách se vyskytují 6

Obr. 1.2 Měření silničního vozidla na válcovém dynamometru [85] energetické akumulátory, které způsobují kmitání soustavy. Obdobný problém hrozí právě i v uvedených mechanických soustavách, kdy přelévání energie z jednoho do druhého akumulátoru může ovlivnit měření. Velikost celkových převodových ztrát při měření na válcových dynamometrech uváděná v literatuře je značně nejednotná. Ve starší literatuře se pohybuje až u 40 % a v novější literatuře do 25 % užitečného výkonu motoru na klikovém hřídeli. I když jsou v praxi používány metody pro zjištění ztrát, například decelerace motoru, korekční výpočty na prokluz apod., tak je stanovení výkonových parametrů na klikovém hřídeli zatíženo značnou chybou, což dokládají také experimenty, které provádí odborná periodika. V následující tabulce číslo 1.2 jsou uvedeny výsledky z měření vozidla Škoda Felicia 1,9 D v různých zkušebnách. Tab. 1.2 Hodnoty výkonových parametrů vozidla Škoda Felicia 1,9 D v různých zkušebnách [21, 26] Zkušebna Výkon [kw při min -1 ] Točivý moment [Nm při min -1 ] Jaroš Brno 45,77 při 4028 120,90 při 2328 Bosch 46,10 při 4240 115,80 při 2810 Maha Consulting 48,00 při 4380 112,00 při 2780 MEZservis Vsetín 42,66 při 4588 100,20 při 3226 Technology garage 42,60 při 4545 99,70 při 2970 Tabulkové hodnoty 47,00 při 4300 124,00 při 2500-3200 Z tabulky vyplývá, že jsou v měřených hodnotách různými zkušebnami značné výkyvy a jsou dosaženy odchylky přesahující i 20 % měřené veličiny, což je pro diagnostickou praxi nepřijatelné. Na druhou stranu nelze tyto metody v žádném případě zamítnout, protože dokáží přesně měřit zejména výkon na hnacích kolech. Ten je dále korigován a přepočítáván na klikový hřídel, což je běžně výrobci udávaná hodnota, kterou měří na základě norem na zkušebním stanovišti, které má odlišné podmínky od jiných firemních podmínek a zejména je měřen jiný motor v jiném technickém stavu. Uvedené důvody a praktické použití upozorňují na význam přenesených výkonových parametrů z klikového hřídele na hnací kola. Výkon na hnacích kolech slouží přímo k pohybu vozidla, kdežto výkon na klikovém hřídeli motoru musí pokrýt všechny dříve uvedené ztráty zařízeních od motoru až po hnací kola. Zároveň by měření výkonu na hnacích kolech umožnilo kromě stavu motoru kontrolovat také stav převodových a pojezdových ústrojí. Z tohoto důvodu je válcová zkušebna vhodná. Jejím nedostatkem jsou však větší požadavky na investice a proto se hodí do větších firem a servisních pracovišť. 1.1.1.2 Měření výkonových parametrů dynamických způsobem Proti statickým metodám měření, kdy jsou výkonové parametry spalovacího motoru měřeny při ustálených otáčkách a zatížení, tak jsou v případě dynamických metod měřeny při 7

dynamických režimech motoru, jako je urychlování (akcelerace) a zpomalování (decelerace) jeho setrvačných hmot. Motor je tedy zatížen svou setrvačnou hmotností, kterou urychluje. Velikost zatížení není dána absolutní hodnotou momentu setrvačnosti, ale polohou palivového pedálu. Měřený motor zpravidla urychluje setrvačné hmoty s plnou dodávkou paliva. Ve výsledku není rozdíl v tom, zda při jízdě na vozovce jsou setrvačné hmoty vztaženy k celému vozidlu nebo při urychlování samotného motoru (volná akcelerace), kdy setrvačné hmoty odpovídají jeho pohybujícím se součástkám. Změní se pouze poměr velikosti zrychlení a setrvačné hmoty, které jsou spolu v nepřímé úměře. Na základě takto naměřených průběhů výkonových parametrů na otáčkách motoru lze sestrojit dynamickou charakteristiku motoru, která je obdobná s vnější otáčkovou charakteristikou motoru měřenou na zkušebním stanovišti za statických podmínek, ale nelze je ztotožňovat, přestože mezi oběma druhy charakteristik nebývají výrazné rozdíly. Během dynamického procesu totiž dochází k situaci, že při rozběhu motoru si neodpovídají podmínky spalování s podmínkami přípravy spalování, protože dochází k fázovému posunu charakteristik, který je způsobený setrvačností pracovního cyklu. V široké praxi jsou relativně často upřednostňovány statické měření na zkušebních stanovištích, i když se ve skutečném provozu tyto případy nevyskytují příliš často, ale spíše se jedná o dynamické režimy práce motoru (doba akcelerace mezi různými rychlostmi), které mají svůj význam především v otázce bezpečnosti předjíždění a plynulosti provozu. Statické charakteristiky mají význam při posuzování vozidel v provozu na dálnicích a silnicích pro motorová vozidla. 1.1.1.2.1 Válcové zkušebny pro dynamická měření [11, 21, 72] Pro měření výkonových parametrů dynamickým způsobem na válcových zkušebnách se využívá jejich setrvačníkové provedení, které je původně pro kontrolu rychloměrů a tachografů, přezkoušení termostatů, teploměrů, činnosti spojky, řazení převodů, lokalizace hluků apod. Zařízení je vybaveno válci, které jsou poháněny hnacími koly vozidla a v režimu akcelerace se k nim pro zvýšení setrvačnosti připojují setrvačníky. Aby skutečné podmínky na pozemních komunikacích byly adekvátní s měřícími podmínkami, tak je zapotřebí přesně tak velkých setrvačníků jako je setrvačná hmota vozidla. V praxi se to řeší kombinací zapojování různých setrvačníků nebo pomocí vzduchových a hydraulických brzd. Měření výkonu a točivého momentu motoru je obvykle u tohoto typu zkušebny řešeno pomocí vloženého členu mezi rotující válec a poháněný setrvačník. Vloženým členem může být momentový převod nebo torzní dynamometr. V současné době jsou původní méně přesné analogové zapisovače nahrazeny digitálním vyhodnocením. Nejmodernější zařízení umožňují měření statické i dynamické. Bohužel jsou mnohdy ještě v současné době dynamické metody měření brány jako pouze pomocné a orientační, i když konstrukce setrvačníkové válcové zkušebny je jednodušší a také řádově levnější, čímž by nalezly uplatnění v běžných servisních střediscích nejen k orientačním zkouškám, ale k plnohodnotným zkouškám výkonových parametrů motoru. 1.1.1.2.2 Metoda měření při volné akceleraci [11, 21, 22, 42, 36, 37, 40, 41] Měření výkonových parametrů pomocí volné akcelerace vnější silou nezatíženého motoru je známo již několik desetiletí, ale bez objektivní podstaty. Pouze záleželo na subjektivních zkušenostech mechanika, který měření prováděl. S rozvojem techniky se 8

postupně přešlo z méně přesných analogových přístrojů na digitální elektroniku a výpočetní techniku, která již je objektivní. Výhodou této metody vůči výše popsaným metodám měření výkonu a točivého momentu motoru je vysoká přesnost a opakovatelnost, protože jako jediná z metod není ovlivněna ztrátami a hysterezí jako je tomu u statických měření. Přesnost měření na volných válcích je ovlivněna pouze přesností měření času, za který se pootočí klikový hřídel motoru o určitý úhel. Měření úhlového zrychlení a úhlové rychlosti klikového hřídele motoru s dostatečnou přesností na µs Obr. 1.3 Měření traktoru na volných válcích [22] je poměrně snadnou záležitostí. Problematické je stanovení momentu setrvačnosti motoru. První možností jak získat moment setrvačnosti motoru je informace od výrobce, který dodá přesnou hodnotu momentu setrvačnosti přímo s motorem vozidla. Tento způsob je velmi jednoduchý, ale v praxi se vyskytuje pouze ojediněle. Druhou možností je změřit nové vozidlo a moment setrvačnosti vypočítat zpětně z naměřeného točivého momentu. Možností třetí je měřit dostatečné množství vozidel a sledovat průběh točivého momentu. V případě, že překračuje výrobcem udávanou hodnotu, pro motor bez jakýchkoliv úprav, je hodnota momentu setrvačnosti snížena. Toto se opakuje, až se získá poměrně přesný moment setrvačnosti, který se blíží hodnotě skutečné. Čtvrtou možností je změřit motor s přívažkem o známé velikosti a moment setrvačnosti dopočítat. Z hlediska provozu motoru lze moment setrvačnosti považovat za konstantní, jelikož se téměř nemění. Případná chyba v nastavení momentu setrvačnosti je při měření významná, ale je chybou systematickou a nemá tedy náhodný vliv na přesnost vlastního měření. Kromě stanovení momentu setrvačnosti motoru je zde problém s parametry plnícího vzduchu. Jde především o motory s turbodmychadlem a motory, které mají proměnnou délku sacího potrubí. Zpoždění turbodmychadla je dané vlastním principem jeho práce a v závislosti na vyspělosti konstrukce je ovlivněna jeho velikost. Přesto i u moderních motorů se téměř v celém rozsahu během měření při volné akceleraci naměří hodnoty výkonových parametrů, které by odpovídaly atmosféricky plněnému motoru. Kromě uvedených nedostatků, které jsou podstatné, má metoda měření na volných válcích také celou řadu předností. Kromě toho, že je zaručena velmi vysoká opakovatelnost měření je toto měření prováděno bez demontáže motoru a dalších významných technických zásahů. Významnou výhodou je také neomezený rozsah výkonově různých strojů, které jsou měřeny se stejnou přesností jediným přístrojem. Nespornou výhodou jsou také nízké pořizovací náklady proti klasickým metodám měření. 1.1.1.2.3 Kvazistatická metoda měření [11, 21, 36, 37, 40, 41] Kvazistatická metoda využívá akcelerační princip a je charakterizována tím, že plná akcelerace motoru působí jednorázově a nebo i opakovaně, vždy pouze v poměrně úzkém pásmu otáček, při němž se zatížení motoru relativně ustálí. Toto zatížení lze měřit a současně lze měřit i relativně ustálené vstupy do motoru (spotřebu paliva) a výstupy (škodlivé emise a jiné charakteristiky). 9

Takto lze měřit poměrně snadno všechny druhy spalovacích motorů osobních a nákladních silničních vozidel, autobusů, traktorů a samojízdných strojů. Jisté problémy způsobuje měření vstupů a výstupů z motoru. Je totiž zapotřebí velmi citlivé zařízení, které je schopno měřit v aktuálním čase, což zvyšuje ekonomické náklady. Přestavení palivového pedálu z nulové do plné dodávky paliva je nutné provést během několika setin sekundy, jelikož by mohlo dojít k nežádoucím částečným dostřikům paliva. U vznětových motorů s výkonnostním regulátorem to není problémem, protože již malá změna polohy palivového pedálu znamená plnou nebo nulovou dodávku paliva. U vozidel vznětových s omezovacím regulátorem nebo vozidel se zážehovým motorem dochází k dostřikům, které mohou zkreslit naměřená data o 1 až 3 %. Obr. 1.4 Kvazistatická měření točivého momentu [40, 41] Na obrázku číslo 1.4 je příklad kvazistatického měření traktorového motoru. Otáčky motoru kolísají v rozmezí 1460 1786 ot.min -1, střední měřící otáčky jsou tedy 1618 ot.min -1. Těmto středním otáčkám odpovídá efektivní točivý moment 225 Nm a ztrátový točivý moment 116 Nm. Zároveň s měřením výkonových parametrů probíhá zaznamenávání spotřeby paliva. Při středních otáčkách a středním točivém momentu motoru dosáhla hodnota měrné spotřeby paliva 247 g.kwh -1. Měření bodu na obalové křivce lze poměrně snadno vyřešit kvazistatickým měřením. V případě, že se bod nachází mimo obalovou křivku točivého momentu, je nutno použít jedno z následujících řešení: - U zážehových spalovacích motorů postačí pod palivový pedál umístit kolík, který znemožní plnou dodávku paliva. Měřený bod leží pod obalovou křivkou tak hluboko, jak je vysoký kolík podkládající palivový pedál. Lze se pohybovat v rozmezí od plně zatíženého až po nezatížený motor. Vlastní měření se poté provádí stejně jako u obalové křivky a to s využitím kvazistatického způsobu měření. - U vznětových spalovacích motorů s rychlostním (omezovacím) regulátorem probíhá měření stejným způsobem jako u motorů zážehových. K nastavení jiného než maximálního zatížení slouží podložení palivového pedálu vhodně zvolenou velikostí kolíku. - U vznětových spalovacích motorů s výkonnostním regulátorem je to poněkud složitější. Měření je provedeno tak, že se vozidlo rozjede na volných válcích a nastaví 10

příslušné otáčky ručním plynem. Poté následuje pomocí provozní brzdy snížení otáček motoru zhruba o 100 ot.min -1. Na této hodnotě se nechá pár vteřin ustálit a poté se uvolní brzdový pedál a měří se zrychlení motoru při návratu na původně nastavené otáčky. Tento typ měření je použit u traktorových spalovacích motorů, které jsou ve většině případů vybaveny výkonnostním regulátorem. 1.1.2 Metody měření spotřeby paliva Počet vozidel a tím také spotřeba paliva v České republice neustále roste, což je znázorněno na obrázku číslo 0.2 a 0.3. Na každý litr spáleného motorového paliva musí být k dispozici zhruba 10 m 3 vzduchu. Současně na zvyšující se spotřebu paliva má vliv také rostoucí stáří motorových vozidel (jejich zhoršený technický stav a zastaralá konstrukce), které je v současné době více jak 16,5 roku. Se zvyšujícím se stářím vozového parku České republiky souvisí také zastarávání jejich konstrukce, přičemž se odhaduje, že 10 % spotřeby paliva právě připadá na ztráty vlivem konstrukce a dalších 10 % na ztráty, které souvisí se zhoršeným technických stavem motorových vozidel. Právě měrná spotřeby paliva je považovány za komplexní diagnostický signál, který charakterizuje účinnost motoru. Bohužel v praxi se spotřeba paliva převážně udává v litrech na 100 km provozu v podobě tří čísel, která charakterizují spotřebu paliva v simulovaném městském cyklu, mimoměstském cyklu a ve smíšeném provozu, který je kombinací předchozích dvou (36,8 % městský cyklus 63,2 % mimoměstský cyklus). 1.1.2.1 Měření spotřeby paliva pomocí průtokoměrů [11, 42] Měření spotřeby paliva pomocí palivoměrů je poměrně jednoduché, ale má některé problémy, které souvisí především se správným umístěním do palivové soustavy měřeného spalovacího motoru a také s měřením a načítáním spotřeby paliva v průběhu dynamických režimů. Při připojení palivoměru nesmí být ovlivněny správné provozní parametry palivové soustavy a musí být respektováno zpětné vracení přebytečného paliva do nádrže. Za těchto dvou podmínek je zcela bezproblémové připojení palivoměru do starší soustavy 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 paliva proplachovacím množstvím zvětšena. U motorů se vstřikováním paliva je eliminace zpětného vracení paliva obtížná proto, že je nutné dodržet také vstřikovací tlak, který charakterizuje podmínky pro vstříknutí správného množství ve správný čas do příslušného válce spalovacího motoru. Poslední konstrukce motorů mají vstřikovací tlak proměnný v závislosti na otáčkách motoru. Akcelerační způsob měření spotřeby paliva klade na konstrukci měřiče spotřeby paliva podstatně vyšší nároky, než je tomu u klasického statické zatěžování. Především se jedná o přesnost, jemné rozlišení a co nejnižší setrvačnost mechanických a hydraulických systémů použitého palivoměru. Lze použít běžné komerční palivoměry. V takovém případě je ovšem nezbytně nutné eliminovat časové zpoždění odečítání spotřeby, způsobené zejména setrvačností mechanismů, pasivními odpory použitého typu palivoměru a použitým potrubím, resp. jeho pružností. Jedná se zejména o objemová pístová nebo rychlostní měřidla, kde je měřící prvek proudem kapaliny uváděn do rotačního pohybu. Rychlost je elektricky měřena a měřené údaje jsou cejchovány přímo v litrech za minutu nebo cm 3 za sekundu. Přesnost těchto průtokoměrů 11

Obr. 1.5 Příklad cejchovní křivky objemového průtokoměru [42] bývá 1 až 2 % s tím, že nároky na přesnost a kvalitu částí jsou vysoké. Přesného měření lze v praxi dosáhnout jednak volbou průtokoměru o měřícím rozsahu, který zabezpečuje, že měřený průtok zpravidla prochází nulovou hodnotou cejchovní křivky nebo se využije výpočetní techniky, která umožní korekci podle cejchovní křivky znázorněné například na obrázku číslo 1.5. V současnosti jsou ve stádiu zkoušek nové konstrukce palivoměrů, které jsou označovány jako aktivní palivoměry, ale bohužel nedosahují zatím potřebné přesnosti. Aktivní palivoměry reagují na podtlak v sací větvi palivové soustavy. Měřící jednotkou může být zubové čerpadlo poháněné přes magnetickou spojku malým elektromotorem, jehož otáčky jsou obvykle řízeny diferenciálním podtlakovým regulátorem a elektronickými obvody. Další variantou je aktivní palivoměr, jehož podstata spočívá v tom, že píst odměrného válce je přes pohybový mikrometrický šroub poháněn elektromotorkem, který je elektronicky řízen tak, aby jeho točivý moment, a tedy i systémový přetlak paliva v palivové soustavě byl ve všech otáčkových režimech motoru v souladu s předepsaným. 1.1.2.2 Měření spotřeby paliva z emisí [11, 17, 21, 22, 42, 75] Pro homologační měření je od 1. 1. 1997 v rámci Evropského společenství závazný nový způsob určování spotřeby paliva stechiometrickým výpočtem ze změřených spalin. Dnes se zpracovávají výsledky měření na počítači a není problém vypočítat z množství oxidu uhelnatého CO, oxidu uhličitého CO 2 a uhlovodíků HC množství spotřebovaného paliva. Při schvalování nového typu vozidla se tedy změří pouze emise a z nich se vyhodnotí spotřeba paliva. Výhodou způsobu zjišťování spotřeby paliva ze spalin je to, že není třeba zasahovat do palivové soustavy automobilu, připojením externího měřícího zařízení. To je u moderních palivových soustav obtížné a pracné a v některých případech dokonce nemožné, vzhledem k ovlivnění systémového tlaku paliva a tím základních parametrů měřeného motoru. Nevýhodou jsou zejména podstatně vyšší investice na celý měřící systém. Metoda počítané spotřeby paliva ze spalin se vyvinula z měření emisí vozidlových motorů. Při klasickém odběru vzorku z výfukového traktu spalovacího motoru je (zhruba řečeno) při dodržování stejných podmínek pro spalování koncentrace škodlivin přibližně stálá a se změnou režimu běhu motoru (klapka, otáčky) se mění výrazně průtok spalin. Pro výpočet spotřeby paliva z těchto tzv. neředěných plynů je nutno zajistit přesné a kontinuální měření nasávaného množství vzduchu např. pomocí bezztrátové dýzy. Naopak při velkém průtoku ředícího vzduchu, několikanásobku průtoku spalin, se při změně režimu běhu mění výrazně koncentrace škodlivin (podle okamžitého podílu spalin ve vzorku přiváděném k analyzátorům) a průtok zředěných spalin je takřka neproměnný. V tomto případě není nutné zajistit kontinuální měření hltnosti motoru, je však nutné zajistit konstantní ředění v daném měření. 12

Analýza zředěných spalin byla předběžně ověřována na prototypu válcové zkušebny pro kvazistatické měření, pro analýzu spalin byly použity běžné servisní analyzátory Atal AT 500 a pro kouřivost AT 600. Instalovaný ventilátor umožňoval ředění spalin s ohledem na měřený motor Z8001 až 16-ti násobné. Tento stupeň ředění však nebylo možné s ohledem na velký rozsah, malé rozlišení a chybu měření použitého analyzátoru spalin prakticky použít a byl proto nastaven stupeň ředění 4-násobný. Jako porovnávací etalon spotřeby paliva byl zvolen cejchovaný průtokoměr Mannesmann Kienzle KTZ 1043.900. Ani jeden z experimentů použitých metod však nedosahuje přesností, které jsou běžné pro servisní průtokoměry tj. cca 1,5 až 2 %. Metoda analýzy neředěných plynů provedená na klasické výkonové brzdě vybavené přístroji s nadstandardní přesností sice vykázala lepší výsledky tj. rozptyl -8 až 3 %, avšak její zpřesnění by bylo neúměrné vynaloženým nákladům na ještě přesnější analyzátor a přesnější měření objemové účinnosti měřeného motoru, což by bylo v rozporu se záměrem vyvinout relativně levné a tím dostupné technické řešení pro servisní praxi. Nadějněji se jeví počítání spotřeby paliva na základě metody konstantního ředění emisních plynů jak vyplývá nejen z teoretických předpokladů a odborné literatury. I když v tomto případě byly výsledky z titulu přesnosti, resp. odchylky od etalonu, v podstatě dvojnásobně horší tj. ± 10%, vyskytovaly se tyto extrémy zejména ve velmi nízkých koncentracích tj. na dolní hranici měřitelného rozsahu použitého analyzátoru. To je patrné na následujícím obrázku číslo 1.6. S tím úzce souvisí stupeň ředění měřených plynů, kde je z teoretických předpokladů a na základě praktických zkušeností doporučováno ředění v rozmezí 8 až 11ti-násobné. Pokud je stupeň ředění nižší, je obtížné udržet konstantní průtok ve všech režimech práce motoru, což ovlivňuje výsledky. Určitým problémem je také filtrace většího výskytu pevných částic při měření vznětových motorů, které mohou zanášet analyzátory obvykle konstruované pouze pro měření zážehových motorů a ovlivňovat tak výsledky měření. Obr. 1.6 - Odchylka z ředěných emisí vypočtené spotřeby paliva v závislosti na hodnotách etalonového průtokoměru Kienzle. (stupeň ředění 4x, max. odchylka ± 10%) [22] Uvedené nedostatky lze odstranit použitím analyzátoru s vyšším rozlišením, menším nebo přepínatelným rozsahem a menší chybou než mají standardní analyzátory. 1.1.3 Měření emisních složek výfukových plynů [11, 21, 42, 75, 77] Ve skladbě zdrojů zatěžujících životní prostředí lze pozorovat významný přesun jejich podílů. Zatímco emise z titulu průmyslové výroby klesají, je tomu u silniční dopravy právě naopak jak je znázorněno na obrázku číslo 0.1. 13

Při spalování uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku obsaženého v palivu oxid uhličitý CO 2 a voda H 2 O. Při nedokonalé oxidaci těchto prvků je ve spalinách přítomen oxid uhelnatý CO a vodík H 2. Jelikož je jako okysličovadla použito u spalovacího motoru vzduchu je významnou složkou spalin dusík N 2. Kyslík O 2 se objevuje ve výfukových plynech pokud je ho v nasávané směsi přebytek, nebo z jiného důvodu způsobeného spalovacím procesem. Za vysokých spalovacích teplot vznikají oxidy dusíku NO x. Při nepříznivých podmínkách spalování způsobených špatným nastavením nebo závadou na motoru obsahují spaliny výfukových plynů nespálené uhlovodíky HC různého složení. Za nepřístupu vzduchu dochází uvnitř spalovacího prostoru k dekompozici molekul uhlovodíků, jejímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku sazí ve spalinách. S výfukovými plyny odchází z motoru velmi malé množství dalších částic, kterými jsou produkty degradace mazacího oleje, prach, popel, částečky rzi atd. Síra obsažená v některých uhlovodíkových palivech vytváří během spalovacího procesu motoru oxidy síry, které se následně objevují ve spalinách. Význam kouřivosti je především u motorů vznětových, kde se projevuje mnohem výrazněji než u motorů zážehových. Ke kvantitativnímu popisu kouřivosti slouží zejména tyto metody [75]: - filtrační metoda, - opacimetrie, - hmotnostní měření koncentrace částic. K měření koncentrace plynných složek výfukových plynů produkovaných spalovacím motorem se využívá řada metod, z nichž jsou nejběžnější tyto [75]: - měření založené na principu absorpce infračerveného záření, - měření založené na principu absorpce ultrafialového záření, - měření s využitím chemické luminiscence, - měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene, - analyzátory pracující na principu měření magnetických vlastností apod. Z hlediska přesnosti měření je pro emisní analyzátory důležitá především jejich pravidelná kalibrace, rychlost odezvy na skokové změny koncentrace a odpovídající rozsah měřených koncentrací. Největší přesnosti z hlediska měřícího rozsahu dosahují analyzátory nejčastěji ve 2/3 až 3/4 rozsahu stupnice. Dlouhodobá provozní praxe přinesla při měření jednotlivých koncentra- Obr. 1.7 Příklad analyzátoru ATAL pro měření plynných složek výfukových spalin cí dostatečné informace pro odpovídající měřící rozsah. Tento měřící rozsah je vhodný při statickém nebo dynamickém měření, kdy nedochází k ředění plynů. V případě, že se běžné servisní analyzátory s tímto rozsahem použijí při měření ředěných spalin, budou se naměřené hodnoty nacházet na spodním méně citlivém okraji měřícího rozsahu, kde se zvyšuje chyba měření. S vhodným rozsahem stupnice souvisí také pravidelné cejchování analyzátoru, které kontroluje a nastavuje shodu skutečného hodnoty koncentrace s koncentrací měřenou. Obvykle se kontroluje nulová hodnota a hodnota ve 2/3 14