Metody měření provozních parametrů

Metody měření provozních parametrů výkony, volba a využití pro diagnostiku Provozní parametry stroje Provozní parametr stroje - každá běžně měřitelná fyzikální veličina, charakterizující činnost stroje při jeho pracovní činnosti: výkon účinnost hospodárnost provozu (spotřeba paliva) provozní teplotu tlak rychlost zrychlení spotřeba provozních hmot Některé provozních parametry lze výhodně využít přímo jako diagnostické signály. Výhoda a jednoduchost je v tom, že signály jsou vybuzeny pracovní činností stroje, kterou lze obvykle snadno realizovat nebo alespoň imitovat v dílenských podmínkách. Příklady: měření zvedací rychlosti a síly hydraulického mechanizmu lze realizovat zvedáním závaží, provozní zatížení motoru lze nahradit výkonovou brzdou nebo též krátkodobě pomocí momentu setrvačnosti rotujících hmot 1

Výkon spalovacího motoru Výkon je významný diagnostický signál, využitelný především k souhrnné diagnóze: pístní skupiny rozvodového ústrojí palivové soustavy popřípadě též zapalovací soustavy Výkon sám a sobě ke stanovení diagnózy zpravidla nestačí.. Při naměření určitého výkonu se zcela logicky vždy budeme ptát, s jakou hospodárností a s jakými vedlejšími důsledky bylo tohoto výkonu dosaženo. Například: Je-li například výkon vznětového motoru v toleranci jmenovité hodnoty, avšak současně je zvýšena kouřivost, svědčí to o špatném technickém stavu motoru. Volba diagnostického signálu Jako výstupní diagnostický signál může být u spalovacího motoru bezprostředně měřen jeho výkon P. Například torzním dynamometrem lze získat elektrický napěťový signál, který je úměrný točivému momentu M, tachodynamem lze získat napěťový signál úměrný úhlové rychlosti ω a výsledný výkon P dostáváme v podobě uvnitř přístroje realizovaného součinu: P = M.ω P [ kw ] - užitečný výkon na klikovém hřídeli motoru M [ N m] - točivý moment motoru ω [rad/s] - úhlová rychlost klikového hřídele motoru Často však bývá mnohem výhodnější použít signál, který je měřenému výkonu pouze úměrný: točivý moment při předvolené úhlové rychlosti úhlové zrychlení, též při předvolené úhlové rychlosti a daném momentu setrvačnosti rotujících hmot motoru 2

Volba výkonového parametru Charakteristika vozidlového vznětového motoru: Je-li jako výstupní diagnostický signál volena hodnota točivého momentu M 1, dochází v důsledku chybného předvolení úhlové rychlosti ω, o 1 hodnotu ω k chybám měření. Protože křivka točivého momentu M(ω) je poměrně plochá, je chyba M 1, vzniklá v důsledku chyby ω malá. Je-li jako výstupní diagnostický signál volena hodnota výkonu P 1, dochází za jinak stejných podmínek měření k podstatně větší výsledné chybě P. 1 Použití výkonu v diagnostice Přímé použití výkonu jako výstupního diagnostického signálu má určitou výhodu pouze při kontrole činnosti regulátoru vstřikovacího čerpadla vznětového motoru. V regulátorové větvi rychlostní charakteristiky totiž dochází při i jmenovitých otáčkách k ostrému zlomu křivky výkonu a lze tak snadněji kontrolovat začátek a konec regulace. Jako výstupní diagnostický signál se též s výhodou používá úhlové zrychlení nezatíženého motoru rozbíhajícího se při plném sešlápnutí akceleračního pedálu. Točivý moment M je zde roven součinu úhlového zrychlení εa momentu setrvačnosti I rotujících hmot motoru: M = I. ε P = I. ε. ω P [kw] - užitečný výkon na klikovém hřídeli motoru M [N.m] - točivý moment motoru ω [rad/s] - úhlová rychlost klikového hřídele motoru I [kg.m 2 ] - moment setrvačnosti pohybujících se hmot motoru redukovaných na klikový hřídel ε [rad/s 2 ] - úhlové zrychlení klikového hřídele motoru 3

Volba mezi užitečným a indikovaným výkonem Z hlediska konečného efektu je pro uživatele samozřejmě rozhodující informací velikost užitečného výkonu motoru. Je-li však motor v normálním technickém stavu, dosahuje svých jmenovitých parametrů včetně užitečného výkonu zcela zákonitě a nebylo by je ani nutno zjišťovat. Základním problémem tedy je odhalit odchylku od normálního stavu, čehož lze ve srovnání s užitečným výkonem docílit přesněji pomocí výkonu indikovaného. Konstantní předepsanou teplotu 2 3 4 5 6 7 8 9 1 motoru lze obtížně dodržet, protože by to znamenalo značné časové a jiné ztráty při dlouhodobém předehřívání, jeví se proto indikovaný výkon jako přesnější kritérium technického stavu motoru ve srovnání s výkonem užitečným. Předepíše-li se při diagnostické prověrce výkonu teplota motorového oleje v rozmezí 5 až 9 C, lze odchylku indikovaného výkonu od jmenovité hodnoty t [ o C] považovat za příznak poruchy (malý vliv teploty a viskozity oleje). Volba mezi výkonem celého motoru a jednotlivých válců Z výkonu celého motoru nepoznáme, který válec je nositelem poruchy hy, protože jednotlivé válce se na výkonu podílejí anonymně (podpálené ventily v důsledku tepelného působení spalovacího procesu přestanou těsnit pravděpodobná brzká porucha i ostatních, porucha jednotlivých vstřikovačů nebo zapalovacích svíček - odhalení bezprostřední příčiny sníženého výkonu zabrání zbytečné demontáži a pracné detailní kontrole). Snížený výkon jednoho válce může být vykompenzován bezvadnou činností ností válců ostatních a porucha se všemi dalšími důsledky by v tomto případě nebyla odhalena (částečné opotřebení ventilů v jednom válci čtyřválcového motoru o výkonu 6 kw - pokles výkonu o 1,5 kw, tj. o 2,5%, pomocí výkonu celého motoru nelze tuto skutečnost zjistit, protože zmíněných 2,5% je na hranici přesnosti měření výkonu běžnými metodami. Bude-li se však měřit výkon jednotlivých válců, lze poměrně snadno i méně přesnou metodou zjistit, že v příslušném válci došlo k poklesu výkonu z původních 15 kw na 13,5 kw,, tedy o 1%. Dalším hlediskem je investiční a provozní nákladovost měřicího zařízení. To však přichází v úvahu pouze při aplikaci měření na výkonových brzdách, kdy instalovaný výkon brzdy pro postupné měření jednotlivých válců může být podstatně menší, než je užitečný výkon celého motoru. Je-li výkon snímán např. z vývodového hřídele traktoru, může vzniknout další problém v souvislosti s tím, že vývodový hřídel u výkonnějších traktorů není schopen přenést celý výkon motoru. Měření jednotlivých válců je proto i z tohoto hlediska výhodné. Výkon celého motoru je zpravidla využíván pro souhrnnou diagnózu a výkony jednotlivých válců pro diagnózu dílčí. 4

M i (n) n 1 P e (n) Volba měřicích otáček Me (n) n1 = 4% n2 = 65% n3 = 9% n n n 2 3 U motoru v normálním technickém stavu smějí být naměřené odchylky točivého momentu nebo výkonu v závislosti na otáčkách pouze v dovolených mezích od jejich standardního průběhu - postačí změřit charakteristické body křivky, dávající dostatečný obraz o odchylkách od normálního stavu. Tvar křivky točivého momentu v závislosti na otáčkách - účelové tvarování pro ekonomicky a ekologicky výhodný provoz motorů (vznětový motor - obvykle je použita tzv. korekce dodávky paliva, která způsobí výrazné zvýšení zálohy točivého momentu M při poklesu otáček z jmenovitých, při dalším poklesu otáček zasahuje antikorekce, která naopak točivý moment v nižších provozních otáčkách omezí a výrazně tak sníží kouřivost motoru. Moderní benzinový motor se vstřikováním paliva - předepsaný tvar křivky točivého momentu v závislosti na otáčkách je konstruktérem pečlivě volen a zabezpečen pomocí dodávky paliva řízené počítačem - spolehlivost počítačů neklamná známka opotřebení a nebo jiné mechanické poruchy motoru. Orientační posouzení výkonu vypínáním válců Ždanovského metoda vznětový motor Principem metody je měření otáček, na nichž se ustálí nezatížený motor pracující při plném sešlápnutí palivového pedálu na část měřených h válců, přičemž u ostatních válců je krátkodobě zrušena dodávka paliva povolením vysokotlakého šroubení. Za uvedené podmínky je dosaženo rovnováhy indikovaného točivého momentu pracujících válců se ztrátovým momentem motoru a na základě standardního průběhu ztrátového momentu v závislosti na otáčkách je možno tedy usuzovat na hodnotu indikovaného točivého momentu měřených válců. Počet měřených válců je třeba volit tak, aby ustálené otáčky nepřekročily jmenovitou hodnotu a aby tudíž nezasáhly do regulační větve rychlostní charakteristiky, kde již dochází k nekontrolovatelnému omezení dodávky paliva. U čtyřválcového motoru je postupně v činnosti a tudíž se měří vždy pouze jeden válec a pokud je motor v dobrém technickém stavu, měřené otáčky se pohybují přibližně v rozmezí od 1/2 do 2/3 jejich jmenovité hodnoty. Při velmi špatném technickém stavu není jeden válec schopen překonat mechanické ztráty celého motoru a motor se úplně zastaví. Naopak u motoru ve velmi dobrém technickém stavu a nebo při nepřípustně zvýšené dodávce paliva se dosažené otáčky přibližují jmenovité hodnotě. 5

Orientační posouzení výkonu vypínáním válců Ždanovského metoda vznětový motor V případě osmiválcového motoru se měří postupně vždy dva a u dvanáctiválcového vždy tři válce za obdobných podmínek jako u motoru čtyřválcového. Problémem je aplikace metody vypínání válců na motor tříválcový a šestiválcový. U tříválcového motoru dochází při práci na jeden válec téměř vždy k překročení jmenovitých otáček a měřená hodnota točivého momentu je pak nekontrolovatelně omezena. Problém lze řešit např. dotížením motoru předvolenou hodnotou točivého momentu. Základní podmínkou objektivního vyhodnocení naměřených hodnot je znalost funkční závislosti ztrátového točivého momentu na otáčkách motoru. Mm(n) ztrátový moment Md dotěžovací moment Mip indikovaný točivý moment Orientační posouzení výkonu vypínáním válců Ždanovského metoda vznětový motor Jednoduchý a rychlý způsob měření nevýhoda - malá přesnosti způsobená možnou změnou ztrátového momentu Mm v závislosti na viskozitě oleje a mechanických vlastnostech konkrétního motoru (nelze určit přesně hodnoty), výhoda - lze však velmi přesně stanovit relativní podíl jednotlivých válců na výkonu celého motoru. Orientační posouzení výkonu vypínáním válců Ždanovského metoda zážehový motor Motor bez katalyzátoru stejný postup pouze pozor na těsný výfukový systém nebezpečí explozivního spalování ve výfuku Motor s katalyzátorem - i při těsném výfukovém potrubí pouze krátkodobé vypínání zapalování v jednotlivých válcích nebezpečí poškození katalyzátoru 6

Měření výkonu dynamometrem Výhodný způsob, i když je investičně poněkud nákladnější. Snadno lze však takto měřit pouze traktorové motory, a sice pomocí vývodového hřídele traktoru. Ostatní vozidla vyžadují dvě dvojice válců zvýšení investičních nákladů Volba vhodného typu a velikosti dynamometru se řídí těmito požadavky: je účelné volit universální elektrický dynamometr,, který může pracovat nejen jako výkonová brzda, ale i jako motor pohánějící měřený nepracující spalovací motor asynchronní elektromotor (nadsynchronní otáčky brzda, podsynchronní otáčky motor) Kompromisním řešením je použití libovolného typu absorbčního dynamometru, například hydraulické brzdy a nebo brzdy elektrické, absorbující výkon vířivými proudy, přičemž je možno využít metodiku měření motoru po částech, včetně indikovaného a ztrátového točivého momentu Požadavek na výkon dynamometru je zpravidla dán užitečným výkonem největších v úvahu přicházejících měřených motorů možnost měřit jednotlivé válce Schéma hydraulické brzdy 1 přítok vody 2 vířivá komora 3 rotor 4 těsnění 5 ložisko 6 hřídel rotoru 7 spojovací příruba 8 těleso brzdy 9 snímač otáček 1 pružné uložení 11 měřič síly 12 rám 13 škrtící ventil 14 odtok vody 15 pohon škrtícího ventilu 7

Schéma elektromagnetické vířivé brzdy 1 snímač otáček 2 chladící komora 3 rotor 4 budící cívka 5 hřídel rotoru 6 ložisko 7 spojovací příruba 8 těleso brzdy 9 pružné uložení 1 měřič síly 11 rám 12 odtok vody 13 přítok vody Ztráty při měření na dynamometru Výrobce prodejce Válcové zkušebny Jaroš MAHA Consulting Mezservis Bosch Technology Garage Údaje výrobce Naměřený max.výkon motoru korigovaný / otáčky 45,77 kw/428 min -1 48, kw/438 min -1 42,66 kw/4587,5 min -1 46,1 kw/424 min -1 42,9 kw/4545 min -1 47, kw/43 min -1 Naměřený max.točivý moment / otáčky 12,89 Nm/2328 min -1 112, Nm/278 min -1 1,2 Nm/3226,1 min -1 115,8 Nm/281 min -1 99,7 Nm/297 min -1 124 Nm/25-32 min -1 8

Měření univerzálním dynamometrem - celý motor Při práci všech válců motoru se naměří M eh [Nm] - točivý moment, měřený na vývodovém hřídeli nebo na hnacích kolech vozidla a vztažený na klikový hřídel - diagnostický signál. Nedostatkem však je závislost této užitečné hodnoty na teplotě motoru a dále pak závislost na ztrátách v převodech. M eh = M i + M o +M p M oh = M o + M p M i = M eh - M oh M i [N.m] - indikovaný točivý moment motoru (výsledná hodnota) M o [N.m] - ztrátový moment motoru (záporná hodnota) M p [N.m] - ztrátový moment v převodech (záporná hodnota) vztažený na klikový hřídel M oh [N.m] - celkový ztrátový moment (záporná hodnota) M eh [N.m] efektivní hodnota točivého momentu 9

Měření univerzálním dynamometrem jednotlivé válce M 1,3 = M i1 + M i3 + M o M 3 = M i3 + M o M i1 i1 = M 1,3 - M 3 Akcelerační měření výkonu spalovacích motorů Výkon a točivý moment jsou úměrné úhlovému zrychlení klikového hřídele vně nezatíženého motoru, rozbíhajícího se při plném sešlápnutí akceleračního pedálu z volnoběžných otáček. Rovněž tak úhlové zpomalení nepracujícího motoru je zajímavým signálem úměrným ztrátovému točivému momentu motoru. Měřit úhlová zrychlení a zpomalení spalovacího motoru lze různými způsoby: napěťový signál tachodynama, kde je rychlost přímo úměrná výstupnímu napětí a zrychlení je přímo úměrné elektrickou cestou provedené derivaci napětí podle času obdobným způsobem lze kontinuálně měřit a vyhodnotit úhlové zrychlení a zpomalení získané z frekvence impulsů snímaných z rotující části motoru 1

Výhody a nevýhody akceleračního způsobu měření proti klasickému měření na výkonové brzdě Výhody: nízké pořizovací náklady měření bezdemontážní na klikovém hřídeli motoru operativnost měření měření rychlé řádově několik sekund nemusí se nikde přivádět ani mařit energie Nevýhody: nutnost znát moment setrvačnosti přeplňované motory proměnlivé sání proměnlivé nastavení vačky fázový posun měření spotřeby měření exhalací stabilizaci vnitřních teplot motoru Metodika měření měření převodového poměru, měření setrvačné hmotnosti vozidla, menší motory se roztáčejí elektromotory, větší motory se roztáčí motorem vozidla, vlastní akcelerace měřeného motoru, měření ztrát v převodech, valením apod. 11

35 325 3 275 3 25 Točivý moment (Nm) 225 2 5 175 4 6 1 15 11 125 15 1 1 95 3 75 9 2 85 5 8 75 25 7 65 1 5 1 15 2 25 6 3 35 4 45 5 55 Otáčky motoru 5 (1/min) 45 4 35 3 4 25 5 2 15 6 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Výkon motoru (kw) 2 Otáčky motoru (1/min) 8 7 6 5 4 3 2 1 16 14 12 1 8 6 4 2 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 8-1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 6 5 4 3 2 1 16 14 8 7 12 6 1 5 8 4 6 3 4 2 2 1 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 12

Škoda Felicia 1,3 MPi (5 kw) 1 5 Točivý moment (Nm) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Výkon (kw) 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 Otáčky motoru (1/min) Tabulkové Měřené 1 Porovnání Měřené 2 Porovnání Točivý moment (Nm) 16 93 9 87,7 % při otáčkách (1/min) 26 2675 295 84,9 % Výkon (W) 5 4 42 8 % při otáčkách (1/min) 5 475 5225 84 % Škoda Fabia 1,4 (55 kw) Točivý moment [Nm] 12 11 6 55 1 5 9 45 8 4 7 35 6 3 5 25 4 2 3 15 2 1 1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 Otáčky motoru [ot/min] Výkon [kw] Tabulkové Měřené Porovnání Točivý moment (Nm) 126 116 při otáčkách (1/min) 38 375 92,1 % Výkon (W) 55 56 při otáčkách (1/min) 5 575 11,8 % 13

Škoda Octavia II 2, (13 kw) Točivý moment motoru (Nm) 28 26 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Otáčky motoru (1/min) 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Výkon motoru (kw) Tabulkové Měřené Porovnání Točivý moment (Nm) 32 128 při otáčkách (1/min) 2 2 4 % Výkon (W) 13 13 při otáčkách (1/min) 4 41 1 % Válcové brzdy Bezdemontážní ale výkon na hnacích kolech - při přepočtu na motor (klikový hřídel): Ztráty závislé na hnací síle - tyto ztráty rostou proporcionálně s přenášeným výkonem. Rozdíl mezi vysokým přenosem hnací síly během akcelerace a nízkým přenosem při deceleraci koriguje zkušebna automaticky ztráty třením odvalováním ozubených kol v mechanické převodovce a rozvodovce - ztráty činí průměrně asi 7 % ve vztahu k výkonu motoru prokluz mezi pneumatikou a válcem zkušebny, ztráty činí asi 5% výkonu motoru Ztráty závislé na rychlosti - v závislosti na rychlosti rostou progresivně ztráty způsobené viskozitou oleje v převodovce a rozvodovce se pohybují okolo 2% ztráty způsobené odvalováním pneumatik se podle provedení a tlaku vzduchu v pneumatikách podílí nejvíce na ztrátovém výkonu 7 2 % z výkonu motoru 14

Kvazistatická metoda Kvazistatické zatížení je velmi blízké zatížení statickému, a to tím, že akceleračním pedálem nastavený výkon je střídavě jednak brzděn a jednak absorbován urychlováním jeho setrvačných hmot. Metoda kvazistatického měření tedy umožňuje levný a časově nenáročný způsob charakterizovat technický stav motorových vozidel z hlediska vlivu na měrnou spotřebu paliva a produkci škodlivin emisí. Měření přímočarého zrychlení vozidla Kyvadlový akcelerometr na hmotnost kyvadla m působí při rozjezdu vozidla jednak síla m.a, úměrná zrychlení vozidla a jednak síla m.g úměrná gravitační konstantě g smìr pohybu vozidla Směr pohybu vozidla a = g. tgα a [m/s 2 ] - přímočaré zrychlení vozidla g [m/s 2 ] - gravitační konstanta. tgα - tangenta úhlu výkyvu kyvadla Kapalinový akcelerometr u obou typů je nutné zajistit co nejrychlejší ustálení hodnoty (tlumení) tlumící tryska 15

Piezoelektrický akcelerometr volby správné citlivosti snímače měření ve třech osách GPS problematika dostatečné frekvence (Hz) možnost opakovaných měření Metody měření provozních parametrů výkony, volba a využití pro diagnostiku 16