Benzinmotor károsanyag-kibocsátásának vizsgálata

Átírás

1 Benzinmotor károsanyag-kibocsátásának vizsgálata Összeállította: Bárdos Ádám Dr. Németh Huba Budapest, 2013

2 Tartalom 1. A mérés célja A méréshez ajánlott irodalom Az 1. számú fékterem bemutatása A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetése A vizsgálandó motor adatai A MoTec motorvezérlő elektronika Az emissziómérő ismertetése A mintavevő rendszer felépítése Nitrogén-oxidok mennyiségének mérése kemilumineszcenciás elven működő analizátorral A kipufogógázban lévő elégetlen szénhidrogének mennyiségének mérése lángionizációs detektor (FID Flame ionisation detector) segítségével CO és CO 2 mennyiségének mérése infravörös-abszorpciós elven (NDIR) működő műszerrel A mérés végrehajtása A műszerek működéséhez szükséges gázok, kalibráció Mérendő mennyiségek A mérés kiértékelése Értékelés, a jegyzőkönyv tartalma MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 2

3 1. A mérés célja Benzinmotor emissziójának (CO 2, CO, NO, NO x és HC) vizsgálata a fordulatszám, terhelés és a légviszony függvényében. Gépjárműmotorok károsanyag-kibocsátásának vizsgálatára használt műszerek és használatuk megismerése. 2. A méréshez ajánlott irodalom 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, 1992.: 16.4 fejezet. 2. Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, Áttanulmányozandók a 3.1 és 3.2 fejezetek. 3. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME 3. Az 1. számú fékterem bemutatása 3.1 A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetése A berendezés elvi vázlata az 1. ábrán látható. A turbótöltésű, levegő-visszahűtésű benzinmotor Borghi-Saveri FE150S típusú örvényáramú fékpadhoz van kapcsolva. A mérést az Energotest- MF számítógépes merőrendszer segítségével végezzük el. A villamos örvényáramú fékpad jellemzője, hogy a fékezőnyomaték-fordulatszám görbe gyakorlatilag tetszőlegesen szabályozható, ezen kívül ezek a fékpadok egyszerűen automatizálhatók. A villamos örvényáramú fékpad állórésze és forgórésze között mágneses hatás hozza létre a fékezőnyomatékot. Az állórészben gerjesztő tekercsek vannak, amelyekben egyenáram folyik. A fogazott tárcsa alakú forgórész forgatáskor a forgórészben örvényáramok indukálódnak. Ezek az örvényáramok a tárcsán fékező mágneses erőtereket hoznak létre, és a motor mechanikai munkáját hőenergiává alakítják át. Ezért az állórészt vízzel hűteni kell. A gerjesztőáram a fékgép szabályozóegysége által állítható, amely által különböző terhelési karakterisztikákat tud megvalósítani. Ehhez a visszacsatolt jelek a motorfordulatszám és a nyomaték. A Borghi-Saveri FE 150S fékpad legfontosabb üzemmódjai a következők: - Fordulatszámtartó üzemmód (α-n) - Nyomatéktartó üzemmód (α-m) - Munkaponttartó üzemmód (M-n) MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 3

4 - Fordulatszámmal négyzetes nyomaték karakterisztika (járműellenállás) - Külső gerjesztő-jel feldolgozása A fenti üzemmódok közül a fordulatszámtartó üzemmódra van szükség a mérések során, mivel előre definiált fordulatszámokon kell a mérést kivitelezni. 1. ábra A mérőberendezés felépítése A Borghi-Saveri fékpad szabályozóegysége egy mérésadatgyűjtő egységen keresztül kapcsolódik a mérő/vezérlő számítógéphez. Ez az egység további vezérlő és mért jeleket dolgoz fel. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 4

5 2. ábra A Borghi-Saveri FE150S fékgép határgörbéje A motor terhelési szintjének beállításához az állandó fordulatú üzemben a gázpedál pozíciója szolgál. A gázpedál működtetését egy léptetőmotor végzi, valamint a beállított pozíció visszamérésre kerül. Így az %-os lépésekben állítható be. Ezen túl a tüzelőanyagfogyasztásmérő berendezés vezérlése és mérése is a mérőszámítógép által irányított. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 5

6 A tüzelőanyagfogyasztás-mérés alapja az, hogy meghatározott tömegű tüzelőanyag-mennyiség elfogyasztásának az idejét mérjük. A mennyiségekből és az időből számítható a fogyasztás, ez az úgynevezett gravimetrikus mérési eljárás. A rendszerben a motor folyamatosan a fogyasztásmérő tartályából kapja a tüzelőanyagot, melyet a mérőegység kiürülés előtt mindig újratölt. A fogyasztásmérés kezdetekor a vezérlőjel hatására egy stopperóra indul, amely egészen addig fut, amíg az előre meghatározott tüzelőanyag tömeg ki nem fogy a tartályból. A gravimetrikus fogyasztásmérő előnye a térfogatméréssel szemben, hogy a fajlagos jellemzők meghatározásához nincs szükség sűrűség mérésre areométerrel. 3.2 A vizsgálandó motor adatai A vizsgálat tárgyát egy GM gyártmányú, Európában leginkább Opel gépkocsikba szerelt 1,4l lökettérfogatú turbótöltött benzinmotor képezi (Family0). 3. ábra GM A14NET benzinmotor A motor négyhengeres, hengerenként négyszelepes görgős lengőkarú szelepemelőkkel. A két felülfekvő vezérműtengelyt lánc hajtja. Mind a szívó, mind a kipufogó vezérműtengelyek MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 6

7 nyitási pontja fokozatmentesen állítható, a nyitási mélység és szögkeresztmetszet azonban nem. A pillangószelep és a gázpedál között nincs mechanikus kapcsolat, drive-by-wire rendszer nyitja a fojtószelepet a gázpedál elfordulás függvényében. A turbófeltöltőn nyomásszabályzása wastegate segítségével történik és a kompresszor leválásának elkerülésére megkerülő, un. load dump szelepet alkalmaztak. A motor vezérlőegysége egy programozható MoTec M600 motorvezérlő, melynek segítségével minden vezérelhető és szabályozható beavatkozó állítható. A vizsgált motor adatai az 1. táblázatban láthatók. Motor típus: GM (Opel) A14NET Hengerek száma: 4 Szelepek száma/típusa: 16/DOHC Égéstér: Háztető alakú, keresztáramú Ütemszám: 4 Lökettérfogat: 1364 cm 3 Furat/Löket: 72,5/82.6 mm Kompresszióviszony: 9,5 : 1 Névleges teljesítmény: 103 (140) / kw(le) /1/min Névleges nyomaték: 200 / Nm / 1/min Motorvezérlő gyártó: Gyári: Delphi / Méréskor: MoTec Alapjárati fordulatszám: 750±50 rpm Maximális fordulatszám: 6000±100 rpm Gyújtási sorrend: A MoTec motorvezérlő elektronika 1. táblázat A vizsgálandó motor adatai A MoTec motorvezérlő és adatgyűjtő-adatfeldolgozó egységeket elterjedten használják a motorsport minden ágában, gépkocsikon kívül motorkerékpárok, jetskyk és hószánok teljesítményfokozásánál. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 7

8 4. ábra A MoTec M600 ECU Jelen esetben nem a teljesítményfokozás volt a cél, hanem, hogy a motor minden paraméterét szabadon állítani lehessen a laborgyakorlatok során. Emiatt esett a választás az M600 típusú motorvezérlőre, amely amellett, hogy hat hengerig tud gyújtószikrát adni és befecskendezőket vezérelni, többek között képes a drive-by-wire fojtószelep kezelésére, két (V-motoroknál négy) vezérműtengely fokozatmentes állítására, λ-jelkövetésre és zárt hurkú turbónyomás szabályozásra. A gyakorlat során az ECU segítségével fogjuk a különböző légviszony értékeket beállítani. 5. ábra A MoTec diagnosztikai szoftverének kezelőfelülete a légviszony térképpel MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 8

9 4. Az emissziómérő berendezés ismertetése 4.1 A mintavevő rendszer felépítése A mintavevő rendszer egy úgynevezett PDP-CVS (Positive displacement Pump Constant volume sampler) rendszer, melynek elve, hogy egy teljesáramú hígító-alagútban a motorból érkező kipufogógáz levegővel keveredik. Ez a hígítás megakadályozza a gáz telítődését és a benne lévő vízgőz kondenzálódását, valamint a mérést meghamisító reakciók lezajlását. A berendezés vázlata az alábbi ábrán látható: 6. ábra A CVS mintavevő rendszer vázlata A csatornában áramló gáz ezután egy hőcserélőn halad át, melynek feladata, hogy hőmérsékletét, így sűrűségét állandó értéken tartsa. A kondicionált kipufogógázból ezután már minta vehető. A csatornából egy Roots-fúvó szállítja a gázt a szabadba. A fúvó fordulatának azonos értéken tartásával, a mérés alatt megtett fordulatainak vagy fordulatszámának mérésével az átszivattyúzott térfogatáram egyszerűen számítható. Gépjárműmotorok minősítésekor a ciklusban kibocsátott károsanyag tömegére vagyunk kíváncsiak. Ezzel a módszerrel a fúvó fordulatszámának teljes ciklus alatt azonos értéken MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 9

10 tartása mellett elegendő csupán a ciklus alatti koncentrációk átlagolása, így a teljes kibocsátott tömeg egyszerűen számolható. Az alagútból a mintát HC mérőműszerig 170 C felé fűtött vonalon juttatjuk el, hogy elkerüljük a hosszabb szénláncú szénhidrogének csőfalakra való kicsapódását. Az általunk használt Richard Oliver PDP-CVS rendszer kezelőfelülete az alábbi ábrán látható: 7. ábra A hígítórendszer kezelőfelülete 4.2 Nitrogén-oxidok mennyiségének mérése kemilumineszcenciás elven működő analizátorral A berendezés működésének elve a nitrogén-monoxid (NO) ózonnal (O 3 ) való kemilumineszcenciás reakcióján alapul. A lezajló folyamatok: + + Nitrogén-dioxid keletkezése + + Gerjesztett állapotú nitrogén-dioxid keletkezése + Kemilumineszcencia + Más anyaggal való ütközés révén való deaktiváció ahol: a kisugárzott fény energiája (h: a Planck állandó, v: a kisugárzott fény frekvenciája) MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 10

11 Azaz a nitrogén-monoxid kis nyomáson (0,3-0,8 kpa) az ózonnal nitrogén dioxiddá oxidálódik. Ilyenkor a keletkezett nitrogén-dioxid molekulák egy része (10%) gerjesztett energiaállapotú lesz. Ezek a molekulák fénykibocsátás kíséretében azonnal visszaalakulnak gerjesztetlen nitrogén-dioxid molekulákká. Ezt a fénykibocsátást méri a műszer fotocella segítségével. A fotocella árama arányos a nitrogén-monoxid koncentrációval. A berendezés vázlata az alábbi ábrán látható: 8. ábra Kemilumineszcenciás analizátor vázlata Az ózon a berendezés részét képező ózonizátorban kerül előállításra ultraibolya sugárzás segítségével oxigénből vagy levegőből. A mérés során nagy tisztaságú műszerlevegőt használunk fel erre a célra. Mivel az ózon mérgező gáz, ezért a reakció végbemente után megmaradt ózont katalitikusan vissza kell alakítani oxigénné és csak ezután lehet a szabadba engedni. A kipufogó gázok nitrogén-monoxid mellett nitrogén-dioxidot is tartalmaznak. Hogy az összes nitrogén-oxid (NO x ) mérhetővé váljon, a műszer egy katalitikus gázbontóban kb. 900 C -on nitrogén-monoxiddá bontja a gáz nitrogén-dioxid tartalmát. A felhasznált műszer: Analysis Automation Limited 445-ös modell Az ózon előállításához használt gáz műszerlevegő. A berendezés kezelőfelülete az alábbi ábrán látható: MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 11

12 9. ábra AAL 445-ös NO x analizátor kezelőfelülete 4.3 A kipufogógázban lévő elégetlen szénhidrogének mennyiségének mérése lángionizációs detektor (FID Flame ionisation detector) segítségével Belsőégésű motorok kipufogógázaiban lévő összes szénhidrogén (THC Total Hydrocarbons) mennyiségének mérésére legszélesebb körben elterjedt műszer a lángionizációs detektor. A működésének alapja, hogy a szénhidrogének nagy hőmérsékleten (2000 K felett) hidrogén lángba vezetve ionizálódnak. A láng körül két elekróda került elhelyezésre, amelyek között, a rájuk kapcsolt feszültség hatására, az ionizálódott részecskék koncentrációjával arányos ionáram indul meg. Ezt az áramot méri a műszer és az ezzel arányos koncentráció kerül kijelzésre. A berendezés vázlata az alábbi ábrán látható: 10. ábra FID műszer vázlata MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 12

13 A felhasznált műszer: Analysis Automation Limited 523-as modell A láng meggyújtására használt gáz: 40 V/V % H 2 és 60 V/V% He keverék és szénhidrogénektől mentes műszerlevegő. A berendezés kezelőfelülete az alábbi ábrán látható: 11. ábra Az AAL 523 FID analizátor kezelőfelülete 4.4 CO és CO 2 mennyiségének mérése infravörös-abszorpciós elven (NDIR) működő műszerrel A műszer működésének alapja az a jelenség, hogy minden heteroatomos gáz egy jellemző hullámhossz tartományban nyeli el az infravörös sugárzást. A CO a 4,6 µm hullámhosszúságú sugarakat nyeli el a koncentrációjával arányos mértékben. A berendezés vázlata az alábbi ábrán látható: 12. ábra NDIR analizátor vázlata MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 13

14 Az infravörös fény az (1) fényforrás által kerül kibocsátásra. A minta gáz a (2) mérőküvettában áramlik. A (4) összehasonlító küvetta nitrogénnel került feltöltésre. Az (5) detektor a mérendő gáz és argon keverékével töltött. A detektorban egy fémmembrán és egy központi elektróda került elhelyezésre, amelyek kondenzátort alkotnak, melynek kapacitása a detektorban lévő gázok felmelegedésével arányosan változik a detektor tágulásának (a fegyverzetek távolságának változásának) következtében. A felhasznált műszer: Analysis Automation Limited 401-es modell A berendezés két detektorral rendelkezik, így mind a CO, mind a CO 2 koncentrációjának meghatározására alkalmas. A berendezés kezelőfelülete az alábbi ábrán látható: 5. A mérés végrehajtása 13. ábra AAL 401-es NDIR analizátor kezelőfelülete 5.1 A műszerek működéséhez szükséges gázok, kalibráció Az előzőekben tárgyaltak alapján a FID analizátornak és a kemilumineszcenciás NO x detektornak a működéséhez H 2 /He tüzelőanyagra és műszerlevegőre van szüksége a méréshez. A mérés megkezdése előtt a gázpalackokat meg kell nyitni, a rajtuk és a műszereken elhelyezett reduktorok segítségével a megfelelő tápnyomást be kell állítani, mivel a műszerek csak ekkor működnek megfelelően. A mérés megkezdése előtt a műszereket be kell indítani, bemelegedésüket meg kell várni és a FID műszer lángját be kell gyújtani. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 14

15 A bemelegedés után minden műszeren zéró pont kalibrációt kell végezni nagy tisztaságú nitrogén gáz segítségével. Miután ez megtörtént, a felsőpont kalibráló gázok palackját is meg kell nyitni és a tápnyomások beállítását az előzőekhez hasonlóan el kell végezni. Csak ez után következhet a műszerek felsőpont kalibrációja. A kalibráló gázok adatai a következők: - 89 ppm NO N 2 -ben elnyeletve a kemilumineszcenciás detektor kalibrációjához - 89 ppm propán N 2 -ben elnyeletve a FID műszer kalibrációjához ppm CO N 2 -ben elnyeletve az NDIR műszer CO kalibrációjához - 4% CO 2 N 2 -ben elnyeletve az NDIR műszer CO 2 kalibrációjához A gáztartályok az alábbi képen láthatóak: 14. ábra A működéshez és kalibrációhoz szükséges gázok 5.2 Mérendő mennyiségek A mérés során a következő mennyiségeket minden munkapontban mérni kell: A fékpadvezérlő-szoftver által naplózott jelek (a mérés végeztével fájlba íródnak): n: a motor fordulatszáma [1/min] M: a motor nyomatéka [Nm] m t : lemért tüzelőanyag tömege [g] t tüz : a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s] MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 15

16 p körny : a környezeti levegő nyomása [Pa] t körny : a környezeti levegő hőmérséklete [ C] φ: a környezeti levegő relatív páratartalma [%] AP pos : a gázpedál pozíciója [%] λ a légfelesleg [-] A emissziómérő műszer kijelzőjéről leolvasandó jelek: n Roots : a CVS mintavevő rendszer Roots-fúvójának fordulatszáma [1/min] p Roots, be : a Roots-fúvó bemenetének relatív nyomása [Pa] t Roots, be : gázhőmérséklet a Roots-fúvó bemenetén [ C] : a hígított kipufogógáz elégetlen szénhidrogének koncentrációja [ppm] : a hígított kipufogógáz nitrogén-monoxid koncentrációja [ppm] : a hígított kipufogógáz összes nitrogén-oxid koncentrációja [ppm] : a hígított kipufogógáz szénmonoxid koncentrációja [ppm] : a hígított kipufogógáz széndioxid koncentrációja [%] A motort indítás után 10-20% gázpedálállás mellett kb /min fordulaton bemelegítjük, amíg a hűtővíz és a kenőolaj el nem éri az üzemi hőmérsékletet. A mérés előtt a mérőprogramban beállítjuk a fogyasztásmérés alatt lemérendő tüzelőanyag tömegét. Célszerű olyan tömeget megadni, amelynek elfogyasztása a motor számára legalább fél percet igénybe vesz. Ezután beállítjuk a legnagyobb fordulatszámú és terhelésű munkapontot. A mérések alatt a mérőszámítógép rögzíti a fordulatszámot, a nyomatékot és a tüzelőanyag elfogyasztásának idejét. A mérést egy alacsony ( ford./perces) és egy közepesen magas fordulatszámon ( ford./perces) hajtjuk végre. Így nyomon tudjuk követni a fordulatszám hatását a motor emissziójára. Minden fordulatszámon egy alacsony (AP pos =10-40 %) és egy magas (AP pos =50-80 %) terhelésű munkapontra bontjuk szét vizsgálatainkat, így a terhelés hatását is kiértékelhetjük. Az adódott négy munkapontban külön-külön vizsgálunk egy sztöchiometrikus keverékű esetet, egy dús és egy szegény keverékű munkapontot. A leírt módon összesen 12 pontban végezzük el a méréseket. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 16

17 6. A mérés kiértékelése A Roots-fúvó fordulatszámának, az egy fordulat alatt szállított közeg térfogatának és hőmérsékletének és nyomásának ismeretében meghatározható a hígítóalagútban átáramló levegő és kipufogógáz keverék tömegárama. A Roots-fúvó által egy fordulat alatt szállított közeg térfogata: V Roots = m 3 /ford. A hígítóalagútban átszivattyúzott gáz tömegárama: 273 =1.293!" #!" $% &ö()* %!",-. / !",-. Az egyes káros kipufogógáz komponensek tömegáramának meghatározása: =3 ahol: : a vizsgált komponens tömegárama [kg/h] 3 : viszony a vizsgált összetevő sűrűsége és a levegő sűrűsége között [-] Értékei az egyes vizsgált komponensekre: = = = ;9< =3 ;9 = Járműmotorok összehasonlításához az autóiparban és az egyes motorfékpadi mérési ciklusokban fajlagos emissziók (g/kwh) használatosak. Ezekhez meg kell határozni a motor normált teljesítményét. A motor mérési körülmények melletti teljesítménye a következő összefüggéssel számítható a mért nyomaték és fordulatszám segítségével: P e n 2π M = 60 [kw] 1000 Ez a teljesítmény függ a környezeti jellemzőktől, ezért át kell számítani a szabványos normálteljesítményre a következő összefüggéssel: P e0 = P e p 0 ϕ p 0 p ϕ p g0 g t [kw] t MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 17

18 ahol az indexben a 0 a normálállapotra utal, amelyek p 0 =100 kpa, t 0 =15 C és ϕ 0 =50%, valamint a p g az adott hőmérsékleten érvényes telítési gőznyomást jelöli, ami a 2. táblázatban megadott értékek alapján számolható. t [ o C] p_g [Pa] t [ o C] p_g [Pa] t [ o C] p_g [Pa] t [ o C] p_g [Pa] táblázat A vízgőz tenzióértékei Az előzőek felhasználásával a fajlagos emissziók a következő összefüggéssel kaphatók: G < A BC [g/kwh] 7. Értékelés, a jegyzőkönyv tartalma A beadott jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: 1. A mérés célját, helyét, idejét. 2. A vizsgált motor, fékpad és mérőrendszer megnevezését és rövid ismertetését. 3. Minden egyes mért munkapontban a mért értékeket táblázatos formában: - n: a motor fordulatszáma [1/min] - M: a motor nyomatéka [Nm] - B: lemért tüzelőanyag tömege [g] - t tüz : a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s] - p körny : a környezeti levegő nyomása [Pa] - t körny : a környezeti levegő hőmérséklete [ C] - φ: a környezeti levegő relatív páratartalma [%] - AP pos : a gázpedál pozíciója [%] - λ a légfelesleg [-] - n Roots : a CVS mintavevő rendszer Roots-fúvójának fordulatszáma [1/min] - p Roots, be : a Roots-fúvó bemenetének relatív nyomása [Pa] - t Roots, be : gázhőmérséklet a Roots-fúvó bemenetén [ C] - : a hígított kipufogógáz elégetlen szénhidrogének koncentrációja [ppm] MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 18

19 - : a hígított kipufogógáz nitrogén-monoxid koncentrációja [ppm] - : a hígított kipufogógáz összes nitrogén-oxid koncentrációja [ppm] - : a hígított kipufogógáz szénmonoxid koncentrációja [ppm] - : a hígított kipufogógáz széndioxid koncentrációja [%] 4. Minden egyes mért munkapontban az alábbi számított értékeket a számításhoz használt képleteket: - m 6EF: hígítóalagútban átszivattyúzott gáz tömegárama - m <: az egyes káros kipufogógáz komponensek tömegárama - G. : a motor effektív teljesítménye - G.H : a motor effektív normált teljesítménye - I : fajlagos emissziók 5. Minden egyes mért fordulatszám és gázpedálállás mellett ábrázolandó a mért koncentrációkat és számított fajlagos emissziók a légviszony függvényében grafikonos formában. 6. Rövid szöveges értékelést, az elméletileg várt és a mért értékek összevetését, az esetleges eltérések okainak magyarázatát. A jegyzőkönyv beadásának határideje a következő laborgyakorlat kezdete. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 19