Szelepvezérlés hatása a benzinmotor jellemzőire

Átírás

1 Szelepvezérlés hatása a benzinmotor jellemzőire Összeállította: Vass Sándor Dr. Németh Huba Budapest, 2013

2 Tartalom 1. A mérés célja A gyakorlat elméleti alapjai A méréshez áttanulmányozandó anyag Az elméleti alapok A mérés leírása A mérőberendezés ismertetése A vizsgálandó motor adatai A MoTec motorvezérlő elektronika A mérés végrehajtása Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések Az effektív teljesítmény Az effektív középnyomás Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Értékelés, jegyzőkönyv tartalma Függelék 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 A mérés célja a szelepvezérlési paraméterek hatásának vizsgálata egy belsőégésű dugattyús Otto-motoron statikus üzemben a fordulatszám függvényében, különböző terhelések esetén. 2. A gyakorlat elméleti alapjai 2.1 A méréshez áttanulmányozandó anyag Ajánlott irodalom: 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, Áttanulmányozandók a 2.2.7, 12.1, 16.1 és a 16.3 fejezetek. 2. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Töltetcsere és feltöltés előadások 2.2 Az elméleti alapok A jó effektív hatásfok a kis fajlagos tüzelőanyag fogyasztás valamint a nagy teljesítmény eléréséhez alapvető a magas töltési fok a hengerben. Emellett főleg kis terheléseken a fojtásos szabályozású Otto-motorokban jelentős a töltetcsere veszteségek hányada az összes veszteségek közül. Így fontos szerepe van a motor működésében a töltetcsere folyamat lefutásának, nem véletlenül kulcsfontosságú kérdés ez minden motorfejlesztésnél. Az 1. ábra egy szívómotor hengernyomását és a szelepeken átfolyó tömegáramot mutatja. Jól látható, hogy a legnagyobb hengernyomás nem sokkal a felső holtpont után alakul ki, ezt követően az expanzió során a nyomásgradiens erősen negatív. Még jóval az alsó holtpont előtt nyílik a kipufogó szelep. Ebben a pillanatban a nyomásviszony a henger és a kipufogó között magasabb a kritikusnál, ezért a kiáramlás hangsebességgel kezdődik. Amíg elegendően nagy a nyomáskülönbség, az átáramló tömegáram nő, mivel közben a gáz számára rendelkezésre álló áramlási keresztmetszet is nő, ahogy tovább nyit a szelep. Az alsó holtpontot elhagyva a nyomás nagyjából kiegyenlítődött, ezután kezdődik a kitolási fázis, amikor a felfelé mozgó dugattyú kitolja az elégett gázokat. Ezen a részen láthatunk még egy lokális maximumot a tömegáram görbéken, mely a kipufogócsőben létrejövő nyomáslengések, valamint a 270 -nál lévő legnagyobb dugattyúsebesség miatt van. Ezt a pontot elhagyva a kipufogószelep már majdnem bezárt, amikor elkezd nyitni a szívószelep. Azt a szögtartományt amikor mind a két szelep egyszerre nyitva van, szelepösszenyitásnak hívják. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 3

4 1. ábra A szívómotor töltetcsere folyamata A felső holtpont után a kipufogó szelep bezár, a szívószelep tovább nyit, nő a rajta átáramló tömegáram is. Jól látható, hogy itt is meredeken emelkedik a tömegáram a legnagyobb dugattyú sebesség eléréséig, majd ahogy csökken az átáramlási keresztmetszet, illetve közeledünk az alsó holtponthoz erősen csökken. Itt visszaáramlások is keletkezhetnek. Ahogy elhagyjuk az alsó holtpontot, a szívószelep még mindig nyitva van, ezáltal kihasználhatjuk a mozgó gázok tehetetlenségét, avagy az utántöltő hatást magasabb fordulatszámok esetén. Ezután következik a sűrítési ütem, majd ismét az expanzió. Tüzetesebben megvizsgálva az ábrát nézzük először a tömegáramokat különböző fordulatszámoknál. Látható, hogy a nagyobb fordulatszámokhoz nagyobb tömegáramok is tartoznak, ez nyilvánvaló, hiszen nő a dugattyú középsebesség, nő a teljes motor beszívott tömegárama, így a szelepeken időegység alatt áthaladó gázok tömege is nő. Érdemes azonban megfigyelni, hogy /min-nél kipufogó ütemben a tömegáram többször negatív értéket is felvesz: ez a kipufogócsőben lévő nyomáslengések miatt van. Ilyen alacsony fordulatnál a nyomáskiegyenlítődés már az alsó holtpont környékén bekövetkezik, a kis dugattyú középsebesség miatt a szelepen átfolyó tömegáram is alacsony. A szívószelep nyitásának végén, alsó holtpont után látható még visszaáramlás, mely 1000 és /min fordulatszámnál domináns a konkrét példában. Ezáltal lecsökken a henger töltési foka, hiszen az egyszer már MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 4

5 beszívott töltetet ekkor a dugattyú kitolja. Látható viszont, hogy magas fordulatszámon nagyon előnyös ez a hangolás, hiszen bőven érvényesül az utántöltő hatás, ezáltal nagyobb teljesítményt lehet elérni. 2. ábra Áramlási sebességek és az időzítés hatása a teljesítményre A 2. ábrán részletezve látható a fent leírt folyamat és /min-nél még fellép visszaáramlás a szelepösszenyitás ideje alatt, valamint a zárás előtt is, a felső holtpont után. Az utántöltő hatásnak köszönhetően /min-nél azonban már csak a FHP környéki visszaáramlás marad. Ez az eset a b jelű görbének felel meg az ábra jobb oldali részén. Ez alacsonyabb alsó- és középes fordulattartománybeli nyomatékot, de nagyobb teljesítményt biztosít. Ha csökkentenénk a szelepnyitási keresztmetszetet, levágnánk a görbék elején és végén lévő visszaáramlási zónákat, alacsony és közepes fordulatszámig nőne a motor töltési foka, ezáltal nagyobb nyomatékot kapnánk /min-nél azonban csökkenne töltési fok, ezáltal a teljesítmény is. Ez felelne meg az a görbének. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 5

6 3. ábra A kipufogószelep nyitásának hatása a veszteségekre A 3. ábra mutatja a töltetcsere veszteségi területeket p-v diagramban, azon belül is a kipufogószelep nyitási pontjának hatását a kitolási munkára. A baloldali ábra egy késői kipufogószelep nyitást ábrázol, ahol a W 1 -gyel jelölt expanziós veszteség nagyon kicsi, de a késői nyitás miatt a W 2 -vel jelölt kitolási munka nagy. Ilyenkor kevés idő áll rendelkezésre a nyomáskülönbség kiegyenlítődésére, ezáltal a kipufogási ütem magasabb nyomásszinten zajlik. A jobb oldali görbe egy korai kipufogószelep nyitást ábrázol, ahol megnőtt a kárba veszett expanziós munka területe (W 1 ), de jelentősen lecsökkent a kitolási munka (W 2 ). A kettő között az optimumot kell megtalálni, ahol a lehető legkisebb W 1 és W 2 összege. A fent részletezetett folyamatokból látható, hogy minden fordulatszámnál más lenne az optimális szelepnyitási és zárási pont mind a kipufogó, mind a szívószelepnél. Ráadásul ezek nagyban függenek a fojtószelepállástól, tehát a terheléstől is. Emiatt alakították ki a változtatható szelepvezérlést, melynek több fajtája ismeretes. A legegyszerűbb megoldás, amikor fordulatszámtól függően elállítják a vezérműtengelyek fáziselékelését a főtengelyhez képest. 3. A mérés leírása 3.1 A mérőberendezés ismertetése A berendezés elvi vázlata az 4. ábrán látható. A turbótöltésű, levegő-visszahűtésű benzinmotor Borghi-Saveri FE150S típusú örvényáramú fékpadra 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 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 6

7 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 az állórészben 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) - 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. 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 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 8

9 5. 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 9

10 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 stopperúra 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). 6. ábra GM A14NET benzinmotor A motor négyhengeres, hengerenként négyszelepes görgős szelepemelőkkel. A két felülfekvő vezérműtengelyt lánc hajtja. Mind a szívó, mind a kipufogó vezérműtengelyek nyitási pontja MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 10

11 fokozatmentesen állítható, a nyitási mélység és szögkeresztmetszet azonban nem. A pillangószelep és a gázpedál között nincs mechanikus kapcsolat, drive-by-wire rendszer nyitja a szelepet 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 ECU, melynek segítségével minden vezérelhető és szabályozható beavatkozó állítható, így többek között az előgyújtás is. 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 adatgyújtő-adatfeldolgozó egységeket elterjedten használják 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 11

12 7.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 vezérműtengely fázisszöget egyszerű módon, a motor működése közben tudjuk majd állítani a kívánt értékekre a jellegmező-felület egyedi értékeinek módosításával. 8. ábra A MoTec szoftverének kezelőfelülete a szívó vezérműtengely helyzeteinek táblázatával MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 12

13 3.4 A mérés végrehajtása A mérés során a következő mennyiségeket kell mérni: - egy alkalommal: p a környezeti levegő nyomása [Pa] t a környezeti levegő hőmérséklete [C] ϕ a környezeti levegő relatív páratartalma [%] - minden munkapontban: n a motor fordulatszáma [1/min] M a motor nyomatéka [Nm] t t a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s] ϕ ap a gázpedál pozíciója [%] δ a vezérműtengely szöghelyzete [főtengelyfok BTDC] A motort indítás után 10-20% gázpedálállás mellett kb /min fordulat mellett bemelegítjük, amíg a hűtővíz és a kenőolaj el nem éri az üzemi hőmérsékletet. Ezután a fordulatszám függvényében az üzemi tartomány egy részében, két különböző terhelési állapotban (kb. ¼ és ¾ terhelésnél), különböző szívó- és kipufogószelep nyitási pontok mellett meg kell állapítani az effektív középnyomást és a fajlagos tüzelőanyag fogyasztást. Ehhez a mérőszámítógép rögzíti a fordulatszámot, a nyomatékot, az elfogyasztott tüzelőanyag tömegét és a tüzelőanyag elfogyasztásának idejét. Az elfogyasztott tüzelőanyag tömegét előre kell beállítani, ezt úgy kell megválasztani, hogy a mért idő legalább 30 s legyen. A mérés során felvesszük a mért paramétereket a gyári szelepnyitásokkal, majd elforgatjuk a szívó vezérműtengelyt. Először úgy tesszük ezt, hogy korábbra essen a szelepnyitás tehát kisebb legyen a szelepösszenyitás, - majd úgy, hogy későbbre essen tehát nőjön a szelepösszenyitás. Ezután ugyanezt megismételjük a kipufogó vezérműtengellyel úgy, hogy előtte a szívót a gyári helyzetbe visszaállítjuk. A vezérműtengely állítást a MoTec szoftverének kezelőfelületén végezhetjük el egyszerűen, átírva a táblázatban a fordulatszámhoz rendelt értéket a kívántra, amit a beállított PID szabályozó valósít meg. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 13

14 A méréseket kb. ¼ és ¾ terhelésnél, 1500 és /min fordulatszámnál végezzük, mindegyik munkapontban három szívó és három kipufogó vezérműtengely állásnál. 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések A mért értékek segítségével meghatározzuk a motor effektív jellemzőit különböző vezérlési szögek esetén. 4.1 Az effektív teljesítmény A motor mérési körülmények melletti teljesítménye a következő összefüggéssel számítható a mért nyomaték és fordulatszám segítségével: P e = 2πnM. (1) 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 + 273, (2) t ahol az indexben a 0 a motorikus normálkörülményekre 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 tenziógörbéi MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 14

15 4.2 Az effektív középnyomás A motor effektív középnyomása a normálteljesítmény és a motorfordulat alapján a következő összefüggéssel határozható meg: p e Pe 0i =, (3) 2V n H ahol az i az ütemek száma, a V H pedig a motor lökettérfogata. 4.3 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás Az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a tömegmérés alapján: m t B e =, (4) tt ahol m t a tüzelőanyag tömege, t t pedig a tüzelőanyag elfogyasztásához szükséges idő. 4.4 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Az effektív fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás az időegységre eső fogyasztás és a normálteljesítmény hányadosa: B e b e =. Pe0 5. Értékelés, jegyzőkönyv tartalma 1. A mérés körülményeinek és elrendezésének leírása. 2. A mért értékek és a 4. fejezet összefüggései segítségével táblázatosan meghatározzuk a következő effektív jellemzőket, ahol a görbék paramétere a gázpedál pozíciója és az szelepnyitási szög: - az effektív nyomaték a fordulatszám függvényében, M=f(n), - az effektív teljesítmény a fordulatszám függvényében, P e =f(n), MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 15

16 - az effektív normálteljesítmény a fordulatszám függvényében, P e0 =f(n), - az effektív középnyomás a fordulatszám függvényében, p e =f(n), - az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a fordulatszám függvényében, B e =f(n), - az effektív fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás a fordulatszám függvényében, b e =f(n), - az effektív hatásfok a fordulatszám függvényében, η e =f(n). 3. A fenti jellemzők közül a p e =f(n) és b e =f(n) ábrázolása diagramban külön-külön, melyekben a szelepnyitási szög értékét paraméterként tüntetjük fel. Meghatározandók továbbá az optimális szelepnyitási szögek, ha a legnagyobb effektív középnyomást szeretnénk elérni. 6. Függelék 9. ábra Az Opel A14NET motor és a Borghi-Saveri FE 150S fékgép MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 16

17 10.ábra A Borghi-Saveri FE150S fékgép és a MoTec M600 motorvezérlő MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 17