LABORATÓRIUMI SEGÉDLET BUDAPESTI MŰSZAKI EGYETEM GÉPJÁRMŰVEK TANSZÉK Cím: Budapest, XI. Sztoczek u. 6, J. épület, 5. emelet Levél: 1521 Budapest, tel.: 463 1615, fax: 463 3978 Belsőégésű motorok vizsgálata Dízelmotor jelleggörbéinek motorfékpadi mérésen alapuló felvétele (BMW) Készítette: Wahl István Mészáros-Komáromy Árpád A mérés időpontja: A mérés helye: A mérést végezték: Budapest, 2003.
1. A gyakorlat elméleti alapjai 1.1. A gyakorlat célja Dízelmotor jelleggörbéinek felvétele a fordulatszám függvényében különböző terheléseknél, a fékpadi vizsgálatnak, ill. a fékpadi berendezés használatának gyakorlása. 1.2. A gyakorlat előtt áttanulmányozandó anyag Dr. Dezsényi, Dr. Emöd, Dr. Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata 16.1,16.3,16.4.4,16.5, 3.1, 3.2, 3.4, 3.5, 4 fejezetek. 1.3. Ellenőrző kérdések 1. Hogyan alakul át a mechanikai energia a különböző rendszerű fékpadok esetén? 2. Ismertesse az örvényáramú fékpad működési elvét! 3. Milyen módszereket ismer tüzelőanyag, ill. levegőfogyasztás mérésére? 4. Hogyan mérjük a kipufogógáz koromtartalmát? 5. Hogyan számítjuk a motor effektív jellemzőit (teljesítmény, középnyomás, hatásfok, fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás)? 6. Hogyan befolyásolják a környezeti feltételek az effektív jellemzőket? 7. Mit nevezünk külső karakterisztikának? 8. Milyen tényezőkkel, ill. folyamatokkal magyarázhatók az idealizált és valós karakterisztika közti különbségek? 9. Mit értünk terhelési karakterisztikák, jellegmezők, szabályozási jelleggörbék ill. dinamikus jelleggörbék alatt? 2. A gyakorlat előkészítése 2.1. A gyakorlathoz szükséges berendezések Teljesítménymérő fékpad Mérő-, adatgyűjtő rendszer Hőmérséklet-, légnyomás és nedvességmérő Fajsúlymérő 2.2. A mérés előkészítése Mérő-, adatgyűjtő rendszer elindítása Motor kenőolajszintjének, ill. tüzelőanyag szintjének ellenőrzése 2
Hűtőrendszer feltöltése vízzel, a víz tömegáramának beállítása Fékpad hűtőrendszer csapjának nyitása Motor indítása Motor melegítése üzemi hőmérsékletig (kenőolaj-hőmérséklet min. 70 C) Kiinduló adatok leolvasása: környezeti hőmérséklet (t 0 ) nyomás (p 0 ) páratartalom (ϕ)) 2.3. A mérés során felhasznált berendezések és eszközök 2.3.1. Teljesítménymérő fékpad A motorfékpadok működési elve az 1. ábra segítségével világítható meg. A belsőégésű motor M f nyomatéka tengelykapcsolón keresztül hajtja a fékpad forgórészét. A forgórészről az állórészre munkaközeg (víz, elektromágneses mező, esetleg levegő) származtatja át a nyomatékot (M a ). Az állórész úgy van csapágyazva, hogy hossztengelye körül elbillenhet. 1. ábra Motorfékpad működési elve Az állórész y hosszúságú kar közvetítésével mérlegre (tányéros, ingás mérleg, erőmérő cella) támaszkodik F erővel. A mérleg ellenerejéből és a kar hosszúságából adódó reakciónyomaték tart egyensúlyt a motornyomatékkal. A mérleg skáláján közvetlenül a nyomaték vagy az F erő nagysága olvasható le. Ez utóbbi a gyakoribb, mert így a teljesítmény egyszerű módon számítható. A P = M ω összefüggésbe behelyettesítve M = F y és ω = 2π n kifejezést, P = F y 2 π n adódik. 3
2.3.2. A fékpad jellegmezője A fékpad jellegmezője a fékpad mérési tartományát határozza meg. A jellegmező M- n vagy P-n síkon határolja körül azt a területet, amelyen belül a fékpad mérésre használható. A 2. ábrán a jellegmező elvi felépítését és az M-n és P-n síkon rajzolt jellegmezők kapcsolatát szemléltetjük. A két jellegmezőt határoló görbék között mindig a dp d = π ω 2 1 dp dn = M összefüggés áll fenn. A diagramok O-A szakasza a teljes terhelésre szabályozott fékpad jelleggörbéje. Ez a görbe hidraulikus fékpadoknál parabolikus lefutású a közegellenállás törvényszerűségei miatt. Más fékpadoknál az ábrától eltérően, domború ívelésű is lehet. Az A-B szakasz az a legnagyobb nyomaték, amellyel a fékpad terhelhető. A fékpad tengelykapcsolóját, tengelyeit erre a nyomatékra méretezték. A C-D szakasz a megengedhető legnagyobb fordulatszám. A fékpad forgórészeit erre a fordulatszámra méretezték a cetripetális erő szempontjából. A fékpadokban többnyire hőenergiává alakul át a motor munkája, és ezt hűtővízzel vezetik el. A hűtővízcső-keresztmetszetek és a hálózati nyomás korlátozza a hűtővízzel időegység alatt elvezethető hőmennyiséget, azaz a fékezhető legnagyobb teljesítményt. Ennek a korlátozásnak felel meg a B-C görbeszakasz. Végül az O-D szakasz a legkisebb terhelésre állított fékpad teljesítményfelvétele. Ennél kisebb terhelés nem valósítható meg a csapágysúrlódások, a levegőörvény-keltés vagy villamos fékpadoknál a maradó mágnesség miatt. Adott belsőégésű motor akkor mérhető egy fékpadon, hogyha a motor jelleggörbéje berajzolható a fékpad jellegmezőjébe. A fékpadokat készítő gyárak ezért fékpadsorozatokat gyártanak, amelyekből kiválasztható az adott motor fékezéséhez megfelelő méret. 2. ábra Motorfékpad P-n és M-n jellegmezője 4
2.3.3. Elektromos örvényáramú fékpad Az elektromos örvényáramú fékpad előnye, hogy a fékezőnyomaték-fordulatszám görbe gyakorlatilag tetszőegesen szabályozható, ezen kívül ezek a fékpadok egyszerűen automatizálhatóak. Az elektromos örvényáramú fékpad állórésze és forgórésze között mágneses hatás hozza létre a fékezőnyomatékot. Az állórészben gerjesztőtekercsek vannak, melyekben egyenáram folyik. A fogazott tárcsa alakú forgórész forgásakor az állórész gerjesztő-tekercseiben örvényáram indukálódik, amely a tárcsát fékező mágneses erőteret hoz létre. A motor teljesítménye hőenergiává alakul, amit hűtővízzel elvezetünk. A gerjesztő áram, és ezzel a fékezőnyomaték nagysága potenciométeren keresztül kézzel, vagy elektronikus automatika segítségével szabályozható. Az automata vezérlés különböző fékezőnyomaték-fordulatszám összefüggéseket képes létrehozni, ezek láthatók a 3. ábrán. A fékpad jelleggörbéje ily módon mindig hozzáigazítható a motor nyomatéki görbéjéhez úgy, hogy stabil munkapont adódjék. Akkor stabil a munkapont, ha kis fordulatszám-változás hatására a motornyomaték és a fékezőnyomaték nagyon eltér egymástól, hogy az eredeti fordulatszám ingadozás nélkül visszaálljon. A forgórészben kialakuló erővonalak sugár irányúak, ezért keskeny, kis tehetetlenségi nyomatékú forgótárcsa alakítható ki. Ez a kedvező szabályozási és vezérlési lehetőségek teszik alkalmassá arra, hogy programvezérléssel is működtethető legyen. 3. ábra Az örvényáramú fékpad jelleggörbéi A 3. ábrán az automatikával megvalósítató jelleggörbéket láthatjuk. Meghatározhatunk lapos, fordulatszámtartó, meredek, ill. parabolikus karakterisztikákat. A lapos jelleggörbe alkalmas pl. soros gerjesztésű villanymotorok, míg a meredek karakterisztikájúak belsőégésű motorok vizsgálatához. A parabolikus jelleggörbe jól közelíti a jármű légellenállását. 5
A gyakorlaton használt SCHENCK W230 típusú fékpad jellegmezejét a 4. ábra log-log skálájú diagramja szemlélteti. 4. ábra Schenk típusú fékpadok mérési tartománya 2.3.2. Mérő-, adatgyűjtő rendszer A SCHENCK W230 fékpadhoz illesztett ENERGOTEST-MF rendszer alkalmas fogyasztás, nyomaték, hőmérséklet, nyomás és fordulatszám mérésére, az adatok tárolására, valamint azok kiértékelésére, ill. bizonylat készítésére. A mérés elvégzése után a mért adatok mágneslemezen, vagy nyomtatott formában vihetők el. A rendszer használatát a hallgatók a gyakorlatvezető oktató, és a mérő-, adatgyűjtő rendszerhez mellékelt használati utasítás segítségével a mérés megkezdése előtt sajátítják el. 2.3.3. Dízelmotor műszaki adatai A BMW M51D típusú dízelmotor egy turbó feltöltéses, örvénykamrás motor töltőlevegő visszahűtővel, elektronikus vezérlésű központi elosztós (VE) befecskendező szivattyúval, kipufogógáz visszavezetéssel és katalizátorral. Az elektronikus egység a turbótöltő fojtószelepét és a kipufogógáz visszavezetést is vezérli. A motor a 325TDS, 525TDS, touring típusú személygépkocsikban található. A motor paraméterei az 1. táblázatban láthatók. 6
Motor típusjele: BMW M51D Hengerek száma: 6 Lökettérfogat: 2498 cm 3 Furat / Löket: 80/82.8 mm Legnagyobb teljesítmény: 105 kw (143 LE) / 4800 min -1 Legnagyobb forgatónyomaték: 260 Nm / 2200 min -1 Maximális fordulatszám: 5200 min -1 Tömeg: 197 kg Zaj: 75 dba 3. A gyakorlat végrehajtása 3.1. Mérendő mennyiségek Fordulatszám (1/min): a fékpadot az automatika segítségével n=állandó üzemmódban üzemeltetjük, a munkapontot a fordulatszám beállításával határozzuk meg. Nyomaték (Nm): a mérőrendszer segítségével a nyomaték értékét közvetlenül leolvashatjuk. Mérés időtartama (s): a mérést a dízelmotor esetében 50 ill. 150 cm 3 mennyiségű tüzelőanyag elfogyasztásáig végezzük, és ennek időtartamát mérjük. Az elfogyasztott tüzelőanyag mennyiséget úgy határozzuk meg, hogy a mérés legalább 30 s-ig tartson. A mérés időtartamát az adatgyűjtő rendszer nem rögzíti automatikusan, ezért vagy a megadható külső csatormában tároljuk, vagy külön feljegyezzük. Benzinmotor esetén a mérés időtartama beállítható, és azt az adatgyűjtő rendszer külön rögzíti is. Elfogyasztott tüzelőanyag mennyisége Kompresszor előtti, ill. utáni nyomás Tüzelőanyag sűrűsége (kg/m 3 ) A vizsgált tüzelőanyag hőmérséklete Légköri nyomás (Pa) Környezeti hőmérséklet Relatív nedvességtartalom A mérés során ezeken az érékeken kívül rögzítünk még számos nyomás, ill. hőmérséklet értéket, ezeket azonban nem használjuk fel a számított értékek meghatározásához, csupán a motor üzemének ellenőrzéséhez, ill. a mérés reprodukálhatóságához van rájuk szükség. 3.2. A műszaki jellemzők kiszámítása Effektív teljesítmény: P e = M ω = M 2 π n (W) ahol: M: nyomaték (Nm) ω: szögsebesség (rad/s) n: fordulatszám (1/s) 7
Effektív középnyomás: Az effektív középnyomás nem más, mint a hengertérfogatra jutó fajlagos ciklusmunka. W ec e p e = Wec = Vh 2 n z P i p e Pe i = (Pa) V 2 n z h ahol: V ec : egy ciklus munkája (J) V h : egy henger lökettérfogata (m 3 ) P e : effektív teljesítmény (W) i: ütemszám z: hengerszám n: fordulatszám (1/s) Korrigált teljesítmény: A különböző éghajlati viszonyok, a környezeti feltételek (levegő nyomása, hőmérséklete, relatív nedvességtartalma) befolyásolják a belsőégésű motorok teljesítményét. Ezért az effektív teljesítményt át kell számolni normál légköri viszonyokra. A korrigált teljesítményt egyrészt elméleti módszerrel, másrészt az EGB előírása szerint számíthatjuk ki. Elméleti módszer: Normál légköri viszonyról beszélünk, ha a levegő hőmérséklete 20 C, nyomása 100 kpa és relatív nedvességtartalma 50%. Ekkor a korrigált teljesítmény: P e0 p0 ϕ0 pg0 273 + t = Pe (W) p ϕ p 273 + t g 0 EGB szerinti módszer: Normál légköri viszonyról beszélünk, ha a levegő hőmérséklete 298 K, nyomása 100 kpa és a parciális szárazlevegő-nyomás 99 kpa. Ekkor a korrigált teljesítmény: e0 a f P = m (f ) P (W) e f a 0.7 1.5 99000 t + 297 = p fm = 0.036 qc 1. 14 sz 298 q q c = r ahol: P e : mért effektív teljesítmény (W) p: légköri nyomás (Pa) p 0 : légköri nyomás normál légköri viszonyoknál (Pa) p g0 : telített vízgőz nyomása p 0 nyomáson (Pa) p sz : száraz levegő parciális nyomása (Pa) ϕ: relatív nedvességtartalom (%) 8
ϕ 0 : relatív nedvesség normál légköri viszonyokra (%) t: környezeti levegő hőmérséklete ( C) t0: levegő hőmérséklete normál légköri viszonyoknál ( C) q: 1 liter lökettérfogatra számított dózis ( mg /(l ciklus)) r: kompresszor nyomásviszonya Fogyasztás: Fogyasztás alatt az időegység alatt elfogyasztott tüzelőanyag mennyiségét értjük. Vt ρ B = (kg/s) t m ahol: V t : tm idő alatt elfogyasztott tüzelőanyag (m 3 ) ρ: tüzelőanyag sűrűsége (kg/m 3 ) t m : mérés időtartama (s) Fajlagos fogyasztás: A fajlagos fogyasztás az egységnyi munkára fordított tüzelőanyag-mennyiséget mutatja meg. b B t m t = = (kg/ws) W B P V e ρ t m ahol: B: fogyasztás (kg/s) t m : mérés időtartama (s) V t : tm idő alatt elfogyasztott tüzelőanyag (m 3 ) ρ: tüzelőanyag sűrűsége (kg/m 3 ) P e : effektív teljesítmény (W) Dózis: Dózis alatt az egy hengerbe egy ciklus alatt befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét értjük. Vt i d = (m 3 ) 2 z n t m ahol: V t : elfogyasztott tüzelőanyag mennyisége (m 3 ) i: ütemszám z: hengerszám n: fordulatszám (1/s) t m : mérés időtartama (s) 9
Effektív hatásfok: Az effektív hatásfok azt fejezi ki, hogy a tüzelőanyagból felszabaduló energia hány százaléka végez hasznos munkát. We η = B H t 1 = b H t ahol: W e : effektív munka (J) B: tüzelőanyag-fogyasztás (kg/s) H t : tüzelőanyag fűtőértéke (J/kg) b: fajlagos fogyasztás (kg/j) 3.3. A mérés végrehajtása Az üzemmeleg motort adott terhelésre állítjuk, és ennél a terhelésnél a teljes fordulatszámtartományon egyenletesen elosztva legalább 10 mérési pontot veszünk fel. A munkapont beállítása után meg kell várni, amíg a motor üzeme stabilizálódott, és akkor kezdődhet a mérés. A mérőrendszer a stabil állapotot ellenőrzi és a mérést nem engedi elkezdeni, amíg az be nem áll. (A stabil állapotfigyelés opcionálisan kikapcsolható). A mérések elvégzése után az eredményeket a mérőrendszer tárolja. A mérési sorozatot több terhelés esetén elvégezzük (35%,50%,75%,100%), lefedve a motor teljes működési tartományát. 3.4. A mérés befejezése Az utolsó mérés végrehajtása után a terhelést megszüntetjük, majd néhány perces üresjárati üzem után a motort leállítjuk, a tüzelőanyag csapját, valamint a fékpad hűtővíz csapját elzárjuk. Az adatok elmentése után a mérő-, és adatgyűjtő rendszert kikapcsoljuk. 3.5. Jegyzőkönyv elkészítése A jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell a mérés körülményeit, a mért adatokat, a számítási eljárásokat, a számított értékeket táblázatos formában és diagramon. A diagramon az effektív teljesítményt, a korrigált teljesítményt, az effektív középnyomást, a fogyasztást, a fajlagos fogyasztást, a dózist, valamint az effektív hatásfokot kell ábrázolni. 10