Optimális előgyújtás meghatározása Összeállította: Vass Sándor Dr. Németh Huba Budapest, 2013
Tartalom 1. A mérés célja... 3 2. A méréshez áttanulmányozandó anyag... 3 3. A mérés leírása... 3 3.1 A mérőberendezés ismertetése... 3 3.2 A vizsgálandó motor adatai... 6 3.3 A MoTec motorvezérlő elektronika... 7 3.4 A mérés végrehajtása... 9 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések... 9 4.1 Az effektív teljesítmény... 10 4.2 Az effektív középnyomás... 10 4.3 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás... 11 4.4 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás... 11 4.5 Az effektív hatásfok... 11 5. Értékelés, jegyzőkönyv tartalma... 11 6. Függelék... 13 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 2
1. A mérés célja A mérés célja egy belsőégésű dugattyús Otto-motor optimális előgyújtásának meghatározása statikus üzemben a fordulatszám függvényében, különböző terhelések esetén. 2. A méréshez áttanulmányozandó anyag Ajánlott irodalom: Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, 1992. Áttanulmányozandók a 3.2, 3.3.1, 4.2, 5.3.1, 7.3.2, 16.1 és a 16.3 fejezetek. 3. A mérés leírása 3.1 A mérőberendezés ismertetése A berendezés elvi vázlata az 1. ábrán látható. A turbótöltésű, levegő-visszahűtésű benzinmotor Borghi-Saveri FE 150S 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 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 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 3
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
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
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 szívócső-befecskendezésű turbótöltött benzinmotor képezi (Family0). 3. 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 6
fokozatmentes fázisállítású, a nyitási löket és nyitási szögtartam azonban állandó. 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 vezérelt és szabályozott beavatkozó jellemzője szabadon 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) /4900-6000 kw(le) / 1/min Névleges nyomaték: 200 /1850-4200 Nm / 1/min Motorvezérlő gyártó: Gyári: Delphi / Méréskor: MoTec Alapjárati fordulatszám: 750±50 rpm Maximális fordulatszám: 6000±100 rpm Gyújtási sorrend: 1-3-4-2 3.3 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 7
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 előgyújtást egyszerű módon, a motor működése közben tudjuk majd állítani a kívánt értékekre a gyújtás jellegmező-felület egyedi értékeinek módosításával. 5. ábra A MoTec szoftverének kezelőfelülete az előgyújtás térképpel MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 8
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 [%] α az előgyújtás mértéke [főtengelyfok BTDC] A motort indítás után 10-20% gázpedálállás mellett kb. 1500 1/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 előgyújtási szögek 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 mérések során ügyelni kell arra, hogy ne járassuk a motort feleslegesen nagy előgyújtással kis fordulatszámon és kis előgyújtással (esetleg utógyújtással) nagy fordulatszámokon. 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések A mért értékek segítségével meghatározzuk a motor effektív jellemzőit különböző előgyújtási szögek esetén. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 9
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 + 273 0 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] 0 611 1 656 2 705 3 757 4 813 5 872 6 935 7 1001 t [ o C] p_g [Pa] 8 1072 9 1147 10 1227 11 1312 12 1401 13 1497 14 1597 15 1704 t [ o C] p_g [Pa] 16 1817 17 1936 18 2012 19 2196 20 2237 21 2485 22 2642 23 2808 t [ o C] p_g [Pa] 24 2982 25 3167 26 3360 27 3564 28 3779 29 4004 30 4241 31 4498 2. táblázat A vízgőz tenziógörbéi 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 összlökettérfogata. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 10
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 4.5 Az effektív hatásfok A motor effektív hatásfoka legegyszerűbben a fajlagos fogyasztáson keresztül számítható a fűtőérték segítségével: 1 η e =, (6) b e H ahol H a tüzelőanyag alsó fűtőértéke. A benzin alsó fűtőértékeként H=43.9 MJ/kg használandó. 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 előgyújtási 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 11
- 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 az előgyújtási szög értékét paraméterként tüntetjük fel. E két diagram burkológörbéjének érintési pontjait átvetítve az α=f(n) diagramba, megkapjuk az adott terhelésen (pillangószelep álláson) az optimális előgyújtás jelleggörbéjét. 6. ábra Az elkészítendő diagram jellege MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 12
6. Függelék 7. 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 13
8. 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 14