Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére Teljesítmény Dús Szegény Légviszony Összeállította: Szűcs Gábor Dr. Németh Huba Budapest, 2013
Tartalom 1. Mérés célja... 3 2. A méréshez áttanulmányozandó anyag... 3 3. A mérés leírása... 3 3.1 Mérőberendezések ismertetése... 3 3.1.1 Fékgép... 3 3.1.2 Tüzelőanyag mérés... 7 3.1.3 CO mérés... 7 3.1.4 Légfelesleg mérés... 9 3.2 Motor adatlap... 10 3.3 A mérés végrehajtása... 11 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések... 12 4.1 Kiértékelt motorjellemzők, számítás menete... 12 4.2 Effektív teljesítmény... 12 4.3 Effektív középnyomás... 13 4.4 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás... 13 4.5 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás... 14 5. Kiértékelés, jegyzőkönyv tartalma... 14 6. Irodalomjegyzék... 15 2
1. Mérés célja A keverék-összetétel hatásának vizsgálata a benzinmotor teljesítményére, fogyasztására és COkibocsátására. 2. A méréshez áttanulmányozandó anyag Ajánlott irodalom: 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, 1992. Áttanulmányozandók a 3.2, 3.3.1, 4.2, 5.3.1, 7.3.2,11.1, 16.1 és a 16.3 fejezetek. 2. Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, 1998. Áttanulmányozandók a 3.1.2 és 3.2.1 fejezetek. 3. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Keverékképző rendszerek és Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME 3. A mérés leírása 3.1 Mérőberendezések ismertetése 3.1.1 Fékgép 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 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 3
fékgép szabályozóegysége által állítható, amely által különböző terhelési karakterisztikákat tud megvalósítani. A felhasznált 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. 4
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. 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. 6
3.1.2 Tüzelőanyag mérés A tüzelőanyagfogyasztás-mérés alapja az, hogy meghatározott tömegű tüzelőanyag-tömeg elfogyasztásának az idejét mérjük. A tömegből 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. 3.1.3 CO mérés A szénmonoxid kibocsátásának méréséhez egy infravörös sugárzás szelektív abszorpcióján alapuló gázelemzőt alkalmazunk (3. ábra). 3. ábra Infralyt CL gázelemző A mérőműszer működésének megértéséhez nyújt segítséget a 4. ábra. A mérés alapelve, hogy infravörös tartományban adott vegyületek abszorpciója egymástól elkülönülnek, mind az intenzitásukat, mind a jellemző hullámhosszt tekintve (5. ábra). A sugárforrásból (St4) kilép az infravörös sugárzás, és áthalad két mérőküvettán (M1 és M2), majd bejut egy detektorba (E). Az M1-es mérőcsőbe van a mérendő kipufogógáz bejuttatva, az M2-es mérőcsőben egy olyan gáz található, mely a mérendő gázkomponens (CO) spektrumában semmilyen energiát nem nyel el (pl. nitrogén). A detektorban látható, hogy két különálló kamra található, egyik az M1- es mérőcsőhöz, a másik az M2-es mérőcsőhöz tartozik. A két kamrát egy membrán választ el. 7
A detektorkamrák a mérendő gázkomponenssel (CO) vannak feltöltve. A két mérőküvettán áthaladó infravörös sugárzás bejut a detektorkamrákba és az ott lévő CO szelektíven elnyeli a saját specifikus sávjában a sugárzást és felmelegszik. A felmelegedés mértéke jellemző a beeső sugárzás intenzitására. Mivel az M2-es mérőcsőben olyan gáz van, ami nem nyel el energiát CO spektrumában, az teljes egészében a detektorkamrában fog elnyelődni, tehát melegíteni az ott lévő gázt. Ezzel ellentétben az M1-es mérőcsőben (kipufogógáz) a mérendő gáz mennyiségének megfelelően annak spektrumában energiát nyel el, tehát az ehhez tartozó detektorkamrába ennyivel kevesebb energia fog elnyelődni. Ez azt jelenti, hogy a két detektorkamra között hőmérsékletkülönbség alakul ki. Az eltérő hőmérséklet miatt a membrán (E1) két oldalán különböző nyomás lesz, ami a membrán deformációjához vezet. Ezt úgy tudják érzékelni, hogy a membrán egy kondenzátor egyik fegyverzete, ami ha eltávolodik a másiktól, akkor kapacitásváltozást okoz, amit a méréshez már fel tudnak használni. 4. ábra Az infravörös sugárzás szelektív abszorpciója elvén működő gázelemző vázlata [1] 5. ábra Az infravörös sugárzás szelektív abszorpciója [1] Abban az esetben, ha a mérendő gázkomponens (CO) elnyelési tartománya egybeesik a kipufogógázban található egyéb gázéval (pl. CO 2 ), akkor ezt egy szűrőküvettával (F) küszöbölik ki. 8
3.1.4 Légfelesleg mérés A légfelesleg méréséhez használt mérőeszköz egy szélessávú lambda-szonda, ami egy szélessávú tartományban mérő oxigénérzékelő (Bosch LSU 4.9 Lambdasonde Universal). Ennek az érzékelőnek a feladata a kipufogógáz oxigéntartalmának megállapítása. 6. ábra Bosch LSU 4.9 szélessávú lambda-szonda [2] A hagyományos Nernst-szonda (ugrásfüggvény szonda) csak egy szűk légviszony tartományt képes átfogni, így határai korlátozottak. Erre a típusra az a jellemző, hogy sztöchiometrikus keverési arány körüli tartományban képes értékelhető jelet adni (7. ábra). Ahhoz azonban, hogy szélesebb keverési arány tartományt vizsgáljunk, ez a módszer nem elégséges. 7. ábra Nernst szonda feszültség értékei a légviszony függvényében Mind Otto, mind Diesel motorok teljes működési tartományát lefedő légviszony tényező kiértékelésére fejlesztették ki a szélessávú szondákat. A légviszony tényező mérése 0,65-től gyakorlatilag a végtelen értékig (tiszta levegő) alkalmas. 9
A szélessávú planáris lambda-szonda felépítését a 8. ábra mutatja. 8. ábra 1-szenzor elem, 2-kettős védő bevonat, 3-tömítő gyűrű,4-tömítés,5-szonda ház,6-védőhüvely,7- érintkező tartó,8-csatlakozó,9-teflon burkolat,10-vezeték burkolat [2] A planár elnevezés a rétegszerkezetre utal. A 9. ábra mutatja a szonda keresztmetszetét. Az 1- es referencia ugrásfüggvény lambda-szondát éri a kipufogógáz. A 2 oxigénszivattyú szondával biztosíthatjuk, hogy a referencia szonda mindig a sztöchiometrikus értéket mutasson. Ezáltal a kiszivattyúzott oxigénkoncentráció, azaz a légfelesleg mértéke arányos lesz a szivattyú szonda áramával. 9. ábra A szélessávú lambda-szonda metszete 10
3.2 Motor adatlap A méréseket egy VAZ 2101 típusú motoron végezzük el. A motor főbb műszaki adatait a 1. táblázat tartalmazza. A motor típusjele VAZ 2101 hengerszám 4 sűrítési arány 8.8 (oktánszámigény 92) lökettérfogat 1198 cm 3 furat/löket 76/66 mm névleges teljesítmény 44 kw/5600 1/min legnagyobb forgatónyomaték 87Nm/ 3400 1/min hűtés szivattyús vízhűtés kenés kényszerolajozás megszakító-érintkezők távolsága 0,37 0,43 mm zárási szög 55±3 (61±3 %) gyújtógyertya elektródahézag 0,5 0,6 mm szelephézag hidegen (20 C) 0,15 mm 0,20 mm alapelőgyújtás (FHP előtt) 5 7 1. táblázat VAZ 2101 típusú motor főbb beállításai 3.3 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] CO-kibocsátás [ppm] 11
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. Az üzemmeleg motort egy előre beállított terheléssel (pillangószelep-állásnál) és egy előre meghatározott fordulatszámon járatjuk. A mérés során ügyelni kell arra, hogy a pillangószelep-állás változatlan maradjon. A karburátoron található szabályzócsavar segítségével a keveréket eldúsítjuk (kicsavarjuk a csavart), mindaddig, míg egy meghatározott lambda értékeket el nem érünk. A munkapont stabilizálódása után elindítjuk a mérést. Ezután a szabályzócsavar állításával újabb munkapontot állítunk be. Tehát a mérés során a légfelesleg (a keverék összetétele) függvényében kell megállapítani az effektív teljesítményt, effektív középnyomást, valamint a fajlagos tüzelőanyag fogyasztást és a CO-kibocsátást. 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 CO-kibocsátás érétkét kézzel kell rögzíteni. A méréssorozat akkor fejeződik be az adott fordulatszámon, ha a motor üzeme a keverék szegényítésével instabillá válik, esetleg leáll. 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések A mért értékek segítségével meghatározzuk a motor effektív jellemzőit különböző keverékösszetételek esetén. 4.1 Kiértékelt motorjellemzők, számítás menete A mért adatok alapján számítani, majd ábrázolni szükséges műszaki jellemzők állandó fordulatszám és pillangószelep-állás mellett a légviszony függvényében: Effektív korrigált teljesítmény (P e0 [kw]) Fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás (b e [g/kwh]) A mérés során regisztrált CO-kibocsátás ábrázolása a légviszony függvényében, valamint a motor C-görbéjének megszerkesztése. 4.2 Effektív teljesítmény A motor mérési körülmények melletti teljesítménye a következő összefüggéssel számítható a mért nyomaték és fordulatszám segítségével: 12
, (1) Ez a teljesítmény függ a környezeti jellemzőktől, ezért át kell számítani a szabványos normálteljesítményre a következő összefüggéssel: (2) ahol az indexben a 0 a névleges 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 tenzióértékei 4.3 Effektív középnyomás A motor effektív középnyomása a normálteljesítmény és a motorfordulat alapján a következő összefüggéssel határozható meg:, (3) ahol az i az ütemek száma, a V H pedig a motor összlökettérfogata. 4.4 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás Az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a tömegmérés alapján:, (4) ahol m t a tüzelőanyag tömege, t t pedig a tüzelőanyag elfogyasztásához szükséges idő. 13
4.5 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Az effektív fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás az időegységre eső fogyasztás és a normálteljesítmény hányadosa:, (5) 5. Kiértékelés, jegyzőkönyv tartalma 1. A mérés körülményeinek és elrendezésének leírása. 2. A mért értékek és a 4. fejezet összefüggései segítségével táblázatosan meghatározzuk a következő jellemzőket: - Effektív korrigált teljesítmény a légfelesleg függvényében - Fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás a légfelesleg függvényében - CO-kibocsátás a légviszony függvényében 3. A motor C görbéjének a megszerkesztése. C-görbe az a diagram, amely az effektív korrigált középnyomás, a fajlagos fogyasztás és a légviszony között teremt kapcsolatot. 10. ábra C-görbe 14
6. Irodalomjegyzék [1] Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, 1998. [2] Bosch Produktinformation, LSU, www.bosch-motorsport.de 15