Motorteljesítmény mérés dianosztikai eszközökkel Készült a Bolyai János Ösztöndíj támoatásával Dr. Lakatos István h.d., eyetemi docens* * Széchenyi István Eyetem, Közúti és Vasúti Járművek Tanszék (e-mail: lakatos@sze.hu) Abstract: A örős járműfékok seítséével a keréken leadott teljesítményt (kerékteljesítmény), nyomatékot, erőt (vonóerő) lehet mérni. Ezek az értékek a jármű orszáúti jellemzői. A motor effektív jellemzői azonban a ba épített fékép seítséével nem határozhatók me, uyanakkor a yártók általában ezeket a jellemzőket (effektív motorteljesítmény, effektív motornyomaték) adják me. A tanulmány ezen értékek örősi mehatározására alkalmas módszert ismertet. 1. BEVEZETÉS A épjármű motorok effektív teljesítményének mérése féktermi mérésekkel történik, amely kiszerelt motort feltételez. Ennek eredményei a meadott ún. külső vay teljes terhelési jelleörbék. Iény van azonban arra, hoy járműbe épített állapotban is mérhetők leyenek ezek a jellemzők (foratónyomaték, teljesítmény). Ennek eszköze a örős járműfék lehet. Mivel örős járműfékon alapesetben a keréken leadott teljesítményt tudjuk mérni, a kerék és a motor közötti veszteséek mehatározásával juthatunk közelebb a feladat meoldásához. A dianosztikai célú teljesítmény ellenőrzéshez minimálisan ±5%-os, elvárhatóan ±3%-os pontossá szüksées. Ezzel a pontossáal elvéezhető a motor külső karakterisztikára ható beavatkozások hatás-elemzése. 1. MOTORTELJESÍTMÉNY MÉRÉS GÖRGŐS FÉKADON 1.1 A terheletlen jármű hajtáslánc elemeinek mozásviszonyai A mérés kiinduló állapota, hoy a örőinek terhelését (fékép) kikapcsoljuk, és a on álló jármű hajtásláncát és a teljesítménymérő örőit, teljes terhelésű (teljes áz) szabad yorsításban yorsítjuk fel a névlees motorfordulatszámi a vizsálati sebesséfokozatban (yorsulási szakasz). Ezt követően a tenelykapcsolót oldva, a sebesséváltót az adott fokozatban hayva, hayjuk meállási lelassulni az autót (lassulási vay kifuttatási szakasz). Ilyenkor a motornak az 1. ábrán ábrázolt tehetetlenséi nyomatékokat kell felyorsítania, a kifuttatás során a Θ m nincs benne a láncban, mivel azt a tenelykapcsoló oldásával leválasztottuk. 1. ábra: A jármű hajtásláncának tehetetlenséi nyomatékai
Az 1. ábrán látható rendszerre írjuk fel az eneriaeyenletet, mely szerint a rendszerbe bevezetett munka időbeli változása ( e effektív motorteljesítmény) eyenlő a kinetikai eneria (E k ), a potenciális eneria (E p ) és az elvezetett hő (Q) időbeli változásával: de de k p dq = (1.) dt dt dt e Mivel a potenciális eneria a mérés során nem változik: dek dq e = (2.) dt dt A rendszer kinetikai eneriájának meváltozása a kerék, illetve a örőinek yorsításában nyilvánul me, tehát ez a ta a kerékteljesítménnyel ( k ) eyenlő. Az elvezetett hő, viszont a hajtási vesztesé teljesítménnyel ( v ) eyenlő: = e k v (3.) A foró mozás dinamikai alapeyenlete felírható mind a yorsítási, mind a kifuttatási szakaszra: Ahol: ω 2 d ϕ dϕ = M ω = (θred ε) ω = θred dt dt (4.) 2 a örős örőjének szösebessée Θ red a jármű hajtásláncának a örős örőjének tenelyére redukált tehetetlenséi nyomatéka ϕ a örő szöelfordulása Θ, red a örős tehetetlenséi nyomaték örőtenelyre -index yorsulás - -index lassulás A lassulási szakasz alapeyenlete: = veszt ' (M) ( ω) v, f(v) fékező = ω ε [θjárműáred θ ] (7.) (8.) A fenti eyenletekben a (M) érték ey illetve két vesszővel jelölt változata arra utal, hoy a yorsítási és a lassítási szakaszban különböző ez a vesztesé hányad, hiszen a lassítási fázisban a motort leválasztjuk a rendszerről. 1.2 A fiyelembe vett veszteséek elemzése A veszteséek elemzését csupán a naysárendek ismerete miatt véezzük el. A pontos veszteséi érték mehatározására mérési módszert javaslunk. A vonóerő-füő veszteséek (M F ) között az alábbi értékek yakorolnak befolyást a mérésre, lásd 2. ábra (A zárójelben szereplő számérték csupán a naysárendet adja me, hoy viszonyítani tudjunk.): foaskerék súrlódási vesztesé (a motor effektív teljesítményének ( e ) mintey 7%-a) szlip a umiabroncs és a örő között (a motor effektív teljesítményének ( e ) mintey 7%-a) ε t a örő szöyorsulása idő A yorsulási szakasz alapeyenlete: = veszt " (M) ( ω) v, f(v) (5.) Ahol: f(m) kerék = ω ε [θmot,red θjárműáred θ ] (6.) az f(m) indexű taok a vonóerő füő veszteséek f(ω) az f(ω) indexű taok a sebessé-füő füő veszteséek -index örő Θ mot, red motor tehetetlenséi nyomaték örőtenelyre 2. ábra: Vonóerő-füő veszteséek Sebesséfüő veszteséek (M v ), lásd 3. ábra: olajkavarási és ventillációs vesztesé a hajtóműben (a motor effektív teljesítményének ( e ) mintey 2%-a) umiyúródási munka (a motor effektív teljesítményének ( e ) mintey 7-20%-a) Θ jármű, red a jármű tehetetlenséi nyomaték örőtenelyre
3. ábra: Sebessé-füő veszteséek A fiyelembe vett veszteséek elemzése alapján meállapíthatjuk, hoy a keréken leadott teljesítmény kb. a 2/3-a a motor effektív teljesítményének. A veszteséet okozó eyséeket a 4. és 5. ábra szemlélteti. 5. ábra: Veszteséelemzés 1.3 A motorteljesítmény mehatározása A yorsítási és lassítási szakaszok reisztrátumait a 6. ábra mutatja. Ennek alapján és a 3. képletnek mefelelően, a motor effektív teljesítménye az alábbi alakban írható fel. A yakorlatban ez a 6. ábrán látható yorsítási füvény (pozitív) áára a neatív (lassítási) metszékek felmérést jelenti. 4. ábra: Veszteséelemzés = ω ε [θ θ θ ] ω ε [θ θ ] mot,eff mot,red járműáred A teljesítmény érték mehatározásához mé a Θ red értékre van szüksé. Ezt úy határozhatjuk me, hoy a 6. ábrán látható diaram k örbéjének szélsőértékéhez (maximum) tartozó sebessé értéknél a örős féképe seítséével memérjük a teljes terhelési teljesítmény értékét. Ez osztva a 6. ábrán látható ω.ε értékkel, éppen a Θ red értéket adja. Ennek seítséével a 6. ábra diaramja már kw léptékkel skálázható. járműáred " ( M) (9.) 6. ábra: A motorteljesítmény mehatározási elve
1.4 A mért érték helyesbítése Mivel azonban a yorsítási és a lassítási á vonőerő-füő teljesítménye nem azonos, az íy kapott értéket az alábbi empirikus összefüés szerint helyesbíteni kell: mot = mot, örbe k, mért v, = 0,1 f Mivel ( M) k, mért 1.5 A mért érték korrekciója 0,1 (10.) (11.) A mért teljesítmény értéke fü a léköri jellemzőktől, és a tenerszint feletti massától. A tenerszint feletti maassá növekedésével például a léköri nyomás, a leveő hőmérséklete, a leveő oxiéntartalma, az oxién parciális nyomása eyre csökken. A leveő hőmérsékletének, nyomásának változását a maassá füvényében az 1. táblázat mutatja. Maassá (m) Leveő hőmérséklete Nyomás % O2 parciális nyomása 0 m 15 C 100% 20,95% 1 000 m 8,5 C 88,70% 18,60% 2 000 m 2,0 C 78,50% 16,40% 3 000 m -4,5 C 69,20% 14,50% 4 000 m -11,0 C 60,90% 12,70% 5 000 m -17,5 C 53,30% 11,70% 8 000 m -36,6 C 35,20% 7,37% 1. táblázat: ahol: cf: d: Tc: korrekciós tényező (12.) léköri nyomás száraz leveőre vonatkoztatva [mb] külső hőmérséklet [ C] A korrekciós tényező alkalmazása: alkalmazhatják keréken mért teljesítményre és főtenelyre vonatkoztatott teljesítményre. Főtenelyre számított teljesítmény esetén a yorsítási szakaszban mért kerékteljesítmény és szabadkifutás során realizált vesztesételjesítmény összeét meszorozzák a korrekciós tényező értékével, a szorzat értéke az úynevezett korriált motorteljesítmény. Azaz: ahol: cf: korrekciós tényező (13.) Eyes teljesítménymérő okon lehetősé van nem szabványos korrekciós tényezők használatára is. A korrekciós tényező alkalmazása nayon fontos, hiszen seítséével minimalizálható a léköri körülmények (lényomás, páratartalom, hőmérséklet) befolyásoló hatása. 1.6 A mért érték mejelenítése A mért értékek mejelenítésére a leelterjedtebb és a lekönnyebben átlátható meoldás a derékszöű koordináta rendszerben történő ábrázolás. A koordináta rendszer x tenelyén a motorfordulatszám (vay a járműsebessé) van feltüntetve, mí az y tenely kettős skálázásán az effektív nyomaték és a teljesítmény (7. ábra). A tapasztalatok szerint a tenerszint feletti maassá 100 méterenkénti növekedésével az elszenvedett teljesítményvesztesé 1%. A fentiek miatt a kapott mérési eredményeket úynevezett standard atmoszférikus állapotra kell vonatkoztatni korrekciós tényező seítséével. A épjárműiparban alkalmazott korrekciós eljárások nem eyséesek, többféle korrekciós tényező, számolási módszer terjedt el, mint pl. DIN 70020, EWG 80/1269, ISO 1585, SAE J1349, JIS D1001. Ami közös mindeyik eljárásban: fiyelembe veszik a mérés helyszínén mért leveőhőmérsékletet és lényomást (száraz leveőre vonatkoztatva). Amiben viszont különböznek: természetesen a képlet alakjában, valamint eltérőek lehetnek a képletben alkalmazott standard hőmérséklet és lényomásértékek. Ey példa a korrekciós tényezőre: a The Society of Automotive Enineers (SAE) által 2004 auusztusában frissített SAE J1349 korrekciós formula az alábbi: 7. ábra: A motorteljesítmény mehatározási elve
Az ábra mejeleníti a mérési-számítási lépéseket, íy pl. a korrekciót is: a keréken mért teljesítmény, a vesztesételjesítmény, a motorteljesítmény, a korriált motorteljesítmény, A vesztesé teljesítmény ábrázolása esetenként a koordinátarendszer y tenelyének neatív tartományában kerül feltüntetésre, ezzel is szemléltetve, hoy veszteséről van szó. A mellékelt diaramon ez pozitív előjellel látszik. ábrázolásra A motorteljesítmény (lila örbe) minden pontjában fennáll a motor számított = yorsítási f ékező összefüés, azaz a lila örbe adott fordulatszámhoz tartozó értéke a fekete és a zöld örbe uyanahoz a fordulatszámhoz tartozó értékeinek az összee. Mivel a veszteséek a fordulatszámmal nem lineárisan növekednek, ezért a főtenelyre számított érték örbéjének alakja valamelyest eltér a maasabb fordulatszámtartományban a fekete örbe alakjától, és a maximum helye is eltér. A piros örbe a korriált teljesítmény örbéje, mely a lila örbének korrekciós tényezővel vett szorzata. Kieészítő mérőberendezésekkel és arra alkalmas szoftverrel számos további hasznos dianosztikai adat kerülhet fel diaramra a teljesítményen és nyomatékon kívül. Néhány példa: stb. ázpedálállás, AFR, feltöltési nyomás, szívócső-depresszió, kipufoóáz-hőmérséklet, előyújtás értéke, ÖSSZEFOGLALÁS A tanulmányban ismertetett eljárás fő előnye, hoy járműbe épített állapotban képesek vayunk a motorteljesítmény érték mehatározására. Ez eyébként csupán motorféktermi mérésekkel lenne elvéezhető, amelynek azonban jelentős járulékos költséei vannak. Az ismertetett módszer uyanakkor a mindennapi dianosztikai méréstechnikában is kitűnően felhasználható. FELHASZNÁLT IRODALOM [1.] Dr. Lakatos István: Instacioner üzemállapotú motorteljesítmény-mérés örős járműfékon, MicroCad Konferencia 2010, Miskolc [2.] Dr. Lakatos István: Gépjárműdianosztika előadási anyaok, ower oint prezentáció, Győr, Széchenyi István Eyetem