Dízelmotor égésfolyamatának vizsgálata

Dízelmotor égésfolyamatának vizsgálata Összeállította: Bárdos Ádám Dr. Németh Huba Budapest, 2013.

Tartalom 1. A mérés célja... 3 2. A méréshez ajánlott irodalom... 3 3. A 2. számú fékterem bemutatása... 3 3.1 A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetése... 3 3.2 A vizsgálandó motor adatai... 6 4. Az indikáló műszer ismertetése... 7 4.1 A méréshez használt nyomásmérő szenzor... 7 4.2 A főtengely szögjeladó... 9 4.3 Mérőerősítő és mérőszoftver... 11 5. A mérés végrehajtása... 11 6. A mérés kiértékelése... 13 6.1 A befecskendezett dózis számítása... 13 6.2 Az égésfüggvény értékének meghatározása... 13 6.3 A kumulált égésfüggvény meghatározása... 14 6.4 A henger-hőmérséklet számítása... 15 6.5 A kamra-indikált középnyomások kiszámítása... 16 7. Értékelés, a jegyzőkönyv tartalma... 17 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 Indirekt befecskendezésű dízelmotor indikátordiagramjainak felvétele az örvénykamrában, a motor terhelésének és fordulatszámának változtatása mellett. A felvett nyomásadatok alapján az égésfüggvények számítása, az égésfolyamat jellemzőinek meghatározása, a dózis- és fordulatszám változás égésfüggvényre gyakorolt hatásának vizsgálata. A gyakorlat célja továbbá az indikáló műszerek használatának és működésének megismerése. 2. A méréshez ajánlott irodalom 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, 1992.: 3.1, 3.2, 3.3, 3.5, 4.2, 16.1, 16.2 és a 16.3 fejezetek. 2. Kalmár I., Stukovszky Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi Kiadó, 1998., áttanulmányozandó fejezetek: 2.3 és 2.4 3. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME 3. A 2. számú fékterem bemutatása 3.1 A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetése A turbótöltésű, töltőlevegő-visszahűtésű dízelmotor örvényáramú fékpadra van kapcsolva. A fékgép és a motor vezérlését, a munkapont beállítását az Energotest-MF számítógépes merőrendszer segítségével végezzük el. A berendezés elvi vázlata az 1. ábrán látható. 1. ábra A mérőberendezés felépítése MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 3

A villamos örvényáramú fékgép 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 a forgórészben örvényáramok indukálódnak. Ezek az örvényáramok a tárcsát 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 Schenck W230 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 Schenck fékpad szabályozóegysége egy mérésadatgyűjtő egységen keresztül kapcsolódik a mérő/vezérlő számítógéphez. Ez az egység további vezérlő és mért jeleket dolgoz fel. 2. ábra A Scheck W230 fékgép határgörbéje MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 4

A motor terhelési szintjének beállításához az állandó fordulatú üzemben a gázpedál pozíciója szolgál. A fékpadon lévő motor nem rendelkezik gázpedál potenciométerrel, így az ennek megfelelő elektromos feszültség vezérlő jelet a mérőrendszer küldi az EDC-nek. Így az %-os lépésekben állítható be. Ezen túl a tüzelőanyagfogyasztás-mérő berendezés vezérlése és mérése is a mérőszámítógép által irányított. A tüzelőanyagfogyasztás-mérés alapja az, hogy meghatározott térfogatú tüzelőanyag-mennyiség elfogyasztásának az idejét mérjük. A mennyiségekből és az időből számítható a fogyasztás. A fogyasztásmérő a vezérlőjel hatására előre feltöltött kalibrált mérőgömbökből táplálja a motort, amelyeknek választható térfogatai 50 ill. 150 cm 3. A műszer a mérőtérfogat kiürülését optikai jeladó segítségével ellenőrzi. Mivel az elfogyasztott tüzelőanyag tömegére van szükség a mérés során, ezért a tüzelőanyag sűrűségét a mérés megkezdése előtt meg kell határozni egy merülőpálcás sűrűségmérővel (areométer). 3. ábra A vizsgálandó dízelmotor 4. ábra Villamos örvényáramú fékpad és vezérlő-számítógépe MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 5

3.2 A vizsgálandó motor adatai BMW M51D típusú, soros hathengeres, közvetett befecskendezésű, turbófeltöltéses dízelmotor töltőlevegő visszahűtővel, elektronikus vezérlésű axiáldugattyús befecskendező szivattyúval (Bosch E-VE), kipufogógáz visszavezetéssel és katalizátorral. A motort a BMW 325TDS (E36) és 525 TDS (E34) autóiba építették be és 4 különböző teljesítményszintű és emissziós osztályú típusait 1991-től 2000-ig gyártották. A motor kifejlesztését Dr. Anisits Ferenc magyar gépészmérnök irányította és ő adományozta a motort. A motor főbb paraméterei: 5. ábra A BMW M51D motor Motor típus: BMW M51D25 OL Azonosító: 25 6T 1-L Hengerek száma: 6 Szelepek száma/típusa: 12/OHC Égéstér: Örvénykamrás Ütemszám: 4 Lökettérfogat: 2498 cm 3 Furat/Löket: 80/82.8 mm Hajtórúdhossz 130 mm Kompresszióviszony: 22:1 Névleges teljesítmény: 105 (143) /4800 kw(le) / 1/min Névleges nyomaték: 260 /2200 Nm / 1/min MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 6

Motorvezérlő gyártó: Bosch A befecskendező típusa: E-VE Alapjárati fordulatszám: 750±50 ford./perc Maximális fordulatszám: 5300±100 ford./perc Befecskendezési sorrend: 1-5-3-6-2-4 1. táblázat BMW M51D motor főbb paraméterei A motor örvénykamrás keverékképzésű és a kamrába vezetett izzítógyertyákkal rendelkezik, amelyet eltávolítva az indikáló-nyomásjeladó behelyezésére használjuk. A motor Ricardo-féle Comet égéstere a porlasztóval és az izzítógyertyával az alábbi ábrán látható: 6. ábra A motor égéstere 4. Az indikáló műszer ismertetése 4.1 A méréshez használt nyomásmérő szenzor A méréshez egy AVL GH13P típusú hűtetlen, piezoelektromos elven működő, galliumortofoszfát (GaPO 4 ) szenzort használunk. A GaPO 4 az AVL cég szabadalmaztatott anyaga, melynek érzékenysége kétszer akkora, mint a kvarckristályé és mivel 970 C-ig kiemelkedő stabilitású, ezért hűtetlenül is használható. A jeladó főbb paraméterei az alábbi táblázatban láthatóak: MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 7

2. táblázat Az AVL GH13P szenzor főbb paraméterei Az indikáló jeladó egy adapter segítségével illeszkedik az izzítógyertya furatába. A GH13P szenzor a felhasznált adapterbe tekerve az alábbi ábrán látható: 7. ábra Az AVL GH13P szenzor és az AG04 izzítógyertya adapter és a főbb méretek MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 8

4.2 A főtengely szögjeladó A p-φ diagramok felvételéhez a nyomásadatok mellett elengedhetetlen a főtengely szöghelyzetének nagyfelbontású mérése és a dugattyú felső holtponti helyzetének igen pontos meghatározása és ennek trigger jele. Nagy felbontású szögjeladó szükséges a nagy frekvenciájú nyomáslengések pontos rögzítéséhez (pl.: kopogásos égés) és a pontos indikált középnyomásszámításhoz. A fenti célokra az AVL 365C optikai elven működő szögjeladóját használjuk fel a laborgyakorlat során. A jeladó az alábbi ábrán látható: 8. ábra AVL 365C optikai szögjeladó A jeladó egy optocsatoló fényforrásból és fototranzisztora közé helyezett 360 furattal ellátott tárcsából, a hozzá csatlakozó optikai kábelből, jelátalakító elektronikából és a felfogatáshoz szükséges alkatrészekből áll. A tárcsa forgása az optocsatolón összesen 720 vonaljelet és egy trigger jelet (a dugattyú felső holtpontjának beazonosítása végett) ad fordulatonként, így a szögjeladó fizikai felbontása 0.5, ami szoftveres interpolációval 0.1 fokra növelhető. A mérés elve az alábbi ábrán látható: 9. ábra Optikai elvű szögjeladó működése MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 9

Az indikátordiagramokból számolt motorikus jellemzőkre (indikált középnyomás, súrlódási középnyomás, égésfüggvény) jelentős hatást gyakorol a dugattyú felső holtponti helyzetének pontos meghatározása. Ha a szögjeladó triggerjeléhez viszonyított mérési felső holtpont helyzetét a valóságosnál korábbira vesszük, az a mért nyomások p-φ diagramon való jobbra tolódását eredményezi. Ez a valóságosnál alacsonyabb kompresszió- és a valóságosnál magasabb expanziónyomásokat eredményez. Ez a hatás pontatlanságokhoz vezet a későbbi égésfüggvény és a súrlódási középnyomás stb. számításánál. Ennek a hibának a nagyságát szemlélteti az alábbi ábra az égés alatt felszabadult hőre és súrlódási középnyomásra vonatkoztatva: 10. ábra Helytelen FHP referencia meghatározásának következményei a henger energiamérlegében és a súrlódási középnyomásban A fent említett okok miatt nagy gondot kell fordítani a FHP szöghelyzetének meghatározására. Erre a következő lehetséges megoldások kínálkoznak: - mérőóra segítségével való mérés - begyújtatlan henger nyomásgörbéjének meghatározása alapján - kapacitív elven működő FHP szenzor alkalmazásával A mérés során a begyújtatlan nyomáslefutás alapján határozzuk meg a FHP helyzetét. Itt nem vehetjük felső-holtponti helyzetnek egyszerűen a legnagyobb nyomás helyzetét, mivel az kicsivel a FHP előtt fog jelentkezni a hő- és tömítetlenségből adódó veszteségek miatt. Ezt a szögeltérést szakirodalmi adatok alapján, az alábbi táblázat szerint vesszük figyelembe: MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 10

11. ábra A felső holtpont és a maximális nyomás szöghelyzetének különbsége az egyes motortípusokra 4.3 Mérőerősítő és mérőszoftver A nyomásszenzorok analóg jelét a feldolgozás előtt erősíteni, digitalizálni, majd a szögjeladó és trigger jelével együtt rögzíteni, és a mérő PC-nek átadni szükséges. Erre a célra az AVL IndiSmart 612-es nyolccsatornás mérőerősítő és feldolgozó egységét alkalmazzuk, mely Gigabit Ethernet interfésszel kapcsolódik a mérő PC-hez. Az adatok feldolgozását és rögzítését pedig az AVL IndiCom 2.3-as verziójú szoftverével végezzük el. 5. A mérés végrehajtása A mérés megkezdése előtt az AVL IndiCom szoftverben először be kell állítani a felhasznált szenzorok és a vizsgált motor paramétereit (típus, érzékenység stb.). Ezzel egy időben elvégezzük a motor bemelegítését, mégpedig úgy, hogy a motort indítás után 20-30% gázpedálállás mellett kb. 1500 1/min fordulat mellet járatjuk, amíg a hűtővíz és a kenőolaj el nem éri az üzemi hőmérsékletet. A motor bemelegedése után következhet a FHP meghatározása. Ezt a fent leírt módon a begyújtatlan nyomásgörbe alapján végezzük, mégpedig úgy, hogy a vizsgált henger porlasztójának nyomócsövét a mérés idejére lekötjük és így ezt a hengert lekapcsoljuk. Ezt MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 11

követően a megfelelő szögeltérést a FHP és a maximális nyomás között a fenti diagram alapján a mérőszoftverbe beírjuk. A nyomócső visszaszerelése után megkezdhetjük a mérést. A fékpad lehetséges üzemállapotai közül a fordulatszámtartó (α-n) üzemmódra van szükség a mérések során, mivel előre definiált fordulatszámokon, csak a terhelésváltoztatás hatását szeretnénk vizsgálni. A mérés elején egyetlen alkalommal meg kell mérni a gázolaj sűrűségét: - ρ tüz [kg/m 3 ] A mérés során a következő mennyiségeket minden munkapontban mérni kell: A fékpadvezérlő-szoftver által naplózott jelek (a mérés végeztével fájlba íródnak): - n: a motor fordulatszáma [1/min] - M: a motor nyomatéka [Nm] - V tüz : lemért tüzelőanyag térfogata [cm 3 ] - t tüz : a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s] - p körny : a környezeti levegő nyomása [Pa] - t körny : a környezeti levegő hőmérséklete [ C] - φ körny : a környezeti levegő relatív páratartalma [%] - AP pos : a gázpedál pozíciója [%] - λ a légfelesleg [-] Az indikáló mérőszoftver által naplózott jelek (a mérés végeztével fájlba íródnak): - p-φ a motor örvénykamrájában mért nyomás a főtengelyszög függvényében [bar]-[ft ] A mérést egy alacsony (1500-2500 ford./perces) és egy magas fordulatszámon (3000-4000 ford./perces) hajtjuk végre. Így nyomon tudjuk követni a fordulatszám hatását az égésfüggvény alakulására. Minden fordulatszámon egy alacsony (AP pos =10-40 %) és egy magas (AP pos =60-80 %) terhelésű (befecskendezett dózisú) munkapontra bontjuk szét vizsgálatainkat, így a dózisváltoztatás ill. terhelés hatását is vizsgálni tudjuk. A méréseket a legnagyobb fordulatszámú és terhelésű munkaponttól kezdjük és innen haladunk a kisebb terhelésű és fordulatszámú munkapontok felé. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 12

6. A mérés kiértékelése 6.1 A befecskendezett dózis számítása A dózist az alábbi képlet segítségével határozhatjuk meg a motor fordulatszámából és időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztásából: ahol: = [mg] 1000 - = ü ü ü, az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás - z: a motor hengereinek száma 6.2 A látszólagos égésfüggvény értékének meghatározása Az égésfüggvény differenciálegyenlete: ahol: φ = 1φ + 1 φ φ - : a falveszteség (értéke jóval kisebb az égésfüggvénynél, ezért elhanyagolható) - : az egyes forgattyúszögekhez tartózó, a munkaközeg által kitöltött térfogat nagysága Az egyes forgattyúszögekhez tartózó, a munkaközeg által kitöltött térfogat nagyságának számítása: ahol: - # : a kompressziótérfogat =!φ"= # + $ = $ + $ % 1 - $ : A dugattyú felett lévő lökettérfogat az adott dugattyúpozíciónál - %: a motor kompresszióviszonya A dugattyú felett lévő lökettérfogat számítása: $ =& ' ( ) =*+!1 cosφ"+/ 01 11 2 3 sin 3 φ67 83 9 4 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 13

ahol: - r: a forgattyúsugár - l: a hajtórúdhossz - λ=r/l: a hajtórúdarány - D: a henger furatátmérője ; derivált közelítése differenciaegyenlettel egy adott diszkrét (i értékű) forgattyústengely szögpozíciónál: < = =φ > ;? = ;?AB ;?CB φ DEF φ DGF H ; IJ derivált közelítése differenciaegyenlettel egy adott diszkrét (i értékű) forgattyús tengely szögpozíciónál: < = =φ > = DEF DGF φ ;? DEF φ DGF A fentieket felhasználva a látszólagos égésfüggvény értéke a forgattyús tengely egy diszkrét szögpozíciója esetén az alábbi differenciaegyenlettel számolható: 0 KL M K; 6 ;? = N H? NGF 0K6 +? K; ; NGF 0KH6 K;? ;? [J/ ft ] A a hengerben lévő gáz adiabatikus kitevője, melynek értéke függ a gáz hőmérsékletétől és összetételétől. Dízelmotor számítását a =1.37 közepes értékkel végezzük. 6.3 A kumulált égésfüggvény meghatározása Az égésfüggvény meghatározása mellett az égésfolyamatok vizsgálatában nagy szerepet játszik a kumulált égésfüggvény, melynek 5%-os értékét egyezményesen égéskezdetként, 95%-os értékét az égés végeként fogadunk el. Hasznos információ még az égés lezajlásáról a súlyponti (50%-os) kumulált égésfüggvény értékhez tartozó szögpozíció. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 14

A kumulált égésfüggvény (az égésfüggvény ciklusra számított integrálja) az alábbi integrálközelítő összeg segítségével számolható: U3V ;? XV [J] = L M =S ; 0KL M 6!φ K; D φ DGF " ;? 6.4 A henger közepes gázhőmérsékletének számítása Az indikátordiagramokból számolható jellemző a hengerben lévő hőmérsékletlefutás, mely különösen nagy jelentőségű a szerkezeti anyagok hőtűrése és a károsanyagok keletkezése szempontjából. A számítást az egyetemes gáztörvény segítségével végezhetjük el arra az esetre, amikor a hengerben minden szelep zárva van: Y Z[$ = H \ ]^_ ` [K] A specifikus gázállandó értéke a gáz összetételének és hőmérsékletének függvénye. Számításaink egyszerűsítése végett az égés kezdete előtt számoljunk a levegő R=287 J/kgK-es gázállandójával, az égés kezdete után pedig az átlagos kipufogógáz R=293 J/kgK-es értékével. A hengerben a munkaciklus alatt lévő közeg tömegét a motor által egy hengerbe beszívott levegő tömegével közelítsük (a tüzelőanyag dózis elhanyagolható): Z[$ = a Z[$ b 2 60 e ahol a Z[$ a motor által időegység alatt beszívott össztöltet, a hengerűrtartalom, töltőnyomás és töltőlevegő hőmérséklet segítségével számítható: ahol: a Z[$ = D\ a Z[$ = D\ 2 f e - D\ = H?I ` g?i : a szívótartályban lévő töltőlevegő sűrűsége - D\, Y D\ : a szívótartályban lévő töltőlevegő nyomása és hőmérséklete - 2 : a motor töltési foka, átlagosan minden munkapontban számoljunk 2 =0.85-tel - i: az ütemszám - : a motor összlökettérfogata MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 15

A hőmérsékletértékek számítását csak a kompresszió ütem kezdete utáni 50 ft és a kipufogó ütem kezdete előtti 50 ft közötti ablakra számítsuk, ahol a szelepek a szelephézagot is figyelembe véve nagy valószínűséggel zárva vannak. 6.5 A kamra-indikált középnyomások kiszámítása Az előzőekben már ismertetésre került, hogy a mért nyomásokat az örvénykamrában rögzítjük. Ezek a nyomások a kamra kiömlőnyílásának fojtó hatása miatt nem egyeznek meg a dugattyúra ható nyomásokkal, amelyek a motor főtengelyen leadott munkáját létrehozzák. A számítás menete azonban teljesen megegyezik a főégéstérben felvett nyomásokból számolt, a motor mechanikai munkáját létrehozó indikált középnyomások számításával, így a számítás elsajátítása és gyakorlása végett azt ebben az esetben is elvégezzük. A motor indikált középnyomása, definíciószerűen, az alábbi p-v diagram alapján számolható: Azaz: 12. ábra A motor indikált középnyomásának számítása Integrálokkal felírva: ahol: D = 0l mno3 l pno3 D = j D k = j F j 3 k pno3 mnof 6 0l k pnoq mno3 l mnof pnof 6 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 16

- AHP1: a dugattyú alsó holtpontja a kompresszióütem kezdetén (180 ft ) - AHP2: a dugattyú alsó holtpontja az expanzióütem végén (540 ft ) - FHP1: a dugattyú felső holtpontja a szívóütem kezdetén (0 ft ) - FHP2: a dugattyú felső holtpontja akompresszióütem végén (360 ft ) - FHP3: a dugattyú felső holtpontja a kipufogóütem végén (720 ft ) = FHP1 Az egyes integrálok integrálközelítő-összegeikkel számolhatók: mno3 mno3xuvv r =S s D!V D V DGF" pno3 DXpno3XqwV pno3 pno3xu3v r =S s D!V D V DGF" mnof DXmnoFXFxV pnoq pnofxu3v r =S s D!V D V DGF" mno3 DXmno3XuvV mnof mno3xfxv r =S s D!V D V DGF" pnof DXpno3XV 7. Értékelés, a jegyzőkönyv tartalma A beadott jegyzőkönyvnek tartalmaznia kell: 1. A mérés célját, helyét, idejét. 2. A vizsgált motor, fékpad és mérőrendszer megnevezését és rövid ismertetését. 3. Minden egyes mért munkapontban külön ábrázolva az égésfüggvényt, a kumulált égésfüggvényt és a hőmérsékleteket egy-egy diagramban. ( L M ; y, y, Y y" 4. Minden egyes mért munkapont p-v diagramját. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 17

5. Minden egyes mért munkapontban a számolt 5%, 50% és 95%-os kumulált égésfüggvény értékhez tartozó főtengely szöghelyzetet, befecskendezett dózisok nagyságát és a számolt kamra-indikált középnyomások értékeit táblázatos formában. 6. Rövid szöveges értékelést, az elméletileg várt és a mért értékek összevetését, az esetleges eltérések okainak magyarázatát. A jegyzőkönyv beadásának határideje a következő laborgyakorlat kezdete. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 18