Szelepvezérlés hatása a benzinmotor jellemzőire

Szelepvezérlés hatása a benzinmotor jellemzőire Összeállította: Vass Sándor Dr. Németh Huba Budapest, 2013

Tartalom 1. A mérés célja... 3 2. A gyakorlat elméleti alapjai... 3 2.1 A méréshez áttanulmányozandó anyag... 3 2.2 Az elméleti alapok... 3 3. A mérés leírása... 6 3.1 A mérőberendezés ismertetése... 6 3.2 A vizsgálandó motor adatai... 10 3.3 A MoTec motorvezérlő elektronika... 11 3.4 A mérés végrehajtása... 13 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések... 14 4.1 Az effektív teljesítmény... 14 4.2 Az effektív középnyomás... 15 4.3 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás... 15 4.4 Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás... 15 5. Értékelés, jegyzőkönyv tartalma... 15 6. Függelék... 16 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 a szelepvezérlési paraméterek hatásának vizsgálata egy belsőégésű dugattyús Otto-motoron statikus üzemben a fordulatszám függvényében, különböző terhelések esetén. 2. A gyakorlat elméleti alapjai 2.1 A méréshez áttanulmányozandó anyag Ajánlott irodalom: 1. Dezsényi-Emőd-Finichiu: Belsőégésű motorok tervezése és vizsgálata, Budapest, Tankönyvkiadó, 1992. Áttanulmányozandók a 2.2.7, 12.1, 16.1 és a 16.3 fejezetek. 2. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Töltetcsere és feltöltés előadások 2.2 Az elméleti alapok A jó effektív hatásfok a kis fajlagos tüzelőanyag fogyasztás valamint a nagy teljesítmény eléréséhez alapvető a magas töltési fok a hengerben. Emellett főleg kis terheléseken a fojtásos szabályozású Otto-motorokban jelentős a töltetcsere veszteségek hányada az összes veszteségek közül. Így fontos szerepe van a motor működésében a töltetcsere folyamat lefutásának, nem véletlenül kulcsfontosságú kérdés ez minden motorfejlesztésnél. Az 1. ábra egy szívómotor hengernyomását és a szelepeken átfolyó tömegáramot mutatja. Jól látható, hogy a legnagyobb hengernyomás nem sokkal a felső holtpont után alakul ki, ezt követően az expanzió során a nyomásgradiens erősen negatív. Még jóval az alsó holtpont előtt nyílik a kipufogó szelep. Ebben a pillanatban a nyomásviszony a henger és a kipufogó között magasabb a kritikusnál, ezért a kiáramlás hangsebességgel kezdődik. Amíg elegendően nagy a nyomáskülönbség, az átáramló tömegáram nő, mivel közben a gáz számára rendelkezésre álló áramlási keresztmetszet is nő, ahogy tovább nyit a szelep. Az alsó holtpontot elhagyva a nyomás nagyjából kiegyenlítődött, ezután kezdődik a kitolási fázis, amikor a felfelé mozgó dugattyú kitolja az elégett gázokat. Ezen a részen láthatunk még egy lokális maximumot a tömegáram görbéken, mely a kipufogócsőben létrejövő nyomáslengések, valamint a 270 -nál lévő legnagyobb dugattyúsebesség miatt van. Ezt a pontot elhagyva a kipufogószelep már majdnem bezárt, amikor elkezd nyitni a szívószelep. Azt a szögtartományt amikor mind a két szelep egyszerre nyitva van, szelepösszenyitásnak hívják. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 3

1. ábra A szívómotor töltetcsere folyamata A felső holtpont után a kipufogó szelep bezár, a szívószelep tovább nyit, nő a rajta átáramló tömegáram is. Jól látható, hogy itt is meredeken emelkedik a tömegáram a legnagyobb dugattyú sebesség eléréséig, majd ahogy csökken az átáramlási keresztmetszet, illetve közeledünk az alsó holtponthoz erősen csökken. Itt visszaáramlások is keletkezhetnek. Ahogy elhagyjuk az alsó holtpontot, a szívószelep még mindig nyitva van, ezáltal kihasználhatjuk a mozgó gázok tehetetlenségét, avagy az utántöltő hatást magasabb fordulatszámok esetén. Ezután következik a sűrítési ütem, majd ismét az expanzió. Tüzetesebben megvizsgálva az ábrát nézzük először a tömegáramokat különböző fordulatszámoknál. Látható, hogy a nagyobb fordulatszámokhoz nagyobb tömegáramok is tartoznak, ez nyilvánvaló, hiszen nő a dugattyú középsebesség, nő a teljes motor beszívott tömegárama, így a szelepeken időegység alatt áthaladó gázok tömege is nő. Érdemes azonban megfigyelni, hogy 1000 1/min-nél kipufogó ütemben a tömegáram többször negatív értéket is felvesz: ez a kipufogócsőben lévő nyomáslengések miatt van. Ilyen alacsony fordulatnál a nyomáskiegyenlítődés már az alsó holtpont környékén bekövetkezik, a kis dugattyú középsebesség miatt a szelepen átfolyó tömegáram is alacsony. A szívószelep nyitásának végén, alsó holtpont után látható még visszaáramlás, mely 1000 és 3000 1/min fordulatszámnál domináns a konkrét példában. Ezáltal lecsökken a henger töltési foka, hiszen az egyszer már MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 4

beszívott töltetet ekkor a dugattyú kitolja. Látható viszont, hogy magas fordulatszámon nagyon előnyös ez a hangolás, hiszen bőven érvényesül az utántöltő hatás, ezáltal nagyobb teljesítményt lehet elérni. 2. ábra Áramlási sebességek és az időzítés hatása a teljesítményre A 2. ábrán részletezve látható a fent leírt folyamat. 2000 és 4000 1/min-nél még fellép visszaáramlás a szelepösszenyitás ideje alatt, valamint a zárás előtt is, a felső holtpont után. Az utántöltő hatásnak köszönhetően 6000 1/min-nél azonban már csak a FHP környéki visszaáramlás marad. Ez az eset a b jelű görbének felel meg az ábra jobb oldali részén. Ez alacsonyabb alsó- és középes fordulattartománybeli nyomatékot, de nagyobb teljesítményt biztosít. Ha csökkentenénk a szelepnyitási keresztmetszetet, levágnánk a görbék elején és végén lévő visszaáramlási zónákat, alacsony és közepes fordulatszámig nőne a motor töltési foka, ezáltal nagyobb nyomatékot kapnánk. 6500 1/min-nél azonban csökkenne töltési fok, ezáltal a teljesítmény is. Ez felelne meg az a görbének. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 5

3. ábra A kipufogószelep nyitásának hatása a veszteségekre A 3. ábra mutatja a töltetcsere veszteségi területeket p-v diagramban, azon belül is a kipufogószelep nyitási pontjának hatását a kitolási munkára. A baloldali ábra egy késői kipufogószelep nyitást ábrázol, ahol a W 1 -gyel jelölt expanziós veszteség nagyon kicsi, de a késői nyitás miatt a W 2 -vel jelölt kitolási munka nagy. Ilyenkor kevés idő áll rendelkezésre a nyomáskülönbség kiegyenlítődésére, ezáltal a kipufogási ütem magasabb nyomásszinten zajlik. A jobb oldali görbe egy korai kipufogószelep nyitást ábrázol, ahol megnőtt a kárba veszett expanziós munka területe (W 1 ), de jelentősen lecsökkent a kitolási munka (W 2 ). A kettő között az optimumot kell megtalálni, ahol a lehető legkisebb W 1 és W 2 összege. A fent részletezetett folyamatokból látható, hogy minden fordulatszámnál más lenne az optimális szelepnyitási és zárási pont mind a kipufogó, mind a szívószelepnél. Ráadásul ezek nagyban függenek a fojtószelepállástól, tehát a terheléstől is. Emiatt alakították ki a változtatható szelepvezérlést, melynek több fajtája ismeretes. A legegyszerűbb megoldás, amikor fordulatszámtól függően elállítják a vezérműtengelyek fáziselékelését a főtengelyhez képest. 3. A mérés leírása 3.1 A mérőberendezés ismertetése 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 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 6

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 A fenti üzemmódok közül a fordulatszámtartó üzemmódra van szükség a mérések során, mivel előre definiált fordulatszámokon kell a mérést kivitelezni. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 7

4. 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 8

5. 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 9

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 stopperúra 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 turbótöltött benzinmotor képezi (Family0). 6. 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 10

fokozatmentesen állítható, a nyitási mélység és szögkeresztmetszet azonban nem. A pillangószelep és a gázpedál között nincs mechanikus kapcsolat, drive-by-wire rendszer nyitja a szelepet 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 ECU, melynek segítségével minden vezérelhető és szabályozható beavatkozó 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 11

7.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 vezérműtengely fázisszöget egyszerű módon, a motor működése közben tudjuk majd állítani a kívánt értékekre a jellegmező-felület egyedi értékeinek módosításával. 8. ábra A MoTec szoftverének kezelőfelülete a szívó vezérműtengely helyzeteinek táblázatával MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 12

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 [%] δ a vezérműtengely szöghelyzete [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 szívó- és kipufogószelep nyitási pontok 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 mérés során felvesszük a mért paramétereket a gyári szelepnyitásokkal, majd elforgatjuk a szívó vezérműtengelyt. Először úgy tesszük ezt, hogy korábbra essen a szelepnyitás tehát kisebb legyen a szelepösszenyitás, - majd úgy, hogy későbbre essen tehát nőjön a szelepösszenyitás. Ezután ugyanezt megismételjük a kipufogó vezérműtengellyel úgy, hogy előtte a szívót a gyári helyzetbe visszaállítjuk. A vezérműtengely állítást a MoTec szoftverének kezelőfelületén végezhetjük el egyszerűen, átírva a táblázatban a fordulatszámhoz rendelt értéket a kívántra, amit a beállított PID szabályozó valósít meg. MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 13

A méréseket kb. ¼ és ¾ terhelésnél, 1500 és 3500 1/min fordulatszámnál végezzük, mindegyik munkapontban három szívó és három kipufogó vezérműtengely állásnál. 4. Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések A mért értékek segítségével meghatározzuk a motor effektív jellemzőit különböző vezérlési szögek esetén. 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 MŰEG Y E T E M G É P J Á R MŰVEK T A N S Z É K 14

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 lökettérfogata. 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 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 szelepnyitási 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 15

- 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 a szelepnyitási szög értékét paraméterként tüntetjük fel. Meghatározandók továbbá az optimális szelepnyitási szögek, ha a legnagyobb effektív középnyomást szeretnénk elérni. 6. Függelék 9. 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 16

10.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 17