Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére

Átírás

1 Keverék összetételének hatása a benzinmotor üzemére Teljesítmény Dús Szegény Légviszony Összeállította: Szűcs Gábor Dr. Németh Huba Budapest, 2013

2 Tartalom 1. Mérés célja A méréshez áttanulmányozandó anyag A mérés leírása Mérőberendezések ismertetése Fékgép Tüzelőanyag mérés CO mérés Légfelesleg mérés Motor adatlap A mérés végrehajtása Az értékeléshez szükséges alapvető összefüggések Kiértékelt motorjellemzők, számítás menete Effektív teljesítmény Effektív középnyomás Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás Az effektív fajlagos tüzelőanyag fogyasztás Kiértékelés, jegyzőkönyv tartalma Irodalomjegyzék

3 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, 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, Áttanulmányozandók a és fejezetek. 3. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Keverékképző rendszerek és Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME 3. A mérés leírása 3.1 Mérőberendezések ismertetése 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

4 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

5 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

6 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

7 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 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

8 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

9 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

10 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

11 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/ /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) 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

12 A motort indítás után 10-20% gázpedálállás mellett kb /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

13 , (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] t [ o C] p_g [Pa] t [ o C] p_g [Pa] t [ o C] p_g [Pa] 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

14 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

15 6. Irodalomjegyzék [1] Kalmár I., Stukovszki Zs.: Belsőégésű motorok folyamatai, Budapest, Műegyetemi kiadó, [2] Bosch Produktinformation, LSU, 15