Dízelmotor égésfolyamatának vizsgálata, laborjegyzet

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É KTartalom1. A mérés célja ......................................................................................................................... 32. A méréshez ajánlott irodalom................................................................................................ 33. A 2. számú fékterem bemutatása ........................................................................................... 33.1 A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetése ........................................... 33.2 A vizsgálandó motor adatai ............................................................................................ 64. Az indikáló műszer ismertetése ............................................................................................. 74.1 A méréshez használt nyomásmérő szenzor .................................................................... 74.2 A főtengely szögjeladó ................................................................................................... 94.3 Mérőerősítő és mérőszoftver ........................................................................................ 115. A mérés végrehajtása........................................................................................................... 116. A mérés kiértékelése ........................................................................................................... 136.1 A befecskendezett dózis számítása ............................................................................... 136.2 Az égésfüggvény értékének meghatározása ................................................................. 136.3 A kumulált égésfüggvény meghatározása .................................................................... 146.4 A henger-hőmérséklet számítása .................................................................................. 156.5 A kamra-indikált középnyomások kiszámítása ............................................................ 167. Értékelés, a jegyzőkönyv tartalma....................................................................................... 17M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 2

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K1. A mérés céljaIndirekt befecskendezésű dízelmotor indikátordiagramjainak felvétele az örvénykamrában, a motorterhelésének és fordulatszámának változtatása mellett. A felvett nyomásadatok alapján azégésfüggvények számítása, az égésfolyamat jellemzőinek meghatározása, a dózis- és fordulatszámváltozás égésfüggvényre gyakorolt hatásának vizsgálata. A gyakorlat célja továbbá az indikálóműszerek használatának és működésének megismerése.2. A méréshez ajánlott irodalom1. 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 2.43. Dr. Németh Huba: Gépjárműmotorok II., Égésfolyamatok előadásvázlatok, BME3. A 2. számú fékterem bemutatása3.1 A fékgép és a hozzá kapcsolódó mérőrendszer ismertetéseA turbótöltésű, töltőlevegő-visszahűtésű dízelmotor örvényáramú fékpadra van kapcsolva. A fékgépés a motor vezérlését, a munkapont beállítását az Energotest-MF számítógépes merőrendszersegítségével végezzük el. A berendezés elvi vázlata az 1. ábrán látható.1. ábra A mérőberendezés felépítéseM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 3

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É KA villamos örvényáramú fékgép jellemzője, hogy a fékezőnyomaték-fordulatszám görbegyakorlatilag tetszőlegesen szabályozható, ezen kívül ezek a fékpadok egyszerűenautomatizálhatók. A villamos örvényáramú fékpad állórésze és forgórésze között mágneses hatáshozza létre a fékezőnyomatékot. Az állórészben gerjesztő tekercsek vannak, amelyekben egyenáramfolyik. A fogazott tárcsa alakú forgórész forgatáskor a forgórészben örvényáramok indukálódnak.Ezek az örvényáramok a tárcsát fékező mágneses erőtereket hoznak létre, és a motor mechanikaimunkáját hőenergiává alakítják át. Ezért az állórészt vízzel hűteni kell. A gerjesztőáram a fékgépszabályozóegysége által állítható, amely által különböző terhelési karakterisztikákat tudmegvalósítani. 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 feldolgozásaA Schenck fékpad szabályozóegysége egy mérésadatgyűjtő egységen keresztül kapcsolódik amérő/vezérlő számítógéphez. Ez az egység további vezérlő és mért jeleket dolgoz fel.2. ábra A Scheck W230 fékgép határgörbéjeM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 4

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É KA motor terhelési szintjének beállításához az állandó fordulatú üzemben a gázpedál pozíciójaszolgál. A fékpadon lévő motor nem rendelkezik gázpedál potenciométerrel, így az ennek megfelelőelektromos feszültség vezérlő jelet a mérőrendszer küldi az EDC-nek. Így az %-os lépésekbenállítható be. Ezen túl a tüzelőanyagfogyasztás-mérő berendezés vezérlése és mérése is amérőszámítógép által irányított.A tüzelőanyagfogyasztás-mérés alapja az, hogy meghatározott térfogatú tüzelőanyag-mennyiségelfogyasztásának az idejét mérjük. A mennyiségekből és az időből számítható a fogyasztás. Afogyasztásmérő a vezérlőjel hatására előre feltöltött kalibrált mérőgömbökből táplálja a motort,amelyeknek választható térfogatai 50 ill. 150 cm 3 . A műszer a mérőtérfogat kiürülését optikaijeladó segítségével ellenőrzi. Mivel az elfogyasztott tüzelőanyag tömegére van szükség a méréssorán, ezért a tüzelőanyag sűrűségét a mérés megkezdése előtt meg kell határozni egy merülőpálcássűrűségmérővel (areométer).3. ábra A vizsgálandó dízelmotor4. ábra Villamos örvényáramú fékpad és vezérlő-számítógépeM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 5

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K3.2 A vizsgálandó motor adataiBMW M51D típusú, soros hathengeres, közvetett befecskendezésű, turbófeltöltéses dízelmotortöltőlevegő visszahűtővel, elektronikus vezérlésű axiáldugattyús befecskendező szivattyúval (BoschE-VE), kipufogógáz visszavezetéssel és katalizátorral.A motort a BMW 325TDS (E36) és 525 TDS (E34) autóiba építették be és 4 különbözőteljesítményszintű és emissziós osztályú típusait 1991-től 2000-ig gyártották. A motor kifejlesztésétDr. Anisits Ferenc magyar gépészmérnök irányította és ő adományozta a motort.A motor főbb paraméterei:5. ábra A BMW M51D motorMotor típus:BMW M51D25 OLAzonosító: 25 6T 1-LHengerek száma: 6Szelepek száma/típusa:12/OHCÉgéstér:ÖrvénykamrásÜtemszám: 4Lökettérfogat: 2498 cm 3Furat/Löket:80/82.8 mmHajtórúdhossz130 mmKompresszióviszony: 22:1Névleges teljesítmény:105 (143) /4800 kW(LE) / 1/minNévleges nyomaték:260 /2200 Nm / 1/minM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 6

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K11. ábra A felső holtpont és a maximális nyomás szöghelyzetének különbsége az egyes motortípusokra4.3 Mérőerősítő és mérőszoftverA nyomásszenzorok analóg jelét a feldolgozás előtt erősíteni, digitalizálni, majd a szögjeladó éstrigger jelével együtt rögzíteni, és a mérő PC-nek átadni szükséges. Erre a célra az AVLIndiSmart 612-es nyolccsatornás mérőerősítő és feldolgozó egységét alkalmazzuk, melyGigabit Ethernet interfésszel kapcsolódik a mérő PC-hez. Az adatok feldolgozását és rögzítésétpedig az AVL IndiCom 2.3-as verziójú szoftverével végezzük el.5. A mérés végrehajtásaA mérés megkezdése előtt az AVL IndiCom szoftverben először be kell állítani a felhasználtszenzorok és a vizsgált motor paramétereit (típus, érzékenység stb.). Ezzel egy időbenelvégezzük 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 elnem éri az üzemi hőmérsékletet.A motor bemelegedése után következhet a FHP meghatározása. Ezt a fent leírt módon abegyújtatlan nyomásgörbe alapján végezzük, mégpedig úgy, hogy a vizsgált hengerporlasztójának nyomócsövét a mérés idejére lekötjük és így ezt a hengert lekapcsoljuk. EztM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 11

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É Kkövetően a megfelelő szögeltérést a FHP és a maximális nyomás között a fenti diagram alapjána mérőszoftverbe beírjuk. A nyomócső visszaszerelése után megkezdhetjük a mérést.A fékpad lehetséges üzemállapotai közül a fordulatszámtartó (α-n) üzemmódra van szükség amérések során, mivel előre definiált fordulatszámokon, csak a terhelésváltoztatás hatásátszeretnénk 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 (3000-4000ford./perces) hajtjuk végre. Így nyomon tudjuk követni a fordulatszám hatását az égésfüggvényalakulására. Minden fordulatszámon egy alacsony (AP pos =10-40 %) és egy magas (AP pos =60-80%) terhelésű (befecskendezett dózisú) munkapontra bontjuk szét vizsgálatainkat, így adózisváltoztatás ill. terhelés hatását is vizsgálni tudjuk. A méréseket a legnagyobbfordulatszámú és terhelésű munkaponttól kezdjük és innen haladunk a kisebb terhelésű ésfordulatszámú munkapontok felé.M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 12

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K6. A mérés kiértékelése6.1 A befecskendezett dózis számításaA dózist az alábbi képlet segítségével határozhatjuk meg a motor fordulatszámából ésidőegységre eső tüzelőanyag-fogyasztásából:ahol: = ∙∙∙ 1000 [mg]- = ü ü∙ ü , az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás- z: a motor hengereinek száma6.2 A látszólagos égésfüggvény értékének meghatározásaAz égésfüggvény differenciálegyenlete:ahol: φ = − 1 φ + − 1φ − φ- : a falveszteség (értéke jóval kisebb az égésfüggvénynél, ezért elhanyagolható)- : az egyes forgattyúszögekhez tartózó, a munkaközeg által kitöltött térfogatnagyságaAz egyes forgattyúszögekhez tartózó, a munkaközeg által kitöltött térfogat nagyságánakszámítása:ahol:- # : a kompressziótérfogat = !φ" = # + $ = $ + $% − 1- $ : A dugattyú felett lévő lökettérfogat az adott dugattyúpozíciónál- %: a motor kompresszióviszonyaA dugattyú felett lévő lökettérfogat számítása: $ = & ' ∙ ( ) = *+ ∙ !1 − cos φ" + / ∙ 01 − 11 − 2 3 ∙ sin 3 φ67 ∙ 83 94M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 13

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É Kahol:- r: a forgattyúsugár- l: a hajtórúdhossz- λ=r/l: a hajtórúdarány- D: a henger furatátmérője;derivált közelítése differenciaegyenlettel egy adott diszkrét (i értékű) forgattyústengelyszögpozíciónál:< ==φ > ; ?= ; ?AB − ; ?CBφ DEF − φ DGFH; IJderivált közelítése differenciaegyenlettel egy adott diszkrét (i értékű) forgattyús tengelyszögpozíciónál:< ==φ > = DEF − DGFφ; ? DEF − φ DGFA fentieket felhasználva a látszólagos égésfüggvény értéke a forgattyús tengely egy diszkrétszögpozíciója esetén az alábbi differenciaegyenlettel számolható:0 KL MK; 6 ; ?= N∙H ?NGF 0K6+ ?K;;NGF 0KH6K;?; ?[J/ ft°]A a hengerben lévő gáz adiabatikus kitevője, melynek értéke függ a gáz hőmérsékletétől ésösszetételétől. Dízelmotor számítását a = 1.37 közepes értékkel végezzük.6.3 A kumulált égésfüggvény meghatározásaAz égésfüggvény meghatározása mellett az égésfolyamatok vizsgálatában nagy szerepet játszika kumulált égésfüggvény, melynek 5%-os értékét egyezményesen égéskezdetként, 95%-osértékét az égés végeként fogadunk el. Hasznos információ még az égés lezajlásáról a súlyponti(50%-os) kumulált égésfüggvény értékhez tartozó szögpozíció.M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 14

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É KA kumulált égésfüggvény (az égésfüggvény ciklusra számított integrálja) az alábbiintegrálközelítő összeg segítségével számolható:U3V°; ? XV° [J] = ∮ L M=S ∑ ; 0KL M6 ∙ !φK; D − φ DGF "; ?6.4 A henger közepes gázhőmérsékletének számításaAz indikátordiagramokból számolható jellemző a hengerben lévő hőmérsékletlefutás, melykülönösen nagy jelentőségű a szerkezeti anyagok hőtűrése és a károsanyagok keletkezéseszempontjából. 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-esgázállandójával, 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 beszívottlevegő tömegével közelítsük (a tüzelőanyag dózis elhanyagolható): Z[$ = a Z[$b∙ 2 ∙ 60eahol a Z[$ a motor által időegység alatt beszívott össztöltet, a hengerűrtartalom, töltőnyomás éstöltőlevegő 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 összlökettérfogataM Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 15

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É KA hőmérsékletértékek számítását csak a kompresszió ütem kezdete utáni 50 ft° és a kipufogóütem kezdete előtti 50 ft° közötti ablakra számítsuk, ahol a szelepek a szelephézagot isfigyelembe véve nagy valószínűséggel zárva vannak.6.5 A kamra-indikált középnyomások kiszámításaAz előzőekben már ismertetésre került, hogy a mért nyomásokat az örvénykamrában rögzítjük.Ezek a nyomások a kamra kiömlőnyílásának fojtó hatása miatt nem egyeznek mega dugattyúra ható nyomásokkal, amelyek a motor főtengelyen leadott munkáját létrehozzák. Aszámítás menete azonban teljesen megegyezik a főégéstérben felvett nyomásokból számolt, amotor mechanikai munkáját létrehozó indikált középnyomások számításával, így a számításelsajátítása 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 számításaIntegrálokkal felírva:ahol: D = 0lmno3 − lpno3 D = j D k= j F − j 3 kpno3mnoFpnoqmno3 6 − 0l − l kmnoFpnoF 6M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 16

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K- 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°) = FHP1Az egyes integrálok integrálközelítő-összegeikkel számolhatók:mno3mno3XuvV°r =S s D ∙ !V D − V DGF"pno3DXpno3XqwV°pno3pno3XU3V°r =S s D ∙ !V D − V DGF"mnoFDXmnoFXFxV°pnoqpnoFXU3V°r =S s D ∙ !V D − V DGF"mno3DXmno3XuvV°mnoF mno3XFxV°r =S s D ∙ !V D − V DGF"pnoFDXpno3XV°7. Értékelés, a jegyzőkönyv tartalmaA 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 kumuláltégésfüggvényt és a hőmérsékleteket egy-egy diagramban. ( L M; − y, − y, Y − y"4. Minden egyes mért munkapont p-V diagramját.M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 17

M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K5. Minden egyes mért munkapontban a számolt 5%, 50% és 95%-os kumulált égésfüggvényértékhez tartozó főtengely szöghelyzetet, befecskendezett dózisok nagyságát és a számoltkamra-indikált középnyomások értékeit táblázatos formában.6. Rövid szöveges értékelést, az elméletileg várt és a mért értékek összevetését, az esetlegeseltérések okainak magyarázatát.A jegyzőkönyv beadásának határideje a következő laborgyakorlat kezdete.M Ű E G Y E T E M G É P J Á R M Ű V E K T A N S Z É K 18