Porovnání metod měření spotřeby paliva spalovacího motoru při dynamickém zatěžování

Podle volby nezávisle proměnné veličiny se charakteristiky rozdělují na otáčkové (obr. 1), zatěžovací, seřizovací a úplné. [1, 2, 3, 5, 9]
Na rozdíl od měření výkonových parametrů v rámci výroby nebo rozsáhlejší opravy motorů využívá diagnostika zpravidla podstatně jednodušší metody. Využití přesných dynamometrických stolic určených k měření demontovaných motorů není pro běžný servis ekonomicky únosné (vysoká pracnost a časová náročnost) a obdobné je to s válcovou stolicí pro měření výkonových parametrů, které však již nedosahují přesností měření samotného motoru. Nabízí se tak využití moderních akceleračních metod, které jsou svou přesností dostatečné, ekonomicky nenáročné a podstatně jednodušší. Obtížné však je během dynamických měřících dějů zachytit průběh spotřeby paliva, která patří k významným diagnostickým signálům.

Mt – točivý moment motoru, Pe – efektivní hodnota výkonu motoru, mpe – efektivní měrná spotřeba paliva, n – otáčky motoru

Cílem tohoto příspěvku je porovnat čtyři metody měření spotřeby paliva během akceleračního měření výkonových parametrů. Metody budou srovnávány se spotřebou paliva měřenou pomocí systému OBD (VAG-COM). Dalšími metodami budou použití průtokoměrů, laboratorní váhy a výpočet spotřeby paliva z emisí. Výkonové parametry spalovacího motoru vozidla byly dynamicky měřeny na válcové zkušebně v prostorách katedry vozidel a pozemní dopravy na ČZU v Praze.

MATERIÁL A METODY
Akcelerační měření výkonových parametrů (točivého momentu a výkonu) motoru, spočívá v jeho rozběhu z volnoběžných (nulových) otáček do předem zvolené hranice na plné sešlápnutí akceleračního pedálu nebo za jinak předem definovaných podmínek, určených k porovnávacímu měření. [6, 7, 8]
Akcelerační metoda měření výkonových parametrů motorů vychází ze základních vztahů (1) a (2).

M (N.m) – točivý moment motoru; I (kg.m2) – moment setrvačnosti motoru redukovaný na klikový hřídel; e (rad/s2) – úhlové zrychlení klikového hřídele motoru; P (W) – užitečný výkon motoru na klikovém hřídeli; w (rad/s) – úhlová rychlost klikového hřídele motoru

K měření úhlové rychlost w a zrychlení motoru e lze využít libovolné čidlo otáček motoru, které je schopno poskytovat údaje s dostatečnou frekvencí (například ze zapalování motoru). Příliš vysoká frekvence snímaných dat také není z důvodu dodatečného zpracování dat (interpolace) vhodná.

Na obrázku číslo 2 je zobrazeno umístění vozidla na válcové zkušebně (obr. 3). Jako testovací vozidlo byla zvolena Škoda Roomster 1,4 TDi s připojenou externí nádrží (odměrný válec) umístěnou na váze Vibra AJ 6200 (obr. 4 – rozsah do 6 200 g, dílek 0,01 g, kalibrovaný dílek 0,1 g). Palivo je nasáváno externím podávacím čerpadlem přes průtokoměr Flowmeter WF005 (průtok 0,005 až 1,5 l/min, 1 800 pulsů na litr, přesnost ± 0,5 %). K měření provozních parametrů vozidla sloužil diagnostický systém VAG-COM (spotřeba paliva, otáčky motoru, množství a teplota nasávaného vzduchu, množství a teplota vstřikovaného paliva apod.), emisní analyzátory BrainBee (obr. 5 – CO2, CO, HC, NOx, kouřivost) a inkrementální snímač otáček na válcové zkušebně. Základní technické parametry vozidla jsou popsané v tabulce číslo 1.

VÝSLEDKY
Podle uvedeného postupu byla postupně měřena spotřeba paliva uvedenými metodami. Měření bylo prováděno na 2. rychlostní stupeň při plném sešlápnutí palivového pedálu celkem šestkrát. Dále byla data zpracována pomocí programů MS Excel a Mathcad.
Výpočet spotřeby paliva z emisí byl proveden podle vztahu číslo 3 (číselné koeficienty jsou stanoveny z podílu relativní atomové hmotnosti uhlíku v emisní složce a molárních hmotností emisních složek a vyjadřují hmotnostní podíl uhlíku v dané složce emisí): (3)

mp (kg.h-1) – spotřeba paliva; mv (kg.h-1) – hmotnostní průtok spalin; Ci (% hm) – hmotnostní koncentrace i-té složky emisí ve spalinách (CO2 – oxid uhličitý, CO – oxid uhelnatý, CH – uhlovodíky, C – částice); CP (%hm) – hmotnostní podíl uhlíku v palivu (pro motorovou naftu 87 %)

Na obrázku 6 je znázorněn průběh hodinových spotřeb a točivého momentu motoru v průběhu akcelerace. Lze vidět, že v pracovní oblasti cca mezi 2 000 – 3 500 min-1 se všechny použité metody měření spotřeby paliva přibližně shodují. Naopak největší rozdíly jsou při nízkých a vysokých otáčkách. Laboratorní váha zpočátku vykazuje vyšší spotřebu než OBD a přibližně od 3 750 min-1 naopak výrazně nižší. Podobný je i průběh spotřeby paliva naměřené průtokoměrem, pouze diference není tak výrazná. Opačný trend vykazuje spotřeba paliva, vypočtená z emisí, která udává v nízkých otáčkách zpočátku nižší hodnoty než OBD a ve vyšších otáčkách výrazně vyšší.

Na obrázku 7 jsou znázorněny procentuální odchylky od spotřeby paliva, udávané OBD systémem. Je zřejmé, že všechny porovnávané metody udávají v pracovních otáčkách motoru vyšší spotřebu než systém OBD. Zatímco odchylky u průtokoměrů a laboratorní váhy mohou v nízkých otáčkách způsobovat dynamické jevy spojené s náhlou akcelerací, u výpočtu spotřeby paliva z emisí jsou odchylky v nízkých a vysokých otáčkách s největší pravděpodobností způsobeny přesností emisních analyzátorů a dalšími faktory jako je například neznalost přesné hustoty spalin a motorové nafty.

V tabulce číslo 2 jsou uvedeny maximální dosažené hodnoty spotřeby paliva pro každou metodu. Lze vidět, že jasně nejvyšší spotřeby bylo dosaženo výpočtem z emisí, laboratorní váha i průtokoměry nedosáhly tak vysokých maximálních hodnot ale z obrázku 7 lze vidět, že po většinu času se jimi udávané hodnoty drží nad spotřebou, udávanou OBD systémem.

Dále je na obrázku 8 znázorněn procentuální podíl hodnot, které spadají do příslušné odchylky od hodnot, udávaných přes OBD systém. Je zde vidět, že nejvíce se údajům z palubní diagnostiky přibližují průtokoměry a výpočet spotřeby paliva z emisí.

DISKUZE A ZÁVĚR
Příspěvek uvádí porovnání různých metod měření spotřeby paliva. Metody jsou porovnány se spotřebou paliva, získanou z OBD systému vozidla za pomoci softwaru VAG-COM. Při tomto porovnání dopadlo nejlépe měření spotřeby paliva pomocí průtokoměrů, jelikož korelační koeficient 0,993 ukázal druhou nejsilnější závislost a 33 % hodnot se nachází v rozmezí ± 5 % od hodnot z OBD (viz obr. 7). Pro výpočet spotřeby paliva z emisí vyšel korelační koeficient s hodnotami získanými z OBD 0,996, což je nejsilnější závislost a v rozmezí ± 5 % se nachází přibližně 25 % hodnot. Pro spotřebu paliva měřenou pomocí laboratorní váhy vyšel korelační koeficient 0,967 a v rozmezí ± 5 % se nachází cca 26 % hodnot.
Dynamické (akcelerační) měření spotřeby paliva nabízí jednoduchost a ekonomické úspory pro¬ti metodám, které jsou založeny na demontáži motoru a jeho upevnění na přesných dynamometrických stolicích, eventuálně na válcových stolicích. Akcelerační měřící metody nabízí dostatečnou přesnost, která poskytuje objektivní informace o stavu motorové jednotky, je ovšem nutné vypořádat se s dynamickými jevy, které způsobuje náhlé zvýšení průtoku paliva při akceleraci, zejména při měření pomocí laboratorní váhy. V případě výpočtu spotřeby paliva z emisí je pro zpřesnění nutné použít přesnější emisní analyzátory a osazení dalšími senzory pro objemový a hmotnostní průtok spalin.

TEXT/FOTO JAKUB ČEDÍK A KOL., ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE, TECHNICKÁ FAKULTA, KATEDRA JAKOSTI A SPOLEHLIVOSTI STROJŮ
Další spoluautoři: Martin PEXA, Jakub MAŘÍK, Tomáš KOTEK, Kateřina VESELÁ, Jindra PAVLŮ

Recenzent/Reviewer: Ing. Jan BLATA, Ph.D

Příspěvek je vytvořen s grantovou podporou – ČZU 2014:31190/1312/3127 – Využití biobutanolu jako paliva pro vznětové motory.

Literatura
1. BAUER, F. a kol.: Traktory a jejich využití, Profi Press, Praha, 2013, 224 s. ISBN 978-80-86726-52-6
2. ČIČO, P.; BALOG, J.: Uplatnenie diagnostiky pri skúškach opotrebovania piestovej skupiny motora Z-8602. In Acta technol. Agric., 34. 1. vyd. - Nitra : VŠP, 1994. ISBN 80-7137-164-5, s. 157-162.
3. HROMÁDKO, J.; HROMÁDKO, J.; MILER, P.; HÖNIG, V.: Spalovací motory, Nakladatelství Grada, 2011, 296 s. ISBN 978-80-247-3475-0
4. KRÁLÍK, P.: Provozní vlastnosti motorů se systémem Common Rail – diplomová práce. Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha, 2012.
5. ONDRÁČEK, J.: Traktory a automobily I. Vysoká škola zemědělská v Brně, Brno, 1988.
6. PEXA, M., 2011: Využití dynamických metod měření a modelování při diagnostice vozidel. 16th International scientific conference "Quality and Reliability of Technical Systems", SPU v Nitře, Nitra. ISBN 978-80-552-0595-3, 2011, s. 210-215.
7. PEXA, M., PORAZIL, J., 2010: Dynamické měření výkonových parametrů, 29. mezinárodní konference DIAGO 2010 - Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení, VŠB - Technická univerzita Ostrava, ISBN 1210 – 311X, 2010, s. 40.
8. PEXA, M., POŠTA, J., ALEŠ, Z., PETERKA, B. 2010: Moment of inertia measurements of vehicle engine, Časopis - Maintenance and Reliability, Pořadové číslo 47, číslo 3, Polish maintenance society, Warsaw, ISSN 1507-2711, 2010, s. 44-47.
9. ŽARNOVSKÝ, J., BERNÁT, R., KOVÁČ, I., KOTUS, M.: Sledovanie pracovného priestoru motora pri používaní bioplynu. In Nové trendy v prevádzke technických systémov ´09. Prešov : Technická univerzita v Košiciach, 2009. s.104-106. ISBN 978-80-553-0311-6.