Szelepvezérlés hatása a benzinmotor jellemz őire

Összeállította: Vass Sándor Dr. Németh Huba

Budapest, 2013

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 2

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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 3

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.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 4

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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 5

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.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 6

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 W1-gyel jelölt expanziós veszteség nagyon kicsi, de a

késői nyitás miatt a W2-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 (W1), de jelentősen lecsökkent a kitolási munka (W2). A kettő között

az optimumot kell megtalálni, ahol a lehető legkisebb W1 és W2 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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 7

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.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 8

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.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 9

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 tüzelőanyagfogyasztás-

mérő berendezés vezérlése és mérése is a mérőszámítógép által irányított.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 10

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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 11

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 cm3

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

1. táblázat A vizsgálandó motor adatai

3.3 A MoTec motorvezérlő elektronika

A MoTec motorvezérlő és adatgyújtő-adatfeldolgozó egységeket elterjedten használják

motorsport minden ágában, gépkocsikon kívül motorkerékpárok, jetskyk és hószánok

teljesítményfokozásánál.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 12

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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 13

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]

tt a tüzelőanyag elfogyasztásának ideje [s]

ϕap 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.

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 14

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:

nMPe π2= . (1)

Ez a teljesítmény függ a környezeti jellemzőktől, ezért át kell számítani a szabványos

normálteljesítményre a következő összefüggéssel:

273

273

0

0000 +

+−−

=t

t

pp

ppPP

g

gee ϕ

ϕ, (2)

ahol az indexben a 0 a motorikus normálkörülményekre utal, amelyek p0=100 kPa, t0=15 C és

ϕ0=50%, valamint a pg az adott hőmérsékleten érvényes telítési gőznyomást jelöli, ami a 2.

táblázatban megadott értékek alapján számolható.

t [oC] p_g [Pa]0 6111 6562 7053 7574 8135 8726 9357 1001

t [oC] p_g [Pa]8 10729 1147

10 122711 131212 140113 149714 159715 1704

t [oC] p_g [Pa]16 181717 193618 201219 219620 223721 248522 264223 2808

t [oC] p_g [Pa]24 298225 316726 336027 356428 377929 400430 424131 4498

2. táblázat A vízgőz tenziógörbéi

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 15

4.2 Az effektív középnyomás

A motor effektív középnyomása a normálteljesítmény és a motorfordulat alapján a következő

összefüggéssel határozható meg:

nV

iPp

H

ee 2

0= , (3)

ahol az i az ütemek száma, a VH pedig a motor lökettérfogata.

4.3 Az időegységre eső tüzelőanyag fogyasztás

Az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a tömegmérés alapján:

t

te t

mB = , (4)

ahol mt a tüzelőanyag tömege, tt 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:

0e

ee P

Bb = .

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, Pe=f(n),

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 16

- az effektív normálteljesítmény a fordulatszám függvényében, Pe0=f(n),

- az effektív középnyomás a fordulatszám függvényében, pe=f(n),

- az időegységre eső tüzelőanyag-fogyasztás a fordulatszám függvényében, Be=f(n),

- az effektív fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás a fordulatszám függvényében, be=f(n),

- az effektív hatásfok a fordulatszám függvényében, ηe=f(n).

3. A fenti jellemzők közül a pe=f(n) és be=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

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

MŰE G Y E T E M G É P J Á R M ŰV E K T A N S Z É K 17

10.ábra A Borghi-Saveri FE150S fékgép és a MoTec M600 motorvezérlő