A belső égésű motorok hengernyomásának mérése

2017. augusztus 11., péntek, 06:00

Címkék: belsőégésű motorok LabVIEW national instruments National Instruments Hungary nyomás nyomásmérés

Aki már dolgozott belső égésű (IC-) motorok tervezésén, azonnal megérti, milyen hasznos egy tervező számára egy olyan viszonylag olcsó és pontos eszköz, amely alkalmas a hengernyomás mérésére és analizálására. A Creative Technical Solutions, Inc. a National Instruments DAQ board és a LabVIEW rendszer segítségével építette meg az OPTIMIZER-t, egy géptervezők, kutatólaboratóriumok, kisebb autósboltok és hobbyautósok által használható PC-alapú rendszert.

Háttér

Egy IC-motor teljesítménye számos változótól függ. Adott kompresszióarány mellett az alábbi feltételek teljesülése esetén jön létre optimális teljesítmény és motor-forgatónyomaték:

  • Valamennyi henger maximális levegőmennyiséget kap a beömlő/szívószelep alkatrészcsoporttól.
  • Az üzemanyag/levegő arány beállítása helyes az adott körülményeknek megfelelően.
  • Az üzemanyag és a levegő keverése megfelelő.
  • Az előgyújtás beállítva a kopogás kezdetéhez.

Mivel a nyomatékot és a teljesítményt az üzemanyag/levegő keverékének felrobbanása generálja, a motorfejlesztés során első és legfontosabb szempontként a hengernyomás mértékét és időzítését kell figyelembe venni a sűrítési és a munkaütem közben. Egy szívócső önálló mérőhelyi mérésekor azt tapasztaljuk, hogy állandósult áramlás esetén az adott nyomáshoz tartozó áramlás csökken. Motorra szerelve ugyanakkor a beömlő szívócső áramlása nem állandósult folyamat, amit a dugattyú mozgása, a beömlőszelepek, a szelepidőzítés, valamint az átfedés és a vezetőpersely geometriája okoz. E paraméterek együttesen gyakran a különböző hengerek egyenlőtlen töltését eredményezik a többhengeres motoroknál.

A motor teljesítményének optimalizálása érdekében az első lépés egy olyan beömlő szívócső és vezérmű megtervezése, amely maximális és egyenletes levegőmennyiséget szállít az egyes hengerekhez. Adott kompresszióarány és beáramló levegőhőmérséklet mellett ez a töltési információ a gyújtást megelőző sűrítési ütem közbeni hengernyomásszintből számítható ki. Mivel az üzemanyag/levegő keverék égése számos égéstér-geometriai változó és sok más változó – pl. a helyi üzemanyag/levegő keveredés, az oktánszám, a helyi ekvivalenciaviszony, a léghőmérséklet, a páratartalom és a gyújtásidőzítés – komplex függvénye, e paraméterek optimális teljesítményt eredményező beállítása komoly kihívás.

A mért hengernyomás és a csúcsnyomás felső dugattyúholtponthoz (top-dead-center, TDC) viszonyított helyzetének vizsgálatával a motor kezelője gyorsan el tudja végezni az optimális teljesítményhez szükséges finombeállításokat. A legtöbb hagyományos motor akkor éri el optimális teljesítményét, ha a csúcsnyomás 12–15 fokkal a felső holtpont után következik be, és ha az égés közel állandó térfogati feltételek között megy végbe a felső holtpont közelében, az elégetett tömeghányad alapján. Adott kompresszióarány és üzemanyag-oktánszám mellett a csúcsteljesítményhez szükséges előgyújtás a dugattyúk túlhevüléséhez vezethet a súlyos gyújtáskopogás miatt. Ezért a teljesítményoptimalizálás folyamata során a kezelőnek a felső holtpont után 10 és 40 fokkal figyelnie kell a hengernyomást a gyújtáskopogás ellenőrzése érdekében. Kopogás esetén csökkenteni kell az előgyújtást, hogy ne károsodjanak a dugattyúk.

Rendszerleírás

Az OPTIMIZER rendszerhez a LabVIEW grafikus programozási környezetet választottuk, mivel az rendkívül rugalmasan egyesíti magában az adatgyűjtési és elemzési funkciókat, ugyanakkor nem igényel külön szoftvert. A rendszert úgy alkottuk meg, hogy többféle grafikus formában tudja mérni és ismertetni a hengernyomás-eredményeket, mivel így a kezelő fel tudja mérni a szerkezet változásainak és az üzemi körülményeknek a teljesítményre gyakorolt hatását, a motor üzemi sebességének és terhelésének függvényében. Az egyes hengerek nyomáseloszlása tetszőleges számú motorciklusra és többféle motorsebességre átlagolható. Az előző oldalon található log-log ábra a nyomás és a térfogat viszonyát mutatja 100 ciklusra. A forgattyúszög függvényeként rögzített nyomásértékek elemzéséből származó paraméterek és ezek standard eltérései táblázatos formában kerülnek összefoglalásra. A kezelő valamelyik alacsony sebességű csatornában rögzíti az erőmérő-nyomatékot, és segítségével összehasonlítja a fékteljesítményt a nyomásértékekből származtatott jelölt teljesítménnyel. Az értékek közötti különbségek a súrlódási és szivattyúzási veszteségből adódnak.

A hengernyomás mérésére alkalmas olcsó, PC-alapú DAQ rendszer elkészítéséhez az Optrand száloptikai alapú nyomásátalakítóit használtuk. Ezeket a viszonylag olcsó mérőeszközöket már számos fejlesztési és megfigyelő programban sikeresen használták fel. A mérőeszközök a mai napig már több mint 800 millió ciklust rögzítettek a motorok működésével és vezérlőalkalmazásaival kapcsolatban. A mérőeszközök amellett, hogy 5 voltos teljes skálával rendelkeznek, érzékelési jelet is leadnak, amelynek figyelésével biztosítható, hogy érvényes nyomásjelekkel dolgozzunk. A nyomásátalakító jeleit a National Instruments PCI-MIO-16-E-1 DAQ board eszközével mértük, amelyet egy 0,36 fokos felbontású optikai kódoló vezérelt. A kódoló indeximpulzusának és a motor felső holtpontjának összehangolása érdekében a vizsgálatok közben egy Philtec száloptikai lökettérfogat-érzékelő segítségével határoztuk meg pontosan a felső holtpontot. Ezzel a módszerrel feleslegessé válik a beosztásos tárcsák és egyéb jelzések használata a felső holtpont meghatározásakor.

Rendszerarchitektúra

A LabVIEW-alapú mérési rendszerben a gépkezelő különféle alprogramok segítségével állítja be a motorparamétereket, viszi be a mérőeszköz-paramétereket, határozza meg a felső holtpontot, gyűjti be az adatokat a motorsebesség függvényében, és ismerteti a mért és számított eredményeket többféle formátumban. A motor beállítási képernyője a szomszédos ábrán látható.

Következtetés

Az általunk kifejlesztett olcsó PC-alapú adatgyűjtő és -elemző rendszer egy DAQ egység és a LabVIEW grafikus programozási környezet segítségével gyűjti össze és analizálja az IC-motorok hengernyomását a motorteljesítmény optimalizálása érdekében. A felső holtpont meghatározásához olcsón beszerezhető száloptikai nyomásátalakítókat és egy száloptikai lökettérfogat-érzékelőt alkalmaztunk. A DAQ egység vezérlését és időmérését egy optikai kódoló végzi. A rendszernek benzin- és dízelmotoros gépjárművekkel használható verziója is létezik. A jövőbeli fejlesztési tervek között szerepel a különlegesen magas fordulatszámú működés egyidejű mintavételezése és a szivattyúzás effektív közepes nyomásának (mean effective pressure, MEP) pontos mérése.

William Doggett

Creative Technical Solutions 
30 Research Drive
Hampton, VA 23666 
United States
Tel: (757) 865-1400
Fax: (757) 865-8177
bnortham@vigyan.com

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek