1 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt Intrnal Combuston Engns Tavottt: Polttomoottortknkan prustdn opntojaksossa on tutustutaan polttomoottordn kokllsn tutkmusmntlmn moottorlaboratorossa, kohuonn mttaus- ja tdonkruujärjstlmn, mttauslattknkkaan, mttaustn järjstlmällsn suunnttluun ja totutuksn, kotulostn kästtlyyn, raportontn ja laboratoromttaustn laatujärjstlmään skä tuotkhtystomntaan. Kurssn ssällytttynä thdään polttomoottorn kokllst mttaukst 3-4 opskljan ryhmssä. Ssältö: Moottorlaboratoron mttaus- ja tdonkruujärjstlmät. Kohuonn olosuhtdn mttaukst. Moottordn jarrutuspnkt. Moottorn kuormtussyklt. Tho, vääntömomntt ja pyörmsnopus. Ilmamäärän mttaus. Polttoann massan mttaus. Ilmakrtomn määrtys, -antur. Pakokaasuanalysaattort. Sylntrn palamspanantur. Kokt: Moottorn kuormtussykln määrtys. Polttoann omnaskulutus r kuormtukslla. Pakokaasumssodn määrtys r kuormtukslla. Pakokaasukatalysaattorn tstaus. Kokllstn mttaustn raportont. Krjallsuus: Zhao,H., Ladommatos,N., Engn Combuston Instrumntaton and Dagnostcs. Standardt EC 80/1269, ISO 1585, ISO 8178. JIS D 1001, SAE J 1349, DIN 70020. Hywood, John B.,Intrnal Combuston Engn Fundamntals. McGraw-Hll Book Company. 1988. Aumala&Kallomäk Mttaustknkka I. Mttaustknkan prustt. 359 Otakustantamo.1978. Ston,R., Introducton to Intrnal Combuston Engns. Thrd Edton. SAE. Plnt, M., Martyr,A., Engn Tstng Thory and Practc. Scond Edton.1999. BoschAutomotv Handbook, 7 th dton(2007), John Wly&Sons Ltd. Härkönn, Lähtnmäk, Välmaa, Tollsuudn mttaustknkka. Analyysmttaukst. Edta. 1992. Tutkmusjulkasut. Totutus: Moottortknllst mttaukst thdään OAMK:n Tknkan ykskön moottorlaboratorossa. Polttomoottortknkka I arvosana määräytyy panokrtomn 0,50 tntt ja 0,50 harjotus- ja laboratorotyöt. 1. Työslostus Kanslht: Työn nm, päväys 2. Työryhmä Ssältö: 1. Työn torttnn tausta 2. Tutkttavan moottorn tdot. 3. Työnsuortus. 4. Mttausmntlmä, mttauslattt, mttausjärjstlyt 5. Mttauspöytäkrjat: Mttaussuurt.. Koparamtrt 6. Vrharvont. Mttauspävarmuus. 7. Mttaustulokst ja tuloksn kästtly, omnaskuvaajat. 8. Johtopäätökst 9. Yhtnvto 10. Lähdkrjallsuus. Tutkmusjulkasut.. Lttt: Mttauspöytäkrjat. Kytkntäkaavot. Mttauslattdn tknst spsfkaatot. 2. Kokdn suortusta dltävät svalmstlut Ennn kokdn suortusta työryhmä sttää mttauspöytäkrjakaavakkt: mttaussuurt, muuttujat, mttauslattt, kytkntäkaavot, tutkttavan moottorn tdot, työnsuortusvaht skä moottorlaboratoron kohuonn mttauksn ja tdonkruun järjstlyt skä työturvallsuutn lttyvät järjstlyt. Kokllsssa osassa työryhmä nmää työryhmän jäsnn thtävät. Ryhmän vtäjä, shtr, mttaustn ja tdonkruun suorttajat skä työturvallsuudsta vastaavan hnklön. Prhdytään rttäväst moottorlaboratoron mttausjärjstlmään, tdonkruujärjstlmään, mttauslattsn, moottorjarrun tomntaan ja ohjauksn ja tutkttavan moottorn asanmukasn kunnon ja tomnnan varmstamsn skä moottorn ohjausjärjstlmään. Ennn koajoa varmsttaan, ttä moottorhuonssa on turvallsn mttauksn olosuhtt ja mttausjärjstlyt asanmukasssa kunnossa. Moottorhuonn ov pdtään suljttuna ja koajojn akana lukttuna. Mttaustn akana moottorn käydssä moottorhuonssa käynt ta olsklu on hdottomast klltty.
2 3. Tarkastttavat kohtt: Moottorhuon: Paloturvallsuus, palosammuttmt ovat mrktyssä pakossa sntötynä,, lattapnnat tul olla puhtaat (valunut öljy ta polttoan puhdstttava välttömäst), polttoanasota sälyttä moottorhuonssa(polttoanhöyryt) polttoanputkston, sulkuvnttln ja pumpun slmämääränn tvystarkastus(vuodot, vnttln tomnta), moottorn ja moottorjarrun jäähdytysjärjstlmän slmämääränn tarkastus. Moottorhuonn lmanvahtojärjstlmä säädtään huomoon otttuna moottorn palamslma- ja jäähdytyslmatarv. Tutkttava moottor: Moottorn mkaannn kunto, sylntrdn tvys(ohvuodot, ohvuotomttaukst), moottoröljyn laatu(käyttömäärä, öljyn spsfkaato), kaasunvahtojärjstlmän ja apulattdn klahhna- hammashhna, träsktju- ja hammaspyörävältykst), mulmaputkston tarkastus(lmamäärämttaus, ltoksn tvys, vuodot), pakosarja ja pakokaasuputksto,(ltokst, tvys, vuodot), sytytysjärjstlmä(sytytysajotusmntlmä, sytytystulppa, tyypp. lämpöarvo, nsö- ja tosopr, vastukst, jännthävöt, maadotus, johtojn vuodot, kpnönt), polttoanjärjstlmä( polttoanputksto, vuodot, ruskutussuuttmt, vrtausmäärät, mttauspnkk), mootorn ja jarrun kytkn ltos ja suojaraknn. 4. Työt suorttaan laboratoron lmottaman lukujärjstyksn mukasst. Ryhmät tkvät varaukst laboratoron varauskansoon. Laboratorossa noudattaan asanmukasta työjärjstystä, työturvallsuutta ja muta työhön lttyvä ohjta. Laboratorotyöt totuttaan laboratorohnklön ollssa pakalla. 5. Moottorn tknst tdot Taulukossa 1 on sttty smrkk moottorn tknsstä tdosta. Taulukko 1. Moottorn tknst tdot. Moottorn tknst tdot Ottomoottor(SI) Dslmoottor(CI) Valmstaja: Tomntatapa Ahtamaton Ahdttu Väljäähdyttty Iskutlavuus(cm3) Sylntrn halkasja (mm) Iskunptuus (S) mm Iskusuhd (S/D) Sylntrluku: Moottorn raknnmuoto: Thollnn kskpan p(kpa) Männän ksknopus(m/s) Raknnvako k R(m3) Sylntrkans, raknn, muputksto Palotlan muoto, soksn muodostus Imu- ja pakovnttln lkm Ajotusdagrammt: Sytytysjärjstlmä:(tyypp) Sytytyksn ohjausmntlmä: Sytytystulppa:(tyypp, mrkk, lämpöarvo) Polttoanjärjstlmä: järjstlmäpan, ruskutuspan ruskutussuutn, tyypp suodatn Pakoputksto Moottoröljy, tyypp, mrkk
3 Käyttömäärä, suodatn Öljypumppu, tyypp, tuotto Moottorn jäähdytysjärjstlmä Trmostaatt, vspumppu, tuotto Estarkastusmttaukst: 6. Työslostuksn palautus Suostltava työslostuksn palautus on kuukaudn kulussa kokllsn osuudn päättymsstä. Tarvttassa vodaan myöntää lsäakaa. 7. Laboratorotyön arvont Laboratorotyön arvonnssa panottaan työn svalmstlua, työn suortusta, (0,3), työslostuksssa panottaan raportn krjallsta muotoa ja määräakaa, torttsta prhtynsyyttä, mttaustulostn kästtlytapaa ja Mttaustulokssta thtävä johtopäätöksä (0,7). Raportt krjottaan dplomtyöohjn mukasst.
4 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt Intrnal Combuston Engns Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns LABORATORIOTYÖ N:O 1 1.Ottomoottorn omnaskuvaajn määrtys: tho-, vääntömomntt- ja pyörmsnopus, lmakrron ja polttoann omnaskulutus ja pakokaasupäästöt(kaasumast:co, HC, NO x ) moottorn tomssa osakuorma-alulla 1/3, 2/3 ja täydllä tholla. Esvalmstlu: Laadtaan moottorn kuormtuspstt(p,t,n ), kuormtussyklt, mttaussuur-ja mttausarvotaulukot. Prhdytään mttaus- ja tdonkruujärjstlmään, polttoann ja lmamäärämttausjärjstlmään, pakokaasuanalysaattordn mttaustknkkaan, moottorn mttausvarustsn, moottorn ja jarrun tomntaan, ohjausjärjstlmään, jäähdytysjärjstlmään ja kytknltoksn. Mttaustulokst sttään graafsna styksnä suraavast: P (kw) max Mttauspst (P, T, n, b) T max T (Nm) b(g/kwh) 0 n Kuva 1. Ottomoottorn tho, vääntömomntt ja omnaskulutus pyörmsnopudn funktona.
5 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt Intrnal Combuston Engns Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns P (kw) P max T (Nm) T max b(g/kwh) b mn 0 n (Tmax) n (Pmax) n Kuva 2. Ottomoottorn tho, vääntömomntt pyörmsnopudn ja lmakrtomn funktona. NO x HC CO 0 Kuva 3. Ottomoottorn pakokaasupäästökomponntt hlmonoksd (CO), hlvdyt(hc) ja typn oksdt (NO x ) lmakrtomn funktona. Moottorn tomntaparamtrlla (P,n)
6 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt Intrnal Combuston Engns Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns LABORATORIOTYÖ N:O 2 Sylntrn ndkotu palamspan, lämmönvapautumnn, lmakrron, päästöt(co, HC,NO x,pm) Mttaukst:vakotholla(1/3kuormtus,2/3kuormtus), vakovääntömomntlla pyörms-nopudn muuttussa. Mttaustulokst sttään muodossa p=f Lähdkrjallsuus: Hywood, J.,B., Intrnal Combuston Engn Fundamntals.1988. MacGraw-hll Intrnatonal Edtons. Chaptr 9 Chaptr 10 Laboratorotyö n:o 1 Moottorn suortusarvojn määrtys sylntrpanndkonnlla. Työn tavot: Työn tavottna on prhtyä moottorn palamspanmttausmntlmään, mttaustuloksn kästtlyyn, moottorn suortuskyvyn, hyötysuhtdn ja hävödn määrtyksn. Mttaustuloksa hyödynntään työkrtojn hyötysuhtdn ja hävödn määrtyksssä skä mäntäkondynamkan harjotustyössä Mttaustulokssta määrttään palamsprossssuurt: pv-, TS-dagrammt, lämmön vapautumnn, ndkotu työ-ja tho, kampaksllta saatava työ ja tho skä hävöt: kaasunvahtotyö, ktkatyö ja hyötysuhtt: ndkotu hyötysuhd ja mkaannn hyötysuhd. Määrttään moottorn polttoann omnaskulutus b, lmakrron ja päästöt(co, HC, NO x, PM). Tutkmusmoottorn tknst tdot. Polttoann omnasuudt. 1. Mttausjärjstlyt: Moottorn asnnuskaavo kuormtuspnkkn. Mttaushuonn mttaukst: lmanpan, lämpötla, kostus( p o, T o, ). Kytkntä tdonkruujärjstlmään. Mttauslattdn kytkntäkaavot: Pananturn asnnus moottorn, pansgnaaln mttaus ja kytkntä tdonkruujärjstlmään. Ilmamäärä- ja polttoanmäärän mttaukst: Mttauspraat, lmakrtomn määrtys, polttoann omnaskulutus, mttauspävarmuudt. Kytkntä moottorn ja tdonkruujärjstlmään. Pakokaasuanalysaattordn kytkntä moottorn ja tdonkruujärjstlmään. 2. Moottorn kuormtus: Moottorn maksmvääntömomntn alussa (T max /Nm, n(rpm), P(kW)), maksm moottorthon alussa (T(Nm), n(rpm), P max (kw)). Sytytysajotus. 3. Mtattavat suurt: Sylntrn ndkotu palamspan p=f(kampkulma, sylntrn tlavuus V(),moottorn kuormtusparamtrt). Määrtykst: p max (), lämpönrgan vapautumnn, pv-, TS-dagrammt. karaktrsovat suurt: Sylntrdn ottama lmamäärä. a m, polttoann masssavrta. f Moottorn tomntaa m, lmakrron, b, pakokaasumssot(co, HC,NO x,pm). Mttaukst tosttaan vähntään kolm krtaa. Varmsttaan mttaustn tostttavuus ja luotttavuus. omnaskulutus
7 Tutkmusraportt Ssältö: 1. Torakatsaus. 2. Mttausmntlmä. Mttausjärjstlyt. 3. Tdonkruujärjstlmä. 4. Mttaustn suortus. 5. Mttaustulostn kästtly ja stysmuodot. 6. Johtopäätökst. Lähdkrjallsuus. Mttausraportssa sttään lttdostossa: Mttauslattdn kytknnät moottorn ja tdonkruujärjstlmään. Mttauskanavn omnasuudt: mttaustaajuus, A/D-muunnos, vahvstus, suodatus. Mttaus- ja laskntaohjlma. Mttauslattdn tknst omnasuudt, mttauspraat, mttauspävarmuus. Moottorn tknst tdot ja mttausparamtrt. Polttoann omnasuudt. Raportn palautus kuukaudn kulussa kokllsn osuudn päättymsstä. Tarvttassa vodaan myöntää lsäakaa. Laboratorotyön arvont Laboratorotyön arvonnssa panottaan työn svalmstlua, työn suortusta, raportn krjallsta muotoa, torttsta prhtynsyyttä, mttaustulostn kästtlytapaa ja mttaustulokssta thtävä johtopäätöksä. Raportt krjottaan dplomtyöohjn mukasst.
8 LABORATORIOTYÖ N:O 3- Vapaahtonn Pakokaasukatalyytn mssodn mttaukst nnn puhdstusprosssa ja sn jälkn vakotholla, lmakrtomn ja pyörmsnopudn funktona. LABORATORIOTYÖ N:O 4 - Vapaahtonn Tkokdn mallnnus thodynamomtrllä. Vakoajotlantt: kaupunkajo, matka-ajo. Tallnntaan tajossa moottorn kuormtustdot: pyörmsnopus, musarjanpan, kaasuläpän asnto, vältyssuhd(vahd), ajonopus, polttoann kulutus, ulkolman tlasuurt. Dynamomtrsmulont: kaupunkajo ja matka-ajo. Mtataan polttoann omnaskulutus ja pakokaasumssot.
9 Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns MOOTTORILABORATORION MITTAUS- JA TIEDONKERUUJÄRJESTELMÄ PC MOOTTORIN OHJAUS(MoTc) MOOTTORIJARRUN OHJAUS(Schnk) MITTAUSTIETOJEN KERUU JA TALLENNUS (Motc) OHJELMISTOT MITTAUSTIETOJEN TALLENNUS MOOTTORI - HUONE P O, To, KOSTEUS T 1T 2, P 1, P 2 C A N V Ä Y L Ä ILMAMÄÄRÄ- MITTAUS VAAKA ANALAYSAATTORIT CO, HC, NO X, A/D POLTTO AINE- VAAKA MOOTTORI TEHO VÄÄNTÖMOMENTTI PYÖRIMISNOPEUS IMUSARJAN PAINE POLTTOAINEEN KULUTUS ILMAMÄÄRÄ PAKOKAASUPÄÄSTÖT K Y T K I N MOOTTORIJARRU SÄÄTÖSUUREET VÄÄNTÖMOMENTTI PYÖRIMISNOPEUS SÄHKÖMAGNEETTINEN OHJAUS JÄÄHDYTYS Kuva 1. OAMK:n moottorlaboratoron mttaus- ja tdonkruujärjstlmä.
10 P L o b Q 1 W 1-2 W 1-2 Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns Maur Haataja P. mf P työk. j t ω n ΔT ac T ω g kwh T ac η sc T a T ac ΔT ac mr (T κ -1 Kaavakokolma n n V p Vp j j T 11,52(C 3H h n 35,17C 94,21H 10,47(S O) m ( T T 03 c T 02 c T ) v 3 v 2 p 1 Q 4 3 p 4 V 4 ln( ), p 5 Q p 4 Q m h ΔT f n p 3 p 5 4 V 4 1 V 4 T 4 V 5 p 4 V 5 p 6 V 5 T 6 ρ, V 3 T 3 V 4 p 5 V 6 p 5 V 6 T 5 dq du pdv Vdp ρ 1 1 η t 1. (ρ 1) 1 p 1 mrtln( p p a p oc - T ) W 1 2 3-4 ) 2 k p r 3 O 8. m f C m 1 3 S) 8 dm f dt 1 T 1 85 m. η mf h n 2Sn 1 η t 1 1 p p C H m n K o 5 T a 6 ω m Q 2 pv mrt V 2n η v ρ T 1 70 p (V - V ) 3 4 3 n (m )O 4 2 77 8 11 ( C 8H S) C 9H 2S 23 3 3 MJ/kg 2 πd 4. m (kg/s) 6. 6 f 3,6 10 b 3,6 10,mf P (kw) η h n a o 1 5 T a 6 m ( T T 04 c T 03 c T ) p 4 p 3 pv C S W 4-5 H 1 C 12 79 (m 21 h n m V R a O 2 V V n )N 4 2 42000kcal/kg η v ρ V o 0,287kJ/kgK Q 3 32 m a p 2 W 5-6 Q 1 mc v ρ o mco 2 λl m o f p 1 3 1,293kg/m mr x (T - T ) κ -1 5 6 N 28 n 2 p 1 T0 η v po T 1 1 T 2 T 1 c p c v ja V H O 2 SL SE 0,15HMN, R x V c m S 32 V c R 71 (m 21 η ρ n v o 2 L o m a c -c p v 0,294kJ/kgK. p n )N 4 2 ε V ε -1 m f W V W nd V
11 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt
12 Intrnal Combuston Engns Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns Ilman kskmääränn omnaslämpökapasttt vakotla-vuudssa(c v ) 0 T ja vakopanssa (C p ) 0 T matalassa panssa.
13
14 Taulukko 1. Otto- ja dslmoottordn omnaskulutuksn vtarvoja r moottorparamtrlla. Aufladung=ahdttu, 1)Saugmotor=mumoottorvapaast hngttävä, 2)mt 3)mt Ladluftkühlung=ahdttu/väljäähdyttty. Taulukko 2. Lava-, vomalatos- ja rautatmoottordn vtarvoja r moottorparamtrlla suurmmalla jatkuvalla tholla ta maksmtholla./2/ Moottortyypp Työkrto Tomntatapa Omnaskulutus(g/kWh) Ahtamaton Ahdttu Rautatmoottort(vturt) Dsl 4-t 215 235 190 220 Lava- ja vomalatosmoottort: Nopakäyntst: Dsl 2-t - 210 230 Dsl 4-t 215 235 195 235 Ksknopat D=200 300 mm Dsl 2-t - 185 205 " D=200 620 mm Dsl 4-t - 170-200 Hdaskäyntst: D=260 900 mm Dsl 2-t - 165 190 Kaasukont: Ksksuurt D=175 400 mm Otto 4-t 260 300 200 225 Suurt D=400 510 mm Otto 4-t 250 285 200 225 Ksksuurt D=200 400 mm Dsl 4-t - 175 205
15 Omnaskulutusarvot on määrttty polttoann almman lämpöarvon 42000kJ/kg mukaan. Kuva 2. Erään kulkunuvodslmoottorn omnaskulutuskuvaajat rajavääntömomntlla pyörmsnopudn funktona. Taulukko 3. Otto- ja dslmoottorn mkaansn hyötysuhtn vtarvoja. Dsl Otto ahtamaton 0,75...0,82 0,65...0,78 ahdttu 0,78...0,86 0,75...0,85 ) Kuva 5. Ottomoottorn mkaannn hyötysuhd ( m), daalsn konn työkrron hyötysuhd ( t) ja kokonashyötysuhd ( ) purstussuhtn () funktona.
16 Taulukko 4. Er käyttöympärstössä tomvn ahtamattomn ja ahdttujn moottordn lmakrtomn vtarvoja täydllä kuormtukslla. Moottortyypp Työkrto Ahtamaton Ahdttu Kulkunuvomoottort Hnklöautomoottort: Otto 0,8 1,0 0,9 1,0 3-tomkatalysaattor Otto 1,0 1,0 Dsl 1,3 1,5 1,4 1,6 Kuorma-autojn ja Dsl 1,2 1,3 1,7 2,0 työkondn dslmoottort Vomalatos- ja lavadslmoottort Nopakäyntst Dsl 1,5 1,7 1,8 2,1 Ksknopat Dsl - 1,9 2,3 Hdaskäyntst Dsl - 2,3 2,6 Kaasumoottort Ksksuurt ja suurt Otto 1,2 1,4 1,3 1,5 Dsl - 1,7 2,3 Moottordn pyörmsnopusluokat Otto- ja dslmoottort(2- ja 4-tahtst)jaotllaan pyörmsnopudn mukaan, kun suurn jatkuva tho on käytössä. Ottomoottort: Ksknopakäyntst moottort: n=300-1200 r/mn Nopakäyntst moottort: n>1200 rpm. Dslmoottort: Hdaskäyntst moottort n 250 r/mn Ksknopakäyntst moottort: n=300 1200 r/mn Nopakäyntst moottort: n>1200 r/mn. n=moottorn pyörmsnopus r/mn
17 M b mn b Ilmakrron Kuva 6. Ilmakrtomn () vakutus Ottomoottorn pakokaasumssohn ja polttoann omnaskulutuksn.
18 OULUN YLIOPISTO Konnsuunnttlun tutkmusryhmä 464124A Polttomoottortknkan prustt Intrnal Combuston Engns Exprmntal Mthods n Intrnal Combuston Engns Maur Haataja Laboratorotyöryhmät: Ryhmä 1: Ryhmä 2: Ryhmä 3: Ryhmä 4:
19
20
21