Diagnosztikai célú gépjárműmotor teljesítménymérése

A jármű motorjának kiszerelése összetett, időigényes folyamat, emiatt a fenntartóiparban diagnosztikai célokra a klasszikus motorfékpadi mérést nem alkalmazzák. A teljesítménymérést járműfékpadon, illetve járműbe épített motoron végzik.

1 . Görgőspadok

Diagnosztikai (minimális szerelési munkával járó) teljesítménymérést általában:

– görgős járműfékpadon, illetve

– ROTOTEST berendezéssel vagy

– az OBD-adatok alapján végezhetünk.

 

A görgős járműfékpadok legfőbb előnye, hogy a jármű megbontása, átalakítása nélkül, közvetlenül a hajtott keréken mérhető a teljesítmény (igaz, ez nem azonos a motor effektív teljesítményével). A keréken leadott teljesítményen túl egyszerűen mérhető a hajtáslánc teljesítményvesztesége is.


➊ Egygörgős fékpad (MAHA MSR 500 PKW)
 

A görgős fékpadok felépítési változatai:

– egygörgős fékpad ➊.

A görgő átmérője nagy, akár 500 mm is lehet. Ebben az esetben a kerék a görgő tetején áll, ami nem stabil állapot, ezért nagyon fontos a gépkocsi rögzítése. Ma egyre gyakrabban használják szervizekben is.

– kétgörgős fékpad ➋.

 


➋ Kétgörgős fékpad


➌Féltengely csonkján történő teljesítménymérés (ROTOTEST fékpad)

 

A görgők átmérői kicsik, mintegy 250–400 mm értékűek. Ennél a típusváltozatnál a kerék két görgő közé ékelődve hajt, ami statikailag stabil állapotot jelent. Természetesen rögzítésre ebben az esetben is szükség van. Ezt a változatot főként a járműfenntartó, javító és tuningolással foglalkozó cégek használják.

2. A hajtó féltengely csonkján történő teljesítménymérés

Teljesítményt a hajtó féltengely csonkján is mérhetünk. Ebben az esetben bizonyos mértékű megbontással (a hajtott kereket le kell szerelni) számolni kell. Ez némi hátrányt jelent a görgős paddal szemben. Ez a teljesítménymérő egyszerű kialakítású, kompakt szerkezet, amelynek jelentős előnye, hogy nem igényel telepítést ➌.

 


 

➍ OBD Dyno szoftverrel felvett motorteljesítmény- és nyomatékgörbék

 

3. Teljesítménymérés a fedélzeti diagnosztika segítségével

További lehetőség a teljesítménymérésre, hogy felhasználjuk a fedélzeti diagnosztikai rendszer (OBD) lehetőségeit.

Az OBD Dyno a járművek teljesítmény jelleggörbéjét egyszerűen és látványosan képes előállítani. Az ehhez szükséges adatállományokhoz a járművek OBD-csatlakozóján keresztül férhetünk hozzá, a VCDS (korábban VAG-COM) diagnosztikai program segítségével. Az OBD Dyno ingyenesen hozzáférhető és használható szoftver. A méréshez csupán az alábbiakra van szükség:

– laptop, Microsoft Windows szoftverrel és installált JAVA környezettel,

– VCDS (Ross-Tech) diagnosztikai programra,

– OBD diagnosztikai kábelre,

– a mérendő járművön OBD diagnosztikai csatlakozóra.

 


➎ A gépjárműfékpad felépítése

 

A mérés során az OBD Dyno program két mérési fázisban (gyorsítás és kifuttatás) méri a sebességet, a motorfordulatszámot és az adatgyűjtési időpontokat. A mérés során a járművet kis fordulatszámról 1:1 sebességváltó áttétellel (5-fokozatú váltó esetén 3. fokozat, 6-fokozatú váltó esetén 4. fokozat) gyorsítjuk teljes terheléssel („padlógáz”), egészen a névleges motorfordulatszámig. Ennek elérésekor oldjuk a tengelykapcsolót és hagyjuk kigördülni a járművet a kezdeti járműsebesség eléréséig. (A mérésnek görgőspadi változata is létezik.) A mérés eredményeként a motor effektív teljesítményét és nyomatékát kapjuk ➍.

 

GÖRGŐS JÁRMŰFÉKPADI MÉRÉSEK

A görgős gépjárműfékpad a gépjármű álló helyzetében teszi lehetővé a hajtáslánc országúti haladásának megfelelő üzemét, azáltal, hogy a hajtott kerekek görgőkön futnak ➎. Ez lehetővé teszi, hogy különböző (tüzelőanyag-fogyasztás, emisszió stb.) méréseket végezzünk laboratóriumi körülmények között. A gépjárműfékpad eközben terheli a gépjármű hajtásláncát, így különböző munkapontok állíthatók be.

A fékpadon állandósult (stacioner) és folyamatosan változó (instacioner) üzemállapotú vizsgálatokat végezhetünk. Stacioner üzemállapotban a motor adott (állandósult) munkapontban üzemel, amelyre beállított terhelés és fordulatszám jellemző.

 

A FÉKGÉP

A görgős gépjárműfékpadokon ma általánosan elektromos örvényáramú fékgépet használnak. A mindenkor szükséges fékezőnyomatékot a gerjesztőáram változtatásával egyszerűen be lehet állítani és a karakterisztikák is ezen a módon képezhetőek.

Az elektromos örvényáramú gép (➏. ábra) állórészének kerületén (1) helyezkednek el az egyenáramú gerjesztőtekercsek (2). A gerjesztőtekercsek pólusai előtt, tehát mindkét oldalon, öntöttvas tárcsák (3) forognak, melyeket az ún. fékezett (a gépjármű ráállása szerinti első) görgők tengelye forgat.

 


➏ Örvényáramú fékgép

 

A tárcsa forgása közben metszi az áramjárta gerjesztőtekercsek mágneses terének erővonalait, így a tárcsában feszültség indukálódik. A tárcsa rövidrezárt vezető, melyben a feszültség áramot, ún. örvényáramot kelt, amely létrehozza saját mágneses terét. A két mágneses tér egymásra hatásaként a forgó tárcsa nyomatékot fejt ki az állórészre, azt magával akarja vinni. A csapágyazott állórész elfordulását azonban megakadályozzuk egy erőmérő cellára támaszkodó karral. A 3-as tárcsa hőmérséklete több száz oC is lehet, emiatt abban hűtő ventilátor lapátozást alakítottak ki.

A mérés során a görgő fordulatszámának mérésére is szükség van, amelyből a görgő kerületi sebessége (azaz járműsebesség-érték) is képezhető. A keréken leadott teljesítmény számítása 

egyenlet alapján végezhető el.

 

AZ ÖRVÉNYÁRAMÚ FÉKGÉP JELLEGMEZŐJE

Az örvényáramú fékgép jellegmezője az alábbi ábrán látható.

Ennek határoló görbéi ➐:

1. A gerjesztőáram nulla esetében az üresjárati határkarakterisztikát a tárcsa légkavarása adja.

2. A járműsebesség-határ (ezt a kezelőnek be kell tartania).

3. A maximális teljesítmény

4. A maximális vonóerő (vagy nyomaték) és

5. a maximális teljesítmény szakaszok határolják.

 



➐ Görgős járműfékpad jellegmezeje és terheléskarakterisztikái

 

A görgős járműfékpadok általában az alábbi terhelő karakterisztikák szerint tudnak fékezni:

– Az A jelű karakterisztika meredeksége változtatható, mely ezzel a légellenállási együtthatónak megfelelő karakterisztika (F~v2) beállítását teszi lehetővé. Ez a terhelés alkalmas pl. tüzelőanyag-fogyasztás mérésére.

– A B jelű karakterisztika a v vagy n állandó karakterisztika, melynek helyzete az x-tengely mentén eltolható, azaz változtatható a megadott sebesség. Olyan mérések végzésére alkalmas, ahol a fordulatszám-változás hatását ki kell zárni.

– A C jelű karakterisztika vonóerő állandósító karakterisztika, mely például motorparaméter-optimalizálási feladatoknál lehet szükséges.

 

A MÉRÉS MENETE

A továbbiakban a mérést előkészítő, a mérési és a kiértékelési teendőket ismertetjük (➊. táblázat).

 


➊. táblázat

 

MÉRÉSEK ROTOTEST BERENDEZÉSSEL

A ROTOTEST próbapad felülmúlja a hagyományos görgős padokat, a pontosság, a vizsgálati lehetőségek és a biztonság területén egyaránt. A görgős fékpadokkal ellentétben nincs csúszás (szlip) a gumiabroncsok és a görgők között, hiszen itt a kerékagyra csavarkötéssel rögzített adapter csatlakozik a fékgéphez. Fontos előny a hordozhatóság is, hiszen így nem vagyunk telepítési helyszínhez kötve.

A vizsgálópad fő részei:

– a fékgép ➑,

– felfogató tárcsa ➒,

– a „Hurricane” hűtőegység ➓ és

– a központi vezérlő ⓫.

 


➑ ROTOTEST fékgép                                                                                                                                                          ➒ Felfogató tárcsa

 


➓ „Hurricane” hűtőegység            ⓫ Központi vezérlő

 


➋. táblázat

 

A vizsgált gépjármű a mérés közben a fékpadon támaszkodik, így nincs szükség további rögzítésre. A hűtőberendezés integrált része a ROTOTEST-rendszernek. Műszaki érdekesség, hogy a hidraulikus fékgép által áramoltatott olaj hajtja a ventilátorba épített hidromotort. Így a „Hurricane” hűtési egység fúvásteljesítménye egyenes arányban áll a fékezőnyomaték mértékével (➋. táblázat).

 

A TELJESÍTMÉNY MEGHATÁROZÁS ELVE

A ROTOTEST-rendszer a kerékteljesítmény (azaz a keréken leadott teljesítmény) mérésére használandó, a motor jellemzői közül csupán a forgatónyomatékot méri ⓬. Ismerve a motor fordulatszámát, így a kerékét is meghatározhatjuk a sebességfokozat és a végáttétel ismeretében:

nkerék = i4. · ivégáttétel · nmotor

A motorteljesítmény meghatározásához szükség van a motor szögsebességére.

ωkerék = 2 · π · nkerék

Az előző adatok ismeretében kiszámolható a kerékteljesítmény.

P↓kerék = M↓kerék · ω↓kerék(W)

A motor effektív teljesítményének meghatározásához ismernünk kellene a hajtáslánci veszteséget a gumigyúrás nélkül.

 


⓬ ROTOTEST-tel mért keréknyomaték és -teljesítmény görbék

 

INSTACIONER ÜZEMÁLLAPOTÚ MOTORTELJESÍTMÉNY-MÉRÉS

A görgős járműfékpadok segítségével a keréken leadott teljesítményt (kerékteljesítmény), nyomatékot, erőt (vonóerő) lehet mérni. Ezek az értékek a jármű országúti jellemzői. A motor effektív jellemzői azonban a padba épített fékgép segítségével nem határozhatók meg, ugyanakkor a gyártók általában ezeket a jellemzőket (effektív motorteljesítmény, effektív motornyomaték) adják meg. A továbbiakban ennek az ellentmondásnak a feloldására mutatunk be egy módszert.

 

A TERHELETLEN JÁRMŰ HAJTÁS-LÁNCELEMEINEK MOZGÁSVISZONYAI

A mérés kiinduló állapota, hogy a pad görgőinek terhelését (fékgép) kikapcsoljuk, és a padon álló jármű hajtásláncát teljes terhelésű (teljes gáz) szabad gyorsításban gyorsítjuk fel a névleges motorfordulatszámig a vizsgálati sebességfokozatban (gyorsulási szakasz). Ezt követően a tengelykapcsolót oldva, a sebességváltót az adott fokozatban hagyva, hagyjuk megállásig lelassulni az autót (lassulási szakasz).

Ilyenkor a motornak a ⓭. ábrán feltüntetett tehetetlenségi nyomatékokat kell felgyorsítania.

 


⓭ Rendszerre írhatjuk fel az energiaegyenletet, mely szerint a rendszerbe bevezetett munka időbeli változása (P – effektív motor-teljesítmény) egyenlő a kinetikai energia (E ), a potenciális energia (E ) és az elvezetett hő (Q) időbeli változásával

 

Rendszerre felírhatjuk fel az energiaegyenletet, mely szerint a rendszerbe bevezetett munka időbeli változása (Pe – effektív motorteljesítmény) egyenlő a kinetikai energia (Ek), a potenciális energia (Ep) és az elvezetett hő (Q) időbeli változásával:

Mivel a potenciális energia a mérés során nem változik:

 

A rendszer kinetikai energiájának megváltozása a kerék, illetve a pad görgőinek gyorsításában nyilvánul meg, tehát ez a tag a kerékteljesítménnyel (Pk) egyenlő. Az elvezetett hő viszont a hajtási veszteség teljesítménnyel (Pv) egyenlő:

Pe = Pk + Pv

A forgó mozgás dinamikai alapegyenlete felírható mind a gyorsítási, mind a kifuttatási szakaszra:

Ahol:

ω      a görgőspad görgőjének szögsebessége

Θred  a jármű hajtásláncának a görgőspad görgőjének tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka

φ       a görgő szögelfordulása

ε       a görgő szöggyorsulása

t       idő

 

A gyorsulási szakasz alapegyenlete:

Pveszt = P"v,f(M) + Pv, f(ω) + Pvpad, F(vg)

Pkerék = ωg · ε+g · [Θmot, red + Θjármű + Θpad]

 

Ahol:

f(M)               az f(M) indexű tagok a vonóerőfüggő veszteségek

f(ω)               az f(ω) indexű tagok a sebességfüggő veszteségek

g-index           görgő

Θmot, red       motortehetetlenségi nyomaték görgőtengelyre redukált értéke

Θjármű, red    a járműtehetetlenségi nyomaték görgőtengelyre redukált értéke

Θpad, red       a görgőspad-tehetetlenségi nyomaték görgőtengelyre redukált értéke

+-index            gyorsulás

–-index          lassulás

 

A lassulási szakasz alapegyenlete:

 

Pveszt = P'v,f(M) + Pv,f(M) + Pvpad,f(vg)

Pfékező = ωg · ε–g · [Θjármű,red + Θpad]

 

A fenti egyenletekben a Pv,f(M) érték egy, illetve két vesszővel jelölt változata arra utal, hogy a gyorsítási és a lassítási szakaszban különböző ez a veszteséghányad, hiszen a lassítási fázisban a motort leválasztjuk a rendszerről.

 


A FIGYELEMBE VETT VESZTESÉGEK ELEMZÉSE

A vonóerőfüggő veszteségek (MF) között az alábbi értékek gyakorolnak befolyást a mérésre. A zárójelben szereplő számérték csupán a nagyságrendet adja meg, hogy viszonyítani tudjunk.

A vonóerőfüggő veszteségek (MF):

– fogaskerék-súrlódási veszteség (a motor effektív teljesítményének (Pe) mintegy 7%-a)

– szlip a gumiabroncs és a görgő között 
(a motor effektív teljesítményének (Pe) mintegy 7%-a).

Sebességfüggő veszteségek (Mv):

– olajkavarási és ventillációs veszteség a hajtóműben (a motor effektív teljesítményének (Pe) mintegy 2%-a)

– gumigyúródási munka (a motor effektív teljesítményének (Pe) mintegy 7–20%-a).

A figyelembe vett veszteségek elemzése alapján megállapíthatjuk, hogy a keréken leadott teljesítmény kb. 
a 2/3-a a motor effektív teljesítményének. A veszteséget okozó egységeket a ⓮. ábra szemlélteti.

 


⓮ Veszteségelemzés

 

A MOTORTELJESÍTMÉNY MEGHATÁROZÁSA

A gyorsítási és lassítási szakaszok regisztrátumait a ⓯. ábra mutatja. Ennek alapján és az előzőekben ismertetett összefüggéseknek megfelelően, a motor effektív teljesítménye az alábbi alakban írható fel. A gyakorlatban ez az ábrán látható gyorsítási függvény (pozitív) ágára a negatív (lassítási) metszékek felmérést jelenti.

Pmot, eff = ωg · ε+g · [Θmot, red + Θjármű,red + Θpad] + ωg · ε–g · [Θjármű,red + Θpad] + Pv,f(M)

 


⓯ A teljesítménymérés regisztrátuma

 

A teljesítményérték meghatározásához még a Θred értékre van szükség. Ezt úgy határozhatjuk meg, hogy a ⓯. ábrán látható diagram Pk görbéjének szélsőértékéhez (maximum) tartozó sebességértéknél a görgőspad fékgépe segítségével megmérjük a teljes terhelési teljesítmény értékét ⓰.

 


⓰ Stacioner üzemállapotú mérés a léptékmeghatározáshoz

 


⓱ A két egymás után végzett mérés diagramjai

 

Mivel azonban a gyorsítási és a lassítási ág vonóerőfüggő teljesítménye nem azonos, az így kapott értéket az alábbi empirikus összefüggés szerint helyesbíteni kell:

Pmot = Pmot,görbe + Pk,mért · 0,1

Mivel Pv,f(M) = 0,1 · Pk,mért

 

Az eljárás fő előnye, hogy járműbe épített állapotban képesek vagyunk a motorteljesítmény-érték meghatározására. Ez egyébként csupán motorféktermi mérésekkel lenne elvégezhető, amelynek azonban jelentős járulékos költségei vannak.

Az ismertetett módszer ugyanakkor a mindennapi diagnosztikai méréstechnikában is kitűnően felhasználható.

A mérés ún. additív tömeg felhasználásával fékgép nélkül is elvégezhető. Így nincs szükségünk görgős teljesítménymérő padra, csupán olyan görgőágyra, amelyre additív tömeg is kapcsolható. A léptékmeghatározás elve ekkor az alábbiak szerint történik:

 

Ebben az esetben két egymás utáni mérést végzünk:

1. mérés

Ez tulajdonképpen megegyezik az eddig ismertetett mérési módszerrel. Egyenletei:

 

Pk,1 = (Θmotor,red + Θhajtáslánc,red) · ε'1 ·ω'1

Pv,1 = Θhajtáslánc,red · ε"1 · ω"1

 

2. mérés

Ebben az esetben a görgők tengelyéhez járulékosan lendtömeget kötünk hozzá, amely növeli a görgő tengelyére számított összes redukált tehetetlenségi nyomatékot.

Pk,2 = (Θmotor,red + Θhajtáslánc,red + Θlendtömeg,red) · ε'2 ·ω'2

Pv,2 = (Θhajtáslánc,red + Θlendtömeg,red) · ε"2 · ω"2

 

A két esetben ugyan eltérőek a rendszer tehetetlenségei és természetesen lassulásai-gyorsulásai is, de teljesítménybe átszámolva már a keréken leadott teljesítményeknek és a veszteségteljesítményeknek is egyezniük kell, hiszen a motor, amely a rendszert gyorsítja, és a hajtáslánc, amelynek veszteségei vannak, változatlan. Így az 1. és a 2. mérés kerékteljesítmény- és hajtáslánci veszteség egyenletei páronként egyenlővé tehetők. A kifuttatási egyenletekből a hajtáslánc redukált tehetetlenségi nyomatéka számítható:

 

Θhajtáslác,red · ε"1 · ω"1 = (Θhajtáslánc,red + Θlendtömeg,red) · ε"2 · ω"2


 

A kerékteljesítmény-egyenletbe ezt visszahelyettesítve megkapjuk a motor tehetetlenségi nyomaték értékét is ( és -t egy adott vizsgálati fordulatszámon, azaz azonos járműsebesség, vvizsg esetén határozzuk meg). A fenti minta alapján a motor tehetetlenségi nyomatéka a kerékteljesítmény-egyenleteket egyenlővé téve, meghatározható a motor tehetetlenségi nyomatéka is.

Mindezt természetesen a megfelelően megírt mérőszoftver levezényli és kiszámolja. Így a végeredmény már pontos értékekkel megadható nyomatéki és teljesítmény külső jelleggörbe lesz.

 

A kutatás a TÁMOP-4.2.2.A/2-11/ 1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.