Abstrakt: Článok obsahuje výsledky meraní priebehu kriviek výkonu a točivého momentu motora štyroch vozidiel meraných so zanesenými a následne s čistými filtrami vzduchu. Merania boli vykonané s dvomi vozidlami so vznetovými motormi a s dvomi vozidlami so zážihovými motormi. Výsledky sú uvedené vo forme grafov. Článok obsahuje i teoretický výpočet vplyvu zanesenia filtra vzduchu na maximálne možné zrýchlenie vozidla.
Kľúčové slová: filter vzduchu, valcová skúšobňa výkonu, výkon motora, točivý moment motora,
JEL: R41
IMPACT OF AIR FILTER´S CLEANNESS ON A CHANGE OF ENGINE SPEED CHARACTERISTICS
Abstract: The article contains the measurement results of the engine power and torque’s curve traces of four vehicles measured with both clogged and clean air filters. The measurements were performed with two CI engine vehicles and two SI engine vehicles. The results are displayed in the graphs. The article also includes a theoretical calculation of how does the clogged air filter affect the maximum possible acceleration reached by a vehicle.)
Keywords: air filter, dynamometer, engine power, engine torque,
1 Úvod
K činnosti spaľovacieho motora je potrebný neustály prísun vzduchu. Nasávaný vzduch obsahuje prachové častice a iné nečistoty, ktoré by mohli spôsobiť predčasné opotrebovanie motora a znečistenie snímačov nachádzajúcich sa v sacom potrubí motora. Z uvedeného dôvodu je vzduch potrebný k horeniu dopravovaný do valcov motora cez filter vzduchu. Úlohou filtra vzduchu je zachytiť v čo najväčšej miere nežiaduce nečistoty, a to pri čo najmenších stratách počas prúdenia vzduchu. Nežiadúce častice z nasávaného vzduchu ostávajú zachytené na filtri vzduchu, čím dochádza k jeho postupnému zaneseniu a zanesený filter tak tvorí väčšiu mechanickú prekážku prúdiacemu vzduchu, ako filter nezanesený. Zanesený filter teda vytvára predpoklady k tomu, aby bolo do valca dopravené menšie množstvo vzduchu [1]. Z pohľadu problematiky efektivity využívania paliva, tvorby plynných emisií, rovnomernosti chodu motora, tepelného namáhania jednotlivých častí motora a dymivosti motora je dôležitá hodnota súčiniteľu prebytku vzduchu λ. Súčiniteľ prebytku vzduchu λ je bezrozmerné číslo, udávajúce pomer medzi skutočným množstvom vzduchu v zápalnej zmesi a teoretickým množstvom vzduchu v zápalnej zmesi potrebného pre dokonalé spálenie paliva. Pomer medzi množstvom vzduchu a paliva v zmesi je hmotnostný. V prípade zážihového motora je potrebné dodať k dokonalému spáleniu 1 kg benzínu 14,7 kg vzduchu [2].
Výkon vznetového motora je regulovaný kvalitatívne, čiže zložením zmesi. To znamená, že výkon je regulovaný množstvom vstreknutého paliva do takmer konštantného objemu vzduchu, keďže vznetový motor nereguluje množstvo nasatého vzduchu škrtiacou klapkou. Regulácia množstva privedeného vzduchu do motora je možná otváraním obtokového kanálu turbodúchadla, ak je ním motor vybavený, a tiež otváraním ventilu EGR. Pozornosť bohatosti zmesi je v prípade vznetového motora venovaná najmä z dôvodu jej vplyvu na zloženie emisií výfukových plynov. Vozidlá so vznetovým motorom, podobne ako vozidlá so zážihovým motorom, majú taktiež vo výfukovom potrubí umiestnenú širokopásmovú lambda sondu, potrebnú pre meranie obsahu kyslíka vo výfukových plynoch. Údaje z lambda sondy zohľadňuje riadiaca jednotka motora pri výpočte množstva vstrekovaného paliva [3].
U zážihového motora je výkon motora regulovaný kvantitatívne, to znamená zmenou množstva nasávaného vzduchu. Určitému množstvu nasávaného vzduchu pripadá v závislosti od režimu práce motora určité množstvo paliva. V prípade zanesenia filtra vzduchu môže dôjsť k zníženiu množstva privedeného vzduchu do valca motora a tak i k zníženiu množstva vstreknutého paliva. Znížením množstva vstreknutého paliva dôjde k zníženiu množstva chemickej energie obsiahnutej v palive, k zníženiu množstva premenenej chemickej energie na tepelnú energiu a tým k zníženiu množstva mechanickej energie na výstupe zo spaľovacieho motora [4].
V situácií, kedy vodič potrebuje dosiahnuť maximálne zrýchlenie vozidla alebo z iného dôvodu dosiahnuť maximálny výkon alebo točivý moment motora, stlačí pedál akcelerátora na 100 %. Riadiaca jednotka motora signál z pedála akcelerátora vyhodnotí a zahrnie do výpočtu množstva vstreknutého paliva. Požiadavky vplývajúce na ekologickú a ekonomickú prevádzku dá do úzadia a uprednostní takú dávku paliva, pri ktorej dosiahne motor najvyšší výkon a točivý moment [1].
Účelom meraní uvedených v tomto článku je zistenie, či bežné zanesenie filtra nečistotami spôsobí také zníženie prísunu vzduchu, aby došlo k zmene priebehu krivky točivého momentu a výkonu motora.
2 Metodika merania
Merania vplyvu zanesenia filtra vzduchu na zmenu priebehu krivky výkonu a točivého momentu motora boli vykonané na valcovej výkonovej stolici MAHA MSR 1050, ktorej výrobcom udávaná odchýlka je ±2 % [5], Obr. 1. Valcová skúšobňa MAHA MSR 1050 prepočítava nameraný výkon na také hodnoty, aké by motor dosiahol pri atmosférických podmienkach okolia podľa normy DIN. Výsledky merania tak nie sú ovplyvňované atmosférickými podmienkami okolia v dobe merania a vytvára podmienky pre opakovateľnosť meraní.
Obr. 1 Valcová skúšobňa MAHA MSR 1050 a jedno z meraných vozidiel Kia Ceed
Po upevnení vybraných vozidiel na valcoch skúšobne a kondiciovaní motora bol zmeraný priebeh výkonu a točivého momentu motora s použitým, zaneseným, filtrom a následne s filtrom novým, nezaneseným.
Technické údaje prvého meraného vozidla sa nachádzajú v Tab. 1.
Tabuľka 1 Technické údaje vozidla VW Golf 6
Zobrazenie nového a zaneseného filtra vzduchu je na Obr. 2.
Obr. 2 Filtre vzduchu vozidla VW Golf 6
Údaje druhého meraného vozidla sú uvedené v Tab. 2.
Tabuľka 2 Technické údaje vozidla VW Passat 1.9 TDi
Vozidlo malo prostredníctvom úpravy riadiacej jednotky zvýšený výkon i točivý moment motora.
Nový a zanesený filter vzduchu sú vyobrazené na Obr. 3.
Obr. 3 Filtre vzduchu vozidla VW Passat 1.9 TDi
Tretím meraným vozidlom bolo vozidlo so zážihovým motorom, Tab. 3, filtre použité počas merania sú zobrazené na Obr. 4. Tretie vozidlo, Kia Ceed, malo variabilné nastavenie časovania ventilov.
Tabuľka 3 Technické údaje vozidla Kia Ceed 1.6 CVVT
Obrázok 4 Filtre vzduchu použité vo vozidle Kia Ceed 1.6 CVVT
Technické údaje posledného meraného vozidla sú uvedené v Tab. 4.
Tabuľka 4 Technické údaje vozidla Škoda Fabia, 1.4 MPI, 74 kW
Na Obr. 5. sú zobrazené filtre vzduchu použité počas meraní so 4. vozidlom.
Obr. 5 Filtre vzduchu použité vo vozidle Škoda Fabia 1.4 MPI, 74 kW
3 Výsledky merania
Priebeh krivky výkonu a točivého momentu motora prvého testovaného vozidla, VW Golf 6, je zobrazený na Obr.6. Červenou farbou je znázornená krivka priebehu výkonu motora a modrou farbou krivka priebehu výkonu na kolesách. Zelenou farbou je znázornená krivka priebehu výkonu stratového. Oranžovou farbou je označená krivka priebehu točivého momentu. Krivky znázornené hrubou čiarou boli namerané počas meraní so zaneseným filtrom vzduchu, krivky znázornené tenkou čiarou počas meraní s novým filtrom vzduchu.
Obr. 6 Výsledky merania s vozidlom VW Golf 6, TDi
Do sacieho potrubia vozidla VW Golf 6 TDi je zaradený i merač hmotnosti vzduchu a tak bolo možné odmerať a zaznamenať množstvo nasávaného vzduchu počas merania výkonu a točivého momentu motora. Priebeh množstva nasávaného vzduchu v závislosti od otáčok motora je uvedený na Obr.7. Množstvo nasávaného vzduchu je uvedené v g.s-1.
Obr. 7 Množstvo nasávaného vzduchu vozidlom VW Golf 6, TDi
Výsledky vplyvu zanesenia filtra vzduchu na zmenu priebehu krivky výkonu a točivého momentu motora VW Passat 1.9 TDi sú uvedené na Obr.8.
Obr. 8 Výsledky merania s vozidlom VW Passat, 1.9 TDi
Výsledky z merania s vozidlom Kia Ceed sú uvedené na Obr.9. Na rozdiel od predchádzajúcich dvoch obrázkov, Obr.8 a Obr.6, je v tomto prípade meranie s nezaneseným filtrom znázornené hrubou čiarou.
Obr. 9 Výsledky merania s vozidlom Kia Ceed 1.6 CVVT
Na Obr. 10 sú znázornené výsledky merania s vozidlom Škoda Fabia 1.4 74 kW, 16 V. Hrubou čiarou sú znázornené krivky namerané s novým filtrom vzduchu a tenkou čiarou krivky namerané so zaneseným filtrom vzduchu.
Obr. 10 Výsledky merania s vozidlom škoda fabia 1.4 MPI 74 kW
Ako vyplýva z Ob.6 až Obr. 10, pri všetkých meraniach bol aspoň v určitom rozsahu otáčok nameraný nižší výkon, alebo točivý moment motora pri použití zaneseného filtra. Pri hodnotení výsledkov meraní je potrebné zohľadniť odchýlku merania valcovej skúšobne, a to ±2%. Rozdiely priebehu kriviek dosahujú pomerne nízke hodnoty. Namerané krivky vozidiel so vznetovými motormi, Obr. 6 a Obr. 8 vykazujú najväčšie rozdiely v rozsahu medzi 1500 ot.min-1 až 2400 ot.min-1. Sú to tie otáčky motora, pri ktorých má turbodúchadlo malý vplyv na plnenie motora vzduchom. So zvyšujúcimi sa otáčkami motora, a tým väčším vplyvom turbodúchadla, na plnenie motora vzduchom sa rozdiely medzi priebehmi kriviek strácajú [3]. Vplyv zanesenia filtra na množstvo nasávaného vzduchu je možné pozorovať na Obr. 7. V oblasti, kedy bol nameraný rozdielny točivý moment a výkon motora, bolo namerané i rozdielne množstvo nasávaného vzduchu.
Krivky zážihových motorov s atmosférickým plnením, Obr. 9 a Obr. 10, dosiahli väčších rozdielov v iných otáčkach v porovnaní s krivkami vznetových motorov s turbodúchadlami. Krivky točivého momentu motora začínajú mať rozdielne priebehy pri oboch motoroch od otáčok približne 2500 ot.min-1. Rozdielny priebeh majú krivky až po maximálne otáčky. Priebehy kriviek výkonu motora vozidla Kia Ceed majú rozdielne od otáčok motora 3500 ot.min-1. Priebehy kriviek výkonu motora vozidla Škoda Fabia, Obr.10, sú konštantné takmer v celom rozsahu otáčok motora. Rozdielny priebeh bol nameraný len v otáčkach motora nad 6000 ot.min-1. V takýchto otáčkach motor pracuje len veľmi zriedkavo.
Niektorí výrobcovia vzduchových filtrov uvádzajú, že výmenou zaneseného filtra za nový filter sa vozidlu zvýši výkon a točivý moment motora a vozidlo bude schopné rýchlejšie akcelerovať [6]. Ako vyplýva z Obr. 6 až Obr. 10, v prípade meraných vozidiel boli namerané rozdiely malé. Pre lepšiu predstavu vplyvu čistoty filtra vzduchu na schopnosť vozidla akcelerovať je možné použiť výpočet uvedený v ďalšej časti tohto príspevku. Význam výpočtu spočíva v stanovení teoretickej hodnoty maximálneho zrýchlenia vozidla na 1. prevodovom stupni pri použití zaneseného a nezaneseného filtra vzduchu v oblasti otáčok s najväčším nameraným rozdielom kriviek točivého momentu motora. Pre zrýchlenie vozidla je dôležitý točivý moment motora. Najväčší rozdiel točivého momentu vplyvom výmeny zaneseného filtra vzduchu za nový bol nameraný s prvým meraným vozidlom, VW Golf 6, Obr. 6. Najväčší rozdiel, 11 Nm pri otáčkach motora približne 2000 ot.min-1. Výpočet teda bude zameraný na to, o koľko väčšie zrýchlenie dosiahne vozidlo vďaka novému filtru, čiže rozdielu 11 Nm, pri rozbehu vozidla na 1. prevodovom stupni v oblasti otáčok okolo 2000 ot. min-1. Na uskutočnenie výpočtu je potrebné poznať odpor vozidla voči zrýchleniu a odpor voči valeniu. Keďže sa vozidlo pohybuje na 1. prevodovom stupni a rýchlosť jazdy je nízka, odpor vzduchu je možné zanedbať [7]. Ako prvé je potrebné vypočítať odpor voči valeniu. Následne sa vypočíta sila privedená na kolesá a od tejto sily sa odpočíta sila potrebná na prekonanie odporu valenia, čím sa vypočíta maximálna možná hodnotu odporu voči zrýchleniu. Z maximálnej hodnoty odporu voči zrýchleniu sa vyjadrí maximálne možné teoretické zrýchlenie vozidla. Celý výpočet sa zopakuje s dosadením hodnôt pre vozidlo s novým, nezaneseným, filtrom vzduchu.
Výpočet bude realizovaný pre VW Golf, 1.9 TDi, s pohotovostnou hmotnosťou 1195 kg a hmotnosťou vodiča 70 kg, s pneumatikami energetickej triedy C [8]. Trieda „C“ označuje pneumatiky s hodnotou koeficientu odporu valenia 0,0078 až 0,009. Pre výpočet bude uvažovaná stredná hodnota, čiže f = 0,0084.
Pre výpočet odporu valenia je platný vzťah:
(1)
- Ov je odpor voči valeniu [N]
- m je hmotnosť vozidla [kg]
- f je súčiniteľ odporu valenia [-] [7]
Po dosadení hodnôt platných pre vozidlo VW Golf 6:
(2)
Vypočítaná hodnota odporu voči valeniu daného vozidla s vodičom je 104.24 N.
Druhým krokom výpočtu je stanovenie sily na kolesách podľa vzťahu:
(3)
- Fk je sila na kolesách [N]
- Mt je točivý moment motora [Nm]
- Ƞm je mechanická účinnosť prevodov
- r je polomer kolesa [m] [7]
Nameraný točivý moment motora pri daných otáčkach a zanesenom filtri je 220 Nm, Obr.6. Celkový prevodový pomer na 1. prevodovom stupni je daný vzťahom:
(4)
- ic je celkový prevodový pomer [-]
- iI je prevodový pomer na 1. prevodovom stupni [-]
- ir je stály prevodový pomer v rozvodovke [-]
Hodnota prevodového pomeru na 1. prevodovom stupni je podľa [8] 3.78 a v rozvodovke 3,65. Celkový prevodový pomer na 1. prevodovom stupni dosahuje hodnotu:
(5)
Na vozidle sú namontované pneumatiky s rozmerom 205/65 R 16. Polomer kolesa je:
(6)
Sila na kolesách:
(7)
Najväčšiu možnú hodnotu odporu voči zrýchleniu je možné vypočítať vzťahom:
(8)
(9)
Následne je možné vypočítať maximálne zrýchlenie vozidla:
(10)
- a je zrýchlenie vozidla [m.s-2]
- Oa je najväčšia možná hodnota odporu voči zrýchleniu
- m je hmotnosť vozidla
- δ je súčiniteľ odporu rotačných hmôt [7]
Výpočet súčiniteľa odporu rotačných hmôt konkrétneho vozidla je zdĺhavý a vyžaduje zisťovanie hmotnosti a polomeru každej jednej rotačnej súčiastky nachádzajúcej sa v motore, medzi motorom a kolesami a kolies samotných. Pre potreby tohto výpočtu nie je potrebné túto hodnotu vypočítavať s tak vysokou presnosťou. Hodnota súčiniteľa bude v prípade výpočtu s novým i zaneseným filtrom zvolená rovnaká a to konkrétne δ = 1.35 podľa [9].
Možné zrýchlenie vozidla so zaneseným filtrom:
(11)
Maximálne zrýchlenie vozidla VW Golf so zaneseným filtrom pri otáčkach motora 2000 ot.min-1 na 1. prevodovom stupni je 4.75 m.s-2. Analogickým výpočtom je možné zistiť, že pri výmene filtra za nový, nezanesený, vozidlo je schopné dosiahnuť za uvedených podmienok zrýchlenie 5.05 m.s-2. Teoretický rozdiel zrýchlenia vozidla s novým a zaneseným filtrom vzduchu je 0.29 m.s-2.
4 Záver
Výsledky uvedené vo forme grafov, Obr. 6 až Obr. 10 poukazujú na malý, až zanedbateľný vplyv zanesenia filtra vzduchu na zmenu priebehu krivky výkonu a točivého momentu motora. Nízky vplyv čistoty filtra na dynamiku vozidla bol dokázaný i výpočtom maximálneho teoretického zrýchlenia vozidla. Takýto rozdiel teoreticky možného zrýchlenia je veľmi obtiažne rozoznať zo strany vodiča, najmä pri zohľadnení faktu, že rozdiel je len v úzkom pásme otáčok motora. Funkciu odmerania dynamického zrýchlenia vozidla ponúka i valcová skúšobňa MAHA MSR 1050, na ktorej boli realizované merania priebehu kriviek. Avšak na danom zariadení by nebolo možné zmerať maximálne teoretické zrýchlenie, keďže rozdielny priebeh kriviek točivého momentu motora bol iba v úzkom rozsahu otáčok motora. Pri plne stlačenom pedále akcelerátora by boli tieto otáčky rýchlo prekonané a zrýchlenie by nebolo možné zmerať. Prevedením zistenia možného zrýchlenia vozidla výpočtom bolo dokázané, že bežné zanesenie filtra vzduchu nespôsobí zhoršenie dynamických vlastností vozidla v dobe, kedy je plne stlačený pedál akcelerátora.
Výsledky meraní uvedené v tomto príspevku nie je možné interpretovať v zmysle, že by bola pravidelná výmena filtra vzduchu zbytočná. Ako je uvedené i v úvode tohto príspevku, úlohou filtra vzduchu je zachytávanie nežiaducich zložiek vzduchu.
Výsledky naznačujú, že i zmena klasického, sériového, filtra vzduchu za športový by nepriniesla výraznú zmenu kriviek točivého momentu a výkonu motora.
5 Literatúra
- SYNÁK, F. – RIEVAJ, V. Measurement of impact of air filter cleanness on a change of engine speed characteristics. In: TRANSPORT AND COMMUNICATIONS. 2017, Vol. 5, no. 1/2017, ISSN 1339-5130
- Xu, H. – Liu, S. – Yin, B. – Jia, H. – Yu, S. “Visualization of combustion performance and emission characteristics of a four-cylinder diesel engine at various inlet oxygen concentrations at part loads. In Journal Of Mechanical Science And Technology, 2018, Vol. 32(6), pp. 2925-2934. Doi: 10.1007/s12206-018-0549-2
- Lee, H.- Lee, J. – Sunwoo, M. Fault Diagnosis of Exhaust Gas Recirculation and Variable Geometry Turbocharger Systems in a Passenger Car Diesel Engine Based on a Sliding Mode Observer for Air System States Estimation. Journal Of Dynamic Sy.stems, Measurement, And Control, 2014, vol. 136(3), Doi: 10.1115/1.026131
- Šarkan, B. – Caban, J. – Marczuk, A. – Vrábel, J. – Gnap, J., Composition of exhaust gases of spark ignition engines under conditions of periodic inspection of vehicles in Slovakia. PREMYSL CHEMICZNY, 2017, vol. 96, pp. 675-680, DOI: 10.15199/62.2017.3.36
- Užívateľská príručka „ MAHA MSR 1050“
- https://www.mannfiltre.sk/preco-mann-filter/vzduchove-filtre/
- SYNÁK, F. – RIEVAJ, V., The Impact of Driving Resistances of a Vehicle on Global Pollution. In Globalization and its Socio-Econimics Consequences, 2017, 17 th International Scientific Conference,
- https://www.cars-data.com/en/volkswagen-golf-1.6-tdi-105hp-comfortline-specs/59572
- RIEVAJ, V. – VRÁBEL, J. – ONDRUŠ, J. Cestné vozidlá. 2014, EDIS – vydavateľstvo ŽU v Žiline, ISBN 987-80-554-0834
Poďakovanie
Príspevok bol pripravený za podpory grantu:
VEGA č. 1/0436/18 – Externality v cestnej doprave, vznik, príčiny a ekonomické dopady dopravných opatrení.
Autori:
František SYNÁK 1, Ján SYNÁK2, Vladimír RIEVAJ 3, Janka FUNTÍKOVÁ4, Ján PALÚCH5,
Tituly a pôsobisko autorov:
1Ing. František Synák, Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: frantisek.synak@fpedas.uniza.sk
2Ján Synák, Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: synakjan2@gmail.com
3doc.Ing. Vladimír Rievaj, PhD., Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: vladimir.rievaj@fpedas.uniza.sk
4Ing. Janka Funtíková, SOŠ sv. Jozefa Robotníka, Saleziánska 18, Žilina, 010 01, Slovenská republika
5Ing. Ján Palúch, Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: jan.paluch@fpedas.uniza.sk
VYTLAČIŤ