Principy měření pro pokročilejší

Velkou řadu problémů s chodem motoru nelze řešit jinak než právě díky válcovému dynamometru. Kolem měření na dynamometru vzniklo několik mýtů a občas jsou tomuto zařízení přisuzovány až nadpozemské síly. Stejně jako obsluha osciloskopu při diagnostice elektronických zařízení, tak i nastavení podmínek při měření výkonu na dynamometru, vyžadují dobré znalosti problematiky pro předcházení chybných měření. Základní znalostí o dynamometru mezi běžnými uživateli motocyklů je především schopnost změřit výkon motoru a někdy bývá problém vysvětlit, proč právě jeho motorka má místo deklarovaných 180 koní stádo o 20 kousků chudší.

Pro snadnější měření jsou rozšířenější dynamometry válcové, které měří hodnoty kroutícího momentu a výkonu na zadním kole motocyklu. Dynamometry motorové se používají v menším měřítku, protože je zde nutné vyjmout motor z motocyklu a pečlivě jej k dynamometru připevnit. Výhodou je však lepší přenos síly na měřící zařízení.

Pochopením základních teoretických principů měření snadno odhalí možnost vzniku chyb a hlavně jejich vyvarování. Standardní měřící zkouškou je zkouška dynamická. Dynamometr pro dynamickou zkoušku je z hlediska konstrukce velmi jednoduché zařízení a vyžaduje pouze tuhý rám pro přesně vyvážený válec, na kterém je posazeno zadní kolo motocyklu. Válec je výhodnější mít těžší a hmotnosti se pohybují od 140kg až do 800kg, přičemž hmotnost kolem 200kg je nejrozšířenější. Válec musí být vybaven inkrementálním snímačem polohy, který určuje otáčení válce. Obvyklé např. 40 impulsů na otáčku. Dynamická zkouška využívá pouze setrvačných hmotností jak samotného válce tak nepřímo i momentů setrvačnosti jednotlivých rotujících dílů motocyklu (převodovka, spojka, zadní kolo) pro zatížení motoru. Některá zařízení vyžadují zadávat moment setrvačnosti pro každý motocykl, některá potřebují znát jen moment setrvačnosti samotného válce (ten je trvale zadán v softwaru a nemění se). U dynamometrů, které potřebují zadat moment setrvačnosti rotujících hmot motocyklu je jistý problém v tom, že tyto hodnoty lze zadat jen orientačně dle typu motoru, typu přenosu síly apod. Při dynamické zkoušce je znám moment setrvačnosti a průběžně měřeno úhlové zrychlení válce. Součin těchto dvou veličin udává výsledný kroutící moment na válci.

Matematicky řečeno M=ω . I , kde M-kroutící moment [Nm], ω-úhlové zrychlení [rad . s-2], I-moment setrvačnosti [kg.m2]. Jedinou měřenou veličinou při dynamické zkoušce je úhlové zrychlení válce. Vzhledem k přenosu síly z motoru na válec přes dvě kritická místa s možností prokluzu (spojka, pneumatika-válec) mohou být výsledky zkresleny. V případě začátku skluzu (nemusí být 100%) je válec urychlován méně než by bylo v případě funkčního spojení. Často následně dochází k ohřevu pneumatiky a jejímu chycení válce. Rotující hmoty motoru mají v sobě naakumulovanou jistou část energie a ta se projeví jako větší zrychlení válce a následně vyššího kroutícího momentu než ve skutečnosti z motoru vychází. Základní vlastností převodu je změna kroutícího momentu a proto je vhodné pro snížení rizika skluzu pneumatiky používat nejvyšší možný rychlostní stupeň (u slabších motorů není nutné). Dochází ale zákonitě k vyšším otáčkám válce při maximálních otáčkách motoru, což vyžaduje jeho přesné vyvážení, protože jinak by se dynamometr mohl rozkmitat a výrazně přetížit uložení válce nebo odnést neukotvený dynamometr ze svého místa. Na motocyklech se běžně dostáváme na maximální rychlost až k 330km/h. Důležité je tedy mít přehled v průběhu celé zkoušky o skluzu kola. Celkový převod je dán mj. i poměrem otáček motoru ku otáčkám válce. Stačí tedy měřit otáčky motoru (ze zapalování nebo vstřikování) a schopný software vypočítá převodový poměr v průběhu celé zkoušky. Na grafu je vidět chyba způsobená právě skluzem. Správně by měl být převodový poměr ve všech otáčkách (při zkoušce se jede na jeden rychl. stupeň) konstantní – vodorovná čára. K riziku skluzu pneumatiky dochází samozřejmě při větších přenášených silách. Pro představu celkové převodové poměry se u supersportovních motocyklů s výkonem kolem 160HP pohybují na nejvyšší rych. stupeň kolem 5 čili kroutící moment na zadním kolem je 5× vyšší a dosahuje tak hodnot kolem 500-600Nm na zadním kole což je síla ve styčném místě kolem 1000N přenášená plochou lidské dlaně. Na 1. r.s. jsme v hodnotách přibližně 2,5× větších. (obr. 1, obr 2)

obr 1

Obr 1 - V předběžném grafu je vidět průběh převodového poměru během řazení a 100% spojení během dynamické zkoušky

obr 2

Obr 3 – Zde dochází ke skluzu kola a změně převodového poměru (červená) a válec měří v tu chvíli menší kroutící moment než dává motor

Způsobů jak zamezit skluzu u výkonných strojů je několik. Hlavní podmínka je dobře zahřátá pneumatika a použití nejtěžšího možného převodu (nejvyšší „kvalt“), dále je pak možno zvýšit tření speciálním sprayem proti prokluzu a zvýšením přítlaku stahovacími popruhy. Na našem dynamometru jsme měřili motocykly kolem výkonu 180HP, změřit však lze i dragsterovou motorku s výkonem kolem 330HP. Problémem může být v některých případech i neschopnost zařízení měřit ztráty. Jelikož výrobce udává hodnoty výkonu a kroutícího momentu na motoru je většinou potřeba znát tyto hodnoty. Po cestě výkonu od motoru k zadnímu kolu však vlivem účinnosti převodů (80-90% celkově) vznikají ztráty, přeměňující energii především v nevyužitelné teplo. Hlavním zdrojem ztrát je odvalování pneumatiky, které závisí hlavně na tlaku a velikosti přitažení vázacími popruhy. Na obr. 3 jsou vidět průběhy výkonu a kroutícího momentu na zadním kole ve srovnání s hodnotami na motoru. Odchylka je dána ztrátami, která nejsou konstantní, ale s vyššími otáčkami se velikost ztrát zvětšuje. Tento jev je především zapříčiněn aerodynamickými ztrátami, které rostou s druhou mocninou rychlosti. Měřeno na školním řadovém čtyřválci BMW K1200S s různě přitaženými popruhy a různě nahuštěnou pneumatikou. Hodnoty kroutícího momentu na zadním kole jsou přepočteny na hodnoty, jež by byly na motoru (hodnota na zadním kole dělená převodovým poměrem bez započtení ztrát), aby bylo možné lépe tyto hodnoty porovnat. Ztráty se měří doběhovou zkouškou a na námi používaném zařízení není nutné mít odpojený motor (vymáčknutá spojka) po celou dobu měření ztrát.

obr 3

(text k obr. 3 – Hodnoty P a M na motoru a na zadním kole – rozdíl udává ztráty přenosu síly

Na obr. 4 je vidět část grafu, kde se definuje velikost brzdného momentu během doběhové zkoušky. Podstata měření spočívá v měření zpomalení válce, kdy při větším brzdném momentu (vyšší ztráty) bude větší zpomalení válce. Stejně jako při akceleraci byl vypočítán kladný kroutící moment, při brždění vychází záporný-brzdný kroutící moment. Zeleně jsou vyznačeny oblasti vymáčknuté spojky, mezi tím bylo bržděno zadní brzdou a motorem aby měření ztrát netrvalo tak dlouho. Software si dopočítá kompletní křivku ztrát. Spodní šedá část obsahuje záporný kroutící moment a výkon – válec zpomaluje a kolo v tu chvíli přibržďuje válec. Pokud není zařízení vybaveno měřením ztrát je nutné s tímto počítat a pro porovnatelnost měření nesundávat motocykl a dodržet konstantní tlak v pneu.

obr 4

Obr. 4 – Definování oblasti s vymáčklou spojkou z čehož software určí brzdný moment

Na obr. 5 jsou změřeny brzdné momenty pro různé tlaky pneu a různě přitažené kolo k měřícímu válci.

obr 5

obr. 5 – Rozdílnost v brzdných momentech pro různé tlaky v pneu a různé přitažení motocyklu k rámu dynamometru

Výhodné je během zkoušky získávat i další data, která nám mohou pomoci při hledání problému. Naše zařízení má 8 analogových vstupů schopných pracovat s napětím 0-5V čili napěťovým signálem běžným pro různé snímače na motocyklu. Jedná se např. o snímání natočení škrtící klapky nebo teplota motoru. Běžně využívanou a důležitou informací je signál z externí lambda sondy. Prozatím používáme skokovou, která má za úkol především upozornit na chudé oblasti, které by mohly způsobit tepelné namáhání motoru. Ideálním složením v zátěži se u motocyklů používá poměr 13,2-14,2:1, výjimečně až do extrémně bohatých směsí u závodních motorů 12,6:1. Přehlednější je využití širokopásmové lambda sondy. Na obr 7. je vidět vliv složení směsi na kroutící moment motoru - v chudých oblastech dochází k poklesu kroutícího momentu. Zobrazen je i průběh kroutícího momentu a signálu z lambda sondy po nastavení karburátoru, kde odpadly výrazně chudé oblasti a kroutící moment nemá propady.

obr 6

Obr. 6 – Důležitost sledovat během zkoušky i složení směsi, zvláště v případech nastavování paliva

Nejběžnější způsob měření výkonu je výše popsanou dynamickou zkouškou schopnou vyřešit spoustu problémů s chodem motoru a nastavení směsi. Jistou nevýhodou je však někdy malé a krátké zatížení motoru, které je možno dořešit dynamickou zkouškou se zatížením pomocí retardéru. Zařízení je poněkud složitější a vyžaduje i ovládací software. Brzdnou sílu vykonává nejčastěji vířivá brzda, která má tvar kotoučové brzdy, kde se nevyužívá třecí síly jako u brzd motocyklů a automobilů, ale brždění vzniká tvorbou vířivých proudů vlivem elektromagnetického pole. U motorových brzd např. výrobce SuperFlow je k brždění využito kapaliny. Využitelnost brzdy je větší při statické zkoušce, která využívá jiných principů než zkouška dynamická a má i odlišný průběh. Při statické zkoušce je vyvíjena taková brzdná síla válce, aby motor držel na konstantních otáčkách předem nadefinovaných po určitou dobu (běžně kolem 2s). Při tomto brždění válce dochází ke vzniku síly mezi rámem dynamometru a elektromagnety (obdobně jako mezi třmenem brzdy a rámu vozidla). Tato síla je elektronicky měřena a vynásobením vzdáleností od osy válce vychází hodnota kroutícího momentu. Nevýhodou je, že graf není spojitý, ale pouze bodový a nevíme co se mezi body děje. Výhodou je prohřátí motoru a nezávislost na těžko definovatelné veličině „moment setrvačnosti“ a měření tak v absolutní hodnotě má lepší výsledky. Hodnota kroutícího momentu resp. síly na v siloměru je zobrazena aktuálně a jeden ze způsobů nastavení palivového systému případně předstihu je ten, kdy dynamometr drží konstantní otáčky a obsluha mění parametry chodu motoru tak, aby hodnota ze siloměru vycházela maximální. Po naladění v daných otáčkách se dá povel dynamometru k posunutí na další nadefinované otáčky. Zkouška může být však dlouhá a je nutné zajistit správné chlazení.

V souvislosti s měřením výkonu je dobré mít na paměti i určité pojmy a vztahy týkající se této problematiky. Běžné měření, které je závislostí různých veličin na otáčkách motoru je nazýváno rychlostní (nebo otáčkovou) charakteristikou. Ve většině případů se jedná o měření pro plně zatížený motor („plný plyn“) pod dodatkem „vnější“ otáčková charakteristika. Chování zážehového motoru při různém natočení škrtící klapky je patrné na obr. 8, kde škrtící klapka výrazně ovlivňuje plnění motoru a tím i výsledný kroutící moment a výkon. Zážehový motor při škrcení se drží na konstantním výkonu a toho se často využívá při snížení výkonu motocyklu pro splnění výkonnostních limitů dle řidíčského oprávnění majitele. Způsobů je několik, ale všechny vycházejí z principu omezit plnění motoru (zúžením sacího kanálu). Při konstantním výkonu motoru v pásmu otáček musí zákonitě klesat kroutící moment (aby byl konstantní součin M.n). Vznětové motory mají regulaci kvalitativní (složením směsi a ne jejím množstvím jako motor zážehový) a chování na méně sešlápnutý akcelerační pedál je odlišné ve změně výkonu a kroutícího momentu.

obr 7

Obr. 7 – Vliv otevření škrtící klapky na výkon motoru

V praxi se často setkávám s žádostí majitele vytáhnout už z tak silných motorů získat ještě nějaké koně navíc. Většinou si takový majitel nechá namontovat jinou koncovku výfuku a propustnější filtr. U karburátorových motorů je nezbytné udělat jisté změny na tvorbě směsi jinak budou schopnosti motoru slabší než před větší finanční investicí. Nejde jen o velikosti trysek, ale především o nové nastavení tlakových poměrů u rovnotlakých karburátorů jejichž šoupátko je ovlivněno právě hodnotou tlaku u jehlové trysky. Doladěním tuhosti pružin lze získat kolem 10% výkonu po předchozím 7% poklesu. (čísla jsou orientační a liší se u každého motoru). Propustnější výfukové systémy často zapříčiňují větší proplach motoru a je nutnost po takové změně doladit směs. Některé originální řídící jednotky vstřikování umožňují malé korekce doby vstřiku.
© 2004+ Všechna práva vyhrazena - Motocomtest