UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Vpliv naprednih konceptov zgorevanja na trajno delovanje motorja s kompresijskim vžigom
David Berdajs
Ljubljana, september 2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Vpliv naprednih konceptov zgorevanja na trajno delovanje motorja s kompresijskim vžigom
David Berdajs
Mentor: doc. dr. Tine Seljak
Ljubljana, september2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
Zahvala
Pravijo, da ni stvari na svetu, pri izdelavi katere ne bi bil vključen vsaj en inženir strojništva.
Pred vpisom na Fakulteto za strojništvo UL bi se mi zdela ta trditev dokaj neverjetna, a po zaključenem študiju, se ne bi mogel strinjati bolj. Pridobljena nova znanja so spremenila moj pogled na delovanje povsem vsakdanjih strojev in naprav, ki jih uporablja vsakdo. Zato gre moja zahvala v prvi vrsti celotnemu kolektivu Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani, ki so mi predali svoje znanje in me naučili inženirskega razmišljanja ter delovnih navad.
Naprej bi se rad iskreno zahvalil svoji družini, še posebno mami in očetu, ki sta me vsa leta študija podpirala ter mi omogočila vse kar sem potreboval, da sem obveznosti opravil brez večjih težav in z veseljem. Velika zahvala gre tudi Klari, ki mi je skozi celotni študij pomagala s svojim znanjem matematike, me navduševala nad znanostjo in me nasploh še bolj usmerila v občudovanje naravoslovnih znanj.
Nenazadnje bi se rad zahvalil asist. dr. Urbanu Žvar Baškoviču, da me je sprejel v laboratorij LICeM, mi podal idejo za temo te naloge in me vodil skozi izvedbo eksperimenta ter analize rezultatov. Prav tako se zahvaljujem tudi mentorju doc. dr. Tinetu Seljaku, ki je strokovno in hitro poskrbel za potrebne popravke in komentarje, da je bilo zaključno delo končano pravočasno.
Izvleček
UDK 621.43.068:662.756.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1560
Vpliv naprednih konceptov zgorevanja na trajno delovanje motorja s kompresijskim vžigom
David Berdajs
Ključne besede: mehanske obremenitve motorskih komponent motorji z notranjim zgorevanjem
izpusti onesnažil
napredni zgorevalni koncepti
zanesljivo delovanje motorjev s kompresijskim vžigom alternativna goriva
Za konvencionalne motorje z notranjim zgorevanjem, ki se danes uporabljajo v komercialnih vozilih, lahko trdimo, da obratujejo zanesljivo. To pomeni, da do večjih, kritičnih napak, ob upoštevanju rednih servisov ne prihaja. Zanesljivost je določena na osnovi obremenitev, ki delujejo na motorske komponente v predvidenih obratovalnih razmerah motorja. Te so ocenjene ob uporabi konvencionalnih konceptov zgorevanja, ki se široko uporabljajo na trgu razpoložljivih motorjev. V kolikor želimo koncept zgorevanja nadgraditi in vpeljati katerega izmed naprednih konceptov zgorevanja v kombinaciji z alternativnimi gorivi, je potrebno omejitve za zanesljivo delovanje motorja vnovič preveriti. V nalogi obravnavamo motor s kompresijskim vžigom, ki se zanaša na kompresijski vžig delovne zmesi nadzorovane z njeno reaktivnostjo (t.i. RCCI koncept) ob sočasni uporabi hidrogeniranega rastlinskega olja (HVO) in zemeljskega plina (NG), ki je bio-osnovana alternativa dizelskemu gorivu.
Doseganje kriterijev za zanesljivo obratovanje je s pomočjo referenčnih vrednosti ovrednoteno v območju delovanja z različnimi deleži recirkuliranih izpušnih plinov, od 0%
do 40% in različnimi deleži zemeljskega plina (NG), od 95% do 55%. Rezultati nakazujejo da se parametri za oceno zanesljivosti (COVIMEP in COVpmax) ob deležu EGR nad 30% ali deležu NG pod 57% odmaknejo od sprejemljivih intervalov. Ob uvedbi naprednih konceptov zgorevanja v obstoječe motorje z notranjim zgorevanjem je torej potrebno postaviti nove omejitve obratovalnega prostora, kjer je možno zanesljivo obratovanje.
Abstract
UDC 621.43.068:662.756.3(043.2) No.: UN I/1560
Impact of advanced combustion concepts on durability of compression ignition engine
David Berdajs
Key words: mechanical loads on engine components internal combustion engines
pollutants emissions
advanced combustion processes
reliability of compression ignition engines alternative fuels
Modern internal combustion engines are reliable as they feature little to no critical engine faulty if they are properly maintained. Reliability of the engine can be estimated by considering different loads on the engine parts while operating in predicted operating regimes. These operating regimes are obtained by using conventional combustion concepts that are widely applied in current engine generations. If we wish to upgrade an existing combustion concept to advanced combustion concept in combination with an alternative fuel, the limits for reliability have to be reassessed. In this thesis a compression ignition engine that that operates on Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI concept) while using hydrotreated vegetable oil (HVO) and natural gas (NG) as bio-alternative to existing diesel fuel is researched. The criterion for reliable operation is evaluated in different operating points, where each point has a different share of recirculated exhaust gases, from 0% to 40% and different shares of natural gas (NG), from 95% to 55%. The results of the experiment suggest that when using a proportion of EGR higher than 30% or proportion of NG higher than 57%, parameters for evaluating the operation reliability (COVIMEP in COVpmax) move away from acceptable values. Introduction of RCCI combustion concept in existing internal combustion engines thus requires implementation of new limits to operational regime to maintain reliability.
Kazalo
1 Uvod ... 15
1.1 Ozadje problema ... 15
1.2 Namen in cilji ... 16
1.3 Struktura zaključnega dela ... 17
2 Teoretične osnove ... 18
2.1 Zgorevanje v motorjih z notranjim zgorevanjem ... 18
2.1.1 Motorji s kompresijskim vžigom ... 19
2.1.2 Nizkotemperaturni RCCI zgorevalni koncept ... 20
2.2 Izpusti onesnažil ... 22
2.3 Goriva ... 23
2.4 Mehanske obremenitve motorskih komponent ... 25
2.4.1 Glava valja ... 26
2.4.2 Ojnica ... 27
2.4.3 Ročična gred ... 29
3 Metodologija raziskave ... 31
3.1 Eksperimentalna proga ... 31
3.1.1 Dovod in vbrizg goriva ... 33
3.1.1.1 Tekoče gorivo ... 33
3.1.1.2 Plinska pot ... 34
3.1.2 Recirkulacija izpušnih plinov ... 34
3.1.2.1 Delovanje EGR sistema ... 34
3.1.2.2 Okvare EGR sistema ... 35
3.1.2.3 Eksperimentalna postavitev EGR sistema ... 35
3.2 Zajem podatkov na preizkuševališču ... 36
3.3 Preverjanje statusa priključkov ... 39
3.4 Zagon motorja in preklop na HVO ... 39
3.5 Upravljanje motorja in izvajanje meritev ... 40
3.6 Beleženje izpustov onesnažil ... 41
3.7 Merjene obratovalne točke ... 41
3.8 Obdelava podatkov ... 43
4 Rezultati in diskusija ... 44
4.1 Izbira kriterija zanesljivega delovanja motorja ... 44
4.2 Kriterij IMEP ... 46
4.3 Kriterij tlačnih oscilacij ... 50
4.4 Določitev trajnostnega območja delovanja motorja ... 53
4.4.1 Indicirani izkoristki ... 54
4.4.2 Izpusti škodljivih onesnažil ... 56
5 Zaključki ... 62
Literatura ... 64
Kazalo slik
Slika 2.1: Delovanje 4 taktnega motorja s kompresijskim vžigom Napaka! Vira sklicevanja ni
bilo mogoče najti. ... 20
Slika 2.2: Prikaz delovanja RCCI koncepta; DI – neposredni vbrizg, PFI – neposredni vbrizg [10] ... 21
Slika 2.3: Klasifikacija pomembnih lastnosti goriv. Prilagojeno po viru [3] ... 24
Slika 2.4: Utrujenostna poškodba na glavi valja. Prilagojeno po viru [20] ... 27
Slika 2.5: Različni tipi poškodb ojnice. Prilagojeno po viru [25] ... 28
Slika 2.6: Začetna razpoka, ki je s časom povzročila zlom materiala. Prilagojeno po viru [27]... 30
Slika 3.1: Shema celotne eksperimentalne proge z vsemi priključki in merilnimi instrumenti ... 32
Slika 3.2: Shema eksperimentalne postavitve dovoda tekočih goriv v testni valj ... 33
Slika 3.3: Shema eksperimentalne postavitve dovoda NG v testni valj ... 34
Slika 3.4: Shema eksperimentalne postavitve EGR sistema ... 36
Slika 3.5: Postavitev testnega motorja v laboratoriju ... 37
Slika 3.6: Emisijska oprema ... 38
Slika 4.1: Merjene obratovalne točke glede na deleže NG v odvisnosti od deležev EGR ... 45
Slika 4.2: Prikaz obratovalnih točk glede na izpolnjevanje kriterija COVIMEP ... 47
Slika 4.3: Prikaz obratovalnih točk glede na delež EGR v odvisnosti od COVIMEP ... 48
Slika 4.4: Prikaz obratovalnih točk glede na delež NG v odvisnosti od COVIMEP ... 48
Slika 4.5: Prikaz stabilnih in nestabilnih obratovalnih točk glede na kriterij COVIMEP ... 49
Slika 4.6: Prikaz obratovalnih točk glede na izpolnjevanje kriterija COVpmax ... 51
Slika 4.7: Prikaz obratovalnih točk glede na delež EGR v odvisnosti od COVpmax ... 52
Slika 4.8: Prikaz obratovalnih točk glede na delež NG v odvisnosti od COVpmax ... 52
Slika 4.9: Prikaz stabilnih in nestabilnih obratovalnih točk glede na kriterij COVpmax ... 53
Slika 4.10: Prikaz obratovalnih točk glede na dosežene indicirane izkoristke ... 54
Slika 4.11: Prikaz obratovalnih točk glede na delež EGR v odvisnosti od indiciranega izkoristka . 55 Slika 4.12: Prikaz obratovalnih točk glede na delež NG v odvisnosti od indiciranega izkoristka ... 55
Slika 4.13: Prikaz obratovalnih točk glede na izpuste škodljivih onesnažil ... 56
Slika 4.14: Vrednosti izpustov škodljivih onesnažil v odvisnosti od indiciranega izkoristka motorja ... 57
Slika 4.15: Prikaz škodljivih izpustov obratovalnih točk glede na kriterija COVIMEP in COVpmax .. 58
Slika 4.16: Trajnostno območje delovanja motorja ... 59
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Evropski standard za omejitve izpustov onesnažil EURO 6 [14] ... 23
Preglednica 2.2: Prikaz lastnosti HVO v primerjavi z dizelskim gorivom [12] ... 25
Preglednica 3.1: Tehnični podatki testnega motorja ... 31
Preglednica 3.2: Merjene obratovalne točke ... 42
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
𝜂 / Indiciran izkoristek
p Bar Tlak
𝜆 / Razmernik zmesi zrak-gorivo
𝜑 °CA Kot gredi
𝑚 kg Masa
𝑇 °C Temperatura
𝑢 J/kg Specifična notranja energija
𝑉 m3 Volumen
𝑉𝑑 m3 Delovni volumen
Indeksi
max maksimalni
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
BDC Spodnja mrtva lega (angl. Bottom dead centre) CA Kot zasuka ročične gredi (angl. Crank angle)
CI Motor na kompresijski vžig (angl. Compression ignition) CN Cetansko število (angl. Cetane number)
ECU Električna kontrolna enota (angl. Engine control unit)
EGR Sistem recirkulacije izpušnih plinov (angl. Exhaust gases recirculation)
HC Ogljikovodiki (angl. Hydrocarbons) HC6 Ogljikovodiki s 6 atomi ogljika
HCCI Kompresijski vžig homogene zmesi (angl. Homogeneus charge compression ignition)
HVO Hidrogenirano rastlinsko olje (angl. Hydrotreated vegetable oil) IMEP Indiciran efektivni tlak (angl. Indicated Mean Effective Pressure) LTC Nizkotemperaturno zgorevanje (angl. Low temperature combustion) NG Zemeljski plin (angl. Natural gas)
NOx Dušikovi oksidi (angl. Nitrogen oxides) ON Oktansko število (angl. Octane number)
PC Osebni računalnik – glavni računalnik v laboratoriju PM Trdi delci (angl. Particulate matter)
PCCI Kompresijski vžig pred mešanega goriva (angl. Premixed charge compression ignition)
PN Število trdih delcev (angl. Particle number)
PPC Delno pred mešani vžig (angl. Partialy premixed combustion) PSA Peugeot Société Anonyme – Francoski proizvajalec avtomobilov RCCI Kompresijski vžig z nadzorom reaktivnosti (angl. Reactivity
controlled combustion ignition) SI Vžig z iskro (angl. Spark ignition)
TDC Zgornja mrtva lega (angl. Top dead centre) THC Vsi ogljikovodiki (angl. Total Hydrocarbons)
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Tekom 20. stoletja je svet doživel ogromen tehnološki napredek, predvsem na področju industrializacije in aktivne in organizirane proizvodnje vseh vrst strojev, ki so bili uporabljeni za pogon naprav. Primarno je bil razvoj strojev podvržen izključno funkciji, okoljski, kot tudi zakonodajni vidik tega izziva pa je postal povsem pozabljen. Po koncu druge svetovne vojne je postalo onesnaževanje tako intenzivno, da je problematiko izpostavila tudi splošna javnost in v drugi polovici 20. stoletja so se začele uveljavljati regulacije za nadzor kakovosti zraka in vode, zmanjševanje hrupa naprav in ostalih okoljskih vplivov [1]. Nadaljnje raziskave so pokazale, da je situacija zaradi hitrega industrijskega napredka kljub vsemu še vedno slaba. Pod hudimi pritiski novonastalih naravovarstvenih organizacij in javnosti, se je zakonodaja do danes večkrat spremenila, zaostrila in posledično je postal problem onesnaževanja okolja tudi eden izmed glavnih vprašanj s katerimi se soočajo vsa podjetja in druge organizacije, ki razvijajo novo tehniko in naprave.
Danes je na podlagi mnogih znanstvenih raziskav jasno, da so koncentracije onesnažil v našem okolju še vedno visoke, kljub vsem že prej omenjenim predpisom in zakonodaji.
Najvišje koncentracije onesnaženosti zraka so v urbanih regijah in gosto naseljenih območjih [2]. Prebivalcem najbolj škodujejo ozon v prizemnih plasteh (nastane kot produkt fotokemičnih reakcij v visoko onesnaženem ozračju), dušikovi oksidi (NOx – angl. Nitrogen Oxides) in trdi delci izpustov (PM – angl. Particulate Matter). Dolga izpostavljenost tem, glavnim trem onesnaževalom, povzroča več vrste različno hudih zdravstvenih težav, najbolj opazne pa so težave z dihali, rakava obolenja in morebitna prezgodnja smrt. Vire onesnaževanja lahko v splošnem razdelimo na antropogene (onesnažila proizvedena zaradi človeškega vpliva) in naravne. Za nas bolj zanimiva so prva omenjena, torej antropogena onesnažila. Ta nastajajo ob zgorevanju vseh vrst fosilnih goriv, pri industrijskih procesih in kmetijstvu.
Tako bencin, kot dizel pridobivamo iz surove nafte, sledi destilacija pri različnih temperaturah in dodajanje primesi. Trenutna predvidevanja so, da imamo svetovno zalogo surove nafte še za približno naslednjih 40 do 95 let [3], ob tem pa ne smemo pozabiti, da je zaloga odvisna tudi od politične situacije v državah, ki so odgovorne za večino svetovne dobave, nepredvidljivih naravnih katastrof, cene goriv na trgu in trenutnega napredka na področjih alternativnih goriv z možnostjo uporabe v motorjih z notranjim zgorevanjem.
Uvod
Alternativna goriva so relativno nepoznana izven stroke, še vedno v fazi raziskav in predhodnih testiranj na obstoječih motorjih. Z gotovostjo lahko trdimo, da je vsaj ena obetavna alternativa. Gre za hidrogenirano rastlinsko olje (HVO – angl. Hydrotreated Vegetable Oil), ki danes velja za eno izmed najbolj perspektivnih alternativnih goriv prihodnosti, ki bi lahko bila uporabljena v komercialnih vozilih. Kot navaja že ime, je gorivo HVO proizvedeno z uporabo hidrogenacije. Pri slednjem gre za kemično reakcijo med molekulo vodika in molekulo oz. atomom neke druge snovi. Da kemična reakcija sploh poteče, je prisoten tudi katalizator procesa, največkrat uporabljeni elementi so nikelj, paladij in platina [5]. Hidrogenacija lahko sicer poteče tudi brez katalizatorja, a to se zgodi le pri izjemno visokih temperaturah, zato je uporaba katalizatorja skoraj nujna za praktične aplikacije postopka. Sam proces hidrogenacije razbije dvojne in trojne vezi v molekulah ogljikovodikov (HC – angl. Hydrocarbons), tako iz alkanov in aromatskih spojin dobimo alkene in cikloalkene. Postopek hidrogenacije se največkrat uporablja v prehranski industriji, kjer pretvarjajo rastlinska olja v trdne oz. poltrdne maščobe, ki se pozneje uporabijo kot različni namazi, masla in posipi za slaščice. Ni pa seveda to edina možnost uporabe procesa hidrogenacije, kar so v zadnjih letih tudi dokazale razne raziskave s področja petrokemije.
Tukaj so končni produkti razni parafini, ki ne vsebujejo žvepla in aromatskih spojin. So manj nevarni za okolje in človeka, hkrati pa tudi manj reaktivni kot konvencionalna goriva, kar pomeni enostavno skladiščenje. Imajo visoko število CN, druge lastnosti goriva pa so najbolj podobne biodizlu. Rastlinskih olj, ki se lahko uporabijo za proizvodnjo HVO goriva poznamo več. Najbolj pogosta olja so sončnično, sojino, palmino, repično in olje iz alg.
Gorivo HVO je danes še vedno v fazi raziskav in testiranj pred praktično uporabo v industriji.
Zagotovo vemo, da bo pred širšo industrijsko uporabo potrebno rešiti še nekaj ključnih problemov, kot so izgradnja dovolj velikih obratov za pridobivanje takšnih goriv, najti primerna rastlinska olja za uporabo v petrokemiji, ki hkrati niso pomembna za prehransko industrijo ter rekonstruirati proizvodnjo motorjev na notranje zgorevanje, da bodo le-ti bolj primerni za trajnostno delovanje na alternativna goriva prihodnosti.
Na podlagi te motivacije se v zadnjih desetletjih intenzivno razvija tudi področje motorjev z notranjim zgorevanjem, ki so prepoznani kot eni izmed najbolj razširjenih in razpršenih virov onesnaženja zraka. Temelji za enega večjih napredkov na tem področju so bili postavljeni z razvojem naprednih konceptov zgorevanja, ki že na primarnem nivoju, torej že med samim procesom zgorevanja generirajo bistveni nižje koncentracije onesnažil kot konvencionalni koncepti zgorevanja, ki so široko uporabljani v domala vseh motorjih z notranjim zgorevanjem. Dodatno se lahko poleg škodljivih onesnažil z uvedbo obnovljivih goriv znižuje tudi izpuste, sicer zdravju neškodljiv, ogljikov dioksid (CO2 – angl. Carbon Dioxide), zato se je razmahnila tudi uporaba goriv iz obnovljivih, bio osnovanih virov. Z uvedbo novih konceptov zgorevanja ter alternativnih goriv se delovanje motorjev spreminja do te mere, da je potrebno vnovič preveriti tudi kriterije in doseganje zanesljivega obratovanja, saj so mehanske obremenitve v primeru naprednih konceptov zgorevanja lahko bistveno drugačne zaradi pomembnih razlik v dinamiki sproščanja toplote in s tem spremembah tlaka v valju motorja.
1.2 Namen in cilji
Namen te naloge je raziskati vpliv konceptov zgorevanja in alternativnih goriv na zanesljivost obratovanja konvencionalnih motorjev z notranjim zgorevanjem. Cilj je izvedba
Uvod
eksperimentalnega dela na dizelskem motorju, zasnovanem za uporabo konvencionalnega procesa zgorevanja ter dizelskega goriva, ki z nadgradnjo pa omogoča delovanje v RCCI konceptu zgorevanja in meritev s kompresijskim vžigom delovne zmesi nadzorovane z njeno reaktivnostjo (RCCI – angl. Reactivity Controlled Compression Ignition). Sočasno je cilj v RCCI proces vpeljati HVO gorivo kot bio-alternativo dizelskemu gorivu. S pridobljenimi podatki bo postavljeno izhodišče za izračun termodinamskih parametrov obratovalnih točk takšnega motorja. Na podlagi raziskave možnih obremenitev motorskih komponent, bodo določeni kriteriji, ki vrednotijo merjene obratovalne točke. Določen bo tudi režim v katerem motor deluje zanesljivo.
1.3 Struktura zaključnega dela
Po uvodnem delu se osredotočimo na teoretične osnove, ključne za razumevanje tega področja. Opisano je delovanje motorjev z notranjim zgorevanjem, bolj podrobno pa sta predstavljena motor s kompresijskim vžigom in RCCI zgorevalni koncept. Razložena sta tudi ozadje uporabljenih goriv in izpustov onesnažil. Največji poudarek poglavja je na mehanskih obremenitvah motorskih komponent, ki so ključne za razumevanje kriterijev s katerimi pozneje vrednotimo merjene obratovalne točke. Sledi predstavitev uporabljene eksperimentalne proge in njenih sestavnih delov, ki je naprej povezana z obrazložitvijo poteka izvajanja meritev. Nazadnje so predstavljeni tudi pridobljeni rezultati in ugotovitve.
2 Teoretične osnove
Najbolj zastopana tipa motorjev z notranjim zgorevanjem sta Ottov in dizlov motor.
Osnovna ideja delovanja je pretvorba energije goriva v mehansko energijo, ki poganja različne sklope vozila ključne za delovanje Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.. Kljub pogostem zmotnem mišljenju, se oba tipa motorjev bistveno razlikujeta en od drugega. Kompleksnejše delovanje ima dizelski motor, ki mu zaradi načina vžiga pravimo tudi motor s kompresijskim vžigom. Ker govorimo o procesih zgorevanja je jasno, da gre za kemične reakcije med katerimi nastajajo različni produkti. Med njimi najdemo tudi zdravju in okolju škodljive stranske produkte zgorevanja, ki se jim venomer poskušamo izogniti. V kolikor želimo to storiti že na samem izvoru – torej v valju, se poslužujemo naprednih, nizkotemperaturnih zgorevalnih konceptov, njihov glavni cilj pa je zmanjšati deleže NOx in PM v škodljivih izpustih. Dodatno lahko uporabimo tudi alternativno gorivo, ki v kombinaciji z naprednim zgorevalnim procesom potencialno še bolj zmanjša delež škodljivih izpustov, predvsem pa lahko vpliva na izpuste CO2 . Takšni sistemi se še ne uporabljajo v industriji in so večinoma v fazi raziskav in prototipov, saj je pred serijsko proizvodnjo potrebno dobro poznati vse možne mehanske obremenitve motornih komponent in primerno prilagoditi celotno konstrukcijo motorja z notranjim zgorevanjem.
2.1 Zgorevanje v motorjih z notranjim zgorevanjem
Kljub temu, da je namen vseh motorjev z notranjim zgorevanjem enak, se ti en od drugega razlikujejo v več pogledih. Delimo jih lahko po načinu vžiga, po številu taktov, po vrsti hlajenja, glede na gibanje bata ali glede na razpored valjev Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.. Ottove motorje največkrat poganja bencin, zmes goriva in zraka se pripravi v uplinjaču že pred vstopom v valj, za vžig zmesi pa skrbi vžigalna svečka z električno iskro. Govorimo o izohornem dovodu toplote. Na drugi strani imamo dizelske motorje katere poganja dizelsko gorivo, to pa je neposredno vbrizgano v valj kjer se tudi pripravi zmes goriva in zraka [6]. Dizelski motorji nimajo vžigalnih svečk, saj za vžig poskrbijo visoki tlaki v cilindru – takšen način vžiga se imenuje samovžig. Za dizelske motorje torej velja, da imajo izobarni dovod toplote. Oba tipa motorjev sta navadno v štiritaktni izvedbi s številom valjev od 4 do 6 v večini osebnih in od 6 do 8 v večini tovornih
Teoretične osnove
vozil. Seveda najdemo tudi izvedbe z manj ali več valji, v splošnem pa velja, da so vozila z več valji manj varčna pri porabi.
Izmed obravnavanih so običajno dizelski motorji tisti, ki dosegajo večje izkoristke in nižje izpuste ogljikovega monoksida (CO – angl. Carbon Oxide) ter HC [6]. Kot smo omenili, delujejo na principu samovžiga zmesi za kar je potrebno zagotoviti dovolj visoko temperaturo v valju. Le-to lahko dosežemo s kompresijo vsesanega zraka v valju, visok tlak in temperatura po kompresiji predstavljata idealne pogoje za samovžig heterogene zmesi goriva in zraka.
Ottovi ali bencinski motorji se od dizelskih najbolj razlikujejo po načinu priprave zmesi zraka in goriva ter po načinu vžiga. Proces se prične z dovodom goriva v uplinjač kjer se razprši hlapljivo gorivo in se meša z zrakom. Pomembno je regulirati tako količino dovedenega zraka kot tudi količino dovedenega goriva – količini morata biti čim bližje stehiometričnemu razmerju goriva in zraka za popolno zgorevanje. Sesalni takt valja tako vsesa, že zmešano, homogeno zmes goriva in zraka. Sledi kompresija, ki zmes stisne po predpisanem kompresijskem razmerju za bencinske motorje – ta se običajno giblje med 10:1 do 13,5:1 v modernih avtomobilih. Tretji ali delovni takt poskrbi za vžig homogene zmesi s pomočjo vžigalne svečke, rezultat je močen sunek sile na bate, ojnice in druge motorske komponente. V četrtem in zadnjem taktu bencinski motor odpre izpušni ventil (še preden doseže spodnjo mrtvo lego) in iz bata iztisne pline, ki potujejo v izpušni kolektor [6].
2.1.1 Motorji s kompresijskim vžigom
Dizelski ali motorji s kompresijskim vžigom se od ostalih izvedb motorjev z notranjim zgorevanjem ločijo po načinu vžiga zmesi goriva in zraka Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.. Takšna zmes je heterogena, saj se gorivo pod visokimi tlaki, neposredno vbrizgava v zgorevalno komoro. Posledično tudi ne rabimo nadzorovati razmernika zraka, moč motorja pa reguliramo preko količine dovedenega goriva. Najboljše mešanje goriva in zraka dosežemo z optimizacijo oblike polnilnega zbiralnika, ki vpliva na vrtinčenje zraka v komori [8].
Cikel delovanja pri motorjih s kompresijskim vžigom je sledeč [10]. V prvem ali sesalnem taktu se bat iz zgornje mrtve lege (TDC – angl. Top Dead Centre) spusti v spodnjo mrtvo lego (BDC – angl. Bottom Dead Centre) in vsesa svež zrak. V drugem taktu se svež zrak močno komprimiramo z dvigom bata nazaj v TDC. V tretjem, delovnem taktu pod visokim tlakom vbrizgamo dizelsko gorivo. Zgorevanje se začne s samovžigom, saj temperatura v zgorevalni komori presega 500 stopinj Celzija, bat pa se spusti v BDC. V zadnjem, četrtem taktu se bat zopet dvigne v lego TDC in izrine izpušne pline skozi ventil v izpušni kolektor [6].
Teoretične osnove
Slika 2.1: Delovanje 4 taktnega motorja s kompresijskim vžigom Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.
2.1.2 Nizkotemperaturni RCCI zgorevalni koncept
RCCI je eden od novejših naprednih zgorevalnih konceptov in je danes še vedno v fazah raziskav. V primerjavi z drugimi naprednimi zgorevalnimi procesi, kot sta kompresijski vžig homogene zmesi (HCCI – angl. Homogneous Charge Compression Ignition) ali kompresijski vžig delno homogenizirane zmesi (PPCI – angl. Partially Premixed Compression Ignition), nam omogoča bistveno boljši nadzor nad procesom zgorevanja, kot tudi možnosti obratovanja v različnih obratovalnih točkah [9]. Ideja RCCI zgorevalnega koncepta je uporaba dveh, med seboj različnih, goriv, ki jih v delovnem valju mešamo z zrakom in povratnimi izpušnimi plini. Posebnost, ki velja za RCCI koncept je ta, da mora prvo uporabljeno gorivo imeti nizko reaktivnost, zaželena je tudi visoka hlapljivost, drugo uporabljeno gorivo pa mora imeti visoko reaktivnost in nizko hlapljivost. Kratek časovni zamik med koncem vbrizgavanja goriva z visoko reaktivnostjo in vžigom pomeni boljšo homogenizacijo delovne zmesi [10]. V splošnem nam takšen koncept nudi visoke termične izkoristke, možnost nadzora nad fazami zgorevanja, nižje izpuste škodljivih izpustov NOx
in PM ter posledično občutno znižanje stroškov izdelave izpušnega sistema, predvsem delov namenjenih čiščenju škodljivih izpustov NOx in PM [3].
Zgorevalni proces RCCI koncepta se prične s prvim taktom, kjer skozi sesalni ventil v valj vsesamo zmes goriva z nizko reaktivnostjo, kot je zemeljski plin (NG – angl. Natural Gas), ter deleža povratnih izpušnih plinov in svežega zraka. V drugem taktu sledi kompresija vsesane zmesi. Vžig zmesi izvedemo z vbrizgom goriva z visoko reaktivnostjo (npr. dizel).
Na tej točki si želimo čim boljše mešanje goriva z visoko in z nizko reaktivnostjo. Dodatno izboljšavo tega procesa predstavlja večkratni vbrizg, ki zagotovi, da se bo visoko reaktivno gorivo bolje porazdelilo po zgorevalni komori Temperatura samovžiga goriva z visoko reaktivnostjo je torej nižja od temperature komprimirane zmesi z nizko reaktivnim gorivom, kar nam omogoča predhodno homogenizacijo zmesi zraka in nizko reaktivnega goriva. V
Teoretične osnove
zadnjem, četrtem taktu bat iz valja iztisne izpušne pline v izpušni kolektor, kot to poznamo pri klasičnem procesu zgorevanja.
Kontrola količine obeh dovedenih goriv nam nudi optimalno možnost nadzora nad procesom zgorevanja. Tako lahko dokaj enostavno reguliramo čas samovžiga in prilagajamo območje obratovanja motorja. Zaradi različnih reaktivnosti obeh goriv, prihaja do nastanka lokalnih območij, ki imajo višje ali nižje vrednosti reaktivnosti zmesi ter razmernika zraka [3].
Zgorevanje v valju tako poteka postopoma po teh območjih, od tistih z najvišjo reaktivnostjo proti tistim z nižjimi reaktivnostmi. Takšno slojevito zgorevanje pomeni nižjo hitrost sproščanja toplote od drugih nizkotemperaturnih zgorevalnih konceptov, kot tudi klasičnih zgorevalnih procesov.
Pri RCCI konceptu so, kot že omenjeno, ključna uporabljena goriva. Največkrat se za gorivo z nizko reaktivnostjo uporabljata bencin ali NG, za gorivo z visoko reaktivnostjo pa dizel ali biodizel [12]. Možna je uporaba tudi drugih potencialnih goriv, kot so metanol, etanol, n- butanol, HVO in TPO. Izkaže se, da je kombinacija bencin-dizel najmanj občutljiva na temperaturo dovedenega svežega zraka, alkoholna goriva pa so zaradi višje koncentracije kisika in visoke izparilne toplote odlična za motorje, ki delujejo pod visokimi obremenitvami. V takšnem režimu delovanja uporaba alkoholnega goriva občutno zmanjša izpuste PM. Uporaba plinskega goriva NG za motorje z nizkimi do srednjimi obremenitvami pomeni nižje vrednosti izpustov CO2. Ker so goriva z visoko reaktivnostjo med seboj precej podobna, lahko ne glede na uporabljeno gorivo pričakujemo podobne rezultate. Iz slednjega sklepamo, da ima večji vpliv na zgorevanje zmes goriva z nizko reaktivnostjo, delež in temperatura dovedenega zraka, kot tudi delež EGR.
Slika 2.2: Prikaz delovanja RCCI koncepta; DI – neposredni vbrizg, PFI – neposredni vbrizg [10]
Težav, ki se lahko pojavijo med obratovanjem motorja v RCCI režimu je veliko. Najprej je potrebno izpostaviti, da je takšen sistem kompleksen in da uporaba dveh goriv v istem režimu predstavlja dodaten konstrukcijski problem, ki poviša stroške izdelave. Naslednjo težavo predstavlja motorni računalnik (ECU – angl. Engine Control Unit), ki skrbi za računalniško krmiljenje motorja. Ta deluje po vnaprej predpisanih navodilih, ki so združena
Teoretične osnove
v tabelah. Za uspešno implementacijo RCCI koncepta zgorevanja v serijsko proizvodnjo, bi bila potrebna konkretna posodobitev teh tabel, zlasti navodil, ki določajo čase posrednih in neposrednih vbrizgov ter dodajanje navodil za nemoteno delovanje sistema z dvema rezervoarjema za vsako od uporabljenih goriv. Z drugačnim konceptom zgorevanja od konvencionalnega se spreminja tudi potek sproščanja toplote ter s trem pojavnost največjih mehanskih obremenitev na komponente motorja, zato je pomembno, da se za RCCI koncept preveri, kdaj so obremenitve na motorske komponente take kot so predvidene za procese konvencionalnega zgorevanja.
2.2 Izpusti onesnažil
Glavni vzrok nastanka onesnažil je proces zgorevanja goriva v samem motorju. Sam proces se drugače imenuje tudi oksidna reakcija, saj gre za reakcijo s kisikom. Zgorevanje lahko razdelimo na popolno in nepopolno, kjer popolno predstavlja najbolj idealno možno. Tam pri zgorevanju nastaneta dva produkta – voda ter ogljikov dioksid. Jasno je, da večina strojev in naprav, ki delujejo na princip zgorevanja nima popolnega zgorevanja, temveč nepopolno zgorevanje. Pri takšnih procesih nastajajo tudi stranski produkti, ki jim v motorjih z notranjim zgorevanjem pravimo onesnažila. Ta imajo vrsto škodljivih učinkov na ljudi in okolje, možne posledice pa smo podrobneje razdelali v uvodnem delu. Stranskih produktov nepopolnega zgorevanja imamo več. Izpusti najbolj nevarnih onesnažil za ljudi in okolje so regulirani z zakonodajo, med te pa štejemo izpuste škodljivih snovi CO, CO2, NOx, HC in PM [2]. Standardi določajo koliko mase določenega onesnažila lahko avtomobil proizvede za vsak prevoženi kilometer. Posebnost so PM, saj gre za trde delce v izpustu. Standard za to onesnažilo je podan v številu trdih delcev (PN – angl. Particle Number), le-to pa nam pove dovoljeno število delcev v izpustu za vsak prevoženi kilometer. Standarde določajo države same, podajajo pa jih na različne načine in v različnih oblikah. V Evropski uniji ti standardi nosijo oznako EURO, v splošnem pa se delijo na dva dela, ki definirata ločene standarde za Ottove in dizelske motorje.
Prvič se je ideja o omejitvi škodljivih izpustov vozil za države EU pojavila leta 1970, takrat je bila uvedena prva direktiva, ki je narekovala načrtno zmanjševanje izpustov škodljivih snovi. Do leta 1982 so bili rezultati očitni, saj so se izpusti onesnažil glede na leto 1970 zmanjšali za kar 50%. V letu 1992 je bil uradno prvič predstavljen EURO 1 standard, ki je prvič in zadnjič predpisoval enotne standarde za dizlove in Ottove motorje. Danes velja standard EURO 6, ki je bil predstavljen 2014, ta pa se od prvega standarda EURO 1 razlikuje predvsem po več vključenih onesnažilih in strožjih omejitvah dovoljenih izpustov [13]. V letu 2017 pa se je pojavil tudi nov dodatek standardu EURO 6, ki ga imenujemo 6d-Temp oz. 6d, nanaša pa se predvsem na postopek zajema meritev in certificiranje novih modelov avtomobilov. Oznaka dodatka se pripne na konec oznake standarda (torej EURO 6d-Temp oz. EURO 6d), pridobijo pa jo lahko vsi novi modeli osebnih avtomobilov, ki so opravili RDE test [14]. Takšen test je opravljen med vožnjo, kjer testirano vozilo peljemo po kombiniranem terenu (urbana, avtocestna in podeželska vožnja), meritve izpustov onesnažil pa zajemamo skozi celotni test, ki traja med 90 in 120 min. Od prvega standarda EURO 1 so se dovoljeni izpusti zmanjšali kar za 80% [13]. Iz zapisanega je očitno, da je razvojev motorjev usmerjen v zniževanje izpustov škodljivih snovi.
Teoretične osnove
Preglednica 2.1: Evropski standard za omejitve izpustov onesnažil EURO 6 [14]
Dizelski motorji – EU standard: EURO 6
CO [g/km]: 0.5
HC + NOx [g/km]: 0.17
NOx [g/km]: 0.08
PM [g/km]: 0.005
PN [število/km]: 6·1011
Dizelski motorji imajo največ težav z izpusti NOx in PM. Obstoječa tehnologija za zmanjševanje izpustov povezuje ravno ta dva onesnažila na način, da ko so uporabljeni ukrepi za zmanjšanje ene, se nam poveča delež druge in obratno. Največje koncentracije NO nastajajo v območjih z visokim tlakom in temperaturo, glede na delovanje motorja je to v nekem kratkem času takoj po vbrizgu goriva [6]. Za nastanek NO je odgovoren del zmesi, ki lokalno doseže višji maksimalni tlak in temperaturo kot preostali del zmesi in zgori že zgodaj med procesom zgorevanja v delovnem valju. Druga spojina, ki nastaja poleg NO je NO2. Molekule NO2 se formirajo med procesom zgorevanja kadar v lokalni okolici ni dovolj atomov kisika – v primeru, da jih je dovolj, poteče obratna reakcija kjer je produkt NO.
Večinski del NOx izpustov predstavlja spojina NO, ki zaseda med 90 – 70% celotnih izpustov, v preostalem delu pa najdemo NO2 v deležu od 10 – 30%, odvisno od točke obratovanja motorja v kateri se nahajamo. Drugi prispevek k izpustom NOx predstavljajo promptni NOx. Ti nastajajo v začetnih fazah zgorevanja, ko potečejo reakcije med HC radikali in atmosferskim dušikom (tega je v okoliškem zraku okrog 78%) ali pa po končanem zgorevanju – v tem primeru gre za tvorbo na površini med batom in steno valja, kjer se nezgoreli HC mešajo s produkti zgorevanja. Promptni NOx torej nastajajo zaradi vsebnosti dušika v delovni zmesi, ta pa običajno reagira s kisikom in njegovimi spojinami, rezultat so molekule NOx [12]. Izpusti PM predstavljajo izredno majhne trdne delce v izpustih motorjev, ti pa so še posebno problematični za zdravje ljudi. V naše telo pridejo med vdihavanjem, saj so tako lahki, da se prosto gibljejo po ozračju. Tam se nalagajo v telesno sluznico in pljuča, posledično pa povzročajo celo vrsto zdravstvenih težav. Vsebujejo visok delež ogljika in na katerega se vežejo organske spojine med samim procesom zgorevanja.
Lokalna območja kjer prihaja do tvorbe delcev imajo majhne deleže kisika, tako da je jasno, da gre za nepopolno zgorevanje delovne zmesi. Največ PM izpustov se tvori na osnovi nezgorelih HC goriva, dodatno pa jih povzroča tudi motorno olje, ki lahko prispeva od 2 pa do 25% izpustov saj [3].
Izmed vseh naprednih zgorevalnih konceptov ima največji potencial za zmanjšanje škodljivih onesnažil ravno RCCI nizkotemperaturni koncept. Pri slednjem je mogoče vzporedno zmanjševati izpuste NOx in PM. To dosežemo z dobro homogenizacijo delovne zmesi kjer uporabimo zgodnji posredni vbrizg, ta pa nam zagotavlja nizke izpuste PM, medtem ko nizke temperature obratovanja otežujejo pogoje za nastanek NOx onesnažil.
2.3 Goriva
Večina motorjev z notranjem zgorevanjem, ki so danes nameščeni v sodobna vozila je prilagojenih na delovanje z bencinom ali klasičnim dizelskim gorivom. Poznamo tudi druge,
Teoretične osnove
manj pogoste komercialne izvedbe motorjev, kot so pogon na biodizel ali kombinacijo bencina in NG. Skupna točka vsem naštetim, kot tudi drugim, gorivom so splošni kriteriji, ki jih mora določeno gorivo izpolnjevati, da je primerno za komercialno uporabo [15].
Kriteriji se nanašajo na različne kategorije, s pomočjo katerih lahko celostno ovrednotimo vsako gorivo. Posledično imamo dovolj informacij za samo konstrukcijo motorja, saj je tukaj potrebno upoštevati vse spodaj prikazane kategorije in motor prilagoditi lastnostim goriva.
Vsako gorivo ima torej svoje lastnosti, ki definirajo delovanje samega motorja. Možna je uporaba marsikaterega goriva, vendar se je potrebno zavedati, da vsa niso primerna za uporabo v industriji iz inženirskih, ekonomskih, geografskih ali političnih razlogov.
Diagram na sliki 2.3 prikazuje razporeditev lastnosti goriv po kategorijah. Najpomembnejši kriterij izmed prikazanih so zgorevalne lastnosti goriva. Energijska vrednost je lastnost, ki je neposredno povezana s količino goriva, ki ga moramo vbrizgati v valj. Kvaliteto samovžiga predstavlja vrednost CN, ki nam opredeljuje reaktivnost goriva. Dizelski motorji delujejo na principu samovžiga zmesi goriva in zraka, tako da potrebujejo gorivo s čim višjim številom CN. Evropski standard SIST EN 590 navaja, da za uporabo v komercialnih vozilih dovoljeno cetansko število z minimalno vrednostjo 51 enot. Sestavo goriva, kot tudi sestavo onesnažil v izpustih, določajo fizikalne in kemične lastnosti goriva. Pomembna dejavnika za optimalno zgorevanje sta tudi mešanje dizelskih goriv z zrakom v razmerju 1 do 7 % volumna goriva in hlapnost goriva, ki nam definira kako hitro gorivo hlapi. V praksi mora biti gorivo dovolj hlapno, da izhlapi, ko ga vbrizgamo pri hladnem vžigu motorja. V primeru, da gorivo ni dovolj hlapno, vbrizg povzroči daljši preboj skozi tekočo fazo goriva, ter tako zmanjša učinkovitost motorja in povečuje škodljive izpuste [3].
Slika 2.3: Klasifikacija pomembnih lastnosti goriv. Prilagojeno po viru [3]
Teoretične osnove
Ko poznamo kriterije s katerimi popisujemo klasična tekoča goriva, iščemo tista alternativna goriva, katerih lastnosti se najbolj ujemajo z obstoječim dizelskim gorivom. Eno izmed najobetavnejših goriv je HVO, ki je po lastnostih zelo podobno dizelskemu gorivu [16].
HVO se uvršča v skupino parafinskih goriv (nasičeni ogljikovodiki v obliki kapljevin), nima vonja, dodanih arom ali dodatkov kisika in žvepla. Osnovo za njegovo izdelavo nam predstavljajo razna rastlinska olja, odpadno kuhinjsko olje in živalske maščobe. Postopek izdelave poteka tako, da omenjena osnovna olja hidrogeniramo, kemične reakcije pa razbijejo trigliceride (vrsta maščobnih delcev oz. lipoproteinov) na bolj preproste molekule kot so monogliceridi, digliceridi in karboksilne kisline. Te preprostejše molekule nato zopet obdelamo s postopki hidrogenacije, hidrodeoksigenacije in hidrodekarboksilacije.
Pridobimo ogljikovodike, ki so po strukturi izjemno podobni obstoječim dizelskim gorivom.
V kolikor dodamo do 10% HVO v dizelsko gorivo, ne spremenimo lastnosti dizelskega goriva. Stranski produkti trenutne izdelave HVO so CO, CO2, H2O in C3H8 (propan). V splošnem ima HVO odlične lastnosti v primerjavi s klasičnim dizelskim gorivom. Kurilna vrednost je celo rahlo višja kot pri dizlu, cetansko število je visoko, med transportom in skladiščenjem pa je zelo stabilen. Prav tako, uporaba HVO goriva vodi do nižjih koncentracij izpustov NOx, CO, HC in PM. Kljub vsemu ima tudi HVO, kot vsako drugo gorivo, določene slabosti. Ima nižjo gostoto ter posledično nižjo temperaturo vrelišča kot dizel, kar v trenutnih konstrukcijah motorjev predstavlja probleme s tesnjenjem in pretoki. Zaradi pomanjkanja dodatkov kisika in žvepla ima HVO tudi precej slabše mazalne sposobnosti v primerjavi z dizelskim gorivom, kar pomeni večjo obrabo komponent in morebitne mašitve vodov.
Visoko cetansko število pri običajnih dizelskih gorivih navadno pomeni, da gre za kvalitetno gorivo, pri HVO gorivu pa se pojavi nova težava in sicer predčasni samovžig, ki je zelo nezaželen, saj razbija ritem obratovanja motorja. Slabosti bi lahko rešili z izbiro prave zmesi goriva, kot je kombinacija HVO-NG, ki nam bistveno izboljša mazanje sistema.
Računalniška prilagoditev parametrov obratovanja v motornem računalniku, nam ohrani dizlov proces obratovanja in z manjšimi mehanskimi predelavami motor naredimo bolj primeren za pretoke takšnih goriv [17]. Dodatne optimizacije bi vključevale še državne in druge regulacije, stabilnost in zanesljivost motorja, primerno življenjsko dobo ter omejitve okoljskih standardov.
Preglednica 2.2: Prikaz lastnosti HVO v primerjavi z dizelskim gorivom [12]
Lastnost goriva/Vrsta goriva HVO Dizelsko gorivo (EN590)
Gostota pri 15 °C [kg/m3]: 775 – 785 820 – 845
Destilacijska krivulja [°C]: 180 – 320 180 – 360
Spodnja kurilna vrednost [MJ/kg]: 44 35 ali več
Cetansko število [/]: 80 – 99 51 ali več
Vsebnost vode [mg/kg]: 7 manj kot 200
Koncentracija žvepla [mg/kg]: manj kot 10 manj kot 10
2.4 Mehanske obremenitve motorskih komponent
Med motorske komponente, ki so najbolj pomembne za tekoče delovanje in katerih okvara pomeni konec življenjske dobe motorja, štejemo glave valjev, ojnice batov in ročično gred.
Kritične napake se skoraj vedno pojavijo na teh komponentah, njihova okvara pa sproži
Teoretične osnove
verižno reakcijo napak skozi celoten motor (upoštevamo, da so komponente v hitrem medsebojnem gibanju in okvara ene izmed komponent, vpliva na delovanje vseh ostalih) [18]. Kritična napaka se najprej pokaže kot raza ali razpoka na motorski komponenti, ta pa še ne vpliva na delovanje samega motorja. Te raze in razpoke rastejo skozi čas, na hitrost rasti pa vplivajo tlaki in temperature v motorju. Če se razpoka pojavi na motornem delu katerega površina je v kontaktu z drugim gibajočim delom, ima največji vpliv na rast razpoke nanešeno mazivo [19]. Tukaj je pomembna tako izbira, kot tudi kvaliteta nanosa maziva.
Motorske komponente, ki imajo proizvodno napako navadno zdržijo manj časa kot tiste, kjer poškodbe nastanejo kot posledica obratovanja in utrujanja materiala. Napaka v proizvodnji od samega začetka delovanja obremenjuje motor in takšni avtomobili navadno ne prevozijo niti 60.000 kilometrov [19]. Če se pri visoki kilometrini pojavi kritična napaka zaradi katere motor v celoti odpove, je glavni krivec verjetno razpoka, ki se je čez čas širila, do točke kjer je material počil. Razpoka je lahko nastala zaradi zamujenega vmesnega servisa ali preprosto zaradi veliko ur delovanja v težkih razmerah [20].
2.4.1 Glava valja
Glava valja je eden izmed najbolj kompleksnih delov motorjev z notranjim zgorevanjem [20]. K temu dejstvu pripomoreta zapletena geometrija in ekstremne razmere v katerih obratuje ta motorska komponenta. S pravilnim oblikovanjem glave valja lahko močno vplivamo na pridobljeno motorsko moč, manjšo porabo goriva, znižanje izpustov škodljivih onesnažil in nižanje stroškov servisov. Za izdelavo glav valjev se danes največkrat uporablja aluminijeva zlitina, ki ji dodajamo silicij za boljše mehanske lastnosti in lažje preoblikovanje [21]. Včasih se je v celotni avtomobilski industriji največ uporabljalo lito železo, vendar se je skozi čas izkazalo, da to ni najbolj primeren material, predvsem zaradi svoje velike teže, ki je vplivala na dinamiko vozil, večjo porabo goriva in manjšo proizvedeno moč motorja.
Glava valja je izpostavljena celi vrsti termičnih in mehanskih obremenitev [22].
Temperaturna razlika je posledica vžiganja in ugašanja motorja in povzroča termo- mehansko utrujanje materiala. Posledica takšnega utrujanja je krajša življenjska doba tanjših predelov glave valja – sem štejemo območje materiala okrog ventilov, injektorjev ali vžigalnih svečk. Največje mehanske obremenitve na glavi motorja se pojavljajo ob najmanjši temperaturi in obratno, najmanjše mehanske obremenitve beležimo med najvišjo temperaturo obratovanja. Pojav se zgodi zaradi napetosti v materialu celotne konstrukcije, ki se kopiči in močno vpliva na glavo valja kot motorsko komponento. Ko motor prižgemo in se temperatura povečuje, na motorske komponente delujejo tlačne sile, ki jih povzročata visoka temperatura delovanja in proces zgorevanja. Te sile so izjemno velike in močno vplivajo na vse komponente motorja ter tako razbremenijo glavo valja sil, ki bi sicer delovale nanjo v mirovanju. Upoštevati moramo, da so glave valjev narejene za ekstremne razmere, kot so visoke temperature in tlaki. Konstruiranje upošteva principe elastičnega raztezka materiala ter računa na ciklično termično obremenjevanje, zato do kritičnih napak na glavi motorja ne prihaja zelo pogosto.
Kot smo omenili, največkrat prihaja do težav na predelih kjer je debelina materiala majhna.
Konkretno so to območja okrog ventilov, ki skrbijo za dovod svežega zraka in odvod izpušnih plinov po zgorevanju. Dolgotrajni cikli ugašanja in prižiganja motorja povzročajo tlačne napetosti med obratovanjem in natezne napetosti med mirovanjem motorja.
Teoretične osnove
Posledično pride do plastične deformacije materiala, kjer je ta najtanjši. Po plastični deformaciji je le vprašanje števila temperaturnih ciklov preden material poči, razpoke pa se s časom le še širijo in povzročajo nepopravljive poškodbe glavi motorja. Po podobnem principu lahko prihaja do poškodb tudi na kanalih namenjenim hlajenju glave valja. Material na tem območju je tanek, saj mora zagotavljati dober odvod toplote iz notranjosti. Skozi cikle obratovanja in mirovanja se material na teh območjih plastično deformira in posledično poči, kritična poškodba pa je nepopravljiva. Tlačne obremenitve, ki so posledica delovanja motorja, prispevajo k končni utrujenosti materiala, vendar bistveno manj kot temperaturno utrujanje. Povprečna glava valja lahko prenese okrog 104 ciklov termičnega utrujanja in kar 107 ciklov tlačnega utrujanja, preden pride do kritične poškodbe [20]. V kolikor pride do kritične poškodbe prej, je razpoka verjetno posledica poroznosti materiala med postopkom izdelave glave valja. Gravitacijsko litje aluminij-silicijeve zlitine ima grobo mikrostrukturo s krčnimi votlinami, ki so globoke od 0,1 do 0,5 mm. V večini primerov predčasne odpovedi glave valja je glavni vzrok razpoka, ki se je zaradi temperaturnega utrujanja razvila iz začetne krčne votline, ta pa je posledica poroznosti materiala. Seveda pa tlačne obremenitve močno vplivajo na rast takšnih razpok, še posebno, če so sile v valju prevelike ali če motor obratuje nestabilno. V takšnih primerih lahko pride do takojšne odpovedi motorja.
Slika 2.4: Utrujenostna poškodba na glavi valja. Prilagojeno po viru [20]
Možne rešitve, ki lahko preprečijo kritično napako na glavi valja so modifikacije hladilnega sistema motorjev, s posebno pazljivostjo na debelini in geometriji materiala okrog območij kjer rado prihaja do predčasnih posledic termičnega utrujanja. Seveda je ključno tudi zagotavljati normalno, stabilno obratovanje, ki preprečuje prehitro rast razpok.
2.4.2 Ojnica
Ojnica je motorska komponenta, ki med seboj povezuje bat in ročično gred motorja z notranjim zgorevanjem. Njena glavna funkcija je pretvorba mehanske energije linearnega
Teoretične osnove
gibanja bata v rotacijsko gibanje ročične gredi. Poenostavljeno povedano je ojnica neke vrste drog, ki skupaj z ročično gredjo tvori ročično gonilo. Na obeh koncih ojnice se nahajata luknji, ki sta namenjeni varnemu in gibljivemu vpetju v konstrukcijo. Gibljivo vpetje je še posebej pomembno, saj se kot glede na bat in ročično gred med obratovanjem motorja neprestano spreminja. Na strani kjer z batnim sornikom pripnemo bat je luknja manjša, saj mora biti velika le toliko kot je velik sam sornik. Na drugi strani, kjer je ojnica povezana z ročično gredjo, je luknja večja, saj se v luknji nahaja drsni ležaj, ta pa je čvrsto pritrjen v sestav med gredjo in ojnico s pomočjo pokrova, ki ga privijačimo na konec te strani ojnice.
Gibanje, ki ga opravlja ta sestav je krožno. Običajno so ojnice motorjev z notranjim zgorevanjem izdelane iz kaljenega jekla, obstajajo pa tudi izvedenke narejene iz aluminija ali titana, ki se uporabljajo predvsem v visoko zmogljivih motorjih [23].
Ojnice obratujejo pod ekstremnimi pogoji, prenašajo tako tlačne, kot natezne obremenitve, visoke temperature in tlake. Da zagotovimo zanesljivo in nemoteno delovanje, je najbolj ključna natančna strojna izdelava same ojnice in njenih pomožnih delov ter pravilno sestavljanje v proizvodnji. V povprečju se največ kritičnih napak na motorju zgodi prav zaradi napake nekje v povezavi med batom in ročično gredjo, torej na ojnici [24]. Napake, ki se najpogosteje pojavljajo so lahko posledica defektov na materialih ali pa proizvodne oz.
servisne napake. Slednje vključujejo med seboj slabo sestavljene motorske komponente, nenatančno pritrditev batnega sornika ali uporabo že izrabljenih delov, ki niso več primerni za obratovanje. Ne glede na vzrok, lahko pričakujemo, da se bodo kmalu začele pojavljati nepravilnosti med obratovanjem. Te se kažejo kot pregrevanje motorja, nezadostno mazanje, pojav utrujenostnih poškodb na materialu ali celo pok materiala zaradi sunkovitih sil, ki so sicer normalne med obratovanjem [25]. Na sliki 2.5 so prikazani različni tipi poškodb, ki so privedle do kritične napake. Statična poškodba (A) se največkrat pojavi zaradi prevelike sunkovite sile. Utrujenostna poškodba (B) nastane po veliko ciklih obratovanja. Poškodba vijaka (C) je največkrat odgovorna za rahljanje ujemov sestavnih delov, posledično lahko odpove celotna motorska komponenta.
Slika 2.5: Različni tipi poškodb ojnice. Prilagojeno po viru [25]
Teoretične osnove
Med obratovanjem, ojnica prenese največ sile med sesalnim in delovnim taktom. Takšne vrste ciklično obremenjevanje se izkaže za največji problem med katerim prihaja do deformacij motorske komponente. Začetek plastične deformacije čez čas preraste v poškodbo, ki se kaže kot majhna razpoka v materialu. Ta razpoka raste naprej, do neke točke, ko se material zlomi – takrat je poškodba nepopravljiva. To pomeni, da se lahko vsaka napaka na materialu, kot je poroznost, razvije v začetno razpoko, ki bo rasla z vsakim ciklom obratovanja.
2.4.3 Ročična gred
Ročična gred je ena od najbolj pomembnih komponent motorja z notranjim zgorevanjem.
Nahaja se na spodnjem delu motorja, poganja pa jo bat, ki je z ročično gredjo povezan preko ojnice. Ročična gred s pomočjo svoje edinstvene oblike in povezave z ojnico, pretvarja recipročno gibanje bata v rotacijsko gibanje. To gibanje pa omogoča pogon vseh ostalih delov, ki so važni za delovanje avtomobila, zato pravimo, da je ročična gred v klasičnem avtomobilu tudi pogonska gred. Samo gred sestavlja več posamičnih komponent. Delu kjer se montira ojnica pravimo čep ojničnega ležaja. Tega, z obeh strani, v položaju držita dva boka gredi. Na zunanjih površinah bokov gredi se nahajajo še čep glavnega ležaja in protiuteži. Ročične gredi se običajno izdelujejo iz več vrst kaljenih jekel in nodularnih litin [19]. Kaljena jekla imajo boljšo mikrostrukturo z manj defekti materiala, kar pomeni, da se bodo bolje obnesla, ko pride do utrujanja materiala, vendar tudi negativne lastnosti, kot je večja masa motorske komponente in predvsem višji stroški izdelave zaradi zahtevnejšega materiala. Nodularne litine so popolno nasprotje, imajo odlične lastnosti za litje, so enostavne za strojno obdelavo, imajo visoko žilavost, dobro odpornost na obrabo, sama izdelava pa je relativno poceni.
Med obratovanjem je ročična gred izpostavlja velikim silam, ki delujejo nanjo. Najbolj pomembni obremenitvi, ki jih moramo vedno upoštevati sta torzijska in upogibna. Prav tako je gred izpostavljena vibracijam, visokim koncentracijam napetosti v materialih in visokim temperaturam [26]. Ekstremni pogoji obratovanja so sicer lahko vzrok kritične napake, vendar v takšnih primerih se napaka pokaže šele po veliko prevoženih kilometrih. Večja verjetnost je, da bo do okvare prišlo zaradi človeške napake, kot so nepravilnosti v proizvodnem procesu ali slabo opravljeni servisi. Med izdelavo motorske komponente igrajo ključno vlogo hrapavosti površin, ravnost ploskev, ujemi medsebojnih sestavnih delov in njihove poravnave. Prav tako je važna pravilna izbira maziva, ki se mora dobro obnesti pod visokimi temperaturami in seveda tudi sam nanos na kontaktne površine. Med servisi je pomembna uporaba novih, originalnih nadomestnih delov, razna strojna ravnanja zvitih ročičnih gredi pa so odsvetovana, če želimo zagotoviti trajnostno obratovanje motorskih komponent. V kolikor ti pogoji niso natančno izpolnjeni, prihaja do utrujenostnih poškodb materiala, začetkov raz in razpok, previsoke temperature obratovanja, drgnjenja medsebojnih površin in zvijanja konstrukcije [27]. Kritične napake ročične gredi redko privedejo do nepopravljive škode na motorju, kljub temu pa razni servisi niso poceni in stroški popravil so v večini primerov izredno visoki.
Teoretične osnove
Slika 2.6: Začetna razpoka, ki je s časom povzročila zlom materiala. Prilagojeno po viru [27]
Napaka se na ročični gredi največkrat začne s temperaturnim utrujanjem materiala. Takšne vrste utrujanje je v večini primerov posledica drgnjenja dveh kontaktnih površin [27]. Do drgnjenja lahko pride iz dveh vzrokov. Prvi razlog so morebitne težave z mazivom ali sistemom mazanja. Možnosti vključujejo premalo dodanega maziva, nezadostno ali površno mazanje površin ter previsoko temperaturo obratovanja (ta spremeni lastnosti maziva).
Drugi vzrok so napake v sestavu konstrukcije, kot so slabe tolerance in nezadostni ujemi, neusklajenost sestavnih delov in kontaktnih površin, slaba izbira čepov ter ležajev. V kolikor je motor pred pojavom kritične napake prevozil več kot 60.000 km [19], lahko napake v sestavu konstrukcije takoj izločimo, saj so te bistveno bolj nevarne kot težave z mazanjem in bi motor odpovedal mnogo prej. Možne rešitve so predvsem preventivne narave, v kolikor poskrbimo za redne in kvalitetne servise ter originalne nadomestne dele, je možnost pojava kritične napake na ročični gredi minimalna
3 Metodologija raziskave
Merilni sistem preizkuševališča je mehatronsko povezan med seboj in z glavnim laboratorijskim računalnikom, ki v realnem času podatke prikazuje, preračunava in shranjuje v datoteke. Omenjeni sistem je prav tako povezan z enoto, ki kontrolira čas in kot vbrizga goriva ter s kontrolno enoto EGR sistema, da lahko prosto nastavljamo delež EGR. Celotni mehatronski sistem upravljamo preko namenskega programa napisanega v okolju LabView, ki omogoča grafični prikaz kontrolne plošče, prek katere lahko enostavno spremljamo statuse priključkov in spreminjamo omenjene parametre ter tako testiramo odziv motorja v različnih obratovalnih točkah.
3.1 Eksperimentalna proga
V tem poglavju bomo obravnavali eksperimentalno progo na kateri smo izvajali meritve.
Testiranje je potekalo na komercialnem, 4-valjnem, 4 taktnem, 1.6-literskem motorju s turbopolnilnikom, proizvajalca PSA. Njegove značilnosti so prikazane v preglednici 3.1.
Preglednica 3.1: Tehnični podatki testnega motorja
Motor: PSA DV6ATED4
Število valjev: 4, vrstna postavitev
Tip motorja: 4-taktni
Delovna prostornina: 1560 cm3
Kompresijsko razmerje: 18:1
Način vbrizga goriva: Preko skupnega voda do 1600 bar
Največja moč: 66 kW pri 4000 obr/min
Največji navor: 215 Nm pri 1750 obr/min
Plinska pot: Turbopolnilnik, hladilnik, EGR
Hlajenje: Vodno
Ventili valjev: Dvojna odmična gred, 16V
Metodologija raziskave
Posebnost testnega motorja je termodinamsko ločeni prvi valj od preostalih treh, ki ima svoj dovod goriva in sistem s katerim lahko upravljamo njegove parametre delovanja. Ostali trije valji delujejo povsem normalno preko tovarniškega motornega računalnika. Opravljene so bile tudi druge predelave, ki nam omogočajo raziskovanje praktično vseh parametrov obratovanja motorja. Celotna postavitev eksperimentalne proge je prikazana na sliki 3.1.
Glavna prednost naše eksperimentalne proge je možnost uporabe večih različnih goriv v termodinamsko izoliranem enem valju (običajno gre za testno alternativno gorivo v kombinaciji s klasičnim dizelskim in plinastim gorivom). Preostali trije valji med obratovanjem delujejo povsem normalno, tudi v nestabilnih obratovalnih točkah. Dodatno ima termodinamsko ločeni cilinder možnost, da mu preko sesalnega kolektorja nastavimo parametre, ki pogojujejo obratovanje (tlak, temperatura in delež EGR povratnih izpušnih plinov). Nastavljanje poteka preko PID krmilnika ali ročno. Del eksperimentalne proge zajema tudi omenjeni EGR sistem, ki ima dve možni poti po katerih vračamo izpušne pline nazaj v testni valj. Prva pot je hlajena preko namenske posode, ki vsebuje navadno vodo iz vodovodnega omrežja, druga pa je povsem nehlajena in postavljena v okolico. Delež povratnih izpušnih plinov nastavljamo preko drugega PID krmilnika, ki odpira in zapira loputo s katero kontroliramo masni pretok plinov.
Celoten sistem vsebuje mnogo senzorjev s katerimi zajemamo meritve, ki so tudi končni cilj naših testiranj. Ker zajemamo različne parametre so tudi senzorji različni glede na lokacijo zajema meritev in tip parametra, ki ga želimo izmeriti. Glavni parametri, ki nas zanimajo so tlak, temperatura ter tip in sestava plinov, ki tečejo skozi sistem. Ti so zajeti preko omenjenih senzorjev in računalniško beleženi ter poračunani v realnem času, operaterju pa skozi celoten potek testiranja podajajo informacije o termodinamskem stanju sistema, ki je neposredno povezan z nastavitvami motorja, ki smo jih prej izbrali.
Slika 3.1: Shema celotne eksperimentalne proge z vsemi priključki in merilnimi instrumenti
Metodologija raziskave
3.1.1 Dovod in vbrizg goriva
Med eksperimentom smo testno zmes s HVO gorivom dovajali zgolj v prvi valj, medtem ko so preostali trije valji delovali na dizelsko gorivo ves čas. Tega je preko originalnega tovarniškega skupnega voda pod visokim pritiskom vbrizgavala črpalka. Ta je nadzorovana avtomatsko z motornim računalnikom. Dizelsko gorivo teče iz dizelskega rezervoarja, ki je postavljen višje od testnega motorja, da nam višinska razlika pomaga pri pretoku goriva.
3.1.1.1 Tekoče gorivo
Prvi testni cilinder je ločen od skupnega voda, ki je zaprt z vijakom. Napeljava za tekoče gorivo, ki ga poganja, je prikazana na sliki 3.2. Sestavljena je iz treh rezervoarjev, ti pa vsebujejo dizelsko gorivo, HVO in NG. Zaradi dobre postavitve rezervoarjev ne potrebujeta dodatne zunanje črpalke. Napeljava naprej obsega vodnik hladilnik za gorivo, skupni vod, injektor, visokotlačno črpalko in več različnih tipov ventilov, ki preusmerjajo, zapirajo in odpirajo pretoke. S pomočjo postavljenega sistema, lahko kadarkoli po zagonu motorja preklopimo iz dizelskega na alternativno gorivo in obratno nazaj. Črpalka s tlakom okoli 1600 barov vbrizgava gorivo preko originalnega, vendar v ta namen posebej predelanega skupnega voda, ki ima odprt samo en priključek do injektorja. Napeljavo bi sicer lahko speljali brez skupnega voda, vendar nam ta omogoča bolj gladke in konsistentne pretoke fluidov.
Slika 3.2: Shema eksperimentalne postavitve dovoda tekočih goriv v testni valj
Metodologija raziskave
3.1.1.2 Plinska pot
Po plinski poti teče NG, ki je shranjen v namenskem rezervoarju, v skladišču z gorivi, nekaj metrov nad testnim motorjem. Napeljava plinske poti je speljana preko Coriolisovega merilnika masnega pretoka. Potem je preko ekspanzijskega ventila, pot vezana na injektor, ki vbrizgava zemeljski plin v prvi, termodinamsko ločeni valj. Sistem je računalniško nadziran preko laboratorijskega računalnika. Eksperimentalna postavitev plinske poti je prikazana na sliki 3.3.
Slika 3.3: Shema eksperimentalne postavitve dovoda NG v testni valj
3.1.2 Recirkulacija izpušnih plinov
Sistem EGR je ena izmed boljših, že obstoječih, rešitev za zmanjšanje izpustov NOx ki nastajajo med zgorevanjem. Ti izpusti so pogojeni s temperaturo zgorevanja, namreč višja kot je temperatura zgorevanja, večji bo delež tega onesnažila [28]. V kolikor v motor vgradimo EGR sistem, ta izpušne pline vrača nazaj v zgorevalno komoro, ti pa ne spremenijo zgorevalnega procesa, temveč izpodrinejo delež zraka oz. za zgorevanje bolj pomembnega kisika in tako motor nima možnosti izkoristiti polnega potenciala zmesi goriva in zraka, posledično bo temperatura v zgorevalni komori nižja. Manj kisikovih molekul pomeni manj možnosti za nastanek NOx in čistejše izpuste. Razen tega EGR sistem omogoča motorjem, da tečejo bolj gladko in pri tem porabijo manj goriva. Največkrat ga najdemo med dizelskimi predstavniki, ki imajo visoko stopnjo izpustov NOx, medtem ko so v bencinskih motorjih EGR sistemi le, če ima motor vgrajen tudi turbopolnilnik.
3.1.2.1 Delovanje EGR sistema
Glavna funkcija klasičnega EGR sistema v dizelskih (in bencinskih) motorjih je vračanje izpušnih plinov nazaj v sesalni kolektor [29]. Izpušni plini so najprej, pred turbino, delno preusmerjeni iz izpušnega kolektorja v novi vod in usmerjeni naprej v sesalni kolektor.
Metodologija raziskave
Masni pretok regulira pnevmatični ali električni EGR ventil, ki deluje na podlagi podtlaka, ki nastaja v sesalnem kolektorju, kontrolira pa ga električni regulator, ki sprejema podatke o masnem pretoku, temperaturi izpušnih plinov in temperaturi svežega zraka. Stopnjo odprtosti EGR ventila regulator določi s pomočjo signala, ki mu ga pošilja potenciometrični senzor. Skladno z naraščanjem obremenitve motorja, se ventil EGR zapira in popolnoma zapre v točki največje obremenitve, kot tudi med prostim tekom delovanja motorja.
3.1.2.2 Okvare EGR sistema
Okvare EGR sistema se največkrat pojavijo zaradi nalaganja ogljika v EGR ventil, posebno takrat, kadar so uporabljena nekakovostna ali nečista goriva [29]. Možne so tudi razne druge zamašitve sistema, ki pa so običajno posledica obrabe motorskih komponent, kot so turbopolnilniki, injektorji, valji ali bati. Možne so tudi razne električne okvare senzorjev, ki javljajo netočne vrednosti motornemu računalniku, posledično EGR sistem ne deluje pravilno. Napake, ki se pojavijo v takšnih primerih so trdo in nestabilno delovanje, izguba motorne moči in zmanjšan izkoristek.
3.1.2.3 Eksperimentalna postavitev EGR sistema
V laboratoriju postavljen EGR sistem, prikazan na sliki 3.4, je narejen na osnovi komercialnega PSA EGR sistema, ki se običajno uporablja v večjih motorjih. Sistem sestavlja napeljava, EGR ventil in vodni hladilnik, ki izpušne pline še dodatno ohladi, da lahko dosegamo nižje temperature v zgorevalni komori. Pred hladilnikom je v našem sistemu dodatno nameščen še en ventil s katerim reguliramo delež EGR povratnih izpušnih plinov, ki ne potujejo skozi hladilnik. Da lahko, med obratovanjem motorja, takšen sistem natančno upravljamo in sami določamo delež EGR, imamo na ventilih nameščene servo motorje, ki odpirajo in zapirajo lopute. Servo motorje lahko enostavno kontroliramo preko laboratorijskega računalnika. Natančno vrednost deleža EGR določamo s pomočjo opreme Technotest, ki nam podaja informacije o vrednostih koncentracij CO2 na vhodu v sesalni kolektor in na izhodu iz izpušnega kolektorja. Iz razlike koncentracij se računsko določi kakšen delež EGR sodeluje pri zgorevanju. Eksperimentalna EGR pot vodi naprej v mešalno komoro, ki ima priključen tudi dovod svežega zraka iz okolice. Zmes sedaj že ogretega zraka in povratnih izpušnih plinov nadaljuje po vodu v sesalni kolektor, kjer se mešajo z NG in vstopajo v zgorevalno komoro.
Metodologija raziskave
Slika 3.4: Shema eksperimentalne postavitve EGR sistema
3.2 Zajem podatkov na preizkuševališču
Eksperimentalna proga, prikazana na sliki 3.5, vključuje mnogo različnih vodov po katerih v testni motor pritekajo in odtekajo razni fluidi (gorivo in plini). Za nas relevantni podatki so predvsem osnovni termodinamski parametri – tlaki, temperature in volumni oz. bolj natančno spremembe le-teh. Zelo pomembni podatki, ki so ključni za celostno analizo problema, so izpusti škodljivih onesnažil. Tem s pomočjo zelo natančne emisijske merilne opreme določimo sestavo in delež, ki ga zasedajo v skupnem izpustu. Dodatno pa moramo poskrbeti tudi za natančno merjenje masnih pretokov fluidov, ki so v komercialnih motorjih merjeni in regulirani s strani motornega računalnika. Na naši testni progi smo jih upravljali sami, saj so nas zanimale spremembe, ki vplivajo na obratovanje motorja. Prav tako so vsi omenjeni podatki potrebni za naknadno obdelavo, s katero določimo območje v katerem motor, gnan na alternativno gorivo, deluje gladko in zanesljivo.
Testni motor je bil preko gredi povezan z dinamometrom Zöllner B-350AC, ki ga je nadzoroval sistem Kristel, Seibt & Co nadzorni sistem KS ADAC v kombinaciji s programom KS Tornado. Položaj ročične gredi smo določili s pomočjo optičnega merilnika Kistler CAM UNIT tip 2613B, natančnega do 0.1° [3]. Ta nam je pozneje omogočil natančen in kontroliran vbrizg goriva. Na testnem valju smo določili TDC s pomočjo kapacitivnega senzorja COM tip 263 [3]. Merilna negotovost merjenja tlaka, glede na zasuk ročične gredi znaša 0.96 % [3]. Čas začetka vbrizga goriva in trajanje vbrizga smo kontrolirali s sistemom Drivven, ki s pomočjo tokovnega krmiljenja nadzoruje delovanje injektorjev ter nadzira tlak črpalke skupnega voda. Za nadzor vbrizgavanja goriva in zajem podatkov smo uporabljali sistem National Instruments cRIO 9024, ki je bil vgrajen v ohišje National Instruments tip
