Laboratorije za eksperimentalno ispitivanje pogonskih sistema
Laboratorije za eksperimentalno ispitivanje pogonskih sistema nastavljaju tradiciju prvih laboratorija za ispitivanje motora koje su na Univerzitetu u Beogradu počele sa radom početkom 20. veka. Danas, eksperimentalna istraživanja na motorima i pogonskim sistemima uopšte, obavljaju se u specijalizovanim laboratorijama namenjenim posebnim zahtevima, u skladu sa razvojem specifičnih potreba obrazovnog procesa na akademskom nivou i zahteva u domenu fundamentalnih i primenjenih istraživanja.
Oblast istraživanja
Laboratorija za ispitivanje radnog procesa i emisije motora namenjena je istraživanju dinamike sagorevanja različitih goriva i njihovih mešavina, prenosa toplote u motorima, strujanja u kolektorima i radnom prostoru motora, fenomenima ubrizgavanja goriva i formiranja gorive smeše i uticajima na emisiju motora. Ove laboratorije nastavljaju tradiciju prvih eksperimentalnih instalacija za ispitivanje motora u regionu koje su na Univerzitetu u Beogradu formirane pre drugog svetskog rata i oslanjaju se na višedecenijsko iskustvo i znanje stečeno i verifikovano u prestižnim institucijama (Technische Universitaet Graz, AVL Graz, Technische Universitaet Aachen, Technische Universitaet Muenchen, Ann Arbor Michigan, King’s College London itd.).
Mogućnosti
Dostupnim eksperimentalnim metodama i postupcima moguće je verifikovati uticaje konstruktivnih izmena na motorima, uticaj izmene upravljačkih parametara, izmene u procesu formiranja smeše i formulaciji goriva na osnovne karakteristike radnog procesa u cilindru motora. Laboratorija je namenjena i specijalizovana, u prvom redu, za osetljiva i složena merenja visokodinamičkih pojava u cilindru motora, kolektorima i sistemu za formiranje smeše. Laboratorijska ispitivanja obuhvataju neke od osnovnih tehnika:
- Rekonstrukciju cilindarske glave motora i pripremu mesta za ugradnju specijalnih senzora;
- Merenje pritiska u cilindru motora u ugaonom domenu;
- Merenje pritiska u usisnim i izduvnim cevima i kolektorima motora u ugaonom domenu;
- Merenje pritiska u sistemu za ubrizgavanje goriva;
- Merenje kinematskih parametara kretanja iglice brizgača;
- Merenje kinematskih i dinamičkih parametara kretanja delova razvodnog mehanizma motora;
- Merenje trenutne ugaone brzine i torzionih oscilacija kolenastog vratila motora;
- Merenje emisije toksičnih komponenata izduvnih gasova;
- Karakteristike goriva – formulacija goriva, uticaj aditiva, promena cetanskog i oktanskog broja i sl.
Rezultati merenja i analiza omogućavaju praćenje i kvalitativnu i kvantitativnu identifikaciju uticaja različitih parametara na tok sagorevanja, ekonomičnost ciklusa i ekološke karakteristike motora, i to:
- Konstruktivnih parametara – oblik komore, položaj brizgača, položaj svećice, konstrukcija ventilskog sistema i sl.;
- Procesnih parametara – pritisak punjenja, temperatura svežeg punjenja, temperatura goriva i sl.;
- Upravljačkih parametara – početak ubrizgavanja, pritisak ubrizgavanja, paljenje, broj pilot-ubrizgavanja, efekti predmešanja goriva;
- Karakteristike goriva – formulacija goriva, uticaj aditiva, promena cetanskog i oktanskog broja i sl.,
Za postprocesiranje mernih podataka i sprovođenje složenih postupaka termodinamičke i statističke analize procesa sagorevanja, laboratorija koristi savremeni računski centar i specijalizovane softverske alate Mathworks Matlab/Simulink i AVL AST (AVL IndiCom, AVL Concerto, AVL Cameo, AVL Boost).
Oprema i resursi
Ispitivanja se sprovode na najsavremenijim električnim kočnicama sa procesorskim upravljanjem i kontrolom stabilnosti radnih režima (Rotronics/Schorch, Borghi & Saverri, Schenck). Za merenje dinamičkih pojava koriste se višekanalni akvizicioni sistemi na platformi National Instruments PXI i specijalni akvizicioni sistemi AVL IndiMaster.
Motorski dinamometri
Laboratorije za ispitivanje motora i pogonskih sistema opremljene su sa 7 motorskih kočnica različitih performansi i tehničkih mogućnosti. Za najzahtevnija ispitivanja, stacionarna i dinamička, koristi se najsavremenija aktivna dinamička asinhrona kočnica snage do 300 kW Rotronics Dynosens/Schorch sa modulom za merenje obrtnog momenta motora HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik). Za zahtevna stacionarna merenja na motorima manjih snaga i fundamentalna istraživanja na prototipovima motora koriste se dve električne kočnice sa vihornim strujama od 40 kW (Borghi&Saverri) i 130 kW (Carl Schenck), obe opremljene modulima za merenje sile kočenja HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik).
Za dugotrajna ispitivanja pouzdanosti motora i motorskih komponenata, verifikaciju potrošnje ulja i sl., koriste se četiri hidrauličke kočnice Carl Schenck nominalne snage 150-300 kW. Visoka tačnost merenja snage i momenta obezbeđuje se primenom striktnih kalibracionih procedura proizvođača opreme i kalibracionog pribora sa sertifikacijom DKD (Deutsche Kalibrierdienst).
Tehničke karakteristike dinamometara za ispitivanje motora i hibridnih pogonskih sistema
Model
Rotronics Dynosens
Carl Schenck W130
Borghi & Saverri FE 50
Carl Schenck U1-25
Carl Schenck U1-16
Carl Schenck U1-16H
Tip
Asinhrona
Vihorne struje
Vihorne struje
Hidraulička
Hidraulička
Hidraulička
Nazivna snaga
kočenje: 300 kW @ 9200 RPM
vuča: 300 KW @ 8900 RPM
130 kW @ 3200 : 9200 RPM
38 kW @ 2200 : 6000 RPM
260 kW @ 2250 : 5000 RPM
150 kW @ 3250 : 8000 RPM
300 kW @ 8000 : 10000 RPM
Obrtni moment
720 Nm @ 500 : 2000 RPM
700 Nm @ 500 : 2000 RPM
400 Nm @ 1200 : 3000 RPM
150 Nm @ 2250 RPM
1100 Nm @ 1500 : 2250 RPM
400 Nm @ 2250 : 3250 RPM
350 Nm @ 2200 : 8000 RPM
Oprema za dinamička merenja i indiciranje motora
Laboratorija za ispitivanje motora raspolaže širokom paletom specijalnih piezoelektričnih senzora pritiska namenjenih indiciranju pritiska u cilindru motora, što omogućuje realizaciju merenja na svim tipovima i kategorijama motora. Laboratorija raspolaže sa ukupno 24 senzora prinudno hlađenih senzora pritiska u 7 različitih tipova izvedbe iz programa AVL GmbH, namenjenih ispitivanjima najviše klase tačnosti. Pored toga, na raspolaganju su 24 mikrominijaturna senzora proizvođača AVL GmbH za primenu kod viševentilskih motora, kao i 5 različitih tipva senzora integrisanih u svećice, koji su namenjeni indiciranju benzinskih i gasnih motora (AVL Gmbh i Kistler KIAG). Hlađenje senzora pritiska obezbeđeno je preko kondicionerskog modula sa integrisanom pumpom i razvodnim blokom AVL ZP91.
Pozicija hlađenog i nehlađenog senzora pritiska za indiciranje motora i pojačivači punjenja AVL MicroIFEM.
Za kondicioniranje signala senzora pritiska koriste se 1-kanalni pojačivači punjenja tipa AVL 3056 i 2-kanalni tipa AVL 3066 (ukupno 13 dostupnih kanala), kao i 4-kanalni pojačivač punjenja AVL MicroIFEM sa softverskim upravljanjem i kompenzacijom.
Za merenje ugaonog položaja kolenastog vratila koristi se motorski optički enkoder AVL 364C (rezolucija 1/360), kao i industrijski optički enkoderi Kebler Sendix (rezolucija 1/360) i Hengstler RI58 (rezolucija 1/1024).
Akvizicija podataka obavlja se pomoću PXI akvizicionog sistema sa 8-kanalnim brzim analognim modulom (8×500 kS/s) sa integrisanom memorijom, pomoću namenskog akvizicionog sistema AVL IndiMaster 670 i višekanalnog digitalnog osciloskopa Tektronix MSO2004B.
Sistem za kondicioniranje signala sa piezoelektričnih senzora pritiska AVL 3066 i AVL 3056 i sistem za merenje ugaonog položaja kolenastog vratila AVL 364C.
Metodologija
Obradom rezultata merenja jednoznačno se identifikuju tok pritiska, integralni tok sagorevanja, brzina sagorevanja, brzina prostiranja plamena, prenos toplote, nezaptivenost radnog prostora motora, temperature zidova radnog prostora motora, stepen punjenja motora, stepen korisnosti motora i sl.
AVL Concerto softverski alat za analizu dinamike sagorevanja u motoru SUS. Primer: dijagram toka pritiska, integralnog i diferencijalnog toka oslobađanja toplote.
Sistem za merenje potrošnje goriva AVL 733S
Za merenje potrošnje goriva tokom ispitivanja MSUS koristi se AVL 733S merna vaga sa kapacitivnim senzorom položaja merne grede visoke tačnosti, sledećih tehničkih karakteristika:
Karakteristika
Merni opseg
Kapacitet merene posude
Frekvencija uzorkovanja mernog signala
Kombinovana tačnost merenja
Opseg
0 – 150 kg/h
1800 g
10 Hz
0.12 %
Sistem za kondicioniranje goriva AVL 753C
Za kondicioniranje temperature goriva tokom ispitivanja motora, koristi se sistem za kondicioniranje AVL 753C. Tekničke katakteristike kondicionera su:
Karakteristika
Regulisani opseg temperatura
Toplotni fluks hlađenja goriva
Tačnost regulisanja
Opseg
10 – 80 °C
1.6 kW
0.02 °C
Sistem za kontinualno merenje potrošnje goriva AVL 733S (gornji uređaj) i kondicioner temperature goriva AVL 753C (donji uređaj).
Sistem za merenje potrošnje goriva FCMS-3000
Sistem za merenje potrošnje goriva FCMS-3000 rezultat je dugogodišnjeg sopstvenog razvoja i iskustva u merenjima stacionarnog i dinamičkog tipa. Uređaj je razvijen 2007. godine, a zatim i poboljšan 2010. i 2012. godine kako bi se povećala tačnost merenja u dinamičkim uslovima. Namenjen je laboratorijskim merenjima masenog protoka tečnog goriva u stacionarnim i dinamičkim uslovima. Merenje je zasnovano na osnovnim fizičkim principima merenja hidrostatičkog pritiska visoke tačnosti. Korekcija za uticaj temperature goriva nije potrebna, čime se visoka tačnost obezbeđuje i u slučajevima kada se merenja sprovode bez dopunskog laboratorijskog sistema za kondicioniranje goriva.
Šema sistema za merenje potrošnje goriva FCMS-3000.
Tehničke karakteristike sistema za merenje potrošnje goriva FCMS-3000
Karakteristika
Kapacitet merne posude
Kapacitet merene posude (opcioni)
Opseg protoka goriva
Kombinovana tačnost merenja
Merna nesigurnost
Opseg
3000 g
300 g, 600 g, 1200 g
do 120 kg/h
0.1 %
0.02 g
Sistemi za merenje protoka vazduha
Za merenje protoka vazduha koriste se laboratorijski maseni protokomeri na principu senzora sa zagrejanim filmom. Laboratorija raspolaže sa ukupno 4 uređaja različitog opsega (10-350 kg/h), kao i posebno razvijenim masenim protokomerom kapaciteta do 1100 kg/h (princip merenja parcijalnog protoka). Takođe, za merenje zapreminskog protoka koristi se i viskozni protokomer na principu Alcock (Cussons P7205/103) mernog opsega 100 l/s. Za kalibraciju senzora protoka koristi se laboratorijska instalacija za merenje protočnih karakteristika izrađena prema standardu ISO 5167.
Sistemi za merenje toksične emisije motora
Za uzorkovanje, kondicioniranje i merenje koncentracije toksičnih komponenata u izduvnim gasovima koristi se AVL Combustion Emissions Bench (CEB-II) analizator gasova koji je opremljen sledećim modulima:
- Hemiluminiscentni detektor ECO-PHYSICS CLD 700 REht za merenje koncentracija NO i NOx,
- Plameno-jonizujući detektor ABB Multi-FID 14 EGA za merenje koncentracije nesagorelih ugljovodonika,
- Infracrveni/paramagnetni detektor Rosemount Analytical Instruments MLT 1M IR-IR-PO2 za određivanje koncentracije CO2 (2 detektora od 1 do 20%) i koncentracije O2 (od 2 do 25%),,
- Infracrveni detektor Rosemount Analytical Instruments MLT 1 A IR IR za određivanje koncentracije CO u 2 opsega (od 50 do 2500 ppm i od 0,5 do 10%).
Za određivanje emisije dima koristi se AVL 415S dimomer koji određuje FSN (Filter Smoke Number) ili koncentraciju čestica u mg/m3 na osnovu stepena zaprljanosti filter papira (merenjem reflektivnosti). Merni opseg uređaja je od 0 do 10 FSN (sa rezolucijom od 0,001 FSN) ili od 0 do 32000 mg/m3 (sa rezolucijom od 0,01 mg/m3).
Za tranzijentna merenja koncentracije čestica u produktima sagorevanja motora SUS, koristi se AVL 483 sistem koji je zasnovan na primeni fotoakustičnog efekta. Merni opseg je od 0 do 150 mg/m3 sa rezolucijom od 0,01 mg/m3. Uz pomoć ovog uređaja, moguća je detekcija veoma niskih koncentracija emisije čestica od oko 1 mg/m3.
Za određivanje emisije dima koristi se AVL 415S dimomer koji određuje FSN (Filter Smoke Number) ili koncentraciju čestica u mg/m3 na osnovu stepena zaprljanosti filter papira (merenjem reflektivnosti). Merni opseg uređaja je od 0 do 10 FSN (sa rezolucijom od 0,001 FSN) ili od 0 do 32000 mg/m3 (sa rezolucijom od 0,01 mg/m3).
Za tranzijentna merenja koncentracije čestica u produktima sagorevanja motora SUS, koristi se AVL 483 sistem koji je zasnovan na primeni fotoakustičnog efekta. Merni opseg je od 0 do 150 mg/m3 sa rezolucijom od 0,01 mg/m3. Uz pomoć ovog uređaja, moguća je detekcija veoma niskih koncentracija emisije čestica od oko 1 mg/m3.
Prostor
Katedra za motore raspolaže jedinstvenim prostorom u kome su objedinjene sve laboratorije, nastavna infrastruktura i interna biblioteka.
Ispitivanja motora i pogonskih sistema, koja se sprovode u laboratorijama za istraživanje procesa sagorevanja, ispitivanje goriva, dinamička ispitivanja motora i hibridnih pogonskih sistema smeštene su u posebno opremljenim laboratorijskim salama koje su prilagođene specifičnostima ispitivanja pogonskih sistema u pogledu smeštajnog prostora, kondicioniranja motora i laboratorijske opreme, bezbednosti i sigurnosti opreme i osoblja. Laboratorijski prostor namenjen ovim vrstama istraživanja detaljno je rekonstruisan tokom 2014. i 2015. godine kako bi se obezbedili uslovi za ugradnju i korišćenje najnovije opreme za istraživanje sagorevanja, korišćenje gasnih goriva i instalaciju najnovijih sistema za kondicioniranje motorskih fluida i ambijentalnog vazduha.
Laboratorije namenjene motorskim ispitivanjima (43, 46, 47) raspolažu odvojenim prostorom za smeštaj probnih stolova i posebnim zvučno i požarno izolovanim prostorom za smeštaj osoblja i aktivne merne opreme i opreme za automatizaciju ispitivanja i nadzor. Laboratorije su opremljene sistemom za odvođenje izduvnih gasova i sistemom za ventilaciju, a laboratorijske sale 43 i 46 poseduju nezavisne sisteme za dovod i odvod vazduha sa procesorskom kontrolom.
Zaštita opreme i osoblja
S obzirom na to da se ispitivanje motora sa unutrašnjim sagorevanjem uvek i u svim okolnostima obavlja u uslovima povišenog i visokog rizika od izbijanja požara, laboratorije su opremljene protivpožarnom zaštitnom opremom koja obezbeđuje zaštitu osoblja i eksperimentalne instalacije. Osnovnom rekonstrukcijom obuhvaćena je ugradnja najsavremenije pasivne zaštitne opreme (protivpožarna vrata, oprema za gašenje požara), a za sledeću fazu rekonstrukcije priprema se uvođenje automatskog gašenja i dojave požara. kontrolom.
Pristup laboratoriji
Katedra za motore je prva na Mašinskom fakultetu u Beogradu uspostavila sistem neprekidne celovite kontrole pristupa laboratorijskom prostoru po sistemu 24/7, sa osnovnim motivom da povisi stepen zaštite opreme i osoblja. Laboratorije namenjene istraživanju radnog procesa motora su prve obuhvaćene ovim sistemom, imajući u vidu vrednost instalirane opreme i osetljivost istraživačkih projekata. Međutim, Katedra za motore koristi uspostavljeni sistem kontrole pristupa da partnerima iz industrije obezbedi neophodne uslove za istraživanje na projektima visokog rizika, na ispitivanju prototipova i novih rešenja kod kojih je zaštita i garancija tajnosti eksperimentalnog postupka, tehničkih rešenja i podataka osnovni preduslov.
Laboratorija i studenti
Laboratorija je primarno namenjena složenim fundamentalnim istraživanjima u okviru tekućih projektnih aktivnosti, ali se aktivno koristi i za praktičan rad studenta na završnoj godini Master akademskih studija i Doktorskim studijama u okviru specifičnih poglavlja vezanih za složene fenomene formiranja smeše, strujanja i sagorevanja (Ispitivanje motora, Posebna poglavlja iz oblasti motora SUS).