Doporučujeme, Fokus

Reportáž: zkušebna motorů a převodovek ČVUT

7 března 2018   Galerie

Dynamometry, akcelerometry, válcová brzda, laboratoře na zkoušky motorů či emisí. České vysoké učení technické má kousek za Prahou malý svět motorů a převodovek. Fascinující svět.

Strojní fakulta pražského ČVUT si v Roztokách před pár lety zřídila nové „detašované pracoviště“. Byli jsme se tam podívat. Unikátní budovou nabitou nevšedním a velice zajímavým vybavením nás provázel Vojtěch Klír, který má laboratoře v rámci Centra vozidel udržitelné mobility na starost.

Přečtěte si prvnídruhý díl obsáhlého rozhovoru s velkou postavou Strojní fakulty ČVUT, jejím bývalým děkanem a předním českým odborníkem na pohony Janem Mackem o tom, jestli spalovací motory vymírají, o budoucnosti elektromobilů nebo o sdílené mobilitě.

Toto centrum je přímo součástí Strojní fakulty, jde vlastně o jeden z jejích ústavů, dříve kateder. „Chtěli jsme vytvořit specializované pracoviště, které se zaměří na jednu oblast – automobily –, seskupí odborníky a vytvoří i platformu pro spolupráci s dalšími fakultami ČVUT (v našem případě elektrotechnickou)  a dalšími vysokými školami. V centru se totiž vedle spalovacích motorů zabýváme i elektrickými pohony. Vedle akademické práce se zde věnujeme i výzkumu a vývoji komerčnímu – spolupracujeme s mnoha partnery z automobilového průmyslu,“ představuje své pracoviště Klír.

Dům v domě

Na počátku cesty fakulty do Roztok stála potřeba modernizovat laboratoře. Ty původní pocházely z padesátých let minulého století a už jednoduše nestačily. „Vývoj jde neskutečně rychle vpřed, mění se trendy a my si nemůžeme dovolit být pozadu. Ve spolupráci s developerem a díky operačním programům Evropské unie se nám podařilo domluvit výstavbu objektu, který by zahrnoval nejen laboratoře, ale i příslušné kanceláře a zázemí – neprobíhají tu práce pouze laboratorní, ale i ty simulační. Stavbu financoval developer, my jsme se postarali o zajištění veškerého vybavení,“ popisuje Klír.

Celý tým se před více než sedmi lety návrhu domu věnoval opravdu hodně, objížděl i jiné evropské laboratoře s cílem poučit se a dospět k řešení, které bude co nejšetrnější ke svému okolí. „Mnohá podobná pracoviště často narážela na nevoli lidí v sousedství – je nasnadě, že místo, kde se testují motory, bude zdrojem hluku a vibrací. A my jsme se svými sousedy chtěli vycházet dobře, navíc ani pracovní pohoda v kancelářích, když se vám třese stůl, není ideální,“ usmívá se mladý inženýr.

Postavit ohleduplný dům s laboratořemi není jen tak. Specifická je vzduchotechnika, jsou nutné rozvody chladicích kapalin o různých teplotách, mají tu i emisní laboratoře – a samozřejmě velkou otázkou jsou vibrace. Projektanti přišli s celkem jedinečným řešením. „Říkáme mu dům v domě. Ta část, kde jsou zkušebny motorů, je zcela oddělena od zbytku budovy, a to včetně základů. Mezi laboratorní a ,kancelářskou částí je mezera, spára, která zajišťuje, že přenos vibrací je minimální. Každá zkušebna má navíc samostatnou, vzduchově odpruženou a velice těžkou základovou desku, která opět slouží jako tlumič vibrací,“ upřesňuje Klír.

Budova je vyřešena jako energeticky nenáročná, má pět vlastních tepelných čerpadel, využívá dešťovou vodu coby užitkovou, v případě výpadku dodávky elektřiny má vlastní dieselový agregát. V laboratořích se neustále monitoruje prostředí a dům je schopen okamžitě detekovat únik paliva nebo nedostatečné odvětrávání. V neposlední řadě je v areálu infrastruktura zásobování palivy – mají zde vlastní čerpací stanici pohonných hmot.

Pracoviště, které je v rámci Česka poměrně unikátní, je v ostrém provozu od počátku roku 2013.

Pojďme si teď projít jednotlivé laboratoře a říct si o nich trochu víc.

Motory (nejenom spalovací), kam se podíváš

Začneme stanovišti pro zkoušky motorů (motorové zkušebny), kterých je v budově pět. „Abychom tyto laboratoře vůbec byli schopni postavit, rozhodli jsme se opustit vizi velkých výkonů a soustředit se na slabší motory. Jsme tedy schopni pracovat s agregáty do výkonu 400 kW, to jsou řekněme menší nákladní automobily.

Laboratoře jsou uzpůsobeny tak, aby umožňovaly komplexní zkoumání hnacího ústrojí vozidla: od spotřeby paliva přes emise po výkon. V několika laboratořích je možné při zkoušení elektromotorů využít simulátor baterií. Ten je schopen simulovat chování různých typů baterií do výkonu 100 kW,“ popisuje Klír.

Jak jsme zmínili, do laboratoří je rozvedeno palivo – lze přivést až pět typů standardních kapalných paliv, přičemž pro benzin a naftu je tu ona popisovaná čerpací stanice. Méně konvenční paliva se skladují uvnitř budovy. Do každé motorové zkušebny je také přiveden stlačený zemní plyn (CNG).

„Aby to bylo ještě komplexnější, máme tu zařízení zvané směšovací stanice, které nám umožňuje měnit složení základního zemního plynu a popisovat podle toho změny chování motoru,“ říká Klír.

Nedílnou součástí aktivit je snaha dozvědět se podrobnější informace o různých veličinách. „Proto používáme systém, jemuž říkáme akviziční. Nedílnou součástí je pak část umožňující řízení zkoušek. Ve většině případů se jedná se o velký softwarový balík od firmy AVL  s příznačným názvem PumaOpen. Ten tedy jednak sbírá data, ale celé stanoviště i řídí. Jeho výhodou je, že stálá obsluha je schopná stanoviště naprogramovat a zkoušky dopředu připravit tak, že může fungovat automaticky. Testy pak probíhají  zčásti bez ,přímého dozoru.

Laboratoře hlídají bezpečnostní systémy, které odhalí úniky paliva, netěsnosti nebo přítomnost kouře. Vše je napojeno na hasicí systém, který používá směs argonu a dusíku – oproti jiným hasicím médiím při případné nehodě dojde k minimálním škodám. Hodnota vzorků či prototypů, které zkoušíme, je v mnohých případech skutečně nevyčíslitelná,“ líčí náš průvodce.

Tato pracoviště dokážou měřit rovněž spotřebu paliva. „Máme jednak pevné spotřeboměry, které jsou součástí zkušebny, tak i mobilní verze, které se používají, když vozidlo opustí laboratoř,“ doplňuje.

Jedna zajímavost: při práci motorů samozřejmě vzniká energie, kterou Vojtěch Klír a jeho kolegové záměrně maří, protože je zajímají vlastnosti pohonného ústrojí. Místní dynamometry jsou ovšem natolik vyspělé, že tuto energii dokážou rekuperovat – část elektřiny, kterou dům spotřebuje, během testů vracejí zpět.

Na fotografiích z jedné z těchto zkušeben vidíte poměrně unikátní stroj. Jedná se o experimentální jednoválcový motor. „Je to taková hračka pro nás velké kluky. Umožňuje provádět prvotní výzkum ve zmenšeném měřítku – pro některé úkoly je totiž zbytečné provozovat několik dalších válců navíc. Tento jednoválec využíváme například k výzkumu nekonvenčních způsobů spalování. Motor má separátní mazací a chladicí okruh, který umožňuje velice přesně řídit teplotu oleje i chladicí kapaliny, čímž pádem jsme schopni popsat některé jevy, které bychom na standardním agregátu popisovali stěží,“ popisuje Klír.

S tím souvisí i provádění vysokotlaké indikace, což zjednodušeně znamená vytvoření si představy o tom, jaký je průběh tlaku ve válci v jednotlivých fázích jeho činnosti. „To nám umožňuje se například v souvislosti s návrhem nového typu vstřikovače a podobně podívat, jak celý systém funguje. Také jde o minimalizaci případných škod – zničit jednoválec je přirozeně levnější,“ směje se a dodává, že tento motor umožňuje řešit třeba i úlohy související s pasivními odpory, nebo se zabývat celkovou účinností spalovacích motorů.

Auta na válci

Největší místní laboratoří je emisní pracoviště s válcovou brzdou. Umožňuje testovat vozy s náhonem na obě nápravy. „To je podstatné nikoli proto, že by snad většina dnešních aut byly čtyřkolky, nýbrž v souvislosti s moderními asistenčními systémy. Auto na klasické jednoválcové brzdě totiž často v laboratorních podmínkách odmítá jet, protože mu přijde podezřelé, že přední kola se točí, ovšem ta zadní ne. To je v reálném provozu typický příklad špatné adheze a asistenční systémy mají tendenci zasahovat. Proto se na nepoháněné nápravě emuluje rychlost jízdy podle hnaných kol,“ popisuje Klír.

Na tomto stanovišti se simuluje reálná jízda. Lze si to představit tak, že zařízení umožňuje vytvořit si rovnou silnici, na níž s autem jezdíte a provádíte na něm všelijaké jízdní testy. Samozřejmě převažují zkoušky takzvané podélné dynamiky jízdy.

Zkušební řidič tedy sedí v kabině a má nadefinován jízdní cyklus, který musí projet. Typicky jde o nějaký průběh rychlosti v čase, mnohdy s předepsaným zařazeným rychlostním stupněm.

Druhou funkcí této laboratoře je měření a analýza spalin, které auto na válcové brzdě v onom jízdním cyklu vyprodukuje. Všechny spaliny se přivádějí do takzvaného ředicího tunelu, v daném poměru se smíchají dohromady a na příslušných odběrných místech se dostávají k analyzátorům. Výsledkem je představa o tom, jak se vozidlo chová z hlediska emisí – a z jejich jednotlivých složek lze pak stanovit i spotřebu paliva.

Brzda to není nijak výkonná, její celkový výkon je asi 300 kW. „Možná to spousta lidí ani netuší, ale výkon, který potřebujete k jízdě po rovině ustálenou rychlostí, je velice nízký; jedná se o jednotky až několik málo desítek kilowattů. Zbytek výkonu jde na akceleraci. Proto tedy brzda nemusí umět měřit nějaké extrémní výkony: jízdní cykly jsou vystavěné tak, aby popisovaly chování vozu v typických jízdních režimech, nikoliv v okamžiku, kdy je potřeba maximální výkon,“ popisuje Vojtěch Klír.

Zajímavostí této brzdy je i speciální adaptér, díky němuž na ní lze zkoušet i motocykly. Přední kolo stroje se upevní a k testům se pak samozřejmě používá pouze jeden z válců. „Dokonce jsme tu jednou měřili takovou malou motorovou koloběžku o výkonu jen několika málo kilowattů. Překvapilo nás, jak dobrou opakovatelnost měření brzda má,“ směje se Klír.

Převody, převody

Nedílnou součástí hnacího ústrojí jsou převodovky. Těm se tu rovněž věnují. Jde o důležité téma z pohledu celkové účinnosti celého pohonu. Neméně podstatné jsou samozřejmě i vibrace či hlučnost.

„Další z našich zkušeben je tedy přímo uzpůsobena k simulacím jízdy automobilu, ovšem pouze z pohledu převodovky. Je tam jeden točivý stroj, který simuluje motor – jedná se zase o dynamometr, ale můžeme si představit, že jde o elektromotor či spalovací motor, který přenáší mechanickou energii pomocí řemenového převodu přímo na vstup do převodovky. Na výstupní straně pak jsou dva dynamometry, které podobně jako válce na válcové brzdě simulují jízdní odpory,“ vysvětluje.

Důležité při těchto testech je rovněž umět ovládat řazení. Laboratoř je proto vybavena i robotem, který dokáže ovládat jak spojku, tak měnit jednotlivé rychlostní stupně.

Laboratoř byla koncipována pro příčnou zástavbu, nicméně soustrojí tří dynamometrů je umístěno na posuvných ložích na základové desce, takže celý systém lze přestavět tak, aby se na něm daly zkoušet i konfigurace s podélně umístěným motorem.

Jaké jsou nejčastější úlohy, které tady zpracovávají? „Jedná se o hodnocení správného chování jednotlivých soukolí. Pro samotné měření se používají akcelerometry, snímače teploty a tak dále. Na základě analýzy ve frekvenční doméně dokážeme posoudit, zda na některém ozubení nebo soukolí nedochází k problémům, poškození zubu a podobně,“ líčí Klír.

V Roztokách mají ještě jednu podobnou laboratoř, v níž se chystají zkoušet planetové převody používané v hybridních vozidlech. Toto stanoviště se teprve staví a připravuje.

Třetí a poslední „převodovková“ laboratoř je takzvaný uzavřený stav (oproti otevřenému stavu oněch tří dynamometrů), který se používá zejména pro životnostní zkoušky. „Zde jde o princip vnesení předpětí, čímž vznikne zátěžový moment a výkon pak cirkuluje uvnitř okruhu nebo obvodu dvou převodovek,“ dodává. (Více viz popisek u příslušné fotografie.)

Jak vypadá vstřikování

V této místnosti se nachází sofistikované zařízení umožňující popisovat chování vstřikovací soustavy. V základním uspořádání jde o soustavu vznětového motoru. „Výhodou je, že umožňuje zaznamenání a popsání průběhu vystříknutí paliva do prostoru – v reálu by šlo o spalovací prostor, zde se jedná o jakousi přetlakovou komoru či komoru s protitlakem – v závislosti na času. Kvůli bezpečnosti nepoužíváme naftu, ale zkušební kapalinu s velice podobnými termofyzikálními vlastnostmi. Celý proces je studený, nic nehoří, zajímá nás pouze celý proces výstřiku. Dokážeme velmi přesně změřit průtok paliva jak v hlavní větvi, tak ve větvi vratné. Umíme rovněž stejně jako ve skutečnosti řídit tlak v zásobníku neboli v sestavě common-rail. Na tomto zařízení také ověřujeme správnou funkci u prototypových vstřikovačů – což jsou dnes velice malé, přesné a propracované díly –, ještě než je nasadíme například na jednoválcový motor, na němž pak vývojové práce pokračují již s popisem samotného spalování,“ říká Klír.

Celkové dokreslení pak umožňuje druhá část této stolice, jíž je vizualizační komora. Pomocí kamer z dvou různých úhlů pohledu se hodnotí délky paprsků – ty musejí být dostatečně krátké, aby palivo nedostříklo na píst nebo stěnu válce, což by vedlo k postupné destrukci motoru –, ale také množství paliva v jednotlivých paprscích.

„Tento nástroj má pro nás ještě jednu přidanou hodnotu. Jelikož se zabýváme také simulacemi, můžeme zde přímo v praxi ověřit, že naše matematické modely jsou přesné,“ uzavírá prohlídku tohoto velezajímavého pracoviště náš průvodce.

Projděte si celou fotogalerii:

, , ,



Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Anti SPAM *

Buďme v kontaktu

Sledujte VVAutomotive na síti LinkedIn a na Facebooku – buďte v kontaktu s profesionály z oboru. Odebírejte aktuální informace a rozšiřte komunitu odborníků.