Методы испытаний двигателей внутреннего сгорания и определения их основных эксплуатационных свойств

При создании двигателей внутреннего сгорания возникают многочисленные вопросы определения их эксплуатационных свойств, доводок, улучшений и пр., которые получаются в результате их стендовых испытаний. В связи с этим можно провести обзор и выделить основные из них, которые определяют основные уровни показателей или их эксплуатационные свойства.

Если рассматривать этот вопрос с точки зрения новой трактовки этого термина эксплуатационные свойства двигателей внутреннего сгорания вместо широкоприменяемого «показатели», то можно сделать пояснение на примере вообще автомобильного транспортного средства, для которого последний вообще не применяется - поэтому можно говорить об обьединении основной группы эксплуатационных показа- телей(свойств) автомобиля и его двигателя. Таким образом речь идет о выделении основных из них из вообще известных.

К основным эксплуатационным свойствам двигателей необходимо сразу отнести следующие: Ne - эффективная мощность (Ni - индикаторная, характеризует лишь качество термического процесса, поэтому является второстепенной), Me - эффективный крутящий момент, Gt и ge - часовой и удельный эффективный расход топлива, степень сжатия, пе- частота вращения (минимальная и максимальная), ре- среднее эффективное давление в цилиндре (однако он требуется лишь опытному специалисту, как и данные о термическом и механическом кпд, поэтому является лишь второстепенным и следовательно в таблицу основных эксплуатационных свойств войти не может). Это и есть основные эксплуатационные показатели двигателей внутреннего сгорания, к которым остается добавить лишь показатели характеризующие вредные выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами.

Если говорить вообще о качестве таких показателей :то можно сперва обратить внимание на существо кругового процесса сгорания и его основные типы, которые дают общие представления в данных вопросах, но никак не могут использоваться для оценки двигателей вообще, не обладая никакими количествеными свойствами и поэтому в дальнейшем не рассматриваются.

ездовые циклы дл

Рис.Т,9.Испытательные ездовые циклы дл:

Данные выделенные показатели двигателей определяются методами стендовых испытаний. Испытательные стенды для двигателей бывают следующих основных титов: гидравлические, электрические, индуктивные. Моторные стенды можно также классифицировать другим образом:

  • - стенды тормозные (располагаются в боксах, имеют неходи- мую аппаратуру и управление),
  • - климатические установки,
  • - стенды для определения вредных выбросов, шума и пр. (включая камеры),
  • - тормозные роликовые стенды для определения диагностических эксплуатационных показателей (или их отклонений).

Помещениями для испытаний являются лаборатории, боксы, камеры и другие передвижные установки.

Тормозное устройство является принципиально-важным элементом при испытании двигателя и должно поглощать всю эффективную мощность:для определения эффективного крутящего момента и соответствующей частоты вращения оно должно иметь балансирное устройство с соответствующей подвеской и весовой головкой или электронно-цифровыми измерительными приборами.

Частота вращения при этом должна измеряться аналоговым или электронным тахометром. Требования при испытаниях в данном случае заключаются в том, что тормозной момент стенда должен быть для каждой величины частоты вращения постоянной и стабильной величиной, сохронять устойчивую частоту вращения при измении нагрузки и обеспечивать плавные переходы на другие режимы, а кроме того должен обеспечивать возможность принудительного вращения двигателя.

Гидравлические тормоза - проще и используются в случаях, когда не требуется принудительного вращения коленчатого вала двигателя. В них используется работа гидродинамического трения жидкости на роторе тормоза: они бывают лопастные и шторковые. Корпус внутри статора соединяется с рычажным динамометром, на котором производится измерение крутящего момента.

Электрические тормоза- это электрические машины, которые могут работать как генератор (при торможении электроэнергия вырабатывается прямо в сеть) и как электродвигатель (принудительное вращение коленчатого вала двигателя). Для определения тормозного момента применяется реверсивная рычажная подвеска. При испытаниях двигателя применяются электрические тормоза постоянного тока- балансирные динамомашины, которые регулируются током возбужде- ния(преимущества: стабильность работы, точность измерений).

Индукторные тормоза - наиболее широкораспространенные (компактность, долговечность, простота обслуживания). Регулировка производится изменением силы тока возбуждения (недостаток- невозможность принудительного вращения коленвала двигателя, кроме современных комбинированных схем, а также рекуперации поглощаемой тормозом энергии).

Тип и мощность тормоза должны подбираться по соответствию основному рабочему диапазону двигателя.

Кроме того, обязательное условие для данной системы двигатель-тормоз: ее устойчивочть. Восстанавливающие устойчивость работы моменты наибольшие у гидравлического тормоза, несколько меньше - у электрического и наименьшие - у индукторного типа (для них применяется система регулирования скоростного режима).

Двигатель с тормозом соединяется с помощью муфт или одного- двух карданных валов. В случае необходимости рекомендуется установка также и коробки передач. Дополнительным оборудованием таких стендов является: система выпуска и глушения в виде емкостей, глушителей и трубопроводов, станина крепления, стойки для оборудования, система питания, подвод воды или масла для гидравлического тормоза, система охлаждения, пульт управления (двух типов: автоматизированный или неавтоматизированный).

Измерительная аппаратура стендов зависит от вида испытаний и позволяет определять:

  • - крутящий момент двигателя, Нм
  • - частоту вращения коленчатого вала двигателя, об/м и суммарное число оборотов за время испытаний - расход топлива в кг/ч
  • - температуру окружающего воздуха, воды системы охлаждения, масла в картере, отработавших газов на выходе из выпускного трубопровода
  • - давление или разряжение, Па или мм рт. ст. (окружающего воздуха, масла в магистрали, топлива после топливного насоса, горючей смеси во впускном трубопроводе)
  • - угол опережения зажигания, угол поворота коленчатого вала или вала топливного насоса дизеля
  • - расход воздуха, кг/ч
  • - влажность окружающего воздуха (абсолютную и относительную, %)
  • - для испытаний детонационных, токсичности, вибрации стенд оборудуют дополнительной специальной аппаратурой.

Стандартная аппаратура для определения различных параметров может представлять собой следующие варианты:

для определения крутящего момента:

  • - динамометрическую муфту,
  • - индуктивный датчик момента вращения,
  • - тензомост,
  • - балансирное измерительное устройство;

для определения частоты и скорости вращения:

  • - тахогенераторы,
  • - цифровые и импульсные датчики (современная аппаратура компьютерного типа).

Измерение и регистрация мощности:

  • - косвенный способ по значениям крутящего момента и угловой скорости вращения,
  • - прямой - с помощью магнитоиндукционного тахогенератора (или, например, с помощью шлейфа осциллографа с двумя рамками или мультиплексной картой для персональных компьютеров);

Измерение расхода топлива:

  • - обьемный одно-двухколбовый топливомер,
  • - топливомер с вращающимся ротором и обмоткой возбуждения,
  • - поршневой топливомер,
  • - топливомер с электронно-управляемыми клапанами; для измерения угла опережения зажигания:
  • - с помощью стробоскопа и искрового зажигания специальными электронными устройствами высокой точности (а также дистанционным наблюдением) и автоматизированной записью);

Для измерения температуры рабочих тел:

  • - для температуры воды, масла, топлива и окружающего воздуха используют ртутные и спиртовые термометры, термометры манометрического типа, термосопротивления (диапазон 40-120 гр. С и медленная регистрация параметров),
  • - для температуры газов в цилиндре двигателя (измерение с большой скоростью и больших пределах до 2500 гр. С) - эти мгновенные изменения при сгорании измеряют оптическими приборами, а среднюю температуру в камере сгорания измеряют термопарой с гальванометрами, при помощи гальванических пар (например никель- хромконстантовых), при помощи термокрасок или термокрасов на компьютерных изображениях (теплографиеский способ с помощью компьютерного томографа в инфракрасном спектре обладает широкими возможностями даже для определения температуры сгорания);

Для проверки конструктивных параметров:

  • - с двигателя снимают головку цилиндра измеряют диаметр и ход поршня с помощью, например, точного штангенциркуля или штан- генглубиномера, а степень сжатия можно определить простым способом по обьему залитого в камеру сгорания масла;
  • - работу системы зажигания определяют специальными диагностическими устройствами;
  • - работу карбюратора - на специальной безмоторновакуумной установке или топливомерами.

При испытаниях нового двигателя, прошедшего необходимую обкатку определяются конкретные технические параметры а также характеристики. Рабочие показатели двигателей (то есть эффективные) измеряют как уже указано на тормозном стенде при полной подаче топлив, частичных нагрузках и в режиме холостого хода.

Изменение показателей двигателей в зависимости от его частоты вращения называют скоростными, а в зависимости от нагрузки - нагрузочными. Так получается комплекс испытательных диаграмм, включая индикаторные. Мощность снимаемая с коленчатого вала укомплектованного двигателя всеми обслуживающими его агрегатами в нормальных условиях является мощностью «нетто», а при работе без них - «брутто». Кроме того завод изготовитель должен гарантировать при номинальной частоте вращения номинальные (максимальные) значения. Виды остальных получаемых характеристик представляют собой следующее:

  • - скоростные характеристики получают при полной подаче топлива (крайнее положение педали для искровых двигателей и полной подаче - для дизелей) с учетом включенных регуляторов- ограничителей частоты вращения;
  • - характеристика холостого хода - скоростная характеристика, определенная при таких положениях дросселя, когда вся индикаторная мощность двигателя затрачивается на преодоление сил внутреннего трения (при испытаниях коленвал должен быть отсоединен от тормоза); характеристика холостого хода токже строиться в диапазоне начиная с минимальной частоты вращения двигателя, а ее варьирование достигается с помощью упорного винта дроссельной заслонки(при этом измеряется частота вращения, часовой расход топлива, величина разряжения во впускном трубопроводе);
  • - характеристика принудительного холостого хода определяется при работе двигателя на режиме принудительного холостого хода, то есть при положении дросселя, соответствующего минимальной частоте на холостом ходу и принудительном вращении коленчатого вала с большой частотой от ведущих колес(то при инверсировании крутящего момента от тормоза): частота вращения таким образом постепенно повышается до величины 0,8 номинальной;
  • - скоростная характеристика условной мощности механических потерь получается несколькими способами:
    • 1) принудительное вращение коленвала от электродвигателя без подачи топлива с открытым дросселем и выключенным зажиганием в диапазоне от минимальной частоты до величины 0,9 номинальной (или максимальной), при этом записываются показания динамометра тормоза и так определяется условное среднее давление механических потерь, по величине которого находят условную мощность механических потерь,
    • 2) выключение отдельных цилиндров у работающего двигателя при полном дросселе (разность между значениями мощности всех цилиндров и с отключенными представляет собой индикаторную мощность данного цилиндра, а зная эффективную - можно по их разности определить условную мощность механических потерь, которая затрачивается на преодоление трения, при этом одновременно оцени-, вает- ся равномерность работы цилиндров;
  • - нагрузочные характеристики:с их помощью определяют работу двигателя на частичных характеристиках;

они могут представлять собой полученные при постоянных величинах частоты вращения и различных углах открытия дросселя, частичные скоростные характеристики, нагрузочные скоростные характеристики, позволяющие оценивать работу двигателя при одновременном изменении положения дросселя и частоты коленвала (это же эксплуатационные характеристики, имеющие законы переключения).

Остальные параметры, определяемые при испытаниях двигателей определяют его надежность и долговечность.

Предельными показателями две называют оптимальные показатели, которые исключают влияние несовершенства регулировок приборов питания, зажигания и другихюни получаются при изменении одного параметра (например, состав горючей смеси или угол опережения зажигания).

Построенные по этим параметрам регулировочные характеристики позволяют выделить оптимумы, поэтому называются еще характеристиками оптимального регулирования.

К этой группе второстепенных эксплуатационных показателей относятся:

- регулировочные характеристики по составу смеси, которые представляют собой изменение мощности и эффективного расхода топлива при различных составах горючей смеси при других постоянных показателях.

Для изменения состава горючей смеси в широких пределах все дозирующие системы перекрывают, а отверстие главного топливного жиклера значительно увеличивают и перекрывают иглой переменного сечения, которая позволяет изменять диаметр проходного сечения жиклера (для многокамерного же карбюратора количество и состав горючей смеси регулируют изменением давления воздуха над уровнем топлива) и получают их зависимости;

- регулировочные характеристики по углу опережения зажигания показывают изменение эффективной мощности и экономичности двигателя при варьируемом угле опережения зажигания, но при других постоянных параметрах. В данном случае отключают центробежный и вакуумный регулятор и предусматривают возможность поворота корпуса распределителя от 10-15 после верхней мертвой точки поршня и до 50-60 - до нее.

Данную характеристику строят при полных и частичных нагрузках;

  • - индицирование двигателяэто испытания, в процессе которых определяется давление в цилиндре и его изменение в зависимости от поворота коленчатого вала (или положения поршня). Изменение и регистрация давления может проводиться индикатором, тензодатчиками, с компьютерных томографов и пр. Кривая индикаторного давления характеризует работу расширения газа в цилиндре). Это изменение давления можно регистрировать не только в цилиндре, но и предкамере, впускном и выпускном трубопроводе. По этим индикаторным диаграммам можно определить среднее индикаторное давление Pi для определения остальных индикаторных показателей двигателей, максимальное давление газов на детали двигателя в цилиндре, жесткость работы двигателя, то есть скорость нарастания давления в процессе сгорания, характер протекания отдельных этапов рабочего процесса для опреления показателей политропы сжатия и расширения и других;
  • - испытания на безотказность проводят для того, что бы определить продолжительность работы двигателелей без вынужденных перерывов с установленными показателями и его ресурс(при приемочных и контрольных испытаниях). В этом случае общая длительность испытаний может продолжаться от 250 до 1000 ч и более, а испытательный цикл имеет ступенчатую нагрузочную диаграмму;
  • - испытания на износостойкость проводятся в виде ускоренных, в процессе которых выявляют абразивную пыль как индикатор и взвешивают ее, а сам двигатель разбирают и микрометрируют с целью определения характерных изношенных деталей;

- детонационные испытания: при работе двигателя на бензине не соответствующем ему возможно нарушение нормального процесса сгорания (детонация), которое приводит к повышенному износу и даже к разрушению основных деталей. В данном случае получают детонационную характеристику, которой является зависимость наименьшего октанового числа топлива, при котором двигатель работает на грани детонации при полном открытии дросселя от частоты вращения или от другого режимного показателя двигателя. При моторных стендовых испытаниях в данном случае имеется возможность переключения работы двигателя на различные эталонные сорта топлив, а при этом определяют регулировочные характеристики по углу опережения зажигания при полной нагрузке для нескольких частот вращения. Таким образом подбирается оптимальная смесь эталонных топлив: фактическим октановым числом топлива называют число определенное по данному моторному методу смеси эталонных топлив, обладающих детонационной стойкостью испытываемого топлива.

Особым видом испытаний является определение величин вредных выбросов с отработавшими газами двигателей. В данном случае опеделение количества углерода, углеводородов и окислов азота выделяемых в атмосферу в отработавших газах автомобилей определяется для двигателя, устанавливаемого также на тормозном стенде, в соответствии с установленной совокупностью нагрузочных испытательных режимов. Второй наиболее широко распространенный диагностический метод на практике - это определение выбросов окиси углерода или сажи (дымности) только для режима холостого хода (для прогретого двигателя). Однако в обоих случаях используются обобщенная методика испытаний и адекватная или похожая аппаратура.

Тормозной стенд в этом случае должен иметь следующие основные устройства и приборы:

  • - устройство для автоматического последовательного выполнения операций заданных режимов;
  • - систему выхлопа, полностью соответствующей конфигурации и противодавлению системе выхлопа, устанавливаемой на автомобиле для данного двигателя;
  • - устройство для непрерывного отбора части отработавших газов для анализа, устройство для автоматического замера расхода топлива;
  • - прибор, позволяющий контроллировать разряжение во впускной трубе двигателя по возможности с непрепывной записью результатов измерений;
  • - прибор, позволяющий контроллировать частоту вращения коленчатого вала двигателя по возможности с непрерывной записью результатов измерения;
  • - приборы для контроля воды и масла;
  • - устройство, позволяющее отключать двигатель от электротормоза;
  • - для слуая определения выбросов на холостом ходу моторный стенд не требуется, а кроме того используется простое устройство типа термозонда в выпускной системе для определения электропроводности отработавших газов, а следовательно таким косвенным способом - и процентное содержание окиси углорода (а при изменении их оптической плотности - сажи).

При стандартных методах анализ отработавших газов выполняется при помощи быстродействующих газоанализаторов непрерывного действия непосредственно в процессе сгорания. Для определения концентрации СО и СН (по n-гексану) должен применяться недисперсный инфракрасный газоанализатор, а для NOx - хемолюминесцентный газоанализатор. Допускается применение пламенно-ионизационного газоанализатора для анализа углеводородов, недисперсионого инфракрасного газоанализатора для анализа окислов азота и недисперсного ультрафиолетового газоанализатора для анализа двуокиси азота. Второй вариант для испытаний на режиме холостого хода: отработавшие газы просасываются через быстродействующий недисперсный инфракрасный газоанализатор непрерывного действия стационарного или портативного типа. Зонд для отбора пробы отработавших газов должен находиться в выпускной системе на расстоянии не менее 300 мм от ее конца. Если углубление зонда невозможно, то на выхлопной трубе необходимо сделать необходимую насадку.

Испытание состоит из 2 циклов прогрева и 2 горячих циклов, состоящих из 9 режимов:циклы вополняются друг за другом непрерывно (общая продолжительность - 20 мин). По окончании проводится соответствующая математическая обработка по необходимой методике. Различается несколько методик испытаний и принципов задействования аппаратуры в этих случаях.

Современные методы определения концентраций вредных компонентов в воздухе или, например, в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания дают наиболее достоверные результаты с использованием физико-химических методов на базе хроматографии, массспектромет- рии, хромато-масс-спектрометрии, спектрофотометрии, полярографии, хемолюминисценции, ионизирующих излучений, рентгеновской флюоресценции и газовой хроматографии (последняя нашла самое широкое распространение конкретно для данных видов анализов). Главные прие- мущества:возможность разделения смеси на отдельные компоненты, но не все из них обладают достаточной селективностью. Большими возможностями обладает также реакционная хроматография.

Испытательный цикл 3Z)S .

Условия цикла управления автомобилем по программе

5D5.

Цикл управления FTP . Характеристика цикла управле»1Я FTP0' _

Испытательный пип с ТО режимами .Япония.

Общий путь - 3,9В км, продолжите льность движения - 310 е^дикп повторяется 6 раз), = 17,7 км/ч.^и*ДОкм/ч,доля работы т халостом- ходу - 26,7?,

Испытательны цикл е IT режимами,Япония

Общий путь - 4,004 км,общее время движедая - 4ЭОс (цикл повторяется 4 раза) ,1?р =30,6км/ч, 69 км/ч, работа ta холостом ходу - 21,7“?.

Калифорнийский испытательный цикл (повторяется 7 s

,Каяифорниаския I'5-фазовый испытательный пики для проверки дизельных двигателей внутоеннего сгорания грузовых автомобилей.

Преимущества газовой хроматографии заключаются также в быстроте анализа (это реализуется в современной аппаратуре для анализа с использованием компьютерной техники). Масс-спектрометрия отличается лишь тем, что требует необходимой достоверности результатов в виду неизвестности в некоторых случаях состава смеси. Масс- спектрометры можно состыковать с газовыми или жидкостными хро- маторафами и поэтому широкое распространение получает хромато- масс-спектрометрия, как вид анализов.

Кроме того, возможны другие виды комбинированных методов на базе этих уже известных. С помощью них можно получить точные данные о выбросах , например, канцерогенных углеводоров ит.п. Так же для интегральной оценки загрязнения атмосферного воздуха существуют и другие методики измерения суммарных концентраций на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором, что дает также экспресс-анализы.

При использовании методов газовой хроматографии основные трудности связана с низкой концентрацией исследуемых загрязнений и необходимостью проведения серии анализов. Второй из детекторов для опреления загрязнения или токсичного компонента кроме пламенноионизационного - это электронно-захватный. Аппаратура для исследований включает в себя уже более короткие колонки (1-2 м), сигнализирующие твердые носители и высокотемпературные жидкие фазы, что позволяет максимально снизить фоновый сигнал и добиться высокой чувствительности:минимально - детектируемое количество веществ в пределах нонограммов для ПИД и пикограммов для ЭЗД.

В качестве поглотительных жидкостей применяют органические растворители или дистилированную воду. Полученный раствор сразу подвергают хроматографическому анализу, или обрабатывают специальным реагентом для получения специфических фаз. Таким образом проводится дальнейшее концентрирования исследуемой смеси растворителями, к которым используемый детектор имеет пониженную чувствительность:дпя ПИД - четыреххлористый углерод, для ЭЗД - толуол и гексан. Простое выпаривание исследуемых фаз применяется редко, так как приводит к потере летучих микропримесей самой поглотительной жидкости. Анализ газов и легких углеводородов же проводится путем непосредственного ввода воздушной пробы в хроматограф, при этом используются либо специальные реагентные колонки, либо спектральный частотный анализ сгоревшей части на детекторе. Высокочувствиетльное определение в воздухе полициклических ароматических углеводородов проводится путем их превращения в нитропроизводные с последующим анализом последних на приборе ЭЗД (чувствительность около 0,005 мг/м3).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >