Контакты
Телефон
+7 (495) 308-90-60
Почта
Адрес
г. Москва, 2-й Кожуховский пр-д, д. 29, к. 2, стр. 16

Стенды испытания двигателей

Стенды испытания двигателей

При испытаниях технических объектов, связанных с вращающимися узлами приходится опираться на термины, для которых в русском языке нет соответствующих определений. Проблема эта не нова. Инновации, к сожалению, идут к нам пока из англоязычной научно-технической среды, и привносят соответствующую терминологию в наш язык обыкновенные переводчики. И если термин "нечистоты" (inpurities), применительно к полупроводникам был довольно быстро исправлен на "примеси", то с расширением файла (file extension) мы маемся уже не один десяток лет. 

    Так что нельзя сказать, что никогда не было и вот опять: Динамометры для измерения механической мощности. Что это такое, вроде бы очень знакомое, но вне закона, вне стандартов. С этим понятием, как и с множеством других из чрезвычайно важной отрасли испытаний, а также кратким введением в методы и средства испытаний двигателей предлагается ознакомиться в ниже следующей статье.

Почему слово "ДИНАМОМЕТР" мы заключаем в кавычки?

Потому что на нашем сайте мы придерживаемся официальной технической терминологии, которая трактует термин динамометр, как устройство для измерения силы, или момента силы, если последняя приложена через рычаг известной длины. А "Динамометры" о которых будет идти речь - это измерители механической мощности (двигателя) на испытательном стенде, содержащие управляемый имитатор нагрузки и датчик угловой скорости от которых эта мощность зависит. Это понятие более узкое и под него подходят все приборы для измерения механической мощности, передаваемой через валы от двигателей/приводов к исполнительным механизмам. Правильно было бы назвать их официально измерителями механической мощности и выпустить соответствующий стандарт. Или дополнить существующие Госты на динамометры, добавив к ним и измерители механической мощности. Тогда от кавычек можно будет оказаться.


Кратко о разновидностях измерителей механической мощности.


Можно выделить из их числа так называемые "brake-динамометры", которые позволяют измерить на испытательном стенде чистую выходную мощность двигателя внутреннего сгорания, не включая в неё потери на трение, на вспомогательное оборудования, например, генератор и пр. Они подразделяются на гидравлические - на основе гидротормозов, вихретоковые и гистерезисные устройства измерения механической мощности двигателей на испытательных стендах и при мониторинге состояния двигателей на основе электромагнитных тормозов. Гидравлические "динамометры" по сути являются гидравлическими насосами, у которых рабочий вал крутится двигателем. Нагрузка на двигатель изменяется при открытии или закрытии клапана, который изменяет давление в гидравлическом насосе. Для управления давлением применяются прецизионные клапаны.


Вихретоковые "динамометры" основаны на легко управляемых электромагнитных имитаторах нагрузки. Двигатель на испытательном стенде вращает диск в пространстве между электромагнитными катушками. Электрический ток проходит через катушки окружающие диск, и индуцирует магнитное сопротивление движению диска, жестко закрепленного на валу. Изменяющийся ток изменяет нагрузку на двигатель. "Динамометр" оказывает сопротивление вращению двигателя. Если он подключен к выходному валу двигателя, он называется двигатель - "динамометром". Если к ведущим колесам автомобиля, его называют шасси -"динамометром". Сила, действующая на корпус "динамометра", уравновешивается механическим сопротивлением опорного элемента с датчиком силы (например, тензодатчиком). Таким образом, измерение момента двигателя на испытательном стенде происходит реактивным способом, для которого характерна наибольшая инерционность. 

При использовании датчиков момента серии TM происходит прямое бесконтактное измерение крутящего момента, но и здесь инерционность проявляет себя.

Особым видом электромагнитных тормозов являются гистерезисные. Принцип их действия основан на том, что при повороте ротора из материала с выраженной широкой петлей гистерезиса относительно электромагнита статора затрачивается энергия на перемагничивание материала (специальной кольцевой втулки) ротора. Материал этой втулки обладает низкой электропроводностью, чтобы не возникали вихревые токи. Чем же они мешают работе работе тормозов? А тем, что нарушают уникальное свойство гистерезисных тормозов - постоянство передаваемого момента. Часто применяемый режим испытаний двигателя на испытательном комплексе - стабилизация момента, требует обычно применения ПИД-регулятора. А при этом тормозном устройстве регулятор не нужен. Что касается мощности тормоза, то он скорее всего будет уступать вихретоковому. Здесь же содержится и ответ на часто задаваемый начинающими испытателями вопрос, почему не используется в качестве управляемого тормоза на стенде электрогенератор. Ведь это бы решило все проблемы с отводом энергии торможения с испытательного стенда и даже снизило затраты электроэнергии. Причина в трудности управления режимами такого тормоза, хотя работы в этом направлении ведутся.

Инфрастуктура испытательного стенда двигателя.

Некоторые компоненты измерителя механической мощности обычно размещаются в устройстве вблизи друг от друга: вал и подшипники, тормозящий механизм со свободно подвешенным корпусом, тензодатчик и импульсный датчик угловой скорости со схемой вихретокового измерителя мощности. Вообще говоря, требуется также инфраструктура для охлаждения тормозящего устройства, которое преобразует энергию торможения в тепло. Задача решается с помощью теплообменника или циркуляцией воды или воздуха, что не указано на схеме. Весь стенд размещается на прочной раме, которая соединяется с рамой испытываемого двигателя. Величина силы (F) снимаемой с тензодатчика может быть преобразована в момент умножением на расстояние от оси вала до опорной точки тензорезисторного моста (для случая реактивного датчика крутящего момента).

T = R x F

Если момент выражен в Нм, а угловая скорость вала в радианах в секунду ,то мощность на валу вычисляется по формуле:

P = T x S

Контроллеры для измерителей мощности.


Для испытаний двигателя на стенде необходим контроллер. Это электронное устройство, обладающее возможностью управлять нагрузкой двигателя, например, с помощью изменения тока подаваемого на катушки электромагнитов, как это имеет место в электромагнитных тормозах. Также он должен уметь вычислить уровень нагрузки (крутящий момент) и угловую скорость вала. Контроллер измерителя мощности обычно работает в двух режимах: управление (стабилизация) скоростью и управление (стабилизация) нагрузкой. В режиме управления скоростью на контроллере устанавливается заданное значение скорости.   Если измеренное значение скорости меньше заданного, нагрузка снижается и на оборот. Если двигатель располагает достаточной мощностью (моментом), можно ожидать, что контроллер стабилизирует таким образом угловую скорость.


 

Схема испытания двигателя с контролем скорости

 
Испытания двигателя на стенде

В режиме стабилизации нагрузки заданное значение нагрузки устанавливается на контроллере (либо как подаваемое из вне управляющее напряжение или установкой на лицевой панели контроллера). Если измеренная нагрузка на двигатель больше, чем заданная, ток на катушки уменьшается. Если измеренная нагрузка меньше заданной, тогда ток на катушки увеличивается. Если двигатель имеет достаточный крутящий момент для достижения заданной нагрузки, то будет поддерживаться постоянная нагрузка при изменяющейся скорости.

Испытания двигателя на стенде на предмет мощности:

Целый ряд различных тестов может быть выполнены с таким простейшим измерителем мощности двигателя. Наиболее распространенным испытанием является получение так называемой кривой мощности двигателя (совместно с кривой крутящего момента двигателя). В этом тесте двигатель работает при полностью открытой дроссельной заслонке (WOT), а "динамометр" работает в режиме стабилизации скорости вращения вала. Задание скорости изначально устанавливают на низком уровне, в несколько раз ниже скорости холостого хода. Скорость двигателя и крутящий момент измеряются "динамометром", и задание скорости затем увеличивается, например, на 500 об/мин, и как только двигатель стабилизируется на новой скорости, новая скорость и крутящий момент измеряются снова. Это повторяется до достижения максимальной желаемой скорости. Чистая мощность (без учета потерь) может быть рассчитана по измеренным данным, получены кривые для крутящего момента и мощности в режиме WOT (открытая заслонка) в зависимости от частоты вращения двигателя.


Мощность и крутящий момент двигателя

Всем известная формула:

P=MxΩ/9549


   показывает, что мощность P (кВт) при постоянном моменте M (Н*м) будет расти с ростом скорости вращения Ω (об/мин). В режиме постоянного момента это будет прямолинейный рост. Но фактически получаются такие кривые, как на графике выше. Причина в том, что момент с ростом оборотов начинает падать, так как ухудшаются процессы сгорания топлива в режимах, далеких от оптимальных. Инженеру тестировщику и конструктору эти графики могут все рассказать о состоянии двигателя.
Обратите внимание: при тестировании двигателя на стенде в режиме WOT нужно быть очень осторожным, так как любая ошибка в тестировании может привести к чрезмерному превышению скорости двигателя, возможной его поломке.
Нужно иметь в виду и еще одну проблему.
Ручное управлением процессом испытаний на стенде увеличивает продолжительность испытаний и количество тепла, выделяемого в тормозном устройстве и в испытываемом двигателе внутреннего сгорания. А значит повышает требования к теплоотводящей инфраструктуре испытательного стенда.

Можно было бы предположить, что переход на более продвинутые контроллеры типа DSP7000 позволит ускорить испытательный цикл и обойтись без охлаждающей системы вообще. Но в действительности ускорить процесс испытаний мешают инерционные явления. Например, инерционность датчика крутящего момента, о чем написано в appendix A руководства DSP7000. Кроме того, ступенчатое изменение параметров требует времени на стабилизацию переходных процессов. На DSP7000 можно легко реализовать на испытательном комплексе линейный режим изменения скорости, (постоянное ускорение) при котором можно сделать поправки на инерционность прямого или реактивного датчика крутящего момента (appendix A DSP7000)
В этом режиме мы получим даже в идеализированном случае отклонение от той зависимости момента от скорости, которая получена вышеописанным ступенчатым процессом испытаний. Это отклонение вызвано постоянным ускорением вращения вала во время испытания. Оно пропорционально ускорению и носит инерционный характер.
Как показывает анализ, достаточно один раз в эксперименте вычислить коэффициент пропорциональности и дальше делать поправки на инерцию при любых ускорениях, существенно ускоряя процесс испытаний на стенде. Это однократное контрольное измерение делается при оптимальном для данного двигателя числе оборотов, когда процессы сгорания топлива и газообмена происходят в наиболее благоприятном режиме. После этого испытательный процесс на стенде проходит в ускоренном режиме линейного во времени повышения скорости. Отклонение кривой мощности от прямой линии при этом дает испытателю исчерпывающую диагностическую информацию о состоянии двигателя, как кардиологу кардиофония или кардиограмма о состоянии сердца.  

Испытания двигателя. Имитация тест-драйва на испытательном стенде.


Для проверки поведения двигателя на испытательном стенде в режиме имитации реального тест-драйва лучше всего использовать режим управления нагрузкой. Понятно, что, частота вращения и нагрузка двигателя при этом будут меняться во времени, поэтому контроллер должен быть программируемым или иметь функцию управления нагрузкой по сигналу напряжения, передаваемому на него от программируемого источника напряжения (то есть ЦАП). Обычно оператор получает «график скорости» (то есть скорость в зависимости от времени) в процессе теста и может видеть фактическую скорость двигателя. Его задача - поддерживать двигатель как можно ближе к рабочей (программной) скорости, насколько это возможно, в ходе испытаний с помощью обычной дроссельной заслонки. Эта задача может быть альтернативно более качественно выполнена если применить на испытательном стенде программируемый со входом по скорости контроллер дроссельной заслонки (аналогичный контроллеру динамометра) и с выходом на электрически управляемый привод дроссельной заслонки.

Пример испытания двигателя внутреннего сгорания на испытательном стенде

 

Чтобы проверить двигатель мотоцикла под нагрузкой и измерить его выходную мощность, он был подключен к измерителю мощности на испытательном стенде через приводной вал зубчатого колеса трансмиссии . Для контроля и измерения мощности двигателя использовался вихретоковый имитатор нагрузки. Измеритель мощности, являющийся основой испытательного стенда проверки мотоциклетного двигателя, состоит из приводного вала, вращающего диск с 60 зубцами/метками, и индукционный диск, как схематически показано на рисунке. Индукционный диск вращается внутри корпуса, который содержит электромагнитные катушки. Корпус свободно поворачивается вокруг вала. Повороту корпуса препятствует тензодатчик, соединенный с рамой двигателя. 

 Схема расположения на испытательном стенде двигателя мотоцикла и измерителя мощности с вихретоковой нагрузкой. 

Ток, протекающий в катушках, вызывает силы сопротивления в индукционном диске, препятствующие вращению приводного вала. Реактивный крутящий момент, создаваемый в корпусе, измеряется тензодатчиком и записывается. Измеритель мощности получает сигнал с датчика скорости двигателя, и сравнивает его с заданным значением скорости, которое устанавливается с помощью лицевой панели контроллера динамометра или подачей внешнего напряжения. Если скорость вала больше, чем заданное значение скорости, ток в катушках увеличивается, увеличивая тем самым торможение на приводном валу и замедляя двигатель. Если скорость ниже скорости задатчика, ток в катушках уменьшается. В близи заданного значения контроллер выдает управляющий сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для катушек. Это позволяет контроллеру изменять нагрузку на двигатель, чтобы поддерживать заданную частоту вращения вала. Измеритель мощности с вихретоковой нагрузкой,  рассчитан на 30 кВт и управляется простейшим контроллером.

Во время измерения мощности необходимо обеспечить достаточное количество охлаждающего воздуха для двигателя, чтобы избежать перегрева. Это было достигнуто большим вентилятором и раструбом, который обеспечивал поток воздуха над двигателем со скоростью примерно 40 км/час. Температура капота постоянно контролировалась с помощью термопары, чтобы убедиться, что он не перегрелся.

Тормозному устройству также требовалось охлаждения для рассеивания тепла, вырабатываемого индукционным диском и катушками. Это было обеспечено циркуляцией воды через корпус измерителя мощности через специальные  трубки. Контроллер измерителя мощности может варьировать нагрузку на двигатель и измерять скорость и крутящий момент приводного вала. Обычно двигатель работал при заданной установке угла заслонки дросселя, и контроллер поддерживал постоянную скорость вала. Все измеренные данные были взяты с вала главной передачи трансмиссии. Эти числа могут быть преобразованы обратно в фактические характеристики двигателя путем деления крутящего момент на передаточное число и умножения скорости на передаточное число. Заметим, что здесь не учитывается эффективность трансмиссии, которая для типичного мотоцикла составляет около 90%. Все количественные данные о мощности и крутящем моменте, представленные здесь, являются необработанными числами, не скорректированными на потери в трансмиссии. Кривые мощность и крутящий момент от скорости вращения
График мощности и крутящего момента, создаваемого двигателем, показан на рисунке. На этом графике показаны результаты нескольких различных тестов, выполненных на второй, третьей и четвертой передаче. Пиковая мощность составляет чуть более 5 кВт при 6000 об / мин, а максимальный крутящий момент составляет примерно 9 Нм при 4200 об / мин. Разброс результатов, полученных в разное время составляет порядка +/- 5% для мощности и крутящего момента для всех протестированных комбинаций.


Более детальную информацию об испытаниях, стендах, испытательном оборудовании можно найти здесь.