Уравновешивающий момент в стенде создается постоянной по величине силой Р и переменной по величине плече li, т.е.
Мкi = Р • li, кг•м (Н•м)
Частота вращения коленчатого вала двигателя или ротора балансирной машины необходимые для перерасчета крутящего момента в эффективную мощность измеряют с помощью тахометров.
При этом можно применять как стационарные, так и приставные тахометры. Первые постоянно связаны с коленчатым валом двигателя или валом ротора балансирной машины и при их вращении непрерывно показывают частоту вращения в минуту или в секунду. Частоты вращения указанных валов, обычно одинаковы и, отличаться могут только при наличии между ними редуктора.
Приставные тахометры при измерениях принимаются к торцу вала и показывают частоту вращения его на момент измерений.
При испытании автомобильного двигателя весьма важно контролировать параметры окружающей среды, т.е. давление Р0, температура Т0 и влажность ц0 атмосферного воздуха в помещении лаборатории, так как они оказывают существенное влияние на эффективную мощность и экономичность двигателя. Так, при повышении Р0 и снижении Т0 и ц0 отмечается увеличение количества воздуха поступающего в цилиндры, что способствует росту мощности и экономичности двигателя и наоборот.
Поэтому, согласно стандарту мощность и экономичность автомобильных двигателей принято определять при стандартных или нормальных условиях: Р0 = 760 мм. рт. ст. или 100 кПа; Т0 = 288 К (15°С) и ц0 = 70%. Замеры Ne и ge осуществленные на испытаниях двигателя при атмосферных условиях Р0, Т0 и ц0 отличных от стандартных необходимо приводить к установленным значениям путем их перерасчета.
В связи с этим, в лаборатории предусмотрены приборы 3, 4 и 5 для контроля Р0, Т0 и ц0, в качестве которых используются:
- спаренные термометры для измерения температуры сухого и влажного воздуха, разность показаний которых позволяет по таблице определить относительную влажность воздуха ц0;
- пружинные барометры - анероиды типа МД - 49 - 2 с ценой деления 1 мм. рт. ст., которые позволяют определить Р0 в пределах от 600 мм. рт. ст. до 790 мм. рт. ст.;
- жидкостный термометр с ценой деления шкалы 0,5°С и шкалой с диапазоном температур 0ч50°С.
Кроме того, испытательный стенд должен иметь манометрические термометры для контроля температуры моторного масла в картере двигателя и температуры охлаждающей жидкости в верхнем бачке радиатора, а также пружинный манометр для контроля давления в главной магистрали системы смазки.
Точность измерений. При выборе средств измерения необходимо исходить из их точности и быстродействия. Однако, большая точность, малая погрешность и высокая чувствительность в тяжелых условиях работы могут быстро утратить стабильность, что вызывает необходимость увязать требования точности измерений с характером испытаний, не ужесточая их без необходимости. При испытании двигателя принято считать достаточной точность ± 0,5% при измерении крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и расхода топлива. Температуры измеряют с точностью ± 0,5°С, давления - до 1 мм. рт. ст., относительную влажность с точностью до ± 2%. При этом точность определения эффективной мощности не превышает ± 2%.
Погрешности измерений. Измерения не могут быть выполнены абсолютно точно и всегда содержать некоторую ошибку. В связи с этим, отмечаемые погрешности могут быть объективные и субъективные. Первые возникают вследствие не совершенства способа и средств измерения и влияния внешних условий на замеры, а вторые - из-за не внимательности, слабого зрения и слуха, а также отсутствия навыков и опыта у испытателя.
В качестве меры характеризующей погрешность измерений можно использовать средняя квадратичная ошибка, определяемая по формуле:
где: УДi - сумма значений отклонений при осуществлении n измерений;
n - число измерений данной величины.
Чем меньше абсолютное значение у, тем меньше погрешность измерений и выше точность замеров.
Порядок изучения оборудования и приборов лаборатории.
1. Изучение монтажа, центровки и крепления двигателя и радиатора, балансирной машины, весового устройства и карданного вала на фундаментной плите, водяного реостат и узлов питания стенда, а также контрольно-измерительных приборов.
2. Разработка эскизного варианта принципиальной схемы лабораторной установки для испытания автомобильного двигателя.
3. Сбор необходимых данных для составления отчета по лабораторной работе.
Содержание отчета. Отчет должен содержать схему лабораторной установки для испытания двигателя и краткое изложение техники выполнения замеров Мкр, ne, ge и расчетного определения Ne, Nм, Ni и зм, а также перечень приборов необходимых для испытания автомобильного двигателя, т.е. ответы на следующие 5 вопросов.
Контрольные вопросы.
1. С какой целью выполняют стендовые испытания автомобильного двигателя.
2. Как связаны между собой Мкр, Ne, Nм, Ni и зм.
3. Какая связь между Gт, Ne, ge.
4. Какие приборы требуются для измерения частоты вращения коленчатого вала, температур воздуха, моторного масла и охлаждающей жидкости и давления атмосферного воздуха и моторного масла в системе смазки.
5. Для чего нужен в составе лабораторной установки для испытания автомобильного двигателя водяной реостат.
В соответствии с требованиями действующих стандартов на испытания двигателей стенд оснащен следующими основными системами и устройствами.
Тормозная установка, предназначенная для поглощения мощности, развиваемой испытываемым двигателем, измерения крутящего момента, а также для регулирования и стабилизации режимов испытаний. Кроме того, установка используется для пуска двигателя, а также прокручивания его коленчатого вала в различных целях. Тормозная установка (рис. 2) состоит из электротормоза 3 с динамометром 4 и указателя 21 крутящего момента Мкр (или момента сопротивлений Мс при прокрутке).
Рис. 2 Стенд для испытания двигателя
Электротормоз через упругую муфту соединен с двигателем 7. Машинный преобразователь тока (умформер) 5 служит для рекуперации энергии, отдаваемой двигателем, в электрическую сеть и проворачивания его коленчатого вала при пуске или прокрутке. На валу электротормоза имеется устройство для измерения частоты вращения n, работающее в сочетании с пультовым указателем 22,
Система выпуска, которая служит для удаления отработавших газов и глушения шума выхлопа. Систему образует газопровод 6, на конце которого размещен глушитель 8 в ресивере 9. Ресивер имеет предохранительный клапан и выпускную трубу 10. Температура отработавших газов tг, измеряется с помощью термоэлектрического термометра (термопары), установленного в выпускном трубопроводе, и указателя 20.
Система охлаждения, предназначена для создания и стабилизации теплового режима двигателя. При испытаниях двигателя в стендовых условиях радиатор штатной системы охлаждения автомобиля или трактора обычно не устанавливают, и его функции выполняются специальными устройствами стенда. Для двигателей с жидкостным охлаждением применяется теплообменник - радиатор 13, через холодный контур которого циркулирует водопроводная вода. Для измерения температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя установлен термометр сопротивления с указателем 16.
Температура масла в картере двигателя также измеряется термометром сопротивления с указателем 17.
Система воздухоснабжения. которая используется для фильтрации, подачи и измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем. Система содержит объемный расходомер 12 типа PC и ресивер 11 с резиновой мембраной для сглаживания пульсации расхода воздуха, вызываемых работой двигателя. Для измерения часового количества воздуха Vв, поступающего в двигатель, имеется дистанционный счетчик с указателем 15. Температура поступающего воздуха tв измеряется с помощью установленного на входе в расходомер термометра сопротивления с указателем 14.
Система подачи топлива, предназначенная для питания двигателя топливом и измерения его часового расхода массовым способом. Система содержит топливный резервуар 18 и расходомер 19 типа АР Т -2.
Пульт управления. На нем размещаются указатели измерительных приборов для определения показателей двигателя, предусмотренных программой испытаний, а также органы дистанционного управления двигателем, тормозной установкой и измерительными устройствами.
Помимо перечисленных выше элементов, присущих большинству применяемых в настоящее время испытательных установок, оборудован системой автоматизированного определения показателей работы двигателя на базе измерительно-вычислительного комплекса с микро ЭВМ.
Измерительная подсистема стенда содержит преобразователи первичных сигналов, нормализующие и согласующие усилители, а также цифро-измерительные приборы. На каждом режиме испытаний по сигналу оператора система производит регистрацию измеряемых величин и параметров работы двигателя, рассчитывает производные показатели, выводит на экран дисплея ЭВМ полученные результата, распечатывает на цифропечатающем устройстве протокол испытаний, а также отображает основные зависимости в форме графиков посредством графопостроителя.
2 Требования, предъявляемые к стендовому оборудованию и измерительным средствам
Сравнимость получаемых результатов и достоверность их зависят от правильного выбора соответствующей измерительной аппаратуры, поэтому измерительная аппаратура должна удовлетворять следующим требованиям:
1) обеспечивать необходимую точность измерения обследуемых параметров;
2) обеспечивать стабильность показаний в реальных условиях испытаний при наличии вибрации при работе двигателя, возможных колебаний напряжения в электрической сети лаборатории и при изменении температуры окружающей среды, барометрического давления, влажности воздуха и других возмущающих факторов;
3) иметь достаточное быстродействие при одновременном исключении возможности появления помех протекания обследуемых процессов или искажения измеряемых параметров.
В соответствии с ГОСТ 14846--81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» применяемые измерительные приборы и устройства должны обеспечить следующую точность измерения:
1) крутящего момента ± 0,5% от максимального значения;
2) угловой скорости коленчатого вала + 0,5% от номинальной;
3) расхода топлива ± 1%;
4) температуры всасываемого воздуха ± 1°С;
5) температуры охлаждающей жидкости, температуры масла и температуры топлива ± 2°С;
6) температуры отработавших газов +20°С;
7) барометрического давления ± 200 Па;
8) давления масла ± 20 кПа;
9) угла опережения зажигания или начала подачи топлива ± 1° поворота коленчатого вала двигателя;
10) разрежения во впускном трубопроводе ± 1%;
11) относительной влажности окружающего воздуха ± 2%.
При проведении научно-исследовательских испытаний требования к точности измерений параметров повышаются. Следует отметить, что согласно ГОСТ все измерения следует выполнять приборами и устройствами, предварительно проверенными или протарированными в соответствии с действующими положениями о контроле измерительных приборов.
Тормозные устройства. Применяемые при испытаниях двигателей различные виды тормозов служат для создания внешнего сопротивления, которое поглощает мощность, развиваемую двигателем.
В зависимости от принципа создания тормозного момента различают механические, воздушные, гидравлические, электрические, индукторные и комбинированные тормозные устройства. Механические, воздушные, гидравлические и индукторные тормоза используют только для торможения двигателей, а электрические и комбинированные тормоза -- также и для пуска, холодной обкатки двигателя, определения мощности механических потерь.
Тормоз любого типа характеризуется следующими основными параметрами: максимальной Nт.макс и минимальной Nт.мин поглощаемыми мощностями; максимальной nмакс и минимальной пмин частотами вращения; максимальным Мт.макс и минимальным Мт.мин тормозными моментами.
В механических тормозах, развиваемая двигателем механическая энергия, поглощается работой сил трения. Шкив механического тормоза, вал которого соединен с коленчатым валом двигателя, охватывается гибкой стальной лентой, облицованной фрикционным материалом, благодаря чему между шкивом и лентой возникают значительные силы трения. Работа этих сил компенсирует энергию, развиваемую двигателем, и превращается в тепло, которое отводится в охлаждающую воду, циркулирующую через внутреннюю полость шкива.
Механические тормоза просты по устройству, однако обладают малой энергоемкостью, неудовлетворительной, нестабильной характеристикой и недостаточной способностью к саморегулированию (момент торможения у них почти не зависит от частоты вращения).
В воздушных тормозах развиваемая двигателем мощность затрачивается на перемещение и частично на нагрев воздуха. Тормоз этого типа применен в передвижной пневматической тормозной установке ПТУ-70 используемой для испытаний тракторных двигателей в полевых условиях.