СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к дизелестроению и средствам испытания двигателей внутреннего сгорания и может быть использована для проведения научно-исследовательских, функциональных и ресурсных испытаний компонентов цилиндро-поршневой группы, головки цилиндров и топливной системы при разработке новых семейств дизельных двигателей различного назначения, а именно для железнодорожной техники, транспортно-технологических средств, горнодобывающей техники, пропульсивных комплексов морских и океанских судов, контейнерных дизельных электростанций малой энергетики.
Из уровня техники известен стенд для исследований рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания в динамических режимах, содержащий двигатель внутреннего сгорания, электротормоз, кинематически соединенный с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, датчик частоты вращения, датчик момента сопротивления двигателя, установленные на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, датчик расхода воздуха, установленный на впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, датчик расхода топлива, соединенный с топливным насосом двигателя внутреннего сгорания, датчик тока возбуждения электротормоза, подключенный к обмотке электротормоза, блок сбора данных, входы которого подключены к датчику частоты вращения, датчику момента сопротивления, датчику расхода топлива, датчику расхода воздуха, датчику тока возбуждения электротормоза соответственно, запоминающее устройство, отличающийся тем, что введены блок идентификации параметров дифференциального уравнения, выполненный с двумя входами, которые подключены соответственно к первому и второму выходу блока сбора данных, блок расшифровки результатов идентификации, соединенный с выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, имитатор типовых нагрузок, соединенный с входом электротормоза, автоматизированный блок управления, подключенный к входам управления имитатора типовых нагрузок, блока сбора данных, блока идентификации параметров дифференциального уравнения, блока расшифровки результатов идентификации, соответственно блок идентификации параметров дифференциального уравнения содержит блок математической модели, вход которого является вторым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока математической модели соединен со вторым входом блока определения ошибки моделирования, первый вход которого является вторым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока определения ошибки моделирования соединен с входом блока корректировки математической модели, выход которого подключен к входу управления блока математической модели и является выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения (патент RU 66526 U1, МПК G01M 15/00, опубликованный 10.09.2007). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что возможности исследования рабочего процесса ДВС ограничены определенной размерностью двигателя, а также тем, что стенд спроектирован для испытания многоцилиндрового ДВС, и, поэтому, имеют место ограничения по мощности нагрузочного устройства и ограничения по габаритам стенда. Использование стенда для ДВС другой размерности и с другим количеством цилиндров потребует фундаментальной доработки стенда. Это связано с большими материальными затратами по переоборудованию стенда, а также с расходом топлива, который может измеряться тоннами на один цикл испытаний. Такие же недостатки относятся ко всем стендам для испытаний полноразмерных ДВС.
Техническим результатом, на решение которого направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей стенда при испытаниях двигателя внутреннего сгорания и снижение расхода топлива на цикл испытаний.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном стенде для испытаний двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащем ДВС, устройство измерения крутящего момента, соединенное с коленчатым валом, устройство измерения частоты вращения коленчатого вала, установленное на коленчатом валу ДВС, устройство измерения расхода воздуха, устройство измерения расхода топлива, нагрузочное устройство, контрольно-измерительную систему с возможностью сбора, идентификации, расшифровки и записи результатов измерений, новым является то, что дополнительно введена автоматизированная система управления стендом и электронная система управления ДВС, причем ДВС выполнен в виде одноцилиндровой установки, а стенд содержит систему подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, систему подготовки, подачи и измерения расхода топлива, систему подготовки, подачи и измерения потока охлаждающей жидкости, систему подготовки, подачи и измерения потока масла и систему выпуска отработавших газов и газоанализа, выходы которых соединены с одноцилиндровой установкой ДВС, а входы с автоматизированной системой управления стендом, при этом нагрузочное устройство соединено с одноцилиндровой установкой ДВС через карданный вал, а электронный блок управления ДВС соединен с одноцилиндровой установкой, при этом стенд дополнительно содержит датчики параметров рабочих сред, соединенные с входом контрольно-измерительной системы, выход которой соединен с входом автоматизированной системы управления стендом.
В отличие от стенда по прототипу, где испытания проводят на полноразмерном двигателе внутреннего сгорания, при испытаниях двигателей внутреннего сгорания другой размерности в заявляемом стенде производят замену только корпуса одноцилиндровой установки, соответствующей размеру испытываемого цилиндра, головки цилиндра с приводом ГРМ, цилиндропоршневой группы, системы топливоподачи, сегмента коленчатого вала, распределительного вала и балансирных валов, т.е. применяется только один комплект модифицированных компонентов двигателя. Кроме того, при испытании одноцилиндровой установки ДВС, в сравнении с многоцилиндровым ДВС, потребление топлива на цикл испытаний снижается примерно на 90% в зависимости от мощности двигателя. Расширение функциональности заключается в том, что заявленный стенд позволяет проводить научно-исследовательские испытания за счет введения в схему стенда системы подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, системы подготовки, подачи и измерения расхода топлива, системы подготовки, подачи и измерения потока охлаждающей жидкости, системы подготовки, подачи и измерения потока масла и системы выпуска отработавших газов и газоанализа, благодаря которым можно автономно, вне ДВС, подготавливать рабочие среды и имитировать любые режимы работы.
Заявляемая полезная модель представлена на следующих графических изображениях:
На фиг. 1 - блок-схема заявленного стенда для испытаний ДВС;
На фиг. 2 - общая планировка стенда.
В связи с тем, что блок-схема на фиг. 1 плохо читается при вертикальном расположении длинных сторон листа, целесообразно было расположить лист горизонтально, что позволило укрупнить чертеж.
Стенд для испытаний двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1, фиг. 2) содержит одноцилиндровую установку 1 ДВС и нагрузочное устройство 2, установленные на раму 3. Одноцилиндровая установка соединена с нагрузочным устройством через карданный вал 4. Стенд также содержит устройство 5 измерения крутящего момента, соединенное с коленчатым валом, устройство 6 измерения частоты вращения коленчатого вала, установленное на коленчатом валу ДВС, систему 7 подготовки, подачи и измерения расхода топлива, систему 8 подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, систему 9 подготовки, подачи и измерения потока охлаждающей жидкости, систему 10 подготовки, подачи и измерения потока масла, систему 11 выпуска отработавших газов и газоанализа, датчики 12 параметров рабочих сред, автоматизированную систему 13 управления стендом, контрольно-измерительную систему 14, электронный блок 15 управления ДВС. Системы подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, топлива, охлаждающей жидкости, масла, выпуска отработавших газов и газоанализа выходом-входом соединены с одноцилиндровой установкой ДВС, а входами с автоматизированной системой управления стендом. Электронный блок управления ДВС соединен выходом-входом с одноцилиндровой установкой ДВС. Выход электронного блока управления ДВС соединен с входом автоматизированной системы управления стендом посредством протокола обмена данных. Стенд содержит датчики параметров рабочих сред, соединенные с входом контрольно-измерительной системы, выход которой соединен с входом автоматизированной системы управления стендом.
Стенд для испытаний ДВС работает следующим образом.
Запуск всех устройств, систем и модулей осуществляют автоматизированной системой 13 управления стендом.
В автоматизированную систему управления стендом вводят установочные значения температуры и давления наддувочного воздуха, топлива, охлаждающей жидкости, масла. Далее установочные значения из автоматизированной системы управления стендом поступают в систему 7 подготовки, подачи и измерения расхода топлива, систему 8 подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, систему 9 подготовки, подачи и измерения расхода охлаждающей жидкости, систему 10 подготовки, подачи и измерения расхода масла.
Подготовку наддувочного воздуха, топлива, охлаждающей жидкости, масла производят автономно, вне двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивает регулирование и поддержание температуры и давления воздуха, топлива, охлаждающей жидкости, масла с точностью 0,1°C и 0,01 бар соответственно.
Топливо с помощью электрического нагревателя системы 7 подготовки, подачи и измерения расхода топлива нагревают или охлаждают в теплообменнике системы перед подачей в одноцилиндровую установку 1 ДВС. Температуру и давление топлива измеряют датчиками 12 на входе в топливный насос высокого давления одноцилиндрового отсека. Фактическое значение температуры топлива сравнивают с установленным значением температуры. Расходомер системы измеряет расход топлива. В таблице 1 представлены технические характеристики систем подготовки, подачи и измерения расхода сред для испытываемой одноцилиндровой установки ДВС.
Таблица 1
Наименование параметра
Значение
Топливо
Диапазон регулирования температур топлива, °C
12…45
Расход топлива при давлении 6,0 бар, л/мин
12,0
Максимальное давление в системе подачи, бар
8,0
Воздух
Производительность компрессорной установки, м<sup>3</sup>/с
0,426
Давление нагнетания, МПа
0,785
Охлаждающая жидкость
Диапазон регулирования температур ОЖ, °C
40…130
Подача ОЖ, м<sup>3</sup>/ч
До 30
Максимальное давление в системе, бар
6,0
Масло
Номинальный поток, л/мин
60,0
Диапазон регулирования температур масла на входе в двигатель, °C
40…150
Регулируемый уровень давления, бар
0,5…10,0
Для имитации работы агрегатов наддува двигателя внутреннего сгорания используют компрессорную установку системы 8 подготовки, подачи и измерения расхода наддувочного воздуха, которая вырабатывает сжатый воздух и подает его через ресиверы, фильтры, осушитель, регулятор давления и расходомер в одноцилиндровую установку. Температуру и давление наддувочного воздуха измеряют датчиками на входе в одноцилиндровую установку. Фактическое значение температуры и давления сравнивают с установленными значениями. Расходомер системы измеряет расход наддувочного воздуха (таблица 1).
Охлаждающую жидкость нагревают проточным нагревателем системы 9 подготовки, подачи и измерения расхода охлаждающей жидкости или охлаждают в теплообменнике системы до заданной температуры. Затем охлаждающая жидкость поступает в одноцилиндровую установку. Температуру и давление охлаждающей жидкости измеряют датчиками на входе в одноцилиндровую установку. Фактическое значение температуры сравнивают с установленным значением температуры. Расходомер системы измеряет поток охлаждающей жидкости (таблица 1).
Масляный насос системы 10 подготовки, подачи и измерения расхода масла подает моторное масло из масляного бака в теплообменник системы. В теплообменнике системы масло охлаждают или нагревают до требуемой температуры. Из теплообменника системы масло поступает в фильтровальный отсек и перекачивается в распределительный блок одноцилиндровой установки. Здесь измеряют температуру и давление масла датчиками. Фактическое значение температуры сравнивают с установленным значением температуры. Расходомер системы измеряет расход масла (таблица 1).
Запуск двигателя внутреннего сгорания осуществляют нагрузочным устройством 2, в качестве которого используют асинхронный динамометр RH 400 S4 компании Anhaltische Electromotorenwerk Dessau Gmbh, который работает в режиме стартера, а после запуска переходит в режим сопротивления (режим нагружения), который воздействует на коленчатый вал одноцилиндровой установки. Точность проводимых измерений крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала определяет точность измерений и вычислений остальных стендовых систем. Температуру и давление охлаждающей жидкости, масла, топлива, воздуха задают установочным значением в автоматизированной системе управления стендом, соответствующий сигнал подают на исполнительное устройство (регулирующий клапан, насос, нагревательный элемент и т.д.).
Температура и давление охлаждающей жидкости, масла, топлива, воздуха измеряются датчиками, сигналы от которых поступают в автоматизированную систему управления стендом через контрольно-измерительную систему 14. Сигналы с устройства 6 измерения частоты вращения коленчатого вала и устройства 5 измерения крутящего момента напрямую передаются в автоматизированную систему управления стендом.
Параметры ДВС (протокол испытаний) и все данные, характеризующие работу систем и устройств, включая аварии и ошибки, записывают с заданным интервалом (минимальное значение интервала 0,5 с) и хранят в автоматизированной системе управления стендом.
Режимы испытаний задают автоматизированной системой управления стендом. Возможны режим холостого хода и режимы с регулированием частоты вращения и положения педали, частоты вращения и крутящего момента, крутящего момента и положения педали.
Управление работой одноцилиндровой установки и топливоподачей осуществляют электронным блоком 15 управления, который через информационный протокол обмена данных соединяется с автоматизированной системой управления стендом.
Заявленная полезная модель прошла испытания в качестве опытного образца, о чем составлен соответствующий акт. Стенд для испытаний двигателя внутреннего сгорания изготовлен в промышленных условиях и предназначен для использования в промышленных условиях, что позволяет считать заявленную полезную модель соответствующей критерию патентоспособности «промышленная применимость».