Нагружающее устройство стенда для испытаний инжекторных двигателей внутреннего сгорания

Техническое решение относится к машиностроению, а именно к испытаниям инжекторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для испытаний инжекторных двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых на транспортные средства с автоматической коробкой перемены передач.
Известно нагружающее устройство стенда для испытаний двигателей внутреннего сгорания, содержащие асинхронную электрическую машину с фазным ротором, который подключен к неуправляемому блоку вентилей, ведомый сетью инвертор, дроссель, токоограничивающие реакторы, микроэлектронный преобразователь Холла, источник выпрямленного тока, понижающий трансформатор, коммутационный аппарат, переключающее устройство, блок выбора режима, датчик скорости, устройство согласования, датчик тока, регуляторы момента и скорости, блок ключей, регулятор тока, систему импульсно-фазового управления инверторов (патент РФ №2032889, класс G01M l5/00 «Нагружающее устройство стенда для испытаний ДВС»). Работа асинхронного электрического нагружающего устройства основана на изменении характеристик питающего переменного тока (амплитуды и частоты) в обмотках статора электродвигателя. Нагружающее устройство позволяет поддерживать двигательный режим двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (холодной обкатки) и генераторный режим, т.е. режим динамического торможения (горячей обкатки ДВС). Основным преимуществом устройства является снижение пульсаций крутящего момента асинхронного электродвигателя и, как следствие, скорости вращения ротора в ходе испытаний двигателей малой мощности.
Недостатком устройства является отсутствие возможности реализовывать нагружение испытуемых ДВС по заданным сложным законам в автоматическом режиме, а также режимов нагружения, имитирующих работу ДВС в составе транспортных средств, оборудованных автоматическими коробками перемены передач. При этом под сложными законами нагружения понимают законы нагружения, описываемые нелинейными уравнениями, в том числе алгебраическими.
В качестве прототипа выбрано нагружающее устройство стенда для испытаний ДВС, содержащее асинхронную электрическую машину с трехфазным статором и фазным ротором, динамометр, датчики количества оборотов вала двигателя, напряжения и силы тока, муфты для согласования электродвигателя с испытуемым ДВС, частотный преобразователь, подключенный к электрической сети через пассивный фильтр и сетевой дроссель, блок управления, установленный между динамометрической муфтой и частотным преобразователем, подключенным к датчику количества оборотов двигателя, подключенного к частотному преобразователю (патент UA №63767, МПК G01M 15/00, опубл. 25.10.2011).
Недостатком устройства является неосуществимость воспроизведения реальных режимов нагружения двигателей, которые возникают при их эксплуатации в составе транспортных средств, которые оборудованы автоматическими коробками перемены передач. Кроме этого, сложность вызывает реализация управляющего сигнала (задающего напряжения), поступающего на вход частотного преобразователя «Altivar 61» из-за отсутствия в штатной комплектации современных ЭВМ плат расширения, позволяющих формировать управляющие сигналы в виде напряжения, изменяющегося по заданному закону (например, с заданной частотой, периодом и амплитудой).
Задачей полезной модели является обеспечение возможности реализовывать режимы нагружения ДВС, близкие к реальным режимам, возникающим в процессе их эксплуатации в составе транспортных машин (автомобилей, тракторов и т.д.), оборудованных автоматической коробкой перемены передач (например, гидромуфтой).
Технический результат достигается следующим образом. В нагружающем устройстве стенда для испытаний двигателей внутреннего сгорания, включающий асинхронный электродвигатель, динамометрическую муфту, датчик количества оборотов вала, муфты для согласования электродвигателя с испытуемым двигателем внутреннего сгорания, частотный преобразователь, подключенный к электрической сети через пассивный фильтр и сетевой дроссель, и блок управления, причем асинхронный электродвигатель выполнен с короткозамкнутым ротором и соединен с помощью зубчатых муфт, динамометрической муфты с испытуемым двигателем и частотным преобразователем, дополнительно содержит модуль задания управляющего сигнала, соединенный с частотным преобразователем и блоком питания низкого напряжения, соединенного с преобразователем частоты и блоком управления гидромуфтой, соединенного с гидромеханической коробкой перемены передач, соединенной через зубчатую муфту с асинхронным электродвигателем, а блок управления соединен через блок управления гидромуфтой с блоком питания низкого напряжения, частотным преобразователем, датчиком количества оборотов, динамометрической муфтой и модулем задания управляющего сигнала.
Общими с прототипом признаками являются:
асинхронный электродвигатель,
динамометрическая муфта,
датчик количества оборотов вала,
муфты для согласования электродвигателя с испытуемым двигателем внутреннего сгорания,
частотный преобразователь, подключенный к электрической сети через пассивный фильтр и сетевой дроссель, и блок управления.
Отличительными признаками являются:
асинхронный электродвигатель выполнен с короткозамкнутым ротором и соединен с помощью зубчатых муфт, динамометрической муфты с испытуемым двигателем и частотным преобразователем,
дополнительно содержит модуль задания управляющего сигнала, соединенный с частотным преобразователем и блоком питания низкого напряжения, соединенного с преобразователем частоты и блоком управления гидромуфтой, соединенного с гидромеханической коробкой перемены передач, соединенной через зубчатую муфту с асинхронным электродвигателем,
блок управления соединен с блоком управления гидромуфтой, блоком питания низкого напряжения, частотным преобразователем, датчиком количества оборотов, динамометрической муфтой и модулем задания управляющего сигнала.
Регулирование скорости вращения ротора и развиваемого крутящего момента исполнительного механизма (асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) осуществляется векторным методом с обратной связью, а именно путем изменения величины (амплитуды) и частоты питающего напряжения согласно требуемому закону нагружения.
Управление гидромеханической коробкой перемены передач осуществляется с помощью сервоприводов путем регулирования давления рабочей жидкости согласно требуемому закону нагружения.
Структурная схема нагружающего устройства стенда для испытаний инжекторных ДВС, устанавливаемых на транспортные средства с автоматической коробкой перемены передач представлена на фиг.
Нагружающее устройство стенда для испытаний инжекторных двигателей внутреннего сгорания содержит электрический асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 1, который с помощью зубчатых муфт 2, динамометрической муфты 3 и гидромеханической коробки перемены передач 4 соединен с испытуемым двигателем 5. На валу асинхронного электродвигателя 1 установлен датчик количества оборотов 6, который подключен к блоку управления 7 и частотному преобразователю 8, который в свою очередь соединен с асинхронным электродвигателем 1. Частотный преобразователь 8 подключен к модулю задания управляющего сигнала 9, к сети переменного напряжения 220 В через пассивный фильтр 10 и сетевой дроссель 11, а также блоку питания низкого напряжения (24 В) 12. Гидромеханическая коробка перемены передач 4 подключена к блоку управления 7 через блок управления гидромуфтой 13. Модуль задания управляющего сигнала 9 и блок управления гидромуфтой 13 питаются от блока питания 12.
З
Устройство работает следующим образом. Устройство нагружения предусматривает два принципиально разных режима работы: режим генерации мощности (режим привода) и режим отбора мощности (режим нагружения). Конкретный режим работы определяется оператором испытаний, используя модуль управления 9, путем выбора необходимой программы испытаний, которая заранее программируется с использованием блока управления 7. Традиционный процесс испытаний, например, согласно ГОСТ Р 14868 - 88, предусматривает следующую последовательность операций. На первом этапе оператор испытаний, используя модуль задания управляющего сигнала 9, запускает программу холодной обкатки ДВС. После завершения процесса холодной обкатки оператор включает систему зажигания ДВС и насос подачи топлива на пульте управления стендом для испытаний ДВС, в составе которого работает полезная модель. В момент запуска ДВС частотный преобразователь 8 автоматически переходит в режим подхвата мощности, после этого асинхронный электродвигатель 1 переходит в генераторный режим работы. В ходе генераторного режима работы электрического асинхронного двигателя 1 модуль задания управляющего сигнала 9 формирует управляющие воздействие (напряжение в Диапазоне от 0 до 10 В), исходя из заданных законов нагружения, которые передаются в частотный преобразователь 8 по каналу связи U. Частотный преобразователь 8 в зависимости от управляющего воздействия формирует величину переменного напряжения нужной частоты и амплитуды, которое по каналу Uƒ передается к обмоткам статора электрического асинхронного двигателя 1. В зависимости от величины переменного напряжения U и от частоты  асинхронный электродвигатель 1 развивает требуемый момент сопротивления. Момент сопротивления от асинхронного электродвигателя 1 через муфту 2 передается на ведущий вал гидромеханической коробки перемены передач 4. Гидромеханическая коробка перемены передач 4 преобразует момент сопротивления, развиваемый асинхронным электродвигателем 1, в требуемый согласно закону нагружения тормозной момент. Проверка соответствия реализуемого режима управления заданному режиму осуществляется с помощью каналов обратной связи Мк и n.
Программирование требуемого режима работы асинхронного электродвигателя 1 осуществляет блок управления 7, используя свободное программное обеспечение Arduino.
Пример реализации устройства.
В устройстве используют в качестве динамометрической муфты 3 датчик момента серии ТРА производства ЗАО «ПРОМДИАОБОРУДОВАНИЕ» с встроенным цифроаналоговым преобразователем и интерфейсов RS-2312C, позволяющим обеспечивать непосредственное сопряжение с ЭВМ, в качестве датчика количества оборотов 6 используют тахогенератор ТG-5. Частотный преобразователь 8 - Lenze 8400 HLC057, модуль задания управляющего сигнала на базе микроконтроллера Arduino, содержащий микроконтроллер ArduinoUno, блок питания низкого напряжения: 24, 12 и 5 В. Для воспроизведения реальных режимов нагружения в состав технического решения встроена гидромеханическая коробка перемены передач модели 4R100 - Е совместно с штатной системой управления, устанавливаемая на автомобили «Ford» с двигателем мощностью до 120 кВт.
Использование нагружающего устройства позволяет повысить эффективность испытаний инжекторных двигателей внутреннего сгорания за счет обеспечения возможности реализовывать различные законы нагружения, что позволит уже на стадии испытаний оценить работоспособность новых двигателей в условиях будущей эксплуатации и выявить скрытые дефекты.