Экспериментальный стенд для исследования автомобильных пневматических двигателей с клапанным воздухораспределением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДРУГИЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

УДК 621.43 DOI: 10.30977^^.2219-5548.2018.83.0.29

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

АВТОМОБИЛЬНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КЛАПАННЫМ

ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

Тесленко Э.В., аспирант, Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Автором (в соавторстве) модернизирован моторный стенд, позволяющий выполнить следующие работы: обеспечить стендовую систему питания пневмодвигателя необходимым объемом сжатого воздуха в рабочем диапазоне изменения нагрузок и скоростных режимов; выполнить индицирование цилиндров и исследование рабочих процессов пневмодвигателя при его работе по скоростным характеристикам в необходимых диапазонах изменения давлений сжатого воздуха на входе = 0,3-2,0 МПа и частот вращения коленчатого вала п = 200-4000 мин'1; исследовать влияние на индикаторные и эффективные показатели работы пневмодвигателя температуры подаваемого сжатого воздуха с подогревом на входе в диапазоне ts = 20-120 С.

Ключевые слова: моторный стенд, пневмодвигатель, рабочий процесс, комбинированная энергетическая установка.

Введение

При доводке рабочего процесса энергетических установок в основном применяются тормозные моторные стенды. На таких стендах с необходимой точностью можно проводить экспериментальные исследования различных энергетических установок. Однако для конкретного объекта исследования необходимо создавать стенды, наиболее соответствующие данным исследованиям.

Автором (в соавторстве) модернизирован моторный стенд [1] для исследования рабочих процессов пневмодвигателей, рассчитанных для применения на автомобильном транспорте в составе комбинированной энергетической установки.

Анализ публикаций

Проектированию и изготовлению стендов и методик испытания на них уделяется достаточно большое внимание отечественных и зарубежных авторов, которые основываются на использовании известных работ и стандартов [2-6].

В зависимости от вида исследований стенды оснащаются различными измерительными комплексами [7], позволяющими проводить замеры: индикаторного давления [8], характеристик и законов подачи топливной аппаратуры [10], давлений и температур воздуха на впуске в цилиндре двигателя и на

выпуске [5, 7], температур различных сред, потоков и деталей двигателя [11], осуществление скоростных киносъемок и проведение других методов исследования [9].

На кафедре ДВС ХНАДУ разработаны моторные стенды, позволяющие проводить исследование различных ДВС с необходимым обеспечением исследовательской аппаратурой. Однако использование данных разработок не в полной мере подходит к исследованию пневмодвигателей.

Цель и задачи исследования

Целью и научной новизной исследования является разработка, включающая проектирование, расчет и изготовление экспериментального моторного стенда для проведения экспериментальных исследований пневмо-двигателя.

При этом предполагалась возможность решения с помощью этого стенда таких основных задач:

- обеспечение стендовой системой питания ПД необходимых объемов сжатого воздуха в рабочем диапазоне по нагрузочным и скоростным характеристикам;

- выполнение индицирования цилиндров и исследование рабочего процесса ПД при его работе по скоростным характеристикам в необходимых диапазонах изменения давлений сжатого воздуха на входе рц = 0,3-2,0 МПа и

частот вращения коленчатого вала п = 2004000 мин-1;

- исследование влияния на индикаторные и эффективные показатели работы ПД температуры подаваемого сжатого воздуха путем его подогрева на входе в диапазоне ^ = = 20-120 °С.

Конструктивные особенности моторного стенда

Общий вид стенда для экспериментальной доводки рабочего процесса ПД представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид стенда для исследования

ПД

Системы и комплекс контрольно-измерительной аппаратуры позволяли поддерживать заданные режимные параметры, контролировать тепловое состояние ПД, измерять с необходимой точностью параметры рабочего процесса и все его основные показатели работы.

Измерительная аппаратура стенда разрешает осуществлять:

- измерение параметров режима работы установки для подогрева воздуха на входе;

- измерение параметров рабочих процессов ПД с помощью специальных датчиков;

- обработку экспериментальных данных с помощью персонального компьютера с использованием специального программного обеспечения;

- визуальную репрезентацию полученной информации, а также результатов ее обработки и анализа в графическом виде на экране ПК, вывод на печать результатов измерения и обработки информации в табличном и графическом виде на принтере;

- сохранение и копирование экспериментальных данных и результатов обработки, их накопление для дальнейшего анализа.

На рис. 2 приведена функционально-структурная схема экспериментальной установки. Ниже приводится краткое описание основных систем, обеспечивающих работу стенда.

Стенд создавался с соблюдением требований, в соответствии со стандартами [2, 3] обеспечивающих выполнение следующих работ:

а) проведение испытаний ПД на различных скоростных и нагрузочных режимах в эксплуатационных диапазонах заданных режимных параметров;

б) определение эффективных параметров работы ПД:

- эффективной мощности Ые, кВт;

- эффективного крутящего момента Ме, Н • м;

- частоты вращения коленчатого вала п, мин-1;

- часового расхода сжатого воздуха Gт, кг / ч;

- давления и температуры сжатого воздуха на входе в ПД р, МПа, и Т, °С;

- давления и температуры отработанного воздуха на выходе из ПД, в, МПа, и Тв, °С.

в) выполнение индицирования цилиндра с целью определения индикаторных параметров рабочих процессов ПД;

г) выполнение осциллографирования давления в воздушных каналах системы впуска-выпуска ПД (при необходимости). Для определения крутящего момента, который развивается ПД на экспериментальном стенде, используется электрическая балансирная машина постоянного тока МПБ 32,7/28 (рис. 2). Мощность электрической балансир-ной машины Ые = 25,1 кВт; частота вращения п = 4000 мин-1; сила тока I = 109 А; напряжение V = 230 В; сопротивление - R = 2,11 Ом; регулирование электрической нагрузки - изменением независимого возбуждения.

Для определения силы нагрузки Рн на стенде используется весовой терминал КОДА-2 (поз. 3), измеряющий аналоговый сигнал чувствительного элемента тензодат-чиков и выводящий результаты измерений на дисплей 6. Терминал обеспечивает непосредственное подключение тензорезисторних мостовых датчиков. Сопротивление нагрузки терминала не менее 30 Ом. Терминал имеет индикатор, клавиатуру управления и интерфейс для связи с компьютером и передачи информации, с использованием протоколов. Калибрование терминала выполняется без внешних регулировочных элементов с сохранением кодов настроек в запоминающем устройстве.

Рис. 2. Схема экспериментального стенда: 1 - пневмодвигатель; 2 - электрическая балансирная машина; 3 - весовой терминал; 4 - пульт управления; 5 - пульт управления полезной нагрузкой; 6 - дисплей; 7 - электронно-вычислительная машина; 8 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 9 - блок управления электрогидравлическим клапаном; 10 - датчик температуры; 11 - датчик давления;12 - регулировочный кран; 13 - индуктивный датчик частоты вращения; 14 - выпускной коллектор пневмодвигателя; 15 - головка цилиндра; 16 -датчик температуры; 17 - датчик давления; 18 - фильтр; 19 - воздушный ресивер низкого давления; 20 - предохранительный клапан; 21 - рампа воздушная высокого давления; 22 -дренажный вентиль; 23 - датчик индицирования цилиндра; 24 - стальная труба высокого давления; 25 - информационный канал расхода сжатого воздуха; 26 - четырехступенчатый поршневой компрессор для накачивания баллонов высокого давления; 27 - электродвигатель привода компрессора; 28 - датчик давления; 29 - датчик температуры; 30 - кран регулирования давления воздуха перед ПД; 31 - расходометр; 32 - предохранительный клапан; 33 - фильтр; 34 - кран регулирования давления и температуры воздуха перед ПД; 35 - пружинный манометр; 36 - газовый редуктор рамповый РКЗ-500-2; 37 - пружинный манометр; 38, 39 - запорные краны; 40 - стальные трубы высокого давления; 41 - баллоны для воздуха высокого давления; 42 - барометр М67; 43 - ртутный термометр; 44, 45 - пружинные манометры; 46 - электрогидравлический привод впускного клапана; 47 - электрический нагреватель сжатого воздуха; 48 - электромотор питающей гидравлической станции; 49 - питающая гидравлическая станция; 50 - питающий компрессор; 51 - электродвигатель питающего компрессора

Стендовая система питания ПД сжатым воздухом от баллонов (рис. 2) состоит из блока баллонов высокого давления (до 20 МПа) 41, стальных трубок высокого давления 40, рампы с трубопроводом 21, запорного крана 38, газового рампового редуктора РКЗ-500-2 36, крана 34 для тонкого регулирования давления ря воздушного фильтра 33, расходометра G160 GMS DY-80 31, воздушного ресивера низкого давления 19, который служит для сглаживания пульсаций давления

перед расходометром, электрического нагревателя 46, воздушного фильтра 18 и соединительных трубопроводов. Для заправки баллонов 41 сжатым воздухом до 20 МПа на стенде используется компрессорная установка 26, 27 с четырехступенчатым поршневым компрессором. Из этой установки воздух через кран 39 нагнетается непосредственно в рампу 21, соединенную с вентилями баллонов.

Для измерения частоты вращения коленчатого вала на стенде используются счетчик импульсов СИ8 и индуктивный датчик импульсов 13. Для индицирования цилиндра используется датчик Honeywell MLH 250BSB 01A-46 23 с выводом информационных сигналов через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 8 и ЭВМ 7 на дисплей 6. Датчик индицирования установлен в свечном отверстии 1-го цилиндра ПД. В ряде точек воздушного тракта выполняются измерения давления с помощью механических пружинных манометров: на входе 44 и на выходе 45 из ПД, на входе 37 и выходе 35 из газового редуктора.

Температура сжатого воздуха на входе 16 и на выходе 10 из ПД измеряется термопарами ХК (хромель-копель), и результаты поступают на измеритель-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ-1-Н.У.Г. ТУ 4211-016-46526536-2005 со светодиодным цифровым индикатором на пульте управления, а также на ЭВМ. Данные измерения давления 28 и температуры 29 сжатого воздуха перед расходометром и информационный сигнал величины расхода воздуха через расходометр поступают через АЦП в ЭВМ и выводятся на дисплей.

Измерение расхода воздуха осуществляется расходометром с определением времени выработки установленного объема воздуха. Далее по трубопроводу высокого давления воздух подается в ПД.

В процессе исследования измерялись следующие величины:

- температура смазочного масла в поддоне двигателя - термопарами TXK-(L); ГОСТ 6616-94 с регистрационным прибором КВП1-5121 минус 40 - плюс 300 °С, классом точности 0,5 и ценой деления шкалы 2 °С;

- температура на входе в газовый счетчик - термопарой TXK-(L); ГОСТ 6616-94 и регистрационным прибором КВШ-503, минус 40 - плюс 300 °С, классом точности 0,5 и ценой деления шкалы 1 °С;

- температура воздуха после газового редуктора РКЗ-500-2 - термопарой ТХК-(Ц); ГОСТ 6616-94 и регистрационным прибором КБП1-503, минус 40 - плюс 300 °С, классом точности 0,5 и ценой деления шкалы 1 °С;

- температура воздуха перед ресивером -термопарой ТХК-(Ц); ГОСТ 6616-94, регистрационным прибором КВП1-5121, минус 40 - плюс 300 °С, классом точности 0,5 и ценой деления шкалы 1 °С;

- температура воздуха на входе в цилиндр - термопарой ХА минус 40 - плюс 375 °С, ГОСТ 6616-94, установленной в гильзе цилиндра;

- температура воздуха на выходе из двигателя - термопарой ХА минус 40 - плюс 375 °С;

- давление в масляной магистрали - манометром ОБМ-100 с ценой деления 0,02 МПа и за ее пределами измерения 00,1 МПа;

- давление перед газовым счетчиком -образцовым манометром;

- давление на впуске - образцовым манометром;

- давление на выпуске - образцовым манометром;

- давление воздуха после газового редуктора РКЗ-500-2 - образцовым манометром;

- давление перед ресивером - образцовым манометром;

- мощность ПД - по величине крутящего момента на плече балансирной машины, соединенной с ВКМ;

- частота вращения коленчатого вала -тахометром ТЕ-Д 15 с индуктивным датчиком;

- давление в цилиндре - по результатам обработки снятых датчиком высокого давления индикаторных диаграмм;

- температура окружающей среды - термометром ртутным;

- давление окружающей среды - барометром М65.

Для поддержки заданного уровня температуры сжатого воздуха перед расходомет-ром 31 используется электрический кожухо-трубный водо-воздушный нагреватель 9. После расходометра используется для регулирования температуры воздуха, поступающего на вход 6 ПД, воздушно-воздушный нагреватель 46, представленный на рис. 2.

Выводы

1. Разработанный моторный стенд позволяет проводить экспериментальные исследования пневмодвигателей комбинированной энергетической установки автомобиля.

2. Моторный стенд позволяет выполнить следующие работы:

- обеспечить стендовую систему питания ПД необходимым объемом сжатого воздуха в рабочем диапазоне изменения нагрузок и скоростных режимов;

- выполнить индицирование цилиндров и исследование рабочего процесса ПД при его

работе по скоростным характеристикам в необходимых диапазоне изменения давлений сжатого воздуха на входе ps = 0,3-2,0 МПа и частотах вращения коленчатого вала п = 2004000 мин-1;

- исследовать влияние на индикаторные и эффективные показатели работы ПД температуры подаваемого сжатого воздуха путем его подогрева на входе в диапазоне ts =

= 20-120 °С.

Разработанный моторный стенд предназначен для проведения научно-исследовательских работ в учебных, научно-производственных предприятиях и исследовательских лабораториях заводов.

Литература

1. Абрамчук Ф.1. Стенд для випробування i до-слщження пневмодвигушв / Ф.1. Абрамчук, О.1. Воронков, А.1. Харченко, С.С. Жилш, 1.М. НЫтченко, В.С. Червяк // Двигатели внутреннего сгорания. - 2011. - №2. - С. 110-117.

2. Двигатели автомобильные. Методы стендових испытаний: ГОСТ 14846-81 (СТ, СЭВ 765-77).

- [Действительные от 24.06.1981]. - М.: Государственный стандарт союза ССР, 1984. - 54 с. (Государственный комитет СССР по стандартам).

3. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 18509-88. Государственный стандарт союза ССР, 1988. - 54 с. - (Государствееный комитет СССР по стандартам). Издательство стандартов

4. Испытания автомобилей / Цимбалин В.Б., Кра-вец В.Н., Кудрявцев С.М. и др. - М. : Машиностроение, 1978. - 200 с.

5. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Стефановский Б.С., Скобцева К.А., Корси Е.К. и др. - М.: Машиностроение, 1974. - 108 с.

6. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания / И.Я. Райков. - М.: Высшая школа, 1975. - 320 с.

7. Воронков А.И. Рабочий процесс автомобильного пневмодвигателя: монография / А.И. Воронков, И.Н. Никитченко. - Харьков : ХНАДУ, 2015. - 200 с.

8. Прохоренко А.А. Выбор рационального количества рабочих циклов для усреднения индикаторной диаграммы / А.А. Прохоренко, Д.В. Мешков // Двигатели внутреннего сгорания. -2006. - №2. - С. 95-96.

9. Еськов, A.B. Многофункциональное устрой-

ство управления регистрацией изображений быстропротекающих процессов / A.B. Еськов, А.Б. Добряк // Приборы и техника эксперимента. 2007. - №3. - С. 160-161.

10. Еськов A.B. Приборы и методы оптического контроля параметров распыления топлива дизельными форсунками: монография /

A.B. Еськов; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Пол-зунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. - 92 с.

11. Кузьмин Н.А. Повышение точности моделей теплонапряженности оребренных цилиндров двигателей внутреннего сгорания / Н.А. Кузьмин, Г.В. Пачурин // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 5-5. - С. 959-963.

References

1. Abramchuk F.I. Stend dlya viprobuvannya I doslIdzhennya pnevmodvigunlv / F.I. Abramchuk, O.I. Voronkov, A.I. Harchenko, S.S. ZhilIn, I.M. NIkItchenko, V.S. Chervyak // Dvigateli vnutrennego sgoraniya. - 2011. - #2. -S. 110-117.

2. Dvigateli avtomobil'ny'e. Metody' stendovih ispy'taniy: GOST 14846-81 (ST, SE'V 765-77). -[Deystvitel'ny'e ot 24.06.1981]. - M.: Gosudarstvenny'y standart soyuza SSR, 1984. -54 s. (Gosudarstvenny'y komitet SSSR po standartam).

3. Dizeli traktorny'e i kombaynovy'e. Metody' stendovy'h ispy'taniy. GOST 18509-88. Gosudarstvenny'y standart soyuza SSR, 1988. - 54 s. -(Gosudarstveeny'y komitet SSSR po standartam). Izdatel'stvo standartov

4. Ispy'taniya avtomobiley / Cimbalin V.B., Kravec V.N., Kudryavcev S.M. i dr. - M. : Mashinostro-enie, 1978. - 200 s.

5. Ispy'taniya dvigateley vnutrennego sgoraniya / Stefanovskiy B.S., Skobceva K.A., Korsi E.K. i dr. - M.: Mashinostroenie, 1974. - 108 s.

6. Raykov I.YA. Ispy'taniya dvigateley vnutrennego sgoraniya / I.YA. Raykov. - M.: Vy'sshaya shko-la, 1975. - 320 s.

7. Voronkov A.I. Rabochiy process avtomobil'nogo pnevmodvigatelya: monografiya / A.I. Voronkov, I.N. Nikitchenko. - Har'kov : HNADU, 2015. -200 s.

8. Prohorenko A.A. Vy'bor racional'nogo koli-chestva rabochih ciklov dlya usredneniya indi-katornoy diagrammy' / A.A. Prohorenko, D.V. Meshkov // Dvigateli vnutrennego sgoraniya. -2006. - №2. - S. 95-96.

9. Es'kov, A.B. Mnogofunkcional'noe ustroystvo upravleniya registraciey izobrajeniy by'stroprotekayusch'ih processov Tekst. / A.B. Es'kov, A.B. Dobryak // Pribory' i tehnika e'ksperimenta. 2007. - №3. - S. 160-161.

10. Es'kov A.B. Pribory' i metody' opticheskogo kontrolya parametrov raspy'leniya topliva dizel'ny'mi forsunkami Tekst.: monografiya / A.B. Es'kov; Alt. gos. teh. un-t im. I.I. Polzuno-va. Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2007.92 s.

11. Kuz'min N.A., Pachurin G.V. Povy'shenie tochnosti modeley teplonapryajennosti orebren-ny'h cilindrov dvigateley vnutrennego sgoraniya // Fundamental'ny'e issledovaniya. - 2014. - № 5-5. - S. 959-963;

Тесленко Эдуард Викторович, аспирант, +(380) 678538385, teslenkoev21@ gmail.com. Кафедра двигателей внутреннего сгорания Харьковский автомобильно-дорожный университет, 61002, г.

Харьков, Украина, ул. Ярослава Мудрого, 25

EXPERIMENTAL STAND TO INVESTIGATE CAR PNEUMATIC ENGINES WITH VALVE AIR-DISTRIBUTOR

Teslenko E.V., Post-Graduate, Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. Problem. The author (in co-authorship) modernized the motor stand for the study of working processes of pneumatic motors (PM), designed for the use in road transport as a part of a combined power plant. The measuring equipment of the stand allows: measurement of PM parameters without heating and with heating of compressed air at the inlet; measurement of indicator diagrams of PM with the help of special sensors; processing of experimental data using a personal computer and special software; determination of the load force Rn on the stand; the KODA-2 weighing terminal is used to measure the analog signal of the sensitive element of the load cells with the output of measurement results on the display. The terminal provides direct connection of strain gauge bridge sensors without additional connection. Load resistance of the terminal is at least 30 ohms. The motor stand allows performing the following: to provide a bench PD power supply system with the necessary volume of compressed air in the operating range of loads and speeds; to perform indexing of cylinders and study of the working process of PM during its operation according to speed characteristics in the required ranges of pressure variations of compressed air at the inlet ps = 0.3-2.0 MPa and crankshaft rotational speeds n = 200-4000 min-1; to investigate the impact on the indicator and effective performance indicators of PM of the temperature of the supplied compressed air with the heated inlet in the range. The developed motor stand is intended for scientific research in educational, research and production enterprises and research laboratories of the factories.

Key words: motor stand, pneumatic engine, working process, combined power installation.

Експериментальний стенд для дослвдження автомобшьних пневматичних двигушв iз кла-панним пов^ророзподшом

Тесленко Е., ХНАДУ

Анотацш. Автором (у ствавторствг) модер-нгзовано моторний стенд 1з дослгдження робочих процесгв пневмодвигунгв (ПД), розрахованих для застосування на автомобтьному транспортI у складI комбтованоХ енергетично'1 установки. Ви-мгрювальна апаратура стенда дозволяе здшсню-вати: вимгрювання параметргв ПД без пгдггргву I з пгдггргвом стисненого повгтря на входг; вимгр Iндикаторних д1аграм ПД за допомогою спецгаль-них датчиюв; обробку експериментальних даних за допомогою персонального комп 'ютера та спе-цгального программного забезпечення; Для визна-чення сили навантаження Рн на стендI викори-стовуеться ваговий термтал КОДА-2, призначений для вимгрювання аналогового сигналу чутливого елемента тензодатчиков 1з виведен-ням результатгв вим1рювань на дисплей. Термтал забезпечуе безпосередне тдключення тензорези-сторних мостових датчиюв без додаткового з 'еднання. Оп1р навантаження термталу не менше 30 Ом. Моторний стенд дозволяе викона-ти наступнI роботи:

- забезпечити стендову систему живлення ПД необх1дним обсягом стисненого повгтря в робочому д1апазон1 змгни навантажень I швидк1-сних режимгв;

- виконати тдицирування цилтдргв I досл1-дження робочого процесу ПД при його роботI за швидюсними характеристиками в необх1дних дгапазонах змгни тисюв стиснутого повгтря на входI РS = 0,3-2,0 МПа I частот обертання кол1-нчастого вала п = 200-4000 хв-1;

- досл1дити вплив на тдикаторт та ефек-тивт показники роботи ПД температури пода-ваного стисненого повгтря з тдггргвом на входI в д1апазон1.

Розроблений моторний стенд призначений для проведення науково-дослгдницьких робт у нав-чальних, науково-виробничих пгдприемствах I дослгдницьких лабораторш завод1в.

Ключовi слова: моторний стенд, пневмо-двигун, робочий процес, комбтована енергетична установка.