CC BY
73
ТРАНСПОРТ
УДК 621.43
И.Е. Агуреев, д-р техн. наук, проф., 8 (4872) 35-05-01,
ieag@klax.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.П. Безгубов, канд. техн. наук, доц., 8 (4872) 35-05-01,
aiax@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Э.С. Темнов, канд. техн. наук, доц., 8 (4872) 35-05-01,
aiax@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
М.Ю. Власов, асп., 8 (4872) 35-05-01,
aiax@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
Д.С. Лукьянов, маг., 8 (4872) 35-05-01,
aiax@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Описываются оборудование и его технические характеристики для проведения экспериментальных исследований с целью получения графиков давления в цилиндре исследуемого ДВС, а также получения частотного спектра указанных зависимостей. Предполагается, что вид спектральных функций связан с характером межцикловой неидентичности и, в более общем представлении, с характером стохастических явлений при работе ДВС. Показаны некоторые результаты экспериментов.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, экспериментальные исследования ДВС, спектральные характеристики давления в цилиндре, межцикловая неидентичность рабочих процессов
В работе [1] были рассмотрены вопросы, связанные с построением и использованием нелинейных динамических моделей ДВС [2], сделан краткий обзор работ, посвященных изучению нелинейных эффектов в ДВС
289
(детерминированный хаос, бифуркации, межцикловая неидентичность (МЦН) [3]), а также разработан и представлен формализм построения скоростных, нагрузочных и других характеристик ДВС, основанный на нелинейном моделировании. Предположения, сформулированные в работе [3], касаются построения алгоритмов управления МЦН с целью повышения эффективных показателей ДВС. Основная идея такого управления заключается в следующем. МЦН рассматривается как сложный динамический процесс в двигателях, частично зависящий от стохастических (случайных) причин, а частично имеющий детерминированную природу. Если такое предположение верно, то к МЦН применимы методы управления хаосом, изложенные, например, в монографии [4]. Задача локализации и стабилизации неустойчивых циклов хаотических динамических систем является одной из важнейших задач, составляющих проблему управления хаосом. Она состоит в локализации и стабилизации неустойчивого цикла системы малыми возмущениями системного параметра в области хаотического поведения траекторий системы при почти полном отсутствии информации о самом цикле. Идея метода решения данной задачи - построение динамической системы в пространстве большей размерности, для которой неустойчивый цикл системы является проекцией некоторого ее асимптотически орбитально устойчивого предельного цикла. С практической точки зрения для подавления хаотического поведения ДВС предполагалось [3] организовать управляемое периодическое возмущение некоторых параметров, например, цикловой подачи топлива. Теоретически такая проблема была сформулирована и численно ее решение было приведено в работе [5]. Расчеты показали возможность улучшения эффективных показателей ДВС на 2...4 %.
Для проведения экспериментальных исследований необходимо сформулировать и решить следующие задачи: выполнение измерений динамических переменных ДВС, например, таких как, давление в цилиндре ДВС, угловая скорость вала двигателя, давление во впускном коллекторе и др.; регистрация характеристики МЦН, получаемой в зависимости от режима ДВС в виде кривой давления в цилиндре и соответствующей амплитудно-частотной характеристики; организация управляемых возмущений какого-либо из параметров (например, цикловой подачи топлива в цилиндры ДВС).
В настоящей работе рассматривается решение первой и второй задач, в рамках которого показано применяемое оборудование, его технические характеристики, некоторые результаты экспериментов, которые выполнялись в соответствии со стандартами на проведение стендовых испытаний ДВС [6, 7].
В состав испытательного стенда входит тормозное устройство с динамометром, топливная, воздухопитающая, газоотводящая системы, смазочная система, системы охлаждения и пуска, противопожарное оборудование.
Тормозное устройство представляет собой электрическую машину постоянного или переменного тока, преобразующую механическую энергию испытываемого двигателя в электрическую и, наоборот. По причине своей обратимости они получили наибольшее распространение по сравнению с другими типами тормозных устройств (гидравлические). В данном случае использовался стенд КИ-5274 ГОСНИТИ. Общая схема электрического тормозного стенда представлена на рис. 1.
Электрический тормоз стенда представляет собой асинхронную электрическую машину переменного тока с фазным ротором. Статор 2 электрической машины балансирно установлен на подшипниках качения 9 опор 1 фундаментной рамы. Вал ротора (якоря) соединен с помощью муфты 5 с коленчатым валом испытываемого двигателя (выходным валом КПП). Двигатель установлен на резиновых подушках опор 7 фундаментной рамы. Корпус статора с помощью рычага 11 соединен с динамометрическим устройством маятникового типа.
Рис. 1. Электрический тормоз: 1 - опоры статора; 2 - статор; 3 - обмотка возбуждения статора; 4 - обмотка возбуждения ротора; 5 - соединительная муфта; 6 - двигатель; 7 - опоры двигателя; 8 - датчик частоты вращения; 9 - подшипники; 10 - зубчатое колесо; 11 - рычаг динамометра
Схема подключения электрической машины к силовой сети 380 В показана на рис. 2. Обмотки возбуждения статора 3 и якоря 4 подключаются к сети через контактор 6 с нормально-разомкнутыми контактами. Для регулирования силы тока в обмотке возбуждения якоря его цепь через ще-точно-коллекторный узел последовательно соединена с нагрузочным реостатом 8 жидкостного типа. Подключение силового напряжения осуществляется включением рубильника 5 силового шкафа и нажатием кнопки 1 «пуск» на пульте стенда.
При этом происходят подключение катушки 7 контактора к однофазному напряжению 220 В и перемещение сердечника катушки с контактами 6. При замыкании контактов силовое напряжение подводится к обмотке возбуждения статора и к реостату. Удержание контактов в замкнутом состоянии при отпущенной пусковой кнопке обеспечивается катушкой 7, цепь питания которой замкнута контактом 3. Для выключения силового напряжения необходимо разомкнуть цепь катушки 7 с помощью кнопки 2 «стоп».
Нагрузочный реостат 8 представляет собой квадратный металлический бак, заполненный электролитом (водный раствор кальцинированной соды), в котором находятся три пары изолированных друг от друга металлических пластин-ножей большой площади. Число пар соответствует числу фаз силового напряжения. Ножи, закрепленные на валу, могут по дуге опускаться в электролит или подниматься.
Рис. 2. Схема управления электрическим тормозом: 1 - кнопка «пуск»; 2 - кнопка «стоп»; 3 - контакты контактора;
4 - лампа «сеть»; 5 - рубильник; 6 - контактор; 7 - катушка контактора; 8 - реостат; 9 - асинхронная электрическая машина с фазным ротором; 10 - ножи реостата
Привод вала осуществляется от реверсивного электродвигателя. В каждой паре ножей один является токоподводящим, а другой - токоотво-дящим. Проводником тока между ножами служит электролит. Реостат позволяет регулировать силу тока путем изменения площади погружения ножей в электролит. Чем больше площадь, тем больше сила тока. При полностью поднятых ножах реостат размыкает силовую цепь якоря. При замыкании реостатом цепи якоря в обмотках возбуждения якоря и статора возникают электромагнитные поля, взаимодействующие между собой. В результате взаимодействия на якоре возникает крутящий момент, а на статоре - противоположно направленный реактивный момент.
Такой режим работы электрической машины является тяговым. С увеличением силы тока возбуждения частота вращения вала электрической машины возрастает до достижения максимального значения, равного синхронной частоте вращения электромагнитных полей статора и ротора, которая составляет 1600 об/мин. При превышении этой частоты, например, при работе двигателя в диапазоне частот вращения от 1600 об/мин и более, электрическая машина переходит в тормозной режим работы (режим генератора).
В этом случае электромагнитное поле якоря противодействует вращению якоря и вращению вала двигателя. На статоре при этом возникает реактивный момент, равный крутящему моменту двигателя. Изменение тормозного момента осуществляется путем изменения силы тока в обмотке возбуждения якоря.
Электрическая энергия, вырабатываемая электрическим тормозом, при работе в тормозном режиме, поглощается нагрузочным реостатом или передается в общую электрическую сеть, что позволяет утилизировать механическую энергию испытываемого двигателя. Выбор типа тормозного устройства и его мощности осуществляется путем сравнения внешней скоростной характеристики двигателя и характеристик тормозов.
В качестве средства измерения момента на электромоторе применяется механический квадрантный динамометр (рис. 3).
Он имеет два маятника, укрепленных на кулаках-квадрантах, которые подвешены на тонких стальных лентах. Измеряемое усилие Р через балансир передается кулакам, конструктивно объединенным с квадрантами. При отсутствии силы Р маятники занимают положение, показанное штриховой линией, их центры тяжести лежат на одной вертикали с точкой крепления ленты.
Под влиянием силы Р, которая передается от рычага статора тормоза, маятники совершают сложное движение, перекатываясь по стальным лентам квадрантами, отклоняясь от положения равновесия. Балансир, к которому приложена сила Р, сместится при этом вниз. При перемещении балансира связанная с ним зубчатая рейка поворачивает стрелку, по положению которой производится отсчет показаний динамометра. По измеренной
с помощью динамометра силе Р определяется крутящий момент, развиваемый двигателем, Н-м:
Ме = 9,81-Р-/ = 7030-^4 (1)
где Р - сила, измеренная динамометром; I - эквивалентное плечо тормоза, на котором действует сила Б (кратно716,2); к = 716,2/1 - постоянная тормоза.
Рис. 3. Схема квадрантного динамометра: 1 - маятник; 2 - кулак-квадрант; 3, 7 - ленты; 4 - стрелка; 5 - кулак; 6 -зубчатая рейка; 8 - груз; 9 - балансир; 10 - зубчатое колесо
Для измерения частоты вращения использовались два тахометра -механический и электронный (импульсный).
По показаниям динамометра и тахометра вычислялись эффективная мощность двигателя (в кВт)
Р • п
Ие =Ые-ы = 0,735--, (2)
к
а также среднее эффективное давление (в МПа)
Ре = 22,05 •—-, (3)
Ул •к
где Ул - рабочий объем двигателя.
Для измерения текущего давления в цилиндре двигателя использовался датчик давления ЙБЙег 6118А (датчик-свеча). Конструкция и общий
294
вид датчика представлены на рис. 4. Основные характеристики датчика приведены в табл.1.
м
Рис. 4. Датчик давления К18Нвг 6118А
Таблица 1
Параметры пьезоэлектрического датчика давления КЫ1вт 6118А
Характеристика Значение
Измеряемый диапазон давления, бар 0 ... 200
Предельное значение давления, бар 250
Рабочий диапазон температур, 0С - 20 ... 250
Погрешность при 200° С, пКл/бар 9,5
Собственная частота, кГЦ > 100
Емкость чувствительного элемента, пФ 110
Калильное число 8
Вес датчика, г 50
Для определения угла поворота коленчатого вала (УПКВ) применялся К1вИег 2614 А. Основные характеристики датчика УПКВ приведены в табл. 2. Для датчиков, не имеющих интегрированных усилителей, исполь-
зовались платы усилителей сигнала (датчики К1вИег 6118А и К1вИег 4005В).
Таблица 2
Характеристики датчика УПКВ Kistler 2614А
Характеристика Значение
Разложение сигнала, град 720х0,5
Динамическая точность, град 0,02
Рабочий диапазон угловых скоростей, об/мин 0 ... 20 000
Рабочий диапазон температур датчика, 0 С - 30 ... 100
Рабочий диапазон температур усилителя, 0 С - 30 ... 70
Вес датчика, г 390
Основными задачами выполненных экспериментальных исследований являлось следующее:
1) исследование межцикловой неидентичности рабочих процессов исследуемого ДВС на холостом ходу и под нагрузкой;
2) отработка экспериментальной методики получения спектральных характеристик ДВС на различных частотах холостого хода и их предварительный анализ.
В качестве исследуемого двигателя применялся ДВС типа ЗМЗ-4062.10. Некоторые из результатов эксперимента представлены на рис. 5. Как видно из полученных зависимостей, МЦН стабильно наблюдается на всех скоростных режимах. Практически не удалось найти скоростной или нагрузочный режим, при которых МЦН отсутствовала бы полностью. Для установления зависимостей между характером межцикловой неидентичности и режимом работы двигателя были получены спектральные характеристики. Для отображения аналоговых сигналов, получаемых на выходе пьезоэлектрического усилителя измерительной платформы производства фирмы К1вИег (давление в цилиндре ДВС), применялся ШВ-осциллограф и специальное программное обеспечение, которое позволяет выполнять обработку сигналов и строить зависимости плотности частотного спектра.
На рис.5, г-е приведены осциллограммы спектральной плотности полученных выше сигналов. Анализ графиков показывает, что при частоте 1200 об/мин, когда наблюдается более низкая МЦН по сравнению с двумя другими частотами, заметно выделяется первый пик на графике спектра (10 Гц). При скорости ДВС, равной 2400 об/мин, спектр содержит заметный пик при частоте 60 Гц, что свидетельствует об увеличении сложности сигнала, подтверждаемой кривой давления, имеющей разнообразные значения максимального давления. Наконец, при скорости 3200 об/мин, число высокочастотных гармоник больше, чем в каждом из двух предыдущих случаев, однако в спектральной плотности заметно преобладание основной частоты (26,7 Гц). Таким образом, уже первоначальное изучение спек-
296
тральных свойств сигнала давления в цилиндре ДВС позволяет качественно оценивать его сложность и устанавливать связь с характером МЦН.
е
в
Рис. 5. Зависимости давления в цилиндре ЗМЗ-4062.10 от времени (а,б,в) и соответствующие спектральные плотности (г,д,е): а,г -1200 об/мин; б,д - 2400 об/мин; в,е - 3200 об/мин (холостой ход)
По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод о поведении исследуемого двигателя как сложной динамической системы, в которой явление МЦН есть неотъемлемая часть функционирования, связанная с нелинейной природой системы, а не только с отдельными факторами (развитие начального очага горения, турбулентность потоков в цилиндре и т.д.).
Зависимости давления в цилиндре ДВС показывают, что характер МЦН зависит от скоростного режима. Это выражается различными показателями. Например, ширина разброса максимальных значений давления несколько уменьшается с ростом частоты ДВС. Кроме этого, имеет значение для оценки МЦН соотношение между величинами относительной амплитуды пиковых значений (основной частоты и высокочастотных гармоник сигнала).
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 год, государственный контракт № П615 от 18.05.2010 г.
Список литературы
1. Агуреев И.Е., Власов М. Ю., Волков А. И. Применение нелинейных динамических моделей внутреннего сгорания для построения скоростных и нагрузочных характеристик // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып.3. С.492-502.
2. Агуреев И.Е. Нелинейные динамические модели поршневых двигателей внутреннего сгорания: Синергетический подход к построению и анализу: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. 224 с.
3. Агуреев И.Е., Ахромешин А. В. Моделирование межцикловой неидентичности рабочих процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып.1. С.492-502.
4. Магницкий Н.А., Сидоров С.В. Новые методы хаотической динамики. М.: Эдиториал УРСС, 2004. 320 с.
5. Ахромешин А.В. Повышение эффективных характеристик поршневых ДВС управлением бифуркационными зависимостями межцикловой неидентичности рабочих процессов: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2010. 128 с.
6. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. М.: ИПК «Издательство стандартов». 2003.
7. Прокопенко Н. И. Экспериментальные исследования двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие. СПб.: Изд-во «Лань», 2010. 592 с.
I.E. Agureev, A.P. Bezgubov, E.S. Temnov, M. Yu. Vlasov, D.S. Lukyanov
THE TECHNIQUE OF EXPERIMENTAL STUDIES TO INCREASING OF EFFECTIVE PARAMETERS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
The equipment to experimental investigations of pressure into the cylinder of ICE and frequency spectrum of pressure signals with its technical parameters are described. It is suggested that a view of spectrum functions is connected with cycle-to-cycle variations and, in the more general imagination, with the character of stochastic processes during the ICE functioning. The results of experiments are shown.
Key words: internal combustion engines, experimental studies, spectrum characteristics of pressure curve, cycle-to-cycle variations
Получено 01.10.11
