lab_zad-2004-2

Работа измерительной аппаратуры и пользование ею осложняется тем, что вследствие действия случайных внешних факторов, а также перебоев в питании, зажигании и прочих причин всегда возможны отклонения от принятого режима испытаний. Точное поддержание режима испытаний на заданном уровне — задача сложная и требует от персонала испытателей, кроме необходимых знаний, большого навыка выводить двигатель на заданный режим испытаний и удерживать его в течение замера. В неквалифицированных руках любые возможности приборов не принесут пользы, так как нарушение режима испытаний в процессе замера нельзя компенсировать точностью и безынерционностью измерительных средств. Поэтому натренированность испытателей играет существенную роль в получении достоверных результатов испытаний.

Чтобы облегчить эту задачу, испытательные стенды снабжают специальной контрольной аппаратурой, позволяющей быстро и уверенно выходить на заданный режим испытаний и непрерывно следить за правильным соблюдением его. Приборы такого назначения не отличаются большой точностью, но значительно уменьшают вспомогательное время, затрачиваемое на проведение стендовых испытаний, и в конечном итоге повышают качество испытаний. К таким приборам относятся различные тахометры, расходомеры и аналогичные им устройства.

Подробные сведения о принципах работы отдельных приборов, их устройстве, тарировке и пользовании ими приведены в соответствующих разделах курса. Здесь отметим лишь то, что согласно ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые», ГОСТ 14846—81 «Двигатели автомобильные» все измерения следует выполнять приборами и устройствами, предварительно проверенными или протарированными в соответствии с существующими положениями о контроле измерительных приборов.

1.3.1. Измерительные устройства и аппаратура

Измерение частоты вращения коленчатого вала. Частоту вращения вала двигателя измеряют с помощью тахометров и суммарных счётчиков оборотов. Дистанционное измерение частоты вращения на современных испытательных стендах осуществляется с помощью фотоэлектрических импульсных автоматических тахометров типа ЦАТ2М. Принцип работы тахометра основан на преобразовании угловой скорости вращения в электрические импульсы и на измерении частоты этих импульсов. Система состоит из фотоэлектрического датчикапреобразователя скорости вращения, электронного формирующего устройства и частотомера с блоком автоматики (ЦАТ-2М). Фотоэлектрический датчик-преобразователь представляет собой электронно-оптическое устройство. Работа датчика основана на преобразовании промодулированного светового потока в электрические

11

импульсы, частота которых пропорциональна частоте вращения вала. Функциональная схема тахометра приведена на рис. 1.4.

Рис.1.4. Схема работы цифрового прибора замера частоты вращения

На валу двигателя устанавливается металлический диск с отверстиями, вращающийся с частотой вращения вала. Сфокусированный световой поток, проходя через отверстия вращающегося диска и попадая на рабочую поверхность фоточувствительного элемента (германиевый фотодиод ФД-1), оказывается промодулированным. Под действием прерывистого светового потока возникают электрические импульсы, которые подаются на формирующее устройство, где они усиливаются и формируются в прямоугольные импульсы. Сформированные импульсы подаются на вход цифрового автоматического тахометра ЦАТ-2М, который регистрирует на цифровом указателе частоту вращения вала двигателя n мин-1. Указатель устанавливают на пульте управления и используют для непрерывного контроля частоты вращения вала испытываемого двигателя. Согласно ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые», ГОСТ 14846—81 «Двигатели автомобильные», точность измерения частоты вращения должна

составлять 0,5%.

При испытаниях двигателей принято измерять среднюю частоту вращения одновременно с измерением всех других параметров. Эта частота вращения определяется с помощью электронного суммарного счётчика оборотов и секундомера. Принцип работы суммарного счётчика аналогичен работе фотоэлектрического импульсного тахометра (рис. 1.4). Отличие заключается в том, что электрические импульсы от формирующего устройства подаются на электронный счётчик импульсов, на указателе которого суммируется количество оборотов за время включения счётчика. Между формирующим устройством и счётчиком импульсов имеется переключатель, который автоматически включает счётчик от задающего устройства на время расходования двигателем мерной дозы топлива. Подсчёт средней частоты вращения по суммарному счётчику и секундомеру производится по формуле 3.26.

Измерение расхода топлива. Сущность замера расхода топлива при испытании двигателей состоит в том, что измеряют время, за которое двигатель расходует определенную дозу топлива, а затем по формуле 3.33 вычисляют его часовой расход. Величину дозы топлива выбирают с таким расчётом, чтобы время замера было не менее 30 … 60с.

12

Особенностью измерений при испытании двигателей является то, что все величины, которые необходимо определять, должны измеряться в один и тот же период времени, достаточно малый, чтобы можно было пренебречь возможным изменением режима его работы и одновременно достаточно большой, чтобы время срабатывания приборов или реакция экспериментатора не повлияли бы на точность измерений.

Практически для обеспечения указанной продолжительности замера приходится предусматривать возможность варьирования задаваемыми дозами топлива в зависимости от режимов работы двигателей.

Наиболее удобным способом измерения расхода топлива, приемлемым для бензиновых двигателей и дизелей, является массовый способ.

Принцип работы автоматического устройства по замеру расхода топлива массовым способом (рис. 1.5) состоит в следующем. Расходный сосуд, устанавливаемый на правой чаше рычажных весов в положении "готов", уравновешен грузом на левой чаше так, что флажок 1 стрелки весов перекрывает световой поток на фотоэлемент Фн, управляющий электромагнитным краном, при атом электромагнитный кран Эк закрыт и подача топлива из бака в мерный сосуд прекращена. По мере расходования топлива двигателем флажок, перемещаясь, откроет фотоэлемент Фн , т.е. откроется Эк, и топливо из бака будет наполнять сосуд до момента перекрытия Фн флажком при обратном ходе. Таким образом, при отсутствии замера флажок 1 все время колеблется около Фн; поддерживая постоянный уровень топлива в мерном сосуде при работающем двигателе.

Рис.1.5а. Схема устройства замера расхода топлива: 1-флажок, 2-фотоэлементы, 3- электронное исполнительное устройство, 4-груз – противовес, 5-весовое устройство, 6-мерный сосуд, 7-электромагнитный клапан, 8-топливный бак, 9-источник света.

13

Рис. 1.5б. График перемещения чаши весов

При осуществлении замера после нажатия кнопки "пуск" реле Р0 заблокирует фотоэлемент Фн и по мере расхода топлива флажок перекроет фотоэлемент Фр; одновременно сработает реле Р1 и включит в работу

счётчики: времени ЭС , суммарный счётчик оборотов n , расхода воздуха

Vв и др.

Величина расходуемой дозы топлива в зависимости от режима работы двигателя устанавливается автоматически с помощью реле времени Рвр так, чтобы время замера находилось в интервале от 30 до 60 секунд.

Реле Pвр через 30 секунд после начала замера и срабатывания Р1 соединит реле Р2 с блоком фотоэлементов Ф1 … Ф4 , управляющих окончанием замера. Флажок, продолжая перемещаться при расходе топлива, перекроет световой поток на один из ближайших к нему в данный момент фотоэлементов и тем самым реле Р2 выключит все счётчики, разблокирует Фн; при этом откроется кран ЭК, и топливо заполнит сосуд до первоначального положения "готов".

Каждый из фотоэлементов Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 в момент его перекрытия соответствует определенной навеске топлива - массе соответствующих грузов, расположенных над правой чашей весов. Эти грузы обеспечивают ступенчатое перемещение чаши весов, как показано на графике (рис. 1.5), поскольку они по мере подъема правой чаши начинают последовательно ложиться на ее верхнюю рамку.

Точность измерения расхода топлива должна составлять в соответствии с ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые»,

ГОСТ 14846—81 «Двигатели автомобильные» 1%.

Измерение расхода воздуха

Для измерения расхода воздуха, потребляемого двигателем, в настоящее время получили наибольшее распространение объемные расходомеры роторного типа (рис. 1.6). Под действием перепада давлений

14

на входе в расходомер и выходе из него роторы-поршни, связанные между собой шестернями и имеющие форму восьмерки, вращаясь, отмеряют за пол-оборота определенный объем воздуха (мерный объем). За каждый оборот роторов дважды происходит наполнение мерных полостей и дважды - выталкивание из них воздуха. Счёт количества целых оборотов или долей оборота производится дистанционным суммарным счётчиком числа оборотов, шкала которого показывает непосредственно объемный

расход воздуха через расходомер Vв м3.

Гидравлическое сопротивление таких расходомеров не велико - 10 … 30 мм водяного столба. Наличие малых зазоров между роторами требует хорошей очистки поступающего воздуха, для чего перед расходомером ставится воздухоочиститель.

Рис.1.6. Схема работы воздушного счетчика

Точность измерения расхода воздуха по ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые», ГОСТ 14846—81 «Двигатели

автомобильные» должна составлять 2%.

Измерение температуры

а) Термометры сопротивления

Для измерения температуры жидкости в системе охлаждения, масла в картере двигателя и воздуха, поступающего в двигатель, обычно применяют термометры сопротивления. Принцип работы такого термометра основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление при изменении температуры.

Для изготовления датчиков, термометров сопротивления применяют

тонкую ( ~ 0,2 мм) платиновую или медную проволоку. Конструктивно датчик представляет собой пластинку из диэлектрика (слюда, стекло, текстолит), на которую наматывается проволока. Пластинка с обмоткой помещается в тонкий латунный корпус размером 6х100 мм и устанавливается в измеряемую среду.

Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения

температуры в диапазоне от -200 до +500 С; медные термометры сопротивления для температур от -50 до +150°С.

15

Чтобы судить о температуре, измеряемой термометром сопротивления, необходимо измерить его электрическое сопротивление Rt . Обычно, для этой цели применяют мосты сопротивления и лагометры. На рис. 1.7 приведена такая схема неравновесного моста.

Рис. 1.7. Электрическая схема подключения прибора замера температуры

При этом способе миллиамперметр, включенный в измерительную диагональ моста (показан на рис. 1.7 пунктиром), будет показывать значение тока небаланса моста, пропорциональное измеряемой температуре. Если сопротивления R1, R2, R3 постоянны, то ток небаланса будет меняться в соответствии с изменением сопротивления Rt = f(t). Величина тока небаланса зависит также от напряжения питания моста, которое следует поддерживать неизменным. Измерение производится цифровым прибором (ЦИП), сигнал к которому от диагонали моста поступает через нормирующий преобразователь.

б) Термоэлектрические термометры - термопары (пирометры)

Термоэлектрические термометры основаны на использовании термоэлектрического эффекта: возникновение термоэлектродвижущей силы при нагреве места спая двух проводников из неоднородных металлов или сплавов, обусловленной различием в скоростях и энергиях свободных электронов в различных металлах. Спаянную (сваренную) таким образом пару разнородных проводников называют термопарой. Термоэлектродвижущая сила, развиваемая термопарой, в определенном интервале температур прямо пропорциональна разности температуры между горячим спаем и холодными противоположными концами, которые присоединяются к измерительному прибору. С помощью термопар обычно измеряют высокие температуры, в частности при испытании двигателей: температуру отработавших газов, деталей двигателя, стенок цилиндра и др.

Самые точные и стабильные термопары изготавливают из благородных металлов: чистой платины и сплава платины и родия (платинородий).

Для измерения температуры отработавших газов двигателей обычно применяют термопары хромель-алюмель (предел измерения до 1000°С ) и хромель-копель (предел измерений до 500°С ).

Согласно ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые», ГОСТ 14846—81 «Двигатели автомобильные» точность измерения

16

температуры допускается: отработавших газов 20°С, охлаждающей жидкости и потребляемого воздуха 2°С.

Определение токсичности и дымности отработавших газов

Определение токсичных компонентов в отработавших газах осуществляется с помощью специальных газоанализаторов. Для определения содержания окиси углерода СО и углекислого газа СО2 при стендовых испытаниях двигателей наибольшее распространение получили оптико-акустические газоанализаторы ОА-2209 Смоленского завода, основанные на поглощении инфракрасного излучения исследуемым газом. Известно, что только многоатомные газы, имеющие хотя бы два разнородных атома в молекуле (СО2, Н2О, СО и др.) обладают наибольшей способностью поглощать лучистую энергию (радиацию), причём в строго определенных для каждого газа спектрах (интервалах длин волн). Это позволяет определять содержание отдельных компонентов в сложных газовых смесях - отработавших газах независимо от концентрации других ее компонентов.

Механизм действия оптико-акустических анализаторов основан на использовании явления разогрева газа при поглощении радиации и охлаждении его, когда действие лучей прекращается. Исследуемый газ поступает в сосуд - лучеприемник и через светофильтр, пропускающий инфракрасное излучение, с помощью обтюратора периодически облучается от источника инфракрасной радиации. В результате нагрева

одновременно с изменением температуры газа на величину t,

соответственно, изменяется и давление его на величину Р, которое воспринимается чувствительной мембраной конденсаторного микрофона. Колебания мембраны преобразуются в постоянный ток, величина которого характеризует поглощение данным компонентом инфракрасной радиации и служит мерой его концентрации, которая фиксируется в процентах регистрирующим прибором.

Определение дымности отработавших газов осуществляется с помощью специальных дымомеров. Наибольшее распространение получили дымомеры с фильтрацией отработавших газов и дымомеры, работающие по методу просвечивания газа с поглощением светового потока. В дымомерах с фильтрацией дымность определяется по степени потемнения фильтровальной бумаги, через которую пропущен определенный объем отработавших газов. Степень потемнения фильтра определяют фотометрированием; при этом нулевая отметка шкалы прибора соответствует чистому фильтру, а предельная - полному поглощению света фильтром, т.е. 100% дымности.

Дымомеры с просвечиванием оценивают относительную задымленность по оптической плотности слоя газа определенной толщины (обычно 0,5 м). В дымомерах этого типа часть отработавших газов или все газы пропускаются через измерительный участок трубопровода, по торцам которого расположены осветитель и фотоэлемент, ток которого

17

регистрируется соответствующим прибором и служит показателем дымности. Дымомеры рассмотренных типов показывают относительную величину дымности в процентах.

1.4. Вспомогательные устройства стенда

Охлаждение двигателя и автоматическое регулирование теплового состояния

Схема охлаждения двигателей при стендовых испытаниях во двухконтурной системе приведена на рис. 1.8. Первый контур системы включает в себя рубашку охлаждения двигателя и теплообменник.

Второй контур образуют холодильник теплообменника и водопроводная сеть. Охлаждение жидкости, циркулирующей через двигатель, осуществляется за счёт перепада температуры жидкости в теплообменнике и холодильнике. Этот перепад может достигать 60 … 65° С. Регулирование температуры жидкости в системе охлаждения двигателя осуществляется путем изменения количества холодной воды, проходящей через холодильник. Для компенсации гидравлических сопротивлений в трубопроводе, если теплообменник удален от двигателя, ставят дополнительный водяной насос.

Современные испытательные стенды оборудуются системами автоматического регулирования температуры жидкости в системе охлаждения в заданных пределах. Регулирующим органом в этой системе является кран подачи холодной воды в холодильник теплообменника. Измерительным устройством является термометр сопротивления, установленный в выходном патрубке рубашки охлаждения двигателя, включенный в одно из плеч электрической мостовой схемы. Мост настраивают так, что при совпадении измеряемой температуры с задаваемой ток в диагонали моста отсутствует. Если в результате изменения режима работы двигателя измеряемая температура отклоняется от заданного значения, то в диагонали моста появляется ток, сила которого пропорциональна отклонению действительной температуры от заданного значения. После усиления и соответствующих преобразований сигнал, пропорциональный рассогласованию температур, поступает на реверсивный электродвигатель, который открывает или прикрывает регулирующий кран в зависимости от знака рассогласования. Вследствие большой инерционности изменения температуры охлаждающей жидкости в систему введена обратная связь, значительно снижающая инерционность регулирования.

Аналогичная система применяется для автоматического регулирования температуры масла в картере двигателя, где в качестве теплообменника используется водомасляный радиатор.

Согласно ГОСТ 18509—88 «Дизели тракторные и комбайновые», ГОСТ 14846—81 «Двигатели автомобильные» изменения температуры

охлаждающей жидкости и масла допускается в пределах 2°С.

18

Отвод отработавших газов и глушение шума выпуска

Выпускная система, предназначенная для отвода отработавших газов, состоит из газопровода, ресивера с глушителем и выпускной трубы (рис. 1.1).

Выпускной трубопровод двигателя соединяется с газопроводом через гибкое соединение (сильфон). Газопровод покрывается теплоизоляционным материалом, который обычно одновременно является и звукопоглощающим. С внешней стороны здания газопровод соединяется с ресивером, в котором размещен глушитель. В верхней части ресивера имеется предохранительный клапан на случай воспламенения горючей смеси в ресивере при обратных вспышках. Из ресивера отработавшие газы удаляются через выпускную трубу в атмосферу.

Величина гидравлического сопротивления выпускной системы не должна превышать 300 … 400 мм водяного столба; в случае повышенного гидравлического сопротивления применяют принудительный отсос отработавших газов.

Рис.1.8. Схема работы системы охлаждения двигателя на стенде: 1-теплообменник, 2-двигатель, 3-водяной насос, 4-задатчик температуры, 5-датчик термометрсопративление, 6-электрический кран подачи холодной воды, ВУ – выходной усилитель, УПУ – устройство предварительного усиления, ОС – обратная связь

Вопросы для самопроверки

1.Из каких систем состоит стенд для испытаний двигателей?

2.Какие основные требования предъявляются к электротормозным установкам? Как измеряется крутящий момент испытываемого двигателя?

19

3.Как работает тормозная установка по схеме генератор-двигатель в моторном и генераторном режимах?

4.Объясните принцип действия прибора для замера частоты вращения вала двигателя.

5.Как работает система для автоматического измерения расхода топлива: а) при отсутствии замера; б) при измерении расхода?

6.Как работает объемный расходомер воздуха?

7.Как работает двухконтурная система охлаждения с автоматическим регулированием температуры?

8.Какими методами при испытаниях двигателей замеряется температура воздуха, охлаждающей жидкости, масла и отработавших газов?

20