3.5. Определение мощности отремонтированных автомобильных двигателей методами индицирования

3.5.1. Общие сведения о методах индицирования

Индицированием называют процессы, связанные с записью быстроизменяющихся давлений в цилиндрах, каналах и внутренних полостях двигателей, например, в трубопроводах системы питания, картерной полости и др. В применении к цилиндрам двигателя такие записи называют индикаторными диаграммами, в других случаях – осциллограммами, поскольку записи ведут обычно с помощью осциллографов [8,12].

Индикаторные диаграммы давлений в цилиндрах позволяют с наибольшей надежностью определять среднее индикаторное давление в них и, следовательно, индикаторную мощность двигателя, оценивать особенности отдельных рабочих процессов, механические потери на трение в двигателе, жесткость его работы, температуру рабочего тела и т.д.

Индицирование выпускного трубопровода двигателя дает возможность, например, определять значения мгновенных температур потока, плотность и расход газа, если записи полных и статических давлений сделаны одновременно для двух принятых сечений трубопровода.

Устройства для записи быстроизменяющихся давлений называют индикаторами. По принципу действия их разделяют на электрические и пневмоэлектрические, или стробоскопические (точечные). Ранее для тихоходных двигателей применяли также механические индикаторы.

Электрические устройства индицирования обеспечивают запись мгновенных давлений в цилиндрах за каждый рабочий цикл двигателя, т.е. позволяют получать одноцикловую диаграмму. Стробоскопические последовательно фиксируют давления, относящиеся к отдельным точкам индикаторной диаграммы за время протекания сотен циклов, обеспечивая, таким образом, получение многоцикловых диаграмм.

Основными звеньями любых индикаторов являются датчики давления и регистрирующие приборы. В электрических индикаторах для регистрации используют магнитоэлектрические, но чаще всего электронные (катодные) осциллографы общего назначения.

Давления на диаграммах (осциллограммах) записывают в функции времени, угла поворота вала двигателя, хода поршня или объема цилиндра. В процессе индицирования на поле диаграммы наносят отметки мертвых точек, момента подачи искры или топлива в цилиндры, времени в долях секунды и делают другие записи, необходимые для последующей обработки диаграмм ручным или машинным способами. Однако ручная обработка диаграмм непригодна для анализа индикаторных показателей двигателя в большом объеме. Поэтому в настоящее время применяют ЭВМ, позволяющие, кроме всего, оперативно осуществлять контроль в ходе самого эксперимента за всеми получаемыми показателями, включая и те, определения которых требуется особенно большой объем вычислительной работы.

3.5.2. Электрические индикаторы

Индикаторы этого типа основаны на применении или магнитоэлектрических, или электронных осциллографов. На рис. 44 показана схема типичного индикатора, состоящего из пьезокварцевого датчика I, коаксиального соединительного кабеля II, катодного (электронного) осциллографа III с усилителями постоянного тока для сигналов от двух датчиков, фотоприставки IV, блока питания V и фотоэлектрического отметчика VI, фиксирующего на диаграмме положение ВМТ. Иногда параллельно применяют оба типа осциллографов: магнитоэлектрический для записи давлений, а катодный для визуального наблюдения за процессами в индицируемой полости. Широко используют также двухлучевые электронные осциллографы с фотоприставками, позволяющие одновременно записывать сигналы от двух датчиков, основного и вспомогательного. Последний служит для нанесения различных отметок на диаграмме и включается, например, по схеме, изображенной на рис. 44. В группе двухлучевых или двухканальных известны, в частности, электронные индикаторы «Орион» (Венгрия), «Тесла» (ЧССР) и «Диза Электроник» (Дания). Последний отличается универсальностью назначения и наличием легкосъемных усилителей, работающих с датчиками различных типов, что расширяет его возможности.

Рис. 44. Схема электрического индикатора с пьезокварцевым датчиком:

1 –двухлучевая катодная трубка; 2 – флуоресцирующий экран; 3 – фотообъектив; 4– кассета фотоприставки; 5 – вращающийся барабан с фоточувствительным материалом; 6 – фотоэлемент; 7 – вращающийся диск с отверстием для отметок ВМТ; 8 – лампа; 9 – стандартное сопротивление против радиопомех на 10 кОм; 10 – емкостный отметчик момента зажигания

Электронные индикаторы допускают запись давлений как по углу поворота вала двигателя, так и в зависимости от хода поршня, если на пластины горизонтальной развертки осциллографа подается напряжение, пропорциональное пути, пройденному поршнем. Способы, обеспечивающие это, подробно изложены в литературе. Диаграммы, воспроизводимые на экране электроннолучевой трубки, регистрируют на кинопленку, протягиваемую вращающимся барабаном синхронно с работой двигателя и скоростью съемки. В результате получают серию одноцикловых диаграмм (рис. 45). Но наиболее четкое изображение можно получить при фотографировании одиночных диаграмм, когда время экспозиции принимают лишь немногим больше длительности одного рабочего цикла двигателя [8,12].

Рис. 45. Одноцикловая индикаторная диаграмма:

1 – цикл без зажигания; 2 – ВМТ; 3 –отметка подачи искры; 4 – НМТ

Однако оба упомянутых способа записи диаграмм не совсем полно характеризуют исследуемый процесс, если для обработки результатов брать одиночные диаграммы. Вследствие влияния различных случайных причин давления, фиксируемые в последовательных циклах, могут заметно отличаться друг от друга. Поэтому возникает необходимость в осреднении нескольких десятков диаграмм, а это усложняет обработку результатов индицирования, особенно при ручном счете. Чтобы упростить задачу, при использовании электронных индикаторов прибегают к регистрации диаграмм на неподвижную пленку, а в случае применения магнитоэлектрических устройств осреднения достигают путем наложения большого числа диаграмм на один и тот же участок пленки или фотобумаги.

Для развертывания диаграммы по времени в индикаторе (рис. 44) служит генератор пилообразных сигналов, состоящий из колебательного контура, образуемого конденсаторами и тиратроном с холодным катодом. Конденсатор, включаемый параллельно тиратрону, заряжается до величины потенциала, при котором происходит зажигание тиратрона, вызывающее быструю разрядку конденсатора. В результате потенциал, возникающий на обкладках конденсатора, поступает на пластины горизонтального отклонения луча осциллографа. Поэтому время, затрачиваемое на последующую зарядку конденсатора, а следовательно, и частота горизонтальной развертки предопределяются емкостью конденсатора.

При фотографировании диаграмм горизонтальную пилообразную развертку осциллографа выключают, вследствие чего лучи совершают только вертикальные перемещения, а развертка диаграммы обеспечивается равномерностью вращения барабана с фотопленкой.

Для воспроизведения входных сигналов с возможно большей точностью осциллографы, так же, как и датчики индикаторов, должны обладать высокой частотой собственных колебаний и соответствующими амплитудными характеристиками.

Кроме высокой собственной частоты колебаний, датчики должны отвечать еще специфике быстроходных автомобильных и тракторных двигателей, имеющих относительно малый объем цилиндров и большие степени сжатия. В частности, от них требуется высокий уровень сигнала с линейной зависимостью его от давления, малая чувствительность к вибрации и изменению температурного режима, приемлемые размеры и стабильность характеристики при достаточном ресурсе работы. Мембрана датчика должна находиться заподлицо с внутренней поверхностью стенок камеры сгорания. Наличие каких-либо соединительных каналов нежелательно, поскольку в таких каналах возможно образование резонансных волн давления, искажающих диаграмму, а также вследствие неизбежного увеличения объема камеры сгорания двигателей.

Частоту собственных колебаний датчика подбирают из условий, чтобы она заведомо превышала частоту гармоники наивысшего порядка из числа составляющих диаграмму исследуемого процесса. С учетом этих обстоятельств и уточняют полосы частот, обеспечивающих надежную регистрацию индикаторных диаграмм. Наиболее полно диаграмма может быть записана при учете гармоник не ниже 150 порядка. Следовательно, верхний предел полосы частот (Гц), которую должен пропускать датчик, а также в целом индикатор:

для двухтактного двигателя

,

для четырехтактного двигателя

,

где п – скорость вращения коленчатого вала в минуту.

Для двухтактного дизеля, работающего при n = 2000…4000 об/мин, требуется частота порядка 5000…10000 Гц, а для че­тырехтактного – соответственно 2500…5000 Гц.

Двигатели с внешним смесеобразованием, как правило, имеют меньшую скорость нарастания давления в процессе сгорания, что снижает верхний предел полосы частот. Однако, учитывая их быстроходность (4000…8000 об/мин), следует принимать верхний предел полосы частот такой же, как для дизелей. Таким образом, с учетом необходимого двукратного запаса частота собственных колебаний датчика должна быть не ниже 10…20 кГц, иначе не может быть гарантирована неискаженная запись индикаторной диаграммы.

Для индицирования быстроходных двигателей применяют пьезо­электрические, емкостные, тензометрические и другие датчики, в связи с чем электрические индикаторы подразделяют соответственно на пьезоэлектрические, емкостные и т. д.

Наилучшими динамическими качествами из них обладают емкостные, в которых упругим элементом служит мембрана, не связанная механически с преобразователем. Близкими к ним свойствами обладают тензодатчики с непосредственным размещением преобразователя на мембране. Частота (с^-1) собственных колебаний круглых мембран таких датчиков с массой единицы площади _s = Нс²/см³ при малых перемещениях:

,

где _м – круговая частота собственных колебаний круглой мембраны, 1/с;  и R_м – толщина и радиус круглой мембраны, защемляемой по контуру, см;  = _s/ = /g – массовая плотность материала мембраны, Нс²/см⁴.

В более простом виде

.

Для мембран из стали с Е = 2010⁶Н/см²,  = 7,85 тс/м³, ₁ = 10,21 и  = 0,3 коэффициент  = 110⁶ см/с.

Собственная частота пьезодатчиков обычно не превышает 40 кГц, а тензодатчиков, в которых мембрана разделена с преобразователем, – около 20 кГц и только в отдельных случаях достигает 50 кГц.

Определенные трудности вызывает необходимость охлаждения датчиков, так как электрические свойства, например, кварцевых кристаллов, начинают заметно изменяться с увеличением температуры до 150 °С и более. В практике индицирования применяют поэтому датчики охлаждаемые (рис. 46,а), но иногда и с охлаждаемой (рис. 46,б) мембраной. Датчик с неохлаждаемой мембраной состоит из корпуса 6 с завальцованной в его нижнюю часть мембраной 1, на которую через шаровую опору 2 непосредственно опираются два кварцевых кристалла 3 (диаметром 4,5 и толщиной 2 мм). Вывод заряда осуществляют проводником 5, изолированным от верхней опоры кристаллов стеклянной трубкой 4 и от корпуса датчика керамической трубкой 7. Общее охлаждение датчика осуществляют водой, циркулирующей в полости его рубашки.

Рис. 46. Пьезоэлектрические датчики

Датчик с охлаждаемой мембраной отличается от датчика с неохлаждаемой мембраной тем, что кристаллы кварца 10 и нижняя сферическая опора 11 помещены в герметический стальной стакан 15 с дном 14, изготовленным из медной фольги толщиной 0,1 мм и плотно облегающим нижнюю опору кристаллов. Кристаллы кварца через нижнюю опору и дно стакана опираются на мембрану 13, изготовленную из инвара и прижатую к корпусу датчика гайкой 12. Охлаждающая вода по каналу 8 поступает внутрь датчика, омывает мембрану и стакан, а затем по каналу 9 выводится из датчика. Вывод заряда осуществляют так же, как в датчике с неохлаждаемой мембраной.

В настоящее время широко применяют различные малогабаритные датчики. Так, в случаях исследования переменных давлений в газовых потоках с пульсирующим движением или быстроизменяющихся процессов успешно используют индуктивные малогабаритные датчики типа ДМИ. Такие датчики вырабатывают большой выходной электрический сигнал и допускают статическую градуировку. Промышленность выпускает их для диапазонов измерений ±0,1…100 Н/см².

Рис. 47. Тензометрический датчик для малых давлений

Для измерения быстроизменяющихся давлений в последнее время успешно применяют тензометрические датчики. На рис. 47 показано устройство такого датчика, разработанного Владимирским политехническим институтом для малых давлений. В стальном корпусе 11 находится гофрированная мембрана 9, изготовленная из бериллиевой бронзы толщиной 0,2 мм. Через толкатель 7 мембрана жестко связана с упругой кольцевой балочкой 5, на которую наклеены четыре тензометра сопротивления типа ФКПАЗ-100 с базой 5 мм и но­минальным сопротивлением 92 Ом. Верхняя часть балочки прикреплена к ползуну 4, положение которого в корпусе регулируется гайкой 3. Штифт 1 препятствует повороту ползуна при вращении регулировочной гайки.

Тензосопротивления соединены таким образом, что все они являются рабочими плечами четырехплечего моста. Выводные проводники их присоединены к штепсельному разъему 6.

Измеряемое давление, действуя на мембрану, вызывает деформацию балочки, которая регистрируется осциллографом с помощью тензометрической аппаратуры.

Для охлаждения датчика при установке его на горячих деталях предназначена водяная рубашка 10. Балочка с тензометрами защищена от нижней части корпуса двумя тепловыми экранами 8 из латуни толщиной 0,2 мм. Конструкция датчика позволяет выполнять его тарировку непосредственно на месте измерения. Для этого воздух известного давления через штуцер 2 подается в полость над мембраной.

Датчик можно применять для исследования периодически изменяющихся давлений частотой до 300 Гц. Линейность характеристики датчика (в комплекте с тензометрической установкой типа ТУЧМ) сохраняется при избыточном давлении (или разрежении) до 6,5 Н/см².

Анализ индикаторной диаграммы начинают с определения начала видимого сгорания в цилиндре, которое соответствует отрыву линии сгорания от линии сжатия. Чтобы найти эту точку, на рабочую индикаторную диаграмму необходимо наложить диаграмму сжатия–расширения. Однако получение такой диаграммы с линией сжатия, совпадающей с линией сжатия рабочей индикаторной диаграммы, сопряжено с трудностями: Наиболее простое решение, на первый взгляд, состоит в выключении зажигания и фотографировании диа­граммы сжатия–расширения методом прокрутки вала двигателя с выключенным зажиганием или без подачи топлива. Но наполнение двигателя заметно при этом изменяется, что влечет соответствующее изменение давления в цилиндре. Кроме того, трудно поддерживать строго одинаковыми скорости вращения барабана при фотографировании рабочей индикаторной диаграммы на одном снимке и диаграммы сжатия–расширения без сгорания на другом. Разные скорости вращения барабана обусловливают различные масштабы диаграмм по углу поворота коленчатого вала, что делает невозможным их совмещение без предварительной перестройки в одинаковых масштабах, а это усложняет методику обработки диаграмм и снижает точность нахождения момента начала видимого сгорания.

Поэтому для более точного определения момента начала видимого сгорания диаграмму сжатия–расширения без сгорания смеси фотографируют на ту же пленку, на которой зафиксированы рабочие индикаторные диаграммы с минимальным возможным разрывом по времени и без остановки вращения барабана фотоприставки. Обычно эту задачу решают с помощью устройства, которое позволяет выключать зажигание в последнем периоде фотографирования и обеспечивает фоторегистрацию процессов сжатия–расширения на ту же пленку (см. рис. 45). Линии сжатия на диаграмме сжатия–расширения практически полностью совпадают при этом с линией сжатия рабочих циклов, что и позволяет сравнительно точно определять момент начала видимого сгорания.