Стендовые испытания

Рис 6.2. Типичный стенд для измерения мощности двигателя мотоцикла. Топливный бак мотоцикла снимается и заменяется баком, входящим в состав стенда. Необходимо установить контрольный бак на той же высоте, что и штатный бак. Позади бака виден газоанализатор, который позволяет опредепить концентрацию углеводородов, оксида углерода и углекислого газа.

       Если Вы впервые проводите стендовые испытания. Вы увидите, что эти испытания могут дать больше информации, чем дорожные тесты. Есть несколько типов стендов, однако, наиболее широко используются тормозные стенды DynoJet, предназначенные специально для мотоциклов. Этот стенд кроме тормозов имеет инерционные массы. Имеются подобные стенды Bosch, Factory, Dynopower и Fuchs. Как правило, на этих стендах заднее ведущее колесо мотоцикла разгоняет барабан массой 1/2 или 1 тонна. Данные об ускорении роликов передаются в компьютер. На основании этих данных компьютер вычисляет ускорение и мощность двигателя, а также его скорость.

       Во время испытаний необходимо измерять температуру, влажность и давление воздуха для того, чтобы определить поправочные коэффициенты в соответствии со стандартами SAE или DIN. Кроме того, на стенде измеряется крутяший момент и обороты двигателя. По этим данным можно рассчитать мощность:

       где n - частота вращения двигателя, Т- крутяший момент двигателя, Н*м. Проблема чисто инерционных стендов заключается в том, что они не способны загрузить двигатель при установившейся частоте вращения, что особенно нужно на начальной стадии настройки карбюратора. Для этой цепи нужен стенд с гидравлическим или электрическим тормозом (производства фирм Froude.Schenck, SuperFlow, Sun и т.д.), однако, их недостатком является то, что они подсоединяются либо к цепи мотоцикла, либо к шестерне коробки передач, поэтому мотоцикл необходимо подготавливать к этим испытаниям.

       Некоторые стенды объединяют в себе инерционную и тормозную нагрузку (обычно в качестве тормоза используется электрический генератор) и дают возможность проводить испытания как при постоянной скорости вращения двигателя, так и при его разгоне или торможении. На некоторых стендах инерционные ролики связаны с тормозным генераторам. Эти стенды являются самыми удобными. Основной проблемой стендов является то, что мощность, образующаяся при работе двигателя на постоянных оборотах, в основном, преобразуется в тепло, которое необходимо отвести от стенда. Часто для этой цели применяется жидкостное охлаждение стенда. Стенды с воздушным охлаждением имеют серьезные проблемы, связанные с применением больших вентиляторов и запыленностью. С другой стороны, инерционные стенды являются незаменимым оборудованием для изучения плавности перехода двигателя с одного режима работы на другой, а также его приемистости.

       Еще одним большим различием стендов является их реакция на поломку двигателя (разрушениепоршня, шатуна ипи распределительного вала). Стенд с тормозом проста остановит двигатель, а инерционный стенд будет вращать его по инерции, усугубляя разрушения. До тех пор, пока оператор не разомкнет сцепление, двигатель будет принудительно вращаться роликами стенда. Чаще всего крутяший момент приводится в соответствии с рекомендаииями SАЕ J1349 к частоте вращения двигателя. Коэффициенты этого стандарта дают реалистичную картину при испытании двигателя в течение нескольких дней (достаточно долго, чтобы внешние условия успели измениться). Будьте очень осторожны с коэффициентами, превышающими 5%.

       Крутяший момент больше, чем мощность демонстрирует изменения расхода воздуха. Если крутящий момент падает, это свидетельствует о недостатке воздуха, или о невозможности сгорания всей рабочей смеси. Это может быть связано с неправильным расходом топлива, либо с чем-то, затрудняющим процесс впуска/сгорания/отвода тепла. Цепью этих испытаний является определение причин.

       Если у Вас есть возможность измерить расход топлива, в дальнейшем Вам пригодятся эти данные (строго говоря, расход должен быть определен в единицах массы в единицу времени, однако, чаще всего расход определяется в единицах объема в единицу времени, например, в см3/мин). На основании этих данных можно опреде-лить удельный расход топпива или тормозной удельный расход (он называется так, чтобы показать, что получен во время испытаний на тормозном стенде, хотя непонятно, как еще можно получить эти данные). Если расход топлива разделить на мощность (чаще всего измеряется в г/кВ-ч), полученное число будет определять эффективность работы двигателя: т.е. то, за что Вы платите делить на то, что Вы получаете взамен. Чем меньше это число, тем эффективнее и экономичнее работа двигателя. Идеальным решением при проектировании нового двигателя является снижение расхода топлива. Однако экономичность существуюших двигателей имеет известные пределы, так что при настройке такого двигателя надо стремиться попасть в диапазон, реально достигнутый другими двигателями. Так, четырехтактные двигатели имеют удельный расход топлива при максимальном крутящем моменте около 285 см3 / л.с.ч, который увеличивается при повышении скорости. Двухтактные двигатели дорожных мотоциклов имеют удельный расход топлива 350...400 см3 / л.с.ч, а двигатели гоночных мотоциклов - 500...600 см3 / л.с.ч, потому что в этих двигателях часть топлива расходуется на охлаждение двигателя.

       Зная эти пределы, возможно рассчитать максимальный расход топлива. Например, для двигателя мощностью 100 л.с. при удельном расходе топлива 285 см3 / л.с.ч производительность насоса, пропускная способность кранов и трубопроводов должна быть (с некоторым запасом) не меньше 30 л/ч.

       Во время предварительных расчетов имеет смысл дать еще больший запас производительности топливной системы, поскольку двигатель может работать не в самом экономичном режиме и требовать, например, 350 см3 / л.с.ч, и Вы рискуете оставить двигатель на голодном пайке. Тогда все Ваши новые жиклеры не будут никому нужны. Для гоночной машины нужен еща больший запас, потому что экономия топлива здесь отходит на второй план и Вам захочется обогатить топливную смесь. К другому измерительному оборудованию относится газоанализатор. Он представляет собой щуп, который вставляется в выхлопную трубу ипи датчик кислорода, который вворачивается в приемную трубу выхлопной системы. Щуп позволяет определить концентрацию (в %) оксида углерода (СО) и, иногда, углеводородов (НС), тогда как датчик кислорода показывает содержание избыточного кислорода (см. главу 2). У щупа есть только один недостаток - он может снимать только показания при установившейся работе двигателя. Если двигатель разгоняется, становится непонятным, к какой частоте вращения двигателя относятся показания газоанализатора. Однако в настоящее время разработаны такие датчики газоанализаторов, которые способны измерять состав газов и в этих условиях. Датчики такого типа способны наблюдать за составом выхлопных газов во время испытания и дают возможность построить характеристику состава выхлопных газов во всем диапазоне частоты врашения двигателя.

       Работа двигателя на постоянной скорости позволяет устранить эти проблемы. На практике инерционными стендами пользуются, включая высшую передачу в коробке передач, чтобы уменьшить ускорение двигателя, либо начиная разгон с определенной скорости, и используя газоанализатор для грубой оценки состава смеси, но не для определения его точного значения. Датчики с быстрой реакцией становятся все быстрее и дешевле, поэтому в настоящее время во время испытаний на инерционном стенде вполне возможно записывать показания датчика кислорода, датчика температуры свечей зажигания, датчика температуры выхлопных газов, датчика детонации, датчика давления и температуры воздуха в воздушной камере. По напряжению на свечах зажигания можно судить о составе рабочей смеси, поскольку обогащенная смесь загорается легче и для зажигания требуется меньшее напряжение, тогда как обедненная смесь за горается дольше и для нее требуется большее напряжение.

Потери мощности

       Есть еще один тест (так называемый тест Морзе), в котором измеряются потери на трение и всасывание. Иногда этот тест изменяется так, чтобы выявить различия в работе каждого цилиндра и каждого карбюратора.

       Для этого испытания двигатель должен работать с постоянной скоростью и нагрузкой. В процессе испытаний по очереди отключаются свечи зажигания. Первая проблема состоит в том, как отключать свечу зажигания, неповредив систему зажигания, либо (в случае попарного подключения свечей) как отключить одну свечу так, чтобы вторая продолжила работать. При полной проверке после отключения свечи нагрузка снижается до тех пор, пока двигатель не восстановит первоначальную частоту вращения, а затем эта нагрузка измеряется. Четырехцилиндровый двигатель, работающий на трех цилиндрах, имеет те же потери на всасывание и трение, однако, только в трех цилиндрах вырабатывается мощность. Чистая мощность двигателя называется индикаторной и определяется как разность полной мощности и мощности потерь.

       Это не совсем строго, поскольку температура в неработающем цилиндре уменьшается, отсутствует давление поршня на стенку цилиндра, а также не образуются выхлопные газы, что облегчает работу системы выпуска. Однако эти испытания дают возможность сравнить цилиндры двигателя между собой и выявить повреждение одного из них. Если некоторые цилиндры работают на обогащенной или обедненной смеси, их отключение окажет меньший эффект, чем отключение цилиндров, работающих на оптимальной смеси.

       Для того, чтобы обнаружить эти отличия, достаточно измерить падение частоты вращения двигателя при поочередном отключении цилиндров. Падение частоты вращения должно быть приблизительно равным для всех цилиндров. Двигатель не должен работать на максимальной нагрузке. Необходимо установить дроссельную заслонку в промежуточное положение (или даже на холостой ход) так. чтобы двигатель не остановился при отключении цилиндра.

Рис. 6.3. Считыватели данных. На рисунке показаны основные типы считывателей: Sysytem 1, выпускаемых Pi Research (слева) и Drack, выпускаемый Italian AIM (справа). Оба считывателя производят запись частоты вращения двигателя, скорости вращения колес. Кроме того, считыватель Drack позволяет подключить до восьми аналоговых каналов и гироскоп, тогда как считыватель Pi позволяет подключить не более шести аналоговых каналов.

Крутящий момент и мощность

       Мощность представляет собой произведение крутящего момента на частоту врашения. Если крутящий момент Т измеряется в Н*м, а частота врашения двигателя n -в об/мин, то мощность можно вычислить как:

       Для получения мошности в лошадиных силах достаточно умножить мощность в кВт на множитель 1.36, т.е.

       При увеличении скорости вращения (и неизменном или повышеюшемся крутящем моменте)повышается и мощность. Еспи крутяший момент снижается (но медленнее, чем увеличивается частота вращения), мощность двигателя будет возрастать или останется на одном уровне. Только в том случае, если крутящий момент будет падать быстрее, чем увеличиваться частота вращения, мощность также будет уменьшаться. В этом заключается причина того, что у большинства двигателей максимальный момент достигается при одной частоте врашения, а мощность достигает максимума при максимальной частоте вращения двигателя. Крутящий момент представляет собой силу, которая приложена к валу (умноженную на радиус этого вала). Например, если радиус вала равен 1 см, то двигатель, крутящий момент которого равен 20 Н-м, способен развить силу 2000 Н или поднять груз, масса которого равна 200 кг. Мощность характеризует время, за которое совершается эта работа. Если крутящий момент одного двигателя равен 20 Н-м при 2000 об/ мин, а у другого 20 Н-м при 4000 об/ мин, второй двигатель поднимет тот же груз в два раза быстрее. При одинаковом крутящем моменте мощность второго двигателя в два раза больше, чем первого. Эти значения являются усредненными значениями для многих циклов двигателя. Другим путем для исследования является изучение изменения крутящего момента в течение одного цикла для того, чтобы понять, как поступление топлива и воздуха влияют на процесс сгорания. Если во впускном тракте имеются сопротивления, ипи рабочая смесь плохо перемешана, либо камера сгорания имеет дефекты, все это скажется на снижении крутящего момента. Изменяя эти параметры и измеряя крутящий момент, можно обнаружить эффект этих изменений. Если крутящий момент усредняется в течение одного цикла, то мощность усредняется в течение промежутка времени. Посмотрим теперь на работу двигателя не в течение одного цикла, а в течение многих циклов (например, за одну секунду или одну минуту). Мы увидим несколько иные результаты. Например, закрытие дроссельной заслонки на 25% снизит расход воздуха и приведет к пропорциональному снижению крутящего момента, поскольку за каждый цикл в процессе сгорания будет принимать участие меньше воздуха. Если теперь мы увеличим число циклов, т.е. увеличим частоту врашения двигателя во столько же раз, момент все равно упадет, но мощность останется прежней.

       Крутящий момент очень точно характеризует изменение угла открытия дроссельной заслонки. Измерение мощности и частоты вращения двигателя дает меньше информации, особенно в том случае, когда двигатель разгоняется, а не работает на одной скорости.

       И мощность и крутящий момент являются средними значениями. Еспи мы будет рассматривать медленное вращение коленчатого вала, мы сможем увидеть его небольшое ускорение при сгорании рабочей смеси, когда крутящий момент многократно возрастает. В конце рабочего хода вал начинает замедляться, а крутящий момент двигателя становится отрицательным, то есть двигатель вращается по инерции в течение такта выпуска, впуска и сжатия рабочей смеси. Эта инерция также помогает гасить колебания частоты вращения двигателя, которые сходны с вибрацией. Средний крутяший момент является суммой положительного крутящего момента во время рабочего хода и отрицательного момента во время остальных тактов. При работе двигателя на высокой частоте эти колебания складываются в постоянное значение.

       В дополнение к этим колебаниям, один цикл двигателя отличается от другого. В основном это связано с возникновением турбулентного течения рабочей смеси, а также с изменением других условий. Эти изменения называются циклическими изменениями. Если двигатель работает нестабильно, это может говорить об излишней чувствительности карбюратора, который на эти изменения реагирует изменением состава рабочей смеси, которое приводит к возрастанию циклических колебаний и так далее. В этом случае двигатель не так плавно меняет режим работы или неустойчиво работает при определенных скоростях.

Примечание 1

       Джон Дальтон (1766-1844) установил закон парциальных давлений, который гласит, что в смеси идеальных газов каждый газ имеет такое же давление, как если бы он заполнял всю емкость при той же температуре. Давление смеси равна сумме парциальных давлений всех газов.

Поправочные коэффициенты

       Выходная мощность двигателя зависит от плотности воздуха. При увеличении давления и снижении температуры плотность воздуха возрастает, что приводит к некоторому повышению мощности двигателя. Снижение давления или повышение температуры снижают плотность воздуха. Влажность (содержание водяных паров в воздухе) также вносят изменения в работу двигателя. Пары воды имеют свое давление (называемое парциальным (см. примечание 1) и приводят к повыше-нию давления воздуха) и молекулы воды находятся между молекулами кислорода, снижая плотность кислорода, а не давление воздуха.

       Эти изменения не так значительны, как изменения, вызванные настройкой карбюратора, однако, очень важно провести все испытания при одних и тех же внешних условиях, или хотя бы ввести поправку на изменение внешних условий.

       Поправочные коэффициенты позволяют учесть изменения внешней среды и привести их к стандартным условиям: стандартной температуре, давлению и влажности на уровне моря. Стандартные условия несколько отличаются друг от друга в зависимости от организации, определяющей эти условия, (например, SAE J1349, DIN 70020, ЕС80/ 11269 и ISO 1585). Все эти данные имеются в программном обеспечении стенда Dynopower. Программное обеспечение Dynojet учитывает только данные SAE и DIN. При сравнении различных мотоциклов обычно руководствуются коэффициентами, установленными SAE, поскольку они дают наиболее реалистичные стандартные условия. В соответствии со стандартом SAE cf - поправочный коэффициент, р - абсолютное давление сухого воздуха (в дюймах ртутного столба), а t - температура воздуха (F).

       SAE - это американская организация, поэтому в качестве единиц измерения температуры принят градус Фаренгейта, однако, как Вы можете увидеть, формула приведена к 29.92 дюймам ртутного столба и 537°FABS ипи 70F (25°С). Высота над уровнем моря также вносит поправки. Пусть р0 - абсолютное давление (дюймы ртутного столба), р1 - относительное (измеренное) давление (дюймы ртутного столба), а h - высота над уровнем моря (в футах), тогда:

       Влажность измеряется при помощи влажного и сухого термометров. Влажный термометр обдувается воздухом, который приводит к испарению воды и охлаждению термометра. Разница температур влажного и сухого воздуха показывает относительную влажность воздуха, которую можно перевести в парциальное давление паров воды и учесть в поправочном коэффициенте. Влажность имеет большое значение в тропическом климате и, как правило, игнорируется в Европе. В климате Великобритании влажность воздуха приводитк изменениям данных испытаний на 3%, тогда как поправки, влияние которых не превышает 5% игнорируются.

       Крутящий момент и выходная мощность двигателя должны быть умножены на поправочный коэффициент (после этого мощность и момент обычно называются приведенной мощностью и приведенным моментом). Примечание. Если момент определяется по приведенной мощности (или наоборот), полученные данные не нужно умножать на поправочный коэффициент.

       Если Вы проводите испытания в течение нескольких дней, убедитесь в том, что результаты испытаний, полученныена второй день аналогичны результатам, полученным в первый день. Этим Вы подтвердите правильность используемых поправочных коэффициентов.

Различные виды карбюраторов на мотоциклы и скутеры вы можете купить у нас.