execution of research tests on automated dynamometer engines

execution of research tests on automated dynamometer engines

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3‐4 ISSN 1231 ‐ 4005 EXECUTION OF RESEARCH TESTS ON AUTOMATED
DYNAMOMETER ENGINES STAND
Tomasz Praszkiewicz, Maciej Sobieszczański
Akademia Techniczno Humanistyczna w Bielsku-Białej,
Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów
ul. Willowa 2, 43-300 Bielsko-Biała, tel.(033) 8162663
Email : [email protected]
Abstract
In the modifications of modern engines, permanent control of the effects is required, especially the modification
effect on the economics and ecology of the engine operation.
Therefore, the possibility of testing of an engine in the special testing cycles is an essential step. Within the frames
of Department of Combustion Engines and Vehicles activities, a modern engine test bench has been built. The
control system of the engine test bench is easy programmable and enables automatically acquisition of all measured
parameters. The whole system of workstation is controlled by the PC –type central computer. The installation of
additional measuring cards allows for simultaneous control of the workstation and data acquisition. In the control
system, a programming of the testing cycle in the form of tables of time, rotational speed, torque moment has been
predicted. Such set up of testing cycle allows obtaining reproducible dynamical states within the workstation. The
preliminary investigations of the smokiness in the ELR testing cycle that confirmed the correctness of the
workstation operation have been carried out.
REALIZACJE TESTÓW BADAWCZYCH NA ZAUTOMATYZOWANEJ
HAMOWNI SILNIKÓW SPALINOWYCH
Streszczenie
Modyfikacje nowoczesnych silników wymagają ciągłej kontroli efektów, szczególnie wpływu modyfikacji na
ekonomikę i ekologię pracy silnika. Niezbędna jest zatem możliwość badania silnika w specjalnych cyklach
testowych. W ramach prac Katedry Silników Spalinowych i Pojazdów powstała nowoczesna hamownia silnikowa.
System sterowania hamowni jest w prosty sposób programowany i zapewnia akwizycję wszystkich mierzonych na
stanowisku parametrów w sposób automatyczny. Cały system stanowiska nadzorowany jest przez centralny
komputer typu PC. Zainstalowane dodatkowe karty pomiarowe pozwalają na równoczesne sterowanie stanowiskiem
i pełną akwizycję danych. W systemie sterowania przewidziano programowanie cyklu badawczego w postaci tabeli:
czas, prędkość obrotowa, moment obrotowy. Taka definicja cyklu badawczego pozwala uzyskiwać powtarzalne
stany dynamiczne na stanowisku. Przeprowadzono wstępne badania zadymienia w cyklu testowym ELR które
potwierdziły poprawność działania stanowiska.
Wprowadzenie
Ciągłe zaostrzanie norm emisji zanieczyszczeń komunikacyjnych spowodowało konieczność badania nie tylko całych samochodów, ale również samego silnika w odpowiednio
dobranych reprezentatywnych warunkach testowych. Dla potrzeb badań silników o zapłonie
samoczynnym powstała dyrektywa 1999/96/EC określająca warunki doboru parametrów i
zasady tworzenia cykli badawczych (testów) dla konkretnego modelu silnika. Ujednolicenie
cykli badawczych było konieczne ze względów homologacyjnych. Cykle badawcze są określone
statycznie bądź jako funkcja czasu trwania testu. W większości przypadków cykle o charakterze
statycznym można zrealizować na dowolnym stanowisku dynamometrycznym o wymaganej
klasie dokładności. Niestety, na takim stanowisku, niemożliwa jest realizacja cykli w których
250
prędkość obrotowa i obciążenie jest funkcją czasu trwania testu. Niezbędne jest zatem
stosowanie stanowiska badawczego umożliwiającego programowanie przebiegu testu. W
katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów oprócz testów określonych we wspomnianej
dyrektywie, stanowisko umożliwia również programowanie własnych cykli badawczych
ułatwiających ocenę wpływu wprowadzonych zmian na konkretne parametry badanego silnika.
Stanowisko badawcze
Opracowano koncepcję oraz wykonano system automatycznego sterowania i archiwizacji
danych na hamowni silnikowej. System umożliwia zdalne sterowanie pracą hamulca i silnika, w
tym realizację cyklu badawczego, w którym zdefiniowane są przebiegi obciążenia i prędkości
obrotowej w funkcji czasu. Stanowisko takie pozwala na wielokrotne powtórzenia cyklu
badawczego, co ułatwia ocenę wprowadzonych w silniku modyfikacji. Na rysunku pierwszym
przedstawiono ogólny schemat stanowiska badawczego.
Komputer zarządzający
sterowaniem i akwizycją
danych
Zespół przetworników
i sterowników
Inne przyrządy
pomiarowe
Badany silnik
Hamulec
dynamometryczny
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego
Na stanowisku zainstalowano aktualnie produkowany turbodoładowany silnik o zapłonie
samoczynnym, wykonany w technice „czterozaworowej”, wyposażony w elektronicznie sterowane układy: wtryskowy i recyrkulacji spalin. Silnik spalinowy połączony jest przegubowym
wałem z hamulcem elektrowirowym firmy Schenck.
Stanowisko badawcze wyposażone zostało w system automatycznej regulacji prędkości
obrotowej i momentu obrotowego oraz tory pomiarowe umożliwiające pomiary i rejestrację
wielu parametrów pracy silnika. Pomiary mogą być wykonywane z różną gęstością próbkowania, od 1s do 300s. Można określić liczbę zadanych pomiarów. Rysunek 2 przedstawia
zabudowę silnika na stanowisku badawczym.
251
Rys.2. Ogólny widok stanowiska badawczego
Możliwa jest także rejestracja parametrów „na życzenie” w momencie wskazanym przez
obsługę. Każdy pojedynczy pomiar zawiera datę i godzinę dokonania pomiaru. System
pomiarowy zapewnia równoczesną rejestrację wyników z różnych mierników zainstalowanych
na stanowisku.
Rys. 3. Pomieszczenie sterujaco-pomiarowe
Na stanowisku zainstalowano również układ służący do indykowania silników. Układ ten
jest oparty o urządzenie AVL Indimeter 619 umożliwiający równoczesny pomiar czterech
parametrów z częstością maksymalną co 0,1 stopnia obrotu wału korbowego.
Na rysunku 4 przedstawiono widok ogólny panelu sterująco-pomiarowego programu
nadzorującego pracę hamowni.
252
Rys. 4. Panel sterująco-pomiarowy systemu
Programowanie i przykład wyników testu ELR
Tworzenie cykli testowych odbywa się w specjalnym programie wytwarzającym plik
danych sterujący pracą hamowni. Osoba obsługująca program podaje tylko punkty
charakterystyczne przebiegu prędkości i momentu obrotowego odniesione do czasu mierzonego
od początku cyklu. Pomiędzy punktami charakterystycznymi program przeprowadza interpolację
liniową. Program pozwala również na zapis i odczyt tabeli punktów charakterystycznych cyklu
w postaci pliku tekstowego co ułatwia ewentualne modyfikacje testów. Na rysunku 5
przedstawiono główne okno programu.
Rys. 5. Generator pliku sterującego hamownią
Przykładowym testem realizowanym na stanowisku badawczym był cykl ELR służący do
wyznaczania zadymienia spalin silnika przy dużej dynamice zmiany obciążeń. Przeprowadzono
kilka prób testowych. Przebieg prędkości i momentu obrotowego w zrealizowanym teście
253
przedstawiono na rysunku 6. Linia szara przedstawia teoretyczny zarys testu linia czarna
rzeczywiste zmierzone wartości w czasie realizacji testu.
Pomiary zadymienia w czasie testu powinny być realizowane z częstością co najmniej 20Hz.
Niestety na stanowisku zainstalowany był dymomierz pełno przepływowy firmy Tecnotest
umożliwiający dokonanie tylko pomiarów uśrednionych z częstością 1Hz. Jednakże możliwe
było obliczenie przybliżone wyniku ostatecznego gdyż procedura obliczeń zakłada wyznaczenie
trzech maksymalnych 1 sekundowych średnich na odcinkach testowych dla każdej prędkości
obrotowej. W tablicy 1 zestawiono wyniki pomiarów zadymienia wyrażone poprzez
współczynnik absorpcji światła k [m-1] dla badanych w teście prędkości obrotowych A,B,C.
Wynik ostateczny jest obliczany według formuły:
SV = 0,43 ⋅ V A + 0,56 ⋅ V B + 0,01 ⋅ VC
Tablica 1
Wyniki zadymienia zarejestrowane na hamowni
Wartość średnia
VA
0,076148019
0,128233236
0,128233236
0,110871497
VB
0,154688509
0,154688509
0,154688509
0,154688509
VC
0,235776699
0,263401289
0,348155168
0,282444385
Rys. 6. Przebieg testu zadymienia ELR
254
SV
0,137124753
Podsumowanie
• Badanie silników wymaga stosowania systemu automatycznego sterowania i rejestracji
wyników na hamowni.
• Takie sterowanie umożliwia programowanie powtarzalnych testów badawczych o charakterze
dynamicznym.
• Wyniki przeprowadzonych testów wykazały, że zastosowany system sterowania zrealizował
przebieg testu ELR z zadawalającą dokładnością (rys.5).
Literatura
1. Jerzy Merkisz „Ekologiczne problemy silników spalinowych” Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 98.
2. Directive 1999/96/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL 13
December 1999
255