Моторные стенды в нашей работе

Считается, что наличие собственного моторного стенда - является неотъемлемой составляющей для профессионального тюнинга и ремонта двигателей.

Моторный динамометрический стенд - это не просто инструмент для измерения величины мощности и крутящего момента ДВС (хотя, некоторые люди уверены - что это все, для чего он может использоваться).

Моторный стенд является в первую очередь инструментом контроля качества, позволяющим убедится в том - что перебранный мотор работает корректно и надежно, прежде чем он покинет помещение мастерской. Обкатка двигателя, его тестирование и настройка - все это возможно выполнить на моторном стенде еще до того, как двигатель будет установлен в транспортное средство - мотоцикл или спортивный автомобиль.

К сожалению - все механики, не зависимо от квалификации - ошибаются. Поэтому, намного лучше обнаружить проблему еще на стенде - а не по середине гоночного трека.

Диностенд дает возможность полного контроля такой важной операции, как первоначальная обкатка двигателя. Можно быть уверенным в том, что система смазки работает корректно, давление масла и его температура - нормальны, и все это возможно измерить еще при "холодной прокрутке", до первой вспышки двигателя.

Кстати...
Одна из типичных причин поломки двигателя - нарушение процедуры обкатки. Так, например - если Вы используете специальное обкаточное масло (более жидкое, чем обычное) - следует иметь в виду, что это масло хорошо подходит только для первых часов работы двигателя. После окончания обкатки - такое масло необходимо слить и заменить на обычное.

Так же не желательно производить обкатку на фиксированных оборотах. Коленчатый вал двигателя вместе с присоединенными к нему механизмами образует так называемый торсион - пружину, работающую на кручение. Любая пружина с грузом является колебательной системой с присущими ею резонансными частотами. Если Вы при обкатке случайно попадете на один из резонансов - и продержите двигатель в этом режиме длительное время - последствия могут быть печальными, вплоть до механического разрушения колен.вала. Именно по этой причине - в процессе обкатки требуется непрерывно менять рабочую частоту двигателя по специальной циклограмме, чтобы максимально быстро проскакивать подобные резонансные точки, являющиеся опасными для ресурса двигателя.

Измерение мощности и крутящего момента двигателя

Первая и самая важная функция программного обеспечения диностенда - снятие характеристик мощности и момента ДВС.

Но - как известно, двигатель при разных атмосферных условиях может работать по-разному, и будет показывать разные цифры.

Представим ситуацию. Замерили двигатель в понедельник. Несколько дней потратили на доработки. В пятницу замерили повторно.
Атмосферные условия за неделю - могут поменяться очень сильно, и чтобы обеспечить стабильность замера (проще говоря - при отсутствии изменений в конструкции, мотор не зависимо от погоды должен всегда показывать одинаковую мощность) используется методика приведения мощности к стандартной атмосфере.


Существуют две самые распространенные базовые формулы коррекций. Обе были разработаны в Society of Automotive Engineers (SAE).
Старая формула коррекции, но встречающаяся и сейчас - называется J-607. Она используется до сих пор в некоторых мастерских, так как по сравнению с более новой J-1349 завышает мощность двигателя примерно на 4 процента. Этот метод зачастую используется в качестве "уловки" для привлечения клиентов - ведь, разве кому-то будет не приятно увидеть большую мощность двигателя?
Более новая формула J-1349 позволяет максимально точно корректировать мощность двигателя и используется в основном при разработках и исследовании ДВС, для получения стабильных цифр мощности двигателя.
В нашем оборудовании используется J1349 как наиболее точная методика.

Моторный диностенд позволяет отслеживать давление масла в двигателе, температуру охлаждающей жидкости, параметры выхлопа - по датчикам количества кислорода и температуры отработанных газов - чтобы быть уверенным - состав смеси не является слишком бедным, или богатым. Так же - используя датчики детонации - возможно измерять углы опережения зажигания и подстраивать таблицы УОЗ без риска вывести из строя поршневую группу. Используя совокупность выдаваемых стендом данных - можно вовремя заметить, если что-то пойдет не так - и вовремя остановить двигатель, не допуская серьезных повреждений.

Набор датчиков определяется задачей, поставленной перед нами - и может варьироваться от 1-2 до нескольких сотен каналов измерений. И, порой - самой сложной проблемой является анализ записанных данных - ведь, за 1 минуту работы стенд может производить до 100 мегабайт информации.

Варианты стендов
Все моторные стенды измеряет мощность и крутящий момент двигателя, создавая строго определенную величину нагрузки на коленчатый вал при помощи управляемого тормоза-нагрузки.

Принцип работы таков - ДВС устанавливается на специальную подставку, к нему подключаются системы подачи топлива, охлаждения, электрика. На выходной вал - при помощи кардана, подсоединяется основная деталь моторного стенда - Тормоз.

Создавая нагрузку на двигатель - он проворачивается в своих опорах. То, насколько сильно повернулся тормоз - напрямую зависит от крутящего момента, действующего не него. Величина измеряется при помощи тензодатчиков, пересчитывается по стандарту SAE - и выводится оператору в виде понятных чисел Мощность/Момент.

 

Самих нагрузочных механизмов - существует множество вариантов. Тормоз должен обладать следующими свойствами:

- не иметь быстроизнашивающихся частей, быть удобным в эксплуатации и обслуживании
- длительно рассеивать 100 и более киловатт подводимой к нему мощности
- обеспечить линейное управление нагрузкой в широком диапазоне оборотов
- иметь высокую стабильность создаваемого усилия - величина нагрузки не должна изменяться по мере прогрева
- время реакции должно составлять менее 0.5 секунд
- малый момент инерции ротора для обеспечения возможности тестов на Transient Response

К сожалению, эти параметры являются противоречивыми - и на практике не возможно создать "идеальный" тормоз для стенда.

Поэтому, в нашей мастерской имеются 2 типа моторных стендов - с водяным тормозом (WaterBrake), и электромагнитным вихретоковым (Eddy-currents). Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Так, водяной тормоз имеет очень маленькую массу вращающихся частей (а следовательно - и момент инерции). К тому же он способен рассеивать длительное время значительное количество тепла, сотни киловатт - так как охлаждается он проточной водой - которая и является его рабочим телом.
Малые габариты и масса ротора позволяют использовать Waterbrake на высокооборотистых двигателях - его RPM ограничен, по сути, типом используемых подшипников - и может составлять 25000 об/мин. 
Разработанный и изготовленный нами водяной тормоз способен рассеивать длительное время около 600 лошадиных сил (в кратковременном режиме приблизительно 1000), но - "обратной стороной медали" является плохая чувствительность его на низких скоростях вращения.
Так, на 1500 об/мин его нагрузочная способность составляет менее 30л.с.

Внешне водяной тормоз устроен он относительно не сложно. Он крепится на двух опорных подшипниках и подключается к коленчатому валу двигателя при помощи карданного вала. Внутри находится алюминиевый ротор с лопатками, которые при вращении создают сопротивление. Регулируя давление воды в водяном тормозе - система управления изменяет величину нагрузки. В результате - тормоз обеспечивает сопротивление, превращая механическую мощность двигателя в нагрев воды.

Но за внешней простотой схемы стоит огромная работа по оптимизации формы гидравлического ротора, устранения проблем кавитации и локального кипения, обеспечение линейного отклика на изменение давления и многое другое.


Как следует из принципа действия Waterbrake - он идеально подходит для настройки двигателей большой мощности, у которых есть возможность снять нагрузку непосредственно с маховика коленчатого вала. 
Водяной тормоз - очень легкий и компактный, порядка 20кг - его буквально можно "поднять одной рукой", и он в целом довольно удобен в эксплуатации.

Но - на большинстве моторов мотоциклов или квадроциклов - коленвал спрятан глубоко в картере, и подключить к нему нагрузку нет никакой возможности. Единственный выход мощности "на улицу" - это вторичный вал коробки передач. Но - передаточное отношение "моторной передачи" - обычно составляет около 1:2, и даже включив 6 передачу - на гидротормозе настраивать мотоциклетный мотор, неэффективно.
Обороты низкие, тормоз - неэффективен.

Поэтому - для настройки таких моторов мы используем второй стенд, с электромагнитным тормозом на вихревых токах Фуко.
Его устройство более сложное.
Нагрузка создается при помощи вращающегося стального диска в сильном магнитном поле, создаваемом электрическими катушками.
Чем больше интенсивность магнитного поля - тем больше величина наведенных токов и усилие на валу тормоза.
Управляя электромагнитами тормоза при помощи силового преобразователя - компьютер стенда позволяет имитировать изменение нагрузки на двигатель.
Крутящий момент преобразуется в нагрев дисков. Диски имеют лопасти для охлаждения и отводят тепло в воздух.
Из-за большой массы стального ротора - обороты на валу тормоза не должны превышать 3500об/мин, иначе диски могут попросту разрушиться по причине центробежных сил.
Преимуществом - является отличная чувствительность нагрузочного модуля на низких оборотах. Электромагнитный тормоз способен развивать полную мощность менее чем на 100RPM - и он является отличным инструментом для создания нагрузки на двигатели со встроенной коробкой передач, либо на низкооборотистые двигатели (V-Twin).


Имея в распоряжении оба типа нагрузочных установок (моторных стендов) - водяной и электрический - мы можем предложить возможность снять характеристики, провести ресурсные испытания - и настроить практически любой двигатель. Для решения же самых нестандартных задач - всегда существует возможность разработки методики тестирования ДВС и изготовления нагрузочного модуля непосредственно по Вашему тех.заданию.

Следует еще раз подчеркнуть, мы не рассматриваем моторный стенд только лишь как средство для измерения мощности двигателя. Это в первую очередь инструмент, дающий и нам - и Вам, как клиенту - уверенность в надежности силовой установки после ее ремонта или модификации, тюнинга.

x