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 : TPraszkiewicz@ath.bielsko.pl 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 + 0,56 V + 0, 01 V A B C Wyniki zadymienia zarejestrowane na hamowni V A V B V C SV 0,076148019 0,154688509 0,235776699 0,128233236 0,154688509 0,263401289 0,128233236 0,154688509 0,348155168 Wartość średnia 0,110871497 0,154688509 0,282444385 0,137124753 Tablica 1 Rys. 6. Przebieg testu zadymienia ELR 254
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