Приведена принципиальная схема экспериментального стенда для исследования автомобильного биогазового ДВС. Приведено описание измерительных приборов, используемых в данном экспериментальном стенде.
Ключевые слова: биогаз, экспериментальный стенд, датчик, измерительный прибор.
Важным этапом при создании биогазового двигателя является его экспериментальное исследование. На этом этапе проверяется адекватность математических моделей, применяемых для расчётного исследования различных процессов в двигателе, а также основные расчётные результаты, полученные с их помощью. Кроме того, с использованием экспериментального стенда выполняется доводка рабочего процесса биогазового ДВС. Следовательно, создание экспериментального стенда на базе автомобильного биогазового ДВС является наиболее ответственным этапом в его исследовании, и, соответственно — актуальной задачей.
В настоящее время накоплен значительный опыт создания специальных стендов для доводки газовых двигателей [1–3]. Такие стенды оборудованы классическими системами топливоподачи и зажигания, которые дают возможность ручного управления параметрами. Микропроцессорные системы управления, которыми оснащены современные двигатели, не позволяют изменять коэффициент избытка воздуха и УОЗ в ручном режиме. Поэтому поставлена задача дополнительно разработать ряд устройств, которые позволят изменять количество топлива и УОЗ в широком диапазоне, не изменяя характеристических карт микропроцессорной системы управления.
В данной работе поставлена задача создания автоматизированного стенда для исследования рабочего процесса двигателя, который приспособлен для работы на биогазе. Для выбора и обоснования параметров рабочего процесса необходим полный комплекс измерительной аппаратуры, удовлетворяющий следующим требованиям:
возможность работы на бензине и биогазе; возможность управления составом рабочей смеси, как при работе на бензине, так и на биогазе; возможность принудительного управления величиной угла опережения зажигания; измерение момента сопротивления на валу двигателя во всем диапазоне изменения частоты вращения (n = 800…5590 мин-1); регистрация давления в цилиндре двигателя (индикаторная диаграмма) с последующим определением индикаторных показателей; регистрация расхода воздуха и топлива; поддержание стабильного температурного режима двигателя. Кроме того, автоматизированная система исследования должна обеспечивать сбор экспериментальных данных, для оперативной обработки и набора базы данных.
В качестве базы для создания биогазового ДВС был выбран серийно выпускаемый в настоящее время заводом «АвтоЗАЗ-Мотор» ЗАО «ЗАЗ» и устанавливаемый на автомобили «ZAZ Sens» двигатель МеМЗ-307 (основное топливо — бензин АИ-95). В серийном исполнении этот двигатель имеет следующие конструктивные и эксплуатационные характеристики: диаметр цилиндра — 75 мм; ход поршня — 73,5 мм; степень сжатия 9,8; эффективная мощность — 51,5 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 5200 мин-1. Микропроцессорная система управления двигателем — «Микас 10.3».
При переводе данного двигателя на биогаз степень сжатия была увеличена до = 13,5.
Структурная схема стенда приведена на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема экспериментального стенда на базе автомобильного биогазового ДВС: 1-балансирная машина; 2-набор сопротивлений; 3-карданная передача; 4-коробка передач; 5 — баллоны с биогазом; 6-двигатель МеМЗ-307; 7-водяной теплообменник; 8-манометр; 9-расходомер газа; 10-двухступенчатый газовый редуктор; 11-манометр; 12-радиатор двигателя; 13-весы для измерения расхода жидкого топлива; 14-измерительно-вычислительный комплекс; 15-вентилятор; 16-газовая рампа с форсунками; 17-бензиновая рампа с форсунками; 18-ЭБУ газовой системы; 19-впускний коллектор; 20-выпускной коллектор; 21-ЭБУ двигателя; 22-пульт управления; 23-прибор для измерения температуры охлаждающей жидкости; 24-прибор для измерения температуры масла; 25-прибор для измерения температуры ОГ; 26-прибор для измерения давления масла в системе смазки; 27-прибор для измерения частоты вращения коленчатого вала; 28-прибор для измерения частоты вращения ротора балансирной машины; 29-замок зажигания; 30-панель приборов автомобиля; 31-переключатель вида топлива; 32-рукоятка для управления дроссельной заслонкой; 33-устройство для изменения сопротивления впускной системы; 34-устройство для управления нагрузкой на ДВС; 35-прибор для измерения сопротивления выпускной системы; 36-глушитель шума; 37-резонатор; 38-расходомер воздуха; 39-весовое устройство для измерения нагрузки; 40-газоанализатор.
Для возможности плавного изменения момента сопротивления на валу двигателя, при проведении испытаний, стенд оборудован электрическим нагрузочным устройством МПБ-100 1 (рис. 1). Для передачи мощности от двигателя к балансирной машине используется механическая коробка передач ВАЗ 2103, которая позволяет работать в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, а также карданной передачи. Стенд оборудован дополнительным воздушным вентилятором 15, а также дополнительным теплообменником 7, при помощи которых можно моделировать температурный режим максимально приближенный к реальным условиям эксплуатации.
Для исследования работы двигателя на альтернативных газообразных видах топлива стенд оборудован газовой системой 4-го поколения, которая включает в себя: каскад баллонов с запасом газа 5, двухступенчатый газовый редуктор 10, магистраль высокого и низкого давления, газовую рампу с форсунками 16, блок управления газовой системой 18. Для выбора вида топлива на панели пульта управления 22 предусмотрен переключатель 31.
Основной задачей системы автоматического сбора данных (САСД) является обеспечение исследования набором данных, характеризующих ход протекания эксперимента. Для экспериментов различного рода необходимо охватить достаточно много параметров. А построение многоканальной измерительной системы, для сигналов различного рода, является трудоемкой и дорогостоящей работой. Задачей измерительного комплекса является регистрация быстропротекающих процессов ДВС. В диагностических целях для этого в основном используют осциллограф, но для исследования ДВС, в особенности на переходных режимах, требуются наборы статистических данных подряд записанных циклов. Кроме того, количество требуемых параметров зачастую превышает количество каналов осциллографов общего применения.
Одним из таких параметров является кривая изменения давления в цилиндре (индикаторная диаграмма), что даёт наглядное представление о протекании параметров состояния рабочего тела в течение цикла. Для обработки индикаторная диаграмма должна сопровождаться различными метками синхронизации, такими как верхняя мертвая точка (ВМТ), нижняя мертвая точка (НМТ), момент зажигания (МЗ) и т. п. Поэтому для разработки измерительного комплекса было решено использовать многоканальное устройство ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных компьютерах на базе платы L-783 (ЗАО «Л–Кард»).
Здесь сигналы штатных датчиков ЭСУД и пьезоэлектрического датчика давления (ПДД) через усилитель заряда поступают на блок согласования, в котором происходит преобразование и нормирование сигналов по уровню, во избежание превышения предельно-допустимых значений по входу устройства ввода-вывода. Далее посредством АЦП сигналы оцифровываются и поступают в компьютер.
Рис. 2. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса
Для установки датчика давления в первом цилиндре головки цилиндров был выполнен специальный канал. Обеспечение стабильного температурного режима датчика достигается принудительным водяным охлаждением.
Для работы ДВС на обедненных смесях, а также для доводки параметров рабочего процесса двигателя при работе на газовом топливе, необходимо обеспечить возможность принудительного управления количеством топлива, в составе топливовоздушной смеси, и углом опережения зажигания. Для этого на стенде задействована система управления двигателем, приведенная на рис. 3.
Применение ЭБУ не дает возможности управлять бензовоздушной смесью в ручном режиме, а изменение программы блока, во-первых, приводит к нарушению заводских настроек, во-вторых, не позволяет изменять коэффициент избытка воздуха динамически, непосредственно во время эксперимента. Поэтому было разработано устройство, в задачи которого входят, измерение текущего времени впрыска, динамическое изменение времени впрыска на заданную величину, отображение информации о текущих параметрах. Устройство включено в разрыв цепи управления клапанами форсунок, и обеспечивает дискретное изменение текущего времени впрыска в пределах ±20 %. Для нормального функционирования устройства управления топливоподачей необходимо использовать имитатор датчика кислорода, чтобы исключить коррекцию электронного блока по сигналу обратной связи с датчика кислорода. Имитатор отключает датчик и на вход ЭБУ подает сигнал что коэффициент избытка воздух находится в пределах 1.
Рис. 3. Система управления биогазовым ДВС на стенде
Синхронизация работы двигателя и ЭСУД производится по сигналу датчика положения коленчатого вала (ДПКВ). Из всех управляющих воздействий электронного блока только момент зажигания имеет жесткую привязку к положению КВ. Используя этот фактор разработан вариатор сигнала ДПКВ (ΔДПКВ), который включается в разрыв цепи датчика и позволяет смещать сигнал ДПКВ на заданный угол.
Литература:
- Бганцев В. Н., Левтеров А. М., Мараховский В. П. Газовый двигатель на базе четырехтактного дизеля общего назначения // Техно — plus. — Харьков. — 2003. — № 10. — с.92.
- Захарчук В.І., Сітовський О. П., Козачук І.С. Розрахунково-експериментальні дослідження газового двигуна, переобладнаного з дизеля. // Автомобільний транспорт — Харьків: ХНАДУ. — 2005. Вип.. 16. — с. 276–278.
- Богомолов В. А., Абрамчук Ф. И., Манойло В. М., Кабанов А. Н., Салдаев С. В. Экспериментальная установка для доводки систем зажигания и управления газовым двигателем с искровым зажиганием 6Ч 13/14 // АвтоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. — Москва: АГЗК+АТ. — 2005. — № 4(22). — с. 42–45.
- Абрамчук Ф. И., Пойда А. Н., Ефремов А. А., Сивых Д. Г., Проскурин А. В. Новая автоматизированная система исследования и диагностированная автотракторных двигателей // Автомобильный транспорт. Харьков: ХНАДУ. — 2005. — Вып. 17. — с.28–34.
- Мунипов В. М., Зинченко В. П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды // Логос. — 2001. — 35
