Стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар
(57) Стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар содержит основание, на котором установлен испытываемый двигатель (7), связанный со стендовой системой охлаждения, выполненной по замкнутой закрытой схеме с холодным и горячим контурами, соответственно (9) и (8). Горячий контур (8) содержит аккумулирующий бак (10) с подогревом охлаждающей жидкости, который снабжен аварийным клапаном сброса давления, трехходовые регулирующие клапаны (11) и (12), теплообменник (13), выход которого соединен с циркуляционным насосом (14), при этом выход насоса (14) соединен с дросселем (15). Холодный контур (9) содержит аккумулирующий бак (17) холодной охлаждающей жидкости, трехходовой регулирующий клапан (18), электромагнитный клапан (19), теплообменник (20), выход которого соединен с циркуляционным насосом (21), при этом выход насоса (21) соединен с дросселем (22). Теплообменники (13) и (20) связаны между собой гидравлической линией (23), в которой установлен регулирующий пропорциональный клапан (24), предназначенный для наиболее эффективной работы теплообменников. Стендовая система снабжена расширительной емкостью (25), соединенной с выходом двигателя (7). Расширительная емкость (25) снабжена датчиком уровня (26) и регулируемым перепускным клапаном (27). Дополнительное технологическое оборудование обеспечивает автоматическое заполнение системы охлаждающей жидкостью и автоматический слив охлаждающей жидкости, содержит емкость (28) запаса охлаждающей жидкости, соединенную с расширительной емкостью (25) через перекачивающий насос (29) и обратный клапан (30). Емкость (28) имеет датчик уровня (26) и датчик плотности (31). Система снабжена клапаном (32), посредством которого удаляется воздух из системы. За счет обеспечения расширения диапазона параметров цикла при испытании на тепловой удар были расширены возможности стендового оборудования.
Стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар
Полезная модель к испытательной технике, в частности к стендам для испытания двигателей внутреннего сгорания.
Известен стенд для испытаний на «тепловой удар», содержащий основание, на котором установлен испытываемый двигатель, связанный со стендовой системой охлаждения, горячий контур которой имеет смесительный бак, теплообменник и электромагниты, а холодный контур имеет смесительный бак, кран подачи холодной воды и электромагниты, кроме того, стенд снабжен датчиками температуры, давления, крутящего момента, нагружающим устройством, исполнительными механизмами, блоками управления тормозом, двигателем, клапанами, блоком аварийной защиты (см. НАМИ, Руководящий документ РД 37.001.161-90, Методика ускоренных стендовых испытаний автомобильных двигателей на «тепловой удар», Москва, 1991»).
Недостатком указанного стенда является отсутствие возможности проведения испытаний двигателей внутреннего сгорания в расширенном диапазоне режимных параметров (например, избыточном давлении), обусловленное тем, что в качестве охлаждающей жидкости используется вода, которая является фактором, значительно влияющим на коррозию элементов системы и имеет низкую температуру кипения (по отношению к другим охлаждающим жидкостям), кроме того, в ходе испытаний требуется постоянно пополнять водой емкости системы в значительных объемах, чтобы выдерживать условия испытаний, что, в свою очередь, требует значительных объемов емкостей воды в контурах системы.
Наиболее близким по назначению, совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар, содержащий основание, на котором установлен испытываемый двигатель, связанный со стендовой системой охлаждения, горячий контур которой имеет емкость с охлаждающей жидкостью и теплообменник, и холодный контур-емкость с охлаждающей жидкостью, электромагнитный клапан и кран. Его стендовая система охлаждения выполнена по замкнутой закрытой схеме и снабжена трехходовыми регулирующими клапанами, один из которых обеспечивает в горячем контуре короткий контур движения охлаждающей жидкости, а в холодный контур введен теплообменник, при этом выходы теплообменников горячего и холодного контуров соединены с циркуляционными насосами, выходы которых соединены с дросселями, а в гидравлической линии связи между теплообменниками установлен регулирующий клапан, емкости с охлаждающей жидкостью холодного и горячего контуров представляют собой соответственно термоизолированный аккумулирующий бак холодной охлаждающей жидкости и термоизолированный аккумулирующий бак горячей охлаждающей жидкости со встроенным подогревателем, кроме того, стендовая система снабжена расширительной емкостью, соединенной с выходом двигателя, дополнительным технологическим оборудованием для автоматического заполнения стендовой системы охлаждающей жидкостью и для автоматического слива охлаждающей жидкости, датчиками уровня, плотности, температуры и давления охлаждающей жидкости, подключенными к локальной системе управления (патент РФ 
109288, G01M 15/00(2006.01), опубл. 10.10.2011).
Недостатком указанного стенда является как ограничение по управлению циркуляции жидкости в контурах постоянно работающими и не управляемыми по частоте вращения циркуляционными насосами (управляемые дроссели задающие расходы жидкости в контурах обладают значительной инерционностью и затрудняют поддержание заданного значения температуры охлаждающей жидкости, поэтому в системе для ее быстродействия с целью своевременного управления потоком охлаждающей жидкости необходимо выполнить в совокупности управляемые дроссели с управляемыми циркуляционными насосами), так и невозможность значительно влиять на условия цикла по температуре воздуха на входе в двигатель (данная условие испытаний задается по некоторым методикам).
Была поставлена задача расширить возможности стендового оборудования за счет обеспечения расширения диапазона параметров цикла при испытании на тепловой удар.
Технический результат достигается тем, что стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар, содержащий основание, на котором установлен испытываемый двигатель, связанный со стендовой системой охлаждения, выполненной по замкнутой закрытой схеме с холодным и горячим контурами, снабженными соответственно термоизолированным аккумулирующим баком холодной охлаждающей жидкости и термоизолированным аккумулирующим баком горячей охлаждающей жидкости со встроенным подогревателем, трехходовыми регулирующими клапанами и теплообменниками, выходы которых соединены с циркуляционными насосами, соединенными своими выходами с дросселями, регулирующий клапан, установленный в гидравлической линии связи между теплообменниками, расширительную емкостью, соединенную с выходом двигателя, дополнительное технологическое оборудование для автоматического заполнения стендовой системы охлаждающей жидкостью и для автоматического слива охлаждающей жидкости, датчики уровня, плотности, температуры и давления охлаждающей жидкости, подключенные к локальной системе управления, электромагнитный клапан и краны, дополнительно снабжен соединенным с двигателем устройством для поддержания температуры наддувочного воздуха на входе в двигатель, включающим байпасную линию и рабочую линии подготовки наддувочного воздуха, при этом циркуляционные насосы выполнены управляемыми.
В частном случае исполнения дополнительное технологическое оборудование для автоматического заполнения системы охлаждающей жидкостью содержит емкость запаса охлаждающей жидкости, соединенную через перекачивающий насос и обратный клапан с расширительной емкостью, которая снабжена датчиком уровня охлаждающей жидкости и регулируемым перепускным клапаном, а стендовая система охлаждения снабжена фильтрами и ручными кранами с датчиками положения.
Кроме того, стенд дополнительно может быть снабжен охлаждающей установкой, соединенной с гидравлической линией теплообменников.
Также стенд дополнительно может содержать управляемое устройство для изменения температуры воздуха на входе в двигатель, подключенное к локальной системе управления испытательного стенда.
Совокупность существенных признаков, заключающаяся в том, что стенд дополнительно снабжен соединенным с двигателем устройством для поддержания температуры наддувочного воздуха на входе в двигатель, включающим байпасную линию и рабочую линии подготовки наддувочного воздуха, а циркуляционные насосы выполнены управляемыми, позволяет обеспечить условия испытаний по в температуре наддувочного воздуха и тем самым значительно расширить возможности стендового оборудования.
Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
фиг. 1 - изображена схема стенда для испытания двигателя внутреннего сгорания;
фиг. 2 - схема работы стендовой системы охлаждения при быстром разогреве двигателя на холостом ходу, линии «1»+(«5»+«6»);
фиг. 3 - то же при разогреве двигателя на номинальном режиме, линии («1»+«2»)+(«5»+«6»);
фиг. 4 - то же в режиме максимального охлаждения в фазе «теплового удара» линии «3»+(«5»+«6»);
фиг. 5 - то же в фазе «теплового удара» с регулируемой характеристикой остывания, линии («3»+«1» »)+(«5»+«6»);
фиг. 6 - то же в завершающей стадии охлаждения, линии «4»+(«5»+«6»).
Стендовая система выполнена таким образом, чтобы обеспечить возможность движения охлаждающей жидкости по короткой линии 1 при быстром разогреве двигателя на холостом ходу, по линии 2 работы системы в фазе накопления тепла при разогреве двигателя на номинальном режиме, по линии 3 работы системы в фазе «теплового удара» в режиме максимального охлаждения, по линии 4 работы системы в фазе «теплового удара» в завершающей стадии охлаждения, а также чтобы обеспечить возможность движения наддувочного воздуха по байпасной линии 5 и рабочей линии 6.
Стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания содержит основание, на котором установлен испытываемый двигатель внутреннего сгорания 7, связанный со стендовой системой охлаждения, которая выполнена по замкнутой закрытой схеме.
Стендовая система включает в себя горячий контур 8, который позволяет поддерживать температуру охлаждающей жидкости на входе и выходе двигателя и холодный контур 9, который позволяет резко понизить температуру охлаждающей жидкости в двигателе и поддерживать ее в дальнейшем.
Горячий контур 8 содержит аккумулирующий бак 10 с подогревом охлаждающей жидкости, который снабжен аварийным клапаном сброса давления, трехходовые регулирующие клапаны 11 и 12, теплообменник 13, выход которого соединен с циркуляционным насосом 14, при этом выход насоса 14 соединен с дросселем 15. Трехходовой регулирующий клапан 11 обеспечивает в горячем контуре 8 короткий контур 16 движения охлаждающей жидкости.
Холодный контур 9 содержит аккумулирующий бак 17 холодной охлаждающей жидкости, конструкция которого выполнена так, что поступающая в емкость теплая жидкость вытесняет холодную, не перемешиваясь, трехходовой регулирующий клапан 18, электромагнитный клапан 19, теплообменник 20, выход которого соединен с циркуляционным насосом 21, при этом выход насоса 21 соединен с дросселем 22.
С помощью дросселей 15 и 22 можно регулировать производительность насосов 14 и 21 соответственно. Теплообменники 13 и 20 связаны между собой гидравлической линией 23, в которой установлен регулирующий пропорциональный клапан 24, предназначенный для наиболее эффективной работы теплообменников 13 и 20.
Циркуляционные насосы 14 и 21 выполнены управляемыми, что позволяет четко выдерживать заданные условия испытаний (по изменению параметров цикла) в заранее определенных временных интервалах, что обеспечивает расширение возможностей при испытании на тепловой удар.
Стендовая система снабжена расширительной емкостью 25 (наивысшая точка системы), соединенной с выходом двигателя 7. Расширительная емкость 25 снабжена датчиком уровня 26 и регулируемым перепускным клапаном 27.
Стендовая система содержит дополнительное технологическое оборудование для автоматического заполнения системы охлаждающей жидкостью и для автоматического слива охлаждающей жидкости, содержащее емкость 28 запаса охлаждающей жидкости, соединенную с расширительной емкостью 25 через перекачивающий насос 29 и обратный клапан 30, предотвращающий слив охлаждающей жидкости из системы в емкость 28 при повышении давления в системе. Емкость 28 имеет датчик уровня 26 и датчик плотности 31. Система снабжена клапаном 32, посредством которого удаляется воздух из системы.
При необходимости, для глубокого охлаждения воды в теплообменниках 13 и 20, стендовая система дополнительно снабжена охлаждающей установкой 33, соединенной с гидравлической линией теплообменников 13 и 20.
Стендовая система выполнена с фильтрами 34 и 35. Фильтр 34 установлен в гидравлической линии основного оборудования, а фильтр 35 - в гидравлической линии дополнительного оборудования. Фильтры 34 и 35 имеют систему контроля засорения фильтра.
Стендовая система также снабжена ручными кранами: краны 36 и 37 предназначены для заполнения внутренней системы охлаждения двигателя из расширительной емкости 25; кран 38 - для слива жидкости из двигателя 7; кран 39 - для регулировки скорости наполнения емкости 28 при сливе жидкости из системы; краны 40 и 41 установлены в гидравлической линии дополнительного технологического оборудования, связывающей емкость 28 с расширительной емкостью 25; кран 42 - для слива жидкости из емкости 28 в специальную емкость; краны 43 и 44 отсекают холодный контур 9 для обеспечения обычных испытаний двигателя 7; краны 45, 46 и 47 - для подключения и отключения охлаждающей установки 33.
В качестве охлаждающей жидкости используют раствор этиленгликоля.
В состав системы входят ультразвуковые датчики 48 и 49 расхода охлаждающей жидкости, датчики 50 температуры и датчики 51 давления.
Датчики 50 температуры, датчики 51 давления, датчики 26 уровня и датчики 31 плотности подключены к локальной системе управления. Информация с необходимых для ведения испытаний датчиков выводится на экран монитора стенда. Управление клапанами дополнительного оборудования производится локальной системой управления по своей программе, которая использует данные с датчиков локальной системы, а также данные с датчиков стенда в целом.
Стендовая система может быть снабжена датчиком 52 наличия выхлопных газов в охлаждающей жидкости системы с выходом на контроллер системы управления дополнительным оборудованием.
Стенд снабжен соединенным с двигателем устройством для поддержания температуры наддувочного воздуха на входе в двигатель. В устройство для поддержания температуры воздуха на входе в двигатель входит: стендовый охладитель 53 наддувочного воздуха типа «воздух-жидкость» (или типа «воздух-воздух», унифицированный с автомобилем охладитель наддувочного воздуха, который для регулирования температуры воздуха погружается в емкость достаточного объема, можно в открытую, с проточной технологической водой), байпасная 5 и рабочая 6 линии с подводящим, отводящим и байпасным каналами. Байпасная линия 5 содержит трехходовой клапан 54 и щелевой смеситель 55 воздуха с тангенциальным входом, а рабочая линия 6 содержит основные трубопроводы 56 и стендовый охладитель 53 наддувочного воздуха.
Управление клапаном 54 устройства для поддержания температуры воздуха на входе в двигатель 7 производится локальной системой управления по своей программе, которая использует данные с датчиков локальной системы, а также данные с датчиков стенда в целом.
Стенд работает следующим образом.
Для заполнения стендовой системы охлаждения (далее - система) необходимо закрыть краны 37 и 36, 38, 39, и 42. Все остальные краны (40, 41, 43, 44, 45, 46 и 47) и электромагнитный клапан 19 открыты. Система заполняется раствором этиленгликоля (далее - охлаждающая жидкость) через емкость 28. Контроль заполнения осуществляется датчиком уровня 26, а датчиком плотности 31 и датчиком температуры 50 осуществляется контроль плотности и температуры охлаждающей жидкости. Данные с датчиков передаются в систему управления, и отображаются на экране монитора. При несоответствии плотности охлаждающей жидкости на мониторе появится соответствующий сигнал.
При соответствии плотности охлаждающей жидкости заданному значению включается перекачивающий насос 29 и начинается заполнение системы. Охлаждающая жидкость из емкости 28 поступает в систему через фильтр 35, обратный клапан 30, расширительную емкость 25 и фильтр 34, при этом через воздуховод, расположенный выше верхней точки системы, и включенный клапан 52 из системы удаляется воздух. Заполнение системы контролируется датчиком уровня 26, расположенным в емкости 25.
После заполнения системы с установкой двигателя (краны 37 и 36 открыты) охлаждающая жидкость прокачивается по системе включением на определенное время насосов 14 и 21, после чего насосы отключаются и проверяется уровень жидкости в емкости 25. Если уровень ниже нормы, то производится доливка в систему из емкости 28 включением насоса 29. Долить охлаждающую жидкость в систему из емкости 28 можно также после остановки испытания или смене испытываемого двигателя при наличии повышенного давления в системе.
Для полной смены охлаждающей жидкости в системе нужно открыть краны 39 и 42, при этом кран 41 закрыт.Краном 39 регулируется скорость наполнения емкости 28. Насос 29 перекачивает слившуюся жидкость из системы в емкость 28 через кран 42 в специальную емкость. При этом электромагнитный клапан 19 и все краны системы открыты. Элементы системы выполнены так, чтобы охлаждающая жидкость не оставалась в элементах системы и в системе в целом при опустошении.
После установки двигателя 7 открывают краны 36 и 37, при этом заполняется внутренняя система охлаждения двигателя 7 из расширительной емкости 25. Включением насоса 29 доливают охлаждающую жидкость из емкости 28 до требуемого уровня в емкости 25. Затем включают двигатель 7 на холостом ходу, при этом клапаны 11 и 12 включены так, чтобы обеспечить короткий контур 16 движения охлаждающей жидкости через двигатель 7 для быстрого его разогрева. Насосы 14 и 21 обеспечивают постоянный поток охлаждающей жидкости через теплообменники 13 и 20. Клапан 18 поддерживает температуру охлаждающей жидкости в аккумулирующем баке 17 на уровне 18C° (см. фиг. 2).
Когда температура охлаждающей жидкости в коротком контуре 16 достигнет требуемой величины, клапан 11 приоткроется в сторону теплообменника 13 и охлаждающая жидкость в коротком контуре 16 начнет частично смешиваться с жидкостью из контура теплообменника 13, тем самым будет поддерживаться температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя 7 в заданном диапазоне. После прогрева двигателя 7 (температура масла в двигателе 85C°) двигатель 7 переводят в номинальный режим. Температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя поддерживают дальнейшим открыванием клапана 11 (см. фиг. 3).
После окончания прогрева двигателя 7 на номинальном режиме, осуществляется переход на интенсивное охлаждение двигателя 7. Двигатель 7 переводится в режим холостого хода или полного останова. Далее клапаны 11, 12 и 18 полностью открываются, чтобы обеспечить максимальный быстрый поток холодной охлаждающей жидкости из аккумулирующего бака 17 в испытываемый двигатель 7. Клапан 19 закрывается, тем самым подключается холодный контур 9. Вытесненная из двигателя 7 горячая жидкость частично охлаждается в теплообменниках 13 и 20 и вытесняет, не перемешиваясь, холодную охлаждающую жидкость из аккумулирующего бака 17. Насос 21 обеспечивает движение охлаждающей жидкости через двигатель 7 при его останове (см. фиг. 4).
Управляемое охлаждение двигателя 7 можно обеспечить клапаном 11 частично закрывая короткий контур 16, обеспечивая требуемую скорость остывания двигателя 7 (см. фиг. 5).
После того как температура охлаждающей жидкости на выходе теплообменника 20 станет достаточно низкой, клапан 18 переключает поток охлаждающей жидкости, минуя аккумулирующий бак 17 (см. фиг. 6).
Далее вновь начинается разогрев двигателя 7 и повторяются процессы разогрева-охлаждения в соответствии с циклом испытаний.
Продолжительность испытаний 450...900 часов (определяется перед испытаниями). Длительность включения режимов определяется объектом и условиями испытаний, обеспечивает достижение: в горячем режиме температуры охлаждающей жидкости не менее 95°C (с возможным увеличением температуры до 132°C), температуры наддувочного воздуха не менее 40°C (с возможным увеличением температуры до 154°C); в холодном режиме температуры охлаждающей жидкости в пределах 24
28°C (с возможным уменьшением температуры до 18°C), температуры наддувочного воздуха не более 40°C (с возможным уменьшением температуры до 35°C).
При необходимости подачи воздуха на вход в двигатель с наименьшей температурой, воздух из компрессорной части турбокомпрессора двигателя 7 направляется в трехходовой клапан 54 наддувочного воздуха. При положении трехходового клапана 54 соответствующего режиму наибольшего охлаждения наддувочного воздуха его поток направляется по рабочей линии 5 (см. фиг. 2) через охладитель 53 наддувочного воздуха. После охлаждения воздуха в охладителе воздух направляется к смесителю 55, затем воздух подается в двигатель 7. При необходимости изменения и регулирования температуры наддувочного воздуха трехходовой клапан пропорционально делит поток наддувочного воздуха, направляя часть его через байпасную 5 и рабочую 6 линии в смеситель 55 (где и происходит смешивание охлажденного и не охлажденного наддувочного воздуха). Регулирование заданного уровня температуры наддувочного воздуха обеспечивается организацией обратной связи на основе сигналов с датчика температуры 57 наддувочного воздуха на входе в двигатель и датчика положения трехходового клапана, которые связаны с локальной системой управления. Для охлаждения воздуха в охладителе 53 наддувочного воздуха с наименьшими затратами по расходу технологической воды и с учетом режима работы стенда на входе и выходе технологической воды из охладителя 53 наддувочного воздуха предусмотрены датчики 58, 59 температуры технологической воды, расход которой локальной системой управления задается положением задвижки 60 исходя из значения температуры воды на входе и перепада ее на охладителе 53 наддувочного воздуха.
Заявляемое техническое решение позволяет расширить возможности стендового оборудования, за счет обеспечения широкого диапазона параметров цикла при испытании на «тепловой удар»
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.
1. Стенд для испытания двигателя внутреннего сгорания на тепловой удар, содержащий основание, на котором установлен испытываемый двигатель, связанный со стендовой системой охлаждения, выполненной по замкнутой закрытой схеме с холодным и горячим контурами, снабженными соответственно термоизолированным аккумулирующим баком холодной охлаждающей жидкости и термоизолированным аккумулирующим баком горячей охлаждающей жидкости со встроенным подогревателем, трехходовыми регулирующими клапанами и теплообменниками, выходы которых соединены с циркуляционными насосами, соединенными своими выходами с дросселями, регулирующий клапан, установленный в гидравлической линии связи между теплообменниками, расширительную емкость, соединенную с выходом двигателя, дополнительное технологическое оборудование для автоматического заполнения стендовой системы охлаждающей жидкостью и для автоматического слива охлаждающей жидкости, датчики уровня, плотности, температуры и давления охлаждающей жидкости, подключенные к локальной системе управления, электромагнитный клапан и краны, отличающийся тем, что дополнительно снабжен соединенным с двигателем устройством для поддержания температуры наддувочного воздуха на входе в двигатель, включающим байпасную линию и рабочую линии подготовки наддувочного воздуха, при этом циркуляционные насосы выполнены управляемыми.
2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что дополнительное технологическое оборудование для автоматического заполнения системы охлаждающей жидкостью содержит емкость запаса охлаждающей жидкости, соединенную через перекачивающий насос и обратный клапан с расширительной емкостью.
3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что расширительная емкость снабжена датчиком уровня охлаждающей жидкости и регулируемым перепускным клапаном.
4. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что стендовая система охлаждения снабжена фильтрами.
5. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что стендовая система охлаждения снабжена ручными кранами.
6. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен охлаждающей установкой, соединенной с гидравлической линией теплообменников.
7. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что байпасная линия содержит трехходовой клапан и щелевой смеситель воздуха с тангенциальным входом, а рабочая линия содержит основные трубопроводы и стендовый охладитель наддувочного воздуха.
РИСУНКИ
