Контакты
Телефон
+38 (099) 554-33-84
Почта
Адрес
г. г. Киев, ул. Ялтинская 5Б

Настройка поршневого авиационного двигателя на диностенде

Настройка поршневого авиационного двигателя на диностенде

Иногда нам приходится отвечать и на такие вопросы: а для чего нужен диностенд? А как им пользоваться?

Благо их задают специалисты отдела закупок, а не инженерный персонал.

А вот на вопрос "как настраивать двигатель на диностенде" ответов не так уж и много. 
В иностранной литературе очень много информации по этому вопросу. Но у нас культура двигателестроения немного на другом уровне.
Сейчас нет ничего удивительного в том, что даже специалисты по авиационным двигателям не всегда знают, как их настраивать. Более того, в России практически невозможно найти специалиста, который, например, знает как настраивать современную систему впрыска топлива.


Для начала немного теории:

Соотношение воздуха/топлива, лямбда и мощность двигателя

Стехиометрический коэффициент (лямбда)

Двигатели внутреннего сгорания (далее – ДВС) используют топливо и кислород (из воздуха) для производства энергии за счет сгорания. Чтобы процесс сгорания топлива был стабильным и эффективным, в камеру сгорания необходимо подать определенное количество горючей смеси и воздуха (со стандартным содержанием кислорода). Полное сгорание происходит, когда полностью сгорает топливо, а в выхлопных газах отсутствуют остатки топлива. Соотношение топлива-воздуха (окислителя) (AF или AFR) - это соотношение между массой воздуха ma и массой топлива mf, которое используется двигателем при работе:

Идеальное (теоретическое) соотношение окислителя-топлива для полного сгорания называется стехиометрическим. У ДВС бензинового типа стехиометрическое соотношение воздух-топливо составляет около 14,7: 1. На практике это означает, что для полного сжигания 1 кг топлива нам необходимо 14,7 кг воздуха. Сгорание возможно даже в том случае, если AFR отличается от стехиометрического. Чтобы процесс сгорания эффективно происходил в бензиновом двигателе, минимальное значение AFR составляет около 6: 1, а максимальная - до 20: 1.

Когда соотношение топливо/воздух выше стехиометрического, воздушно-топливная смесь называется обедненной. Когда соотношение топливо/воздух ниже стехиометрического, воздушно-топливная смесь называется обогащенной. Например, для бензинового двигателя соотношение AFR 16,5: 1 является бедным, а 13,7: 1 богатым.

В таблице ниже представлено оптимальное стехиометрическое соотношение топливо/воздух для большинства видов топлива.

Соотношение топливо/воздух для различных видов топлива

 Топливо   Химическая формула   AFR
  Метанол   СН3ОН   6,47:1
  Этанол   C2H5OH   9:1
  Бутанол   C4H9OH   11,2:1
  Дизель   C12H23   14,5:1
  Бензин   C8H18   14,7:1
  Пропан   С3Н8   15,67:1
  Метан   СН4   17,19:1
  Водород   Н2   34,3: 1

Например, чтобы полностью сжечь 1 кг этанола, нам нужно 9 кг воздуха, а для сжигания 1 кг дизельного топлива нам нужно 14,5 кг воздуха.

ДВС с искровым зажиганием (Spark Ignition, SI) обычно работают на бензине. AFR двигателей SI варьируется в промежутке от 12: 1 (обогащенный) до 20: 1 (обедненный), на это влияют условия работы двигателя (температура, скорость, нагрузка и т. д.). Современные ДВС работают в максимально возможной близости от стехиометрического коэффициента AFR (по соображениям экологии). 

Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе. Из-за особенностей процесса сгорания двигатели (Compression Ignition, CI) всегда работают на бедных смесях с AFR от 18: 1 до 70: 1. Основное отличие по сравнению с двигателями SI состоит в том, что двигатели CI работают на слоистых (неоднородных) воздушно-топливных смесях, тогда как двигатели SI работают на однородных смесях (в случае с электронным впрыском). 

По мере развития электронных систем управления - двигатели становились все более сложными, а государственные нормативы, касающиеся выбросов выхлопных газов, становились строже, в современных двигателях всё чаще используются компьютерные системы с электронным впрыском топлива, которые могут более точно контролировать поток топлива в двигатель, обеспечивая точное смешивание топлива и воздуха. Современные инжекторные двигатели оснащены электронными блоками управления (ЭБУ), которые отвечают за смесеобразование и управление углом опережения зажигания (УОЗ) двигателя. ЭБУ регулирует количество поступающего топлива в двигатель, меняя время открытия форсунок. Это позволяет добиться не только экономии топлива и снижения уровня выбросов выхлопных газов, но и большей мощности и крутящего момента. 

Вообще система впрыска топлива своим появлением обязана авиации. Именно благодаря требованию стабильной работы двигателя в условиях перегрузок во время второй мировой войны была разработана механическая система впрыска топлива, которая позволила выполнять манёвры, ранее недоступные для машин с карбюраторными двигателями

.

система впрыска топлива в авиации


На более старых двигателях внутреннего сгорания использовали карбюраторы для смешивания топлива и воздуха. Процесс настройки карбюраторного двигателя мы рассматривать не будем, поскольку карбюраторные двигатели и шаманские танцы с бубном уходят в прошлое. Теперь рычаг управления двигателем не привязан к дроссельной заслонке и полностью управляется сервоприводом по сигналу из ЭБУ.


Карбюратор

Топливная карта

Топливная карта является условным понятием зависимости соотношения топлива/окислителя от оборотов ДВС и его нагрузки (открытия дроссельной заслонки). На самом деле это целая система зависимостей, ПИД-регуляторов и коэффициентов коррекции.

Простейшее представление о топливной карте можно получить, если представить таблицу, где для каждого значения оборотов двигателя и соответствующего значения разряжения (давления) во впускном коллекторе.

настройка двигателя

Топливная карта в виде таблицы


топливная карта 3д

При более детальном рассмотрении - зависимость более сложная и учитывается положение дроссельной заслонки


Но этого недостаточно для полноценного управления двигателем. Дело в том, что топливовоздушная смесь зависит и многих других параметров.

Среди них: 

  • температура охлаждающей жидкости
  • температура воздуха на впуске
  • значения лямбда зонда
  • массовый расход воздуха
  • давление воздуха после турбонагнетателя
  • давление топлива
  • угол опережения зажигания
  • детонация

Это лишь основные. В зависимости от конструкции двигателя список этих параметров может сильно меняться.

Параметры ЭБУ

В левом столбце можно посмотреть перечень параметров, которые контролирует ЭБУ


В более современных двигателях управление происходит без сигнала от дроссельной заслонки. Появился такой параметр как "driver wish", который даёт ЭБУ двигателя информацию о том, как быстро должно ускоряться транспортное средство по положению рычага управления двигателем (педали газа). Это позволяет не замечать нагрузку при изменении массы ТС.

Но это уже вопрос больше функционала ЭБУ, чем настройки двигателя.

Топливные карты охватывают всю рабочую зону двигателя с частотой вращения двигателя от холостого хода до максимальных оборотов в минуту и ​​с крутящим моментом от полного торможения двигателем, отрицательным крутящим моментом, при полной нагрузке, и основная цель состоит в том, чтобы настроить двигатель на все возможные ситуации и позволяют ему работать на своем оптимальном уровне и с максимальным потенциалом при каждом возможном изменении нагрузки и оборотов.

Карта зажигания

По аналогии с топливной картой в ЭБУ двигателя заложена карта коррекции зажигания.


Вы всегда должны быть уверены, что зажигание выставлено правильно. От правильной настройки зажигания меняется момент воспламенения смеси, от чего также зависит эффективность процесса сгорания горючей смеси и мощность двигателя.


карта зажигания

Карта коррекции зажигания в зависимости от разряжения (давления) во впускном коллекторе


Что понадобится для настройки двигателя?

Минимальный набор оборудования, необходимый для настройки двигателя:

  • Моторный диностенд (например Superflow Powermark)
  • Широкополосный лямбда-зонд
  • Оборудование для перепрошивки ЭБУ


стенд super flow

Диностенд Superflow Powermark



Если говорить о качественной настройке двигателя, то тут уже не обойтись без:

  • Газоанализатора
  • Прибора для измерения угла опережения зажигания
  • Системы измерения расхода топлива
  • Расходомера воздуха
  • Вспомогательных датчиков давления
  • Датчиков температуры
 

Как настраивать двигатель на стенде?


Перед настройкой необходимо определиться чего Вы хотите добиться от двигателя: максимальной мощности или экономичности? От этого будет зависеть соотношение топливо/воздух, к которому нужно будет стремиться. Как правило для взлётного режима выбирается более богатая смесь для получения максимальной мощности при разгоне. Уже в полёте можно переходить к более экономичному режиму работы двигателя.

Если Ваш ЭБУ поддерживает широкополосные лямда-зонды (ШДК), то Вы счастливчик. Вся настройка сводится к заполнению таблицы с так называемым "целевым" соотношением топливо/воздух (Target AFR). ПИД-регулятор ЭБУ двигателя сделает всю работу по подбору коэффициентов коррекции, а Вам остается только наблюдать за показаниями мощности и крутящего момента на экране стенда. Самое главное, чтобы показания ШДК совпадали с показаниями газоанализатора стенда.

Топливо-воздушная смесь

Если Ваш ЭБУ не поддерживает возможность настройки по ШДК - то тут уже начинается веселье.


Лучший способ настроить соотношение топливо/воздух - использовать устойчивый режим удержания нужного диапазона оборотов на динамометрическом стенде и "онлайн" менять состав смеси на определенных оборотах. При этом нужно контролировать мощность двигателя и состав смеси по отработавшим газам.
Для выполнения настройки двигателя на диностенде необходимо выполнить 3 простых шага:
  1. Настроить ПИД-регулятор стенда на поддержание заданных оборотов, например: 2500 об/мин;
  2. Открыть дроссельную заслонку на нужный угол (для быстрой настройки максимальной отдачи - обычно используют режим полный газ);
  3. Выполнить настройку смеси при заданных оборотах;
  4. Перейти к последующему значению оборотов, например: 4000 об/мин и повторить п. 2,3 и 4.

По итогам - Вы сможете добиться оптимальной отдачи двигателя во всём диапазоне оборотов и минимального расхода топлива.


После настройки обязательно попробуйте "прогнать" двигатель по всему рабочему диапазону оборотов.


Чтобы не испортить двигатель во время испытаний - контролируйте основные рабочие параметры: температуру ОЖ, выхлопных газов и давление масла.



Если у Вас остались вопросы по стендам для испытания двигателей, или вы хотите купить диностенд - звоните нам, наши специалисты Вам помогут!

Сопутствующая продукция