Мощность — пожалуй, первая характеристика двигателя, на которую мы обращаем внимание. Конечно, при более детальном рассмотрении нас заинтересует диапазон частот вращения вала; крутящий момент; конструктивные особенности вроде числа и расположения цилиндров, система питания и так далее; но именно на мощность зачастую ориентируются при решении тех или иных вопросов.
Немаловажную роль играет мощность и как эксплуатационный показатель. Само собой, нам выгоднее поддерживать её на наибольшем уровне, чтобы полностью использовать возможности трактора, комбайна, автомобиля и так далее.
Но как же определить её значение? Конечно, опытные водители смогут с уверенностью выявить, что машина или трактор "перестали тянуть", но далеко не при всех видах работ двигатель нагружается полностью и поэтому возникший недостаток мощности можно легко упустить из виду.
Основы определения мощности ДВС динамическим методом
Обратимся к теории. При прямолинейном движении мощность: N=F⋅v (в агроинженерии скорость, как правило, обозначают заглавной V, но пока что будем оперировать общепринятыми обозначениями). Полагаю и надеюсь, что значение буквы F и иных на данном этапе в пояснениях не нуждается. Поэтому перейдём к вращательному движению (всё-таки мы имеем дело с валом двигателя), для которого: N=M⋅ω. Здесь M — крутящий момент, ω — угловая скорость. Измерять последнюю надлежит в радианах в секунду, момент же, ясное дело, измеряется в Н⋅м. При перемножении получаем искомые ватты. Несложно догадаться, что для перехода к киловаттам достаточно разделить результат на тысячу, либо попросту подставлять момент в кН⋅м.
Хорошо, частоту вращения нам подскажет тахометр (так уж и быть, умножим её на 2π/60, чтобы из об/мин получить рад/с), но как быть с моментом? Устройства для его измерения либо достаточно громоздки, либо стоят приличных денег, либо и то, и то одновременно. Такой девайс вряд ли поставишь в не особо чистом цеху и тем более не понесёшь в поле. Тем более что возникает вопрос: а куда, собственно, его подключать? Чтобы подлезть к валу двигателя, нужно разобрать почти весь трактор. Такую вольность мы себе позволить не можем.
На рисунке ниже показано измерение момента электродвигателя при помощи оборудования Futek. Помимо самого блока с датчиками (красный) для измерения требуется некоторый тормоз (серый), создающий сопротивление вращению вала. Тормозные и нагрузочные стенды для тракторов, в принципе, не являются чем-то необычным, однако имеют непозволительно большие габариты, да и подключаются к ВОМ — валу отбора мощности, механизм которого "крадёт" часть момента, да и сам ВОМ специально сконструирован так, чтобы на выходе давать плюс-минус постоянные обороты.
Поэтому будем копать глубже, из кинематики в динамику, чтобы попытаться определить момент по каким-то иным характеристикам. Всем нам известная F=m⋅a в рассмотрении для вращательного движения приобретает вид M=J⋅ε, где J — момент инерции тела, кг/м², а ε — угловое ускорение, рад/с².
Кажется, мы нашли что-то похожее на то, что искали. С определением углового ускорения может справиться и портативный не особенно дорогой прибор (принципы измерения рассмотрим чуть дальше). Момент инерции твёрдого, геометрически неизменяемого тела — величина постоянная, а у нас в двигателе шатунно-поршневые группы совершают сложное движение. Но тут уже ничего не поделаешь, придётся допускать допущения, тем более что учёные мужи прошлого обосновали правомочность такого подхода для нашей задачи.
Итого, задавшись некоторым постоянным значением момента инерции движущихся частей ДВС (его ещё называют приведённым моментом инерции) и определив угловое ускорение в точке его номинальных оборотов, мы можем получить значение момента, и через него определить мощность двигателя. Чтобы нам нынешним не пришлось мудрствовать лукаво, те же учёные мужи составили замечательную номограмму, в которую достаточно подставить по абсциссе значение углового ускорения и по ординате получить мощность:
Горизонтальными чёрточками на номограмме показаны диапазоны допустимых значений мощности двигателей. Понятное дело, завышенную мощность мы скорее всего не получим, но заниженная — дело в принципе привычное. Собственно, снижение мощности является одним из диагностических признаков, с которыми нам, инженерам, приходится иметь дело.
Определение частоты вращения вала. Прибор ИМД-Ц
Так как же определить угловое ускорение? На большинстве классических тракторов ведь установлен механический привод тахометра, к которому подлезть каким-то цифровым прибором мы не сможем. Поэтому постараемся найти что-то, к чему можно "зацепиться" датчиком и снимать импульсы от каких-то делений, равномерно распределённых по углу поворота вала. В принципе, для этой роли могут сгодиться зубцы маховика:
Что ж, измеряя длину импульса между соседними зубцами, можно определить частоту вращения вала и угловое ускорение. Задача кажется несложной, и ещё в восьмидесятых для её решения был создан прибор ИМД-Ц:
В нижней части рисунка показан магнитоэлектрический датчик, который устанавливается в картер маховика (см. фото выше) и считывает прохождение зубцов за счёт изменения ими магнитного поля датчика. Всё это великолепие подключается к 12 вольтам, после чего нужно выполнить настройку, на которой остановимся чуть подробнее.
Для задачи определения углового ускорения нам понадобится включить кнопку n/ε, поскольку при её выключенном положении прибор будет на дисплее показывать текущие обороты двигателя. Для настройки необходимо, последовательно нажимая кнопки ε, nε, n, соответствующими им рукоятками установить калибровочные значения, указанные в справочной литературе.
В последнем пункте заключается один из неприятных недостатков прибора: рукоятки чересчур чувствительные, и установить точные значения в пределах заданных погрешностей ох как непросто: цифры пляшут плюс-минус десяток даже от малейшего прикосновения. К тому же а) на прогретом и холодном приборе значения будут отличаться; б) для диагностики другой модели двигателя придётся настраивать всё заново.
Остальные кнопки нас сейчас не сильно интересуют, разве что переключатель числа цилиндров "1-4 / 6-12" нужно будет установить в соответствующее положение.
Процесс диагностики и анализ результатов
Итак, мы наконец настроили прибор, теперь можно приступать к непосредственно диагностике. Здесь процесс нехитрый: следует запустить и прогреть двигатель, после чего установить обороты порядка 1100–1300. Далее, когда обороты стабилизируются, нужно резко и до упора (резко! и до упора! Многие почему-то боятся) нажать на педаль подачи топлива и держать её до тех пор, пока на экране прибора не появятся циферки ускорения. Их мы торжественно записываем и повторяем процедуру ещё дважды, чтобы в итоге получить три значения. Определив среднее из них, получим по нему величину мощности двигателя.
К примеру, значение 158.2 рад/с² для двигателя Д-240 будет соответствовать мощности 49 кВт, что явно не дотягивает до номинала.
В качестве дополнительного контента можно измерить разность мощности по цилиндрам. Но для этого нам понадобится либо отключатель цилиндров (в лаборатории наличествует), либо специальное оборудование в виде тряпки и ключа на 17. Ключом откручиваем топливопровод к форсунке и заматываем тряпкой. Здесь главное не совать пальцы под струю, всё-таки 170 атмосфер это не шутки. Тряпке-то всё равно, она просто вымокнет в топливе и ею можно будет протирать ржавьё.
Отключив таким образом один цилиндр, снова производим разгон двигателя педалью в пол. Полученное значение записываем с указанием номера отключенного цилиндра (как правило, нумерация идёт от ТНВД). Подключаем всё обратно и повторяем процедуру с каждым из цилиндров. Опять же, в условиях лаборатории нам не нужны тряпки и ключи, мы просто воспользуемся отключателем.
Взглянув на полученные результаты, мы увидим значения ускорений для работы без указанных цилиндров. Выбрав наименьшее из них, считаем превышение в процентах остальных цилиндров над ним. Если дельта менее 15%, считается, что равномерность работы цилиндров находится в допустимых пределах.
К примеру, получили ускорения для цилиндров по порядку: 85, 92, 75, 101 рад/с². Наименьшее число — 75, а 101 превышает его на 34%, что говорит о недопустимом снижении мощности 4 цилиндра. Почему четвёртого, ведь число наибольшее? Так ведь мы работаем от противного, отключая цилиндры, и получается, что наибольшее число соответствует наихудшему цилиндру.
Заключение
Рассмотрев основную (но не единственную) функцию прибора ИМД-Ц, мы увидели его преимущества и недостатки, о которых, пожалуй, каждый сможет сделать вывод и сам. В дальнейших статьях будут раскрываться и другие аспекты работы с ним, а также современный подход к подобному методу диагностирования.
---
Вячеслав Егоров, старший преподаватель кафедры ЭМТП и ВТР
