Testy silnika

Lokalizacja MAHLE w Muskegon, MI.

Testowanie podzespołów w silniku jest nieodłączną częścią procesu rozwoju silnika. Wewnętrzne testy silnika zapewniają nam niepodważalne fakty dotyczące funkcjonowania i jakości produktów.

Grupa MAHLE utrzymuje 13 Centrów technicznych z 8 obiektami testowania silników, które łącznie dysponują 92 stanowiskami testowymi. Centra techniczne, a co za tym idzie laboratoria testowania silników, są zlokalizowane w pobliżu najważniejszych centrów rozwoju branży motoryzacyjnej, umożliwiając tym samym ścisłą współpracę z klientami w danej lokalizacji.

Rozwój i testy silników i ich podzespołów są w coraz większym stopniu zdecentralizowane. Przejrzystość i wymiana informacji pomiędzy różnymi lokalizacjami prowadzącymi testy silników jest zatem niezbędna.

Lokalizacje MAHLE prowadzące testy silników są połączone za pośrednictwem globalnych baz danych i platform roboczych. Oznacza to, że dane techniczne są dostępne lokalnie w dowolnym czasie i gwarantowana jest regularna wymiana informacji i doświadczeń. Strategie testowania silnika, pomiarów i metody analizy oraz programy testowe są omawiane i porównywane podczas regularnie prowadzonych spotkań.

Testy silników prowadzone przez MAHLE obejmują różne zadania, które można zasadniczo podzielić na sześć obszarów.

  • Rozwój metody pomiaru
    Nowe metody pomiarów, testów i analiz zapewniają informacje ważne dla procesu rozwoju nowych produktów. Po etapie globalnej koordynacji i lokalnego rozwoju, nowe metody są wprowadzane globalnie w całej Grupie MAHLE. Oznacza to, że nowe metody mogą zostać wdrożone we wszystkich lokalizacjach i zapewniać wartościowe dane i fakty zarówno da MAHLE, jak i klientów.
  • Podstawowe badania
    Obejmuje to przygotowanie i weryfikację ogólnie stosowanych katalogów działań dla specjalnych problemów i obszarów tematycznych.
  • Testy silnika dla nowych produktów
    Zanim nowe produkty zostaną zwolnione do zastosowań przeznaczonych dla klientów, musza spełnić wymogi wysokiego stopnia dojrzałości technicznej i funkcjonalności. Nowe produkty są zatem testowane i weryfikowane wewnętrznie w ramach testów silnika.
  • Testy silnika dla produktów przeznaczonych do zwolnienia do produkcji seryjnej
    W ramach procesu rozwoju produktu, istniejące produkty są dostosowywane do specyfikacji klientów i testowane w ramach testów silnika specyficznych dla klienta. Holistyczne testy jednostki ogniwa zasilającego (PCU, włączając tłoki, pierścienie tłokowe oraz tuleje cylindrowe) są niezbędne do oceny interakcji pomiędzy indywidualnymi elementami oraz do zharmonizowania ich.
  • Rozwiązywanie problemów
    Komplikacje związane z produktami wytwarzanymi w ramach produkcji seryjnej wymagają szybkiej reakcji. Awarie w terenie muszą zostać odtworzone w ramach odpowiednich testów w obiekcie testowania silników, aby można było przetestować potencjalne środki naprawcze.
  • Usługi rozwojowe
    Testy silnika mogą zapewnić klientowi kompleksową pomoc w oparciu o doświadczenie i specjalistyczną wiedzę techniczną dzięki wykonaniu szerokiego zakresu testów silnika przez dostawcę usług rozwoju.

Testy silnika są jednym z końcowych kroków w rozwoju każdego produktu. Tylko faktyczna praca silnika może pokazać rzeczywiste zachowanie elementów i potencjalne interakcje z innymi elementami. Szczegółowe środki optymalizacji osiągania podstawowych celów rozwoju wymienione poniżej nie mogą zostać wdrożone przed testami silnika ani nie można wykazać ich efektywności.

  • Weryfikacja funkcjonalności i wytrzymałości elementu
  • Optymalizacja zużycia oleju i separacja oleju
  • Zapobieganie zbieraniu się osadów węgla z oleju i pozostałości różnych odpadów
  • Optymalizacja chłodzenia podzespołów i dystrybucji temperatury
  • Optymalizacja akustyki i zachowania w przypadku wibracji
  • Optymalizacja systemów przepływu
  • Minimalizacja strat związanych z tarciem oraz zużycia części
  • Analiza termodynamiki i emisji
  • Zastosowanie mapy operacyjnej i populacji danych.

Stanowiska testowe do silników MAHLE są w stanie obsługiwać jednostki od małych silników dwusuwowych, przez silniki benzynowe i silniki diesla do samochodów osobowych do silników do ciężkich pojazdów użytkowych. Stanowiska testowe obsługują zakres mocy wyjściowej do 1200 kW.

Współczesne systemy automatyki stanowisk testowych są obecnie najnowocześniejszymi rozwiązaniami i umożliwiają niemonitorowaną pracę silnika przez całą dobę. Złożone narzędzia logistyczne wykorzystywane do planowania sekwencji testowych oraz systemy szybkich zmian skracają czas rozstawiania silnika na stanowisku testowym, znacząco zwiększając współczynnik wykorzystania i umożliwiają uniknięcie niepotrzebnych przestojów.

Oprócz szeregu stanowisk testowych rozwoju mechanicznego i stanowisk funkcjonalnych, a także służących do analizy termodynamicznej i analizy emisji, MAHLE wykorzystuje różne wyspecjalizowane stanowiska testowe, na których można analizować dodatkowe kluczowe obszary rozwoju, takie jak straty związane z tarciem, akustyka i rozruch na zimno.

Stanowiska testowe rozwoju mechanicznego i stanowiska funkcjonalne

Wszystkie elementy obsługujące silnik są badane z wykorzystaniem stanowiska testowego pod kątem rozwoju mechanicznego, weryfikacji funkcjonalnej oraz wytrzymałości elementów w ramach testów długoterminowych. Aktywne hamulce stanowiska testowego umożliwiają obsługę silnika napędzanego, dzięki czemu można przetestować również np. systemy hamowania silnika pojazdu użytkowego.

Oprócz specyficznych programów testowych MAHLE, można wykonać wszystkie testy specyficzne dla klienta (np. testy szoku termicznego).

Termodynamiczne stanowiska testowe

Oprócz systemów stanowisk testowych badających rozwój mechaniczny i stanowisk funkcjonalnych, termodynamiczne stanowiska testowe są wyposażone w systemy badania powietrza wchodzącego. Na potrzeby testów termodynamicznych dostępne są systemy indeksowania wysokiego i niskiego ciśnienia oraz odpowiednie narzędzia analizy. Na potrzeby analizy składników spalin, oprócz typowej analizy pięcioskładnikowej dostępne są również systemy FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, spektrometr podczerwieni z transformacją Fouriera). Szereg instrumentów pomiarowych jest również wykorzystywany do analizowania masy cząstek lub liczby cząstek w spalinach.

Stanowisko do testów na zimno

Stanowiska do testów na zimno

Stanowiska do testów na zimno umożliwiają ocenę zachowania silnika podczas rozruchu na zimno oraz przetestowanie zróżnicowanych powłok powierzchni pod kątem uszkodzeń spowodowanych rysowaniem podczas rozruchu na zimno. Całe stanowisko testowe, włączając chłodziwo, olej oraz temperaturę powietrza wchodzącego, może zostać schłodzone do –28°C.

Stanowisko do testów akustycznych

Stanowiska do testów akustycznych

Stanowiska do testów odbić akustycznych są wykorzystywane do prowadzenia rozbudowanych testów NVH (hałas, wibracje, uciążliwość korzystania) w celu zoptymalizowania akustycznego zachowania elementów, takich jak tłoki, łożyska, elementy rozrządu i moduły wejściowe. Wykonywane będą zarówno pomiary hałasu przenoszonego przez struktury, jak i przez powietrze. Zdefiniowane testy są w stanie precyzyjnie odtworzyć wzbudzenie hałasu na stanowisku testowym, umożliwiając obiektywne porównanie potencjalnych środków zaradczych.

Stanowisko testowe siły tarcia dla kompletnych silników

Stanowiska testowe siły tarcia

Istotnym czynnikiem przyczyniającym się do redukcji emisji CO2 jest minimalizacja w silniku strat związanych z tarciem. Oprócz symulacji i określenia współczynnika tarcia poza silnikiem, MAHLE wykorzystuje kilka metod pomiarów silnika w celu określenia i zminimalizowania strat związanych z tarciem.

Siły tarcia dla tłoków, pierścieni tłokowych oraz grupy cylindra mogą zostać określone jako funkcja stopni kąta obrotu wału korbowego w jednocylindrowym silniku z ruchomą tuleją poprzez zmierzenie sił osiowych oddziałujących na tuleję cylindrową.

W połączeniu ze stanowiskiem testowym siły tarcia dla kompletnych silników, MAHLE wykorzystuje narzędzie określające średnie mapy operacyjne ciśnienia tarcia z wykorzystaniem metody oznaczania w napędzanym, działającym kompletnym silniku. Szeroki zakres wariacji parametrów projektowych umożliwia porównanie środków w obrębie całej mapy operacyjnej. Wykorzystując średnią mapą operacyjną ciśnienia tarcia, można wykorzystać odpowiednie narzędzia symulacji do wyliczenia emisji CO2 w cyklach jazdy dostosowanych do klienta.

Silniki klienta mogą być zatem optymalizowane indywidualnie również w odniesieniu do emisji CO2 w cyklach jazdy istotnych z prawnego punktu widzenia.

Powierzchnia chłodząca tulei cylindra uszkodzona przez kawitację

Kawitacja

Kawitacja, szczególnie na mokrych tulejach cylindrowych w silnikach do dużych pojazdów użytkowych, może spowodować korozję wżerową na tulei cylindra, tym samym prowadząc do awarii silnika po długim okresie pracy. Efektywność środków zaradczych musi zwykle zostać wykazana w długich, wiążących się z wysokimi kosztami testach wytrzymałości.

Mikrograf tulei cylindra uszkodzony przez kawitację

Firma MAHLE opracowała złożoną metodę pomiarów oraz metodologię analizy umożliwiającą diagnozowanie i analizę skłonności do kawitacji.
Efektywność środków zaradczych może wówczas zostać wykazana przy niskich kosztach i w krótkim czasie.

Mapa charakteryzacji stacjonarnego zużycia oleju

Zużycie oleju

Dodatkowo do konwencjonalnych metod grawimetrycznych, takich jak warzenie lub metoda objętościowa albo mierzenie poziomu oleju w misce w celu określenia jego zużycia, MAHLE wykorzystuje również chemiczne metody analityczne. Używane są również metody wykorzystujące wskaźniki takie jak siarka lub tryt, podobnie jak bezwskaźnikowe analityczne metody chemiczne.

Zużycie oleju w teście dynamicznym

Wykorzystanie spektrometrii mas do określenia zużycia oleju w takiej bezwskaźnikowej, chemicznej metodzie analitycznej zyskuje na znaczeniu. Metoda ta zapewnia dużą ilość informacji w bardzo krótkim czasie. Mapy charakteryzacji stacjonarnego zużycia oleju mogą być zatem tworzone w ciągu kilku godzin. Dzięki stałemu mierzeniu stężenia oleju w spalinach, możliwe jest określenie zużycia oleju w przejściowych warunkach operacyjnych. Reakcyjność systemu pomiarów jest wystarczająco szybka, by ocenić nawet wysoce dynamiczne efekty zużycia oleju, takie jak szybkie cykliczne zmiany obciążeń i prędkości. Wyciąganie spalin bezpośrednio za komorą spalania umożliwia zastosowanie selektywnych pomiarów dla każdego cylindra.

Szeroko zakrojone badania doprowadziły do stworzenia katalogów środków, które mogą być wykorzystywane do nakierowanej optymalizacji zużycia oleju.

Temperatura tłoka

W celu uzyskania wiarygodnych wyliczeń czasu eksploatacji tłoka, absolutnie konieczne jest określenie temperatury jego elementów. W zależności od wymogów, do oceny temperatur elementów wykorzystywane są różne metody pomiarów.

Jedną z szybkich, prostych metod pomiaru jest wykorzystanie templugów (stalowe śruby z określonego stopu) w celu określenia temperatury tłoka w punkcie operacyjnym stanu stacjonarnego. Twardość resztkowa i czas zastosowania templuga może zostać wykorzystana do wyliczenia maksymalnej temperatury elementu.

Tłok z samochodu osobowego poddany metrologii NTC

Dla wyższych wymogów wykorzystywana jest metoda pomiaru znana jako NTC. Półprzewodniki znane jako NTC są wykorzystywane jako czujniki pomiarowe. Dane są transferowane bezkontaktowo, z wykorzystaniem sprzężenia indukcyjnego, do zewnętrznej jednostki zbierania i analizowania danych. Do każdego tłoka można zastosować maksymalnie trzy punkty pomiarowe.

W przypadku najwyższych wymogów — tj. szeroko zakrojonych pomiarów na całej mapie operacyjnej, zmian parametrów i pomiarów przejściowych w ramach testów specyficznych dla klienta — wykorzystywany jest system znany jako RTM (System pomiarów temperatury tłoka z wykorzystaniem telemetrii w czasie rzeczywistym). W tym przypadku temperatury elementów są mierzone za pomocą termoogniw NiCr-Ni. Analogowy sygnał napięcia a czujników pomiarowych jest przekształcany na sygnał cyfrowy przez wzmacniacz sygnału czujnika zamontowany na tłoku. Telemetria jest wykorzystywana do przekazania modulowanego sygnału bezprzewodowo do zewnętrznej jednostki zbierania i analizowania danych. Do jednego tłoka można podłączyć do siedmiu punktów pomiarowych.

Klienci mogą wykorzystywać tę metodę pomiarów w czasie rzeczywistym na miejscu w MAHLE do zaprojektowania spalania w taki sposób, by maksymalne dopuszczalne obciążenia termiczne dla elementu nie zostały przekroczone.

Tłok samochodu osobowego z uszkodzeniem spowodowanym przez spalanie stukowe

Spalanie stukowe

Błędy związane ze spalaniem stukowym w silnikach benzynowych mogą doprowadzić do uszkodzenia tłoka, albo nawet do awarii silnika. Dzięki wykorzystaniu metody pomiarów i analizy opracowanej przez MAHLE, można wykrywać i szacować każdy indywidualny przypadek spalania stukowego, zaś jego intensywność jest określana w czasie rzeczywistym. Porównanie amplitudy stukania i kąta zapłonu umożliwia wyciągnięcie wniosków dotyczących środków kontroli spalania stukowego, tym samym umożliwiając optymalizację i weryfikację systemów kontroli.