Hydrostaattisen dynamometrin suunnittelu dieselmoottorin validointitesteihin

Abstract

Dieselmoottorin validointitesteissä tutkitaan moottorin suorituskykyä ja tehdään niille kalibrointeja. Testejä hyödynnetään moottoreiden tuotekehityksessä uusien suunnitteluratkaisujen varmentamisessa ja komponenttien toiminnan ja kestävyyden tutkimuksessa. Hydrostaattinen dynamometri on laite, joka hyödyntää hydraulinesteen vapaan virtaamisen rajoittamista tutkittavan voimanlähteen kuormittamiseen. Moottorin käyttölaite PTO:lla (power take-off) tarkoitetaan Agco Powerin dieselmoottoreissa olevaa voiman ulosottoa, jolla käytetään esimerkiksi hydrauliikkapumppua tai paineilmakompressoria.

Moottorien validointitesteissä ei ole ennen voitu tutkia moottorin PTO:n suorituskykyä riittävällä tarkkuudella. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella hydrostaattinen dynamometri, jolla voidaan kuormittaa moottorin PTO:ta validointitestien aikana riittävällä ja muunneltavissa olevalla vääntömomentilla. Työssä vastattiin tutkimusongelmasta johdettuihin kysymyksiin, millaisella testilaitteella PTO:n toimintaa voidaan tutkia validointitesteissä sekä miten hydrostaattisesta dynamometristä tehdään työturvallinen. Kirjallisuuskatsauksessa tutustuttiin hydrauliikkajärjestelmiin, niiden suunnitteluperiaatteisiin ja työturvallisuuteen. Siinä esitellään hydrostaattisen dynamometrin toimintaperiaate ja käydään läpi aiempia tutkimuksia, joissa on suunniteltu hydrostaattinen dynamometri ja sitä on käytetty polttomoottorin tutkimuksessa tai tuotekehityksessä.

Vaatimusten määrittelyä ja kirjallisuuskatsausta hyödyntäen suunniteltiin hydrostaattisen dynamometrin hydrauliikkapiiri yksityiskohtaisesti. Tämän jälkeen suunniteltiin laitteen ohjaus ja tarvittavat mittauslaitteet periaatetasolla. Testilaite suunniteltiin ja 3d-mallinnettiin. Suunnittelussa kiinnitettiin erityistä huomiota työturvallisuuteen, havaitut riskit arvioitiin ja kehitettiin keinot työturvallisuuden parantamiseksi.

Tuloksena saatiin suunnitelma hydrostaattisesta dynamometrista, jolla voidaan kuormittaa dieselmoottorin käyttölaite PTO:ta validointitesteissä. Suunnittelutyön tuloksena saatiin suunnitelma hydrauliikkapiiristä ja vaatimukset komponenteille, periaatetason suunnitelma ohjauksesta ja vaatimukset ohjaus- ja mittauskomponenteille. Hydrostaattinen dynamometri 3d-mallinnettiin. Suunnittelun pohjalta voidaan aloittaa laitteen viimeisten mekaanisten yksityiskohtien ja ohjauslogiikan suunnittelu, sekä ostokomponenttien valinta ja hankinta.

Validation tests of diesel engines are used to evaluate engine’s performance capabilities and calibration. Tests are utilized in product development to validate design choices and components’ performance and durability. A hydrostatic dynamometer is a research device used to absorb and measure engine power and torque. Its working principle is based on restriction of the free flow of hydraulic fluid. Auxiliary PTO is located on the side of the engine in Agco Power’s diesel engines. It is used as a power source for hydraulic pump or compressor for example.

Until now, it has not been possible to sufficiently validate auxiliary PTO’s performance in tests. In this master’s thesis, a hydrostatic dynamometer was designed to load and measure auxiliary PTO during the validation test with variable and sufficient torque. The thesis work answers questions posed by the investigational design, what kind of device can be used to evaluate engines’ PTO during validation tests and how the hydrostatic dynamometer can be made safe to use. Literature research was conducted on subjects including hydraulic systems, hydraulic system design principles and occupational safety. Former studies on hydrostatic dynamometers and their use in engine research and development were also assessed.

The test environment, its requirements, and literature study were utilized in designing the hydraulic circuit of the hydrostatic dynamometer in detail. Control of the device and measuring equipment were designed at the conceptual level. The mechanical structure of the dynamometer was 3d-modeled. During the design, the occupational safety perspective was given special attention, detected risks were evaluated and measures were taken to improve safety.

As a result, a plan for a hydrostatic dynamometer that can be used to load and measure diesel engine’s auxiliary PTO during validation testing was created. The results included hydraulic circuit design and requirements for components, conceptual level design for control logic and requirements for control and measuring components. The hydrostatic dynamometer was 3d-modeled. The plan can be used to design final manufacturing drawings, control logic and selection and procurement of the supplier components.