СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M65/00 G01M15/00 

Изобретение относится к автомобилестроению, в частности к двигателестроению.

Известен способ определения топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания, закрепляющийся в определении разности величин коэффициентов полезного действия двигателя, работающего соответственно в эксплуатационных и стендовых условиях.

Однако этот способ является трудоемким и при его осуществлении необходимо использовать дорогостоящее и недостаточно надежное оборудование для измерения крутящего момента на валу двигателя.

Известно, что механический КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) представляется отношением
η_м= (1) где N_e эффективная мощность двигателя, кВт;
N_i индикаторная мощность двигателя, кВт.

Удельные механические потери Р_м в ДВС определяются из выражения
Р_м А + ВС_г, (2) где А и В коэффициенты, зависящие от типа двигателя;
С_г средняя скорость поршня, м/с.

Мощность N_м, кВт, механических потерь в двигателе может быть вычислена по формуле
N_м= где N_h рабочий объем цилиндров, л;
i число цилиндров;
n частота вращения вала двигателя, мин;
τ коэффициент тактности.

Следовательно, с учетом выражения (2) мощность механических потерь в двигателе может быть представлена в виде функции N_м f(n) от частоты вращения вала двигателя
N_м A₁n + B₁n², (3) где А₁ и В₁ константы, учитывающие конструктивные особенности двигателя.

Тогда на основании (1) и (3) для заданной частоты вращения при n const может записать
η_м= (4)
Таким образом, при условии соблюдения постоянной частоты вращения (n const) N_м const, в то время как индикаторная мощность будет зависеть от характера изменения эффективного момента в функции времени М_е f(t). Чтобы учесть этот фактор, необходимо проводить интегральную оценку КПД двигателя по времени его работы (испытания). Тогда с учетом зависимости (4) следует записать
η_э= (5) где Т время, в течение которого проводился контроль работы двигателя (время должно выбираться из расчета неоднократного повторения цикла изменения нагрузочного режима), с;
средняя величина индикаторной мощности за время Т, кВт.

В отличие от механического КПД, представленного выражениями (1) и (4), назовем показатель η_э энергетическим КПД двигателя.

В случае постоянства эффективного момента М_е const имеем N_i, то есть при данном условии механический и энергетический КПД совпадают:
η_э= η_м.

Если же М_е var, то η_э ≠ η_м. Таким образом, получив значение η_эдвигателя при различных функциональных зависимостях М_е f(t) и сопоставив эти значения с η_м, определенным по формуле (4) для заданной частоты вращения и принимаемым в качестве эталона, может судить об экономичности работы двигателя при различном характере внешней нагрузки.

С целью упрощения методики обработки экспериментальных данных представим формулу (5) в другом виде. Для этого укажем:
a) W_i= T N_i(t)dt, (6) где W_i энергия, полученная в цилиндрах двигателя за время Т, кДж;
N_i(t) мгновенное значение индикаторной мощности для соответствующего значения, кВт;
б) W_м N_м ˙ T, (7) где W_м энергия механических потерь в двигателе за время Т, кДж.

Тогда на основании (6) и (7)
η_э= (8) при n const.

Для определения КПД двигателя на основании зависимости (1) необходимо измерять величину эффективности момента, что при выполнении исследований в эксплуатационных условиях всегда представляет техническую сложность.

Целью предлагаемого изобретения является проведение анализа топливной экономичности двигателя на основе энергетического КПД. В этом случае отпадает необходимость в непосредственном определении величины эффективного момента.

Развиваемая двигателем мощность (или вырабатываемая им энергия) пропорциональна расходу топлива
N_i 10^-3 H_u ˙ G_т ˙ η_i, (9) где Н_u теплотворная способность топлива, Дж/кг;
G_т секундный расход топлива, кг/с;
η_i индикаторный КПД двигателя.

Нелинейность зависимости N_i f(G_т) объясняется непостоянством величины η_i.

Таким образом, очевидно, что расход топлива так же, как и вырабатываемая двигателем энергия является интегральным показателем во времени, учитывающим особенности работы двигателя на различных нагрузочных режимах
W_i= T f(Q) (10) где Q расход топлива за время Т, кг.

При этом
Q T (11) где средний секундный расход топлива, кг/с.

На основании (8)-(11) энергетический КПД двигателя может быть представлен зависимостью
η_э= (12) при n const, n, где Q_i расход топлива за время Т испытания двигателя при изменяющейся величине эффективного момента (М_е var) и переменной частоте вращения двигателя, среднее значение которой за время Т равно , кг;
Q_м расход топлива за время Т при работе двигателя на холостом ходу с постоянной частотой n const вращения равной , кг.

При использовании зависимости (12) в качестве эталонного КПД принимают энергетический КПД η_э^эт двигателя, определяемый по формуле
ηээ

^т= (13) где Q_i^эт расход топлива за время Т испытания двигателя при М_е const в стендовых условиях, определяемый при аналогичном положении органа, регулирующего топливоподачу, и при постоянной частоте n const вращения двигателя, равной .

Определяя энергетический КПД двигателя, следует обязательно учитывать, что изменение эффективности момента вызывает соответствующее колебание частоты вращения двигателя согласно его механической (скоростной) характеристике, а следовательно, в этом случае необходимо определить среднюю величину частоты вращения двигателя за время Т испытаний и измерение Q_м (или N_м) и Q_i^эт проводить при частоте вращения n const равной .

Сущность изобретения заключается в сопоставлении значений энергетического КПД, полученного в эксплуатационных условиях, с энергетическим КПД, который имеет двигатель, работающий в стендовых условиях с постоянной нагрузкой (М_е const) с аналогичным положением топливоподающего рабочего органа и заданной частотой вращения, равной среднему значению частоты вращения вала двигателя, работающего в эксплуатационных условиях. При этом испытания двигателя проводят в трех режимах: в эксплуатационных условиях, на стенде с М_е const и на холостом ходу с частотой вращения, равной заданной, определяемой средним значением частоты вращения вала двигателя в условиях эксплуатации.

Реализация способа осуществлена на автомобиле ЗИЛ-157КД с использованием электронного прибора FUF-80F для измерения расхода топлива и частоты вращения двигателя, имеющего точность измерения расхода топлива ± 0,5%
Использование для анализа топливной экономичности ДВС критерия η_эзначительно упрощает методику, уменьшает стоимость и увеличивает оперативность исследовательских работ в условиях эксплуатации, поскольку отпадает необходимость в использовании дорогостоящего и недостаточно надежного оборудования для измерения крутящего момента на валу двигателя.

Энергетический КПД может быть использован также и при проведении углубленных (например, ресурсных) испытаний на тормозном стенде, что осуществляется путем подбора имитационного нагрузочного режима при заданном положении органа, регулирующего топливоподачу, и соблюдении равенства расхода топлива двигателем на стенде расходу Q_i топлива, полученному в эксплуатационных условиях.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: определяют расход топлива и частоту вращения вала двигателя на трех режимах с одинаковой продолжительностью испытаний. По результатам измерений определяют значения коэффициента полезного двигателя η₁= Q₁-Q₂/Q₃ и η₂= Q₃-Q₂/Q₃, где η₁ и η₂ коэффициенты полезного действия двигателя при работе соответственно в эксплуатационных и стендовых условиях; Q₁-Q₃, расход топлива двигателем соответственно на первом, втором и третьем режимах, и по разности величин η₁ и η₂ оценивают влияние эксплуатационного режима на топливную экономичность двигателя.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, заключающийся в определении разности величин КПД двигателя, работающего соответственно в эксплуатационных и стендовых условиях, отличающийся тем, что определяют расход топлива и частоту вращения вала двигателя на трех режимах с одинаковой продолжительностью испытаний, первый из которых осуществляют в эксплуатационных, а второй и третий в стендовых условиях, на первом режиме измеряют расход топлива и частоту вращения вала двигателя, работающего с заданным положением органа, регулирующего топливоподачу, и с переменной частотой вращения, изменение которой определяется изменяющейся величиной внешней нагрузки, по результатам измерений мгновенных значений частоты вращения находят ее среднее значение за период испытаний, данную величину принимают в качестве заданной для последующих испытаний, на втором режиме определяют расход топлива при работе двигателя на холостом ходу с постоянной частотой вращения, равной заданной, на третьем режиме измеряют расход топлива при работе двигателя с постоянной частотой вращения, равной заданной, постоянной величиной внешней нагрузки и положением топливоподающего органа, аналогичным его положению на первом режиме, по результатам измерений определяют два значения КПД


где η₁ и η₂ КПД двигателя при работе соответственно в эксплуатационных и стендовых условиях;
Q₁ Q₃ расход топлива двигателем соответственно на первом, втором и третьем режимах, кг (или л).