СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ Российский патент 1996 года по МПК G01M15/00 

Предлагаемое изобретение касается эксплуатации дизельных установок, а более конкретно исследования рабочего процесса дизеля и может быть использовано для судовых и стационарных дизельных установок.

Известен способ контроля рабочего процесса дизеля, не оборудованного индикаторным приводом, путем снятия зависимости давления газа в цилиндре от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.) индикаторной диаграммы с помощью датчиков давления и угла п.к.в. (см.систему постоянного контроля рабочего процесса [1] Измеренные значения давления и угла поворота коленчатого вала через специальное устройство передаются в ПЭВМ, где в соответствии с заданной программой обрабатываются. Рабочий процесс в каждом цилиндре анализируется на основе снятой индикаторной диаграммы путем оценки среднего индикаторного давления, давления в верхней мертвой точке (ВМТ). Однако при снятии индикаторной диаграммы для различных цилиндров возникает погрешность в определении фактического угла п.к.в. из-за наличия крутильных колебаний. Кроме того, для мощных малооборотных дизелей требуется для датчиков угла п.к.в. кабель длиной 20-30 м, что также увеличивает погрешность измерения.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения давления газа в цилиндре в зависимости от угла п.к.в. и упрощения измерений.

Так же как и в прототипе контроль рабочего процесса дизеля осуществляют путем определения зависимости давления газа в цилиндре от угла п.к.в. с помощью датчиков.

Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в том, что снимают указанную зависимость для контрольного цилиндра, ближайшего к датчику угла п.к.в. для 3-5 режимов работы и определяют значение ее второй или выше производной для одного угла п.к.в. например, ВМТ этого цилиндра, принимают это значение за базовое, определяют зависимость производной давления газов во втором цилиндре от угла поворота коленчатого вала, а угол п.к.в. для второго цилиндра определяют по равенству базовому значению соответствующей производной зависимости давления газа в этом цилиндре от угла п.к.в.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения достигается за счет использования всей совокупности признаков (как новых, так и известных). Способ контроля рабочего процесса дизеля позволяет повысить точность определения фактического угла п.к.в. до каждого цилиндра в среднем до 0,5% за счет исключения крутильных колебаний и влияния длины кабеля.

Предлагаемый способ основан на анализе сил и моментов, действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ). Все силы, действующие в КШМ, дают равнодействующую силу, которую принято называть движущей Р_д
Р_д Р_г + Р_в ± Р_и Р_о, (1) где Р_д движущая сила,
Р_г сила действия газов на поршень,
Р_в сила тяжести,
Р_и силы инерции движущихся частей,
Р_о силы сопротивления окружающей среды.

Продифференцируем уравнение (1) раз по углу поворота коленчатого вала, имея в виду, что силы тяжести постоянны как по значению, так и по направлению, а силы сопротивления обычно принимают при расчетах постоянными по значению и направлению. Последнее допущение более подробно рассмотрим ниже, тогда получим, что
Р_д' Р_г' ±Р_и' (2) или в диапазоне ± 70^о от ВМТ
Р_д' Р_г' Р_и' (3) и соответственно для n-поизводной
Р(n)д

Р(n)г Р(n)и (4)
Реальную зависимость Р_д от угла п.к.в. 4 можно с наперед заданной погрешностью аппроксимировать полиномом n-степени. Тогда для (n+1) производной от движущей силы получим из уравнения (4), что
Р(n+1)д 0 Р(n+1)г Р(n+1)и (5) или
Р(n+1)г Р(n+1)и.

Силы инерции определяют так
Р_и mrW²(cos Φ + λ cos2 Φ), (6) где m масса поступательно движущихся частей, кг;
r радиус кривошипа, м;
λ r/L отношение длины радиуса кривошипа к длине шатуна;
W средняя угловая скорость, рад/с;
n частота вращения вала, обороты/мин; или Р(n+1)r

mrW²(cos Φ + λ cos Φ)⁽ⁿ⁺¹⁾, т. е. (n+1) производная зависимости давления газов в цилиндре от угла п. к.в. одна и та же у всех цилиндров (n≥1). Например, для угла п.к.в. соответствующего ВМТ Φ= 0), вторая производная равна
Р mrW cos0 + λ cos0) Естественно все силы приведены к единице площади поршня, чтобы привести силы действия газов к размерности давления газов. Выше силы сопротивления были приняты постоянными по значению и направлению. На самом деле они изменяются. Чтобы учесть их изменение необходимо на каком-то одном цилиндре (один раз, например, на стендовых испытаниях) снять обычным способом индикаторную диаграмму для 3-5 режимов и найти для ВМТ действительные значения (n+1)-производных от давления газов (на практике достаточно ограничиться второй производной). Полученные действительные значения второй производной используются для других цилиндров, для которых привязка измеренных значений давления газа не производится.

Сущность изобретения поясняется графиками, где на фиг.1 зависимость Р_r1' и зависимость Р_r1" для первого цилиндра (базовая), на фиг.2 зависимость Р_r2 и Р_r2 для второго цилиндра. На этих графиках максимальное значение Р_r1 и Р_r2 максимум графика, начало сгорания Р_е- точка перегиба кривой.

Пример осуществления способа. На цилиндре, например N 1, наиболее близко расположенном к маховику, где установлен датчик угла поворота коленчатого вала, измеряется давление газа Р_r (с помощью датчика давления, установленного на индикаторном кране) в функции угла п.к.в. и строится индикаторная диаграмма фиг.1, На этой диаграмме в какой-то точке по углу поворота, например в ВМТ, определяем вторую производную Р_r" для цилиндра N 1. Затем на другом цилиндре, например N 2, на том же режиме работы дизеля, на котором снималась индикаторная диаграмма цилиндра N 1, измеряют давление газа (без привязки к углу поворота вала); Угол поворота коленчатого вала на каком-то определенном режиме работы, т.е. при определенной постоянной частоте вращения дизеля однозначно связан со временем. Поэтому кривая фиг.2 представляет фактически временную реализацию давления в цилиндре, которую всегда можно получить без привязки ко времени (или к углу поворота коленчатого вала), пользуясь только датчиком давления. Для получения кривой, фиг.2 нужно установить датчик давления на индикаторный кран цилиндра N 2 и измерять давление в зависимости от времени. Это возможно осуществить с помощью осциллографа или другим методом, замеряя давление, например, через интервал в 1 мс. (т.е. получить временную зависимость давления в цилиндре). Затем для этой кривой давления строят график второй производной Р_r2", находят значение Р_r2", которое равно значению Р_r1", соответствующее ВМТ первого цилиндра. В этой точке на оси абсцисс фиг.2 ставят ноль, т.е. это положение ВМТ для второго цилиндра. Дальше от этого нулевого угла поворота коленчатого вала откалывают другие углы, зная временной интервал измерения давления, зная частоту вращения и зная, что за один оборот вал делает 360^о (поскольку нас в дальнейшем интересует только положение ВМТ, то возьмем производную на участке кривой от начала сгорания Р_с до максимального давления Р_z). Аналогично делают привязку измеренных значений давления газа к углу поворота коленчатого вала для других цилиндров. Порядок производной 2^ая, 4^ая и т.д. определяют необходимой точностью привязки к углу поворота вала.

Использование: в дизельных установках при исследовании рабочего процесса дизеля. Сущность изобретения: контроль рабочего процесса дизеля осуществляют путем снятия зависимости давления газа в цилиндре от угла поворота коленчатого вала (п. к. в.) с помощью датчиков. Снимают указанную зависимость для контрольного цилиндра, ближайшего к датчику угла п. к. в. для 3 - 5 режимов работы и определяют значение ее второй или выше производной для одного угла п. к. в., например, верхней мертвой точки этого цилиндра. Принимают это значение за базовое, определяют зависимость производной давления газа во втором цилиндре от угла поворота коленчатого вала, а угол п. к. в. для другого цилиндра определяют по равенству базового значения соответствующей производной зависимости давления газа в этом цилиндре от угла п. к. в. 2 ил.

Способ контроля рабочего процесса дизеля путем определения зависимости давления газа в цилиндре от угла поворота коленчатого вала с помощью датчиков, отличающийся тем, что снимают указанную зависимость для контрольного цилиндра, ближайшего к датчику угла поворота коленчатого вала, для 3 5 режимов работы и определяют значение ее второй или выше производной для одного угла поворота коленчатого вала, например верхней мертвой, точки этого цилиндра, принимают это значение за базовое, определяют зависимость производной давления газа во втором цилиндре от угла поворота коленчатого вала, а угол поворота коленчатого вала для второго цилиндра определяют по равенству базового значения соответствующей производной зависимости давления газа в этом цилиндре от угла поворота коленчатого вала.