УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2003 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно тракторного, в эксплуатационных условиях.

Под работоспособностью понимается "состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации" [1, c.3].

Диагностировать значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции при работе ДВС в эксплуатационных условиях чрезвычайно сложно (практически невозможно).

По аналогии с медицинской диагностикой трудоспособности людей необходимо в процессе эксплуатации ДВС диагностировать его работоспособность, выполнять заданные функции по отдельным (характерным) параметрам требований нормативно-технической документации.

Каждый человек в период своей трудовой деятельности должен проходить флюорографию грудной клетки, а контроль состояния большинства других органов и общую трудоспособность человека определяют по мере появления тех или иных болезней или достижения соответствующего возраста. При этом нетрудоспособность человека может быть определена не только по общему состоянию, но и по одному какому-либо несоответствию требованиям жизнедеятельности, например нетрудоспособность по зрению, по слуху и т.п.

Аналогично медицинской флюорографии и ДВС необходимо диагностировать (контролировать способность выполнять заданные функции) периодически, например перед началом сезонных работ, при проведении технических обслуживаний и т.п., не дожидаясь появления каких-либо неисправностей или отказов ("болезней").

Для двигателя внутреннего сгорания, в частности тракторного двигателя, основной заданной функцией является создание механической энергии (в единицу времени эффективная мощность), а основными параметрами требований, устанавливаемыми нормативно-технической документацией при эксплуатации ДВС, являются: частота вращения вала двигателя (скоростной параметр) и экономичность двигателя - удельный (на единицу мощности) расход топлива [2, c.208], данные ГОСНИТИ. Многие другие параметры и показатели (температура и состав выхлопных газов, зазоры в подшипниках, износные показатели и др.) при эксплуатационной диагностике работоспособности ДВС рассматриваются лишь как ограничительные показатели. При этом, как и в медицине, неработоспособность ДВС в эксплуатационных условиях может определяться и по одному какому-либо из этих важнейших ограничительных показателей - по безопасности, экологии и т. п.

Приборы и устройства для контроля и измерения определенных показателей работы ДВС, в частности для определения эффективной мощности двигателя, чрезвычайно разнообразны. Это - указатели загрузки и определители мощности по частоте вращения вала двигателя и расходу топлива, по ходу рейки топливного насоса, измерители характеристик двигателя на основе магнитоупругих преобразователей механических показателей в электрические, измерители мощности двигателя (ИМД), основанные на измерении и обработке информации об угловом ускорении разгона двигателя в момент достижения частоты вращения вала двигателя, значения, близкого к номинальному, устройства виброакустической диагностики, диагностические и прогнозирующие системы (ДИПС) и др. [2. c.36-57, 146-150].

Большинство из этих требований устройств предназначены для стендовых (стационарных) испытаний, многие требуют специальных от тарированных нагрузочных устройств, не учитывают стохастический (колебательный) характер нагрузки двигателя в эксплуатационных условиях, измеряют показатели в режиме холостого хода двигателя, что не характерно для условий эксплуатации. Поэтому для диагностирования работоспособности ДВС в эксплуатационных условиях эти приборы и устройства мало пригодны.

Характерным для диагностирования ДВС в эксплуатационных условиях является режим работы, соответствующий достигаемой в данных условиях максимальной мощности (энергоресурс) двигателя при номинальной (в пределах допуска) частоте вращения вала двигателя.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является "Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления по а.с. 1647300, G 01 L 3/24 [3], которое предусматривает определение максимальной эффективности ДВС в данных эксплуатационных условиях при стохастическом (вероятностном) характере нагружения, не требуя специальных нагрузочных устройств.

Устройство (аналог) содержит датчики задроссельного давления в цилиндрах двигателя и расхода в единицу времени топлива, блок измерения мощности по величине задроссельного давления, блок нахождения экстремума по достижению расхода топлива экстремального (максимального) значения и индикатор-фиксатор максимальной мощности двигателя.

В этом устройстве при переходе двигателя с регуляторной на корректурную ветвь характеристики двигателя (точка перегиба характеристики), фиксируемом по экстремальному значению расхода топлива, развивается максимальная в данных условиях мощность двигателя, которая и отображается на табло индикатора.

Устройство по аналогу (прототипу) в случае применения его для целей диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях имеет следующие недостатки:
1. Замер дроссельного давления в цилиндрах двигателя требует определенного вмешательства в конструкцию двигателя (отверстие в головке цилиндров двигателя для отбора газа, создающего задроссельное давление), что непригодно для периодического в эксплуатационных условиях определения работоспособности двигателя.

2. Не определяется частота вращения вала двигателя при достижении максимальной мощности, в результате чего возможно увеличение максимальной мощности за счет повышения частоты вращения вала (формирования) двигателя, что не соответствует требованиям нормативно-технической документации и недопустимо при диагностировании работоспособности двигателя.

3. Не определяется экономичность двигателя - удельный на единицу мощности расход топлива.

4. Не определяется соответствие величин: максимальной мощности, частоты вращения вала двигателя и удельного расхода топлива ДВС, установленным для данных эксплуатационных условий показателям нормативно-технической документации.

5. Не осуществляется сигнализация о несоответствии какого-либо из диагностируемых показателей - величины нормативно технической документации (неработоспособность ДВС по данному показателю).

Задачей изобретения является измерение (без вмешательства в конструкцию двигателя) максимально допустимой в эксплуатируемых условиях эффективной мощности и соответствующих ей частоты вращения вала двигателя и удельного расхода топлива, сравнение этих величин с соответствующими показателями нормативно-технической документации и сигнализации по каждому показателю в случае его несоответствия нормативно-технической документации (неработоспособности ДВС по данному показателю).

Достигается поставленная задача тем, что устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, содержащее датчик расхода топлива, блок нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, блок измерения мощности двигателя и индикатор-фиксатор максимальной мощности, оно снабжено вычислителем удельного расхода топлива, один вход которого подключен к выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности, а другой - к оперативно-запоминающему устройству максимального расхода топлива, задатчиком предельно допустимых нормативных величин - по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, индикаторами-сигнализаторами и компараторами, выходы которых подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы подключены - один к выходам задатчика нормативных величин, второй к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива, причем в индикаторе-фиксаторе максимальной мощности фиксируются значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности, а датчик давления в блоке измерения мощности выполнен в виде наружного накладного датчика деформации трубопровода топливоподающей системы двигателя.

Новые существенные признаки:
1. Измеряют наружным (накладным) датчиком осредненное давление и частоту циклов, создаваемых двигателем, например, в топливоподающей системе, которые пропорциональны задроссельному давлению и частоте вращения вала двигателя.

2. В ОЗУ индикаторе фиксаторе максимальной мощности двигателя фиксируется и соответствующая этой мощности частоты вращения вала двигателя.

3. Применяют вычислитель удельного (на единицу максимальной мощности двигателя) расхода топлива.

4. Устанавливают задатчик предельно допустимых (с учетом местных условий и режимов работы) показателей работоспособности ДВС по максимальной мощности, частоте вращения вала (максимальной и минимальной, для частоты вращения вала двигателя предусматриваются два предельно допустимых значения - максимальное и минимальное со своими допусками) и удельному расходу топлива.

5. Применены компараторы для сравнения измеренных и предельно допустимых величин максимальной мощности, частоты вращения (максимальной и минимальной) вала двигателя и удельного расхода топлива.

6. Применены сигнализаторы о несоответствии максимальной мощности, частоты вращения (максимальной и минимальной) вала двигателя и удельного расхода топлива установленным предельно допустимым величинам.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными (по аналогу) позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны заявляемого изобретения.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях.

На фиг.2 представлен алгоритм вычисления и сигнализации о несоответствии показателей работоспособности двигателя предусмотренным нормативам по максимальной мощности, частоте вращения вала двигателя и удельному расходу топлива.

Устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях содержит (фиг.1):
по аналогу (прототипу) датчик 1 расхода топлива (G) ; блок 2 нахождения экстремума по максимуму расхода топлива (G_max); блок 3 измерения мощности двигателя (N) и частоты вращения (n) вала двигателя на основе измерения поциклового давления и частоты циклов в цилиндрах двигателя; блок 4 - индикатор, фиксирующий в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) максимальное значение мощности (N_max) и дополнительно соответствующую ему частоту вращения (n_Nmax) вала двигателя;
и дополнительно - вычислить 5 удельного (при максимальной мощности) расхода топлива (g_e); задатчик 6 предельно допустимых (с учетом условий и режимов работы) нормативных величин; максимальной мощности (N_н), частоты вращения вала двигателя (n_max,н , n_min,н) , удельного расхода топлива (g_e,н); компараторы сравнения измеренных и нормативных величин: 7 - по максимальной мощности, 8 - по удельному расходу топлива, 9 - по максимальной и минимальной частотах вращения вала двигателя (двойной компаратор) и индикаторы-сигнализаторы о несоответствии измеренных величин предельно допустимым показателям, предусмотренным задатчиком (что оценивается как неработоспособность двигателя): 10 - по максимальной мощности, 11 - по удельному расходу топлива, 12 и 13 - по максимальной и минимальной частоте вращения вала двигателя.

Датчик 1 (по аналогу) непрерывного измерения, величину времени расхода топлива G - общетехнического назначения.

Блок 2 (по аналогу) нахождения экстремума включает: дифференциатор, аналоговый ключ, формирователь импульсов, преобразователь напряжения в частоту, схему сравнения, пороговый элемент и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) величины G _max.

Блок 3 (по аналогу) измерения мощности N включает: датчик давления в цилиндрах двигателя, вычислитель среднеквадратического значения, дифференциатор, компаратор, измеритель времени цикла, делитель, преобразователь напряжения в частоту. В отличие от аналога датчик давления в цилиндрах двигателя выполнен в виде наружного (накладного) датчика [4] давления в топливоподающей системе двигателя с электрическим выходом, отражающим осредненное давление и частоту циклов (частоту вращения n вала двигателя).

Блок 4 (по аналогу) индикатор-фиксатор включает ОЗУ, фиксирующее максимальное значение мощности N_max и дополнительно частоту вращения вала двигателя (n_Nmax), соответствующее максимальной мощности.

Вычислитель 5 удельного расхода топлива g_e представляет собой делитель двух величин: g_e=G_max/N_max.

Задатчик 6 представляет собой ОЗУ, в котором фиксируются установленные нормативной документацией или расчетом для данных эксплуатационных условий (природно-климатических, времени года, режимов работы и т.п.) предельные (с учетом допустимых отклонений) значения величин: максимальной мощности N_н, удельного расхода топлива g_e,н и частоты вращения вала при максимальной мощности двигателя: минимальной n_min,_н и максимальной n _max,н.

Компараторы 7, 8, 9 и индикаторы-сигнализаторы 10, 11, 12, 13 - общетехнического назначения.

Устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях работает следующим образом.

Установив устройство на ДВС, выполняют технологическую операцию, например почвообработку, задавая режим вероятности (колебательного) характера нагрузки, при котором имеет место переход с регуляторной на корректорную ветвь характеристики двигателя.

В процессе работы сигнал от датчика 1 расхода топлива G поступает на вход блока 2 нахождения экстремума, а в блоке 3 измерения мощности сигнал от датчика давления поступает на вход вычислителя среднего квадратического значения и в дифференциатор, где формируются сигналы, пропорциональные мощности двигателя N и частоте вращения (частота циклов) n.

При переходе ДВС с регуляторной на корректную ветвь характеристики двигателя расход топлива достигает максимального значения G_max и оно фиксируется в ОЗУ блока 2. Одновременно подается информационный сигнал (на схемах фиг. 1 и 2 показан пунктиром), разрешающий передачу сигнала о значениях мощности N и частоты вращения n вала двигателя из блока 3 в блок 4, где они фиксируются в ОЗУ как максимальная мощность N_max и соответствующая ей частота вращения h_Nmax вала двигателя.

Сигнал о величине максимальной мощности N_max из ОЗУ блока 4 поступает на первый вход вычислителя 5, на второй вход которого поступает из ОЗУ блока 2 сигнал о максимальном расходе топлива G_max, а выход из вычислителя 5, соответствующий удельному расходу топлива (g_e= G_max/N_max), поступает на вход компаратора 8. Одновременно на входы компараторов 7 и 9 поступают сигналы второго и третьего выходов блока 4 о максимальной мощности N_max и частоте вращения n_Nmax вала двигателя. На вторые входы всех трех компараторов (7, 8, 9) поступают сигналы от задатчика 6 о нормативных (для данных условий и режимов работы) значениях максимальной мощности N_н, удельного расхода топлива g_e,н, частоты вращения вала двигателя: допустимого максимального n_mаx,н и минимального n_min,н.

По результатам сравнения в компараторах 7, 8, 9 величин фактических (измеренных) и допустимых (нормативных для данных условий) в индикаторах-сигнализаторах 10, 11, 12, 13 появляются сигналы о несоответствии нормативно-технической документации (неработоспособности ДВС) по каждому из измеренных показателей: максимальной мощности, частоте вращения (максимальной и минимальной), удельному расходу топлива. Если нет отклонений от нормативных величин, сигнал по данному показателю отсутствует (фиг.2).

Источники информации
1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения М.: Изд. стандартов, 1990, - 37 с.

2. Иофинов С.А., Гевейлер Н.Н. Контроль работоспособности трактора. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985, - 238с.

3. А. с. 1647300 (СССР). МКИ⁵ G 01 L 3/24. Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. - 6 с., илл. Бюл. 17, 1991.

4. А.с. 1364927 (СССР). МКИ⁵ G 01 L 9/03. Устройство для измерения давления в трубопроводе.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно тракторного, в эксплуатационных условиях. Технический результат заключается в возможности измерения без вмешательства в конструкцию двигателя максимально допустимой в эксплуатируемых условиях эффективной мощности и соответствующих ей частоты вращения вала двигателя и удельного расхода топлива, а также в сравнении этих величин с соответствующими показателями нормативно-технической документации и сигнализации по каждому показателю в случае его несоответствия нормативно-технической документации (неработоспособности ДВС по данному показателю). Устройство для диагностирования работоспособности двигателя содержит датчик расхода топлива, блок нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, блок измерения мощности двигателя и индикатор-фиксатор максимальной мощности. Кроме того, устройство снабжено вычислителем удельного расхода топлива, задатчиком предельно допустимых нормативных величин (по мощности, частоте вращения вала двигателя и удельному расходу топлива), индикаторами-сигнализаторами и компараторами. Один вход вычислителя удельного расхода топлива подключен к выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности, а другой - к оперативно-запоминающему устройству максимального расхода топлива. Выходы компараторов подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы подключены - один к выходам задатчика нормативных величин, а второй к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива. В индикаторе-фиксаторе максимальной мощности фиксируется значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности. 2 ил.

Устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, содержащее датчик расхода топлива, блок нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, блок измерения мощности двигателя и индикатор-фиксатор максимальной мощности, отличающееся тем, что оно снабжено вычислителем удельного расхода топлива, один вход которого подключен к выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности, а другой - к оперативно-запоминающему устройству максимального расхода топлива, задатчиком предельно допустимых нормативных величин - по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, индикаторами-сигнализаторами и компараторами, выходы которых подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы подключены - один к выходам задатчика нормативных величин, второй - к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива, причем в индикаторе-фиксаторе максимальной мощности фиксируется значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности, а датчик давления в блоке измерения мощности выполнен в виде наружного накладного датчика деформации трубопровода топливоподающей системы двигателя.