СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СУММАРНОГО МОМЕНТА МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01M15/04 

Изобретение относится к области проектирования, испытаний и технической диагностики систем и механизмов двигателя внутреннего сгорания, в частности к способам определения значений составляющих суммарного момента механических потерь при прокручивании коленчатого вала в отсутствие подачи топлива в цилиндры двигателя, и может быть использовано при разработке устройств по тепловой подготовке двигателя внутреннего сгорания перед пуском в условиях низких температур окружающей среды, а также для диагностирования технического состояния его элементов в процессе сборки, обкатки и эксплуатации.

Известен способ представления суммарного момента механических потерь М_С в виде суммы составляющих моментов [1, с.115…117]: от сил трения М_Т в подвижных сочленениях цилиндропоршневой группы (ЦПГ), кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного (ГРМ) механизмов; на привод навесных вспомогательных элементов двигателя М_ВСП (вентилятора, генератора, топливного, водяного насосов, компрессора и др.); на преодоление насосных потерь (газообмена) М_Н, на преодоление вентиляционных потерь М_В, обусловленных силами сопротивления для вращающихся деталей двигателя от воздушно-масляной среды (учитываются только при высоких частотах вращения)

Недостатком этого способа является низкая информативность о степени влияния различных конструктивных элементов двигателя (цилиндропоршневой группы, кривошипно-шатунного, газораспределительного и вспомогательных механизмов) и насосных потерь на величину суммарного момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала. Возможность измерения составляющих суммарного момента механических потерь, а следовательно, знание их значений необходимы при поэлементном диагностировании систем и механизмов двигателя, при проектировании систем пуска ДВС, а также внедрении новых технологий и конструктивных решений, позволяющих снизить механические потери и тем самым повысить топливную экономичность ДВС.

Известен способ определения составляющих момента от сил трения, при котором составляющие момента трения определяют поочередно от различных систем и механизмов двигателя при их раздельной работе [2, с.67…73]. При этом отсоединяют цилиндропоршневую группу от кривошипно-шатунного механизма и определяют отдельно значения момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала с шатунами, а затем момента сопротивления перемещению поршневой группы в цилиндрах ДВС.

Недостатком указанного способа является низкая точность измерения значений составляющих момента механических потерь из-за нарушения целостности кинематической связи кривошипно-шатунного механизма, что ведет к устранению взаимного влияния его сопряженных элементов на работу друг друга, так как не учитывается действие сил давления рабочего тела во всех камерах сгорания, сил инерции поступательно-движущихся и вращающихся масс, различие в расходе масла смазочной системой и других причин. Кроме того, подобные способы требуют специальных средств измерения, они трудоемки и редко используемы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ определения составляющих суммарного момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания [3], заключающийся в том, что проворачивают коленчатый вал двигателя стартером с постоянной частотой вращения при отсутствии подачи топлива, измеряют суммарный момент механических потерь холодного двигателя с работающими вспомогательными механизмами и момент механических потерь с отключенными вспомогательными механизмами, подключают вспомогательные механизмы, прогревают цилиндропоршневую группу до температуры «горячего двигателя» и при «холодном» кривошипно-шатунном механизме проворачивают коленчатый вал и измеряют момент механических потерь двигателя с прогретой цилиндропоршневой группой, прогревают двигатель до температуры «горячего двигателя», проворачивают коленчатый вал и измеряют суммарный момент механических потерь «горячего двигателя», по значениям которых определяют составляющие момента механических потерь , и соответственно от потерь во вспомогательных механизмах, в сопряжениях «холодного» кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы по следующим уравнениям:

Недостатком этого способа является низкая точность измеренных составляющих суммарного момента механических потерь ДВС, поскольку не учитываются составляющие от потерь на трение в газораспределительном механизме и насосных потерь. Составляющей М_В (см. зависимость (1)) на преодоление вентиляционных потерь, обусловленных силами сопротивления для вращающихся деталей КШМ в блоке цилиндров двигателя от воздушно-масляной среды на режимах прокрутки коленчатого вала стартером с частотой вращения 100…250 мин^-1 можно пренебречь.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения значений составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания при прокручивании коленчатого вала стартером в режиме отсутствия подачи топлива в его цилиндры за счет выделения из суммарного момента механических потерь составляющих момента на осуществление процессов газообмена в двигателе (насосных потерь) и механического трения в элементах газораспределительного механизма.

Это достигается тем, что в способе определения составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что проворачивают коленчатый вал двигателя стартером с постоянной частотой вращения при отсутствии подачи топлива, измеряют суммарный момент механических потерь холодного двигателя с работающими вспомогательными механизмами и момент механических потерь с отключенными вспомогательными механизмами, подключают вспомогательные механизмы, прогревают цилиндропоршневую группу до температуры «горячего двигателя» и при «холодном» кривошипно-шатунном механизме проворачивают коленчатый вал и определяют момент механических потерь двигателя с прогретой цилиндропоршневой группой, прогревают двигатель до температуры «горячего двигателя», проворачивают коленчатый вал и измеряют суммарный момент механических потерь «горячего двигателя», дополнительно декомпрессируют холодный двигатель, измеряют момент механических потерь при проворачивании коленчатого вала с работающим газораспределительным механизмом и момент механических потерь с отключенным газораспределительным механизмом, а значения составляющих суммарного момента механических потерь холодного двигателя: - от сил трения в газораспределительном механизме; - на преодоление насосных потерь; - на привод вспомогательных механизмов; - от сил трения в кривошипно-шатунном механизме; - от сил трения в цилиндропоршневой группе, определяют по следующим уравнениям:

Отключение газораспределительного механизма осуществляют установкой значений «тепловых» зазоров между коромыслами и клапанами, превышающими величину хода подъема клапана.

Отличием настоящего технического решения от прототипа является то, что суммарный момент механических потерь двигателя внутреннего сгорания при проворачивании коленчатого вала стартером представлен всеми составляющими уравнения (1), характерными для данного режима работы ДВС (составляющей М_В на преодоление вентиляционных потерь, как указывалось ранее, можно пренебречь)

При этом созданы новые условия состояний двигателя, при которых возможны измерения составляющих механических потерь от работы газораспределительного механизма - М_ГРМ и насосных потерь - М_Н, затрачиваемых на осуществление газообмена в ДВС. Для определения значения составляющей момента механических потерь на проворачивание газораспределительного механизма по разности значений момента механических потерь с работой газораспределительного механизма и без него отключение ГРМ осуществляется: при наличии ременного (цепного) привода снятием ремня (цепи); при других типах приводов - установкой значений «тепловых» зазоров между клапанами и коромыслами (толкателями), превышающих величину хода подъема клапана. Значение составляющей момента насосных потерь определяется по разности значений моментов механических потерь при наличии компрессии в цилиндрах и декомпрессированного двигателя. Декомпрессирование ДВС осуществляется путем выкручивания свечей зажигания в бензиновых двигателях или топливных форсунок - дизельных. Совокупность перечисленных признаков позволяет достичь необходимого технического результата, заключающегося в повышении точности определения составляющих суммарного момента механических потерь ДВС при прокручивании коленчатого вала стартером.

Предложенный способ определения составляющих суммарного момента механических потерь на примере четырехцилиндрового четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания 4Ч 92/92 (ЗМЗ-2401) осуществляется в следующей последовательности. Сначала на двигателе отключают подачу топлива. Затем определяют суммарный момент механических потерь холодного двигателя при проворачивании коленчатого вала методом тарированного стартера со всеми вспомогательными механизмами, при этом температура окружающей среды в зависимости от целей испытания может быть выбрана в диапазоне от минус 30 до +10°С. Далее двигатель декомпрессируют путем выкручивания свечей зажигания и определяют момент механических потерь на прокручивание коленчатого вала с работающим механизмом газораспределения . Затем на декомпрессированном холодном двигателе отключают клапанный механизм путем установки значений «тепловых» зазоров между клапанами и коромыслами равными 9,8 мм, превышающими величину хода подъема клапана двигателя 4Ч 92/92 (ЗМЗ-2401) на 0,2 мм, и измеряют момент без работы клапанного механизма. Восстанавливают компрессию в цилиндрах, отключают вспомогательные механизмы снятием ременной передачи с генератора, вентилятора и водяного насоса, а также отсоединением привода прерывателя-распределителя зажигания и измеряют момент механических потерь двигателя с отключенными вспомогательными механизмами. После этих операций прогревают цилиндропоршневую группу проливкой горячей водой системы охлаждения до температуры «горячего двигателя» (85…95°С) и при «холодном» (минус 30…+10°С) кривошипно-шатунном механизме проворачивают коленчатый вал стартером и измеряют момент механических потерь двигателя с прогретой цилиндропоршневой группой. В дальнейшем двигатель запускают и прогревают его в штатном режиме до температуры охлаждающей жидкости и моторного масла, равных 85…95°С, и измеряют момент механических потерь «горячего» двигателя. По зависимостям (5), (6), (7), (8) и (9) определяют составляющие суммарного момента механических потерь двигателя , , , , , затрачиваемого соответственно на проворачивание газораспределительного механизма, преодоление насосных потерь, привод «холодных» вспомогательных механизмов, кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы.

Таким образом, определены все составляющие суммарного момента механических потерь холодного двигателя и в итоге определяют суммарный момент механических потерь:

В предложенном техническом решении значения суммарного момента механических потерь и конкретной его составляющей необходимо определять с учетом зависимости их от следующих параметров:

суммарного момента механических потерь холодного двигателя и его составляющих , , , , - в функции от температуры двигателя (или вязкости масла) и частоты вращения коленчатого вала;

момента механических потерь «горячего двигателя» - в функции от температуры двигателя (или вязкости масла) и частоты вращения коленчатого вала;

момента механических потерь двигателя при прогретой цилиндропоршневой группе - в функции от температуры кривошипно-шатунного механизма и вспомогательных механизмов, перепада температуры двигателя, частоты вращения коленчатого вала;

Это позволяет производить математические расчеты искомых моментов при сопоставимых условиях пуска двигателя или при его поэлементном диагностировании в диапазонах скоростных и тепловых режимов, охватывающих реальные условия работы двигателя.

Измерение момента механических потерь производят известным способом, например, методом тарированного стартера [4]. Сущность данного метода заключается в следующем: при прокручивании коленчатого вала двигателя на конкретном скоростном режиме измеряют силу тока и напряжение в цепи стартера и по тарировочной характеристике определяют крутящий момент стартера. Действительный момент механических потерь двигателя при прокручивании коленчатого вала стартером определяется по формуле:

где М_кр - крутящий момент стартера по тарировочной характеристике;

i - передаточное отношение в зацеплении шестерня стартера - зубчатый венец маховика;

η_м - КПД зубчатой передачи, равный 0,90.

Определение параметров рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания в режиме прокручивания коленчатого вала стартером осуществляется общеизвестными способами, в том числе и встроенными в двигатель датчиками и измерительными (контрольными) приборами. Можно дополнительно использовать, например, для измерения частоты вращения коленчатого вала индуктивный датчик, входящий в комплект цифрового тахометра Тц-5; для измерения температуры элементов двигателя - хромель-копелевые термопары с регистрацией показаний на потенциометре КСП-4 или цифровом измерителе температуры А56А, для измерения вязкости моторного масла - вязкостиметры.

Реализация предложенного способа осуществлена при разработке рекомендацией по тепловой подготовке четырехцилиндровых четырехтактных бензиновых двигателей 4Ч 92/92 (ЗМЗ-2401) и их модификаций при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур окружающей среды, а также при разработке способов поэлементного диагностирования технического состояния КШМ, ЦПГ и ГРМ по значениям составляющих суммарного момента механических потерь двигателя.

Пуск двигателя с отключенной подачей топлива производили тарированным стартером с помощью устройства для запуска двигателя модели Э-312, при этом замеряли величины потребляемого им тока, значения напряжения и частоты вращения коленчатого вала. Требуемое тепловое состояние двигателя задавали путем его охлаждения или нагрева. Изменение частоты вращения коленчатого вала достигали изменением напряжения на клеммах стартера при пуске. Суммарный момент механических потерь и его составляющие были определены при изменении параметров пуска в следующих пределах: температуры от -30 до +100°С, частоты вращения коленчатого вала двигателя от 100 до 250 мин^-1.

Разработанный способ определения составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания исключает недостатки известных методов, а именно значительно повышает точность за счет выделения из суммарного момента механических потерь двигателя дополнительных составляющих момента на осуществление процессов газообмена в двигателе (насосных потерь) и механического трения в элементах газораспределительного механизма. Предлагаемый способ можно использовать не только для обоснования рекомендаций по тепловой подготовке двигателей перед пуском в условиях низких температур окружающей среды, но и для диагностирования технического состояния кривошипно-шатунного, газораспределительного механизмов и цилиндропоршневой группы путем сопоставления измеренных значений соответствующих составляющих момента механических потерь с их номинальными значениями.

Метрологическая проработка всех звеньев цепи измерительного процесса, определяющих точность и достоверность предлагаемого способа определения составляющих, показала, что относительная погрешность определения значений конкретных составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания не превышает 5…7%, что в 1,2…1,5 раза точнее всех известных методов их определения.

Источники информации

1. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С.Стефановский, Е.А.Скобцов, Е.К.Корси и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.

2. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х.Дьяченко. - Л.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

3. А.С. 1725082, Б.И. №13, 1992. Способ определения составляющих суммарного момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания / Григорьев Б.А.

4. Влияние степени сжатия на пусковые качества двигателя ЯМЗ-741 / В.Г.Горюнов, Г.Ф.Демидов, Н.А.Хлестин, Ю.Н.Незамаев. //Автомобильная промышленность, 1980, №8. - С.7-9.

Изобретение относится к области проектирования, испытаний и технической диагностики систем и механизмов двигателя внутреннего сгорания, в частности к способам определения значений составляющих суммарного момента механических потерь при прокручивании коленчатого вала в отсутствии подачи топлива в цилиндры двигателя, и может быть использовано при разработке устройств по тепловой подготовке двигателя внутреннего сгорания перед пуском в условиях низких температур окружающей среды, а также для диагностирования технического состояния его элементов в процессе сборки, обкатки и эксплуатации. Способ определения составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания заключается в проворачивании коленчатого вала двигателя стартером с постоянной частотой вращения при отсутствии подачи топлива. Измеряют суммарный момент механических потерь холодного двигателя с работающими вспомогательными механизмами и с отключенными вспомогательными механизмами . Измеряют момент механических потерь двигателя с прогретой цилиндропоршневой группой при «холодном» кривошипно-шатунном механизме. Измеряют суммарный момент механических потерь «горячего» двигателя . Декомпрессируют «холодный» двигатель. Измеряют моменты механических потерь при проворачивании коленчатого вала с работающим газораспределительным механизмом и с отключенным газораспределительным механизмом . Значения составляющих суммарного момента механических потерь «холодного» двигателя : - от сил трения в газораспределительном механизме; - на преодоление насосных потерь; - на привод вспомогательных механизмов; - от сил трения в кривошипно-шатунном механизме; - от сил трения в цилиндропоршневой группе, определяют по уравнениям:

;

;

;

.

Отключение газораспределительного механизма может осуществляться установкой зазоров между коромыслами и клапанами, превышающими величину хода подъема клапана. Технический результат заключается в повышении точности определения составляющих суммарного момента механических потерь ДВС. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ определения составляющих суммарного момента механических потерь двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что проворачивают коленчатый вал двигателя стартером с постоянной частотой вращения при отсутствии подачи топлива, измеряют суммарный момент механических потерь холодного двигателя с работающими вспомогательными механизмами и момент механических потерь с отключенными вспомогательными механизмами, подключают вспомогательные механизмы, прогревают цилиндропоршневую группу до температуры «горячего двигателя» и при «холодном» кривошипно-шатунном механизме проворачивают коленчатый вал и измеряют момент механических потерь двигателя с прогретой цилиндропоршневой группой, прогревают двигатель до температуры «горячего двигателя», проворачивают коленчатый вал и измеряют суммарный момент механических потерь «горячего двигателя», отличающийся тем, что дополнительно декомпрессируют холодный двигатель, измеряют момент механических потерь при проворачивании коленчатого вала с работающим газораспределительным механизмом и момент механических потерь с отключенным газораспределительным механизмом, а значения составляющих суммарного момента механических потерь холодного двигателя: - от сил трения в газораспределительном механизме; - на преодоление насосных потерь; - на привод вспомогательных механизмов; - от сил трения в кривошипно-шатунном механизме; - от сил трения в цилиндропоршневой группе, определяют по следующим уравнениям:

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отключение газораспределительного механизма осуществляют установкой значений «тепловых» зазоров между коромыслами и клапанами, превышающими величину хода подъема клапана.