СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЗАПИСИ ДАВЛЕНИЯ В ЦИЛИНДРЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПОЛОЖЕНИЕМ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА Российский патент 2016 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для диагностирования поршневых ДВС при их эксплуатации.

Известен способ синхронизации (Карпов Р.Г. Электроника в испытании тепловых двигателей. М.: Машгиз, 1963, стр. 17-19), реализуемый с помощью датчика угла поворота вала двигателя, встраиваемого в конструкцию двигателя и подключаемого к стационарному или переносному устройству для записи индикаторных диаграмм (далее индикатору).

Недостаток способа - усложнение и удорожание индикатора, связанное с оснащением его датчиком, а также усложнение и удорожание использования индикатора, обусловленное встраиванием датчика в конструкцию двигателя на каждом новом объекте применения.

Известен способ (Донцов А.Б. Заявка на изобретение 96124010/06, 23.12.1996, дата публикации 20.02.1999), который реализуют, используя собственное свойство диаграммы давления, изменяющееся с изменением ее угловой позиции и в синхронизированной позиции обладающее признаком, характерным только для этой позиции. Такое свойство - график мгновенных значений показателя политропы сжатия n₁=f(φ_пкв), который в позиции, синхронизированной с положением вала, имеет эталонный вид, а во всех прочих позициях вид, отличающийся от эталона. При поиске синхронизированной позиции произвольно выбирают угловую позицию, строят соответствующий ей график, сравнивают построенный график с эталонным, добиваясь максимального их совпадения.

Достоинство способа в том, что при его успешной реализации отпадает необходимость использования датчика поворота коленчатого вала.

Недостаток в том, что для реализации способа необходим эталонный график, вид которого можно определить только в ходе специальных испытаний. Отметим, что вид графика зависит от конструктивных особенностей рабочего цилиндра, скоростного и нагрузочного режима его работы, режима охлаждения, технического состояния деталей цилиндра. Поэтому, чтобы реализовать способ на ДВС одного типоразмера, для данного типоразмера требуется серия эталонных графиков n₁=f(φ_пкв), каждый из которых должен соответствовать характерным скоростям, подачам топлива, режимам охлаждения и состояниям деталей. Получение таких графиков - трудоемкий и дорогостоящий исследовательский процесс, затрудняющий практическое применение способа.

Задачей изобретения является создание способа синхронизации записи давления в цилиндре ДВС с положением коленчатого вала, более простого и дешевого в сравнении с аналогами.

Задача решается следующим образом. Прототипом выбран способ, изложенный в заявке А.Б. Донцова. В заявляемом способе, как и в прототипе, в исследуемом цилиндре работающего двигателя записывают развернутую во времени диаграмму давления, преобразуют ее в диаграмму, развернутую по углу поворота коленчатого вала и находящуюся в произвольно выбранной угловой позиции, для чего произвольно выбирают на диаграмме опорную точку, присваивают опорной точке произвольное значение угловой координаты, по которой определяют координаты всех точек диаграммы, а затем ищут позицию преобразованной диаграммы, синхронизированную с угловым положением вала, используя свойство диаграммы, изменяющееся с изменением ее угловой позиции и обладающее признаком, характерным только для синхронизированной позиции, причем для определения значений используемого свойства на диаграмме выделяют участок, располагающийся на линии сжатия, а в точках выделенного участка измеряют мгновенные значения показателя политропы сжатия. Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве свойства диаграммы, изменяющегося с изменением ее угловой позиции и обладающего признаком, характерным только для синхронизированной позиции, используют дисперсию мгновенных значений показателя политропы сжатия, синхронизированную позицию выделяют из массы всех возможных позиций по характерному признаку - минимальному значению дисперсии, а поиск синхронизированной позиции ведут, смещая диаграмму от начальной позиции пошагово, для чего на каждом шаге изменяют координату опорной точки, определяют в каждой новой позиции значение дисперсии, проверяют, обладает ли это значение признаком, характерным для синхронизированной позиции, и, найдя такую позицию, заканчивают поиск с искомым результатом.

Для ускорения поиска синхронизированной позиции координате опорной точки сначала присваивают нулевое значение, а положение опорной точки выбирают в области максимального давления цикла с отступом от точки максимального давления не менее чем на 10 градусов, причем при отключенной подаче топлива отступ выполняют в сторону сжатия, и поиск синхронизированной позиции ведут, изменяя координату опорной точки в сторону уменьшения, а при включенной подаче топлива отступ выполняют в сторону расширения, и поиск ведут, изменяя координату опорной точки в сторону увеличения.

Чтобы уменьшить влияние случайных ошибок на результаты измерения значений дисперсии, участок, предназначенный для измерения мгновенных значений политропы сжатия, выбирают на линии перед точкой максимального давления цикла так, чтобы в начальной точке участка абсолютное давление, выраженное в барах, было не меньше, чем 4*(p_s+2), а в конечной точке - не больше, чем 8*(p_s+2), где p_s - избыточное давление воздуха в ресивере, выраженное в барах.

Технический результат - упрощение и удешевление индикатора и процесса его использования за счет исключения из его конструкции датчика угла поворота коленчатого вала и исключения необходимости в создании эталонных графиков n₁=f(φ_пкв) для анализа угловой позиции индикаторной диаграммы.

Выбранное техническое решение основывается на авторском опыте обработки диаграмм, записанных на двигателях нескольких типоразмеров, на разных скоростных и нагрузочных режимах, при различном техническом состоянии деталей цилиндра. Обработка включает в себя выделение участка на линии сжатия, измерение на выделенном участке мгновенных значений показателя политропы сжатия, вычисление их дисперсии относительно среднего арифметического значения. Опыт показал, что дисперсия является функцией угловой позиции индикаторной диаграммы, а при синхронизированной угловой позиции значение дисперсии достигает своего минимума.

По точности синхронизация по минимуму дисперсии не уступает синхронизации с датчиком угла поворота вала. Ошибка в определении синхронизированной позиции по минимуму дисперсии не превышает 1 градуса поворота коленчатого вала.

Пример осуществления заявляемого способа проиллюстрирован двумя фигурами. На фигуре 1:

I - фрагмент развернутой по углу диаграммы с исследуемым участком, представленный в начале процесса его синхронизации с положением коленчатого вала;

II - тот же фрагмент в конце процесса синхронизации на синхронизированной позиции; круглая точка - точка с максимальным давлением цикла;

квадратная точка - опорная точка;

ромбические точки 1 и 4 - границы исследуемого участка;

треугольные точки 2 и 3 - границы элементарных отрезков, на которые разбит исследуемый участок.

На фигуре 2 - фрагмент зависимости дисперсии мгновенных значений показателя политропы сжатия от значения координаты опорной точке.

В рассматриваемом примере синхронизируют диаграмму, записанную в цилиндре с новыми деталями - втулкой, поршнем, поршневыми кольцами - и при выключенной подаче топлива. Выбор примера неслучаен. В диаграмме, записанной в упомянутых условиях, всегда известна координата точки максимального давления цикла. Точка находится практически в ВМТ (смещением в несколько десятых долей градуса в сторону отрицательных значений пренебрегаем). Достаточно присвоить координате точки максимального давления цикла нулевое значение - и задача синхронизации диаграммы относительно ВМТ решена. Но мы выполним синхронизацию заявленным способом и проверим, окажется ли максимальное давление цикла в ВМТ. Результат будет оценкой точности заявляемого способа.

На записанной диаграмме находят точку с максимальным давлением цикла. На линии сжатия, не менее чем в 10 градусах от точки максимального давления выбирают опорную точку. Присваивают ее координате нулевое значение. Преобразуют развернутую во времени диаграмму в диаграмму, развернутую по углу поворота коленчатого вала в выбранной угловой позиции. Фрагмент этой диаграммы показан на фигуре 1 в позиции I. Процедуры выбора опорной точки в определенной области диаграммы и присвоения ее координате в начале поиска нулевого значения предназначены для того, чтобы сократить процесс поиска синхронизированной позиции. Они позволяют сразу вести поиск в нужном направлении - смещать диаграмму к синхронизированной позиции, и уменьшают количество шагов от начальной позиции до синхронизированной.

Далее ищут синхронизированную позицию, применяя дисперсию мгновенных значений показателя политропы сжатия. Синхронизированную позицию выделяют из массы всех возможных позиций по характерному признаку - минимальному значению дисперсии.

Для определения значений дисперсии на линии сжатия диаграммы выделяют участок, ограниченный начальной точкой 1 и конечной точкой 4. В точке 1 абсолютное давление должно быть не меньше, чем 4*(p_s+2), а в точке 4 - не больше, чем 8*(p_s+2), где p_s - избыточное давление воздуха в ресивере. В нашем примере эти условия выполнены, так как давление в точке 1 равно 8,6 бара, в точке 4 - 16,8 бара при p_s=0,1 бара. Выполнение этих условий позволяет избежать случайных ошибок при измерении значения дисперсии. Такие ошибки возможны при расположении участка в области малых давлений линии сжатия. В этой области причиной ошибок могут стать волновые изменения давления, возникающие при открытых органах впуска и постепенно затухающие после их закрытия. Ошибки возможны при расположении участка в области высоких давлений линии сжатия. Здесь причиной ошибок может стать наложение на процесс нормального сжатия искажений, вызванных слишком ранним началом сгорания топлива или утечками заряда воздуха при чрезмерном износе втулки цилиндра и поршневых колец.

Выделив участок, измеряют мгновенные значения политропы сжатия на элементарных отрезках, находящихся в пределах участка. В нашем примере участок делят точками 2 и 3 на три отрезка, протяженностью 6 градусов каждый. По диаграмме измеряют значения давления и надпоршневого объема на границах отрезков. Затем определяют для элементарных отрезков 1-2, 2-3, 3-4 мгновенные значения показателя политропы сжатия (n₁)₁, (n₁)₂ и (n₁)₃, используя для этого известную формулу (Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. Н.X. Дьяченко. П., «Машиностроение», 1974, стр. 77).

По известным формулам (РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических данных. Издательство комитета стандартов при СовМине СССР, М., 1966, стр. 9) рассчитывают среднее арифметическое и дисперсию измеренных значений показателя политропы сжатия:

;

,

где (n₁)_ср - среднее арифметическое мгновенных значений показателя политропы сжатия на выделенном участке;

S² - дисперсия, характеризующая величину рассеивания мгновенных значений вокруг их среднего арифметического.

В нашем примере, присвоив опорной точке нулевое значение координаты и определив начальное значение дисперсии (S²=67,5*10^-3), приступают к поиску синхронизированной позиции.

Поиск ведут, смещая позицию диаграммы присвоением координате опорной точки отрицательных значений с шагом, равным 0,5 градуса. В каждой новой позиции определяют значение дисперсии, проверяют, обладает ли это значение признаком, характерным для синхронизированной позиции. Результат показан на фиг. 2, где видно, что минимальное значение дисперсии располагается ближе всего к значению координаты, равному -11,5 градуса. Это означает, что при координате опорной точки, равной -11,5 градусов, диаграмма занимает позицию, синхронизированную с положением коленчатого вала. Эта позиция отображена на фигуре 1 линией II.

На линии II круглая точка, отмечающая максимальное давление цикла, имеет координату, близкую к нулю, то есть находится практически в ВМТ. Этот факт иллюстрирует достаточную для практики точность синхронизации, выполненной заявленным способом.

Способ относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания. В заявленном способе для синхронизации используют свойство диаграммы давления, изменяющееся с изменением ее угловой позиции и обладающее в синхронизированной позиции характерным признаком. Используемое свойство выполняет ту же функцию, что датчик угла поворота коленчатого вала в применяемых на практике устройствах для записи индикаторных диаграмм. В случае использования заявленного способа необходимость в датчике отпадает, что упрощает и удешевляет само устройство и процесс его использования. В качестве используемого свойства применяют дисперсию мгновенных значений показателя политропы сжатия, которая имеет в синхронизированной позиции минимальное значение. Процесс синхронизации начинают от произвольно выбранной позиции диаграммы и ведут, смещая диаграмму от начальной позиции пошагово, определяя в каждом новом положении диаграммы значение дисперсии и проверяя, обладает ли это значение признаком, характерным для синхронизированной позиции. Найдя такое положение, заканчивают процесс с искомым результатом. Техническим результатом является упрощение индикатора и процесса его использования за счет исключения из его конструкции датчика угла поворота коленчатого вала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ синхронизации записи давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с положением коленчатого вала, заключающийся в том, что в исследуемом цилиндре работающего двигателя записывают развернутую во времени диаграмму давления, преобразуют ее в диаграмму, развернутую по углу поворота коленчатого вала и находящуюся в произвольно выбранной угловой позиции, для чего произвольно выбирают на диаграмме опорную точку, присваивают опорной точке произвольное значение угловой координаты, по которой определяют координаты всех точек диаграммы, а затем ищут позицию преобразованной диаграммы, синхронизированную с угловым положением вала, используя свойство диаграммы, изменяющееся с изменением ее угловой позиции и обладающее признаком, характерным только для синхронизированной позиции, причем для определения значений используемого свойства на диаграмме выделяют участок, располагающийся на линии сжатия, а в точках выделенного участка измеряют мгновенные значения показателя политропы сжатия, отличающийся тем, что в качестве свойства диаграммы, изменяющегося с изменением ее угловой позиции и обладающего признаком, характерным только для синхронизированной позиции, используют дисперсию мгновенных значений показателя политропы сжатия, синхронизированную позицию выделяют из массы всех возможных позиций по характерному признаку - минимальному значению дисперсии, а поиск ведут, смещая диаграмму от начальной позиции пошагово, для чего на каждом шаге изменяют координату опорной точки, определяют в каждой новой позиции значение дисперсии, проверяют, обладает ли это значение признаком, характерным для синхронизированной позиции, и, найдя такую позицию, заканчивают поиск с искомым результатом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угловой координате опорной точки сначала присваивают нулевое значение, а положение опорной точки выбирают в области максимального давления цикла с отступом от точки максимального давления не менее чем на 10 градусов, причем при отключенной подаче топлива отступ выполняют в сторону сжатия, и поиск синхронизированной позиции ведут, изменяя координату опорной точки в сторону уменьшения, а при включенной подаче топлива отступ выполняют в сторону расширения, и поиск ведут, изменяя координату опорной точки в сторону увеличения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что участок, предназначенный для измерения мгновенных значений политропы сжатия, выбирают на линии перед точкой максимального давления цикла так, чтобы в начальной точке участка абсолютное давление, выраженное в барах, было не меньше, чем 4*(p_s+2), а в конечной точке - не больше, чем 8*(p_s+2), где p_s - избыточное давление воздуха в ресивере, выраженное в барах.