СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01M15/04 

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Методы измерения мощности и крутящего момента, основанные на индуктивном, тензометрическом, магнитоупругом, фазометрическом, фотометрическом и ином комбинированном преобразовании крутящего момента в электрический сигнал обладают низкой универсальностью, высокой трудоемкостью и сложностью устройств реализации. Существующие способы определения эффективной мощности ДВС, основанные на измерении угловой скорости вращения коленчатого вала при поочередном отключении части цилиндров и ускорения коленчатого вала в процессе свободного разгона двигателя требуют вывода его работы в тестовый режим, не характерный для условий эксплуатаций.

Известен способ испытания ДВС с использованием тормозных стендов, при котором нагрузка создается внешним сопротивлением балансирных тормозов, а эффективная мощность двигателя определяется по крутящему моменту статора тормоза и частоте его вращения [1].

В качестве недостатков данного способа можно отнести сложность его реализации в условиях эксплуатации и высокую трудоемкость диагностирования.

Известен способ определения индикаторной мощности при стендовых испытаниях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом [2], согласно которому при работе на заданном режиме для определения эффективной мощности двигателя при всех работающих цилиндрах дополнительно измеряют давление воздуха перед компрессором, давление отработавших газов после турбины, расход воздуха двигателем и давление наддувочного воздуха, переводят двигатель в режим работы с частью цилиндров и измеряют аналогичные показатели давления воздуха, отработавших газов и расхода воздуха, затем переводят двигатель на заданный режим работы со всеми включенными цилиндрами и изменяют давление воздуха перед компрессором и давление отработавших газов после турбины до совпадения значений расхода воздуха двигателем и давления наддувочного воздуха при работе на всех цилиндрах и части цилиндров и с учетом этого определяют значение эффективной мощности, которое используют для расчета индикаторной мощности.

Недостатками данного способа являются необходимость учета большого количества показателей, в частности давления воздуха перед компрессором, давления наддувочного воздуха, расхода воздуха и давления отработавших газов. Перевод двигателя на тестовый режим требует поочередного отключения каждого из цилиндров, что не позволит оценить мощность двигателя в условиях эксплуатации машины.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания [3], при котором подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства, пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры и начинают движение, увеличивая скорость транспортного средства до момента включения прямой передачи, устанавливают подачу топлива в двигатель, обеспечивающую минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала при движении транспортного средства на прямой передаче, резко переводят рычаг топливоподачи в положение максимальной подачи, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют частоту вращения коленчатого вала и усилия, возникающие в опорах, до момента достижения транспортным средством максимальной скорости на прямой передаче. В каждом интервале измерения вычисляют среднюю частоту вращения коленчатого вала, среднее усилие и средний крутящий момент на каждой опоре и суммарный крутящий момент на опорах, по полученным значениям суммарного крутящего момента на опорах и средней частоты вращения коленчатого вала в каждом интервале измерения вычисляют эффективную мощность двигателя, строят аппроксимирующую зависимость эффективной мощности от времени измерения, на полученной кривой находят максимальное значение, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.

Данный способ определения эффективной мощности позволяет увеличить время разгона двигателя за счет сил сопротивления ускоряющихся масс, повысить стабильность протекающих в двигателе процессов по сравнению с методами определения мощности в режиме свободного разгона-выбега и обеспечить необходимую достоверность измерений. Но в случае оценки мощности двигателей с наддувом воздуха, давление наддува и, следовательно, мощность двигателя, не достигнут номинальных значений за период разгона, что приведет к появлению ошибок при постановке диагноза. Так согласно ГОСТ 18509-88 [4] при испытаниях тракторных и комбайновых дизелей перед началом измерений двигатель должен проработать на заданном режиме не менее 5 мин. Загрузить двигатель на продолжительное время возможно непосредственно во время производственной эксплуатации машины. Причем номинальную загрузку двигателя можно обеспечить путем изменения характеристик потребителей мощности и скорости движения машины.

Техническая задача - совершенствование способа определения эффективной мощности двигателя за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.

Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают машину с механической коробкой передач и системой переключения передач без разрыва потока мощности, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, включают первую передачу и начинают движение, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, загружают его силами сопротивления агрегатируемой машины до снижения частоты вращения коленчатого вала не менее чем на 1/20 от максимального значения, затем ступенчато увеличивают передаточное отношение трансмиссии до момента достижения частоты вращения коленчатого вала двигателя номинального значения при максимальной подаче топлива, задают время работы двигателя в установленном режиме не менее 5 минут, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакции опор двигателя, по полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений последовательно вычисляют реактивный крутящий момент на каждой опоре и суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала, эффективную мощность двигателя с учетом значений частоты вращения коленчатого вала в соответствующий момент измерений и среднее значение эффективной мощности двигателя за весь период измерений, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.

Таким образом, можно создать достаточно простой способ определения эффективной мощности двигателей внутреннего сгорания, применимый как при проведении испытаний, так и в условиях эксплуатации машин.

На фигуре изображена схема сил и крутящих моментов, действующих на опоры и блок цилиндров двигателя в процессе загрузки машины, где 1 - преобразователи силы; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 3 - измерительное устройство; - реакция i-й опоры двигателя в k-й момент измерения, Н; - крутящий момент на i-й опоре двигателя относительно оси вращения коленчатого вала в k-й момент измерения, Нм; - суммарный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала в k-й момент измерения, Нм; - эффективный крутящий момент двигателя в k-й момент измерения, Нм; - расстояние от оси вращения коленчатого вала до точки регистрации реакции i-й опоры, м.

Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.

При проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают машину с механической коробкой передач и системой переключения передач без разрыва потока мощности, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы 1 (см. фигуру) таким образом, чтобы реакции опор в каждый момент измерения полностью воспринимались преобразователями, в картер маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала 2. К преобразователям силы 1 и датчику частоты вращения коленчатого вала 2 присоединяют измерительное устройство 3, питающееся от бортовой сети машины. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, включают первую передачу и начинают движение. Устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, загружают его силами сопротивления агрегатируемой машины до снижения частоты вращения коленчатого вала не менее чем на 1/20 от максимального значения, ступенчато увеличивают передаточного отношение трансмиссии до момента достижения частоты вращения коленчатого вала двигателя номинального значения при максимальной подаче топлива, тем самым догружают двигатель до номинального значения. Задают время работы двигателя в установленном режиме не менее 5 минут, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакции , возникающие в опорах вследствие воздействия реактивного крутящего момента двигателя на раму. По полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений последовательно вычисляют реактивный крутящий момент на каждой опоре двигателя и суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала по формулам:

где - крутящие моменты соответственно на 1, 2, 3 и 4 опорах двигателя в k-й момент измерения, Нм.

По соответствующим значениям суммарного реактивного крутящего момента на опорах и частоты вращения коленчатого вала в каждый момент измерений вычисляют эффективную мощность двигателя , исходя из условия, что исчисленный суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя в каждый момент измерения равен по величине и обратен по направлению эффективному крутящему моменту т.е.:

после чего вычисляют среднее значение эффективной мощности двигателя за весь период измерений по формуле:

которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.

Загрузка машины может быть осуществлена непосредственно при выполнении технологических операций, например за счет сопротивления рабочих органов почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин, причем величину сопротивления рабочих органов машин следует устанавливать не менее чем ¾ от номинальной силы тяги на крюке.

Проведенные исследования, направленные на определение эффективной мощности двигателя ТМЗ 8481.10-02 трактора К-744 Р3 при зяблевой обработке почвы культиватором КИТ-7,2 на глубину обработки 12 см позволили установить, что загрузка двигателя до номинальной частоты вращения коленчатого вала достигается при движении на включенных III режиме и 4 передаче. Обработка почвы на меньшую глубину требует повышения передаточного отношения трансмиссии для догрузи двигателя до номинального значения.

В результате представляется возможным определять эффективную мощность двигателя при стабильной его загрузке непосредственно в условиях эксплуатации машины, используя общедоступные и простые средства измерений и регистрации возникающих реакций в опорах двигателя.

Список источников

1. Стефановский Б.С. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефановский, Е.А. Скобцов, Е.К. Корси и др. - М.: Машиностроение, 1972. - С. 19-21.

2. Пат. № 2624894 РФ, МПК G01M 15/04, G01M 15/05. Способ определения индикаторной мощности при стендовых испытаниях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом / В.Н. Бондарь, В.В. Егоров, О.И. Быстров - № 2016124057; заявл. 16.06.2016, опубл. 07.07.2017г. Бюл. № 19.

3. Пат. № 2762813 РФ, МПК G01M 15/04. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев [и др.] - № 2021103345; заявл. 10.02.2021, опубл. 23.12.2023 г. Бюл. № 36.

4. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 18509-88. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 70 с.

Изобретение может быть использовано при испытаниях и при техническом диагностировании машин. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают машину с механической коробкой передач и системой переключения передач без разрыва потока мощности. В опоры двигателя устанавливают преобразователи (1) силы, в картер маховика монтируют датчик (2) частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство (3). Прогревают двигатель с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры. При проведении испытаний в условиях эксплуатации включают первую передачу и начинают движение. Устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель. Загружают его силами сопротивления агрегатируемой машины до снижения частоты вращения коленчатого вала не менее чем на 1/20 от максимального значения. Раскрыт режим испытания двигателя, на котором фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций опор двигателя. По значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений последовательно вычисляют реактивный крутящий момент на каждой опоре и суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала, эффективную мощность двигателя с учетом значений частоты вращения коленчатого вала в соответствующий момент измерений и среднее значение эффективной мощности двигателя за весь период измерений, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя. Технический результат заключается в снижении трудоемкости и повышении оперативности диагностирования. 1 ил.

Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают машину с механической коробкой передач и системой переключения передач без разрыва потока мощности, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, затем проводят испытания, при которых фиксируют контролируемые параметры, отличающийся тем, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации включают первую передачу и начинают движение, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, загружают его силами сопротивления агрегатируемой машины до снижения частоты вращения коленчатого вала не менее чем на 1/20 от максимального значения, затем ступенчато увеличивают передаточное отношение трансмиссии до момента достижения частоты вращения коленчатого вала двигателя номинального значения при максимальной подаче топлива, задают время работы двигателя в установленном режиме не менее 5 минут, затем с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем запять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций опор двигателя, по полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений последовательно вычисляют реактивный крутящий момент на каждой опоре и суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала, эффективную мощность двигателя с учетом значений частоты вращения коленчатого вала в соответствующий момент измерений и среднее значение эффективной мощности двигателя за весь период измерений, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.