Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК G01M15/04 G01L3/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области эксплуатации транспортно-технологических машин и может быть использовано при бортовой диагностике двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение направлено на определение эффективной мощности ДВС без разгона (выбега) автомобиля по внешней скоростной характеристике.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Каждый двигатель имеет свою внешнюю скоростную характеристику (ВСХ): эффективную мощность (N_e) и крутящий момент (М_е) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. В процессе эксплуатации автомобиля эти характеристики изменяются из-за нарушения настроек в системах, механизмах и износа деталей ДВС. Эти изменения влияют на эффективную мощность. Эффективная мощность - это мощность, получаемая от коленчатого вала двигателя, которая затем передается в трансмиссию. На сегодняшний день нет эффективных способов прямого определения эффективной мощности. Для этого необходимо иметь зависимость крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала доступным, простым и точным способом. Современные двигатели с электронным блоком управления (ЭБУ) позволяют отключать несколько цилиндров ДВС, воздействуя на форсунки, впускные и выпускные клапаны и таким образом, получить достоверную информацию о техническом состоянии ДВС, путем диагностирования каждого цилиндра.

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Известны способы определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания - изобретения №2669224 [1], №2762813 [2]. Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении бестормозных испытаний двигателя посредством измерительного прибора фиксируют усилие, передаваемое на раму транспортного средства через опоры в процессе разгона двигателя от минимального до максимального значения. Эффективную мощность определяют по среднему значению усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства: при первичном испытании аналитически находят функцию эффективной мощности двигателя от измеренного усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства, при последующих испытаниях двигателя измеряют среднее значение усилия, передаваемого раме транспортного средства, и, используя полученную ранее зависимость, определяют эффективную мощность двигателя.

Основные недостатки этих способов [1, 2]: для разгона и выбега автомобиля нужна специальная площадка; для получения эффективной мощности испытания необходимо проводить неоднократно, это занимает много времени; возможны большие погрешности в полученных результатах.

Известен способ определения технического состояния ДВС и устройство для его осуществления - изобретение №2694108 [3]. Способ основан на непрерывном измерении в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала при многократных разгонах без нагрузки, а также выбегах, различных параметров ДВС. Устройство содержит датчики частоты вращения вала двигателя, синхронизации и часового расхода топлива, два селектора уровня, блок дифференцирования начала отсчета угловых меток, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, задатчики угловых меток цилиндров, номеров угловых меток цилиндров, частоты измерения, номеров гармоник, уровня уравновешенности, номинальных значений часового и удельного расходов топлива, два дифференциатора, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блоки регистров сигнала и вычисления частоты вращения, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов, блок цифровых перестраиваемых фильтров, вычислитель среднего значения и максимумов, измерители часового расхода топлива, коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием и без него, индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом, схему подготовки к работе.

В качестве недостатков данного метода [3] стоит отметить, что для разгона и выбега автомобиля необходима специальная площадка, необходимо многократно проводить испытания для определения технического состояния ДВС, способ не позволяет определить эффективную мощность двигателя.

Известен способ комплексной и поэлементной диагностики ДВС и установки для его осуществления - изобретение №2538003 [4]. Способ осуществляется путем контроля частоты вращения коленчатого вала двигателя при отключении части цилиндров и одновременном воздействии на топливоподачу. Неисправные элементы локализируют созданием равновесия между индикаторной мощностью и мощностью механических потерь при фиксированном положении органов управления подачей топлива и частоте вращения коленчатого вала, соответствующей режиму диагностирования. Отслеживают динамику изменения параметров технического состояния ДВС не только контролем частоты вращения коленчатого вала, но и контролем времени реакции на тестовое воздействие, времени выбега, времени разгона, напряжения и тока питания, при создании тестового воздействия путем изменения напряжения, тока питания исполнительных элементов ДВС, форсунки, электробензонасоса, модуля зажигания, блока управления; осуществляя оценку частоты вращения коленчатого вала, контроль времени реакции на тестовое воздействие, контроль времени выбега и времени разгона, напряжения и тока питания в автоматическом режиме. Для диагностирования используют установку, компьютерное устройство (КУ), которое содержит интерфейс диагностической программы. КУ включает в себя микроконтроллер, драйверы исполнительных механизмов и диагностические разъемы.

Данный способ [4] комплексной и поэлементной диагностики ДВС и устройство не позволяют определить эффективную мощность двигателя. Известен способ определения технического состояния ДВС с комплексной системой управления - изобретение №2434215 [5]. Способ осуществляется за счет непрерывного измерения при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра, измерения амплитуд заданных гармонических составляющих ускорения, при достижении двигателем заданного значения частоты вращения коленчатого вала в вычитании из ускорения разгона этих гармонических составляющих и ускорения выбега, определения средних значений полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, и в определении степени неравномерности работы цилиндров по соотношению полученных величин, а по амплитудам заданных гармонических составляющих - степени неуравновешенности двигателя. Все измерения проводятся при принудительно включенном электродвигателе вентилятора системы охлаждения, измерения на разгоне мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала для каждого цилиндра выполняют с момента времени достижения определенной частоты вращения коленчатого вала в цикле работы двигателя, фиксируется значение частоты вращения коленчатого вала, при которой завершается измеряемый цикл, причем в интервале необходимых частот вращения коленчатого вала стабилизируется цикловая подача топлива и устанавливается постоянный момент зажигания, исключающий детонацию в данном режиме, измерения на выбеге проводят для каждого цилиндра на рабочем ходе и тактах сжатия с момента времени достижения коленчатым валом частоты завершения измеряемого цикла на разгоне при отключенной подаче топлива во все цилиндры, при достижении двигателем определенного значения частоты вращения коленчатого вала вычитают из ускорения разгона заданные гармонические составляющие и среднее значение ускорения выбега на тактах сжатия всех цилиндров кроме того цилиндра, который на разгоне на такте рабочего хода выбранного цилиндра находился на такте сжатия, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, по их значению выявляют неработающие цилиндры, при периодическом появлении отрицательных значений ускорения разгона коленчатого вала на рабочих тактах цилиндров фиксируются пропуски воспламенения, по средним значениям ускорения разгона на рабочем такте каждого цилиндра выполняют их оценку эффективной динамической мощности, по средним значениям ускорения выбега каждого цилиндра - оценку герметичности надпоршневого пространства.

Недостатки данного способа [5]: для разгона и выбега автомобиля нужна специальная площадка; испытания необходимо проводить многократно для получения эффективной динамической мощности; большие погрешности в полученных результатах.

Известен способ определения мощностных параметров ДВС бестормозным методом [6]. Определение мощности приборами ИМД-11, НМД-12, ИМД-Ц (индикатор мощности двигателя цифровой) и «Электроника ИПД-1». Источником питания током устройства являются три батареи общим напряжением от 10 до 13,5 В, расположенными в устройстве, или аккумуляторная батарея транспорта напряжением 12 В. Мощность двигателя измеряют следующим образом. Ввертывают первичный преобразователь в специальное отверстие кожуха маховика и подключают его к разъему «Вход», включают питание. После этого калибруют устройство по мощности. Пускают двигатель и прогревают его до нормального теплового режима. Устанавливают среднюю частоту вращения коленчатого вала. Установив минимально устойчивую частоту вращения коленчатого вала, резко переводят подачу топлива на максимальный скоростной режим и по цифровому табло фиксируют мощность в лошадиных силах. Измеренное значение мощности сравнивают с допускаемыми техническими условиями.

В качестве недостатков данного способа [6] стоит отметить сложность конструкции применяемых электронных приборов, их калибровка и необходимость проведения трудоемких подготовительных работ. Кроме того, измерение мощности двигателя таким способом сложно реализовать в процессе эксплуатации автомобиля.

Технический результат предлагаемого способа - точность определения крутящего момента и эффективной мощности по частоте вращения коленчатого вала каждого цилиндра и двигателя в условиях эксплуатации при неподвижном состоянии автомобиля с дополнительным устройством, встроенным в его конструкцию и программным обеспечением в ЭБУ.

Технический результат достигается определением крутящего момента, эффективной мощности каждого цилиндра и двигателя в целом дополнительным устройством с интервалом замера значений сил по частоте вращения коленчатого вала ДВС при полной подаче топлива.

Согласно изобретению предложен способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что устанавливают транспортное средство неподвижно на ровной площадке, при этом в конструкцию транспортного средства монтируют тормозной механизм, входной вал которого соединяют с коленчатым валом двигателя, корпус тормозного механизма закреплен на опорах рамы или кузова через преобразователи силы, подключенные к электронному блоку управления, в картере маховика установлен датчик частоты вращения коленчатого вала, который также подключен к электронному блоку управления; двигатель внутреннего сгорания запускают и прогревают до нормального теплового режима, затем оператор запускает процесс бортовой диагностики, при котором проверяется поочередно каждый цилиндр при отключенных остальных цилиндрах, следующим образом: электронный блок управления открывает полностью дроссельную заслонку при полной подаче топлива; стабилизирует тормозным механизмом частоту вращения коленчатого вала на максимальном значении, подавая сигнал на источник питания с регулятором тока; уменьшает частоту вращения коленчатого вала в соответствии с интервалом замера значений сил до минимальной, стабилизируя ее значения за счет изменения силы тока; в каждом моменте измерения фиксирует частоту вращения коленчатого вала и усилия в точках опоры на раме или кузове от каждого цилиндра; вычисляет крутящий момент, мощность каждого цилиндра, суммарный, эффективный крутящий момент и суммарную, эффективную мощность двигателя соответственно в каждый момент измерения сил; выдает внешнюю скоростную характеристику в текущем состоянии двигателя для сравнения с эталонными и предельными значениями, для определения технического состояния двигателя.

Схематически ДВС и диагностические параметры показаны на фиг.1. В его состав входят следующие основные элементы: форсунки 1, цилиндры 2, поршни 3, блок цилиндров 4, шатуны 5, коленчатый вал 6, картер маховика 7, поддон 8. Параметры внешней скоростной характеристики ДВС, т.е. диагностические параметры: крутящий момент М_е и частота вращения коленчатого вала n_e.

Способ определения эффективной мощности ДВС заключается в следующем. В конструкцию транспортного средства монтируют тормозной механизм. Он может расположиться спереди, сзади, а также через приводы сверху двигателя. Тормозной механизм состоит из вала с дисками 11, электромагнитных катушек 12 и корпуса 13, как показано на фиг.2. Диски 11 вращаются около катушек 12. Вал с дисками 11 тормозного механизма соединен с коленчатым валом двигателя 6, как показано на фиг.3а. В катушках без источника питания электромагнитный тормоз не создается. Электрический ток от источника питания с регулятором 14 поступает на катушки 12, создавая магнитное сопротивление вращению диска 11. Электрический ток регулируется ЭБУ.

Изменяющийся ток в тормозном механизме изменяет нагрузку на двигатель, оказывая сопротивление вращению коленчатого вала 6 двигателя, при этом возникают усилия на корпусе 13. Возникающие усилия на корпусе 13 тормозного механизма передаются на преобразователи силы 15, которые установлены в двух опорах на раме или кузове 16 автомобиля, как показано на фиг.3б. Датчик 9 частоты вращения коленчатого вала двигателя установлен в картере маховика. Датчик 9 частоты вращения коленчатого вала, преобразователи силы 15, электромагнитные катушки 12 и электромагнитные форсунки 1 соединены с электронным блоком управления 10. Указанные элементы подключены к бортовой системе диагностики. Бортовая диагностика - обозначающий способность автомобиля к самодиагностике и отчетности [7].

На фиг.4 изображен способ определения эффективной мощности ДВС, где - частота вращения коленчатого вала ДВС в момент измерения значений сил; - интервал замера значений сил по частоте вращения коленчатого вала ДВС; k - порядковый номер момента измерения; - усилия на первой опоре рамы или кузова соответственно в момент измерения; - усилия на второй опоре рамы или кузова соответственно в момент измерения; i - порядковый номер цилиндра; - вычисленный крутящий момент на опорах рамы или кузова i-ого цилиндра соответственно в момент измерения; - суммарный, эффективный крутящий момент двигателя соответственно в момент измерения; - вычисленная мощность на опорах рамы или кузова i - ого цилиндра соответственно в момент измерения; N_{e мак}, - эффективная мощность двигателя соответственно в момент измерения.

Способ определения эффективной мощности ДВС (ВСХ в момент измерения значений сил от максимальной до минимальной частоты вращения коленчатого вала ДВС) заключается в том, что при проверке в условиях эксплуатации автомобиля, двигатель заводят, прогревают до нормального теплового состояния (85…95°С). Транспортное средство устанавливают неподвижно на ровной площадке. Трансмиссию отсоединяют от коленчатого вала 6. Оператор запускает процесс бортовой диагностики: ЭБУ 10 отключает цилиндры кроме заданного, открывает полностью дроссельную заслонку при полной подаче топлива; стабилизирует тормозным механизмом частоту вращения коленчатого вала на максимальном значении подавая сигнал на источник питания с регулятором тока 14; уменьшает частоту вращения коленчатого вала в соответствии с интервалом замера значений сил до минимальной стабилизируя ее значения за счет изменения силы тока в источнике питания 14; в каждом моменте измерения (k) фиксирует частоту вращения коленчатого вала и усилия в точках опоры на раме или кузове от каждого цилиндра (для первой опоры для второй опоры вычисляет крутящий момент мощность каждого цилиндра суммарный, эффективный крутящий момент и суммарную, эффективную мощность двигателя соответственно в каждый момент измерения сил.

Процесс бортовой диагностики продолжается от максимальной до минимальной стабилизированной частоты вращения коленчатого вала двигателя поочередно, с каждым цилиндром при выключенных остальных.

Величина силы i-ого цилиндра, снимаемой с датчиков преобразователя силы, преобразуется в вычисляемый тормозной момент (М_г) в ЭБУ путем умножения на расстояние от оси вала до опорной точки измерителя силы. Эффективный крутящий момент одного цилиндра, в момент измерения значений сил от максимальной до минимальной частоты вращения коленчатого вала ДВС, равен по величине и обратен по направлению, вычисленному тормозному моменту на опорах рамы или кузова и определяется по следующей формуле:

где - величина сил i-ого цилиндра в первой и второй точках рамы или кузова (Н),

- расстояния от оси вращения диска до опорной точки измерителя силы (м). Суммарный, эффективный крутящий момент ДВС равен сумме крутящих моментов всех цилиндров

где m - количество цилиндров ДВС.

Эффективная мощность одного цилиндра равна

Суммарная, эффективная мощность, в момент измерения значений сил от максимальной до минимальной частоты вращения коленчатого вала ДВС, равна сумме мощностей всех цилиндров

Все расчеты обрабатываются ЭБУ, строится ВСХ по полученным значениям в каждый момент измерения значений сил, сравнивается с эталонными и предельными ее значениями, зафиксированными производителем, и отображаются на дисплее.

В результате определяется ВСХ в текущем состоянии ДВС, которая сравнивается с эталонными и предельными значениями, для определения технического состояния двигателя, используя дополнительное устройство, программное обеспечение и простые средства измерения и регистрации усилий, возникающих на опорах рамы или кузова неподвижного автомобиля непосредственно во время работы двигателя.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ИНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сущность изобретения поясняется чертежами и схемами:

Фиг. 1 - Схема двигателя внутреннего сгорания с диагностичесими параметрами

Фиг. 2 - Тормозной механизм: а) вид спереди в разрезе, б) вид сбоку

Фиг. 3 - Двигатель внутреннего сгорания с тормозным механизмом: а) схема расположения, б) схема сил и крутящих моментов, действующих на опоры Фиг. 4 - Способ определения эффективной мощности ДВС

ПОЗИЦИИ НА ЧЕРТЕЖЕ

Использованные источники

1. Изобретение к патенту 2669224, Российская Федерация, МПК G01M 15/00 (2006.01), G01L 3/24 (2006.01). Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / Ю.А. Гуськов, А.Ф. Курносов - №2017104068; заявл. 07.02.2017, опубл. 09.10.2018 г. Бюл. №28.

2. Изобретение к патенту 2762813, Российская Федерация, МПК G01M 15/04 (2006.01), СПК G01M 15/04 (2021.08), G01M 15/05 (2021.08). Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев, В.Н. Корниенко - №2021103345; заявл. 10.02.2021. опубл. 23.12.2021 г. Бюл. №36.

3. Изобретение к патенту 2694108, Российская Федерация, МПК G01M 15/00 (2006.01), G01M 15/04 (2006.01). Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления / С.Н. Ольшевский, Д.Н. Клименко, А.А. Борисов, И.П. Добролюбов, А.К. Орехов -№2018118426; заявл. 21.05.2018, опубл. 09.07.2019 г. Бюл. №19.

4. Изобретение к патенту 2538003, Российская Федерация, МПК G01M 15/05 (2006.01), G01M 15/04 (2006.01). Способ для комплексного и поэлементного диагностирования двигателей внутреннего сгорания и установка для его осуществления / С.С. Куков, А.В. Гриценко, К.А.Цыганов, Д.Д. Бакайкин, А.П. Возмилов, Д.Ю. Костин, Д.А. Абросимов, С.П. Хвостов - №2013120882/06; заявл. 06.05.2013, опубл. 10.01.2015 г. Бюл. №1.

5. Изобретение к патенту 2434215, Российская Федерация, МПК G01M 15/04 (2006.01). Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания с комплексной системой управления / В.Н. Жеглов, Н.П. Шевченко, А.Н. Патрин, Ю.В. Гармаш, С.Ю. Сметанин, А.С. Захаров, Е.А. Паринов №2009116909/06; заявл. 04.05.2009, опубл. 20.11.2011 г. Бюл. №32.

6. Испытание двигателя, https://stroy-technics.ru/article/ispytanie-dvigatelya.

7. Бортовая диагностика. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.e852138e-6368a56d-cacd2d13-74722d776562/https/en. wikipedia.org/wiki/Obd2.

Изобретение может быть использовано при диагностике двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В конструкцию транспортного средства монтируют тормозной механизм, состоящий из вала с дисками, электромагнитных катушек и корпуса. Вал с дисками тормозного механизма соединен с коленчатым валом (КВ) ДВС. Электрический ток от источника питания с регулятором поступает на катушки, создавая магнитное сопротивление вращению диска. Электрический ток регулируется электронным блоком управления (ЭБУ). Изменяющийся ток в тормозном механизме изменяет нагрузку на ДВС, оказывая сопротивление вращению КВ ДВС, при этом возникают усилия на корпусе. Возникающие усилия на корпусе тормозного механизма передаются на преобразователи силы, которые установлены в двух опорах на раме или кузова автомобиля. Датчик частоты вращения КВ, установленный в картере маховика, преобразователи силы, электромагнитные катушки и электромагнитные форсунки соединены с ЭБУ, подключенным к бортовой системе диагностики. Способ определения эффективной мощности ДВС заключается в том, что при проверке в условиях эксплуатации автомобиля ДВС заводят, прогревают до нормального теплового состояния. Транспортное средство устанавливают неподвижно на ровной площадке. Трансмиссию отсоединяют от КВ. Оператор запускает процесс бортовой диагностики, при котором: ЭБУ отключает цилиндры, кроме заданного, открывает полностью дроссельную заслонку при полной подаче топлива; стабилизирует тормозным механизмом частоту вращения КВ на максимальном значении, подавая сигнал на источник питания с регулятором тока; уменьшает частоту вращения КВ в соответствии с интервалом замера значений сил до минимальной, стабилизируя ее значения за счет изменения силы тока в источнике питания; в каждом моменте измерения фиксирует частоту вращения КВ и усилия в двух точках опоры на раме или кузове от каждого цилиндра; вычисляет крутящий момент, мощность каждого цилиндра, суммарный крутящий момент и суммарную мощность ДВС соответственно в каждый момент измерения сил. 4 ил.

Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что устанавливают транспортное средство неподвижно на ровной площадке, отличающийся тем, что в конструкцию транспортного средства монтируют тормозной механизм, входной вал которого соединяют с коленчатым валом двигателя, корпус тормозного механизма закреплен на опорах рамы или кузова через преобразователи силы, подключенные к электронному блоку управления, в картере маховика установлен датчик частоты вращения коленчатого вала, который также подключен к электронному блоку управления; двигатель внутреннего сгорания запускают и прогревают до нормального теплового режима, затем оператор запускает процесс бортовой диагностики, при котором проверяется поочередно каждый цилиндр при отключенных остальных цилиндрах, следующим образом: электронный блок управления открывает полностью дроссельную заслонку при полной подаче топлива; стабилизирует тормозным механизмом частоту вращения коленчатого вала на максимальном значении, подавая сигнал на источник питания с регулятором тока; уменьшает частоту вращения коленчатого вала в соответствии с интервалом замера значений сил до минимальной, стабилизируя ее значения за счет изменения силы тока; в каждом моменте измерения фиксирует частоту вращения коленчатого вала и усилия в точках опоры на раме или кузове от каждого цилиндра; вычисляет крутящий момент, мощность каждого цилиндра, суммарный эффективный крутящий момент и суммарную эффективную мощность двигателя соответственно в каждый момент измерения сил; выдает внешнюю скоростную характеристику в текущем состоянии двигателя для сравнения с эталонными и предельными значениями, для определения технического состояния двигателя.