Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК G01M15/04 

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

Существующие методы измерения мощности и крутящего момента, основанные на индуктивном, магнитоупругом, фазометрическом, фотометрическом и ином комбинированном преобразовании крутящего момента в электрический сигнал обладают низкой универсальностью, высокой трудоемкостью и сложностью устройств реализации. 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 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 эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания [2] 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 полученному значению суммарного крутящего момента на опорах и средней частоте 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 позволяет достоверно измерить эффективную мощность двигателя внутреннего сгорания, но недостатком способа является ограничение его использования при определении мощности двигателей грузовых автомобилей, так как максимальная скорость движения на прямой передаче для большинства грузовых автомобилей существенно больше разрешенной скорости движения, поэтому измерения возможно провести только на специальных автополигонах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания [3] при котором 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, выбирают рабочий диапазон скоростей коробки передач, рекомендованный для выполнения технологической операции, включают первую передачу и начинают движение, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, загружают двигатель силами сопротивления агрегатируемой машины, ступенчато увеличивая передаточное отношение трансмиссии, догружают двигатель до момента начала перегрузки, то есть до значения частоты вращения коленчатого вала, меньше номинального, плавно уменьшают силы сопротивления агрегатируемой машины, разгружают двигатель до достижения номинальной частоты вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива, 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.

Отличительной особенностью способа является возможность определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания непосредственно в условиях эксплуатации при минимальной скорости движения и загрузке двигателя внешними силами сопротивления. Недостатком данного способа является невозможность его применения на тягачах, не предназначенных для работы с прицепными или навесными машинами.

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 транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, напротив венца маховика монтируют индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, после чего переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя при максимальной подаче топлива, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять 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, 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 простой способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания транспортных средств в условиях эксплуатации.

На фиг. изображена схема сил и крутящих моментов, действующих на опоры и блок цилиндров двигателя в процессе загрузки транспортного средства, где 1 - преобразователи силы; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 3 - измерительное устройство; R_ik - реакция i-й опоры двигателя в k-й момент измерения, Н; M_ik - крутящий момент на i-й опоре двигателя относительно оси вращения коленчатого вала в k-й момент измерения, Нм; M_∑k - суммарный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала в k-й момент измерения, Нм; M_ek - эффективный крутящий момент двигателя в k-й момент измерения, Нм; r_i - 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 транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы 1 (см. фиг.) таким образом, чтобы реакции опор R_ik в каждый момент измерения полностью воспринимались преобразователями, напротив венца маховика монтируют индуктивный 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 транспортного средства. Пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры. После чего переходят на первую передачу и устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель. Включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя при максимальной подаче топлива, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала n_k и реакций R_ik, возникающих 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 M_ik и суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя M_∑k относительно оси вращения коленчатого вала по формулам:

M_ik = R_ik*r_i (1)

M_∑k = (2)

где M_1k, M_2k, M_3k, M_4k - 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 M_∑k и частоты вращения коленчатого вала n_k в каждый момент измерений вычисляют эффективную мощность двигателя N_ek, исходя из условия, что исчисленный суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя M_∑k в каждый момент измерения равен по величине и обратен по направлению эффективному крутящему моменту M_ek т.е.:

N_ek = - = (3)

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

, (4)

которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.

Тормозной момент изменяют плавно, надавливая на педаль тормоза, при этом контролируя текущее значение частоты вращения коленчатого вала по штатному тахометру.

Прогрев двигателя совместно с коробкой передач и ведущими мостами осуществляется для обеспечения надежной смазки узлов при работе в условиях эксперимента с номинальной загрузкой двигателя.

Проведенные экспериментальные исследования, направленные на определение эффективной мощности двигателя 6ISBE 300 автомобиля КАМАЗ-65115 при включенной первой передаче, максимальной подаче топлива и загрузке двигателя тормозным моментом позволили установить, что максимальная мощность двигателя составляет 221 кВт и достигается при частоте вращения коленчатого вала 2500 мин^-1 и скорости движения автомобиля 12,9 км/ч.

В результате представляется возможным определять эффективную мощность двигателя при его загрузке непосредственно в условиях эксплуатации, используя общедоступные и простые средства измерения и регистрации реакций, возникающих 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. № 2762813 РФ, МПК G01M 15/04, G01M 15/05. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев и др. - № 2021103345; заявл. 10.02.2021, опубл. 23.12.2021 г. Бюл. № 36.

3. Пат. № 2804692 РФ, МПК G01M 15/04. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / Ю.А. Гуськов, А.Ф. Курносов, Н.Н. Григорев - № 2023104873; заявл. 03.03.2023, опубл. 03.10.2023 г. Бюл. № 28.

При проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, напротив венца маховика монтируют индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, после чего переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя при максимальной подаче топлива, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять 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, 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. 1 ил.

Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, напротив венца маховика монтируют индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, пускают двигатель и начинают движение, 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 во время движения транспортного средства переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя при максимальной подаче топлива, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять 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, 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.