Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов двигателей внутреннего сгорания в лабораторных условиях Российский патент 2024 года по МПК G01M15/02 F02D43/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для имитации нагрузочных и скоростных режимов инжекторных бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с электронной системой управления в лабораторных условиях при проведении испытаний, диагностирования и регулирования исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода и др.) электронных систем управления двигателем.

При испытаниях ДВС автотракторных средств на тормозных стендах отечественного и иностранного производства (КИ-5542, КИ-5543, KS-56/4, VSETIN IDS 932N и др.) воспроизведение нагрузочно-скоростных режимов осуществляется нагрузочным устройством стенда, выполненным в виде жидкостного реостата или индукционного регулятора. Такие нагрузочные устройства имеют большие габариты, занимают большую полезную площадь помещения, в котором размещен стенд. Величину нагрузки и частоты вращения коленчатого вала ДВС в процессе испытаний снимают со штатных приборов тормозного стенда - весового устройства динамометрической машины и тахометра, оснащенных соответствующими датчиками нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, проведение испытаний ДВС на тормозных стендах требует значительных материальных, трудовых и финансовых средств, связанных с расходом моторного топлива и смазочных материалов испытуемым ДВС, расходом электроэнергии на питание динамометрической машины стенда и заработной платы оператора стенда. Таким образом, нагрузочные устройства тормозных стендов воспроизводят требуемые нагрузочно-скоростные режимы работы ДВС, однако они не могут быть использованы для имитации нагрузочно-скоростных режимов в лабораторных условиях при проведении испытаний, диагностирования и регулирования исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода и др.) электронных систем управления двигателем.

В настоящее время для упрощения конструкции устройств и снижения затрат на проведение испытаний, диагностирования и регулирования исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода и др.) электронных систем управления двигателем используют различные конструкции устройств для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС.

Перед авторами стояла задача разработать простое в исполнении, технически реализуемое на основе радиотехнических изделий отечественного производства, надёжное и эффективное в работе переносное малогабаритное электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов инжекторных бензиновых и дизельных ДВС в лабораторных условиях при испытании, диагностировании и регулировании исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода и др.) электронных систем управления двигателем, с достоверностью полученных результатов, сопоставимых с результатами испытаний на реальном ДВС.

При просмотре источников патентной и научно-технической информации были выявлены технические решения, позволяющие оценить возможность использования их в заявляемом изобретении.

Известно электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях [Стенд-тренажёр УФ РНПО «РОСУЧПРИБОР» Южно-Уральского государственного университета. [Электронный ресурс] http://uchebnaya-tehnika.ru/прайс-лист/1323/ (дата обращения 07.03.2024)], содержащий блок управления, имитаторы датчика нагрузочного режима (датчик массового расхода воздуха и датчик положения дроссельной заслонки), датчика скоростного режима (датчика частоты вращения) и других датчиков, сходных по параметрам с датчиками, используемыми в электронных системах управления инжекторными ДВС. Имитаторы датчика нагрузочного и скоростного режимов представляют собой резисторы потенциометрического типа. Например, при повороте дроссельной заслонки на определенный угол соответственно изменяется выходной сигнал по напряжению. Для имитации датчиков массового расхода воздуха и положения дроссельной заслонки служат делители напряжения с регуляторами, изменяющими сигнал блока управления по напряжению. Все электрические цепи и разъёмы, различные радиотехнические изделия имитаторов и блока управления размещены на раме стенда.

Недостатками этого устройства (стенда) являются сложность конструкции и ограниченная область применения, так как предназначен для имитации нагрузочно-скоростных режимов только инжекторных ДВС при испытании и диагностировании соответствующих датчиков.

Известно электронное устройство для имитации нагрузочно-ско-ростных режимов ДВС в лабораторных условиях [Стенд имитации датчиков и исполнительных механизмов электронных систем управления двигателем СИД-4. [Электронный ресурс] http://www.nppnts.ru/index.php?mod=sid4 (дата обращения 07.03.2024)], содержащий блок управления, имитаторы исполнительных механизмов электронных систем управления двигателем, имитаторы датчиков нагрузочного и скоростного режимов и других датчиков инжекторного ДВС. Устройство (стенд) позволяет имитировать различные режимы работы и неисправности в электронной системе управления двигателем, а также изменять любой параметр вручную или автоматически с помощью специального программного обеспечения. Все электрические цепи и разъёмы, различные радиотехнические изделия имитаторов и блока управления размещены на раме стенда.

Недостатками этого устройства (стенда) являются сложность конструкции и ограниченная область применения, так как предназначен для имитации нагрузочно-скоростных режимов только инжекторных ДВС при испытании и диагностировании соответствующих датчиков.

Наиболее близким по технической сущности и взятый за прототип является электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях [Патент РФ на ПМ № 180157, МПК G01M 15/00, G01M 15/02, F02D 43/04. Стенд системы управления инжекторным двигателем / Ю.Д. Шевцов, Л.Н. Дудник, Е.С. Федотов, Е.Д. Фадеев. - Заявка № 2017145717 от 25.12.2017; Опубл. 05.06.2018, Бюл. № 16], содержащее датчик скоростного режима (датчик частоты вращения коленчатого вала), датчик нагрузочного режима (датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха) и блок имитации режимов ДВС, состоящий из схемы управления частотой вращения электродвигателя стенда, выполненной на базе регулятора с широто-импульсной модуляцией и органов управления в виде переключателей на 20 положений, а также резисторно-диодной матрицы, имитирующей выходные напряжения датчиков массового расхода воздуха и положения дроссельной заслонки. Параметрами настройки стенда для имитации нагрузочно-скоростных режимов являются частота вращения коленчатого вала, часовой расход воздуха, положение дроссельной заслонки и эффективная мощность имитируемого инжекторного ДВС. Все электрические цепи и разъёмы, различные радиотехнические изделия имитаторов и блока управления размещены на раме стенда.

Недостатками этого устройства (стенда) являются сложность конструкции (наличие электродвигателя, переключатели на множество положений) и ограниченная область применения, так как предназначен для имитации нагрузочно-скоростных режимов только инжекторных бензиновых ДВС с электронной системой управления при проведении испытаний, диагностирования и регулирования исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода) электронных систем управления двигателем.

Технический результат изобретения - малогабаритное и переносное электронное устройство заменяет стенд имитации датчиков электронных систем управления двигателем, имитирует нагрузочно-скоростные режимы как бензиновых инжекторных так и дизельных ДВС с электронными системами управления при минимальных затратах на испытание, диагностирование и регулирование исполнительных механизмов (электромагнитных форсунок, электронасоса, регулятора холостого хода и др.) электронных систем управления двигателем, повышает эффективность использования электронного устройства за счет упрощения конструкции, быстроты и простоты подключения устройства к электронной системе управления двигателем.

Указанный технический результат достигается за счет того, что электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов двигателей внутреннего сгорания в лабораторных условиях состоит из блока имитации режимов работы инжекторного двигателя, подключенного к электронной системе управления двигателем и включающего имитаторы выходных напряжений датчика скоростного режима (датчика частоты вращения электродвигателя) и датчика нагрузочного режима (датчиков положения дроссельной заслонки и массового расхода воздуха), согласно изобретению, блок имитации режимов работы двигателя выполнен двухканальным, каждый из каналов содержит имитатор датчика нагрузочного режима по величине выходного напряжения, состоящий из задатчика частоты, генератора прямоугольных импульсов и релейного преобразователя сигнала, и имитатор датчика скоростного режима по величине выходного напряжения, состоящий из задатчика частоты, генератора прямоугольных импульсов и делителя напряжения, при этом питание генераторов прямоугольных импульсов нагрузочного и скоростного режимов осуществляется от стабилизатора напряжения, а выходные сигналы в виде импульсов напряжения от имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов поступают в электрическую цепь электронной системы управления двигателем и через коммутатор в частотомер и (или) осциллограф для визуального контроля за величиной выходного сигнала, причём в качестве датчиков нагрузочного и скоростного режимов дизельных двигателей используются соответственно тахометрический преобразователь расхода топлива и датчик Холла, а настройка имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов электронного устройства осуществляется соответственно по величине массового расхода топлива в единицу времени (часовому расходу топлива дизелем) и частоте вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления.

На фиг. 1 представлена блок-схема электронного устройства для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях; на фиг. 2 - Общий вид электронного устройства для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях; на фиг. 3 - Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС, подключенное к электроцепям электронной системы управления двигателем и приборам контроля.

Элементы блок-схемы (фиг. 1) электронного устройства для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях размещены на электрической плате и содержат имитатор датчика нагрузочного режима, состоящий из задатчика частоты 1, генератора прямоугольных импульсов 2 и релейного преобразователя сигнала 3, и имитатор датчика скоростного режима, состоящий из задатчика частоты 4, генератора прямоугольных импульсов 5 и делителя напряжения 6. Питание генераторов прямоугольных импульсов 2 и 5 осуществляется от стабилизатора напряжения 7. Для визуального контроля за выходными сигналами (импульсами напряжения) имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов в электроцепь электронного устройства установлен коммутатор 8, подключенный к частотомеру и (или) осциллографу. Параметрами настройки задатчиков частоты 1 и 4 являются соответственно часовой расход топлива (G_т, кг/ч) и частота вращения коленчатого вала двигателя (n, об/мин).

Описание работы электронного устройства приводится на примере дизельного двигателя 4 Ч 11/12,5 с часовым расходом топлива 14,6 кг/ч на номинальной частоте вращения коленчатого вала 2200 об/мин. В качестве датчика нагрузочного режима (датчика массового расхода топлива) используется преобразователь расхода топлива тахометрического типа от мотор-тестера КИ-5524 ГОСНИТИ, а в качестве датчика частоты вращения коленчатого вала - датчик угла поворота кулачкового вала топливного насоса высокого давления (ТНВД), представляющий собой микросхему от датчика Холла и неодимовый магнит, закреплённых соответственно на наружной поверхности алюминиевой крышки ТНВД и на носке кулачкового вала. Диапазон частоты импульсных сигналов, вырабатываемых генератором прямоугольных импульсов 2, изменяется от 12,7 Гц до 51,4 Гц, что соответствует диапазону изменения часового расхода топлива (массового расхода топлива в единицу времени) от 3,6 кг/ч до 14,6 кг/ч, Диапазон частоты импульсных сигналов, вырабатываемых генератором прямоугольных импульсов 5, изменяется от 6,7 Гц до 18,3 Гц, что соответствует диапазону изменения частоты вращения коленчатого вала от 800 об/мин до 2200 об/мин.

Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС в лабораторных условиях работает следующим образом.

Пред началом эксперимента электронное устройство необходимо электрически подключить к источнику питания постоянным током напряжением 12 В и к входу микроконтроллера проверяемой электронной системы управления двигателем. Затем задатчик частоты 1 нужно настроить на верхний (9 В) или нижний (0 В) уровень напряжения, а задатчик частоты 4 - на верхний (7 В) или нижний (0,1 В) уровень напряжения.

От источника питания GB через стабилизатор напряжения 7 напряжение величиной 9 В подается на генераторы прямоугольных импульсов 2 и 5, выполненные на интегральных таймерах. Под действием этого напряжения генераторы 2 и 5 вырабатывают электрические импульсы определенной частоты. Импульсы напряжения формируются за счет разряда и заряда двух конденсаторов, в электрическую цепь которых установлены четыре подстроечных резистора (задатчики частот 1 и 4), позволяющие изменять частоту выходных сигналов с генераторов прямоугольных импульсов 2 и 5. Для имитации требуемого нагрузочно-скоростного режима с помощью задатчиков частот 1 и 4 устанавливают необходимые параметры настройки: по величине G_т - часового расхода топлива с помощью двух подстроечных резисторов и n - частоте вращения коленчатого вала (частоте вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления) с помощью двух других подстроечных резисторов.

Далее выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов 2 поступает на релейный преобразователь сигнала 3, представляющий собой нормально разомкнутый контакт (геркон), аналогичный тому, который используется в составе реального датчика массового расхода топлива. Таким образом, с выхода релейного преобразователя сигнала 3 поступает преобразованный сигнал той же частоты и имеющий уровни напряжения: нижний «0» и верхний «1», соответствующие уровням напряжения реального датчика массового расхода топлива.

Выходной сигнал с генератора прямоугольных импульсов 5 поступает на делитель напряжения 6, выполненный в виде двух резисторов, обеспечивающих приведение уровней напряжения «0» и «1» к значениям, соответствующим параметрам реального датчика Холла.

Затем выходные сигналы с имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов поступают в электрическую цепь электронной системы управления двигателем и одновременно через коммутатор (двухпозиционный переключатель) в частотомер и (или) осциллограф.

Подключение электронного устройства для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС к электронной системе управления двигателем и приборам контроля (частотомер и осциллограф) осуществляется с помощью быстросъёмных электроразъёмов.

Частотомер (например, FC-3000) используется для контроля правильности установки требуемого нагрузочно-скоростного режима ДВС. В процессе эксперимента при сопоставлении значений частот и соответствующих им значений параметров настройки убеждаются в правильности установки режима работы ДВС. При необходимости параметры настройки корректируются задатчиками частот 1 и 4.

Для расширения функциональных возможностей предлагаемого электронного устройства для имитации нагрузочно-скоростных режимов различных марок ДВС необходимо изменить параметры настройки и при необходимости - номенклатуру некоторых радиотехнических изделий в электрической схеме устройства в соответствии с исходными параметрами настройки конкретного двигателя.

Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов ДВС технически реализуемо и практически применимо. Для его изготовления используются отечественные комплектующие изделия: электрическая плата, радиотехнические изделия (микросхемы, переменные и постоянные резисторы, конденсаторы, коммутатор, разъёмы, электропровода) и корпус. Корпус электронного устройства с размещённой в нём электрической платой может изготавливаться из металла, пластмассы или других конструкционных материалов. Затраты на приобретение комплектующих изделий и изготовление предлагаемого устройства незначительные и не превышают 1700 рублей.

Изобретение может быть использовано для имитации нагрузочных и скоростных режимов инжекторных бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания с электронной системой управления. Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов двигателей внутреннего сгорания в лабораторных условиях состоит из блока имитации режимов работы инжекторного двигателя, подключенного к электронной системе управления двигателем. Устройство включает имитаторы выходных напряжений датчика скоростного режима и датчика нагрузочного режима. Блок имитации режимов работы двигателя выполнен двухканальным. Каждый из каналов содержит имитатор датчика нагрузочного режима по величине выходного напряжения и имитатор датчика скоростного режима по величине выходного напряжения. Имитатор датчика нагрузочного режима состоит из задатчика (1) частоты, генератора (2) прямоугольных импульсов и релейного преобразователя (3) сигнала. Имитатор датчика скоростного режима по величине выходного напряжения состоит из задатчика (4) частоты, генератора (5) прямоугольных импульсов и делителя (6) напряжения. Питание генераторов (2) и (5) прямоугольных импульсов нагрузочного и скоростного режимов осуществляется от стабилизатора (7) напряжения. Выходные сигналы в виде импульсов напряжения от имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов поступают в электрическую цепь электронной системы управления двигателем и через коммутатор (8) к частотомеру и/или осциллографу для визуального контроля за величиной выходного сигнала. В качестве датчиков нагрузочного и скоростного режимов дизельных двигателей используются соответственно тахометрический преобразователь расхода топлива и датчик Холла. Настройка имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов электронного устройства осуществляется соответственно по величине массового расхода топлива в единицу времени и частоте вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления. Технический результат заключается в упрощении конструкции и в быстроте и простоте подключения устройства к электронной системе управления двигателем. 3 ил.

Электронное устройство для имитации нагрузочно-скоростных режимов двигателей внутреннего сгорания в лабораторных условиях, состоящее из блока имитации режимов работы инжекторного двигателя, подключенного к электронной системе управления двигателем и включающего имитаторы выходных напряжений датчика скоростного режима и датчика нагрузочного режима, отличающееся тем, что блок имитации режимов работы двигателя выполнен двухканальным, каждый из каналов содержит имитатор датчика нагрузочного режима по величине выходного напряжения, состоящий из задатчика частоты, генератора прямоугольных импульсов и релейного преобразователя сигнала, и имитатор датчика скоростного режима по величине выходного напряжения, состоящий из задатчика частоты, генератора прямоугольных импульсов и делителя напряжения, при этом питание генераторов прямоугольных импульсов нагрузочного и скоростного режимов осуществляется от стабилизатора напряжения, а выходные сигналы в виде импульсов напряжения от имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов поступают в электрическую цепь электронной системы управления двигателем и через коммутатор к частотомеру и/или осциллографу для визуального контроля за величиной выходного сигнала, причем в качестве датчиков нагрузочного и скоростного режимов дизельных двигателей используются соответственно тахометрический преобразователь расхода топлива и датчик Холла, а настройка имитаторов датчиков нагрузочного и скоростного режимов электронного устройства осуществляется соответственно по величине массового расхода топлива в единицу времени и частоте вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления.