Способ определения объема картера двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК G01F17/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех областях народного хозяйства для определения объема картерного пространства двигателей внутреннего сгорания, в условиях промышленного производства, при их эксплуатации и при проведении опытных работ, определение которой осуществляется на основе информационных компьютерных систем числового управления и экспериментальных данных.

Известен способ градуировки резервуара вертикального цилиндрического для определения вместимости, соответствующей высоте его наполнения (RU 2521212 С1) в котором что производят построение цифровой векторной трехмерной (3D) модели внешней поверхности резервуара при наполнении его поверочной жидкостью отдельными фиксированными дозами путем сканирования внешней поверхности резервуара при помощи наземного лазерного сканера с линейной дискретностью шага сканирования в пределах от 2 до 5 мм не менее чем с четырех сканерных станций и в соответствии с эксплуатационной документацией на прибор.

Недостатками данного изобретения являются высокая трудоемкость выполняемого процесса и использование дорогостоящего оборудования с высоким классом точности.

В изобретении (RU 2698596 С2) способ определения объема масла, доливаемого в картер двигателя внутреннего сгорания, при техническом обслуживании автотранспортного средства. Способ основан на применении штатного масломера. Находят положение зафиксированного уровня масла относительно верхней метки на масломере путем измерения расстояния от указанной метки до зафиксированного уровня масла. После чего определяют объем масла, необходимый для доливки в картер двигателя: умножают коэффициент, учитывающий объем масла в литрах, приходящийся на 1 мм расстояния между верхней и нижней метками масломера, на расстояние в мм, измеренное от верхней метки до уровня масла, зафиксированного на масломере.

Недостатком этого способа является недостоверность значения объема картера в связи с вязкими и смазочными свойствами моторного масла, которое оседает на деталях и узлах двигателя.

Известен способ измерения внутреннего объема сосудов различных объемов со сложной внутренней поверхностью и устройство для его осуществления (RU 2787722 С1) Сущность способа заключается в том, что в качестве эталонного сосуда используют любой сосуд из производственного потока данного типоразмера, предварительно определив его объем V_э, при этом сравнивается известный объем эталонного сосуда V_э с объемом измеряемого сосуда V_u. Устанавливают эталонный сосуд на устройство в измерительную ветвь пневмосистемы, герметизируют сосуд и вакуумируют эжекционный контур измерительной и эталонной ветвей устройства. Затем выравнивают давление в обеих ветвях путем перемещения плунжера в регулируемой контрольной емкости. При достижении равенства давлений в обеих ветвях фиксируют положение плунжера. Фиксируют объем эталонного сосуда в регулируемой контрольной емкости. Устанавливают измеряемый сосуд на устройство в измерительную ветвь, повторяют операции без изменения объема контрольной емкости эталонной ветви. Выравнивают давление перемещением калибровочного стержня в регулируемой емкости измерительного блока. По величине перемещения калибровочного стержня определяют разницу ΔV в объемах эталонного и измеряемого сосудов, а искомый объем сосуда V_u определяют по формуле: V_u=V_э±ΔV см³.

Известен (RU 2664769 С1) способ определения объема емкости. В способе определения объема емкости, включающем в себя сообщение контролируемой емкости с калиброванной емкостью известного объема, калиброванную и контролируемую емкости заполняют газом, например воздухом, до определенного любого давления, измеряют это давление, затем весь объем газа из калиброванной емкости вводят в контролируемую емкость, измеряют установившееся давление газа в контролируемой емкости и по возросшей величине этого давления определяют искомый объем контролируемой емкости.

В изобретении (RU 2494352 С1) способ измерения объема сосуда и устройство для его осуществления изменяют объем сосуда навеличину ΔV и определяют изменение давления газа в сосуде до и после изменения объема, на основании которых определяют искомый объем сосуда V₀. При этом предварительно выравнивают давление в герметично закрытом сосуде с окружающей средой. Перемещением стержня изменяют его объем на величину ΔV₁ и измеряют давление ΔP₁ внутри сосуда по отношению к внешней среде. Затем убеждаются, что оно не изменяется с течением времени. Изменяют объем сосуда на величину ΔV, выравнивают давление в сосуде с окружающей средой, повторно изменяют объем сосуда на величину ΔV₂, измеряют давление ΔР₂ внутри сосуда по отношению к внешней среде и повторно убеждаются, что оно не изменяется с течением времени. Искомый объем сосуда V₀ определяют по формуле: V₀=(ΔV⋅k⋅ΔP₂/ΔV₂)/(ΔP₂/ΔV₂-ΔP₁/ΔV₁), где k=1, если объем сосуда уменьшают и k=-1, если увеличивают.

Недостатком этих способов является то, что перед проведением измерений объем измеряемого сосуда уменьшают на известную величину, а истинный объем определяют, как сумму измеренного и введенного в сосуд объемов, из-за чего данные способы не позволяют провести измерения негерметичной измеряемой емкости.

В способе (RU 2026533 С1) в измеряемой негерметичной емкости создают избыточное давление, отключают источник давления, регистрируют изменение давления во времени, вычисляют постоянную времени. Измеряемую емкость соединяют с эталонной, соблюдая условие свободного перетекания газа. Определяют постоянную времени системы, состоящей из измеряемой и эталонной емкостей. На основании значений постоянных времени измеряемой емкости и системы определяют объем емкости.

Недостатком предлагаемого изобретения является высокая трудоемкость за счет подбора трубопроводов размером (площадь сечения и длина) таким образом, чтобы его сопротивление течению газа было на два порядка меньше, чем сопротивление течению, которое имеет измеряемая емкость за счет негерметичности.

Известен способ (RU 2018790 С1) в котором для определения емкости вводят фиксированное количество индикаторного газа, измеряют давление смеси, концентрацию в нем индикаторного газа и обрабатывают результаты измерений.

Недостатками данного способа является высокая трудоемкость подготовительных работ связанная с перемешиванием индикаторного газа в исследуемой емкости, а также определение значений изменения объема негерметичной емкости при эксплуатации.

Наиболее близкий к заявляемому техническому решению является способ определения объема негерметичной емкости (RU 2601615 С1), заключающийся в повышении давления в испытуемой емкости, отключении источника давления, регистрации изменения давления во времени.

Однако недостатком данного изобретения является высокая трудоемкость получения искомого результата.

Анализ известных технических решений показал, что технической проблемой в данной области является необходимость создания способов, используемых для определения объема емкости сложной формы закрытого негерметичного пространства, в частности объема картерного пространства.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение - упрощение процесса измерения объемов сложной формы, таких как картер двигателя внутреннего сгорания, при повышении точности измерения.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной проблемы, состоит в снижении количества операций в процессе измерения объема емкости и исключения из процесса специальных веществ, в упрощении взаимоувязки функциональных и измерительных операций и в замене принципа косвенного измерения на прямой принцип измерения объема емкости.

Для решения указанной проблемы и получения заявленного технического результата в способе определения объема картера двигателя внутреннего сгорания, при подготовительном этапе на выходе из ресивера с помощью газового редуктора при закрытом кране, в картере устанавливают давление не менее 300 кПа, контролируя с помощью манометра, затем обеспечивают расход воздуха не менее 40 л/мин., приоткрывая кран на требуемую величину, контролируя расходомером воздуха, после установления требуемого режима потока воздуха и включения системы регистрации давления, включают процесс регистрации времени и давления в картере с помощью датчика давления, на измерительном этапе перекрывают кран выхода воздуха и при достижении заданного давления, в течение 1 минуты продолжают регистрацию скорости нарастания давления в картере, и по результатам полученных измерений определяют величину утечек воздуха и рассчитывают объем картера по формуле:

где V_к - объем картера;

ΔV - объем воздуха, поступившего в картер;

Δp - падение давления в картере в зависимости от количества поступившего воздуха;

p₂ - давление в картере.

Технический результат достигается за счет того, что измерение объема картерного пространства определяют с помощью подачи воздуха заданного расхода в закрытый картер и регистрируют скорость нарастания в нем давления.

В результате движения поршня со скоростью с_п изменяется объем занимаемый картерными газами V_к (насосное действие поршня), что влияет на изменение давления Р_кг.

При прекращении удаления из картера картерных газов через систему вентиляции картера, давление Р_кг в картере будет меняться по времени, и скорость изменения этого давления будет зависеть от расхода картерных газов G_г, их температуры Т_кг, занимаемого объема картерными газами V_к и влияния движения поршней двигателя на этот объем.

Объем картерного пространства, занимаемого газами, зависит от конструкции картера ДВС, объема масла в картере, а также от положения поршня, которое зависит от угла поворота коленчатого вала.

Реализация способа представлена на чертежах:

На фиг. 1 представлена расчетная схема картерного пространства;

На фиг. 2 схема установки для измерения объема картерного пространства;

На фиг. 3 - графическое изображение процесса изменения давления в картере при измерении;

На фиг. 4 зависимость результатов измерений объема картерного пространства от расхода подаваемого воздуха.

Схема установки для измерения объема картерного пространства включает источник сжатого воздуха 1, газовый редуктор 2, манометр 3, кран расхода воздуха 4, для контроля давления воздуха в картере - манометр 5, кран 6, датчик давления 7, расходомер 8, регистрирующий расход газа из ресивера, система регистрации 9.

На фиг. 1 представлена расчетная схема картерного пространства.

Обозначая объем картера незаполненного моторным маслом двигателя при положении поршня в верхней мертвой точке V_к0 и объем масла залитого в картер двигателя V_м, а также учитывая изменение объема из-за перемещения поршня V_п, получаем объем картерного пространства, занимаемого газами V_к в виде:

Для определения объема картера, занимаемого картерными газами в соответствии с зависимостью (1) остается неизвестным объем картера незаполненного моторным маслом двигателя при положении поршней в верхней мертвой точке V_к0.

Процесс измерений можно описать следующим образом. От источника сжатого воздуха 1 через газовый редуктор 2 подается воздух, давление которого контролируется манометром 3 и расход регулируется краном 4. Расход газа из ресивера при открытом кране 6 регистрируется расходомером 8 и регулируется при необходимости краном 2. Давление воздуха в картере контролируется манометром 5. Изменение давления воздуха в картере в процессе измерений записывается с помощью датчика давления 7 и системы регистрации 9.

Процесс измерения производится в следующем порядке.

1. На выходе из ресивера 1 с помощью газового редуктора 2 при закрытом кране 4 устанавливается давление не менее 300 кПа, которое контролируется манометром 3.

2. Открывается кран 6 для выхода воздуха из картера через расходомер 8.

3. Приоткрывается кран 4 на требуемую величину для обеспечения заданного расхода, который контролируется расходомером 8.

4. После установления требуемого режима потока (показания расходомера 8 стабилизируются и расход соответствует требуемому) и включения системы регистрации давления 9, установка готова к проведению измерений.

5. Включается процесс регистрации времени и давления в картере 9 с помощью датчика давления 7.

6. Перекрывается кран выхода воздуха 6.

7. При достижении заданного давления, регистрируемого по манометру 5, перекрывается кран 2 и продолжается регистрация изменения давления в картере измерительной системой 9 в течение ≈1 мин. Это позволяет оценить величину утечек воздуха через неплотности.

8. По результатам полученных измерений определяются: начальное давление в картере Р₁, время повышения давления до Р₂ (не более 25 кПа), количество поступившего за это время в картер воздуха ΔV, падение давления в картере за это же время ΔP_y и рассчитывается объем картера.

При установке избыточного давления на выходе после редуктора 300 кПа и повышения давления в картере в процессе измерений до уровня избыточного давления 25 кПа отношение абсолютных давлений на входе и выходе крана 4 будет составлять 2,39, что больше критического перепада для воздуха равного 1,89. Таким образом, режим течения газа в кране 2 будет критическим и не будет зависеть от изменения давления воздуха в картере. Процесс изменения давления показан на Фиг 3, где t₁, t₂, t₃ - моменты начала, окончания подачи воздуха и окончания регистрации давления, соответственно; р₁, р₂, р₃ - давление воздуха, соответствующие моментам t₁, t₂, и t₃; Δp_y=p₂-p₃- падение давления после окончания подачи воздуха.

Изменение давления воздуха в картере Δp=(p₂-p₁) от количества поступившего воздуха может быть описано выражением в соответствии с уравнением состояния идеального газа:

где: ΔV=Q_в⋅Δt - объем воздуха, поступившего в картер;

Q_в - объемный расход поступающего воздуха;

Δt=(t₂-t₁) - время процесса подачи воздуха в картер;

ρ_в - плотность воздуха;

V_к - объем картера;

R - газовая постоянная;

Т_кг - температура газов в картере.

Изменение давления Δp=(p₂-p₁) в картере от количества поступившего воздуха может быть описано выражением в соответствии с уравнением состояния идеального газа:

где: ΔV=Q_в⋅Δt - объем воздуха, поступившего в картер; Q_в - объемный расход поступающего воздуха; Δt=(t₂-t₁) - время процесса подачи воздуха в картер; ΔV_y - потери воздуха в результате утечек; V_к - объем картера.

С учетом того, что в выражении (2) произведение (ρ_в⋅R⋅Т_кг) представляет собой давление воздуха в картере в конце измерений р₂, то после преобразований получим выражение для объема картера:

Если в процессе измерений происходят утечки воздуха, то давление в картере после закрытия крана 4 (прекращение подачи воздуха) будет снижаться (участок после момента t₂). За время (t₃-t₂)=(t₂-t₁) давление в картере снизится на величину Δр_у (Фиг 3). Для учета величины утечек на результат измерений внесем поправку в зарегистрированную величину Δр.

В начале процесса подачи воздуха в картер (момент времени t₁) давление в картере р₁ практически равно давлению окружающей среды и утечки равны нулю. При давлении в картере р₂ величина утечек приводит к снижению давления на Δр_у. Принимая рост утечек пропорциональным росту избыточного давления в картере среднее значение утечек будет пропорционально половине потерь давления при р₂ или составлять 0,5⋅Δр_у. Тогда расчет объема картерного пространства будет вычисляться по выражению:

Используя данную зависимость можно определить объем пространства картера любой конфигурации и полученное значение использовать в дальнейших исследованиях.

Пример выполнения способа.

1. От источника сжатого воздуха 1 через газовый редуктор 2 (с манометром 3 подается воздух, расход которого Q_кг регистрируется газовым расходомером 8) и регулируется краном 4.

2. После установления режима потока и регистрации расхода расходомером 8 включается система регистрации 9 времени и давления в картере с помощью датчика давления 7.

3. Перекрывается кран выхода воздуха 6.

4. При достижении заданного давления, регистрируемого по манометру 5, перекрывается кран 4 и продолжается регистрация изменения давления в картере (наличие утечек газа из пространства) измерительной системой 9 в течение ≈1 мин.

5. Открывается кран 6 и избыточное давление стравливается с измеряемого объема.

6. По результатам полученных измерений определяются:

- начальное давление в картере Р₁;

- время Δt повышения давлениядоР₂;

- количество поступившего за это время в картер воздуха ΔV=Q_кг⋅Δt;

- падение давления в картере ΔP_y после перекрытия крана 4 за такое же время Δt;

- рассчитывается объем картера по формуле (4).

В начале испытаний поведена проверка калибровка датчика давления. Для этого в измерительную полость подавался воздух заданного избыточного давления p, величина которого фиксировалась манометром и датчиком давления. Значения сигнала датчика давления в виде напряжения V (В) на каждом режиме записывались измерительной системой. Величина давления из единиц измерения мм рт.ст. в кПа переводилась на основании соотношения:

760 мм рт.ст.=101,325 кПа

Для проверки методики измерений на достоверность получаемых результатов проведены измерения емкости известного объема. В качестве объема измеряемого пространства была использована емкость из под воды объемом 20 л. Схема измерительной системы приведена на Фиг 2, где вместо картера двигателя была подключена емкость объемом 20 л. Испытания проводились при трех значениях расхода поступающего в емкость воздуха при избыточном давлении на выходе из редуктора 350 кПа, что позволяло иметь критическое истечение и постоянным расход воздуха при изменении избыточного давления в измеряемом объеме до 140 кПа. Результаты регистрации изменения давления в системе представлены в таблице 1.

Среднее арифметическое значение измеренного объема составляет 20,1 л и разброс значений по трем опытам не превышает 2% от измеренного значения, что позволяет использовать данную методику для измерения объема картерного пространства ДВС.

Измерение объема картерного пространства двигателя осуществлялось на остановленном двигателе при подаче воздуха из ресивера компрессора под избыточным давлением 350 кПа. Уровень масла в картере соответствовал метке максимального значения щупа. Утечки воздуха через маслозаливное отверстие, отверстие для щупа, ТНВД и компрессор, установленный на двигателе, были устранены. Возможность утечки подаваемого в картер двигателя воздуха осталась через поршневые кольца и незакрытые клапана в каких-либо цилиндрах двигателя, в зависимости от положения коленчатого вала во время проведения измерений.

Результаты регистрации давления подаваемого воздуха в картерном пространстве двигателя Д-240 №248100 в составе трактора МТЗ-80 показаны в таблице 2 при различных расходах подаваемого воздуха.

Результаты регистрации давления подаваемого воздуха в картерном пространстве двигателя Д-240 №393170 установленного на тормозном стенде показаны в таблице 3 при различных расходах подаваемого воздуха.

Результаты регистрации давления подаваемого воздуха в картерном пространстве двигателя Д-243№213436 установленного на тормозном стенде показаны в таблице 4 при различных расходах подаваемого воздуха.

Полученные результаты измерений объема картерного пространства двигателей Д-240 и Д-243 показывают, что измеренный объем меняется от 41,1 л до 51,8 л причем измеренный объем зависит от расхода подаваемого воздуха. Эта зависимость приведена на Фиг 4. Из представленного графика видно, что при расходе воздуха меньше 40 л/мин увеличивается разброс полученных значений и среднее значение снижается. Такой характер изменения результатов измерений можно объяснить влиянием утечек воздуха из картера, учет которых сделан примитивным для простоты вычислений и в результате при малых расходах воздуха это допущение приводит к большой погрешности.

Для уменьшения погрешности вычислений предлагается в анализе использовать только измерения при расходах подаваемого воздуха более 35 л/мин. В результате получаются средние значения измеренного объема:

- для двигателя Д-240 №248100 V_к=48,7 л

- для двигателя Д-240 №393170 V_к=49,8 л

- для двигателя Д-243 №213436 V_к=50,4 л

Разброс полученных значений измеренного объема картера находится в диапазоне 48,3…51,8 л. Среднее значение объема по результатам всех измерений с расходом подаваемого воздуха более 35 л/мин составляет V_кcp=49,95 л. Среднеквадратическое отклонение результатов составляет S_v=0,88 л. Для уровня значимости α=0,05 доверительный интервал составляет 0,50 л. Таким образом объем измеряемого картерного пространства для исследованных двигателей с вероятностью 95% составляет:

V_к=49,95±0,5 л.

Полученные результаты по измерению объема картерного пространства показывают, что предлагаемое изобретение позволит определять объем картера с вероятностью 95% и погрешностью ±1%. Поэтому в дальнейшем при обработке данных по определению расхода картерных газов измерением давления в закрытом картере использовали значение объема картера V_к=50 л.

По сравнению с прототипом предложенный способ значительно обеспечит снижение сложности процесса измерения объемов сложной формы, таких как картер двигателя внутреннего сгорания и точность измерения.

Способ определения объема картера двигателя внутреннего сгорания относится к области машиностроения. Способ предусматривает: при подготовительном этапе на выходе из ресивера с помощью газового редуктора при закрытом кране в картере устанавливают давление не менее 300 кПа, контролируя с помощью манометра, затем обеспечивают расход воздуха не менее 40 л/мин, приоткрывая кран на требуемую величину, контролируя расходомером воздуха, после установления требуемого режима потока воздуха и включения системы регистрации давления включают процесс регистрации времени и давления в картере с помощью датчика давления, на измерительном этапе перекрывают кран выхода воздуха и при достижении заданного давления в течение 1 минуты продолжают регистрацию скорости нарастания давления в картере, по результатам полученных измерений определяют величину утечек воздуха и рассчитывают объем картера по приведенной формуле. Технический результат - упрощение процесса измерения объемов сложной формы, таких как картер двигателя внутреннего сгорания, при повышении точности измерения. 4 ил., 4 табл.

Способ определения объема картера двигателя внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что при подготовительном этапе на выходе из ресивера с помощью газового редуктора при закрытом кране в картере устанавливают давление не менее 300 кПа, контролируя с помощью манометра, затем обеспечивают расход воздуха не менее 40 л/мин, приоткрывая кран на требуемую величину, контролируя расходомером воздуха, после установления требуемого режима потока воздуха и включения системы регистрации давления включают процесс регистрации времени и давления в картере с помощью датчика давления, на измерительном этапе перекрывают кран выхода воздуха и при достижении заданного давления в течение 1 минуты продолжают регистрацию скорости нарастания давления в картере, по результатам полученных измерений определяют величину утечек воздуха и рассчитывают объем картера по формуле

,

где V_к - объем картера;

ΔV - объем воздуха, поступившего в картер;

Δp - падение давления в картере в зависимости от количества поступившего воздуха;

p₂ - давление в картере.