Способ определения индикаторной мощности двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК G01M15/04 G01L23/00 

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования транспортных средств, в частности к способу определения индикаторной 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.

Известен способ индицирования ДВС, при котором измеряют внутрицилиндровое давление при помощи датчика давления, связанного с цилиндром через соединительный канал передачи давления, причем канал предварительно заполняют газом малой молекулярной массы (гелием) перед каждым циклом при низком давлении в цилиндре [1].

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

Известен способ оценки распределения мощности по цилиндрам двигателя [2] при котором измеряют время Т, за которое коленчатый вал совершит определенное число оборотов n_н при произвольной начальной угловой скорости вращения, отключают проверяемый i-й цилиндр двигателя внутреннего сгорания, определяют число оборотов n_ki коленчатого вала двигателя за то же время T и по соотношению n_ki/ n_н оценивают мощность проверяемого i-го цилиндра.

Данный способ предусматривает оценку распределения мощности двигателя по цилиндрам, но не позволяет установить абсолютное значение мощности двигателя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания [3] при котором 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.

Данный способ является универсальным и позволяет определить мощность двигателя для большинства типов транспортных средств, конструкцией которых предусмотрена возможность загрузки двигателя моментом сопротивления тормозных механизмов при движении с минимальной скоростью.

Недостатком способа является невозможность определения индикаторной мощности каждого цилиндра и двигателя в целом.

Реализация подобной методики измерений при поочередном отключении цилиндров позволит определить индикаторную мощность двигателя.

Техническая задача - совершенствование способа определения индикаторной 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, к преобразователям силы и штатному датчику частоты вращения коленчатого вала присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. К электронному блоку управления двигателем подсоединяют устройство программного отключения топливных форсунок. Пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы и тормозным моментом загружают двигатель до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива, дискретно измеряют реакции опор, разгружают двигатель и определяют суммарный реактивный крутящий момент и эффективную мощность при работе двигателя на всех цилиндрах. Затем отключают первый цилиндр, максимальной подачей топлива устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала при работе двигателя с отключенным первым цилиндром, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при работе двигателя с максимальной подачей топлива, с периодом 360 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций опор, после чего аналогично проводят измерения мгновенных значений частоты вращения коленчатого вала и реакций опор при работе двигателя с отключенным вторым, третьим и последующими цилиндрами, по полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений 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, а среднее значение эффективной мощности двигателя определяют отдельно за каждый период измерений при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром, затем последовательно вычисляют среднее значение индикаторной мощности каждого цилиндра отдельно как разность между средним значением эффективной мощности при работе двигателя на всех цилиндрах и средним значением эффективной мощности при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром, суммируют полученные средние значения индикаторной мощности каждого цилиндра и получают среднюю индикаторную мощность двигателя.

Таким образом, можно создать простой способ определения индикаторной мощности двигателя внутреннего сгорания транспортных средств в условиях эксплуатации.

На чертеже 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; 4 - электронный блок управления двигателем; 5 - устройство программного отключения топливных форсунок (для отключения цилиндров); 6 - топливная форсунка; - реакция g-й опоры двигателя при отключенном j-м цилиндре в k-й момент измерения, Н; - частота вращения коленчатого вала двигателя при отключенном j-м цилиндре в k-й момент измерения, Нм; - реактивный крутящий момент на g-й опоре двигателя относительно оси вращения коленчатого вала при отключенном j-м цилиндре в k-й момент измерения, Нм; - суммарный реактивный крутящий момент на опорах двигателя относительно оси вращения коленчатого вала при отключенном j-м цилиндре в k-й момент измерения, Нм; - эффективный крутящий момент двигателя при отключенном j-м цилиндре в k-й момент измерения, Нм; - расстояние от оси вращения коленчатого вала до точки регистрации реакции g-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. чертеж) таким образом, чтобы реакции опор в каждый момент измерения полностью воспринимались преобразователями. К преобразователям силы 1 и штатному датчику частоты вращения коленчатого вала 2 присоединяют измерительное устройство 3, питающееся от бортовой сети транспортного средства. К электронному блоку управления двигателем 4 подсоединяют устройство 5 программного отключения топливных форсунок 6, например, диагностический сканер. 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 и тормозным моментом загружают двигатель до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива, дискретно измеряют реакции опор, разгружают двигатель и определяют суммарный реактивный крутящий момент и эффективную мощность двигателя при работе на всех цилиндрах . Затем отключают первый цилиндр, максимальной подачей топлива в двигатель устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала при работе двигателя с отключенным первым цилиндром. Включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при работе двигателя с максимальной подачей топлива, с периодом 360 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций, возникающих в опорах вследствие воздействия реактивного крутящего момента двигателя на раму. После чего аналогично проводят измерения мгновенных значений частоты вращения коленчатого вала и реакций опор при работе двигателя с отключенным вторым, третьим и последующими цилиндрами, по полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений вычисляют реактивный крутящий момент на каждой опоре 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 опоре двигателя при отключенном j-м цилиндре 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 отдельно за каждый период измерений при работе двигателя с отключенным j-м цилиндром определяют среднее значение эффективной мощности двигателя по формуле:

затем последовательно вычисляют среднее значение индикаторной мощности каждого цилиндра отдельно как разность между средним значением эффективной мощности при работе двигателя на всех цилиндрах и средним значением эффективной мощности при работе двигателя с отключенным j-м цилиндром по формуле:

суммируют полученные средние значения индикаторной мощности каждого цилиндра и получают среднюю индикаторную мощность двигателя , т.е.:

Выражение (5) теоретически можно пояснить следующим образом. Если представить и в виде:

где - среднее за период измерений значение мощности механических потерь ДВС, кВт;

- среднее за период измерений значение индикаторной мощности ДВС, работающего с отключенным j-м цилиндром, кВт,

тогда выражение (5) можно записать:

т.е. индикаторная мощность j-го цилиндра представляет собой разность между индикаторной мощностью ДВС, работающего на всех цилиндрах и индикаторной мощностью ДВС, работающего с отключенным j-м цилиндром.

Таким образом, предложенная методика позволяет определить индикаторную мощность как отдельного цилиндра, так и двигателя внутреннего сгорания в целом.

Проведенные экспериментальные исследования, направленные на определение индикаторной мощности двигателя Cummins ISBe 6.7 300 автомобиля КАМАЗ-65115 при включенной первой передаче, максимальной подаче топлива и загрузке двигателя тормозным моментом позволили установить, что максимальная индикаторная мощность двигателя составляет 285,2 кВт и распределяется по цилиндрам следующим образом: для первого цилиндра - 44,5 кВт, для второго цилиндра 47,2 кВт, для третьего цилиндра - 50,7 кВт, для четвертого цилиндра - 47,9 кВт, для пятого цилиндра - 48,4 кВт, для шестого цилиндра - 46,5 кВт. Указанные значения мощности достигаются при частоте вращения коленчатого вала 2500 мин^-1 и скорости движения автомобиля 12,9 км/ч.

В результате представляется возможным определять индикаторную 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. А.с. № 1030684, МПК G01L 23/00. Способ индицирования двигателя внутреннего сгорания / В.Д. Карминский, Ю.А. Магнитский, Н.В. Белдий. - № 3424705/25-06; заявл.13.04.1982, опубл. 23.07.1983. Бюл. № 27.

2. А.с. № 634136, МПК G01L 23/00. Способ оценки распределения мощности по цилиндрам двигателя / Л.К. Жарков, В.А. Лукин, Ю.А. Леднев и др. - № 2499252/18-10; заявл. 20.06.1977, опубл. 25.11.1978. Бюл. № 43.

3. Пат. № 2820086 РФ, МПК G01M 15/04. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Н.Н. Григорев и др. - № 2023130146; заявл. 21.11.2023, опубл. 28.05.2024 г. Бюл. № 16.

Изобретение может быть использовано при испытаниях и при техническом диагностировании машин. При проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, к преобразователям силы и штатному датчику частоты вращения коленчатого вала присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. К электронному блоку управления двигателем подсоединяют устройство программного отключения топливных форсунок. Пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы и тормозным моментом загружают двигатель до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива, дискретно измеряют реакции опор, разгружают двигатель и определяют суммарный реактивный крутящий момент и эффективную мощность при работе двигателя на всех цилиндрах. Затем отключают первый цилиндр, максимальной подачей топлива устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала при работе двигателя с отключенным первым цилиндром, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при работе двигателя с максимальной подачей топлива, с периодом 360 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций опор. После этого аналогично проводят измерения мгновенных значений частоты вращения коленчатого вала и реакций опор при работе двигателя с отключенным вторым, третьим и последующими цилиндрами. По полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений 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, а среднее значение эффективной мощности двигателя определяют отдельно за каждый период измерений при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром. Далее последовательно вычисляют среднее значение индикаторной мощности каждого цилиндра отдельно как разность между средним значением эффективной мощности при работе двигателя на всех цилиндрах и средним значением эффективной мощности при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром, суммируют полученные средние значения индикаторной мощности каждого цилиндра и получают среднюю индикаторную мощность двигателя. 1 ил.

Способ определения индикаторной 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, к преобразователям силы и штатному датчику частоты вращения коленчатого вала присоединяют измерительное устройство, пускают двигатель и начинают движение, прогревают двигатель совместно с коробкой передач и ведущими мостами до номинальной температуры, переходят на первую передачу, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала максимальной подачей топлива в двигатель, включают тормозные механизмы и тормозным моментом загружают двигатель до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива, дискретно измеряют реакции опор двигателя, разгружают двигатель и определяют суммарный реактивный крутящий момент и эффективную мощность при работе двигателя на всех цилиндрах, отличающийся тем, что при проведении испытаний в условиях эксплуатации во время движения транспортного средства на первой передаче дополнительно отключают первый цилиндр, максимальной подачей топлива устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала при работе двигателя с отключенным первым цилиндром, включают тормозные механизмы транспортного средства и загружают двигатель тормозным моментом до значения, соответствующего номинальной частоте вращения коленчатого вала при работе двигателя с максимальной подачей топлива, с периодом 360 градусов поворота коленчатого вала не менее чем за пять рабочих циклов двигателя фиксируют мгновенные значения частоты вращения коленчатого вала и реакций опор, после чего аналогично проводят измерения мгновенных значений частоты вращения коленчатого вала и реакций опор при работе двигателя с отключенным вторым, третьим и последующими цилиндрами, по полученным значениям реакций опор двигателя для каждого момента измерений 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, а среднее значение эффективной мощности двигателя определяют отдельно за каждый период измерений при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром, затем последовательно вычисляют среднее значение индикаторной мощности каждого цилиндра отдельно как разность между средним значением эффективной мощности при работе двигателя на всех цилиндрах и средним значением эффективной мощности при работе двигателя с отключенным соответствующим цилиндром, суммируют полученные средние значения индикаторной мощности каждого цилиндра и получают среднюю индикаторную мощность двигателя.