Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации тепловыделения в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, учет потерь теплоты в охлаждающую среду и потерь теплоты в следствии диссоциаии продуктов сгорания и путем этого повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащие датчик давления, усилитель, дифференцирующую цепочку, первую и вторую перемножающие схемы, первый и второй резисторы, первый и второй потенциометры, .осциллограф и функциональный генератор сигналов положения поршня, причем осциллограф параллельно соединен с первой перемножающей схемой через первый резистор и с второй перемножающей схемой через второй резистор, датчик через усилитель подключен к первой перемножающей схеме непосредственно и ко второй схеме - через дифференцирующую цепочку, а функциональный генератор выполнен в виде первого и второго магнитных барабанов, причем одноименные потенциометры включены в связи соответствующих барабанов с перемножающими схемами, дополнительно включены датчики температуры стенок цилиндра, установленного на стенке цилиндра и датчик температуры газа, установленного в цилиндре двигателя, датчик температуры стенки последовательно соединен с вторым магнитным барабаном через последовательно соединенные и дополнительно установленные усилитель, сравнивающий блок, перемножающую схему и потенциометр, а датчик температуры газа снабжен усилителем электрического сигнала, один выход которого соединен с входом осциллографа через дополнительно установленные дифференцирующую цепочку, перемножающую схему и резистор, а второй выход усилителя соединен с входом осциллографа через сравнивающий блок, перемножающую схему и дополнительный резистор. Сопоставительный анализ с прототипом показывают, что заявляемое устройство отличается тем, что в нем учитывается потеря теплоты вследствие теплопередачи в охлаждающую среду и потеря теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания.

Уравнение первого закона термодинамики для процессов, не сопровождающихся химическими реакциями имеют вид:

5

dq dU + PdV 4- d q ш .и. (1)

где dq - элементарное количество тепла, отнесенное к 1 кг рабочего тела.

dU - соответствующее изменение внутренней энергии;

Р - давление;

dV - соответствующее изменение удельного объема;

d q ftj- потеря теплоты в следствие теплопередачи в охлаждающую среду;

dqfl.H. - потеря теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания и от недого- рания.

Изменение внутренней энергии может быть представлено в виде

dU CvdT

20

k -1

dT

де R - газовая постоянная;

К - показатель адиабаты.

уравнение (1) к изменению угла поворота кривошипа двигателя и с учетом уравнения (2), получаем:

а- , 1 . / у JJJ + k ч.,. a (k.-m d a P d a

30

+ JL dQftJ + JL d Од.н. М d a М da

(3)

где М - масса газа в цилиндре;

V - объем цилиндра при повороте кривошипа на угол.

С учетом того, что Q qM, получим

d.3- - - 1 /- „ d Р dv ч i . da-()(vd + kPdb-) +

d Qa) d Од.н.

--:---- Т -

da

da

(4)

Для центрального кривошипно-шатун- ного механизма изменения объема цилиндра связано с узлом поворота кривошипа уравнением

dV FR(sin a + sin2 a )d a , (5)

где F - площадь поршня;

R - радиус кривошипа;

. А - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Объем цилиндра при данном угле поворота кривошипа.описывается уравнением

V FR(1-cosa + ) (6)

При определении скорости потерь энергии вследствие теплопередачи от газов к стенкам по формуле

аг (Т-Т а) )

3600 6 п

. со

где Fx - текущая поверхность теплообмена между газом и стенками цилиндра;

Т о - средняя температура стенок со стороны газов;

Т - температура газа;

а г - коэффициент теплопередачи от газов к стенкам;

п - частота вращения коленчатого вала.

Площадь теплообмена между газом и стенками цилиндра при данном угле поворота кривошипа описывается уравнением

Fx л DR(1 - cos a + Y sin2 a ) (8)

где D - диаметр цилиндра;

R - радиус кривошипа.

Тогда уравнение (7) с учетом (8) перепишется

А 9 30 dQ(J} DR(1-CD6a + jsiifa)

-da--°HT TCOJ3600 -6n

(9)

Величина потерь теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания может быть определена по формуле

d Од.н. А dT dada

(Ю)

где А - коэффициент пропорциональности, характеризующий физико-химические свойства топлива.45

Представляя уравнение (5), (6) и (9) в уравнение (4), получим

ЈЈ (Kp(sin« + Т sln2 a ) 50 + (1-cos a + sin2 a) ЈJ.) +

Я.2

)

n DR(1 - cos a + -rf sin 1 a)

3600 6 n

(11)

Ю

15

0

5

0

5

0

5

0

5

На основании полученной формулы возможно регистрация кривой тепловыделения поуглу поворота коленчатого вала. А составляющая этого уравнения

аг(Т-Т а) )

Я7

п DR (1 - cos a + -й- sin a. т

. 4- А °

3600 6 nda

позволяет учитывать потери теплоты в охлаждающую среду и. потери теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания. Эта регистрация объективна на участке такта сжатия, так как только в этом случае показатель адиабаты К изменяется незначительно и это изменение слабо сказывается на полученных результатах.1.

Сказанное выше поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Устройство содержит цилиндр двигателя 1 на котором установлены датчики давления, датчик 3 температуры газа и датчик 4 температуры стенок со стороны газов. Датчик 2 давления через усилитель 5 подключен к первой перемножающей схеме 6 непосредственно и ко второй схеме 8 - через дифференцирующую цепочку 7. Датчик температуры газа З снабжен усилителем 9, один выход которого соединен с входом осциллографа 10 через дифференцирующую цепочку 11, перемножающую схему 12 и резистор 13, а второй выход соединен с входом осциллографа через сравнивающий блок 14, перемножающую схему 15 и резистор 16, Датчик 4 температуры стенки последовательно соединен через усилитель 13, сравнивающий блок 14, перемножающую схему 15 и потенциометр 18, в который вводится

ОгЛГОР

постоянный коэффициент чкпп fi- с

вторым магнитным барабаном 19 функционального генератора. Функциональный генератор выполнен в виде двух магнитных барабанов жестко связанных с валом двигателя и на которых записаны функции

р i(a )sln a + sin2 a и f .( a )T-cos a + sin2 a

первый магнитный барабан 20 связан с помощью первого потенциометра 21, в который вводится постоянно коэффициент 1(

-.--г FR с вторым входом перемножаю- к - I

щей схеме 6 и второй магнитный барабан 19 связан с помощью потенциометра 22 в который вводится постоянный коэффициент FR с вторым входом перемножающей схемы 8 и через потенциометр 18 с перемножающей схемой 15. Осциллограф 10 параллельно соединен с перемножающей схемой 8 через резистор 23, с перемножающей схемой 6 через резистор 24, с перемножающей схемой 12 через резистор 13 и с перемножающей схемой 15 через резистор 16.

Дифференцирующие цепочки и перемножающие схемы могут быть легко реализованы на операционных усилителях типа 1 УТ401.

Устройство работает следующим образом.

Одновременно датчик давления 2 и датчики температуры 3 и 4 генерируют сигналы. Сигнал давления газа, в цилиндре, датчиком 2 превращается в электрический аналог i Р ( а ), который усиливается в усилители 5 и поступает на вход первой перемножающей схемы поступает с первого магнитного барабана 20 сигнал

(f 1( a ) sin a

+ у sin2 a

умноженный с помощью первого потенциометра 21 на коэффициент.

Таким образом, с выхода перемножающей схеме 6 на резистор 24 поступает сигнал FRP ( sin or 4--у sin 2 а) )

Одновременно сигнал давления поступает на вход дифференцирующей цепочки 7, затем на вторую перемножающую схему 8 и через резистор 23 попадает на осциллограф 10. При этрм на схему поступает также сигнал

(1

cos a + -к- sin2 a)

от второго потенциометра 22 И второго барабана 19. который выдает сигнал

р 2( п ) 1- cos a + - sin2« )

Сигнал температуры газа в цилиндре, датчиком 3 превращается в электрический аналог i Т( а ), который усиливается в усилителе 9 и поступает на сравнивающий блок 14. На который также идет сигнал от датчика температуры стенки 4, превращенный им в электрический аналог i Т ( а ) и усиленный усилителем 17.

С сравнивающего блока 14 разница двух сигналов (Т - Т со ) поступает на вход третьей перемножающей схемы 15. На второй вход схемы 15 поступает от второго маг- нитного барабана 19 сигнал

р 2( а ) 1 - cos a

+ т

а

умноженный с помощью потенциометра 18

на коэффициент 3600 6 п

Таким образом, с выхода перемножающей схемы 15 на резистор 16 поступает сиг- нал

«г (Т -Тщ )яРР 3600 6 п

20

(1 - cos a + sin2 a )

Одновременно сигнал температуры газа поступает на вход дифференцирующей

цепочки 11, затем умноженный с помощью перемножающей схемы 12 на коэффициент А через резистор 13 попадает на осциллограф. Таким образом, на осциллограф поступает сигнал

KP(sin a + у sin2 a ) + (1

cos а + «) Ј} + + a i(T-T со )

я DR ( 1 - cos а + -s- sin2 а ). т ----t- A °

3600 - 6 п

da

0

5

0

по которому производится регистрация кривой тепловыделения в цилиндре ДВС.

Для того, чтобы определить параметры характеристики тепловыделения необходимо произвести инициирование двигателя с последующей обработкой индикаторной диаграммы на характеристику тепловыделения. Предлагаемое устройство для определения параметров характеристик тепловыделения непосредственно на работающем двигателе производят снизить трудоемкость работ по определению параметров характеристики тепловыделения примерно в 10 раз, что позволяетопера- гивно получать информацию о влиянии режима работы двигйтеля на параметры характеристик тепловыделения, таким образом использование заявляемого изобретения позволит существенно (не менее чем в 10 раз) снизить трудоемкость работ, а точность измерения, позволит улучшить доводку рабочего процесса двигателя по топливной экономичнее™, уровню шум- ности от рабочего процесса и по уровню дымности отработавших газов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для регистрации кривой тепловыделения в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик давления, усилитель, дифференцирующую цепочку, две перемножающие схемы, два резистора, два потенциометра, осциллограф и функциональный генератор сигналов положения поршня, причем осциллограф соединен с первой перемножающей схемой через первый резистор и с второй перемножающей схемой через второй резистор, дат- чик давления подключен к первой перемножающей схеме через усилитель и ко второй перемножающей схеме - через усилитель и дифференцирующую цепочку, а функциональный генератор выполнен в виде двух магнитных барабанов, причем потенциометры включены между барабанами и перемножающими схемами, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регистрации путем учета потерь теплоты в охлаждающуюся среду и потерь

теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания, устройство дополнительно снабжено датчиком температуры стенок цилиндра, датчиком температуры газа,

установленным в цилиндре двигателя/двумя дополнительными усилителями, блоком сравнения, двумя дополнительными перемножающими схемами, третьим потенциометром, дополнительной дифференцирующей цепью

и двумя дополнительными резисторами, причем датчик температуры стенки соединен с одним из магнитных барабанов через последовательно соединенные первый дополнительный усилитель, сравнивающий блок,

первую дополнительную перемножающую схему и третий потенциометр, датчик температуры газа соединен с входом второго дополнительного усилителя, один выход которого подключен к входу осциллографа через последовательно соединенные дополнительную дифференцирующую цепочку, вторую дополнительную перемножающую схему и первый дополнительный резистор, другой выход

подключен к входу осциллографа через сравнивающий блок, первую дополнительную перемножающую схему и второй дополнительный резистор.

Устройство содержит датчик 2 давления, датчики 3 и 4 температуры газа и стенки цилиндра, усилители сигналов 5, 9 и 17, дифференцирующие цепочки 7 и 11. перемножающие схемы 6, 8, 12 и 15, сравнивающий блок 14, функциональный генератор, выполненный в виде двух магнитных барабанов 19 и 20, жестко связанных с коленчатым валом двигателя, потенциометры 18, 21, 22, резисторы 13, 16, 23. 24 и осциллограф 10. Устройство позволяет повысить точность измерений путем учета потерь теплоты в окружающую среду и потерь теплоты вследствие диссоциации продуктов сгорания. 1 ил.