Способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе и устройство для его осуществления
METHOD FOR IDENTIFYING CYCLIC FUEL SUPPLY IN A DIESEL ENGINE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к технике диагностирования дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для определения цикловой подачи топлива в двигателе топливным насосом высокого давления (ТНВД) как при испытании двигателя, так и при проверке его технического состояния, в том числе в эксплуатационных условиях.
ц
Цикловая подача g топлива является одним из важных параметров, характеризующих техническое состояние дизельного ДВС, в частности состояние ТНВД. Выход указанного параметра за пределы допускаемых значений приводит к ухудшению работы двигателя, закоксовыванию деталей цилиндропоршневой группы, снижению мощности дизеля, увеличению удельного расхода топлива. Поэтому измерение цикловой подачи топлива крайне важно, как при эксплуатации, так и при ремонте дизельного ДВС.
Известен способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе /1/, заключающийся в том, что фазовый сдвиг между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса определяют на режиме свободного ускорения двигателя при частоте вращения его коленчатого вала, отличающейся не более чем на /1/, от номинального значения частоты вращения, причем режим свободного ускорения создают путем первоначального обеспечения работы двигателя на минимальной устойчивой частоте вращения холостого хода и последующего резкого перемещения органа управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя в положение, соответствующее максимальной подаче топлива; причем указанный фазовый сдвиг определяют не ранее чем через 0,8 с после достижения указанным органом управления положения, соответствующего максимальной подаче топлива, и не позднее момента срабатывания указанного регулятора на уменьшение подачи топлива; причем указанный фазовый сдвиг определяют не позднее момента прерывания контакта основного рычага указанного регулятора с головкой болта установки указанной номинальной частоты вращения.
Недостатком известного способа является сложность его применения в условиях эксплуатации и высокая трудоемкость, вызванная необходимостью проведения сборочно-разборочных работ для установки датчиков давления в ТНВД и винтового контакта. Кроме того, с его помощью невозможно определить цикловую подачу топлива по секциям ТНВД.
Известно устройство для определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе по фазовому сдвигу между началом импульса повышения давления топлива в надплунжерном пространстве топливного насоса двигателя и началом импульса повышения давления топлива в головке топливного насоса /1/, содержащее последовательно соединенные датчики давления, усилители и светолучевой осциллограф, схемы задержки и блокирования (запрета) измерений показаний датчиков давлений, винтовой контакт, причем вход схемы задержки измерений показаний датчиков давлений соединен первым электропроводом с винтовым контактом, находящимся в соприкосновении с органом управления регулятором частоты вращения коленчатого вала двигателя при нахождении последнего в положении максимальной подачи топлива, вход схемы блокирования (запрета) измерений соединен вторым электропроводом с головкой болта, осевое расположение которого и регулятор частоты вращения коленчатого вала отрегулированы таким образом, что прерывание контакта основного рычага регулятора частоты вращения коленчатого вала с болтом происходит при достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя, причем выходы схем задержки и блокирования (запрета) измерений показаний датчиков давлений соединены с сигнальным входом светолучевого осциллографа.
Недостатком известного устройства является сложность его применения в условиях эксплуатации, вызванная необходимостью проведения сборочно-разборочных работ для установки датчиков давления в ТНВД, винтового контакта и соответствующих соединений со схемами этого контакта и болта, контактирующего с основным рычагом регулятора частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, с его помощью невозможно определить цикловую подачу топлива по секциям ТНВД, а также цикловую подачу топлива на различных частотах вращения коленчатого вала, значения которой используются для диагностирования топливной системы.
Известен способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе /2/, выбранный прототипом предлагаемого способа, по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими состояние топливоподачи, отличающийся тем, что в режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления известной длины и поперечного сечения на выходе топливного насоса и перед форсункой, причем фазовый сдвиг определяют по максимуму взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения. В режиме свободного ускорения двигателя определяют фазовый сдвиг между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления на выходе топливного насоса и перед форсункой по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции импульса на выходе топливного насоса и скоростью импульса перемещения топливопровода перед форсункой, полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения. В режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления известной длины и поперечного сечения на выходах топливного насоса или перед форсунками, причем фазовый сдвиг определяют по максимуму взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции импульса перемещения топливопровода первой секции и скоростью импульса перемещения топливопровода соседней по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам секции, полученных по множеству циклов, с предварительным определением фазового сдвига одним из указанных способов между импульсами, характеризующими перемещение корпусов в конце первого и начале второго соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления с последующим вычитанием этого сдвига из фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения. В стационарном режиме полной нагрузки двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления известной длины и поперечного сечения на выходе топливного насоса и перед форсункой, или по фазовому сдвигу между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления на выходах топливного насоса или перед форсунками, а также с предварительным определением фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов в конце первого и начале второго соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления с последующим вычитанием этого сдвига из фазового сдвига между импульсами, характеризующими перемещение корпусов соседних по диаграмме распределения вспышек по цилиндрам топливопроводов высокого давления, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем фазовый сдвиг между этими импульсами определяют по максимумам взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции первого из указанных импульсов и скоростью второго импульса перемещения топливопровода, полученных по множеству циклов. В дизельном двигателе предварительно определяют неизвестное поперечное сечение топливопровода по соотношению фазовых сдвигов между импульсами, характеризующими перемещение корпуса топливопровода высокого давления на выходе топливного насоса и перед форсункой, полученных при установке датчиков с одной стороны и с разных сторон топливопровода высокого давления, причем фазовые сдвиги между импульсами определяются по максимуму взаимной корреляционной функции или по наклону фазочастотной характеристики взаимного энергетического спектра указанных импульсов, или по моменту перехода через ноль с положительного на отрицательное значения взаимной корреляционной функции первого из указанных импульсов и скоростью второго импульса перемещения топливопровода, полученных по множеству циклов, причем цикловую подачу топлива по секциям и дизельного двигателя определяют с учетом этого поперечного сечения топливопровода высокого давления.
Недостатком известного способа является сложность его применения в условиях эксплуатации, вызванная необходимостью измерения и обработки больших массивов информационных сигналов, снимаемых с датчиков.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение, расширение возможностей диагностирования при обеспечении достаточно точного и оперативного определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе, в том числе по секциям топливного насоса высокого давления в условиях эксплуатации с помощью стандартных измерительных устройств, что позволяет повысить точность и достоверность оценки технического состояния топливной системы двигателя.
Поставленная задача в способе решается тем, что в режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по разности температур, измеренных на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагревательного элемента, установленного на наружной поверхности топливопровода высокого давления, и до него и постоянной мощности нагревания, причем цикловая подача топлива определяется по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем для исключения влияния внешних тепловых полей участок топливопровода высокого давления, на котором проводится его нагревание и измерение разности температур помещен в теплозащитный разборный корпус.
В режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса при изменении мощности нагревания до получения постоянной температуры, измеренной на наружной поверхности топливопровода высокого давления в месте, на котором с противоположной стороны наружной поверхности по диаметру установлен нагревательный элемент, по значению затраченной мощности или энергии нагревания определяют цикловую подачу топлива, причем цикловая подача топлива определяется по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем для исключения влияния внешних тепловых полей участок топливопровода высокого давления, на котором проводится его нагрев и измерение температуры помещен в теплозащитный разборный корпус.
В качестве нагревательного элемента наружной поверхности топливопровода высокого давления используют участок трубопровода теплоносителя, а в качестве теплоносителя нагревательного элемента используют внешний теплоноситель с постоянным потоком от источника потока тепловой энергии, по разности температур, измеренных на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагреваемого участка и до него и по разности температур, измеренных на входе и выходе трубопроводов внешнего теплоносителя, определяют цикловую подачу топлива путем определения ее по секциям топливного насоса, причем цикловая подача топлива определяется по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем для исключения влияния внешних тепловых полей участок топливопровода высокого давления, на котором проводится его нагрев и измерение разности температур помещен в теплозащитный разборный корпус.
В стационарном режиме полной нагрузки двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса по разности температур, измеренных на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагревательного элемента, установленного на наружной поверхности топливопровода высокого давления, и до него и постоянной мощности нагревания, дополнительно изменяют мощность нагревания до получения постоянной температуры, измеренной на наружной поверхности топливопровода высокого давления в месте, на котором с противоположной стороны наружной поверхности по диаметру установлен нагревательный элемент, по значению затраченной мощности или энергии нагревания определяют цикловую подачу топлива путем определения ее по секциям топливного насоса, в качестве нагревательного элемента наружной поверхности топливопровода высокого давления используют участок трубопровода теплоносителя, а в качестве теплоносителя нагревательного элемента используют внешний теплоноситель с постоянным потоком от источника потока тепловой энергии, по разности температур, измеренных на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагреваемого участка и до него и по разности температур, измеренных на входе и выходе трубопроводов внешнего теплоносителя, определяют цикловую подачу топлива путем определения ее по секциям топливного насоса, причем цикловая подача топлива определяется по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при частоте вращения коленчатого вала двигателя, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения частоты вращения, причем для исключения влияния внешних тепловых полей участок топливопровода высокого давления, на котором проводится его нагрев и измерение разности температур помещен в теплозащитный разборный корпус.
Поставленная задача в устройстве для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе решается тем, что оно выполнение с возможностью осуществления способа определения цикловой подачи топлива по любому из предыдущих пунктов, снабженное тепловым расходомером, причем выход теплового расходомера соединен с первым входом определителя цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, а вход связан с выходом электронного ключа.
Тепловой расходомер содержит топливопровод высокого давления, с первого по пятый первичные термоизмерительные преобразователи - датчики, первый нагревательный элемент, измеритель разности температур, источник энергии нагрева, измеритель мощности или энергии нагрева, измеритель температуры, первое и второе сравнивающие устройства, задатчик температуры, задатчик мощности нагрева, делитель постоянной мощности на разность температур, делитель мощности на постоянную температуру, первый и второй переключатели, второй нагревательный элемент - участок трубопровода теплоносителя, нагревающего наружную поверхность топливопровода высокого давления, измеритель разности температур внешнего теплоносителя, источник теплового потока энергии, измеритель теплового потока энергии, предварительный определитель цикловой подачи топлива, задатчик констант теплового потока, причем первый и второй первичные термоизмерительные преобразователи соединены с первым и вторым входами измерителя разности температур, первый нагревательный элемент соединен с первым выходом источника энергии нагрева, второй выход которого связан с входом измерителя мощности или энергии нагрева, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с задатчиком мощности или энергии нагрева, а выход - с вторым входом делителя постоянной мощности на разность температур, первый вход которого связан с выходом измерителя разности температур, а выход - с входом первого переключателя в первом положении, выход которого является выходом теплового расходомера, третий первичный термоизмерительный преобразователь соединен с измерителем температуры, выход которого связан с первым входом второго сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с задатчиком температуры, а первый выход - с первым входом делителя мощности на постоянную температуру, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности или энергии нагрева, а выход - с входом первого переключателя во втором положении, вход источника энергии нагрева соединен через второй переключатель в первом положении с выходом первого сравнивающего устройства, а во втором положении с выходом второго сравнивающего устройства, вход участка трубопровода внешнего теплоносителя, нагревающего наружную поверхность топливопровода высокого давления, соединен с выходом источника теплового потока энергии, четвертый и пятый первичные термоизмерительные преобразователи связаны с первым и вторым входами измерителя разности температур внешнего теплоносителя, выход которого соединен с первым входом предварительного определителя цикловой подачи топлива, второй вход которого соединен с выходом измерителя разности температур, третий вход - с выходом измерителя теплового потока энергии, четвертый вход - с задатчиком констант теплового потока, а выход является выходом теплового расходомера, вход измерителя теплового потока энергии соединен с выходом источника теплового потока энергии.
м
м
0
к
2
1
н
H
Н
н
T
2
1
2в
1в
в
На фиг. 1 приведены схемы измерения цикловой подачи топлива с применением теплового расходомера: а - с постоянной мощностью нагревания при измерении расхода топлива по степени деформации температурного поля наружной поверхности топливопровода высокого давления; 6 - с переменной мощностью нагревания и постоянной температуре нагревания наружной поверхности топливопровода высокого давления; в - с использованием внешнего теплоносителя. На фиг. 1,а…в обозначено: ТВД - топливопровод высокого давления; измеритель G - измеритель массового потока G, расхода топлива; Т и Т - температуры в начале и в конце топливопровода высокого давления. На фиг. 1,а обозначено: ПТП-ПН и ПТП-ДН - первичные термоизмерительные преобразователи, непосредственно измеряющие температуру на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагревательного элемента - Т, установленного на наружной поверхности топливопровода высокого давления, и до него - Т, НЭ - нагревательный элемент; ИЭН - источник энергии нагрева; R - сопротивление нагревательного элемента НЭ. На фиг. 1,б обозначено: ПТП-ПД первичный термоизмерительный преобразователь, непосредственно измеряющий температуру на наружной поверхности топливопровода высокого давления, с противоположной стороны которого по диаметру установлен нагревательный элемент НЭ; измеритель W - измеритель мощности нагревания W; R и R - сопротивления нагревательного элемента НЭ и первичного термоизмерительного преобразователя ПТП-ПД. На фиг. 1,в обозначено: ПТП-ПН и ПТП-ДН - первичные термоизмерительные преобразователи, непосредственно измеряющие температуру на наружной поверхности топливопровода высокого давления после нагревательного элемента - Т, установленного на наружной поверхности топливопровода высокого давления, и до него - Т; ПТП-КУ и ПТП-НУ - первичные термоизмерительные преобразователи, непосредственно измеряющие температуру внешнего теплоносителя в конце Т и в начале Тучастка трубопровода внешнего теплоносителя, непосредственно нагревающего участок наружной поверхности топливопровода высокого давления; НЭ-У - нагревательный элемент: участок трубопровода внешнего теплоносителя с постоянным потоком тепловой энергии, непосредственно нагревающего участок наружной поверхности топливопровода высокого давления; ИПТЭ - источник потока тепловой энергии; G - тепловой поток внешнего теплоносителя, создаваемый источником потока тепловой энергии ИПТЭ. На фиг. 2 приведены структурная схема устройства для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе (а) и функциональные схемы тепловых расходомеров с постоянной мощностью нагревания при измерении расхода по степени деформации температурного поля наружной поверхности топливопровода высокого давления и с переменной мощностью нагревания этой поверхности (б). На фиг. 3 приведена функциональная схема теплового расходомера с использованием внешнего теплоносителя, а на фиг. 4 - определителя опорной частоты измерения.
Н
м
В тепловых расходомерах, построенных на использовании эффекта деформации температурного поля нагретой поверхности топливопровода высокого давления, измерение массового расхода топлива осуществляется в функции количества тепла, протекающего по поверхности топливопровода. Разность температур поверхности топливопровода до и после нагревания потока зависит от интенсивности теплообмена между нагретой поверхностью топливопровода высокого давления и пограничным слоем потока. При исследовании температурных полей поверхности топливопровода вдоль ее образующей при постоянной мощности W нагревания установлено, что массовый поток расхода топлива G:
Н
р
р
к
0
2
1
где W - мощность нагревания; с - удельная теплоемкость поверхности топливопровода высокого давления (находится из справочников: например, для стали с=0,46 кДж/кг⋅К); ΔТ=Т-Т≈Т-Т - разность температур первичных термоизмерительных преобразователей, установленных после источника тепловой энергии и до него (фиг. 1, а).
н
м
В тепловых расходомерах с переменной мощностью нагревания W и постоянной температурой нагревания поверхности топливопровода T=const измерение массового расхода топлива G осуществляется в функции изменения среднего коэффициента теплоотдачи в конкретной точке или на определенном участке теплового взаимодействия потока и термоизмерительного преобразователя:
н
м
При этом можно применить счетчики энергии Wt, идущей на нагрев, так как эта энергия будет пропорциональна G (фиг. 1, б).
в
м
В тепловых расходомерах в качестве источника тепловой энергии может использоваться внешний теплоноситель с массовым внешним тепловым потоком G. В результате теплообмена между двумя потоками с различной температурой соотношение приращений их теплосодержания будет являться функцией расхода основного потока массового расхода топлива G (фиг. 1, в):
рв
в
2в
1в
в
где с и ΔТ=Т-Т - удельная теплоемкость и средняя по теплосодержанию разность температур массового внешнего теплового потока G.
Измерение расхода топлива по секциям топливного насоса осуществляется следующим образом. В условиях эксплуатации устанавливают на трубопровод высокого давления (ТВД) определенного цилиндра первичные термоизмерительные преобразователи и нагревательные элементы, которые вместе с участком ТВД закрываются теплозащитным корпусом, состоящим из двух половин, накладываемых на поверхность ТВД с последующим их зажиманием.
ц1
4l
В режиме свободного ускорения двигателя определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса g по одной из формул (1)…(3) способа, полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения. В стационарном режиме полной нагрузки двигателя аналогично определяют цикловую подачу топлива в дизельном двигателе путем определения ее по секциям топливного насоса g по одной из формул (1)…(3) способа, полученных по множеству циклов, с последующим суммированием цикловых подач топлива по всем секциям топливного насоса при достижении двигателем частоты вращения коленчатого вала, отличающейся не более чем на 1% от заданного, в том числе номинального, значения.
Устройство содержит тепловой расходомер 1, определитель 2 цикловой подачи топлива по секциям топливного насоса и двигателя в целом, определитель 3 опорной частоты измерения цикловой подачи топлива, электронный ключ 4, задатчик констант 5.
Тепловой расходомер 1 содержит топливопровод высокого давления 6, первый и второй первичные термоизмерительные преобразователи (датчики) 7, измеритель разности температур 8, первый нагревательный элемент 9, источник энергии нагрева 10, измеритель мощности или энергии нагрева 11, первое сравнивающее устройство 12, задатчик мощности нагрева 13, делитель постоянной мощности на разность температур 14, первый переключатель 15, третий первичный термоизмерительный преобразователь (датчик) 16, измеритель температуры 17, второе сравнивающее устройство 18, задатчик температуры 19, делитель мощности на постоянную температуру 20, второй переключатель 21, второй нагревательный элемент 22 - участок трубопровода теплоносителя, нагревающего наружную поверхность топливопровода высокого давления, источник теплового потока энергии 23, четвертый и пятый первичные термоизмерительные преобразователи (датчики) 24, измеритель разности температур внешнего теплоносителя 25, предварительный определитель цикловой подачи топлива 26, измеритель теплового потока энергии 27, задатчик констант теплового потока 28.
Первый и второй первичные термоизмерительные преобразователи 7 соединены с первым и вторым входами измерителя разности температур 8, первый нагревательный элемент 9 соединен с первым выходом источника энергии нагрева 10, второй выход которого связан с входом измерителя мощности или энергии нагрева 11, выход которого соединен с первым входом первого сравнивающего устройства 12, второй вход которого соединен с задатчиком мощности или энергии нагрева 13, а выход - с вторым входом делителя постоянной мощности на разность температур 14, первый вход которого связан с выходом измерителя разности температур 8, а выход - с входом первого переключателя 15 в первом положении, выход которого является выходом теплового расходомера, третий первичный термоизмерительный преобразователь 16 соединен с измерителем температуры 17, выход которого связан с первым входом второго сравнивающего устройства 18, второй вход которого соединен с задатчиком температуры 19, а первый выход - с первым входом делителя мощности на постоянную температуру 20, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности или энергии нагрева 11, а выход - с входом первого переключателя 15 во втором положении, вход источника энергии нагрева 10 соединен через второй переключатель 21 в первом положении с выходом первого сравнивающего устройства 12, а во втором положении с выходом второго сравнивающего устройства 18, вход участка трубопровода внешнего теплоносителя 22, нагревающего наружную поверхность топливопровода высокого давления, соединен с выходом источника теплового потока энергии 23, четвертый и пятый первичные термоизмерительные преобразователи 24 связаны с первым и вторым входами измерителя разности температур внешнего теплоносителя 25, выход которого соединен с первым входом предварительного определителя цикловой подачи топлива 26, второй вход которого соединен с выходом измерителя разности температур 8, третий вход - с выходом измерителя теплового потока энергии 27, четвертый вход - с задатчиком констант теплового потока 28, а выход является выходом теплового расходомера, вход измерителя теплового потока энергии 27 соединен с выходом источника теплового потока энергии 23.
Определитель 3 опорной частоты измерения, в том числе номинальной, цикловой подачи топлива построен аналогично прототипу и содержит датчик частоты вращения 29, преобразователь временного интервала в код 30, блок регистров сигнала 31, блок 32 вычисления среднего значения частоты вращения, селектор уровня 33, датчик синхронизации 34, блок 35 формирования начала отсчета угловых меток, блок 36 синхронизации начала отсчета угловых меток, счетчик угловых меток цикла 37, блок 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра, формирователь строба цилиндра 39, генератор тактовых импульсов 40, задатчик 41 частоты измерения цикловой подачи топлива, задатчик 42 угловых меток цикла, задатчик 43 номеров угловых меток цилиндров, устройство управления 44, ключ угловых меток контролируемого цилиндра 45, переключатель на два положения 46.
В определителе 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива датчик частоты вращения 29 через переключатель 46 на два положения в первом положении связан с первым сигнальным входом преобразователя 30 временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами блока 31 регистров сигнала, выход которого через блок 32 вычисления среднего значения частоты вращения связан с первым входом селектора уровня 33. Датчик синхронизации 34 через последовательно соединенные блок 35 формирования начала отсчета угловых меток и блок 36 синхронизации начала отсчета угловых меток связан с третьим входом и вторым входом счетчика угловых меток цикла 37, первый вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения 29, первый выход - с пятым управляющим входом блока 31 регистров сигнала, а второй выход через блок 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра -с формирователем строба цилиндра 39. Генератор тактовых импульсов 40 соединен с вторым входом преобразователя 30 временного интервала в код, задатчик частоты измерения цикловой подачи топлива 41 - с вторым входом селектора уровня 33, задатчик угловых меток цикла 42 - с третьим входом счетчика угловых меток 37, а задатчик номеров угловых меток цилиндров 43 - с вторым входом блока 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра. Первый вход ключа 45 угловых меток контролируемого цилиндра соединен с выходом счетчика угловых меток 37, второй вход - с выходом формирователя строба цилиндра 30, а выход через переключатель 46 на два положения во втором положении - с первым сигнальным входом преобразователя 30 временного интервала в код. Устройство управления 44 соединено с вторыми управляющими входами блока 32 вычисления среднего значения частоты вращения и блока 36 синхронизации начала отсчета угловых меток, а также с четвертым управляющим входом блока 31 регистров сигнала. Выход селектора уровня 33 является первым, а выход формирователя строба цилиндра 39 - вторым выходом определителя 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива.
1
2
1
2
Измерение температуры и разности температур проводится с помощью широко распространенных стандартных приборов и контроллеров. Например, в качестве первичных термоизмерительных преобразователей (датчиков) 7, 16, 24 могут применяться терморезисторы. В этом случае терморезисторы 7 и 7 (24 и 24) включаются в противоположные диагонали измерительного моста сопротивлений в измерителе разности температур 8 (в измерителе разности температур внешнего теплоносителя 25) или в диагональ такого же моста, в противоположную диагональ которого включается резистор - задатчик температуры 19 в измерителе температуры 17. Если в качестве первичных термоизмерительных преобразователей (датчиков) 7, 16, 24 применить термопары, то каждый датчик включается на вход согласующего усилителя напряжения, с последующим измерением разности или абсолютного значения. В качестве нагревательного элемента 9 могут быть применены нихромовые спирали или ТЭНы. Источник энергии нагрева 10 - бортовой аккумулятор или источник сетевого напряжения. Измеритель мощности или энергии нагрева 11 -стандартный измеритель электрической мощности или энергии, используемой для нагрева источником 10. В качестве сравнивающих устройств 12 и 18 могут быть применены операционные усилители, на входы которых подаются сравниваемые напряжения, поступающие с измерителя 11 и задатчика мощности нагрева 13 (или с измерителя 17 и задатчика температуры 19). Задатчик мощности нагрева 13 - регулируемый источник постоянного напряжения. Если в качестве первичных термоизмерительных преобразователей (датчиков) 7, 16, 24 применить термопары, то задатчик температуры - регулируемый источник постоянного напряжения. Делитель мощности на постоянную температуру 20 может быть выполнен на аналоговой схеме умножителя с инвертированием одного сигнала, или на микропроцессорном спецвычислителе (контроллере). В последнем случае на его входах должны находиться аналого-цифровые преобразователи и запоминающие устройства (регистры). Второй нагревательный элемент 22 - участок трубопровода теплоносителя, нагревающего наружную поверхность топливопровода высокого давления, может быть выполнен из эффективных теплоизлучающих сплавов. Источник теплового потока энергии 23 может быть любого типа (например, калорифер). Предварительный определитель цикловой подачи топлива 26 может быть выполнен в виде последовательного соединения трех аналоговых умножителей, один из которых обеспечивает умножение сигналов с выходов измерителя разности температур 8 и измерителя разности температур внешнего теплоносителя 25, второй - с выходов измерителя теплового потока энергии 27 и задатчика констант теплового потока 28, третий - умножение предыдущих двух величин. В этом случае задатчик констант теплового потока 28 - регулируемый источник постоянного напряжения. При применении микропроцессорного спецвычислителя (контроллера) в качестве предварительного определителя цикловой подачи топлива 26 на его входах должны находиться аналого-цифровые преобразователи и запоминающие устройства (регистры). При этом задатчик констант теплового потока 28 состоит из набора декадных переключателей, с помощью которых выставляется требуемое при измерении значение удельной теплоемкости внешнего теплоносителя, дешифратора и регистра, формирующего на выходе код. Измеритель теплового потока энергии 27 может быть выполнен по любой схеме измерения потока газов или жидкостей, например, с применением термоэлектрического измерителя давлений.
оп.
В качестве датчика 29 частоты вращения может быть применен индукционный первичный преобразователь, устанавливаемый в корпусе напротив зубчатого венца маховика, с последующим включением триггера Шмитта и ждущего мультивибратора, формирующих импульсы стандартизированной длительности и амплитуды, или фотоэлектрический преобразователь углового перемещения коленчатого вала с большим числом угловых меток, устанавливаемый на испытательном стенде ДВС. Преобразователь 30 временного интервала в код построен по типовой схеме при заполнении временных интервалов импульсами, поступающими с генератора тактовых импульсов 40. Разрядность преобразователя 30 и регистров блока 31 определяется требуемой погрешностью преобразования временного интервала. Блок 32 вычисления среднего значения частоты вращения представляет собой арифметическое устройство (микропроцессорный спецвычислитель), осуществляющее операцию нахождения среднего арифметического значения чисел, поступающих с блока 31 регистров сигнала, а также добавление последующего и вьгчитание первого числа, если n<nЦентральный процессор блока 32 осуществляет: суммирование 2z чисел, поступающих с блока 31 регистров (z - число угловых меток или число временных интервалов между соседними угловыми метками); перевод полученного числа, соответствующего временному интервалу поворота коленчатого вала на 720°, в обороты/мин по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота; передачу полученного числа на селектор уровня 33 (схема сравнения кодов чисел). В качестве датчика 34 синхронизации используется виброакустический датчик перемещения корпуса ТВД, устанавливаемый на ТВД у головки ТНВД первой секции. Блок 35 формирования начала отсчета угловых меток включает в себя последовательно соединенные пиковый инерционный детектор, аналоговый дифференциатор и формирователь импульсов (триггер Шмитта). Блок 36 синхронизации начала отсчета угловых меток представляет собой статический RS-триггер, на один из входов которого подаются импульсы с блока 34, а на второй - сигналы "0" или импульсный "1", которые подаются с устройства управления 44 по команде или с помощью кнопки. Задатчик 41 частоты измерения состоит из набора декадных переключателей (четыре переключателя), с помощью которых выставляется требуемая при измерении частота вращения, дешифратора и регистра, формирующего на выходе код, соответствующий этой частоте. Задатчик 42 угловых меток цикла состоит из одного или более (в зависимости от числа марок контролируемых двигателей) декадных переключателей, при каждом положении которого задается счетчику 37 число 2z подсчитываемых угловых меток. Задатчик 43 номеров угловых меток цилиндров состоит из дешифратора, соединенного своими выходами с блоком 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра, десятичного счетчика числа цилиндров, соединенного своими выходами с управляющими входами дешифратора; переключателя марки двигателя, соединенного своими выходами с информационными входами дешифратора. Блока 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра - счетчик импульсов. Формирователь строба цилиндра 39 - статический RS-триггер, на выходе которого формируется строб, длительность которого определяется длительностью рабочего такта контролируемого цилиндра, т.е. поступающими со счетчика 37 импульсами установки и сброса (первым и последним импульсами).
р
рн
Устройство для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе с применением теплового расходомера работает следующим образом. Предварительно устанавливаются значения: с помощью задатчика констант 5 -коэффициента с, с помощью задатчика мощности нагрева 13 - мощности нагрева топливопровода высокого давления с помощью задатчика температуры 19 -температуры нагрева поверхности топливопровода высокого давления, с помощью задатчика констант теплового потока 28 - коэффициента с. Предварительно в тепловом расходомере 1 устанавливают переключатели на два положения 15 и 21 в первое положение.
Предварительно в определителе 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива с помощью задатчика частоты измерения цикловой подачи топлива 41 в селекторе уровня 33 устанавливается частота вращения коленчатого вала, при которой предполагается измерить цикловую подачу топлива; с помощью задатчика угловых меток цикла 42 в счетчик угловых меток цикла 37 вводится число угловых меток, поступающих с датчика частоты вращения 29; с помощью задатчика 43 номеров угловых меток цилиндров в блоке 38 формирования угловых меток контролируемого цилиндра устанавливаются угловые метки начала и конца рабочего такта. При установке вибродатчиков одновременно на ТВД всех цилиндров устанавливаются угловые метки начала и конца каждого из цилиндров. При подготовке устройства к работе с помощью устройства управления 44 осуществляется сброс информации, хранящейся в регистре сигналов 31, блоке 32 вычисления среднего значения частоты, а также осуществляется подготовка к работе блока 36 синхронизации.
1
2
В свободном разгоне и в стационарном режиме полной нагрузки в тепловом расходомере 1 на нагревательный элемент 9, установленный на топливопровод высокого давления 6, с источника энергии нагрева 10 непрерывно поступает напряжение. Измеритель разности температур 8 измеряет разность температур, поступающих с первого 7 и второго 7 первичных термоизмерительных преобразователей (датчиков). Напряжение, соответствующее этой разности, подается на первый вход делителя постоянной мощности на разность температур 14. Напряжение, соответствующее мощности (или энергии) нагрева, создаваемой источником энергии нагрева 10 и измеренное измерителем мощности нагрева 11, подается на первый вход первого сравнивающего устройства 12, на второй вход которого поступает напряжение с задатчика мощности нагрева 13. При равенстве этих напряжений (достижении заданной мощности нагрева) с выхода первого сравнивающего устройства 12 через переключатель 21 в первом положении на управляющий вход первого источника энергии нагрева 10 подается напряжение, отключающее этот источник. Одновременно напряжение с выхода первого сравнивающего устройства 12, соответствующее напряжению задатчика мощности нагрева 13, подается на второй вход делителя постоянной мощности на разность температур 14. Результат деления в виде напряжения через переключатель 15 в первом положении поступает с выхода делителя постоянной мощности на разность температур 14 на выход теплового расходомера 1.
Дополнительно предварительно в тепловом- расходомере 1 устанавливают переключатели на два положения 15 и 21 во второе положение. В свободном разгоне и в стационарном режиме полной нагрузки в тепловом расходомере 1 на нагревательный элемент 9, установленный на топливопровод высокого давления 6, с источника энергии нагрева 10 непрерывно поступает напряжение. Сигнал с третьего первичного термоизмерительного преобразователя (датчика) 16, установленного на топливопровод высокого давления 6 с противоположной стороны по диаметру от нагревательного элемента 9 поступает на измеритель температуры 17. Напряжение с выхода измерителя температуры 17 подается на первый вход второго сравнивающего устройства 18, на второй вход которого поступает напряжение с задатчика температуры 19. При равенстве этих напряжений (достижении заданной температуры нагрева) с выхода второго сравнивающего устройства 18 через переключатель 21 во втором положении на управляющий вход источника энергии нагрева 10 подается напряжение, отключающее этот источник. Одновременно напряжение с выхода второго сравнивающего устройства 18, соответствующее напряжению задатчика температуры 19, подается на второй вход делителя мощности на постоянную температуру 20, на первый вход которого поступает напряжение с выхода измерителя мощности нагрева 11. Результат деления в виде напряжения через переключатель 15 во втором положении поступает с выхода делителя мощности на постоянную температуру 20 на выход теплового расходомера 1.
1
2
При использовании внешнего теплоносителя от источника теплового потока энергии 23 теплоноситель подается на второй нагревательный элемент 22 - участок трубопровода теплоносителя, нагревающего участок наружной поверхности топливопровода высокого давления 6. Напряжение с выхода измерителя разности температур 8 подается на второй вход предварительного определителя цикловой подачи топлива 26, на первый вход которого поступает напряжение с выхода измерителя разности температур внешнего теплоносителя 25, измеряющего эту разность по сигналам четвертого и пятого первичных термоизмерительных преобразователей (датчиков) 24 и 24. На третий вход предварительного определителя цикловой подачи топлива 26 подается напряжение с выхода измерителя теплового потока энергии 27, а на четвертый вход - с задатчика констант теплового потока 28. Результат вычисления в предварительном определителе цикловой подачи топлива 26 в виде напряжения подается на выход теплового расходомера 1.
ϕ
Устройство и принцип действия определителя 3 опорной, в том числе номинальной, частоты измерения цикловой подачи топлива аналогичны прототипу. Датчик 29 частоты вращения формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения вала ϕ, а количество N углу поворота ϕ коленчатого вала двигателя. Последовательность этих импульсов преобразуется в преобразователе 30 временного интервала в код в последовательность чисел (кодов), которые через переключатель 46 на два положения в первом положении последовательно поступают на информационный вход блока 31 регистров сигнала. Датчик синхронизации 34 формирует один импульс за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС - за 720°), Момент появления импульса синхронизации соответствует определенному моменту цикла. Блок 35 формирования начала отсчета угловых меток выделяет передний фронт импульса датчика синхронизации 34. Если на управляющем входе блока 36 синхронизации начала отсчета угловых меток стоит сигнал "0", с его выхода на третий управляющий вход блока 31 регистров сигнала поступает сигнал, запрещающий запись информации в регистры. Если на управляющий вход блока 36 поступил импульсный сигнал "1", то с приходом первого импульса с блока 35 триггер блока 36 устанавливается в другое устойчивое состояние. При этом блокируется первый вход блока 36, с выхода блока 36 сигнал поступает на третий вход блока 31 регистров сигнала, который разрешает запись в этот блок кода числа, следующего с преобразователя 30 временного интервала в код. Таким образом, первый временной интервал, записанный в блок 31 регистров сигнала, соответствует одной и той же угловой метке, следующей непосредственно за началом впрыска топлива в цилиндр, на котором установлен датчик синхронизации 34. Так как вход блока 36 заблокирован, то в блоке 31 хранятся отсчеты, начиная с первой угловой метки. Далее указанная угловая метка служит опорной и определяет нумерацию отсчетов, хранящихся в блоке 31. Погрешность, вносимая несовпадением опорного импульса с импульсом впрыска не превышает интервала между соседними угловыми метками и при достаточно большом их числе (больше ста) вносимая погрешность ничтожна.
оп
оп
оп
оп
Поступающие затем коды временных интервалов с преобразователя 30 записываются поочередно в блоке 31 регистров сигнала. Количество записанных кодов определяется числом угловых меток за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС оно равно удвоенному числу z угловых меток на коленчатом валу), т.е. числом регистров, разрешения на запись в которые поступило от задатчика 36 угловых меток цикла, которые подсчитаны счетчиком цикла 37 и при его заполнении подается с первого выхода счетчика 37 сигнал на пятый вход блока 31 регистров сигнал, который запрещает запись в этот блок чисел. Информация, хранящаяся в блоке 31 регистров сигнала поступает в блок 32 вычисления среднего значения частоты вращения. Код числа, соответствующий среднему значению частоты вращения поступает на селектор уровня 33, где сравнивается с кодом, выставленным задатчиком 41 частоты измерения цикловой подачи топлива. Селектор уровня 33 непрерывно следит за изменяющейся в разгоне и в стационарном режиме частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты n, при которой требуется определить цикловую подачу топлива двигателя, в том числе по секциям. В случае равенства n=n сигнал с выхода селектора 33 подается на пятый управляющий вход блока 31 регистров, который прекращает дальнейшую запись в него чисел. Если же измеренное n меньше требуемого n<n, то блок 32 вычисления среднего значения частоты вращения производит добавление кода следующего числа: (2z-1)-го или (4z-1)-го и.вычитание кода первого числа. В блоке 31 регистров сигнала хранятся числа, соответствующие 2z (или 4z) временным интервалам между соседними угловыми метками. Из- за случайности процессов впрыскивания и сгорания топлива определение частоты вращения n и цикловой подачи топлива двигателя, в том числе по секциям проводится по множеству (не менее 30) циклов (разгонов), поэтому погрешность определения указанных величин незначительная. Одновременно сигнал с выхода селектора 33 подается через электронный ключ 4 на управляющий вход теплового расходомера 1. При необходимости значения цикловых подач по всем секциям могут суммироваться в определителе 2.
оп
оп
ц
ц
Для повышения в разгоне точности измерения цикловой подачи топлива секции ТНВД контролируемого цилиндра, а также всего двигателя необходимо, чтобы измерения цикловой подачи топлива всех секций ТНВД осуществлялось при наиболее точном измерении частоты n.В этом случае переключатель 46 на два положения устанавливается во второе положение и задатчиком 41 частоты измерения цикловой подачи топлива устанавливается значение частоты n/i (i - число цилиндров ДВС). На второй управляющий вход ключа 45 угловых меток контролируемого цилиндра поступает с выхода формирователя строба цилиндра 39 разрешающий сигнал для пропускания угловых меток со счетчика 37 в течение рабочего хода цилиндра на преобразователь 30 временного интервала в код. В дальнейшем работа устройства аналогична описанной.
Предлагаемый способ и устройство для измерения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе с применением теплового расходомера, могут использоваться как для исследования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания и автоматизации управления его работой, так и для определения технического состояния ДВС и его составных элементов в производственных и эксплуатационных условиях. Способ и устройство позволяют просто, оперативно и точно получить объективное заключение о цикловой подаче (расходе) топлива, а также существенно облегчить поиск неисправностей топливной системы двигателя.
Источники информации
1. Патент №2223413 RU, МПК F02М 65/00, G01М 15/00. Способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе Заявл. 30.07,2002. №2002120155/06, опубл. 10.02.2004. Бюл. №1.
2. Патент №2665566 RU, МПК F02М 65/00. Способ определения цикловой подачи топлива в дизельном двигателе Заявл. 27.09.2015, №2015146361, опубл. 31.08.2018. Бюл. №25.