СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF DEFINING ICE POWER LOSSES

мex
Изобретение относится к области испытаний и технической диагностики двигателей внутреннего сгорания в отсутствии тормозных устройств, в частности к способам оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по значению мощности механических потерь (N), и может быть использовано для контроля и диагностирования ДВС в процессе их изготовления, обкатки, технического обслуживания и ремонта.
мех
Известны способы определения мощности механических потерь ДВС путем выключения отдельных цилиндров из работы, проворачивания коленчатого вала от постороннего источника энергии (ГОСТ 14846-81), одиночного или двойного выбега и их разновидности (а.с. СССР №302644, G01M 15/00, 1971; а.с. СССР №465569, G01L 3/26, 1975; а.с. СССР №993060, G01L 3/24, 1981; а.с. СССР №1573355, G01L 3/26, 1990). Однако данные способы имеют относительную погрешность δN=27…147% [1, с.58-67].
мех
Низкая точность данных способов обусловлена тем, что механические потери в двигателе определяются в режимах при отсутствии рабочих процессов в одном, нескольких (метод выключения цилиндров) или всех цилиндрах (методы проворачивания коленчатого вала от постороннего источника энергии, одиночного или двойного выбега в течение нескольких последовательных циклов (от двух до четырех при использовании метода «выбега» до нескольких сотен и даже тысяч - при других)). Выключение из работы цилиндров ДВС осуществляется путем отключения подачи топлива в цилиндры или высоковольтного напряжения к свечи зажигания. При таких режимах испытания ДВС существенно изменяются условия трения в кривошипно-шатунном механизме из-за отсутствия «газовой» составляющей давления кольца на стенку цилиндра, пониженной температуры рабочего тела (топливовоздушной смеси) и сопряжении цилиндропоршневой группы, увеличенных зазоров между поршнем и цилиндром, значений вязкости и толщины масляного слоя и, наконец, увеличенной на 15…20% мощности насосных потерь. Полученное данными методами значение N считается чисто условным, которое можно применять для сравнения технического состояния двигателей одной модели.
Кроме того, в способах определения мощности механических потерь методами выключения цилиндров и проворачивания коленчатого вала требуется энерго- и металлоемкая электробалансирная тормозная установка, которая существенно удорожает процесс испытания ДВС. Фирмы-изготовители ДВС и ремонтные заводы используют именно эти методы. Применить данные способы для диагностирования ДВС на автомобилях и колесных тракторах в условиях эксплуатации можно только при наличии в автотранспортных предприятиях стендов с беговыми роликами. Для подавляющего числа предприятий, в которых сосредоточено менее 100 единиц техники, приобретение подобных стендов экономически не целесообразно.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ определения мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2328713, МПК: G01M 15/00, заключающийся в том, что при работе двигателя на холостом ходу непрерывно измеряют значения угловой скорости коленчатого вала в смежных и равных угловых интервалах заданной величины в пределах цикла работы двигателя на любом скоростном режиме с синхронизацией начала измерения значений угловой скорости с положением коленчатого вала, соответствующего верхней мертвой точки (ВМТ) поршня конкретного цилиндра, в котором осуществляется такт расширения, в момент измерений отключают подачу топлива (зажигания) во второй по порядку работы цилиндр, получают зависимость угловой скорости по углу поворота коленчатого вала, определяют значения средней угловой скорости и ускорения коленчатого вала на участке изменения (разгона) угловой скорости, соответствующего периоду изменения крутящего момента двигателя при осуществлении такта расширения в третьем по порядку работы цилиндре, по произведению которых на приведенный момент инерции двигателя судят о величине мощности механических потерь.
Мощность, развиваемая двигателем на участке разгона, считается эквивалентной мощности механических потерь, значение которой определяется по формуле:
где J - значение момента инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс ДВС, приведенных к оси коленчатого вала;
III
ϖ - значение средней угловой скорости коленчатого вала на участке разгона при осуществлении такта расширения в третьем по порядку работы цилиндре;
нIII
кIII
ω, ω - значения начальной и конечной угловой скорости на участке разгона;
III
нIII
кIII
τ - время, соответствующее углу поворота коленчатого вала на участке разгона от ω до ω;
III
нIII
кIII
ε - значение углового ускорения коленчатого вала на участке разгона (изменения угловой скорости от ω до ω).
Недостатком данного способа является недостаточная точность измерения мощности механических потерь (относительная погрешность способа для четырехцилиндрового четырехтактного ДВС более 6%), что обусловлено:
г
- во-первых, допущением в данном способе равномерности рабочих процессов во всех цилиндрах ДВС, что не соответствует действительности (неравномерность сил давления газов в двух последовательных циклах может достигать δP=10…15% [1, с.82], а по отдельным цилиндрам 15…20% [1, с.146];
- во-вторых, отсутствием учета в измеренной мощности механических потерь составляющей от сопротивления сгоревшей топливовоздушной среды на такте выпуска, поскольку в предыдущем по порядку работы (втором) цилиндре воспламенение смеси отсутствовало;
J
- в-третьих, анализом значений изменения угловой скорости коленчатого вала на угловом интервале его поворота, соответствующего осуществлению рабочего хода только в одном (третьем по порядку работы) цилиндре, то есть за период Т=π. При этом возникает относительно небольшая (1…2%) погрешность измерения мощности механических потерь, так как момент M от сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс ДВС изменяется по углу поворота коленчатого вала и зависит от периода, в котором измерены анализируемые значения угловых скоростей. Полностью погрешность от инерционной составляющей второго порядка (из-за неравномерности значений (дисбаланса) возвратно-поступательно движущихся масс ДВС по отдельным цилиндрам) нивелируется за период, равный одному обороту, то есть . При таком периоде также устраняется погрешность от неравномерности сил сопротивления прокручиванию вала ДВС от работы клапанного механизма из-за неодинаковой жесткости клапанных пружин в цилиндрах, различий в величинах износа кулачков распределительного вала, а также возможной несоосности установки датчика угловых перемещений на носке коленчатого вала или маховике.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения мощности механических потерь ДВС за счет создания условий измерения механических потерь ДВС, при которых рабочие процессы в его цилиндрах существенно не отличаются от реальных, соответствующих нормальному функционированию ДВС при всех работающих цилиндрах, а период измерения максимально соответствует периоду изменения момента инерции от возвратно-поступательно движущихся масс.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания, заключающемся в том, что при работе двигателя на холостом ходу непрерывно измеряют значения угловой скорости коленчатого вала в равных угловых интервалах заданной величины в пределах цикла работы двигателя на любом установившемся скоростном режиме с синхронизацией начала измерения значений угловой скорости с положением коленчатого вала, соответствующим верхней мертвой точке поршня конкретного цилиндра, в котором осуществляется такт расширения, в начальный момент измерений отключают подачу топлива (зажигания) в одном из цилиндров, получают зависимость угловой скорости от угла поворота коленчатого вала, определяют значения средней угловой скорости и ускорения коленчатого вала, по произведению которых на приведенный момент инерции двигателя определяют значение мощности механических потерь, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно определяют зависимость угловой скорости от угла поворота коленчатого вала при осуществлении рабочих процессов во всех цилиндрах, а затем - с момента отключения подачи топлива (зажигания) в третьем по порядку работы цилиндре, в обоих случаях определяют значения минимальных угловых скоростей на участках, соответствующих началу и окончанию такта расширения в конкретных цилиндрах, сравнивают соответствующие значения минимальных угловых скоростей, полученных при работе одного и того же цилиндра до и после отключения подачи топлива (зажигания), порядковый номер которого определяют по номеру цилиндра, с которого начато измерение зависимости угловой скорости с отключенным цилиндром; при их совпадении с относительной разностью не более 0,5% значения средней угловой скорости определяют в интервале угла поворота коленчатого вала, соответствующего осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах, а ускорения - на участке выбега коленчатого вала в том же интервале.
Отличием настоящего технического решения от прототипа является то, что для максимального учета всех факторов, влияющих на точность определения мощности механических потерь ДВС, значения средней угловой скорости и ускорения коленчатого вала, по которым судят о мощности механических потерь, определяют с учетом сложившейся индивидуальной неравномерности работы цилиндров испытываемого ДВС, на участках изменения угловой скорости коленчатого вала в два раза больших, что исключает погрешности от действия неуравновешенных инерционных сил второго порядка, неравномерности сил сопротивления от работы клапанного механизма, например, из-за неодинаковой жесткости клапанных пружин и различий в величинах износа кулачков распределительного вала, а также возможной несоосности установки датчика угловых перемещений. Выбранный период изменения угловой скорости характерен тем, что на его протяжении в одном цилиндре осуществляется рабочий процесс, а в другом (с отключенным цилиндром), хотя и отсутствует процесс сгорания рабочей смеси, но «выбег» происходит при наличии процесса выпуска сгоревшей рабочей смеси в предыдущем цилиндре и сопротивления от газовых сил воспламенения рабочей смеси и ее горения (на угловом интервале, равном значению угла опережения впрыска топлива или его зажигания) в следующем по порядку работы цилиндре. В результате осреднения показателя мощности механических потерь, определенного на участке выбега коленчатого вала в интервале угла его поворота, соответствующего тактам расширения в этих цилиндрах, достигается максимальное приближение рабочих процессов в цилиндрах реальным условиям работы двигателя на всех цилиндрах. При таком режиме испытаний практически не изменяются тепловая напряженность и режим смазки сопряжений ДВС, величина потерь на насосные ходы (газообмен) во всех без исключения цилиндрах, поскольку отсутствие процесса выпуска сгоревшей рабочей смеси в отключенном цилиндре проявится только в следующем по порядку работы цилиндре, на участке изменения угловой скорости коленчатого вала, не входящем в угловой интервал (период), по которому судят о мощности механических потерь.
Совокупность перечисленных признаков позволяет достичь необходимого технического результата, заключающегося в повышении точности определения мощности механических потерь ДВС.
Сущность заявляемого изобретения поясняется графиками, где на фиг.1 приведена зависимость угловой скорости ω коленчатого вала от угла его поворота φ при осуществлении рабочих процессов во всех цилиндрах двигателя 4π 9,2/9,2 на установившемся режиме холостого хода со средней угловой скоростью ϖ=84,30 рад/с, а на фиг.2 - зависимость угловой скорости ω коленчатого вала от угла его поворота φ при работе двигателя 4π 9,2/9,2 на установившемся режиме холостого хода со средней угловой скоростью ϖ=84,30 рад/с и с отключенным третьим по порядку работы (четвертым по номеру - IV) цилиндром: I, II, IV и III - угловые интервалы поворота коленчатого вала, соответствующие рабочим ходам поршня (тактам расширения) в первом, втором, четвертом и третьем цилиндрах.
Предлагаемый способ основан на следующих теоретических предпосылках.
i
мех
i
мех
i
i
мех
Установившийся скоростной режим холостого хода ДВС традиционно характеризуется некоторыми средними значениями частоты вращения, индикаторным моментом и моментом механических потерь, которые относят к циклу его работы. При этом индикаторный момент М ДВС полностью расходуется на преодоление момента М механических потерь, то есть за период изменения крутящего момента при работе двигателя на установившемся режиме холостого хода М=М. Однако в пределах периода изменения крутящего момента и полного цикла работы двигателя индикаторный крутящий момент M не остается постоянной величиной. Его значения представляют собой периодическую функцию по углу поворота коленчатого вала, что обусловлено особенностями сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя и кинематическими свойствами его кривошипно-шатунного механизма. Отклонения мгновенного значения момента M от средней величины момента механических потерь М вызывают соответствующие периодические изменения угловой скорости коленчатого вала ω (фиг.1) по углу φ его поворота.
Зависимость между указанными величинами определяется уравнением динамики ДВС в соответствии с принципом Даламбера [2, с.113-115]
где φ - угол поворота коленчатого вала, рад;
τ - время, соответствующее углу поворота φ;
- угловая скорость коленчатого вала;
- угловое ускорение коленчатого вала.
Зависимость (2) можно представить в виде
n
где многочлен  определяет переменную по углу φ поворота коленчатого вала составляющую момента инерционных сил J от возвратно-поступательно движущихся масс поршней и части массы шатунов, отнесенных к осям поршневых пальцев соответствующих цилиндров. Поскольку периоды анализируемых участков изменения угловой скорости в предлагаемом способе (для 2-х и 4-х цилиндровых ДВС равны одному обороту , а для 8-ми цилиндровых - половине оборота  являются кратными угловым интервалам поворота коленчатого вала, соответствующим рабочим тактам цилиндров и периоду изменения крутящего момента, то составляющая  в уравнении (3) нивелируется, то есть , тогда
С учетом того, что , а мощность N=M·ϖ, то зависимость (4) при переходе к мощностному показателю работы ДВС определяется соотношением
где ϖ - значение средней угловой скорости коленчатого вала на интервале поворота коленчатого вала, в котором определено ускорение ε.
i
мех
i
мех
Таким образом, дисбаланс соотношений (М-М) или (N-N) вызывает соответствующие изменения угловой скорости в пределах цикла работы ДВС на установившемся скоростном режиме холостого хода.
При осуществлении поршнем рабочего хода со сгоранием топливовоздушной смеси в цилиндре индикаторная мощность ДВС в пределах этого периода изменения крутящего момента затрачивается на преодоление механических потерь, то есть
i
i
В отсутствии процесса воспламенения топливовоздушной рабочей смеси в цилиндре индикаторные момент М и мощность N в период осуществления поршнем рабочего хода равны нулю, коленчатый вал в этот угловой период осуществляет «выбег». При этом запасенная кинетическая энергия вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя расходуется на преодоление механических потерь [1, с.113-114], следовательно, (5) преобразуется
Знак «минус» в уравнении (7) означает замедление угловой скорости коленчатого вала. Необходимо отметить, что в известном способе определения мощности механических потерь - методом «выбега» со всеми отключенными из работы цилиндрами ДВС - начальное и конечное значения угловых скоростей при вычислении замедления коленчатого вала  определяются в одинаковых фазах рабочих процессов, происходящих в одном и том же цилиндре через интервал поворота коленчатого вала, соответствующий полному циклу работы ДВС (2 оборотам).
нIV
нIII
нIV
нIII
В предлагаемом способе предусматривается тестовое воздействие на двигатель, заключающееся в кратковременном отключении одного цилиндра из работы. При этом коленчатый вал на интервале угла поворота, соответствующему такту расширения в отсутствии воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре (см. фиг.2 - интервал такта расширения в отключенном IV цилиндре), также осуществляет «выбег». Однако использование формулы (7) для определения мощности механических потерь ДВС по показателям изменения угловой скорости коленчатого вала на интервале выбега приведет к значительным погрешностям в связи с тем, что начальное и конечное значения угловых скоростей определяются не в одинаковых условиях рабочих процессов, происходящих в цилиндрах. Начальная угловая скорость ω (см. фиг.2) участка «выбега» измеряется в отсутствии воспламенения рабочей смеси в IV цилиндре, а значение конечной угловой скорости ω - при воспламенении рабочей смеси и ее горении в следующем по порядку работы III цилиндре (в конце такта сжатия). При этом из-за отсутствия воспламенения рабочей смеси в IV цилиндре момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала будет меньше, а значение угловой скорости коленчатого вала в начале рабочего хода (ВМТ) поршня IV цилиндра будет соответственно выше (значения ω на фиг.1 и фиг.2); с другой стороны, из-за воспламенения рабочей смеси и ее горения в III цилиндре на заключительном этапе «выбега» расход кинетической энергии движущихся масс двигателя на проворачивание коленчатого вала увеличивается, что вызывает дополнительное снижение конечного значения угловой скорости ω коленчатого вала.
нIV
нIII
нIV
нIII
Таким образом, анализируемый угловой интервал, соответствующий «выбегу» коленчатого вала, из-за отключения из работы только одного IV цилиндра ДВС имеет искусственно завышенное начальное ω и заниженное конечное ω значения угловой скорости. В связи с этим использовать указанные значения угловой скорости на участке выбега ω и ω для определения мощности механических потерь двигателя по зависимости (7) нельзя.
По этой и другим причинам, отмеченным в недостатках прототипа, в предлагаемом способе определение мощности механических потерь осуществляется по показателям изменения угловой скорости коленчатого вала на угловом интервале π…3π (см. фиг.2), соответствующем осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах. На угловом интервале π…3π также осуществляется выбег коленчатого вала, но с одинаковыми условиями рабочих процессов, осуществляемых в цилиндрах ДВС в начальной и конечной стадиях, при которых регистрируются изменения угловых скоростей, а именно значения угловой скорости определены в условиях воспламенения рабочих смесей в начальной стадии в ВМТ II цилиндра и конечной - в НМТ IV цилиндра, являющейся ВМТ III цилиндра, то есть при наличии реальных, обычных процессах работы ДВС. Следовательно, мощность механических потерь ДВС в соответствии с зависимостью (7):
II-IV
где ϖ - значение средней угловой скорости коленчатого вала за период π…3π, соответствующий осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах;
IIMAX
нIII
ω, ω - значения начальной и конечной угловых скоростей участка выбега коленчатого вала в угловом интервале π…3π;
II-IV
нII
нIII
τ - время, соответствующее углу поворота коленчатого вала π…3π (от ω до ω).
II-IV
Время τ при непрерывной регистрации значений угловых скоростей в течение интервала угла поворота коленчатого вала, соответствующего осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах, определяется известной зависимостью
С учетом (9) мощность механических потерь ДВС
где  - среднее значение ускорения (замедления) коленчатого вала на участке выбега в угловом интервале π…3π, соответствующем осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах.
Определение мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания по предлагаемому способу производят в следующей последовательности (на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя ЗМЗ-2401).
К коленчатому валу испытуемого двигателя присоединяют датчик угловых перемещений, например типа ВЕ-178А, и фиксируют его в положении, соответствующем ВМТ поршня I-го цилиндра, в котором осуществляется такт расширения, и началу измерений значений угловых скоростей коленчатого вала. К проводу высокого напряжения свечи первого цилиндра присоединяют датчик индуктивного типа (для формирования сигнала о начале такта расширения в I цилиндре) и приспособление для автоматического отключения «искры» в третьем по порядку работы цилиндре (в двигателе ЗМЗ-2401 порядок работы цилиндров 1-2-4-3, следовательно, необходимо отключить подачу высокого напряжения к свече IV цилиндра). Датчики и приспособление соединяют с устройством для непрерывного измерения угловой скорости коленчатого вала (выполненного, например, по а.с. СССР №1035521 или №1442854, G01M 15/00, 1988). Запускают двигатель, прогревают его до нормального теплового состояния (85…95°С) и выводят на заданный установившийся скоростной режим холостого хода (в данном примере ϖ=84,30 рад/с, см. фиг.1 и 2). В электронном измерительном устройстве задают значение углового интервала Δφ поворота коленчатого вала (например, Δφ=3 град), в каждом из которых непрерывно измеряют значения угловых скоростей. По истечении 1…2 минут, необходимых для установления равновесного теплового состояния ДВС, с устройства производят подачу команды на измерение значений угловых скоростей за цикл работы двигателя (два оборота коленчатого вала) для определения зависимости угловой скорости от угла поворота коленчатого вала при работе всех цилиндров. По пяти-семи последовательно полученным зависимостям определяют средние значения минимальных угловых скоростей в интервалах угла поворота коленчатого вала, относящихся к осуществлению рабочих тактов в конкретных цилиндрах (I, II, IV, III), и строят эталонный график зависимости угловой скорости коленчатого вала от угла его поворота при работе всех цилиндров (см. фиг.1).
Затем с устройства производят подачу команды на измерение значений угловых скоростей за цикл работы двигателя с одновременным отключением подачи искры в IV цилиндр и производят измерение значений угловых скоростей за цикл работы двигателя (два оборота коленчатого вала). По полученным значениям ω строится график зависимости угловой скорости коленчатого вала от угла его поворота φ (фиг.2).
нI
нII
IImax
нIII
II-IV
IImax
нIII
Сравнивают соответствующие значения минимальных угловых скоростей одного и того же цилиндра ω и ω в полученных зависимостях фиг.1 и 2. Если их относительные отклонения не превышают 0,5%, по графику изменения угловой скорости (фиг.2) определяют значения угловых скоростей в начале ω и конце ω участка выбега коленчатого вала при осуществлении рабочего хода поршнем II цилиндра и «мнимого» рабочего хода поршнем отключенного IV цилиндра, а также значения средней угловой скорости ϖ за период π…3π и ускорения коленчатого вала на участке выбега от ω до ω. По формуле (10) определяют значение мощности механических потерь ДВС.
После восстановления прежнего скоростного и теплового режимов работы двигателя со всеми работающими цилиндрами аналогичные операции определения мощности механических потерь ДВС повторяют с отключенным из работы на 1 цикл другим цилиндром, а затем поочередно с остальными.
Таким образом, измеренная мощность механических потерь ДВС по результатам осреднения полученных значений при последовательном отключении i-го цилиндра из работы
где z - число цилиндров в двигателе,
в наибольшей степени соответствует действительной, так как учитывает имеющиеся индивидуальные отличия рабочих процессов во всех цилиндрах.
Разработанный способ определения мощности механических потерь по показателям изменения угловой скорости коленчатого вала за один цикл работы ДВС при кратковременном отключении одного цилиндра исключает недостатки известных методов и повышает точность за счет создания условий ее определения, максимально приближенных к реальным рабочим процессам во всех цилиндрах двигателя.
Метрологическая проработка всех звеньев цепи измерительного процесса, определяющих точность и достоверность способа определения мощности механических потерь, показала, что относительная погрешность способа не превышает 5%, что в 1,2…1,5 раза точнее всех известных методов ее определения.
Источники информации
1. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С.Стефановский, Е.А.Скобцов, Е.К.Корси и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.
2. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотракторных предприятиях / Л.В.Мирошников, А.П.Болдин, В.И.Пал и др. - М.: Транспорт, 1977. - 263 с.