Способ оценки мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR ESTIMATING THE POWER OF MECHANICAL LOSSES OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу оценки мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Существующие способы определения мощности механических потерь ДВС, основанные на измерении крутящего момента прокручивания коленчатого вала тормозным стендом или тарированным стартером, угловой скорости вращения коленчатого вала при отключении отдельных цилиндров на холостом ходу, времени выбега двигателя на холостом ходу, среднего давления механических потерь, параметров сжатого воздуха, используемого в качестве рабочего тела для прокручивания коленчатого вала нагруженного двигателя, не обладают требуемой точностью измерений и являются трудоемкими и сложными в практическом применении в условиях реальной эксплуатации.
Известен способ определения мощности механических потерь ДВС [1] согласно которому при работе двигателя в режиме холостого хода 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, ускорения коленчатого вала и мощности механических потерь, дополнительно определяют зависимость угловой скорости от угла поворота коленчатого вала при осуществлении рабочих процессов во всех цилиндрах, 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.
Известен способ и устройство для определения эффективной мощности и мощности механических потерь карбюраторного ДВС [2], основанный на преобразовании кинетической энергии вращающихся масс в энергию механических потерь, согласно которому создают периодические циклы разбега и выбега коленчатого вала, подсчитывают эти циклы за определенный интервал времени, определяют эффективную мощность, затем мощность механических потерь и средние значения времени разгона и времени выбега, по которым судят о соответствующей мощности.
Недостатками указанных способов являются неустойчивость протекающих процессов за кратковременный период измерения, что сказывается на достоверности получаемой диагностической информации, а также низкая оперативность получения диагностической информации, вследствие необходимости выведения работы двигателя на специальный режим.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков техническим решением является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания [3] при котором подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер сцепления монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры, начинают движение на транспортном средстве, увеличивая скорость до момента включения прямой передачи, устанавливают подачу топлива в двигатель, обеспечивающую минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала при движении транспортного средства на прямой передаче и резко включают максимальную подачу топлива, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют частоту вращения коленчатого вала и усилия, возникающие в опорах, до момента достижения транспортным средством максимальной скорости движения на прямой передаче, в каждом интервале измерения вычисляют среднюю частоту вращения коленчатого вала, среднее усилие и средний крутящий момент на каждой опоре и суммарный крутящий момент на опорах, по полученным значениям суммарного крутящего момента на опорах и средней частоты вращения коленчатого вала в каждом интервале измерения вычисляют эффективную мощность двигателя, строят аппроксимирующую зависимость эффективной мощности от времени измерения, на полученной кривой находят максимальное значение, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.
Реализация подобной методики измерения сил на опорах в режиме выбега ДВС позволит получить необходимые данные для последующей оценки мощности механических потерь двигателя.
Техническая задача - совершенствование способа определения мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.
Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении измерений в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, для чего в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер сцепления напротив зубчатого венца маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым подключают измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры, включают первую передачу и начинают движение, подачей топлива в цилиндры двигателя плавно увеличивают частоту вращения коленчатого вала до момента достижения максимального значения, резко отключают подачу топлива в цилиндры, одновременно с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют мгновенные значения возникающих в опорах двигателя сил и частоты вращения коленчатого вала до момента достижения транспортным средством минимальной скорости движения. По совокупности мгновенных значений сил на опорах для каждого момента измерений отдельно вычисляют суммарную силу и суммарный приведенный крутящий момент на опорах с учетом среднего расстояния от оси вращения коленчатого вала до точек измерения сил на опорах, по полученным значениям суммарного приведенного крутящего момента на опорах и измеренным мгновенным значениям частоты вращения коленчатого вала для каждого момента измерений вычисляют мощность механических потерь двигателя, строят аппроксимирующую зависимость мощности механических потерь двигателя от частоты вращения коленчатого вала, на полученной кривой находят максимальное значение и принимают его за максимальную мощность механических потерь исследуемого двигателя.
Таким образом, предложенный способ оценки мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания является простым в реализации как при проведении испытаний, так и в условиях эксплуатации транспортного средства.
i
i
Σ
т
m
m
Σ
m
m
m
T
m
тmax
-1
-1
-1
На фиг. 1 изображена схема сил и крутящих моментов, действующих на опоры и блок цилиндров двигателя транспортного средства в процессе выбега; на фиг. 2 изображена методика расчета суммарных сил и суммарного крутящего момента, возникающих на опорах двигателя в каждый момент измерения; на фиг. 3 изображен способ оценки мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания, где 1 - преобразователи силы; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 3 - измерительное устройство; F - сила на i-й опоре двигателя, Н; r - расстояние от оси вращения коленчатого вала до точки измерения силы на i-й опоре, м; M - суммарный приведенный к оси вращения коленчатого вала крутящий момент на опорах двигателя, Н⋅м; M - приведенный к оси вращения коленчатого вала момент механических потерь двигателя, Н⋅м; ω - угловая скорость вращения коленчатого вала, с; τ - время измерения, с; τ - временное мгновенное значение, при котором осуществлялась регистрация измеряемых величин, с; m - порядковый номер момента измерения; n - частота вращения коленчатого вала, мин;  - частота вращения коленчатого вала в момент измерения τ, мин; F - суммарная сила на опорах двигателя, Н;  - мгновенное значение силы на i-й опоре двигателя в момент измерения τ, Н;  - суммарная сила на опорах двигателя в момент измерения τ Н;  - суммарный приведенный к оси вращения коленчатого вала крутящий момент на опорах двигателя в момент измерения τ, Н⋅м; N - мощность механических потерь двигателя, кВт;  - мощность механических потерь двигателя в момент измерения τ, кВт; N - максимальная мощность механических потерь двигателя, кВт.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
i
При проведении измерений в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, для чего в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы 1 (см. фиг. 1) таким образом, чтобы усилия F полностью воспринимались преобразователями, в картер сцепления напротив зубчатого венца маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала 2. К преобразователям силы 1 и датчику частоты вращения коленчатого вала 2 подключают измерительное устройство 3, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры, включают первую передачу и начинают движение, подачей топлива в цилиндры двигателя плавно увеличивают частоту вращения коленчатого вала до момента достижения максимального значения, затем резко отключают подачу топлива в цилиндры. Одновременно измерительным устройством 3 с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют мгновенные значения сил  (см. фиг. 2), возникающих в опорах вследствие воздействия реактивного крутящего момента двигателя на раму в режиме выбега и частоты вращения коленчатого вала  до момента достижения транспортным средством минимальной скорости движения. По совокупности мгновенных значений сил на опорах  для каждого момента измерений отдельно вычисляют суммарную силу  и суммарный приведенный крутящий момент  с учетом среднего расстояния от оси вращения коленчатого вала до точек измерения сил на опорах  по формулам:
где k=4 - количество опор двигателя.
m
По полученным значениям суммарного приведенного крутящего момента на опорах  и измеренным мгновенным значениям частоты вращения коленчатого вала  для каждого момента измерений отдельно вычисляют мощность механических потерь двигателя  исходя из условия, что вычисленный суммарный приведенный к оси вращения коленчатого вала крутящий момент на опорах двигателя  в момент измерения τ равен по величине и направлению суммарному моменту механических потерь двигателя  в этом же моменте измерения:
строят аппроксимирующую зависимость мощности механических потерь двигателя от частоты вращения коленчатого вала, на полученной кривой находят максимальное значение  которое принимают за максимальную мощность механических потерь исследуемого двигателя.
За нулевое значение сил на опорах принимают такое значение, которое создается на каждой опоре в момент нахождения транспортного средства на ровной горизонтальной площадке при отключенном ДВС. Величину силы считают положительной, если направление ее действия совпадает с направлением действия реактивного крутящего момента в режиме выбега две.
В результате представляется возможным определять мощность механических потерь двигателя непосредственно при эксплуатации транспортного средства, используя общедоступные и простые средства измерений и регистрации возникающих в опорах двигателя сил.
Список источников
1. Пат. №2454643 РФ, МПК G01L 3/24. Способ определения мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания / С.А. Гребенников, А.С. Гребенников, Д.В. Федоров - №2010150833/28; заявл. 10.12.2010, опубл. 27.06.2012 г. Бюл. №18.
2. А.с. №993060, МПК G01L 3/24. Способ и устройство для определения эффективной мощности и мощности механических потерь карбюраторного двигателя внутреннего сгорания / А.В. Новиков, Ю.К. Бобков, А.В. Колчин - №3279615/18-10; заявл. 30.04.1981, опубл. 30.01.1983. Бюл. №4.
3. Пат. №2762813 РФ, МПК G01M 15/04. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев, В.Н. Корниенко - №2021103345; заявл. 10.02.2021, опубл. 23.12.2021 г. Бюл. №36.