СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при исследовании рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания в динамических режимах (в условиях эксплуатации).
Известен стенд для динамических и стационарных испытаний двигателя внутреннего сгорания, содержащий нагрузочный механизм, регистрирующую аппаратуру (см. Юлдашев А.К. Динамика рабочих процессов двигателя машинно-тракторных агрегатов, - Казань, Татарское кн. изд-во, 1980). Недостатком известного стенда является то, что он обладает ограниченными техническими возможностями, так как на нем не обеспечивается возможность автоматической обработки результатов измерения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является стенд для исследования динамики дизеля содержащий электротормоз с двумя обмотками возбуждения, кинематически соединенный с валом двигателя, датчики частоты вращения и момента, установленные на валу, датчик перемещения рейки топливного насоса дизеля, регистрирующий прибор, последовательно соединенные автотрансформатор, трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр, выводы которого подключены к первой обмотке возбуждения и к регистрирующему прибору, и регистрирующее записывающее устройство (см. а.с. СССР №1763929, кл. G01М 15/00, 1992, Бюл. №35).
Недостатком известного стенда, принятого за прототип, является его недостаточная информативность при исследовании двигателя.
Указанный недостаток обусловлен тем, что на известном стенде не обеспечивается возможность определения таких динамических
характеристик двигателя внутреннего сгорания как дифференциальные уравнения, описывающие реакции изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, расхода воздуха и расхода топлива при изменении момента сопротивления на коленчатом валу двигателя. Кроме того, данный стенд не позволяет учитывать влияние отклонения формы воздействующего сигнала на получаемые характеристики.
Решаемой технической задачей является расширение функциональных возможностей стенда путем обеспечения возможности определения динамических характеристик рабочих процессов двигателя в виде дифференциальных уравнений, описывающих реакции изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, расхода воздуха и расхода топлива при изменении момента сопротивления на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, и автоматизация измерений и обработки информации.
Решаемая техническая задача в стенде для исследования рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания содержащем двигатель внутреннего сгорания, электротормоз, кинематически соединенный с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, датчик частоты вращения, датчик момента сопротивления двигателя, установленные на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, датчик расхода воздуха, установленный на впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, датчик расхода топлива, соединенный с топливным насосом, датчик тока возбуждения электротормоза, подключенной к обмотке электротормоза, блок сбора данных, входы которого подключены к датчику частоты вращения, датчику момента сопротивления, датчику расхода топлива, датчику расхода воздуха, датчику тока возбуждения электротормоза соответственно, запоминающее устройство, достигается тем, что введены блок идентификации параметров дифференциального уравнения, выполненный с двумя входами, которые подключены соответственно к первому и второму выходу блока сбора данных, блок расшифровки
результатов идентификации, соединенный с выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, имитатор типовых нагрузок, соединенный с входом электротормоза, автоматизированный блок управления, подключенный ко входам управления имитатора типовых нагрузок, блока сбора данных, блока идентификации параметров дифференциального уравнения, блока расшифровки результатов идентификации, соответственно блок идентификации параметров дифференциального уравнения содержит блок математической модели, вход которого является вторым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока математической модели соединен со вторым входом блока определения ошибки моделирования, первый вход которого является вторым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока определения ошибки моделирования соединен с входом блока корректировки математической модели, выход которого подключен к входу управления блока математической модели и является выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения. Блок идентификации параметров дифференциального уравнения содержит блок математической модели, вход которого является вторым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока математической модели соединен со вторым входом блока определения ошибки моделирования, первый вход которого является первым входом блока идентификации параметров дифференциального уравнения, выход блока определения ошибки моделирования соединен с входом блока корректировки математической модели, выход которого подключен ко входу управления блока математической модели и является выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения.
На фиг.1 приведена общая схема стенда; на фиг.2 - схема блока идентификации параметров дифференциального уравнения.
Стенд содержит имитатор типовых нагрузок 1, электротормоз 2 с обмоткой возбуждения 3, двигатель внутреннего сгорания 4, датчик 5 частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчик 6 момента сопротивления двигателя, установленные на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания 4, датчик 7 расхода воздуха, установленный на впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания 4, датчик 8 расхода топлива соединенный с топливным насосом двигателя внутреннего сгорания 4, датчик 9 тока возбуждения электротормоза 2, блок сбора данных 10, имеющий пять входов: первый вход 15 подключен к датчику 7 расхода воздуха, второй вход 16 - к датчику 8 расхода топлива, третий вход 17 - к датчику 6 момента сопротивления двигателя, четвертый вход 18 - к датчику 5 частоты вращения коленчатого вала двигателя, пятый вход 19 - к датчику 9 тока возбуждения электротормоза, первый и второй выходы блока сбора данных 10 подключены соответственно к входу сигнала отклика системы 20 и входу сигнала воздействия 21 блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11, выход которого подключен ко входу блока расшифровки результатов идентификации 12, выход этого блока соединен с запоминающим устройством 13, автоматизированное устройство управления 14, первый выход которого подключен к имитатору типовых нагрузок 1, второй - к блоку сбора данных 10, третий - к блоку идентификации параметров дифференциального уравнения 11, четвертый - к блоку расшифровки результатов идентификации 12. Блок идентификации параметров дифференциального 11 уравнения содержит блок математической модели 22, вход которого является вторым входом 21 блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11, выход блока математической модели соединен со вторым входом блока определения ошибки моделирования 24, первый вход которого является первым входом 20 блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11, выход блока определения ошибки моделирования соединен 24 с входом блока корректировки математической модели 23, выход
которого подключен ко входу управления блока математической модели 23 и является выходом блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11.
Стенд работает следующим образом.
После запуска двигателя внутреннего сгорания 4 электротормоз 2 создает постоянный тормозящий момент, воздействующий на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания 4. После достижения двигателем внутреннего сгорания 4 установившегося режима имитатор типовых нагрузок 1 по сигналу автоматизированного блока управления 14 вырабатывает сигнал, приводящий к изменению момента сопротивления электротормоза 2. Изменение тормозящего момента приводит к появлению переходных процессов: изменяется крутящий момент на валу двигателя 4, изменяется частота вращения коленчатого вала двигателя 4, изменяется расход топлива и воздуха. Эти переходные процессы посредством датчиков преобразуются в электрические сигналы и поступают в блок сбора данных 10, который по команде автоматизированного блока управления 14 выдает на вход 20 сигнала отклика блока идентификации параметров дифференциального уравнения один из четырех сигналов датчиков: датчика 5 частоты вращения коленчатого вала двигателя, датчика 6 момента сопротивления двигателя, датчика 7 расхода воздуха, датчика 8 расхода топлива, а на вход 21 сигнала воздействия - сигнал с датчика 9 тока возбуждения электротормоза, при этом соответствующие сигналы преобразуются в цифровую форму. Сигналы, поступившие в блок идентификации параметров дифференциального уравнения 11, используются для определения параметров динамических моделей рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания (коэффициентов дифференциального уравнения), при этом используются дифференциальных уравнений следующего вида: для регуляторной ветви регуляторной характеристики
,
для корректорной ветви регуляторной характеристики
1
2
3
i
где a, a, a - искомые коэффициенты дифференциального уравнения; ΔA - изменение наблюдаемого показателя двигателя внутреннего сгорания крутящего момента на валу двигателя 4, частоты вращения коленчатого вала двигателя 4, расхода топлива и воздуха при изменении нагрузки; ΔМ -изменение момента сопротивления электротормоза; К - коэффициент пропорциональности.
Схема блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11 приведена на фиг.2, данный блок работает следующим образом, сигнал с входа сигнала воздействия: изменение момента сопротивление электротормоза 2, поступает на блок математической модели, выходной сигнал блока математической модели 22 поступает на вход блока определения ошибки моделирования 24, где он сравнивается с сигналом, поступившим на вход сигнала отклика, который соответствует реакции двигателя на воздействие - изменение либо момента сопротивления двигателя, либо частоты вращения коленчатого вала, либо расхода топлива, либо расхода воздуха, на основании этого блок определения ошибки моделирования 24 вырабатывает сигнал, соответствующий рассогласованию математической модели и исследуемого объекта, данный сигнал поступает на вход блока корректировки математической модели 23, изменяющий параметры блока математической модели 22 с целью уменьшить ошибку моделирования, коэффициенты, соответствующие минимуму ошибки моделирования, принимаются в качестве искомых коэффициентов. Полученные коэффициенты дифференциального уравнения поступают в блок расшифровки результатов идентификации 12, который определяет порядок
используемого для идентификации дифференциального уравнения и представляет коэффициенты дифференциальных уравнений в форме удобной для дальнейшего использования. После этого динамические характеристики либо выдаются на выход потребителю, либо запоминаются в запоминающем устройстве 13. Работа стенда автоматизирована и управляется автоматизированным устройством управления 14.
Наличие в стенде для исследований рабочих процессов двигателей в динамических режимах блока идентификации параметров дифференциального уравнения 11, выполненного с двумя входами, позволяет снизить влияние неидеальности воздействия вызванного инерционностью электротормоза 2 на определяемые динамические характеристики рабочих процессов двигателя внутреннего сгорания 4 в виде дифференциальных уравнений описывающих реакции изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, расхода воздуха и расхода топлива при изменении момента сопротивления на коленчатом валу двигателя. Наличие блока расшифровки результатов идентификации позволяет сформировать дифференциальное уравнение для каждого из исследуемых рабочих процессов: частота вращения коленчатого вала, расход воздуха, расход топлива и предоставить его потребителю. Наличие автоматизированного блока управления 14 позволяет автоматизировать процесс сбора и обработки информации.
Таким образом, на предлагаемом стенде обеспечивается возможность определения динамических характеристик рабочих процессов двигателя в виде дифференциальных уравнений, описывающих реакции изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, момента сопротивления двигателя, расхода воздуха и расхода топлива при изменении момента сопротивления на коленчатом валу двигателя, при этом процесс измерения и обработки информации автоматизирован.