СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING TECHNICAL STATE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с дополнительным штатным оборудованием, в частности, к определению неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности ДВС.
Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [1], заключающийся в том, что устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя без нагрузки, измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с частотой цикла работы двигателя, и амплитуды заданных гармонических составляющих частоты вращения, затем измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с четвертой гармоникой частоты вращения, находят отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде этой гармоники, после чего двигатель нагружают и осуществляют на номинальной частоте вращения повторные измерения амплитуд гармоник и рассчитывают их отношения, а по разности отношений под нагрузкой и на холостом ходу оценивают неравномерность.
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость, вызванные необходимостью многократных измерений и нагрузки двигателя.
Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [2], выбранный нами за прототип и заключающийся в том, что непрерывно измеряют при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки средние значения в цикле работы двигателя, а также на рабочем такте каждого цилиндра, угловые скорости и ускорения коленчатого вала, измеряют амплитуды заданных гармонических составляющих ускорения, непрерывно измеряют в режиме разгона от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной в цикле работы двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие и ускорение выбега, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и по их соотношению судят о степени неравномерности работы цилиндров, а по амплитудам заданных гармонических составляющих - о степени неуравновешенности двигателя.
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость, низкая точность и достоверность определения технического состояния ДВС в эксплуатационных условиях, вызванные влиянием дополнительного штатного оборудования, реализация известного способа требует демонтажа этого оборудования и установки ДВС на испытательный стенд.
Известно устройство [3] для измерения мощности цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик частоты вращения вала двигателя, селектор уровня, последовательно соединенные датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток цикла и блок синхронизации начала отсчета угловых меток, дифференциатор, задатчик номеров угловых меток цилиндров, индикатор, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блок регистров сигнала, блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, задатчик частоты измерения мощности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов, схему подготовки к работе, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты вращения за цикл связан с одним из входов селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход - с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом дифференциатора, первый выход которого через блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с индикатором, а второй выход - со вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие входы преобразователя временного интервала в код и дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, установочные входы: третий дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, блок преобразователя временного интервала в код содержит триггер управления записью, две схемы совпадений, счетчик тактовых импульсов и счетчик управления записью, причем первый счетный вход триггера управления записью является первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, выходы триггера управления записью соединены соответственно с первыми входами схем совпадений, вторые входы которых соединены между собой и являются вторым управляющим входом преобразователя временного интервала в код, выход первой схемы совпадения связан с первым счетным входом счетчика тактовых импульсов, а выход второй - со счетным входом счетчика управления записью, первый выход которого является вторым управляющим входом регистра временного хранения, второй выход соединен со вторым управляющим входом счетчика тактовых импульсов, а третий выход - со вторым управляющим входом триггера управления записью.
Недостатком известного устройства является низкая точность, особенно при определении неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей, имеющих повышенный коэффициент неравномерности или неработающие (отключенные) отдельные цилиндры, из-за значительного замедления вращения коленчатого вала в течение рабочих ходов неисправных (с заниженной мощностью) или отключенных цилиндров, которое распространяется на соседние (согласно диаграмме распределения вспышек) цилиндры и вносит искажения при измерении составляющих ускорений коленчатого вала, определяемых работой этих цилиндров.
Известно устройство [2] для определения технического состояния  двигателей внутреннего сгорания, выбранное нами за прототип и содержащее датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя, первый и второй селекторы уровня, датчик синхронизации, блок формирования начала отсчета угловых меток, блок синхронизации начала отсчета угловых меток, задатчики угловых меток цикла и номеров угловых меток цилиндров, индикатор, первый и второй дифференциаторы, преобразователь временного интервала в код, регистр временного хранения, блоки регистров сигнала и вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, задатчик частоты измерения мощности, задатчик номеров гармоник и уровня неуравновешенности, блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, генератор тактовых импульсов, схему подготовки к работе, блок цифровых перестраиваемых фильтров, вычислитель среднего значения и максимумов, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты за цикл связан с одним из входов первого селектора уровня, второй вход которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход - с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом первого дифференциатора, первый выход которого через блок хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора, а второй выход - с вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие входы преобразователя  временного интервала в код и первого дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, установочные входы: третий первого дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, причем датчик синхронизации последовательно соединен с блоком формирования начала отсчета угловых меток и блоком синхронизации начала отсчета угловых меток,  причем выход блока регистров сигнала через второй дифференциатор связан с первым входом блока перестраиваемых цифровых фильтров, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами задатчика номеров угловых меток цилиндров и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый вход которого соединен с задатчиком номеров гармоник, а выход - с входом вычислителя среднего значения и максимумов, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами блока хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и второго селектора уровня, первый вход которого связан с задатчиком уровня неуравновешенности, выход - со вторым входом индикатора.
Недостатком известного устройства является низкая точность определения технического состояния ДВС, особенно при определении неравномерности работы цилиндров и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей в условиях эксплуатации, имеющих повышенный коэффициент неравномерности или неработающие (отключенные) отдельные цилиндры, из-за замедления вращения коленчатого вала в течение рабочих ходов цилиндров, а также из-за увеличения механических потерь, возможно различными на рабочих участках цилиндров, которые вызваны дополнительным штатным оборудованием, вносящим искажения при измерении составляющих ускорений коленчатого вала, определяемых работой этих цилиндров.
Задача заявляемого технического решения - снижение трудоемкости и повышение точности диагностирования при определении технического состояния двигателей внутреннего сгорания с дополнительным оборудованием в эксплуатационных условиях.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет в эксплуатационных условиях значительно снизить трудоемкость определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания с дополнительным оборудованием в эксплуатационных условиях, в частности, неравномерности работы и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей путем повышения точности диагностирования за счет исключения влияния дополнительного оборудования, вносящего искажения при измерении составляющих ускорений коленчатого вала, определяемых работой этих цилиндров. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет в эксплуатационных условиях повысить точность диагностирования дополнительного штатного оборудования без его демонтажа.
Поставленная задача в способе решается тем, что при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы, а также на рабочем такте каждого цилиндра двигателя с дополнительным оборудованием, с привязкой по углу поворота коленчатого вала непрерывно измеряют часовой расход топлива, а также мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, в том числе гармонические составляющие ускорения, вызванные неуравновешенными регулярными силами и моментами, вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, при достижении  двигателем  заданной  частоты вращения  определяют часовой расход топлива, по соотношению часовых расходов топлива измеренного и характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии определяют коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование, относят средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, к этому коэффициенту и по соотношению полученных величин судят о распределении эффективной мощности по цилиндрам,  а по амплитудам измеренных заданных гармонических составляющих – о степени неуравновешенности двигателя с дополнительным оборудованием, при многократных выбегах от максимальной до минимальной частоты вращения холостого хода без нагрузки в цикле работы, а также на рабочем такте каждого цилиндра, двигателя с дополнительным оборудованием непрерывно измеряют с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона коленчатого вала эти ускорения выбега, определяют средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, по соотношению этих величин судят о распределении индикаторной мощности по цилиндрам.
При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя с дополнительным оборудованием, а также на рабочем такте каждого цилиндра, с привязкой по углу поворота коленчатого вала непрерывно измеряют мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, в том числе гармонические составляющие ускорения, вызванные неуравновешенными регулярными силами и моментами, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие, определяют средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, по отношению полученных ускорений разгона и суммы этих ускорений и ускорений в режиме выбега на рабочем такте каждого цилиндра двигателя с дополнительным оборудованием определяют механический коэффициент полезного действия каждого цилиндра, а по аналогичному отношению в цикле определяют механический коэффициент полезного действия двигателя в целом с дополнительным оборудованием, по отношению полученных механических коэффициентов полезного действия и коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование определяют механические коэффициенты полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования, по обратным величинам умноженных удельного расхода топлива, характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии, и полученных механических коэффициентов полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования определяют индикаторные коэффициенты полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования, по отклонению полученных механических коэффициентов полезного действия дополнительного оборудования, а также механических и индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, от аналогичных величин, характерных для двигателя в нормальном техническом состоянии, судят об изменении технического состояния соответственно дополнительного оборудования, цилиндров и двигателя в целом.
При многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки на рабочем такте каждого цилиндра двигателя с дополнительным штатным оборудованием непрерывно измеряют цикловую подачу топлива по секциям топливного насоса, а также с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие, определяют средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня,  по отношению полученного ускорения разгона и суммы этого ускорения и ускорения в режиме выбега на рабочем такте каждого цилиндра двигателя с дополнительным оборудованием определяют механический коэффициент полезного действия каждого цилиндра, при достижении  двигателем  заданной  частоты вращения  определяют цикловую подачу топлива по секциям топливного насоса, по соотношению цикловых подач топлива по секциям топливного насоса измеренного и характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии определяют механический коэффициент полезного действия дополнительного оборудования, умножают средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня на этот коэффициент и по полученным значениям ускорений определяют динамические мощности отдельных цилиндров, по их соотношению судят о степени неравномерности работы цилиндров, а по амплитудам заданных гармонических составляющих - о степени неуравновешенности двигателя, по отношению полученных механических коэффициентов полезного действия каждого цилиндра и механического коэффициента полезного действия дополнительного оборудования определяют механические коэффициенты полезного действия каждого цилиндра без дополнительного оборудования, по обратным величинам умноженных удельного расхода топлива, характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии, и полученных механических коэффициентов полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования определяют индикаторные коэффициенты полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования, по отклонению полученных механических коэффициентов полезного действия дополнительного оборудования, а также механических и индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, от этих величин, характерных для двигателя в нормальном техническом состоянии, судят об изменении технического состояния соответственно дополнительного оборудования,  цилиндров и двигателя в целом.
Поставленная задача в устройстве решается тем, что в известное устройство дополнительно введены датчик  часового расхода топлива, последовательно соединенный с измерителем  часового расхода топлива, задатчики  номинальных значений часового  и удельного  расходов топлива, измеритель коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, измерители механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием и без него, измеритель индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, делитель, а в индикатор введены три дополнительных входа, причем датчик частоты вращения связан с первым сигнальным входом преобразователя временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра временного хранения, третий управляющий вход которого соединен с выходом блока синхронизации начала отсчета угловых меток, выход регистра временного хранения связан с первым сигнальным входом блока регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с задатчиком угловых меток цикла и выходом задатчика номеров угловых меток цилиндров, один из выходов блока регистров сигнала через блок вычисления среднего значения частоты за цикл связан с одним из входов первого селектора уровня,  второй  вход  которого соединен с задатчиком частоты измерения мощности, а выход - с первым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока регистров сигнала, второй выход блока регистров сигнала соединен с первым сигнальным входом первого  дифференциатора, второй выход которого связан с вторым входом задатчика номеров угловых меток цилиндров, вторые управляющие  входы  преобразователя  временного интервала в код и первого дифференциатора соединены с выходом генератора тактовых импульсов, выход блока хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности связан с первым входом индикатора, установочные входы: третий первого дифференциатора, вторые блока синхронизации начала отсчета угловых меток и блока вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый регистра временного хранения, пятый блока регистров сигнала соединены со схемой подготовки к работе, датчик синхронизации последовательно соединен с блоком формирования начала отсчета угловых меток и блоком синхронизации начала отсчета угловых меток, причем выход блока регистров сигнала через второй дифференциатор связан с первым входом блока перестраиваемых цифровых фильтров, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами задатчика номеров угловых меток цилиндров и блока вычисления  среднего значения частоты вращения за цикл, четвертый вход которого соединен с задатчиком номеров гармоник, а  выход - с входом вычислителя среднего значения и максимумов, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами блока хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности и второго селектора уровня, первый вход которого связан задатчиком уровня неуравновешенности, выход - со вторым входом индикатора, выход измерителя  часового расхода топлива соединен с первым входом измерителя коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, второй вход которого связан с задатчиком  номинального значения часового  расхода топлива, выход – с вторым входом делителя, первым входом измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования и с третьим входом индикатора, выход делителя соединен с первым входом блока  хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, а первый вход  - с первым выходом первого дифференциатора, первый выход которого через измеритель механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием соединен с вторым входом измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, выход которого связан с четвертым входом индикатора и первым входом измерителя индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, второй вход которого соединен с задатчиком  номинального значения удельного  расхода топлива, а выход – с пятым входом индикатора, второй вход измерителя  часового расхода топлива соединен с выходом первого селектора уровня, третьи управляющие входы измерителя часового расхода топлива, измерителя коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, делителя, измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием, измерителя индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования соединены с выходом схемы подготовки к работе.
е
м.п
i
е
м.п
т
е
u
е
т
е
ДВС с нормальным техническим состоянием имеет номинальные значения мощностей: эффективной N, внутренних потерь N (преимущественно трения) и индикаторной N=N+N; часового расхода топлива G и удельного расхода топлива g;  механический и индикаторный коэффициенты полезного действия (КПД)  и , где H – низшая теплота сгорания топлива (кДж/кг). ДВС с таким состоянием, установленный на трактор, комбайн, автомобиль, агрегатированный с генератором или с рабочей машиной, имеет эксплуатационную номинальную эффективную мощность , которая меньше мощности N=G/g на величину мощности потерь , затрачиваемой на привод дополнительного оборудования на холостых режимах (гидронасосы, первичный и промежуточные валы коробок главной передачи и отбора мощности, гидротрансформаторы, гидромуфты, компрессоры, ведомые шкивы, шестерни, передачи, карданы  для привода навесного оборудования и пр.), а также общий механический КПД  и коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование :
С учетом формул (1) получим уравнение для определения  и его решение
В свободном разгоне (без нагрузки) динамические мощности ДВС (на испытательном стенде) и ДВС с дополнительным оборудованием (в эксплуатационных условиях) при достижении заданной угловой скорости  (частоты вращения) определяются зависимостями:
где  - приведенные к валу ДВС моменты инерции ДВС с отсутствием и при наличии дополнительного оборудования;  - средние значения за цикл двигателя ускорения коленчатого вала в свободном разгоне с отсутствием и при наличии дополнительного оборудования;  – среднее значение за цикл двигателя угловой скорости коленчатого вала ДВС.
В режиме свободного разгона угловое ускорение коленчатого вала ДВС с дополнительным оборудованием (в эксплуатационных условиях) определяется зависимостями:
i
Т
обор
ц
т
m
де составляющие крутящего момента: М=+ – индикаторная,  – инерционная, М – внутренних потерь (преимущественно трения), М - дополнительного оборудования;  и - компрессионная  и газовая составляющие индикаторного момента;  - регулярная и остаточная составляющие инерционного момента; составляющие углового ускорения:  - компрессионная, газовая,  инерционная регулярная и инерционная остаточная, внутренних потерь и  дополнительного оборудования (с индексом «1» - для одного цилиндра);  - угловое ускорение коленчатого вала, в интервале работы одного цилиндра; i – число цилиндров; ξ - угол сдвига по фазе между термодинамическими составляющими, зависящий от компоновки ДВС; ζ – угол сдвига по фазе между инерционными составляющими, зависящий от конструктивного расположения кривошипно-шатунных механизмов.
о
Так как рабочие процессы в цилиндре четырехтактного ДВС, занимают по углу поворота коленчатого вала (ПКВ) интервал 180, то выделив мгновенные значения (импульсы) ускорения на соответствующем интервале по углу ПКВ относительно опорной точки, например, ВМТ первого цилиндра, можно получить составляющую ускорения для контролируемого цилиндра :
Определяемая в режиме разгона без нагрузки динамическая мощность ДВС (3) зависит от мощностей отдельных цилиндров:
где  - мощности, создаваемые отдельными цилиндрами без дополнительного оборудования и с ним; ускорения  также определяются на интервалах (5).
м.п
Аналогично (3), (6) в свободном выбеге мощности N ДВС (на испытательном стенде) и  ДВС с дополнительным оборудованием  (в эксплуатационных условиях) определяются зависимостями:
обор
где - средние значения за цикл двигателя ускорения коленчатого вала в свободном выбеге с отсутствием и при наличии дополнительного оборудования ;  ε – составляющая ускорения коленчатого вала в свободном выбеге, образуемая за счет дополнительного оборудования (с индексом «1» - для одного цилиндра;  - мощности механических потерь отдельных цилиндров;  - средние значения за цикл двигателя ускорения коленчатого вала в свободном выбеге с отсутствием и при наличии дополнительного оборудования для отдельных цилиндров , определяемые на одних и тех же интервалах, что и (5):
С учетом формул (1)...(8)
где  - механический КПД цилиндра общий (с дополнительным оборудованием), механический КПД цилиндра (без дополнительного оборудования), индикаторный КПД цилиндра (без дополнительного оборудования).
г
В прототипе показано, что в режиме разгона двигателя без нагрузки он нагружается собственными силами сопротивления и при неравномерной работе цилиндров, а также при повышенной неуравновешенности, в угловом ускорении коленчатого вала многоцилиндровых двигателей появляются составляющие ε с частотами
ц
чв
ц
ц
где ϕ - угол поворота коленчатого вала за цикл работы двигателя; ϕ - угол чередования вспышек между соседними группами из двух и более цилиндров (при этом число групп в цикле работы двигателя четное); f - частота цикла работы ДВС (для четырехтактных ДВС f=0,5f, f - частота вращения коленчатого вала, Гц); к - номер гармонической составляющей.
к
к
ин1
ин2
При этом для всех рассмотренных компоновок двигателя номера гармоник f не превышает 3-й гармоники (для двигателей компоновок: 4-Р - 0,5-я и 1-я гармоники; 6-Р и 6-V - 0,5-я и   1,5-я  гармоники;  8-V - 0,5-я и 2-я гармоники; 12-V - 0,5-я, 1-я и 3-я гармоники) и др. Гармоника же ускорения, кратная 4-й гармонике частоты вращения, отражает активные процессы горения топлива и создания положительного крутящего момента. Гармоники ускорения , соответствующие неуравновешенным регулярным инерционным составляющим растут в квадрате от угловой скорости (4) и при номинальной частоте вращения могут превысить уровень индикаторной составляющей углового ускорения. Например, у двигателя компоновки 4-Р не уравновешены полностью силы инерции второго порядка, которые образуют составляющую ускорения , кратную второй гармонике частоты вращения. Кроме того, у ДВС всех компоновок имеются конструктивные остаточные неуравновешенные силы и моменты, которые образуют составляющую ускорения , кратную первой гармонике частоты вращения. Поэтому кроме гармоник ускорения f необходимо у всех двигателей выделять составляющую ускорения , кратную первой гармонике частоты вращения f, а у двигателя компоновки 4-Р – также и составляющую ускорения , кратную второй гармонике частоты вращения f.  Все эти гармоники проявляются и в стационарном режиме работы ДВС под нагрузкой.
При числе цилиндров больше 4-х, повышенной неравномерности работы цилиндров и в особенности при наличии одного и более неработающих (в том числе отключенных каким-либо способом) цилиндров происходит резкое торможение двигателя на участках дефектных (или неработающих) цилиндров, приводящее к существенному снижению угловой скорости (провалу скорости) на этих участках. В результате при измерении ускорений в разгоне на участках рабочих ходов соседних цилиндров и определении распределения мощности по цилиндрам погрешность измерения резко возрастает, что приводит к существенному уменьшению достоверности диагностирования состояния двигателя.
Для уменьшения этой погрешности необходимо из полного ускорения разгона при достижении двигателем с дополнительным оборудованием заданной частоты вращения выделить с привязкой по углу поворота коленчатого вала составляющие ускорения, кратные заданным гармоникам, в том числе гармонику, соответствующую неуравновешенной регулярной инерционной составляющей, которые характерны для двигателя данной компоновки. Затем необходимо вычесть их алгебраически из величин ускорений, полученных на этих участках в разгоне, определить средние значения полученных процессов на соответствующих участках рабочих ходов цилиндров. Относят эти величины ускорений к коэффициенту потерь мощности на дополнительное оборудование. Определяют коэффициент неравномерности эффективной мощности двигателя с дополнительным оборудованием по формуле:
где  - максимальное и минимальное значения ускорений, определенных на участках работы цилиндров в разгоне: ; черта сверху означает усреднение ускорений, измеренных в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров.
k
K
Уровень амплитуд гармоник f ускорения (k - число выделяемых гармоник ускорения для компоновки испытуемого двигателя) отражает степень неуравновешенности двигателя с дополнительным оборудованием, в особенности возрастающую при отключении каким-либо способом части цилиндров в случае недогрузки двигателя. У двигателя данной марки всегда имеются допускаемые остаточные неуравновешенные силы и моменты, вызванные конструктивными и технологическими факторами. Дополнительное оборудование увеличивает механические потери ДВС, а также неуравновешенные силы и моменты. Это приводит к уменьшению амплитуд измеренных ускорений в разгоне на рабочем такте каждого цилиндра и в цикле двигателя с дополнительным штатным оборудованием, а также к их увеличению в режиме выбега. Кроме того, появляются дополнительные гармоники ускорения. Уровень допустимой неуравновешенности двигателя с дополнительным штатным оборудованием при его испытании можно задать с помощью задания допустимых амплитуд гармоник fускорения. Превышение этого уровня свидетельствует о повышенной неуравновешенности двигателя с дополнительным оборудованием.
Для определения распределения индикаторной мощности по цилиндрам двигателя с дополнительным оборудованием измеряют также в режиме выбега на рабочих тактах средние значения ускорений цилиндров, вычитают их алгебраически из полученных ускорений в режиме разгона и по ним определяют коэффициент неравномерности:
где  - максимальное и минимальное средние значения ускорений, определенных на участках работы цилиндров в разгоне и выбеге: ;
Заявляемый способ осуществляется в следующей последовательности.
Непрерывно измеряют при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя с дополнительным штатным оборудованием, а также на рабочем такте каждого цилиндра, с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала, а также часовой расход топлива. Выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, в том числе гармонические составляющие ускорения, вызванные неуравновешенными регулярными силами и моментами. При достижении двигателем с дополнительным штатным оборудованием заданной частоты вращения, вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие. Определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя. При достижении двигателем заданной частоты вращения определяют часовой расход топлива. По соотношению часовых расходов топлива измеренного и характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии определяют коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование. Относят средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, к этому коэффициенту и по соотношению полученных величин судят о распределении эффективной мощности по цилиндрам, а по амплитудам измеренных заданных гармонических составляющих - о степени неуравновешенности двигателя с дополнительным оборудованием. При многократных выбегах от максимальной до минимальной частоты вращения холостого хода без нагрузки в цикле работы, а также на рабочем такте каждого цилиндра, двигателя с дополнительным оборудованием непрерывно измеряют с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала. Вычитают из ускорения разгона коленчатого вала эти ускорения выбега. Определяют средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, По соотношению полученных величин судят о распределении индикаторной мощности по цилиндрам.
Непрерывно измеряют при многократных разгонах от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальной без нагрузки в цикле работы двигателя с дополнительным оборудованием, а также на рабочем такте каждого цилиндра, с привязкой по углу поворота коленчатого вала мгновенные значения угловых скорости и ускорения коленчатого вала. Выделяют заданные гармонические составляющие ускорения, в том числе гармонические составляющие ускорения, вызванные неуравновешенными регулярными силами и моментами. Аналогично измеряют скорости и ускорения в режиме выбега от максимальной до минимальной частоты вращения и при достижении двигателем заданной частоты вращения вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие. Определяют средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя.  По отношению полученных ускорений разгона и суммы этих ускорений и ускорений в режиме выбега на рабочем такте каждого цилиндра двигателя с дополнительным оборудованием определяют механический коэффициент полезного действия каждого цилиндра, а по аналогичному отношению в цикле определяют механический коэффициент полезного действия двигателя в целом с дополнительным оборудованием. По отношению полученных механических коэффициентов полезного действия и коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование определяют механические коэффициенты полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования. По обратным величинам умноженных удельного расхода топлива, характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии, и полученных механических коэффициентов полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования определяют индикаторные коэффициенты полезного действия каждого цилиндра и двигателя в целом без дополнительного оборудования. По отклонению полученных коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, механических и индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, от этих величин, характерных для двигателя в нормальном техническом состоянии, судят об изменении технического состояния соответственно дополнительного оборудования, цилиндров и двигателя в целом.
Устройство (фигура) содержит датчик частоты вращения 1, преобразователь временного интервала в код 2, регистр временного хранения 3, датчик синхронизации 4, блок 5 формирования начала отсчета угловых меток, блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток, блок 7 регистров сигнала, задатчик 8 угловых меток цикла, задатчик 9 номеров угловых меток цилиндров, блок 10  вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, первый селектор уровня 11, задатчик 12 частоты измерения мощности, первый дифференциатор 13, блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, индикатор 15, генератор тактовых импульсов 16, схему подготовки к работе 17, второй дифференциатор 18, блок цифровых перестраиваемых фильтров 19, задатчик номеров гармоник 20, вычислитель среднего значения и максимумов 21, второй селектор уровня 22, задатчик уровня неуравновешенности 23, датчик 24 часового расхода топлива, последовательно соединенный с измерителем 25 часового расхода топлива, задатчики  номинальных значений часового 27 и удельного 32 расходов топлива, измеритель коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование 26, измерители механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием 30 и без него 29, измеритель индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования 31, делитель 28, а индикатор 15 имеет три дополнительных входа.
Блок 2 преобразователя временного интервала в код состоит из триггера управления записью, двух схем совпадений, счетчика тактовых импульсов, счетчика управления записью. Блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл представляет собой микропроцессорную систему, содержащую регистр ввода, общую шину, центральный процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), таймер, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), управляющее устройство (дешифратор адреса). Датчик 1 частоты вращения соединен с первым сигнальным входом преобразователя 2 временного интервала в код, первый информационный и второй управляющий выходы которого соединены соответственно с первым информационным и вторым управляющим входами регистра 3 временного хранения. Третий управляющий вход регистра 3 через последовательно соединенные блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток и блок 5 формирования начала отсчета угловых меток связан с датчиком 4 синхронизации. Выход регистра 3 соединен с первым сигнальным входом блока 7 регистров сигнала, второй и третий управляющие входы которого связаны соответственно с задатчиком 8 угловых меток цикла и выходом задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров. Один их выходов блока 7 соединен через блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл с одним из входов первого селектора уровня 11, второй вход которого соединен с задатчиком 12 частоты измерения мощности, а выход - с первым входом задатчика 9 номеров угловых меток цилиндров и с четвертым управляющим входом блока 7 регистров. Второй выход блока 7 регистров связан с первым сигнальным входом первого цифрового дифференциатора 13, первый выход которого через блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности соединен с индикатором 15, а второй - со вторым входом задатчика 9. Вторые управляющие входы преобразователя 2 и первого дифференциатора 13 соединены с генератором тактовых импульсов 16. Третий управляющий вход первого дифференциатора 13, вторые управляющие входы блока 10 вычисления среднего значения частоты вращения и блока 6 синхронизации, установочные входы: четвертый регистра 3 и пятый блока регистров 7 соединены со схемой 17 подготовки к работе. Выходы преобразователя 2 соединены с сигнальным и вторым управляющим входами регистра 3. Выход измерителя 25 часового расхода топлива соединен с первым входом измерителя 26 коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, второй вход которого связан с задатчиком  27 номинального значения часового  расхода топлива, выход – с вторым входом делителя 28, первым входом измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования 29 и с третьим входом индикатора 15. Выход делителя 28 соединен с первым входом блока 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, а первый вход  - с первым выходом первого дифференциатора 13, первый выход которого через измеритель 30 механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием  соединен с вторым входом измерителя механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования 29, выход которого связан с четвертым входом индикатора 15 и первым входом измерителя индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования 31, второй вход которого соединен с задатчиком 32 номинального значения удельного  расхода топлива, а выход – с пятым входом индикатора15. Второй вход измерителя 25 часового расхода топлива соединен с выходом первого селектора уровня 11. Третьи управляющие входы измерителя 25 часового расхода топлива, измерителя 26 коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, делителя 28, измерителя 29 механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, измерителя 30 механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием, измерителя 31 индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования соединены с выходом схемы 17 подготовки к работе.
ϕ
oп
ϕн
ϕк
к
ин1
ин2
Датчик 1 частоты вращения формирует стандартные импульсы, частота появления которых пропорциональна угловой скорости вращения вала ω, количество N - углу поворота  ϕ    коленчатого вала двигателя. Последовательность этих импульсов преобразуется в преобразователе 2 временного интервала в код в последовательность чисел (кодов), которые через регистр временного хранения 3 последовательно поступают на информационный вход блока 7 регистров сигнала. Датчик синхронизации 4 формирует один импульс за цикл работы двигателя (для четырехтактного ДВС - за 720°). Момент появления импульса синхронизации соответствует определенному моменту цикла. Блок 5 формирования начала отсчета угловых меток выделяет передний фронт импульса датчика 4 синхронизации. Если на управляющем входе блока 6 синхронизации начала отсчета угловых меток стоит сигнал "0", с его выхода на третий управляющий вход регистра 3 временного хранения поступает сигнал, запрещающий запись информации в этот регистр. Если на управляющий вход блока 6 поступил импульсный сигнал "1", то с приходом первого импульса с блока 5 на выходе блока б появляется потенциал, разрешающий запись информации в регистр 3. После чего первое число, соответствующее первому временному интервалу с преобразователя 2, записывается в регистре 3. Поступающие затем коды временных интервалов с преобразователя 2 через регистр 3 записываются поочередно в блоке 7 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, разрешение на запись в которые поступило от задатчика 8 угловых меток цикла. Информация, хранящаяся в блоке 7, поступает с первого выхода на блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл и со второго выхода - на первый сигнальный вход первого цифрового дифференциатора 13. Код числа, соответствующий среднему значению частоты вращения за цикл, поступает на первый вход первого селектора уровня 11, где сравнивается с кодом, выставленным задатчиком 12 частоты измерения мощности. Первый селектор уровня 11 непрерывно следит за изменяющейся в разгоне частотой вращения и фиксирует момент достижения двигателем заданного значения частоты п, при которой требуется определить мощность двигателя. Этому моменту соответствует сигнал на выходе первого селектора 11, который подается на четвертый управляющий вход блока 7 регистров и прекращает запись информации в регистры блока 7 и измеритель 25 часового расхода топлива. Таким образом, в блоке 7 регистров хранятся числа, соответствующие 2Z (или 4Z) временным интервалам между соседними угловыми метками, а в измерителе 25 код часового расхода топлива. В соответствии с выставленными задатчиком 9 номерами угловых меток начала N и конца N каждого из цилиндров на первый дифференциатор 13 подаются соответствующие коды и вычисляются ускорения на участках рабочих ходов цилиндров по известным формулам. Преобразование временных интервалов преобразователем 2 и управление дифференциатором 13 осуществляется с помощью генератора 16 тактовых импульсов. Вычисленные блоком 13 коды ускорения в разгоне и в выбеге подаются на делитель 28 или через него непосредственно в блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности. Информация с блока 7 регистров сигнала, поступающая на блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения, одновременно подается на первый информационный вход второго цифрового дифференциатора 18, второй управляющий вход которого соединен с генератором тактовых импульсов 16. Вычисленные вторым дифференциатором 18 коды мгновенных значений ускорений коленчатого вала за цикл работы двигателя подаются на первый информационный вход блока 19 цифровых перестраиваемых фильтров. На управляющие входы блока 19 подаются сигналы: на второй - с выхода задатчика номеров угловых меток цилиндров, на третий - с выхода блока 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл, на четвертый - с задатчика номеров гармоник. В соответствии с этими управляющими сигналами в блоке 19 происходит перестройка фильтров на номера гармоник ускорения, соответствующих компоновке испытуемого двигателя и неуравновешенным регулярным силам и моментам, которые кратны заданной частоте вращения, выделение из суммарного сигнала ускорения коленчатого вала соответствующих гармоник, временное запоминание отсчетов мгновенных значений этих гармоник согласно номерам угловых меток цилиндров и их передача на информационный вход вычислителя 21 среднего значения и максимумов, в котором рассчитываются средние значения гармоник f, f и f на участках рабочих ходов цилиндров и максимальные значения (амплитуды) этих гармоник. С первого выхода вычислителя 21 средние значения гармоник на участках рабочих ходов цилиндров поступают на второй информационный вход блока 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности.
к
При достижении двигателем заданной частоты вращения с помощью датчика 24 и измерителя 25 определяют часовой расход топлива. Код сигнала, соответствующий часовому расходу топлива, хранится в измерителе 25 и подается на первый вход измерителя 26. По соотношению часовых расходов топлива измеренного и характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии, задаваемого задатчиком 27 номинального значения часового расхода топлива, код которого подается на второй вход измерителя 26, по зависимости (2) измерителем 26 рассчитывается коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование. В делителе 28 ускорения в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, а также в цикле работы двигателя, поступающие с выхода первого дифференциатора 13 на первый вход делителя 28, относят к этому коэффициенту, значение которого (код) подается на второй вход делителя 28. В блоке 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности, хранятся данные о распределении эффективной мощности по цилиндрам двигателя с дополнительным оборудованием и рассчитывается коэффициент неравномерности по формуле (11). В режиме измерения распределения индикаторной мощности по цилиндрам коды ускорений разгона и выбега двигателя с дополнительным оборудованием беспрепятственно проходят с выхода первого дифференциатора 13 через делитель 28 на вход блока 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности. В этом режиме в блоке 14 рассчитывается коэффициент неравномерности по формуле (12). Коды максимальных значений (амплитуд) выделенных гармоник f (10) подаются на первый вход второго селектора уровня 22, на второй вход которого подаются коды с задатчика 23 уровня неуравновешенности, которые соответствуют допускаемым значениям амплитуд указанных гармоник. При превышении заданного допускаемого уровня сигнал подается на второй вход индикатора 15, на котором он высвечивается в абсолютной величине или в процентах. Коды ускорений разгона и выбега двигателя с дополнительным оборудованием с выхода первого дифференциатора 13 одновременно подаются на вход измерителя 30, в котором по зависимостям (9) определяются механические коэффициенты полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием  (общие КПД). С выхода измерителя 30 коды полученных значений этих механических КПД подаются на второй вход измерителя 29, в котором по зависимостям (9) определяются механические коэффициенты полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования  (собственно двигателя). С выхода измерителя 29 механических коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования коды этих КПД поступают на первый вход измерителя 31, на второй вход которого подаются значения кода с задатчика 32 номинального значения удельного расхода топлива. В измерителе 31 по зависимостям (9) определяются индикаторные коэффициенты полезного действия цилиндров и двигателя в целом . Значения кодов коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование , коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом без  дополнительного оборудования , а также индикаторных коэффициентов полезного действия цилиндров и двигателя в целом , с выходов измерителей 26, 29 и 31 соответственно подаются на третий, четвертый и пятый входы индикатора 15 соответственно.
i
Результаты измерения коэффициентов неравномерности и ускорений ε отдельных цилиндров выводятся также при необходимости последовательно на индикатор 15. При подготовке устройства к работе с помощью схемы 17 подготовки к работе осуществляется сброс информации, хранящейся в регистре 3, блоке 7 регистров, блоке 10 вычисления среднего значения частоты, первом дифференциаторе 13, измерителе 25 часового расхода топлива, измерителе 26 коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование,  делителе 28, измерителе 30 механических КПД цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием, измерителе 29 механических КПД цилиндров и двигателя в целом (без дополнительного оборудования), измерителе 31 индикаторных КПД цилиндров и двигателя в целом (без дополнительного оборудования),  а также осуществляется подготовка к работе блока 6 синхронизации.
По отклонению полученных коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, а также механических и индикаторных КПД цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, от аналогичных величин, характерных для двигателя в нормальном техническом состоянии, судят об изменении технического состояния соответственно дополнительного оборудования, цилиндров и двигателя в целом.
В качестве датчика 1 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. Преобразователь 2 временного интервала в код построен по известной схеме. В качестве датчика 4 синхронизации может быть использован, например, датчик начала подачи или впрыска топлива в один из цилиндров в дизельных, датчик зажигания одного из цилиндров в карбюраторных двигателях. Блок 5 формирования начала отсчета угловых меток может включать в себя последовательно соединенные пиковый детектор, аналоговый дифференциатор и формирователь импульсов (триггер Шмитта). Постоянная времени заряда пикового детектора выбирается из условия неискаженного выделения переднего фронта виброимпульса впрыска, а разряда - из условия разряда емкости на 80 - 90% к моменту прихода следующего виброимпульса от впрыска топлива в тот цилиндр, на котором установлен вибродатчик. Применение такой схемы блока 5 позволяет устранить помехи от впрысков топлива в другие цилиндры и от соударения деталей. Блок 6 синхронизации начала отсчета угловых меток представляет собой статический триггер, на один из входов которого подаются импульсы с блока 5, а на второй - сигналы "0" или импульсный "1", которые подаются со схемы подготовки к работе по команде или с помощью кнопки. Разрядность преобразователя 2, регистра 3 и регистров блока 7 определяется требуемой погрешностью преобразования временного интервала. Задатчик угловых меток цикла 8 состоит из одного или более (в зависимости от числа марок контролируемых двигателей) декадных переключателей, при каждом положении которого определяется число 2Z регистров блока 7, на которые подается сигнал разрешения записи. Задатчик 9 номеров угловых меток цилиндров состоит из дешифратора, соединенного своими выходами с блоком регистров 7, десятичного счетчика числа цилиндров, соединенного своими выходами с управляющими входами дешифратора; схемы объединения ИЛИ, выход которой соединен со счетным входом счетчика, один вход - со вторым выходом первого дифференциатора 13, а второй вход через схему формирования переднего фронта - с выходом первого селектора 11; переключателя марки двигателя, соединенного своими выходами с информационными входами дешифратора. Дешифратор разбит на группы, число которых равно числу цилиндров для данной марки двигателя, т.е. определяется положением переключателя марки двигателя. Выходы каждой группы подсоединены к соответствующим управляющим входам блока 7 регистров сигналов. Количество этих выходов определяется числом угловых меток, приходящихся на рабочий такт контролируемого цилиндра. При установке переключателя в заданное положение на управляющие входы соответствующих групп дешифратора подается потенциал, разрешающий коммутацию регистров блока 7, при условии, что на других управляющих входах данной группы дешифратора имеется разрешающий потенциал от счетчика числа цилиндров. При появлении сигнала на выходе первого селектора 11 с помощью схемы выделения переднего фронта формируется импульс, который через схему ИЛИ подается на счетный вход десятичного счетчика числа цилиндров. С выхода "1" счетчика разрешающий потенциал поступает на управляющие входы той группы дешифратора, которая коммутирует регистры блока 7, содержащие информацию о рабочем такте первого цилиндра. Эта информация поступает в первый дифференциатор 13. По окончании вычисления ускорения на рабочем такте первого цилиндра со второго выхода первого дифференциатора 13 подается импульс через второй вход схемы ИЛИ на счетный вход счетчика числа цилиндров, с выхода "2" которого разрешающий потенциал подается на группу дешифратора, коммутирующую регистры, которые определяют временные интервалы на рабочем такте контролируемого цилиндра. Далее процесс повторяется.
oп
oп
oп
oп
1
-1
Блок 10 вычисления среднего значения частоты вращения за цикл представляет собой арифметическое устройство (микро-ЭВМ), осуществляющее операцию нахождения среднего арифметического чисел, поступающих с блока 7 регистров, а также добавление последующего и вычитание первого числа, если п<п в разгоне п>п или в выбеге. С блока регистров 7 сигнал проходит через регистр ввода на общую шину, откуда может быть передан в ОЗУ или непосредственно центральному процессору, который обменивается через общую шину с другими блоками системы. ОЗУ хранит (при необходимости) коды сигналов, поступающих с регистра ввода, а также промежуточные результаты вычисления процессора. Таймер задает ритм работы микропроцессорной системы. ПЗУ хранит константы и программу, реализующую алгоритм вычисления среднего значения частоты вращения за цикл. Управляющее устройство осуществляет взаимодействие блоков системы согласно заданному алгоритму: подключает регистр ввода, ОЗУ, ПЗУ или процессор к общей шине на прием или передачу информации. Центральный процессор осуществляет: суммирование 2Z чисел, поступающих с блока 7 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 мин по известной формуле; нахождение среднего значения частоты вращения за два оборота; передачу полученного числа на первый селектор уровня 11; при выполнении неравенства п<п в разгоне или п>п в выбеге добавление кода следующего (2Z +1)-го числа и вычитание кода первого числа Z.
ц
ц
к
ин1
ин2
к
ин1
ин2
к
к
Первый селектор уровня 11 представляет собой цифровую схему сравнения кодов, поступающих с блока 10 и задатчика 12 частоты измерения мощности. Последний в свою очередь состоит из набора декадных переключателей (четыре переключателя), с помощью которых выставляется требуемая частота измерения мощности, дешифратора и регистра, формирующих на выходе код, соответствующий этой частоте. Первый дифференциатор 13 является арифметическим устройством (микро-ЭВМ), осуществляющим последовательный расчет ускорения на рабочем такте каждого из цилиндров по известной формуле. Необходимые для этого коды чисел, хранящихся в регистре 7, передаются на первый дифференциатор 13. Номера этих чисел определяются задатчиком 9.  В качестве таймера, управляющего работой первого дифференциатор 13, может использоваться генератор 16 тактовых импульсов (он может также управлять работой блоков 10, 14 и 18). Блок 14 хранения ускорений и вычисления коэффициента неравномерности построен аналогично блоку 10. ОЗУ хранит i отсчетов (i - число цилиндров), измеренных в разгоне, столько же на выбеге и промежуточные результаты вычислений, обеспечивающие нормальное функционирование центрального процессора. Процессор осуществляет: алгебраическое вычитание из кодов чисел ускорений, измеренных в разгоне на соответствующих участках цилиндров, которые поступают в блок 14 с дифференциатора 13 или с делителя 28, кодов чисел, измеренных на выбеге, и кодов чисел, поступающих с вычислителя 21 среднего значения и максимумов; нахождение максимального и минимального значений полученных ускорений; вычисление коэффициента неравномерности по формулам (11) или (12). При недостаточном быстродействии блока 14 для обеспечения расчетов при быстром переходе с режима разгона на выбег емкость блока регистров 7 может быть увеличена дополнительно для хранения 2Z отсчетов, измеренных на выбеге. Результаты вычисления индицируются на цифровом табло (индикаторе 15). В качестве схемы 17 подготовки к работе может выступать кнопка, соединенная с формирователем импульсов. Устройство второго дифференциатора 18 аналогично устройству первого дифференциатора 13 за исключением того, что он вычисляет мгновенные значения углового ускорения в течение всего цикла работы двигателя. Блок 19 цифровых перестраиваемых фильтров представляет собой набор параллельных фильтров, настроенных на   частоты f, f и f, которые перестраиваются в соответствии с заданной частотой вращения, на которой производится измерение. Цифровые фильтры могут быть построены по типовой схеме (например, реализующей быстрое преобразование Фурье), в том числе и на микро-ЭВМ. Задатчик 20 номеров гармоник может состоять из декадного переключателя, с помощью которого включаются в работу фильтры, настроенные на частоты f, характерные для компоновки испытуемого двигателя, а также гармоники f и f, соответствующие неуравновешенным инерционным регулярным составляющим углового ускорения. Вычислитель 21 среднего значения и максимумов может быть построен аналогично блоку 10 и осуществляет операцию нахождения на участках рабочих ходов цилиндров среднего арифметического значения чисел, поступающих с блока 19 цифровых перестраиваемых фильтров, а также нахождение максимальных значений (амплитуд) гармоник f. Второй селектор уровня 22 построен аналогично первому селектору 11 и осуществляет сравнение кодов, поступающих с вычислителя 21 и задатчика 23 уровня неуравновешенности. Задатчик 23 уровня выполняется аналогично задатчику 12 частоты измерения мощности. С помощью набора декадных переключателей выставляется требуемый уровень гармоник f, с помощью дешифратора и регистра формируется код, который поступает на вход второго селектора уровня 22.
Определение часового расхода топлива может осуществляться одним из способов в динамических режимах ДВС. Например, в режиме разгона измеряется максимальное значение скорости изменения уровня (потока) топлива (Патент RU 2084834, кл. G01F9/00). При этом датчик часового расхода топлива 24 является первичным емкостным преобразователем, установленным в резервуаре с нормированным объемом топлива, а измеритель 25 часового расхода топлива – измерителем изменяющейся емкости (скорости) с последующим преобразованием максимального значения в код. Измерители 26, 29, 30 и 31 являются микропроцессорными спецвычислителями. В измерителе 26 рассчитывается коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование согласно (2) при поступлении кодов с измерителя 25 и задатчика 27.  Задатчики 27 и 32 номинального значения часового и удельного расходов топлива выполнены аналогично задатчику 12. В измерителе 30 по зависимостям (9) определяются механические коэффициенты полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием. В измерителе 31 по зависимостям (9) определяются индикаторные коэффициенты полезного действия собственно цилиндров и двигателя в целом. Значения кодов коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, КПД цилиндров и двигателя в целом без дополнительного оборудования, а также индикаторных КПД цилиндров и двигателя в целом подаются на входы индикатора 15 для их визуализации на цифровом табло (терминале).
Служебные связи между вычислительными блоками 10, 13, 14, 18, 19, 21, 26, 28, 29, 30, 31 и остальными ("запрос на прерывание", "готовность к обслуживанию внешних устройств" и др.) на фигуре не показаны как несущественные.
K
ин1
ин2
Принцип действия предлагаемого устройства при определении эффективной мощности отдельных цилиндров двигателя с дополнительным оборудованием без их отключения заключается в измерении в разгоне на участке работы проверяемого цилиндра среднего значения ускорения, среднего значения гармоник f, f и f, вычитании (алгебраически) этих значений из первого. Измеряют часовой расход топлива двигателя с дополнительным оборудованием. По соотношению часовых расходов топлива измеренного и характерного для двигателя в нормальном техническом состоянии определяют коэффициент потерь мощности на дополнительное оборудование. Относят средние значения полученных величин ускорений в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня к этому коэффициенту и по этим величинам судят об эффективной мощности отдельных цилиндров двигателя с дополнительным оборудованием, по соотношению этих величин судят о распределении эффективной мощности по цилиндрам, а по амплитудам измеренных заданных гармонических составляющих - о степени неуравновешенности двигателя с дополнительным оборудованием.
K
ин1
ин2
Принцип действия предлагаемого устройства при определении индикаторной мощности отдельных цилиндров двигателя с дополнительным оборудованием без их отключения заключается в аналогичном измерении в разгоне на участке работы проверяемого цилиндра среднего значения ускорения, среднего значения гармоник f, f и f вычитании (алгебраически) этих значений из первого. Затем в выбеге на этом же участке (или наоборот) измеряют среднее значение ускорений коленчатого вала. Вычитают из ускорения разгона коленчатого вала это ускорение выбега. По полученной величине судят об индикаторной мощности цилиндра двигателя с дополнительным оборудованием. По соотношению этих величин для отдельных цилиндров судят о распределении индикаторной мощности по цилиндрам.
oп
к
ин1
ин2
к
ин1
ин2
С помощью преобразователя 2 временные интервалы между соседними угловыми метками преобразуются в код и с момента поступления с блока 6 синхронизации на регистр 3 разрешающего потенциала, вызванного появлением сигнала с датчика 4, они проходят через регистр 3 в блок 7 регистров и последовательно записываются. Количество чисел (кодов), хранящихся в регистре 7 (длина массива), определяется задатчиком 8. Нумерация чисел в соответствии с их положением в цикле работы двигателя определяется задатчиком 9. Коды чисел из блока 7 поступают в блок 10, где происходит вычисление среднего значения частоты вращения за цикл (за 2 или 4 поворота коленчатого вала на угол 360°). Полученное значение сравнивается в селекторе 11 с опорным значением, установленным заранее задатчиком 12, и в случае их равенства сигнал с выхода селектора 11 подается на четвертый управляющий вход блока 7 регистров, который прекращает дальнейшую запись в него чисел, а также на управляющий вход измерителя 25 часового расхода топлива, который прекращает поступление сигнала с датчика 25. Если же измеренное п меньше требуемого п, то блок 10 производит добавление кода следующего числа: (2Z+l)-ro или (4Z+l)-ro и вычитание кода первого числа. С момента прекращения записи чисел в блок 7 производится их последовательная пересылка в первый цифровой дифференциатор 13, в котором происходит вычисление ускорений на рабочих тактах цилиндров по известным формулам. Коды рассчитанных ускорений передаются последовательно в делитель 28. Измеренный с помощью датчика 24 и измерителя 25 код часового расхода топлива подается на первый вход измерителя 26. В измерителе 26 рассчитывается коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование согласно (2) при поступлении кодов с измерителя 25 и задатчика 27.  Код этого коэффициента с выхода измерителя 26 подается на второй вход делителя 28. Коды ускорений в разгоне, поступающие с выхода первого цифрового дифференциатора 13 на первый вход делителя 28, делятся на код этого коэффициента. Полученные коды подаются на первый вход блока 14. Блок 14 осуществляет хранение ускорений, вызванных работой отдельных цилиндров в разгоне, алгебраическое вычитание из ускорений разгона ускорений гармоник f,  f и f на участках работы цилиндров, расчет коэффициента неравномерности эффективной мощности двигателя с дополнительным оборудованием и последовательный вывод на цифровое табло индикатора 15 (в автоматическом или ручном режимах) ускорений, вызванных работой отдельных цилиндров в разгоне (за вычетом средних значений гармоник f, f и f), которые характеризуют эффективную мощность отдельных цилиндров, а также всех цилиндров вместе и рассчитанного коэффициента неравномерности.
к
ин1
ин2
При определении индикаторной мощности отдельных цилиндров двигателя с дополнительным оборудованием без их отключения коды ускорений в разгоне и выбеге с выхода первого цифрового дифференциатора 13 проходят беспрепятственно через делитель 28 на первый вход блока 14. В этом режиме блок 14 осуществляет хранение ускорений, вызванных работой отдельных цилиндров в разгоне и в выбеге, алгебраическое вычитание из ускорений разгона ускорений выбега и гармоник f, f и f на участках работы цилиндров, расчет коэффициента неравномерности индикаторной мощности двигателя и последовательный вывод на цифровое табло индикатора 15 (в автоматическом или ручном режимах) ускорений разгона и выбега, а также их разности, вызванных работой отдельных цилиндров, которые характеризуют индикаторную мощность отдельных цилиндров, а также всех цилиндров вместе и рассчитанного коэффициента неравномерности индикаторной мощности.
Измеренные ускорения в разгоне, выбеге и их алгебраическая разность характеризуют соответственно эффективную мощность, мощность потерь и индикаторную мощность, а также соответствующие полные мощности двигателя. При желании, умножив ускорения на постоянный для данной марки двигателя коэффициент, можно индицировать мощность в киловаттах. При определении мощности двигателя в целом работа устройства аналогична за исключением того, что расчет ускорения производится при использовании всех 2Z (или 4Z) чисел, хранящихся в блоке 7. Этот режим определяется задатчиком 9. Перед началом измерений оператором устанавливается с помощью задатчика 8 требуемая длина массива чисел, записываемых в блок 7, с помощью задатчика 9 осуществляется нумерация отсчетов, хранящихся в блоке 7, в соответствии с чередованием рабочих тактов цилиндров. С помощью задатчика 20 устанавливаются номера гармоник, выделяемых блоком 19 цифровых фильтров, а с помощью задатчика 23 - допускаемый уровень неуравновешенности ДВС. С помощью схемы 17 осуществляется установка в исходное состояние регистра 3, блоков 7 и 10, первого дифференциатора 13, блоков 25, 26, 29, 30, 31, триггер блока 6 устанавливается в одно из устойчивых состояний. С помощью схемы 17 может осуществляться установка в исходное состояние также блоков 18, 19 и 21. С приходом импульса синхронизации с датчика 4 триггер блока 6 устанавливается в другое устойчивое состояние, при этом блокируется первый вход блока 6 и дается разрешение на запись в регистре 3 кода, поступающего с преобразователя 2. Таким образом, первый временной интервал, записанный в блок 7, соответствует одной и той же угловой метке, следующей непосредственно за началом впрыска топлива  в  цилиндр,  на котором установлен датчик 4. Так как вход блока 6 заблокирован, то в блоках 7 и 21 хранятся отсчеты, начиная с первой угловой метки. Далее в разгоне и выбеге указанная угловая метка служит опорной и определяет нумерацию отсчетов, хранящихся в блоках 7 и 21.  Погрешность, вносимая несовпадением опорного импульса с импульсом впрыска, не превышает интервала между соседними угловыми метками и при достаточно большом их числе (больше 100) вносимая погрешность ничтожна.  Кроме того, после впрыска до момента начала горения газовые силы, характеризующие индикаторную мощность цилиндра, еще не формируют положительного ускорения. Остальные блоки работают аналогично режимам измерения мощностей отдельных цилиндров. В режиме разгона двигателя импульс впрыска топлива может расширяться и появляются дополнительные всплески, которые могут быть приняты за начало впрыска топлива. Так как с ростом частоты вращения впрыск топлива смещается в сторону позднего угла и, кроме того, между моментами впрыска и начала горения еще не создается положительного ускорения коленчатого вала, а также с учетом того, что впрыск топлива на выбеге отсутствует, то с целью повышения помехоустойчивости измерений возможно выделить опорную угловую метку только один раз - в стационарном режиме частоты вращения или в начале разгона.
Коды ускорений в разгоне и выбеге с выхода первого цифрового дифференциатора 13 одновременно поступают на вход измерителя 30, в котором по зависимостям (9) определяются механические коэффициенты полезного действия цилиндров и двигателя в целом с дополнительным оборудованием. Коды этих КПД  с выхода измерителя 30 подаются на второй вход измерителя 29 КПД собственно двигателя и его цилиндров (без дополнительного оборудования), на первый вход которого одновременно подается код коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование с выхода измерителя 26. Рассчитанные в измерителе 29 коды КПД собственно двигателя и его цилиндров поступают на первый вход измерителя 31 индикаторных коэффициентов полезного действия собственно цилиндров и двигателя в целом. По отклонению измеренных и выведенных на индикатор 15 коэффициента потерь мощности на дополнительное оборудование, КПД цилиндров и двигателя в целом без  дополнительного оборудования, а также индикаторных КПД цилиндров и двигателя в целом с аналогичными значениями КПД, присущими двигателю в нормальном техническом состоянии, судят о техническом состоянии испытуемого ДВС и его дополнительного оборудования.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1629777, кл. G 01 М 15/00, 1988.
2. Патент RU 2208771 кл. G 01 L 23/08, G 01 М 15/00, 2003
3. Авторское свидетельство СССР №1789898, кл. G 01 L 23/08, 1993.