Способ тарировки индикаторной диаграммы для двигателей внутреннего сгорания, полученной косвенным путем
CALIBRATION METHOD OF INDICATOR DIAGRAM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES OBTAINED INDIRECTLY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для безразборной диагностики поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях, при управлении и оптимизации двигателей, при доводочных испытаниях и исследованиях рабочего процесса двигателя, в том числе на переходных и неустановившихся режимах работы.
Известны различные способы тарировки при прямом и косвенном индицирования рабочего процесса ДВС, обеспечивающие для целей безразборного диагностирования высокую информативность полезного сигнала, но отличающиеся друг от друга рядом достоинств и недостатков.
Известен способ тарировки при прямом и косвенном индицировании, который обеспечивается путем установки датчика давления на крышке (головке) цилиндра и связанного с камерой сгорания длинным каналом (см. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: учебник / И.Я. Райков. - М.: Высш. шк., 1975. - С. 242-249). В зависимости от типа измерительной аппаратуры прописываются на диаграмме тарировочные линии давления при вращении барабана прибора при задании давлений, контролируемых по эталонному манометру (пневмоэлектрический комплекс МАИ-2), что позволяет последующую количественную обработку полученной диаграммы.
При снятии же одноцикловых индикаторных диаграмм (датчики тензометрические или пьезокварцевые в комплекте с усилительно-записывающей аппаратурой) перед испытаниями и после записывают результат тарировки датчика совместно с комплектом усилительно-записывающей аппаратуры при установке датчика в специальный тарировочный цилиндр, где задается давление от баллона со сжатым воздухом.
Недостатком вышеприведенных известных способов тарировки является погрешность записи давления в цилиндре двигателя (динамика) и в специальном цилиндре (статика) из-за длинного канала, соединяющего датчик с камерой сгорания, так как на записываемое давление и его запаздывание оказывают влияние волновые пульсации давления в канале и местные сопротивления. Высокая температура крышки цилиндра существенно влияет на результаты записи диаграммы, а усредненное за несколько циклов давление снижает информативность сигнала. Дополнительная погрешность измерений вызывается постоянной тарировкой измерительного тракта из-за дрейфа нуля датчика и усилителей, особенно характерных для пьезоэлектрических измерительных комплексов. Именно для этого тарировка производится до эксперимента и после, результаты усредняются, последнее также способствует появлению дополнительной ошибки при тарировке. Имеют место большие временные и материальные потери.
Известен также способ косвенного индицирования ДВС путем измерения напряжений, действующих в шпильках или болтах и передающихся через головку блока цилиндров как результат воздействия на нее сил инерции и давления газов (см. Патент на изобретение РФ №2178158, МПК G01M 15/00, публикация 10.01.2002). Полученную косвенную индикаторную диаграмму обрабатывают путем выделения (анализа) из нее сил инерции, внутренних сил и моментов, действующих в головке блока двигателя. В результате получают индикаторную диаграмму. Тарировка осуществляется путем последовательного задания давления в цилиндре с последующими измерениями показаний датчиков.
Недостатком данного способа тарировки является недостаточно высокая достоверность получаемой индикаторной диаграммы из-за неравномерной затяжки шпилек или болтов при сборке (их количество от 4-х до 8-и) и соответствующего перераспределения напряжений, при работе происходит вытяжка шпилек и болтов, при этом меняется тарировка тензодатчиков, а при переборках двигателя сложно восстановить масштаб показаний датчики до исходного состояния. Главный недостаток способа - тарировка датчиков. Для многоцилиндрового двигателя практически невозможно обеспечить одинаковый масштаб из-за условий наклейки датчиков, точности выбора их места расположения и из-за влияния различия в температурных режимах цилиндров, различия вытяжки болтов и шпилек.
Следовательно, выделяемая индикаторная диаграмма не будет соответствовать реальной не только из-за точности выделения инерционных сил, но также и за счет тарировки датчиков.
Наиболее близким по технической сущности является способ расчетного получения косвенных индикаторных диаграмм в цилиндрах ДВС по измерению напряжений, действующих в кривошипно-шатунном механизме (см. Патент на изобретение РФ №2451276, МПК G01M 15/04, публикация 20.05.2012, который принят за прототип).
В данном способе:
- исключается неидентичность условий работы датчиков и при их тарировке, в отличие от датчиков, установленных на шпильках, крепящих крышки цилиндров, так как все шатуны находятся в одинаковых условиях;
- тензометрические датчики на шатуне работают в пределах закона Гука, что исключает нелинейность измерений во всем диапазоне режимов нагружения, поэтому достаточно производить статическую тарировку;
- тарировка измерительного комплекса (статическая и динамическая) решается путем ступенчатого задания давления воздуха в каждом цилиндре при положении поршня в верхней мертвой точке (при статической тарировке) и мгновенного сброса давления (при динамической). Тарировка может быть выполнена также, например, путем создания контролируемого усилия в шатуне на сжатие-растяжение на разрывных машинах непосредственно перед сборкой двигателя. Тарировка требует много времени, а динамическая тарировка путем сброса давления связана с нелинейностью давления при выпуске воздуха из цилиндра, что снижает точность результатов.
Для уменьшения временных и материальных затрат при тарировке датчиков способ косвенного индицирования позволяет реализовать достоинство используемого в аналоге анализа действующих газовых сил и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс с выделением полезного сигнала давления газов в цилиндре как функции угла поворота коленчатого вала и используемого в виде тарировочного уравнения датчика.
Технической задачей изобретения является обеспечение дешевого, быстрого, точного и надежного способа тарировки индикаторной диаграммы при безразборной диагностике поршневых двигателей по результатам косвенного индицирования в эксплуатационных условиях, при управлении и оптимизации двигателей, при доводочных испытаниях и исследованиях рабочего процесса двигателя, в том числе на переходных и неустановившихся режимах работы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе тарировки индикаторной диаграммы, полученной косвенным путем как функции угла поворота коленчатого вала и включающим измерения механических напряжений от действия давления газов в цилиндре двигателя и сил инерции возвратно-поступательных движущихся масс шатуна с последующим преобразованием полученной величины давления газов в виде выходного напряжения датчика, согласно изобретения, тарировка выполняется на базе аналитического тарировочного уравнения путем последовательного вычисления коэффициента маштабирования и коэффициента, определяющего смещения измеренного сигнала вдоль оси абсцисс тарировочного графика и последующего последовательного определения действительных значений давления как функции угла поворота коленчатого вала путем использования тарировочного уравнения с получением тарированной индикаторной диаграммы, используемой для безразборной диагностики двигателя внутреннего сгорания при его настройке, управлении или ремонте.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в сокращении временных и материальных затрат на тарировку при проведении косвенного индицирования, повышению достоверности и точности получаемых индикаторных диаграмм для поршневых ДВС, возможности более широкого использования для целей безразборной диагностики двигателей в эксплуатационных условиях, при управлении и оптимизации двигателей, при доводочных испытаниях и исследованиях рабочего процесса двигателя, в том числе на переходных и неустановившихся режимах работы.
Предложенное техническое решение по тарировке в сравнении с прототипом позволяет повысить достоверность и точность косвенного индицирования и снизить материальные и временные за счет следующего:
- измерения выполняются тензометрами сопротивления, установленными непосредственно на стержне шатуна и работающими при одинаковых условиях, что при тарировке исключает влияние на точность измерений самой установки датчиков, режима нагружения и температурного состояния, при этом не вносится дополнительная погрешность тарировочного устройства;
- пересчет напряжений на стержне шатуна на давления в цилиндре как функции от угла поворота коленчатого вала выполняется на основе известного тарировочного уравнения, коэффициенты которого определяются однозначно на базе аналитического решения и позволяют выполнить переходот измеренных напряжений непосредственно к искомому давлению газов в цилиндре;
- отпадает необходимость в проведении тарировки кривой давления трудоемкими способами, что также вносит погрешности в оценку значений давлений индикаторной диаграммы.
Это позволяет с высокой точностью учесть все действующие силы (газовые и инерционные) и обратным пересчетом выйти на искомую реальную зависимости давления газов в цилиндре от угла поворота коленчатого вала, при этом погрешность вычислений при точном вычислении величин движущихся масс КШМ определяется только работой измерительного канала;
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На фиг. 1 приведена схема сил в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) и график изменения силы К, действующей по стержню шатуна за цикл. При этом в интервале между пунктирными линиями цилиндр сообщен с атмосферой через органы газораспределения или не имеет сообщения. На графике (справа) представлена кривая записи электрического сигнала U, В как функция угла поворота коленчатого вала. Значения Uмax и Uмин определяются исключительно силами инерции и могут быть использованы при определении коэффициентов так называемого тарировочного уравнения.
На фиг. 2 представлены экстремумы функции силы инерции в КШМ для двух возможных случаев выполнения механизма при  (слева) и  (справа): 1 - Pjmax; 2 - Pjmin; 1' - Pjmax'. При этом λ определяется для каждого современного двигателя и составляет величину примерно равную 0,25, λ=R/L, где R - радиус кривошипа, L - длина шатуна.
Осуществление настоящего изобретения реализуется следующим образом. Способ предусматривает размещение тензоэлемента на стержне шатуна. Деформация стержня шатуна, а значит и деформация закрепленного на нем датчика, будет пропорциональна силе K, действующей вдоль шатуна (фиг. 1). Из этого следует, что силу давления газов можно вычислить по известным зависимостям. Получение индикаторной диаграммы предполагает не только измерение давления, но и его привязку к углу поворота коленчатого вала. При выполнении ряда условий сигнал, снятый с тензодатчиков, будет пропорционален силе K, которая получена проекцией суммарной силы давления газов и инерции поступательно движущихся масс (см. фиг. 1.).
Для привязки графика к углу поворота коленчатого вала достаточно на участке газообмена найти минимум функции, который будет заведомо точно располагаться ниже ноля. Так как график циклический, то расстояние между двумя такими точками и будет 720 градусов. В этой фазе цикла поршень четырехтактного двигателя находится точно в положении ВМТ конца такта выпуска.
Теперь рассмотрим возможность вычисления коэффициентов тарировочного уравнения без проведения процедуры тарировки.
Известно, что тарировочное уравнение представляет собой зависимость между выходным напряжением датчика (электрическая величина) и реальными значениями контролируемой физической величины. Основное внимание предлагаемого метода направлено на то, что характер изменения интересующей нас силы K на участке газообмена (при открытом впускном клапане) определяется в большей степени только лишь силой инерции возвратно-поступательно движущихся масс.
При условии, что зависимость выходного напряжения датчика от давления является линейной (а она таковой и является), тарировочное уравнение примет вид:
а
где k - коэффициент, влияющий на величину амплитуды силы (коэффициент масштабирования); U - выходное напряжение датчика;  - коэффициент определяющий смещение сигнала вдоль оси OY, а также на положение нулевой отметки датчика.
j
max
max
min
min
а
a
Обозначим экстремальные точки графиков изменения за цикл силы K, силы инерции P и выходного напряжения датчика U с дополнительными индексами "max" и "min". С учетом (1) имеем: K=k⋅U+; K=k⋅U+, откуда
max
min
max
jmax
min
jmin
Величины K и K могут быть найдены в предположении, что на участке газообмена (периоды, обозначенные единицей на фиг. 1) сила давления газов ничтожно мала, а в точках экстремума поршень находится в мертвых точках и, следовательно, можно считать, что на этих участках K=P и K=P.
Найдем значения силы в этих точках. Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс рассчитывается по уравнению
где λ - постоянная кривошипно-шатунного механизма; ϕ - угол поворота коленчатого вала относительно ВМТ;
j
где m - сумма возвратно-поступательно движущихся масс; r - радиус кривошипа; ω - угловая скорость.
jmax
jmin
Соотношение сил P и P на участке газообмена зависит только от изменения постоянной кривошипно-шатунного механизма λ. Для этого продифференцируем уравнение (4) и найдем его корни:
1) для λ<0,25 решение имеет вид: sinϕ=0, (ϕ=0+3,14n); где n=0, 1, 2 … +∞.
2) для λ>0,25, помимо корней, указанных выше, появляются дополнительные (точки 1' на фиг. 2): 1+4⋅λ⋅cosϕ=0.
Найдем соотношение максимальной и минимальной сил инерции на участке газообмена:
1) при λ<0,25;
После преобразований:
2) для дополнительных максимумов, имеющихся при ;
После преобразований:
jmax
jmin
Полученные выражения (6) и (8) подтверждают, что соотношение сил инерции в точках максимума и минимума зависит только от значения постоянной кривошипно-шатунного механизма. Это дает основание найти положение нулевой линии на сигнале давления, т.е. вычислить постоянный коэффициент а в тарировочном уравнении (1). Действительно, обозначив P/P=С, имеем
0
а
Так как при напряжении U сила K будет равна нулю, уравнение (1) позволяет вычислить неизвестный коэффициент :
Таким образом, для проведения тарировки появляется возможность воспользоваться тарировочным уравнением (1).
Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Часть судовых, тепловозных, промышленных ДВС оборудована стационарными устройствами, предназначенными для записи индикаторных диаграмм, или обслуживается переносными устройствами, предназначенными для той же цели. Известно, что практически эти устройства не обеспечивают достаточную точность измерений при тарировке на участке сгорания, поэтому получаемые результаты затрудняют выполнять по индикаторным диаграммам анализ состояния ДВС и обеспечивать тем самым безразборную диагностику состояния. Также известно, что многие ДВС вообще не приспособлены к индицированию (т.е. не выполняется свойство надежности - контролепригодность изделия, например, отсутствует газоотборочный клапан). Актуальность непрерывного контроля рабочего процесса возрастает при косвенном индицировании в связи с созданием «интеллектуальных» двигателей, в которых сигнал давления газов в цилиндре используется в качестве обратной связи для корректировки управляющих воздействий с целью обеспечения наилучших экологических и экономических показателей двигателей.
Использование получаемых косвенным путем индикаторных диаграмм совместно с предложенным способом тарировки позволяет реализацию его для целей безразборной диагностики двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, а также при управлении и оптимизации двигателей, при доводочных испытаниях и исследованиях рабочего процесса двигателя, в том числе на переходных и неустановившихся режимах работы. Применение заявляемого способа при обработке индикаторных диаграмм позволяет без существенных затрат дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать качественный диагноз состояния изделия, на основе которого можно осуществлять функции управления, его своевременную настройку и ремонт.