СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR DETERMINING EFFECTIVE POWER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Существующие методы измерения мощности и крутящего момента, основанные на индуктивном, тензометрическом, магнитоупругом, фазометрическом, фотометрическом и ином комбинированном преобразовании крутящего момента в электрический сигнал обладают низкой универсальностью, высокой трудоемкостью и сложностью устройств реализации. В реальных условиях эксплуатации данные способы не нашли широкого применения еще и потому, что их действие направлено на измерение мощности, снимаемой с вращающегося коленчатого вала, что создает дополнительные трудности при их технической реализации.
Известен способ испытания ДВС с использованием тормозных стендов, при котором нагрузка создается внешним сопротивлением балансирных тормозов, а эффективная мощность двигателя определяется по крутящему моменту статора тормоза и по числу оборотов в минуту [1].
В качестве недостатков данного способа можно отнести сложность реализации в условиях эксплуатации и высокую трудоемкость диагностирования.
Известен способ определения мощностных показателей двигателей внутреннего сгорания бестормозным методом [2], при котором в картере маховика устанавливают первичный преобразователь частоты вращения, соединенный с измерительным устройством, пускают и прогревают двигатель до рабочей температуры охлаждающей жидкости и масла, подготавливают прибор к измерению. Измерения эффективной мощности двигателя проводят следующим образом: устанавливают максимальную подачу топлива, измеряют максимальную частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, выключают подачу топлива и при достижении минимальной частоты вращения резко переводят рычаг топливоподачи в положение максимальной подачи топлива, регистрируя при этом контролируемые параметры разгона.
В качестве недостатков данного способа стоит отметить сложность конструкции электронного прибора типа ИМД-Ц (измеритель мощности двигателя цифровой) и необходимость проведения подготовительных работ для его настройки, что характеризует низкий уровень его использования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [3], является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания в процессе разгона, при котором проводят испытания группы двигателей одной марки с заранее известной эффективной мощностью, находящейся в интервале от минимального до максимального значения, по каждому двигателю из этой группы посредством электродинамического измерительного прибора фиксируют электрический импульс преобразователя в процессе разгона двигателя - при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя от минимального до максимального значения, причем электрический импульс фиксируют в виде максимального значения одного из параметров, электрического напряжения или силы тока, либо мощности, при этом находят функцию максимального значения импульса названного преобразователя от эффективной мощности двигателя, затем определяют максимальное значение импульса первичного преобразователя при испытании в таком же режиме любого другого двигателя этой же марки, по полученным результатам, используя указанную функцию, определяют эффективную мощность отдельно взятого испытываемого двигателя.
Этот способ предполагает проведение значительного объема работ для определения функции максимального значения импульса первичного преобразователя от эффективной мощности двигателя, т.к. при этом требуется группа двигателей одной марки с заранее известной эффективной мощностью, находящейся в интервале от минимального до максимального значения, что в условиях малого предприятия выполнить практически невозможно.
Известно, что при работе двигателя раме трактора или автомобиля передается обратный крутящий момент, равный по величине и обратный по направлению крутящему моменту. В отличие от крутящего момента его регистрация достаточно проста и может быть реализована посредством измерения создаваемого усилия на опорах двигателя.
Техническая задача - совершенствование динамического (бестормозного) метода контроля технического состояния двигателя внутреннего сгорания за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.
Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении бестормозных испытаний двигателя посредством измерительного прибора фиксируют усилие, передаваемое на раму транспортного средства через опоры в процессе разгона двигателя от минимального до максимального значения. Эффективную мощность определяют по среднему значению усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства: при первичном испытании аналитически находят функцию эффективной мощности двигателя от измеренного усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства, при последующих испытаниях двигателя измеряют среднее значение усилия, передаваемого раме транспортного средства и, используя полученную ранее зависимость, определяют эффективную мощность двигателя. Таким образом, возможно создать достаточно простой способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания на основе бестормозных испытаний.
cp
e
e
min
e
max
e
e
min
e
max
e
cp
e
i
i
к
На фиг. 1 изображен способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания в процессе разгона, где F - среднее значение усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства; N - эффективная мощность двигателя внутреннего сгорания; N, N - минимальное и максимальное значения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания; ΔN - интервал изменения эффективной мощности двигателя в пределах от N до N; N=ƒ(F) - зависимость эффективной мощности двигателя N от среднего значения усилия, передаваемого двигателем раме транспортного средства. На фиг. 2 - схема сил, действующих на опоры двигателя в процессе разгона, где F - усилие, создаваемое двигателем на i-й опоре двигателя, Н; r - расстояние от центра коленчатого вала до центра точки измерения усилия i-й опоры, м; М - крутящий момент двигателя, Н⋅м.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
В штатные опоры двигателя устанавливают первичные преобразователи силы таким образом, чтобы нагрузка, передаваемая от двигателя раме транспортного средства, полностью воспринималась преобразователями. В процессе разгона двигателя при изменении частоты вращения коленчатого вала от минимального до максимального значения посредством измерительного прибора фиксируют усилие, передаваемое на раму транспортного средства через опоры. Среднюю величину создаваемого двигателем усилия определяют по формуле:
n
2
где I - момент инерции покоящихся деталей двигателя, кг⋅м;
вр
2
I - момент инерции вращающихся деталей двигателя, кг⋅м;
on
n - количество опор двигателя.
e
cp
e
min
e
max
В процессе первичного испытания находят зависимость эффективной мощности N от средней величины усилия F в интервале от N до N, как показано на фиг. 1, исходя из:
где  - среднее расстояние от центра коленчатого вала до центра точки измерения усилия, м;
-1
ω - угловая скорость вращения коленчатого вала, с.
ср
Исходя из выражений (1), (2) видно, что величина усилия, передаваемая через опоры двигателя раме транспортного средства, характеризует его эффективную мощность, т.е., зная величину усилия F можно определить эффективную мощность двигателя.
Стоит отметить, что угловую скорость вращения коленчатого вала определяют с помощью встроенной системы диагностирования двигателя.
Указанные преобразователи силы представляют собой тензометрические датчики. В процессе испытания двигателя при увеличении частоты вращения коленчатого вала от минимальной до максимальной, в тензометрических датчиках формируются электрические импульсы в результате их деформации при передаче усилия на раму транспортного средства через опоры. При этом часть механической энергии вращательного движения корпуса двигателя преобразуется в электрическую энергию. Таким образом, для создания электрического импульса можно использовать усилие, передаваемое двигателем раме транспортного средства через опоры. Стоит отметить, что преобразователи силы могут устанавливаться в опоры двигателя на стадии его производства в целях снижения трудоемкости диагностирования при после-дующих испытаниях.
В качестве измерительного прибора могут выступать простейшие аналого-цифровые преобразователи, считывающие получаемый электрический импульс. Поскольку испытание осуществляется в процессе разгона двигателя, при котором значение усилия на опорах напрямую зависит от эффективной мощности двигателя, то и входной импульс в преобразователь также зависит от эффективной мощности.
e
cp
cp
e
cp
e
Электрический импульс фиксируют в виде напряжения и преобразуют в значения силы, действующий на первичный преобразователь. При первичном испытании по формуле (2) находят функцию эффективной мощности двигателя от среднего значения усилия, передаваемого через опоры раме транспортного средства N=ƒ(F). На фиг. 1 для примера условно она показана в виде прямой наклонной линии. При последующих испытаниях двигателя измеряют среднее значение усилия F, передаваемого раме транспортного средства и, используя полученную ранее зависимость N=ƒ(F), определяют эффективную мощность двигателя N как показано на фиг. 1.
В результате представляется возможным использовать при бестормозных испытаниях двигателей общедоступные, простые средства измерений силы.
Список источников
1. Стефановский Б.С. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефановский, Е.А. Скобцов, Е.К. Корси и др. - М.: Машиностроение, 1972. - С. 19-21.
2. Алилуев В.А. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка / В.А. Аллилуев, А.Д. Ананьин, А.Х. Морозов. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 26-31.
3. Пат. №2589973 РФ, МПК G01L3/24. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания в процессе разгона / С.В. Хабардин, Г.О. Такаландзе, В.Н. Хабардин, Н.А. Михайлов - №2014148557/06; заял. 02.12.2014, опубл. 10.07.2016 г. Бюл. №19.