Способ получения индикаторной диаграммы косвенным путем для двигателей внутреннего сгорания
METHOD OF PRODUCING INDICATOR DIAGRAM INDIRECTLY FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES

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.
Известен способ прямого индицирования, 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). Кроме того, устанавливается датчик угла поворота коленчатого вала.
Недостатками способа является погрешность записи давления в цилиндре двигателя из-за длинного канала, соединяющего датчик с камерой сгорания. Усредненное за несколько циклов давление снижает информативность сигнала. Дополнительная погрешность измерений вызвана постоянной тарировкой измерительного тракта из-за дрейфа нуля датчика и усилителей. Не на всех двигателях обеспечено свойство контролепригодности, так как отсутствует доступность к камере сгорания. Необходима трудоемкая установка датчика положения коленчатого вала и его тарировка. Эти недостатки не позволяют использовать способ прямого индицирования для длительной безразборной диагностики ДВС.
Известен 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 G01М 15/00, публикация 10.01.2002).
Недостатком данного способа является не высокая достоверность получаемой индикаторной диаграммы из-за неравномерной затяжки шпилек или болтов при сборке и соответствующего перераспределения напряжений, при работе происходит вытяжка шпилек и болтов и меняется тарировка тензодатчиков, при переборках двигателя сложно восстановить датчики до исходного состояния. Главный недостаток - затруднительно оценить переменные инерционные силы крышки из-за сложной ее геометрии и зависимости ускорений ее элементов от центральной части и до периферии от величин их деформаций и угла поворота коленчатого вала. Выделяемая индикаторная диаграмма не будет соответствовать реальной и отражает лишь качественную сторону процесса. При этом дополнительная погрешность обработки связана с необходимостью установки датчика положения коленчатого вала, что также вносит трудности в установке и тарировке датчика.
Известен способ получения косвенных индикаторных диаграмм давлений в цилиндрах ДВС путем измерения напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров при помощи установленного под гайку или болт датчика с тензорезисторами (см. Патент на изобретение РФ №2451276, МПК G01М 15/04, опубл. 20.05.2012).
Недостатками способа являются не высокая достоверность получаемой косвенной индикаторной диаграммы по тем же причинам, как и в предыдущем описанном способе. Тарировка датчиков (в том числе датчика угла поворота коленчатого вала) затруднительна и, как следствие, это приводит к повышенной погрешности косвенного индицирования.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения индикаторной диаграммы для ДВС косвенным путем (Горелик Г.Б., Коньков А.Ю., патент на изобретение №2579304, зарегистрированый в Гос. реестре изобретений РФ 03 марта 2016 г. и принятый в качестве прототипа).
Недостатком прототипа является возможная погрешность в определении и последующей обработке снимаемой индикаторной диаграммы из-за неточности определения положения коленчатого вала с помощью устанавливаемого датчика положения вала, что существенно влияет на результаты последующей обработки. Кроме того датчик является избыточным элементом для реализации способа, затруднена установка датчика в объектовых условиях. Погрешность в определении положения коленчатого вала двигателя при этом может достигать 1-2 градуса поворота вала, которая при обработке индикаторной диаграммы, например, при анализе тепловыделения, дает недопустимую ошибку.
Технической задачей изобретения является обеспечение безразборной диагностики поршневых двигателей внутреннего сгорания 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 способ получения индикаторной диаграммы поршневого двигателя косвенным путем как функции угла поворота коленчатого вала, включающего запись и выделение давления газов в цилиндре как удельных сил на стержне шатуна и отличающийся тем, что согласно изобретению вместо датчика положения коленчатого вала в измерительную схему дополнительно введен блок анализа положения верхней мертвой точки, выход которого соединен с входом в компьютер с целью определения положения верхней мертвой точки математическими средствами и последующего использования ее в качестве аргумента в тригонометрических функциях выделения давления газов в цилиндре при анализе сил в кривошипно-шатунном механизме как функции угла поворота коленчатого вала.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении достоверности и точности получаемых косвенным путем индикаторных диаграмм для поршневых ДВС, возможности использования их для безразборной диагностики двигателей в эксплуатационных условиях.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить достоверность и точность косвенного индицирования за счет: упрощения измерительной схемы в связи с отказом использования датчика положения коленчатого вала; снижения трудоемкости применения способа косвенного индицирования из-за уменьшения количества элементов измерительной схемы и исключения операции по установке датчика положения коленчатого вала и его последующей тарировки; повышения точности при определении положения верхней мертвой точки коленчатого вала за счет отсутствия погрешности в установке датчика.
Пересчет механических напряжений на стержне шатуна от давления газов в цилиндре двигателя производится по предлагаемому в прототипе способу как функции реального угла поворота коленчатого вала и выполняется на основе известного динамического расчета сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) с учетом реальных инерционных масс поршневого
комплекта и части массы стержня шатуна, лежащей выше измеряемого сечения, относящейся к возвратно-поступательно движущимся массам и определяемой известными способами (см. Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей: учеб. / под ред. А.С. Орлина. - М.: Машиностроение, 1972. - С. 65-74).
Все это позволяет с более высокой точностью учесть все действующие силы (газовые и инерционные) и обратным пересчетом выйти на искомую зависимость давления газов в цилиндре от угла поворота коленчатого вала. При этом погрешность вычислений при точном определении величин движущихся масс КШМ и положения угла поворота вала определится только работой измерительного канала.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена структурная схема, реализующая заявляемый способ диагностирования ДВС: 1 - двигатель; 2 - тензометрический измерительный комплект, выполненный по полумостовой схеме, включающий в себя рабочий датчик сопротивления на стержне шатуна, датчик температурной компенсации на разгруженной пластине из материала шатуна; 3 - токосъемное устройство; 4 - электрический разъем с выводом электрических измерительных каналов на наружную поверхность картера на общую токосъемную панель; 5 - полумост известного типа из двух подстроечных сопротивлений с источником питания, совмещенный с усилителем сигнала; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - компьютер; 8 - блок анализа положения верхней мертвой точки; 9 - носители информации.
На фиг. 2 приведена развернутая диаграмма действующих удельных сил (давлений) на стержень шатуна как функция угла поворота коленчатого вала 4-х тактного двигателя. Осуществление настоящего изобретения при замене датчика положения верхней мертвой точки блоком анализа положения верхней мертвой точки реализуется способом, изложенном ниже. При этом вместо датчика положения коленчатого вала установлен блок анализа положения верхней мертвой точки 8, выход которого соединен с входом программного блока компьютера 7, и, далее, в несколько последовательных этапов определяется положение верхней мертвой точки:
- на кривой экспериментальной записи удельной силы на шатуне в месте установки тензометрических датчиков сопротивления выделяются участки А и В (см. фиг. 2), образованные действием удельной силы давления от возвратно-поступательно движущихся масс;
- программно перемещают линию с-с, задаваемую плавным уменьшением постоянного электрического потенциала, по направлению, указанному стрелками до касания с измеряемой кривой;
- фиксируются точки касания А и В, определяющие положение верхней мертвой точки с расстоянием между ними в 720 град. пов. коленчатого вала с последующим разбиением электронным путем угла поворота как минимум через один градус как это делается в измерительном диагностическом комплексе DETS (см. стр. 81-87, Справочник по устройству, обслуживанию и ремонту судовой автоматики, М., изд-во "Транспорт", 1988 г., 208 с);
- далее производится анализ на каждом значении текущего угла действующих газовых сил и сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс согласно известной схемы действующих сил, описанной в прототипе с выделением полезного сигнала давления газов в цилиндре как функции угла поворота коленчатого вала, выводимой на носители информации.
Σ
Σ
г
j
г
j
Алгоритм выделения искомой удельной силы давления газов в цилиндре двигателя аналогичен алгоритму, описанному в прототипе. Измеренное значение удельной силы , где ƒ - площадь сечения стержня шатуна в месте установки рабочего датчика; σ - измеренное там же напряжение сжатия-растяжения (в виде электрического сигнала). Далее вычисляется , где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; α - угол поворота кривошипа, на каждом выбранном значении угла в отведенный массив компьютера последовательно заносятся вычисленные значения Р. Затем программно выделяется газовая составляющая, входящая в эту удельную силу по формуле Р=Р+P, где Р - удельная сила от давления газов на поршень, иначе, это и есть искомое давление газов в цилиндре; P - удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс поршневого комплекта и части массы шатуна, отнесенной к возвратно-поступательно движущимся массам. , где m - удельная масса поршневого комплекта и части массы шатуна, отнесенной к возвратно-поступательно движущимся массам; R - радиус кривошипа; ω - угловая скорость кривошипа, определяемая путем преобразования сигнала датчика положения коленчатого вала 3. На каждом последовательно выбранном угле поворота, например, через один градус, производится вычисление давления в цилиндре с занесением его в соответствующий массив данных компьютера 7 и с последующим выводом информации на носители информации 9. Измерительные каналы всех цилиндров опрашиваются аналогично и последовательно с учетом порядка работы цилиндров двигателя. Для 2-х тактных двигателей вышеописанный алгоритм определения положения коленчатого вала может быть аналогично использован.
Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Часть судовых, тепловозных и 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 на участке сгорания, поэтому получаемые результаты затрудняют выполнять по индикаторным диаграммам анализ состояния ДВС и обеспечивать тем самым безразборную диагностику технического состояния цилиндропоршневой группы. 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 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 предлагаемым способом позволяет реализацию его для целей безразборной диагностики в эксплуатационных условиях и без существенных затрат дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать качественный диагноз состояния изделия, на основе которого можно осуществлять функции управления, своевременную настройку и ремонт. Таким образом, становится реальным вопрос о создании «интеллектуальных» двигателей XXI-го века.