Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR DETERMINING THE EFFECTIVE POWER OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Существующие способы определения эффективной мощности ДВС, основанные на измерении угловой скорости вращения коленчатого вала при поочередном отключении части цилиндров и ускорения коленчатого вала в процессе свободного разгона двигателя требуют вывода его работы в тестовый режим. Точность измерений известных технических решений оценки мощности по величине перемещения рейки топливного насоса или давлению наддува воздуха снижается при наличии неисправностей системы питания двигателя или изменении условий эксплуатации транспортного средства.
Известен способ определения мощностных показателей двигателей внутреннего сгорания бестормозным методом [1], при котором в картер маховика устанавливают первичный преобразователь частоты вращения коленчатого вала, соединяют его с измерительным устройством, пускают и прогревают двигатель до рабочей температуры охлаждающей жидкости и масла и подготавливают прибор к измерению. 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 параметры разгона, в соответствии с которыми определяют эффективную мощность двигателя.
В качестве недостатков данного способа стоит отметить сложность конструкции применяемого электронного прибора типа ИМД-Ц (измеритель мощности двигателя цифровой), необходимость проведения подготовительных работ для его калибровки, а также высокая погрешность определения мощности двигателей с наддувом воздуха во впускной коллектор. К тому же, процесс измерения мощности двигателя данным способом в условиях эксплуатации машины сложно реализовать.
Известен способ определения индикаторной мощности при стендовых испытаниях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом [2], согласно которому при работе на заданном режиме для определения эффективной мощности двигателя при всех работающих цилиндрах дополнительно измеряют давление воздуха перед компрессором, давление отработавших газов после турбины, расход воздуха двигателем и давление наддувочного воздуха, переводят двигатель в режим работы с частью цилиндров и измеряют аналогичные показатели давления воздуха, отработавших газов и расхода воздуха, затем переводят двигатель на заданный режим работы со всеми включенными цилиндрами и изменяют давление воздуха перед компрессором и давление отработавших газов после турбины до совпадения значений расхода воздуха двигателем и давления наддувочного воздуха при работе на всех цилиндрах и части цилиндров и с учетом этого определяют значение эффективной мощности, которое используют для расчета индикаторной мощности.
Недостатками данного способа являются необходимость учета большого количества показателей, в частности давления воздуха перед компрессором, давление наддувочного воздуха, расход воздуха и давление газов. Перевод двигателя на тестовый режим требует поочередного отключения каждого из цилиндров, что не позволит оценить мощность двигателя в условиях эксплуатации машины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [3], является способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, при котором подготавливают к испытанию двигатель, монтируют на него первичные преобразователи, к которым присоединяют измерительное устройство, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя, выключают подачу топлива и при достижении минимальной частоты вращения резко переводят рычаг топливоподачи в положение максимальной подачи, а эффективную мощность двигателя определяют по среднему значению усилия, передаваемого двигателем через опоры раме транспортного средства в процессе разгона, используя полученную при первичном испытании аналитическую зависимость эффективной мощности двигателя от среднего значения измеренного усилия на опорах.
Основным недостатком данного способа является необходимость проведения предварительных испытаний для получения зависимости изменения мощности от средних максимальных усилий на опорах двигателя за цикл разгона.
Известно, что при работе двигателя раме транспортного средства передается обратный крутящий момент, равный по величине и обратный по направлению эффективному крутящему моменту. В отличие от эффективного крутящего момента его регистрация достаточно проста и может быть реализована посредством измерения создаваемого усилия на опорах двигателя.
Техническая задача - совершенствование способа определения эффективной мощности двигателя за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.
Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении измерений в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы, в картер маховика монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала, к которым присоединяют измерительное устройство, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры и начинают движение, увеличивая скорость транспортного средства до момента включения прямой передачи, устанавливают подачу топлива в двигатель, обеспечивающую минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала при движении транспортного средства на прямой передаче. Резко переводят рычаг топливоподачи в положение максимальной подачи, с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют частоту вращения коленчатого вала и усилия, возникающие в опорах, до момента достижения транспортным средством максимальной скорости на прямой передаче. В каждом интервале измерения вычисляют среднюю частоту вращения коленчатого вала, среднее усилие и средний крутящий момент на каждой опоре и суммарный крутящий момент на опорах, по полученным значениям суммарного крутящего момента на опорах и средней частоты вращения коленчатого вала в каждом интервале измерения вычисляют эффективную мощность двигателя, строят аппроксимирующую зависимость эффективной мощности от времени измерения, на полученной кривой находят максимальное значение, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя
Таким образом, возможно создать достаточно простой способ определения эффективной мощности двигателей внутреннего сгорания, применимый как при проведении испытаний, так и в условиях эксплуатации транспортного средства.
i
i
∑
е
i
1
2
3
m-2
m-1
m
1
2
k-1
k
m
k
k
m
k
k
-1
На фиг. 1 изображена схема сил и крутящих моментов, действующих на опоры и блок цилиндров двигателя в процессе разгона транспортного средства, где 1 - преобразователи силы; 2 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 3 - измерительное устройство; F - усилие на i-й опоре двигателя, Н; M - крутящий момент на i-й опоре двигателя, Нм; М - суммарный крутящий момент на опорах двигателя, Нм; М - эффективный крутящий момент двигателя, Нм; r - расстояние от оси вращения коленчатого вала до точки измерения усилий на i-й опоре, м. На фиг. 2 изображен способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания, где τ, τ, τ…τ, τ, τ - временные граничные значения интервалов измерения, с; Δτ, Δτ…Δτ, Δτ, - продолжительность интервалов измерения, с; m - порядковый номер измерения; k - порядковый номер интервала измерения, n - частота вращения коленчатого вала, мин;  - усилия на 1, 2, 3 и 4 опорах двигателя соответственно в момент измерения τ, Н;  - средние значения усилий на 1, 2, 3 и 4 опорах двигателя соответственно в интервале измерения Δτ, Н;  - cуммарный приведенный крутящий момент на опорах двигателя в интервале измерения Δτ;  - частота вращения коленчатого вала в момент измерения τ;  - средняя частота вращения коленчатого вала в интервале измерения Δτ;  - эффективная мощность двигателя в интервале измерения Δτ.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
i
k
При проведении измерений в условиях эксплуатации подготавливают транспортное средство с механической коробкой передач, в опоры двигателя устанавливают преобразователи силы 1 (см. фиг. 1) таким образом, чтобы усилия F полностью воспринимались преобразователями, в картер сцепления монтируют датчик частоты вращения коленчатого вала 2. К преобразователям силы 1 и датчику частоты вращения коленчатого вала 2 присоединяют измерительное устройство 3, питающееся от бортовой сети транспортного средства. Пускают и прогревают двигатель совместно с коробкой передач до номинальной температуры и начинают движение, увеличивая скорость транспортного средства до момента включения прямой передачи, устанавливают подачу топлива в двигатель, обеспечивающую минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала при движении транспортного средства на прямой передаче и резко переводят рычаг топливоподачи в положение максимальной подачи. Измерительным устройством 3 с периодом 720 градусов поворота коленчатого вала фиксируют частоту вращения коленчатого вала  и усилия  (см. фиг. 2), возникающие в опорах вследствие воздействия реактивного крутящего момента двигателя на раму, до момента достижения транспортным средством максимальной скорости на прямой передаче. Затем в каждом интервале измерения Δτ вычисляют среднюю частоту вращения коленчатого вала , среднее усилие  и средний крутящий момент  на каждой опоре двигателя, а также суммарный крутящий момент на опорах  по формулам:
По полученным значениям суммарного крутящего момента на опорах  и средней частоты вращения коленчатого вала  в каждом интервале измерения вычисляют эффективную мощность двигателя  исходя из условия, что вычисленный суммарный крутящий момент на опорах двигателя  в k-м интервале измерения равен по величине и обратен по направлению эффективному крутящему моменту  в этом же интервале:
строят аппроксимирующую зависимость эффективной мощности от времени измерения, на полученной кривой находят максимальное значение, которое принимают за номинальную эффективную мощность исследуемого двигателя.
В результате представляется возможным определять эффективную мощность двигателя непосредственно при эксплуатации транспортного средства, используя общедоступные и простые средства измерений и регистрации возникающих в опорах двигателя усилий.
Список источников
1. Алилуев В.А. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка / В.А. Аллилуев, А.Д. Ананьин, А.Х. Морозов. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 26-31.
2. Пат. №2624894 РФ, МПК G01M 15/04, G01M 15/05. Способ определения индикаторной мощности при стендовых испытаниях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом / В.Н. Бондарь, В.В. Егоров, О.И. Быстрое - №2016124057; заявл. 16.06.2016, опубл. 07.07.2017 г. Бюл. №19.
3. Пат. №2669224 РФ, МПК G01M 15/00, G01L 3/24. Способ определения эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания / Ю.А. Гуськов, А.Ф. Курносов - №2017104068; заявл. 07.02.2017, опубл. 07.08.2018 г. Бюл. №22.