Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях

Изобретение относится к машиностроению, в частности к измерительной и испытательной технике, и может быть использовано для определения энергоресурса и технического состояния двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях. Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях заключается в том, что при стохастической загрузке двигателя регистрируют расход топлива и параметры режима работы двигателя, моменты прохождения режимом работы двигателя в точке перегиба эксплуатационной характеристики фиксируют по достижении величиной расхода топлива экстремального значения, степень повышения давления в цилиндре двигателя определяют как отношение текущих значений параметров режимов работы в фиксированные моменты времени. В качестве параметров режимов работы двигателя используют текущие значения механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, которые измеряют при подаче и отсутствии подачи топлива. Кроме того, определяют величину удельного расхода топлива как отношение величины максимального расхода топлива к величине максимальной мощности, полученные текущие показатели работы двигателя при нормальных условиях сравнивают с эталонными, а затем определяют энергоресурс двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной и испытательной технике и может быть использовано для определения энергоресурса и технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях.

Известен способ диагностики двигателя внутреннего сгорания путем непрерывного нахождения индикаторной диаграммы цилиндра в зависимости от угла поворота вала, при котором индикаторную диаграмму получают как разность текущих значений измеренных напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, и их осредненных значений на такте выпуска и впуска или продувки, при подачи и отсутствии подачи топлива, и по полученным значениям этих индикаторных диаграмм вычисляют числовые показатели, которые характеризуют техническое состояние двигателя [Положительное решение № 2003110191/06 по заявке на патент, кл. G 01 М 15/00. Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания].

Недостатками известного способа являются его невысокая точность определения технического состояния при стохастическом и/или нестационарном характере загрузки двигателя и низкая достоверность при определении энергоресурса ДВС в эксплуатационных условиях.

Известен способ определения энергоресурса ДВС при стохастическом характере нагружения путем измерения расхода топлива и величины задроссельного давления в цилиндрах двигателя, а моменты прохождения режимом работы двигателя в точке перегиба экстремальной характеристики фиксируют по достижении величиной расхода топлива экстремального значения, при этом в качестве параметра режима работы двигателя используют величину задроссельного давления [А.с. 1647300 (СССР). МКИ⁵ G 01 L 3/24. Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. - 6 с. ил. Бюл. № 17, 1991].

Недостатки способа - для замера задроссельного давления в цилиндрах двигателя требуется вмешательство в конструкцию двигателя (отверстие в головке цилиндров двигателя для отбора газа, создающего задроссельное давление), что неприемлемо для оперативного определения его энергоресурса, а также контроля и диагностирования технического состояния в эксплуатационных условиях, не учитывается режим работы двигателя, не определяется экономичность двигателя - удельный на единицу мощности расход топлива.

Данный способ выбран авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения энергоресурса ДВС в эксплуатационных условиях при стохастическом и/или нестационарном характере его загрузки за счет дополнительного измерения удельного расхода топлива, косвенных индикаторных параметров - максимального давления сгорания топливовоздушной смеси, максимального давления сжатия при отсутствии подачи топлива и величины разности этих давлений.

Технический результат достигается тем, что при стохастической загрузке двигателя регистрируют расход топлива и параметры режима работы двигателя, моменты прохождения режимом работы двигателя в точке перегиба эксплуатационной характеристики фиксируют по достижении величиной расхода топлива экстремального значения и дополнительно определяют степень повышения давления в цилиндре двигателя как отношение текущих значений параметров режимов работы в фиксированные моменты времени, при этом в качестве параметров режимов работы двигателя используют текущие значения механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, которые измеряют при подаче и отсутствии подачи топлива и определяют величину удельного расхода топлива как отношение величины максимального расхода топлива к величине максимальной мощности, полученные текущие показатели работы двигателя при нормальных условиях сравнивают с эталонными, а затем определяют энергоресурс двигателя.

Точность и достоверность определения энергоресурса двигателя в эксплуатационных условиях достигаются за счет дополнительного измерения удельного расхода топлива, параметров режимов работы - косвенных индикаторных параметров в цилиндре - максимального давления сгорания топливовоздушной смеси, максимального давления сжатия при отсутствии подачи топлива и величины разности этих давлений, которые получают путем измерения механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, а величину удельного расхода топлива получают как отношение величины максимального расхода топлива к величине максимальной мощности, значение которой получают по результатам обработки косвенных индикаторных параметров в цилиндре двигателя, полученные текущие показатели работы двигателя при нормальных условиях сравнивают с эталонными, а затем определяют энергоресурс двигателя.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ определения энергоресурса ДВС в эксплуатационных условиях. На фиг.2 приведены графические зависимости мощности N, часового расхода топлива В_ч, удельного расхода топлива g и максимального давления сгорания P_z в цилиндре от частоты вращения коленчатого вала тепловозного двигателя при работе его по тепловозной характеристике, полученные заявляемым способом.

Заявляемый способ осуществляется в следующей последовательности (представлен упрощенный вариант). При работе двигателя сигнал от датчика 1 непрерывного измерения величины расхода топлива поступает через аналого-цифровой преобразователь 2 на вход в ПЭВМ 3. Датчик механических напряжений 4 в виде стальной шайбы с закрепленными на ней тензорезисторами, предназначенный для измерения механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, устанавливается под гайку или болт, крепящий головку блока цилиндров. Датчики 4 для разных типов двигателей изготавливаются индивидуально. Внутренний диаметр стальной шайбы больше наружного диаметра резьбы шпильки или болта, обеспечивая установку датчика 4 без натяга, наружный диаметр шайбы выбирается для обеспечения условий работы материала датчика 4 в зоне упругих деформаций и нахождения наружной поверхности датчика 4 под действием осевых сил, действующих на шпильку или болт, высота шайбы выбирается для обеспечения условия нахождения рабочей части тензорезистора в зоне с пропорциональной зависимостью между усилием, воздействующим на шайбу, и ее деформацией. Корректировку нулевого значения параметров режимов работы двигателя - косвенных индикаторных параметров в цилиндре - осуществляют по текущим значениям измеренных механических напряжений на такте выпуска и впуска или продувки, при подаче и без подачи топлива, а косвенные индикаторные параметры цилиндра получают как разность текущих значений измеренных механических напряжений и их осредненных значений на такте выпуска и впуска или продувки, при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, при различных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя.

Во время работы двигателя 5 усилия, возникающие от действия сил давления газов в цилиндре ДВС 5, через головку блока цилиндров передаются шпилькам или болтам крепления головки. При этом датчик механических напряжений 4 воспринимает те же самые усилия, преобразуя их в электрический сигнал, который усиливается в усилителе сигнала 6. В дальнейшем сигналы через аналого-цифровой преобразователь 2 передаются и обрабатываются в ЭВМ 3. Процесс обработки полученных величин механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока, сводится к получению косвенных индикаторных параметров цилиндра: максимального давления сгорания топливовоздушной смеси, максимального давления сжатия при отсутствии подачи топлива, а также максимальной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя (сигнал от датчика механических напряжений пропорционален частоте вращения вала двигателя (частоте циклов)). При работе двигателя на номинальном режиме расход топлива достигает максимального значения, и оно фиксируется в оперативной памяти ЭВМ 3. Одновременно подается информационный сигнал, разрешающий передачу сигнала о значениях мощности двигателя, давления газов в цилиндре при подаче топлива и частоты вращения коленчатого вала из датчика 4 через усилитель 6 и преобразователь 2 в ЭВМ 3, где они фиксируются в оперативно запоминающим устройстве как максимальная мощность, максимальное давление сгорания топлива в цилиндре и соответствующая этим показателям частота вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, из датчика 4 через усилитель 6 и преобразователь 2 в ЭВМ 3 передается сигнал о значении давления сжатия газа в цилиндре при отсутствии подачи топлива, где он фиксируется как максимальное давление сжатие в цилиндре при отсутствии подачи топлива.

Затем по прикладным программам производится вычисление степени повышения давления в цилиндре как разности максимального давления сгорания и максимального давления сжатия без подачи топлива в цилиндр, удельного расхода топлива как отношение максимального расхода топлива и максимальной мощности двигателя.

Предварительно формируются и заносятся в ЭВМ 3 эталонные (для данных эксплуатационных условий (природно-климатических, режимов работы и др.)) значения величин максимальной мощности, удельного расхода топлива, разности величин максимальных давлений газа в цилиндре: допустимого минимального и максимального, максимальных давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, а также частоты вращения вала двигателя: допустимого максимального и минимального.

По результатам сравнения измеренных (текущих) и эталонных величин на экране монитора ЭВМ появляется текстовая, численная и графическая информация, характеризующая энергоресурс двигателя, которая соответствует и/или не соответствует нормативно-технической документации по каждому из измеренных показателей: максимальной мощности, удельного расхода топлива, максимального давления в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, разности величин максимальных давлений газа в цилиндре (максимальной и минимальной), частоте вращения вала двигателя (максимальной и минимальной).

Предлагаемый способ определения энергоресурса двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях по показателям его работы может использоваться для проведения экспертизы технического состояния ДВС с достаточно глубокой локализацией параметрических отказов в стендовых и эксплуатационных условиях, а также для исследования рабочего процесса двигателя, так как в качестве высокоинформативных показателей используются значения параметров рабочего цикла в цилиндре - максимальное давление сгорания топливовоздушной смеси, максимальное давление сжатие и величина разности этих давлений, характеризующие степень совершенства элементов конструкции, которая определяет рабочий процесс и в первую очередь смесеобразование и горение.

Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, заключающийся в том, что при стохастической загрузке двигателя регистрируют расход топлива и параметры режима работы двигателя, моменты прохождения режимом работы двигателя в точке перегиба эксплуатационной характеристики фиксируют по достижении величиной расхода топлива экстремального значения, и текущие значения параметров режима работы двигателя и расхода топлива, измеренные в зафиксированные моменты времени, сравнивают с эталонными, отличающийся тем, что степень повышения давления в цилиндре двигателя определяют как отношение текущих значений параметров режимов работы в фиксированные моменты времени, при этом в качестве параметров режимов работы двигателя используют текущие значения механических напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, которые измеряют при подаче и отсутствии подачи топлива, и величину удельного расхода топлива определяют как отношение величины максимального расхода топлива к величине максимальной мощности, полученные текущие показатели работы двигателя при нормальных условиях сравнивают с эталонными, а затем определяют энергоресурс двигателя.