Устройство для получения скоростной характеристики двигателя внутреннего сгорания без нагрузки

Полезная модель относится к устройствам, позволяющим диагностировать двигатель внутреннего сгорания посредством определения его скоростной характеристики без нагрузки на холостом ходу при резком нажатии на педаль подачи топлива. Технически результат заключается в снятии кривой зависимости частоты вращения коленчатого вала двигателя от времени и ее дальнейшей обработке. Это достигается тем, что в двигатель устанавливаются датчики частоты вращения коленчатого вала и расхода топлива, соединенные через аналого-цифровой преобразователь с ПЭВМ.

Полезная модель относится к устройствам, позволяющим диагностировать двигатель внутреннего сгорания, посредством определения его скоростной характеристики без нагрузки на холостом ходу при резком нажатии на педаль подачи топлива.

Известен способ [RU 2009119973 А] определения технического состояния двигателя путем измерения его параметров при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки. Его недостатком является трудоемкость и получение средних для процесса параметров. Предлагаемое устройство позволяет определить характеристику по частоте вращения коленчатого вала при однократном разгоне от минимальной до максимальной частоты на холстом ходу (рис.1).

Характеристики холостого хода используют, в основном, для определения расхода топлива. Это действительно необходимо, так как работа автомобильного двигателя на холостом ходу на практике реализуется в 50% всех случаев. При резком нажатии на педаль дросселя проявляются максимальные возможности двигателя, а это позволяет использовать разгон (быстрое увеличение частоты вращения коленчатого вала) на холостом ходу для тестирования общего состояния двигателя.

Технически результат заключается в снятии кривой зависимости частоты вращения коленчатого вала двигателя от времени и ее дальнейшей обработке.

Технически результат достигается тем, что во впускном топливопроводе двигателя установлен датчик расхода топлива, а на шкиве коленвала установлен датчик частоты вращения коленчатого вала. Аналого-цифровой преобразователь обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровую форму и усиление сигналов датчиков. Компьютер обеспечивает запись и обработку полученных результатов.

Сущность полезной модели представлена рисунками 1 и 2: на рис.1 изображен двигатель с датчиками, аналого-цифровым преобразователем и компьютером; на рис.2 представлена полученная зависимость эффективного момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

Устройство состоит из двигателя внутреннего сгорания 1 (бензинового или дизельного) с воздушным фильтром 2, датчика расхода топлива 3, установленного во впускном топливопроводе, датчика частоты вращения коленчатого вала 6, закрепленном на шкиве коленвала 7. Аналого-цифровой преобразователь 4, обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, усиление сигналов датчиков и их запись. Использовался АЦП L-154, работающий совместно с программой PowerGraph. Компьютер 5 обеспечивает запись и обработку полученных результатов. Для обработки результатов удобно использовать программы MathCAD или Excel, так как они дают возможность аппроксимировать полученные кривые и строить графики.

Устройство работает следующим образом. Для реализации поставленных целей потребовалось обеспечить запись частоты вращения коленчатого вала в автоматическом режиме во временном интервале 3-5 секунд с шагом 10 миллисекунд. В качестве датчика частоты можно использовать датчик-генератор тахометра, напряжение которого преобразовано в однофазное и выпрямлено с помощью мостовой схемы на диодах. Два резистора: постоянный 20 кОм и переменный 13,2 кОм - снижают напряжение в соответствии с технической характеристикой L-154 (U_max=5,12 В) и обеспечивают «тонкую» регулировку с целью получения равенства напряжения в мВ и частоты вращения в об/мин.

Разгон на холостом ходу является совокупностью переходных процессов. Начинается он резким увеличением поступающего топлива и изменением состава и количества горючей смеси. Увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя является процессом, потребляющим вырабатываемую эффективную мощность двигателя, хотя формально потребитель отсутствует. Запись процесса разгона выполнялась при нейтральном положении рычага коробки переключения передач стенда для испытания двигателя, связывающей испытуемый двигатель с электротормозом. Уравнение движения вращающихся и перемещающихся масс двигателя запишется следующим образом

,

где M_i - индикаторный момент двигателя (Н·м); М_м - момент механических потерь двигателя (H·м), J - приведенный к оси вращения момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс двигателя (кг·м²); - угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя (рад/с).

Определить момент инерции J можно по справочным данным двигателя или в эксперименте, произведя запись процесса замедления вращения коленчатого вала при выключении зажигания двигателя. Проинтегрировав предыдущее уравнение по , получим

,

где n - частота вращения коленчатого вала двигателя (об/мин); _H - начальная угловая скорость вращения коленвала; _K - конечная угловая скорость вращения коленвала. Отсюда можно найти одну оставшуюся неизвестную - J. Она несколько больше момента инерции для испытуемого двигателя, так как включает в себя момент инерции первичного вала коробки переключения передач.

Для нахождения момента механических потерь был реализован метод непосредственного измерения механических потерь с использованием электрического тормоза в режиме электродвигателя. На рычаге статора генератора с противоположной стороны был установлен дополнительный динамометр. Коленчатый вал проворачивался электродвигателем при отключенном зажигании и подаче топлива в испытуемом двигателе.

На рисунке 2 представлены результаты обработки полученных экспериментально кривых зависимости частоты вращения n от времени t при резком нажатии на педаль подачи топлива вплоть до момента срабатывания ограничителя частоты вращения коленвала. По этим кривым численно определялась производная угловой скорости ', умноженная на момент инерции J, как функция частоты вращения n. Левая часть уравнения показывает, что эта функция представляет собой зависимость эффективного момента М_е , производимого двигателем на холостом ходу при резком и полном открытии дроссельной заслонки, от частоты вращения n. Ее можно назвать скоростной характеристикой разгона на холостом ходу (сплошная линия, аппроксимирующая экспериментальные точки).

На характеристике можно выделить три участка. Первый участок (-точки) отражает влияние на происходящие процессы кратковременного обеднения горючей смеси в результате ее резкого разгона. Третий (-точки) определяется снижением мощности в результате срабатывания ограничителя частоты вращения коленвала. Средний участок описывает квазинеустановившиеся процессы. Он представляет максимальные возможности двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке.

Логично сравнить средний участок характеристики с кривой момента по внешней скоростной характеристике двигателя (сплошная кривая без точек). По форме он близок к кривой момента. Штриховая линия есть кривая момента, умноженная на коэффициент 0,52, который можно назвать коэффициентом снижения момента на холостом ходу К_xx и определить выражением

,

где М_max - максимальный крутящий момент по внешней скоростной характеристике; М_xx - максимальный крутящий момент по характеристике разгона на холостом ходу.

Можно предположить, что коэффициент снижения момента на холостом ходу для нового двигателя не равен 1, так как неустановившийся режим не позволяет реализовать максимальный момент. Это значение может являться номинальным значением коэффициента К_xx как диагностического параметра.

Умножая кривую эффективного момента на частоту вращения коленвала f (об/сек), получим кривую эффективной мощности. Датчик измерения расхода топлива 3 позволяет изобразить кривую удельного расхода топлива. Таким образом, получаем график, состоящий из трех кривых, аналогичный внешней скоростной характеристике.

Представленное устройство и методика обработки первичных экспериментальных материалов обладает следующими преимуществами:

- для диагностирования двигателя предложенным способом не требуется специальный стенд с нагрузочным устройством;

- применяется ПЭВМ с аналого-цифровым преобразователем, используются стандартные программы для математической обработки результатов испытаний;

- диагностирование производится по рабочим процессам, а диагностический параметр (коэффициент снижения момента на холостом ходу К_xx) имеет простой и наглядный смысл.

Устройство для получения скоростной характеристики двигателя внутреннего сгорания без нагрузки, состоящее из двигателя внутреннего сгорания (бензинового или дизельного), отличающееся тем, что во впускном топливопроводе установлен датчик расхода топлива, на шкиве коленвала установлен датчик частоты вращения коленчатого вала, при этом устройство содержит аналого-цифровой преобразователь, обеспечивающий преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, усиление сигналов датчиков и их запись, и компьютер, обеспечивающий запись и обработку полученных результатов.