RU2171973C2

RU2171973C2 - Method and device for measuring power output of internal- combustion engine

Info

Publication number: RU2171973C2
Application number: RU99107175A
Authority: RU
Inventors: С.А. Иофинов; В.С. Шкрабак; Г.А. Фокин; В.Ф. Скробач
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2001-08-10

Abstract

FIELD: measurement technology; continuous in-service measurements of engine power output. SUBSTANCE: method that provides for continuous measurement of engine power output in the course of its operation by varying fuel feed involves in-service measurement of engine output power and speed at full fuel feed, measurement of engine speed at partial fuel feed, and calculation of engine power output at partial fuel feed; to this end engine power measured at full fuel feed is multiplied by ratio of engine speed at partial fuel feed to that at full fuel feed. Device implementing proposed method has power measurement unit, random-access unit, extremum detector for full fuel feed condition, engine power indicator for full fuel feed condition, engine speed sensor, engine power calculating unit for partial fuel feed condition, and engine power indicator for partial fuel feed condition. EFFECT: facilitated measurement procedure. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергоресурса - максимально возможной эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего в эксплуатационных условиях при стохастическом нагружении и регулируемых режимах работы с неполной подачей топлива и соответственно различной частоте вращения вала двигателя на частичных характеристиках двигателя (ГОСТ 14846-81), например, при работе земледельческих машин в эксплуатационных условиях. The invention relates to measuring technique and can be used to measure energy - the maximum possible effective power of an internal combustion engine (ICE) operating in operating conditions under stochastic loading and adjustable operating conditions with incomplete fuel supply and, accordingly, various engine shaft speeds at partial engine characteristics (GOST 14846-81), for example, when operating agricultural machines in operating conditions.

Максимально возможная эффективная мощность ДВС, обусловленная конструкцией двигателя, определяется стендовыми испытаниями (ГОСТ 18509-88, ГОСТ 25033-81), при которых измеряют искусственно задаваемую нагрузку (крутящий момент) и получаемую при этом частоту вращения вала двигателя, перемножают эти величины и по максимуму получаемых результатов определяют (в соответствующем масштабе) максимально возможную мощность (энергоресурс) двигателя. The maximum possible effective power of the internal combustion engine, due to the design of the engine, is determined by bench tests (GOST 18509-88, GOST 25033-81), which measure the artificially set load (torque) and the resulting engine shaft speed, multiply these values and the maximum The results obtained determine (on an appropriate scale) the maximum possible power (energy) of the engine.

Такой способ, характеризующий конструкцию двигателя, для определения энергоресурса ДВС в эксплуатационных условиях мало пригоден, т.к. в процессе эксплуатации ДВС имеют место не установившиеся (или задаваемые) нагрузки, а нагрузки, имеющие стохастический (вероятностный) характер, который изменяет (обычно уменьшает) среднее значение получаемой частоты вращения вала двигателя. Поэтому энергоресурс, получаемый при стендовых испытаниях, недостаточно точен для эксплуатационных условий. Кроме того, в процессе эксплуатации ДВС сложно определять нагрузку в виде крутящего момента, а не в виде передаваемого усилия. This method, which characterizes the design of the engine, is not very suitable for determining the energy resource of an internal combustion engine under operational conditions, because during operation of the internal combustion engine, there are not steady-state (or set) loads, but loads that are stochastic (probabilistic) in nature, which changes (usually decreases) the average value of the obtained engine shaft speed. Therefore, the energy resource obtained during bench tests is not accurate enough for operational conditions. In addition, during the operation of the internal combustion engine it is difficult to determine the load in the form of torque, and not in the form of transmitted force.

Чтобы устранить эти недостатки, было предложено определять энергоресурс ДВС в эксплуатационных условиях как максимальное значение мощности по эксплуатационной характеристике двигателя [1, с. 27-31], учитывающей степень (коэффициент) вариации нагрузки, а нагрузку определять по цикловому давлению в цилиндрах двигателя ("задроссельное давление" или давление в топливопроводящей системе) за один оборот вала двигателя, что характеризует не только усилие, но и передаваемый через вал двигателя крутящий момент. To eliminate these shortcomings, it was proposed to determine the energy resource of the internal combustion engine in operating conditions as the maximum value of power according to the operational characteristics of the engine [1, p. 27-31], taking into account the degree (coefficient) of load variation, and determine the load by the cyclic pressure in the engine cylinders ("throttle pressure" or pressure in the fuel system) per revolution of the engine shaft, which characterizes not only the force but also transmitted through the shaft engine torque.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является "Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления" по а.с. N 1647300, G 01 L 3/24 [2]:
1. Способ определения энергоресурса ДВС, заключающийся в том, что при стохастической загрузке двигателя регистрируют параметры режима работы двигателя, фиксируют моменты прохождения режимом точек перегиба эксплуатационной характеристики двигателя и по величине параметров режима работы двигателя, измеренного в зафиксированные моменты, определяют величину энергоресурса, регистрируют расход топлива и величину задросселированного давления в цилиндрах двигателя, моменты прохождения режимом работы двигателя в точке перегиба экстремальной характеристики фиксируют по достижении величиной расхода топлива экстремального значения, а в качестве параметра режима работы двигателя используют величину задросселированного давления.The closest analogue to the proposed invention is the "Method for determining the energy source of an internal combustion engine and a device for its implementation" by as N 1647300, G 01 L 3/24 [2]:
1. The method of determining the energy resource of the internal combustion engine, which consists in the fact that when the engine is stochastically loaded, parameters of the engine operating mode are recorded, moments of passage of the engine performance characteristics by the mode of the inflection points are recorded, and the value of the energy mode parameters measured at fixed moments are determined, the energy resource is determined, the flow rate is recorded fuel and the magnitude of the throttle pressure in the engine cylinders; moments of passage by the engine operating mode at the inflection point their characteristics are fixed when the fuel consumption reaches an extreme value, and the throttle pressure value is used as a parameter of the engine operation mode.

2. Устройство для определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания, содержащее блок измерения мощности, блок нахождения экстремума и индикатор, в устройство введен датчик расхода топлива, подключенный через блок нахождения экстремума к управляющему входу индикатора, к информационному входу которого подключен блок измерения мощности, при этом блок измерения мощности выполнен в виде датчика задросселированного давления, вычислителя среднеквадратического значения, делителя, преобразователя напряжения в частоту, дифференциатора, компаратора и измерителя времени цикла, выход которого подключен к первому входу делителя, а вход - к выходу компаратора и к первому входу вычислителя среднеквадратического значения, второй вход которого подключен к датчику задросселированного давления, а через дифференциатор - к входу компаратора, причем, выход вычислителя среднеквадратического значения подключен ко второму входу делителя, выход которого подключен к входу преобразователя напряжения в частоту. 2. A device for determining the energy resource of an internal combustion engine, comprising a power measurement unit, an extremum location unit and an indicator; a fuel consumption sensor is connected to the device through an extremum location unit and connected to an indicator control input, to the information input of which a power measurement unit is connected, while the unit power measurements are made in the form of a throttle pressure sensor, a rms calculator, a divider, a voltage to frequency converter, differentially a, a comparator and a cycle time meter, the output of which is connected to the first input of the divider, and the input to the output of the comparator and to the first input of the RMS calculator, the second input of which is connected to the throttle pressure sensor, and through the differentiator to the input of the comparator, and, the output the RMS calculator is connected to the second input of the divider, the output of which is connected to the input of the voltage to frequency converter.

Недостатком этого способа и устройства является то, что для определения энергоресурса двигателя при применении в процессе технологической работы машины регулируемых [1, с. 45, 47] режимов работы двигателя с неполной подачей топлива надо каждый раз (на каждом режиме неполной подачи топлива) выполнять весь объем предусмотренных способом операций, давая нагрузку, при которой имеет место переход с регуляторной на корректорную ветвь эксплуатационной характеристики двигателя, а это весьма трудоемко и зачастую требует нарушения технологической работы машины. Кроме того, предусмотренные способ и устройство не позволяют при переходе на частичные режимы непрерывно измерять изменяющийся в процессе работы энергоресурс двигателя. The disadvantage of this method and device is that to determine the energy source of the engine when used in the process of technological work, the machines are adjustable [1, p. 45, 47] operating modes of the engine with incomplete fuel supply, each time (in each mode of incomplete fuel supply) it is necessary to perform the entire volume of operations provided by the method, giving the load at which there is a transition from the regulatory to the corrective branch of the engine performance, and this is very time-consuming and often requires a violation of the technological operation of the machine. In addition, the provided method and device do not allow, upon switching to partial modes, to continuously measure the energy resource of the engine changing during operation.

Задачей изобретения является непрерывное измерение энергоресурса двигателя в эксплуатационных условиях при регулировании режимов работы изменением подачи топлива, снижение трудоемкости измерения. The objective of the invention is to continuously measure the energy of the engine in operating conditions when regulating operating modes by changing the fuel supply, reducing the complexity of the measurement.

Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания основан на том, что при стохастической нагрузке двигателя, обеспечивающей в эксплуатационных условиях переход с регуляторной на корректорную ветвь характеристики двигателя, экстремальная величина эффективной мощности при работе в режиме полной подачи топлива определяет энергоресурс двигателя Э_н и соответствующую ему частоту вращения вала двигателя n_н, а при работе в режимах, регулируемых неполной подачей топлива, величина энергоресурса двигателя Э_i изменяется в соответствии с отношением величин частоты вращения вала двигателя n_i в режимах работы при неполной подаче топлива и частоты вращения вала двигателя n_н при полной подаче топлива (фиг. 1).The method for determining the energy resource of an internal combustion engine is based on the fact that under stochastic engine load, which ensures in operating conditions the transition from the regulatory to the corrector branch of the engine characteristics, the extreme value of the effective power when operating in the full fuel supply mode determines the energy resource of the engine E _n and the corresponding rotational speed the engine shaft n _n , and when operating in modes controlled by the incomplete fuel supply, the energy resource of the engine E _i changes accordingly in accordance with the ratio of the values of the rotational speed of the engine shaft n _i in the modes of operation with incomplete supply of fuel and the rotational speed of the engine shaft n _n at full supply of fuel (Fig. 1).

Осуществляют способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания следующим образом. При работе в эксплуатационных условиях стохастической нагрузки задают режим работы двигателя при полной подаче топлива, регистрируют при этом параметры, характеризующие мощность двигателя, определяют экстремальную величину мощности - энергоресурс двигателя Э_н и соответствующую ему частоту вращения n_н вала двигателя в режиме работы при полной подаче топлива и фиксируют эти величины. Затем, при работе в режимах, регулируемых неполной подачей топлива, измеряют значения частоты вращения вала двигателя n_i при неполной подаче топлива и вычисляют энергоресурс двигателя Э_i в режиме работы при неполной подаче топлива перемножением зафиксированного значения энергоресурса двигателя Э_н в режиме работы при полной подаче топлива на отношение величин частоты вращения вала двигателя в режимах работы при неполной и полной подаче топлива:
Э_i = Э_y(n_i/n_н).A method for determining the energy resource of an internal combustion engine is carried out as follows. When operating under operating conditions of stochastic load, the engine operating mode is set at full fuel supply, the parameters characterizing the engine power are recorded, the extreme power value is determined - the engine energy resource E _n and the corresponding engine speed n _n of the engine shaft in the full fuel mode and fix these values. Then, when operating in modes controlled by incomplete fuel supply, the values of the engine shaft speed n _i are measured with incomplete fuel supply and the engine energy E _i is calculated in the mode of operation with incomplete fuel supply by multiplying the fixed value of the engine energy E _n in the operation mode with full supply fuel to the ratio of the values of the rotational speed of the engine shaft in operating modes with incomplete and full fuel supply:
E _i = E _y (n _i / n _n ).

Устройство для определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания (фиг. 2) содержит блок 1 измерения мощности, блок 2 нахождения экстремума в режиме работы двигателя при полной подаче топлива, блок 3, содержащий оперативно-запоминающее устройство ОЗУ, и индикатор 4 энергоресурса двигателя в режиме работы двигателя при полной подаче топлива, причем все перечисленные устройства соединены последовательно, датчик 5 частоты вращения вала двигателя, блок 6 вычисления энергоресурса двигателя в режиме работы при неполной подаче топлива и индикатор 7 энергоресурса двигателя в режиме работы при неполной подаче топлива, при этом датчик частоты вращения вала двигателя одним своим выходом подключен к входу блока, содержащего оперативно-запоминающее устройство, а блок вычисления энергоресурса двигателя в режиме работы при неполной подаче топлива одним своим входом подключен ко второму выходу датчика частоты вращения вала двигателя, другим входом подключен к выходу блока, содержащего оперативно-запоминающее устройство, и выходом подключен к индикатору энергоресурса двигателя в режиме работы при неполной подаче топлива. A device for determining the energy resource of an internal combustion engine (Fig. 2) contains a power measurement unit 1, an extremum unit 2 in the engine operating mode at full fuel supply, a unit 3 containing RAM memory, and an engine energy indicator 4 in the engine operation mode at full fuel supply, and all of the above devices are connected in series, the engine shaft speed sensor 5, the engine energy calculation unit 6 in the mode of operation with incomplete fuel supply and the dictator 7 of the engine energy resource in the mode of operation when the fuel supply is incomplete, while the engine shaft speed sensor with one output is connected to the input of the unit containing the random access memory, and the engine energy calculation unit in the operation mode when the fuel is incomplete with one of its input is connected to the second output of the engine shaft speed sensor, the other input is connected to the output of the unit containing the random access memory, and the output is connected to the engine power indicator in operating mode with incomplete fuel supply.

Блок 1 измерения мощности двигателя (фиг. 3) содержит: датчик 8 давления в цилиндрах двигателя, вычислитель 9 среднего квадратического значения, дифференциатор 10, компаратор 11, измеритель 12 времени цикла, делитель 13, преобразователь 14 напряжения в частоту. При этом датчик 8 давления в цилиндрах двигателя, вычислитель 9 среднего квадратического значения, делитель 13 и преобразователь напряжения в частоту 14 последовательно соединены между собой. Блоки: дифференциатор 10, компаратор 11 и измеритель времени цикла 12 последовательно соединены между собой. При этом второй выход датчика давления в цилиндрах двигателя 8 соединен с входом дифференциатора 10, а третий выход - с входом дифференциатора 15. Выход компаратора 11 соединен со вторым входом вычислителя среднего квадратического значения 9. Выход измерителя времени цикла 12 соединен со вторым входом делителя 13. Block 1 for measuring engine power (Fig. 3) contains: a sensor 8 for pressure in the engine cylinders, a calculator 9 for the mean square value, a differentiator 10, a comparator 11, a meter 12 for cycle time, a divider 13, and a voltage to frequency converter 14. In this case, the pressure sensor 8 in the engine cylinders, a calculator 9 of the mean square value, a divider 13, and a voltage to frequency converter 14 are connected in series. Blocks: a differentiator 10, a comparator 11 and a cycle time meter 12 are connected in series. In this case, the second output of the pressure sensor in the cylinders of the engine 8 is connected to the input of the differentiator 10, and the third output is connected to the input of the differentiator 15. The output of the comparator 11 is connected to the second input of the quadratic mean value calculator 9. The output of the cycle time meter 12 is connected to the second input of the divider 13.

Блок 2 нахождения экстремума в режиме работы двигателя при полной подаче топлива (фиг. 4) содержит: дифференциатор 15, аналоговый ключ 16, формирователь 17 импульсов, преобразователь 18 напряжения в частоту, оперативное запоминающее устройство 19, схему 20 сравнения и пороговый элемент 21. The extremum finding unit 2 in the engine operation mode at full fuel supply (Fig. 4) contains: a differentiator 15, an analog switch 16, a pulse shaper 17, a voltage to frequency converter 18, a random access memory 19, a comparison circuit 20 and a threshold element 21.

Дифференциатор 15, формирователь 17 импульсов, аналоговый ключ 16, преобразователь напряжения в частоту 18, оперативное запоминающее устройство 19, схема сравнения 20 и пороговый элемент последовательно соединены между собой. При этом второй вход дифференциатора 15 соединен со вторым входом аналогового ключа 16. Второй выход преобразователя напряжения в частоту 18 подключен ко второму входу схемы сравнения 20. Выход порогового элемента 21 соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства 19. Differentiator 15, pulse shaper 17, analog switch 16, voltage to frequency converter 18, random access memory 19, comparison circuit 20 and threshold element are connected in series. The second input of the differentiator 15 is connected to the second input of the analog switch 16. The second output of the voltage-to-frequency converter 18 is connected to the second input of the comparison circuit 20. The output of the threshold element 21 is connected to the second input of the random access memory 19.

Устройство для определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. A device for determining the energy resource of an internal combustion engine works as follows.

При выполнении технологической операции, например, земледельческой машиной в условиях стохастической (вероятностной) нагрузки в режиме работы двигателя при полной подаче топлива, в блоке 1 сигнал от датчика 8 давления в цилиндрах двигателя поступает на информационный вход вычислителя 9 среднего квадратического значения и одновременно в дифференциатор 10, где дифференцируется. В момент равенства производной текущего значения сигнала нулю компаратор 11 формирует короткий импульс, поступающий на управляющий вход вычислителя 9, который в этот момент на своем выходе формирует сигнал, пропорциональный работе двигателя за один цикл, а измеритель 12 измеряет длительность рабочего цикла. В делителе 13 осуществляется деление величины работы за рабочий цикл двигателя на время этого цикла, в результате чего на его выходе образуются сигналы, характеризующие поцикловые мощности двигателя, которые в преобразователе 14 преобразуются в последовательность импульсов, несущую информацию о текущей мощности двигателя. When performing a technological operation, for example, by an agricultural machine under stochastic (probabilistic) load in the engine operating mode with full fuel supply, in block 1, the signal from the pressure sensor 8 in the engine cylinders is fed to the information input of the calculator 9 of the mean square value and simultaneously to the differentiator 10 where differentiates. At the moment that the derivative of the current signal value is equal to zero, the comparator 11 generates a short pulse arriving at the control input of the calculator 9, which at this moment generates a signal proportional to the engine operation for one cycle at its output, and the meter 12 measures the duration of the duty cycle. In the divider 13, the magnitude of the work per engine duty cycle is divided by the time of this cycle, as a result of which signals are generated at the output that characterize the motor cycle power, which in the converter 14 are converted into a pulse train that carries information about the current engine power.

Одновременно в блоке 2 нахождения экстремума мощности в режиме работы двигателя при полной подаче топлива текущее значение давления 8 в цилиндрах двигателя поступает на вход дифференциатора 15, который определяет знак изменения мощности двигателя. В случае увеличения мощности выходной сигнал дифференциатора через формирователь 17 импульсов формирует сигнал, разрешающий прохождение сигнала через аналоговый ключ 16 на вход преобразователя 18 напряжения в частоту, с выхода которого сигнал в виде последовательности импульсов поступает на вход ОЗУ 19 и на вход схемы 20 сравнения, где сравнивается с сигналами, поступающими с ОЗУ 19. Разность этих сигналов с входа схемы 20 поступает на вход порогового элемента 21. At the same time, in block 2 for finding the power extremum in the engine operating mode with full fuel supply, the current pressure value 8 in the engine cylinders is supplied to the input of the differentiator 15, which determines the sign of the engine power change. In the case of increasing power, the output signal of the differentiator through the pulse shaper 17 generates a signal allowing the signal to pass through the analog switch 16 to the input of the voltage-to-frequency converter 18, from the output of which the signal as a sequence of pulses is fed to the input of the RAM 19 and to the input of the comparison circuit 20, where compared with the signals from RAM 19. The difference of these signals from the input of the circuit 20 is fed to the input of the threshold element 21.

При превышении установленного значения на выходе порогового элемента 21 появляется сигнал, разрешающий фиксацию информации в оперативном запоминающем устройстве 19. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не будет получено максимальное значение мощности (энергоресурс) Э_н, которое и будет зафиксировано вместе со значением частоты вращения n_н вала двигателя, поступающим от датчика 5 в ОЗУ блока 3, и соответственно отражено на табло индикатора 4 (фиг. 2).When the set value is exceeded, a signal appears at the output of the threshold element 21, which allows the information to be fixed in the random access memory 19. This process will occur until the maximum power value (energy) E _n is obtained, which will be recorded together with the frequency value rotation n _n the motor shaft coming from the sensor 5 in the RAM unit 3, and accordingly reflected on the indicator board 4 (Fig. 2).

После фиксации значений Э_н и n_н в ОЗУ блока 3 и на табло индикатора 4 подается сигнал (вручную или автоматически) об отключении датчика 8 давления в цилиндрах двигателя и, соответственно, выключаются из работы блоки 1 и 2 измерения мощности двигателя и нахождения экстремума. При дальнейшей работе двигателя в режимах неполной подачи топлива, сигналы датчика 5 частоты вращения n_i вала двигателя и сигналы из блока 3, содержащего ОЗУ о величинах Э_н и n_н, поступают в блок 6 вычисления энергоресурса Э_i двигателя в режиме работы при неполной подаче топлива, значение которого Э_i = Э_н(n_i/n_н) непрерывно фиксируется на индикаторе 7 (фиг. 2).After fixing the values of E _n and n _n in the RAM of block 3 and on the indicator board 4, a signal is sent (manually or automatically) to turn off the pressure sensor 8 in the engine cylinders and, accordingly, the units 1 and 2 of measuring engine power and finding the extremum are turned off. With further operation of the engine in incomplete fuel delivery modes, the signals of the engine speed sensor 5 n _i of the engine shaft and signals from block 3 containing RAM about the values of E _n and n _n are received in the energy calculation unit 6 of the engine E _i in the mode of operation with incomplete supply fuel, the value of which E _i = E _n (n _i / n _n ) is continuously fixed on the indicator 7 (Fig. 2).

Источники информации
1. Иофинов С.А., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-тракторного парка. - М. : Колос, 1984. - 351 с.Sources of information
1. Iofinov S.A., Lyshko G.P. Operation of the machine and tractor fleet. - M.: Kolos, 1984. - 351 p.

2. А. с. 1647300 A1 СССР, кл. G 01 L 3/24, SU. Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления - 6 с., ил. Бюл. N 17, 1991. 2. A. p. 1647300 A1 USSR, class G 01 L 3/24, SU. A method for determining the energy resource of an internal combustion engine and a device for its implementation - 6 C., ill. Bull. N 17, 1991.

Claims

1. The method of determining the energy resource of an internal combustion engine, which consists in the fact that at stochastic engine load, parameters characterizing the engine power are recorded, and the extreme value of power is determined from the engine’s operating characteristic — the engine’s energy resource, characterized in that the engine’s energy resource is determined under operating conditions in the mode work with full fuel supply, measure the frequency of rotation of the engine shaft and record these values, then measure the values of rotational speeds of the engine shaft in the mode of operation with incomplete fuel supply and determine the energy of the engine in the mode of operation with incomplete fuel supply by multiplying the fixed value of the engine energy in the mode of operation at full fuel supply by the ratio of the speed of the engine shaft in the modes of operation with incomplete and full fuel supply .

2. A device for determining the energy source of an internal combustion engine, comprising a power measurement unit and a unit containing a random access memory, characterized in that an extremum finding unit is introduced in the engine operating mode at full fuel supply and an engine energy indicator in the operating mode at full fuel supply moreover, all of the above devices are connected in series, also introduced a motor shaft speed sensor, an engine energy calculation unit in operation mode when not full fuel supply and the engine energy indicator in the mode of operation when the fuel supply is incomplete, while the engine shaft speed sensor has one output connected to the input of the unit containing the RAM, and the engine energy calculation unit in the mode of operation when the fuel is incomplete the input is connected to the second output of the engine shaft speed sensor, the other input is connected to the output of the unit containing the random access memory, and the output is connected to the indicator nergoresursa engine operation at partial fuel supply.