СПОСОБ ОЦЕНКИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для определения неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в условиях эксплуатации, работающего в стационарном режиме.

Известно устройство для оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на непрерывном визуальном сравнении между собой интервалов следования сигналов положения коленчатого вала на экране осциллографа, т. е. по параметрам неравномерности вращения коленчатого вала.

Известно устройство контроля неравномерности распределения нагрузки по цилиндрам двигателя внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на сравнении параметров неравномерности вращения коленчатого вала двигателя. По этому способу на блок индикации по каждому цилиндру выводится значение, пропорциональное отклонение частоты вращения двигателя в зоне измерения от средней по двигателю частоте во всех таких зонах, что и характеризует равномерность распределения нагрузки по цилиндрам двигателя.

Общим недостатком принципа оценки неравномерности работы цилиндров двигателя, изложенных в этих устройствах, является необходимость определения кинематических параметров вращения коленчатого вала с высокой точностью, так как реальная неравномерность частоты вращения δ не превышает 5% что приводит к усложнению устройств и снижению технологичности способов контроля.

Известен способ оценки неравномерности работы двигателя внутреннего сгорания, включающий измерение частоты вращения и углового ускорения коленчатого вала в стационарном режиме и основанный на спектральном анализе углового ускорения ε коленчатого вала двигателя и оценки степени неравномерности его работы по рассчитываемым отношениям гармоник, кратных для четырехтактного двигателя половинной частоте вращения, к четвертой гармонике частоты вращения, при этом параметрами оценки неравномерности являются отношения
K_0,5=ε_0,5/ε₄;K_1,0=ε_1,0/ε₄;K_1,5=ε_1,5/ε₄;
K_2,0=ε_2,0/ε₄;K_2,5=ε_2,5/ε₄;K_3,0=ε_3,0/ε₄
Недостатками этого способа являются сложность оценки степени неравномерности работы двигателя по значительному числу выходных параметров, отсутствие количественной меры степени неравномерности, отсутствие возможности сравнительной оценки загруженности цилиндров, необходимость использования в устройствах для реализации способа нескольких полосовых фильтров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения технического состояния двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что на работающем двигателе измеряют значения контролируемого процесса при заданных координатах угла поворота коленчатого вала, по измеренным значениям контролируемого процесса определяют параметр состояния за серию циклов работы двигателя как отношение характеристики процесса для каждой координаты к общему числу серий, сравнивают параметр состояния с эталонным и по результатам сравнения производят оценку технического состояния двигателя.

При этом в качестве контролируемого процесса используют динамические ускорения конца коленчатого вала двигателя в осевом, тангенциальном и радиальных направлениях, а в качестве характеристики используется совокупность полученных для каждой угловой координаты суммы значений контролируемого процесса.

Недостатками этого способа являются трудности распознавания образов (графиков ускорений), отсутствие возможности получения сравнительной оценки загруженности цилиндров, количественной меры оценки степени неравномерности работы двигателя. При этом для осуществления способа устройство необходимо оснащать дополнительными техническими средствами в виде токосъемных колец, что приводит к усложнению устройства, снижению его надежности, возникновению дополнительной трудоемкости при установке токосъемных колец.

Общими совпадающими признаками этого способа и предлагаемого являются также существенные признаки, такие как измерение параметров виброускорения на работающем двигателе в стационарном режиме и построение по ним образов в виде семейства кривых.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в следующем. Как известно, на эффективность работы двигателя внутреннего сгорания в значительной степени влияет равномерная работа всех цилиндров двигателя. Разработка эффективных методов контроля и своевременного обнаружения неравномерности работы цилиндров двигателя по сигналу вибрации является важнейшей задачей современной технической диагностики. Решение этой задачи упрощенными методами с одновременным обеспечением качественной и достоверной информацией о работе двигателя при постоянном его контроле имеет немаловажное значение в этом вопросе.

Повысить технологичность процесса при оценке неравномемерности работы цилиндров работающего в стационарном режиме двигателя, тем самым упростить процесс последовательности выполняемых операций, обеспечить возможность количественной меры оценки неравномерности работы цилиндров двигателя такова основная конкретная задача, которая ставилась при разработке предлагаемого способа.

Поставленная задача достигается тем, что способ предусматривает установку на блоке цилиндров двигателя датчика виброускорения в точке, находящейся на уровне коленчатого вала на максимальном удалении от него в поперечном направлении со стороны выходного конца вала, обеспечивающую регистрацию тангенциальной компоненты ускорения блока a_τ, пропорциональной угловому ускорению коленчатого вала ε, путем цифровой низкочастотной полосовой фильтрации выделение этой компоненты из сигнала вибрации и отображение ее в виде семейства плоских замкнутых кривых на блоке визуализации, по степени компактности расположения которых визуально судят о равномерности работы цилиндров двигателя.

Для осуществления предложенного способа разработано устройство, содержащее последовательно соединенные датчик виброускорения, предварительный усилитель, блок аналогово-цифрового преобразования, цифровой фильтр низкой частоты, блок визуализации, а также датчик циклов, соединенный с блоком аналогово-цифрового преобразования.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что измерение виброускорения производят непосредственно на блоке цилиндров, причем виброускорение замеряют в точке, находящейся на уровне коленчатого вала на максимальном удалении от него в поперечном направлении со стороны выходного конца вала, выделение из сигнала виброускорения тангенциальной компоненты ускорения блока, пропорциональной угловому ускорению коленчатого вала, производят путем цифровой низкочастотной полосовой фильтрации, оценку неравномерности работы цилиндров двигателя производят визуально по степени компактности отображенных на блоке визуализации семейства плоских замкнутых кривых.

Совокупность всех этих отличительных признаков и последовательность операций позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении технологичности контроля и оценки неравномерности работы цилиндров двигателя.

Установка датчика виброускорения на блоке цилиндров наиболее легко реализуема технологически, а нахождение точки контроля на уровне коленчатого вала со стороны выходного конца вала на практике это на уровне выходного коренного подшипника) обеспечивает регистрацию импульсов крутильной реакции блока на работу каждого из цилиндров.

Выделение из сигнала виброускорения тангенциальной компоненты ускорения путем цифровой низкочастотной фильтрации, т. е. с помощью низкочастотного цифрового фильтра, полностью исключает прохождение компонент больших верхней граничной частоты фильтра. Поэтому наличие в устройстве низкочастотного цифрового фильтра является обязательным, так как аналоговые фильтры имеют пологоспадающую частотную характеристику.

Отображение результатов фильтрации в виде семейства замкнутых кривых облегает и ускоряет оценку изменений кривых оператором, так как компактность расположения кривых достаточно определенно трактуемый признак как при цветном, так и при монохромном отображении.

Простота способа, использование для его осуществления универсального оборудования обеспечивают возможность широкого использования предлагаемого способа на практике для получения в процессе эксплуатации двигателя в любой момент его работы достоверной и качественной информации о работе цилиндров. Благодаря возможности своевременного обнаружения неравномерности работы цилиндров, выявлению разрегулированных цилиндров и принятию мер по их регулировке обеспечивается повышение надежности двигателя вследствие снижения амплитуд переменных нагрузок от неравномерности работы цилиндров, получение экономии топлива за счет оптимизации распределения нагрузки цилиндрами. Все это способствует повышению эффективности работы двигателя в целом.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 схема установки датчика низкочастотной вибрации на выходе фильтра 4 при наличии фазовой привязки; на фиг. 4 характер отображения сигнала низкочастотной вибрации на фиг. 3 на блоке визуализации; на фиг. 5 представлено семейство кривых, полученных при работе ДВС на нагрузке 25-30% от номинальной; на фиг. 6 представлено семейство кривых, полученных на неотрегулированном двигателе, работающем на нагрузке 80% от номинальной; на фиг. 7 представлено семейство кривых, полученных после регулировки двигателя, работающего на нагрузке 80% от номинальной.

Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 виброускорения, предварительный усилитель 2, блок 3 аналогово-цифрового преобразования, цифровой фильтр 4 низкой частоты и блок 5 визуализации. Выход датчика 6 циклов подключен к второму входу блока 3. Датчик 6 служит для фазовой привязки начала занесения сигнала в блок 3.

В качестве блока 5 визуализации может быть использован дисплей или графопостроитель.

Способ осуществляется следующим образом.

Датчик 1 виброускорения устанавливают на блоке 8 цилиндров в точке, находящейся на уровне коленчатого вала 9 на максимальном удалении от него в поперечном направлении со стороны выходного конца вала 9 (см. фиг. 2). При этом предпочтительно выполнить следующее условие. Если выходной конец вала вращается по часовой стрелке, то датчик 1 устанавливают с левой стороны двигателя, если выходной конец вала вращается против часовой стрелки, то датчик 1 устанавливают с правой стороны двигателя.

Датчик 6 циклов устанавливают на регистрацию метки цикла (распределительный вал, плунжер насоса высокого давления и т. п.) Устанавливают верхнюю граничную частоту цифрового фильтра 4 низкой частоты f_в= где Z число цилиндров ДВС, i тактность ДВС, f_дв частота вращения ДВС, Гц. При этом нижняя частотная граница полосы регистрируемой вибрации не должна превышать значения частоты цикла f_дв/i. Двигатель выводят на стационарный режим работы. Сигнал вибрации g/t с датчика 1 поступает на предварительный усилитель 2, а с него в виде аналога ускорения U(t) по напряжению на вход блока 3 аналого-цифрового преобразования, запуск которого на занесение осуществляется автоматически по приходу метки цикла к датчику 6 цикла. Сигнал ускорения в цифровой дискретной формеUi(ti)} поступает на вход цифрового фильтра 4 низкой частоты. Полученная в результате фильтрации сигнала вибрации тангенциальная компонента ускорения блока, пропорциональная угловому ускорению коленчатого вала, в дискретной цифровой формеUi(ti)} отображается на блоке 5 визуализации в виде семейства кривых (см. фиг. 4), получаемых путем последовательного соединения прямыми точек на плоскости с координатами Xi= Ui(ti); Yi Ui(ti- τ), где τ (0,1-0,2)/f_в время задержки.

Оценка степени неравномерности работы цилиндров двигателя производится визуально по степени компактности расположения кривых на плоскости.

Наличие фазовой привязки к циклу начала занесения сигнала в блок 3 аналого-цифрового преобразования позволяет произвести взаимную увязку участков кривых с работой конкретного цилиндра (см. фиг. 3 и 4) и установить качественно тенденции перераспределения нагрузки между цилиндрами. На основе оценки дисперсии кривых от средней возможно формирование количественных мер неравномерности работы цилиндров двигателя.

Результаты применения на практике предложенного способа оценки неравномерности работы цилиндров двигателя представлены на фиг. 5, 6, 7.

Способ апробирован на судах проекта 1332 (посольно-свежьевой рыболовный траулер типа "Баренцево море"), принадлежащит Мурманскому траловому флоту, оснащенных главным гребным двигателем-дизелем марки 6L525(6ЧРН 52,5/72).

При этом использовалось следующее оборудование:
датчик виброускорения 4370 фирмы "Брюль и Къер",
предварительный усилитель 2511 фирмы "Брюль и Къер",
блок аналого-цифрового преобразования анализатора 2033 фирмы "Брюль и Къер",
цифровой фильтр реализован на ПЭВМ фирмы "Хьюлетт-Паккард",
блок визуализации графопостроитель фирмы "Хьюлетт-Паккард".

На фиг. 5 представлено семейство кривых в виде эллипсов по 1024 точкам, полученных при работе дизеля на долевой нагрузке, составляющей 25-30% N_ном.

Средняя область семейства кривых затенена, она почти полностью закрыта. Эллипсы сужены по малой оси. Очевидна неравномерность работы цилиндров, характерная для долевых нагрузок дизелей.

На фиг. 6 представлено семейство кривых, полученных при работе дизеля на нагрузке порядка 80% от N_ном. Произошло раскрытие средней области кривых. Однако просматривается дисперсия кривых, причем дисперсия от средней значительна. Это свидетельствует о неравномерности работы цилиндров. Необходима регулировка двигателя.

На фиг. 7 представлено семейство кривых, полученных после регулировки двигателя путем уменьшения цикловой подачи топлива в первый цилиндр. Нагрузка дизеля 80% Произошло дальнейшее раскрытие средней области семейства кривых, более компактно стало их расположение. Это свидетельствует об относительной равномерности работы всех цилиндров двигателя.

Выводы по всем примерам подтверждены контрольными замерами среднего индикаторного давления P_i по цилиндрам (показаны на фиг. 6, 7).

Таким образом, эффективность предлагаемого способа в сравнении с известным достигается за счет упрощения и простоты оценки неравномерности работы цилиндров двигателя, возможности контроля результата в любой момент работы двигателя на стационарном режиме.

Применение предлагаемого способа повышает технологичность эксплуатационного контроля за работой цилиндров двигателя и эффективность диагностирования двигателя.

Использование: техническая диагностика двигателей внутреннего сгорания, в частности, для оценки неравномерности работы цилиндров двигателя, работающего в стационарном режиме. Сущность изобретения: способ включает измерение параметров вибрации двигателя, формирование по ним на блоке визуализации семейства плоских замкнутых кривых и сравнение их между собой. Отличительной особенностью способа является то, что виброускорение замеряют непосредственно на блоке цилиндров в точке, находящейся на уровне коленчатого вала на максимальном удалении от него в поперечном направлении со стороны выходного конца вала. Путем цифровой низкочастотной полосовой фильтрации из сигнала виброускорения выделяют тангенциальную компоненту ускорения блока, пропорциональную угловому ускорению коленчатого вала, после чего визуально по степени компактности отображенных на блоке визуализации семейства плоских замкнутых кривых судят о работе цилиндров и двигателя в целом. 7 ил.

СПОСОБ ОЦЕНКИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем измерения виброускорения конца коленчатого вала двигателя, работающего в стационарном режиме, и формирования на блоке визуализации семейства плоских кривых, отличающийся тем, что виброускорение замеряют непосредственно на блоке цилиндров в точке, находящейся на уровне коленчатого вала на максимальном удалении от него в поперечном направлении со стороны выходного конца вала, из сигнала виброускорения путем цифровой низкочастотной полосовой фильтрации выделяют тангенциальную компоненту ускорения блока, пропорциональную угловому ускорению коленчатого вала, семейства плоских кривых формируют с учетом отфильтрованной тангенциальной компоненты ускорения блока, а о неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания судят по степени компактности отображенных на блоке визуализации семейства плоских кривых.