СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области двигателестроения. Более конкретной областью его применения являются средства автоматического диагностирования технического состояния поршневых двигателей внутреннего сгорания, преимущественно автомобильных.

Известно большое число различных способов диагностирования технического состояния поршневых двигателей внутреннего сгорания, в частности, автомобильных [1, 2] . Общими признаками большинства известных способов является наличие процедур, заключающихся в том, что в установленных условиях измеряют какой-либо из выбранных диагностических показателей состояния одного или нескольких конструктивных элементов двигателя, сравнивают измеренное значение показателя с опорной пороговой величиной и при установленном уровне их отличий судят о техническом состоянии двигателя - классифицируют определенного вида нарушение его работы [3]. Известны способы, в которых в качестве контролируемого диагностического показателя выбирают интенсивность оптического излучения, возникающего в цилиндрах двигателя при сгорании в них топливной смеси [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Этими способами обычно диагностируют нарушения условий опережения зажигания в двигателях с искровым зажиганием [4, 5, 6, 7, 8] , нарушения условий подачи топлива относительно необходимых для данного режима работы двигателя [9] или нарушения условий сгорания топлива из-за неоптимального состава бензиновоздушной смеси [10, 11]. Подобные способы обычно используют для диагностирования параметров работы двигателя в системах автоматического управления его работой, где по результатам диагностирования формируют определенные воздействия на элементы систем зажигания или подачи топлива. Различные варианты реализации указанных известных способов отличаются друг от друга особенностями выполнения операций измерения интенсивности оптического излучения, сравнения и обработки измеренных значений. Среди известных способов наиболее близко соответствует заявляемому способ по патенту США N 5113828, кл. F 02 D 41/14 [12], который принят за прототип.

Способ - прототип, также как и другие известные способы, основанные на регистрации интенсивности оптического излучения, возникающего в цилиндрах двигателя при сгорании в них топливной смеси, является составной частью способа автоматического управления (регулировки) работой двигателя и обеспечивает получение данных, которые далее используются для формирования управляющих воздействий на систему зажигания двигателя. Он заключается в том, что с помощью специального оптического датчика, размещенного по крайней мере в одном из цилиндров поршневого двигателя внутреннего сгорания, в процессе его работы непрерывно регистрируют интенсивность оптического излучения, возникающего в этом цилиндре при сгорании в нем топливной смеси и формируют кривую значений интенсивности в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя. Далее определяют максимальный уровень интенсивности оптического излучения на отрезке рабочего цикла цилиндра, который принимают за эталон или опорную пороговую величину, после чего сравнивают с ней все другие зарегистрированные на этом же отрезке значения интенсивности. В качестве критерия отличия сравниваемых значений интенсивности устанавливают определенное процентное отношение, в котором должны находиться зарегистрированное значение и опорная пороговая величина, и определяют то значение угла поворота коленчатого вала, которому соответствует их установленное процентное отношение. Тем самым определяют момент начала горения топлива или соответствие угла опережения зажигания его требуемому значению. Полученный результат используют далее для формирования управляющих воздействий на систему зажигания двигателя для изменения, при необходимости, значения угла опережения зажигания.

Недостатком способа-прототипа является ограниченность области его применения. Это обусловлено тем, что определение условий сгорания топлива в цилиндре двигателя производится на основе оценки только одного диагностического признака: изменения уровня интенсивности оптического излучения относительно его максимального значения на отрезке рабочего цикла. В результате способ-прототип обеспечивает диагностику только одного показателя технического состояния двигателя - угла опережения зажигания, в связи с чем он и применяется только в составе способа автоматической регулировки зажигания.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение области применения способа за счет возможности его использования для диагностирования широкого спектра состояний двигателя, в том числе нарушений его работы, связанных с необходимостью не только регулировки, но и ремонта.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе диагностирования технического состояния двигателя внутреннего сгорания путем определения условий сгорания топлива по крайней мере в одном цилиндре двигателя и включающего регистрацию интенсивности сопровождающего сгорание топлива оптического излучения, формирование последовательности зарегистрированных значений интенсивности на отрезке времени, равном по крайней мере части рабочего цикла двигателя и соответствующих текущим значениям углов поворота коленчатого вала, сравнение зарегистрированных значений с опорной пороговой величиной и определение соответствия сравниваемых величин установленному критерию отличия согласно изобретению регистрацию интенсивности оптического излучения выполняют по крайней мере в одной из фиксированных точек поля эксплуатационных режимов двигателя, последовательность зарегистрированных значений сегментируют на N участков, ограниченных установленными значениями угловых положений коленчатого вала, сравнение зарегистрированных значений и опорных пороговых величин выполняют раздельно для каждого сегментированного участка, после чего формируют кодированный сигнал, образованный соответствующей сегментированным участкам последовательностью кодированных обозначений соответствия установленного для данного участка критерия отличия сравниваемых величин, сформированный сигнал сравнивают с набором образцовых кодированных сигналов, соответствующих различным условиям сгорания топлива при определенных технических состояниях двигателя и при его совпадении с одним из кодированных сигналов набора диагностируют соответствующее техническое состояние двигателя.

Благодаря вновь введенным признакам обеспечивается возможность использования большего объема информации, содержащийся в синхронизированной с углом поворота коленчатого вала последовательности зарегистрированных значений интенсивности оптического излучения, возникающего в цилиндрах поршневого двигателя внутреннего сгорания при сгорании в них топливной смеси. Действительно, при сегментировании последовательности зарегистрированных значений интенсивности оптического излучения на N участков, раздельном для каждого из участков определении соответствия критерию отличий сравниваемых величин и по крайней мере бинарном кодировании результатов этого определения может быть сформирован кодированный сигнал, содержащий 2 в степени N различных кодовых комбинаций, каждая из которых теоретически будет соответствовать одной, отличной от других, комбинаций условий сгорания топлива, т.е. одному техническому состоянию двигателя. Число кодовых комбинаций сигнала, т.е. число диагностируемых технических состояний двигателя, может быть дополнительно увеличено, если будут выбираться различные значения опорных пороговых величин, различные точки поля эксплуатационных режимов и различные критерии отличия сравниваемых величин. Практически, число технических состояний двигателя, сопровождающихся существенно изменяющимися условиями сгорания топлива, т. е. диагностируемых настоящим способом, меньше, чем определяемое указанным верхним пределом информационной емкости кодированного сигнала. Но тем не менее, как это следует из приводимых ниже примеров практической реализации заявляемого способа, оно больше одного, что и обеспечивает достижение необходимого технического результата.

В частном случае реализации заявляемого изобретения регистрацию интенсивности оптического излучения выполняют по крайней мере в одном установленном спектральном диапазоне. При этом опорную пороговую величину выбирают в зависимости от установленного спектрального диапазона регистрации. Например, значение этой величины для голубого участка спектра выбирают не равным ее значению для красного участка. Подобная частная форма выполнения способа обеспечивает диагностирование таких технических состояний двигателя, которые сопровождаются аномалиями интенсивности оптического излучения в каком-либо определенном спектральном диапазоне. Тем самым, обеспечивается увеличение числа кодовых комбинаций кодированного сигнала, т.е. достижение необходимого технического результата за счет дополнительного расширения числа диагностируемых технических состояний двигателя.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - оптическая индикаторная диаграмма технически исправного отрегулированного двигателя;
фиг. 2 - оптическая индикаторная диаграмма двигателя с неисправностью в виде неправильной установки момента зажигания (неправильная установка угла опережения зажигания);
фиг. 3 - оптическая индикаторная диаграмма двигателя с неисправностью в виде повреждения маслоотражающего колпачка.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Двигатель запускают и выводят его в одну из фиксированных точек поля эксплуатационных режимов, например, в точку, соответствующую отсутствию нагрузки на валу двигателя (холостой ход), при числе оборотов коленчатого вала 2500 об/мин, температуре масла + 75 град. C и температуре охлаждающей жидкости + 90 град. C. С помощью установленного по крайней мере в одном из цилиндров оптического датчика, имеющего, например, вид специальной свечи зажигания с оптически прозрачным окном, регистрируют интенсивность возникающего в этом цилиндре при сгорании в нем топлива оптического излучения и формируют последовательность зарегистрированных значений в виде оптической индикаторной диаграммы, примеры которой показаны на фиг. 1 - 3. Последовательность зарегистрированных значений интенсивности, соответствующих определенным значениям углов поворота коленчатого вала, сегментируют на N интервалов - на фиг. 1 - 3 показаны примеры сегментации на 4 интервала, на каждом из которых производят сравнение зарегистрированного значения интенсивности оптического излучения с опорной пороговой величиной. В качестве последней может быть использовано значение любой характеристики оптической индикаторной диаграммы: абсолютное значение интенсивности для технически исправного и отрегулированного двигателя, значение производной интенсивности для технически исправного и отрегулированного двигателя, знак производной интенсивности, количество изменений знака производной, абсолютное значение интенсивности в этом же цилиндре за предыдущий цикл его работы, абсолютное значение интенсивности в другом цилиндре этого же двигателя при одинаковых значениях углов поворота коленчатого вала и другие подобные характеристики. Результат сравнения зарегистрированных значений и соответствующих опорных пороговых величин кодируют, в простейшем случае, например, бинарным сигналом соответствия критерию отличий: отсутствие отличий (в установленных допустимых пределах), например, кодируют сигналом логического "0", а наличие отличий - сигналом логической "1" и формируют результирующий кодированный сигнал, образованный последовательностью указанных кодовых обозначений в виде последовательности логических "0" и "1".

На фиг. 1 показана оптическая индикаторная диаграмма технически исправного и отрегулированного двигателя. Эта диаграмма естественно может быть принята в качестве образца опорных пороговых величин на каждом из интервалов сегментации.

В случае если, например, диагностируется другой технически исправный и отрегулированный двигатель, зарегистрированные в его цилиндрах значения интенсивности оптического излучения не будут отличаться от упомянутого образца.

Тогда, сформированный кодированный сигнал, соответствующий кодовым обозначениям результатов сравнения зарегистрированных на интервалах I - IV значений интенсивности с опорными пороговыми величинами, будет иметь вид: "0000".

На фиг. 2 показана оптическая индикаторная диаграмма двигателя с неисправностью в виде неправильной установки момента зажигания (неправильная установка угла опережения зажигания). По результатам сравнения зарегистрированных в его цилиндре на интервалах I - IV значений интенсивности с теми же, что и в первом примере, значениями опорных пороговых величин и при больших значениях допустимых пределов отличий будет сформирован кодированный сигнал, имеющий вид: "0110".

На фиг. 3 показана оптическая индикаторная диаграмма двигателя с неисправностью в виде повреждения маслоотражающего колпачка. По результатам сравнения зарегистрированных в цилиндре двигателя на интервалах I - IV значений интенсивности с теми же, что и в первом примере, значениями опорных пороговых величин будет сформирован кодированный сигнал, имеющий вид: "0011".

Для увеличения информативности кодированного сигнала и, следовательно, для расширения номенклатуры диагностируемых состояний двигателя результат сравнения зарегистрированных значений и соответствующих опорных пороговых величин на каждом из сегментированных интервалов может быть закодирован и более сложным, например, двухразрядным двоичным сигналом. В таком сигнале, например, первый разряд, как и ранее, будет соответствовать результату сравнения зарегистрированного значения интенсивности и упомянутой выше первой опорной пороговой величины, определенной на базе эталонного технически исправного и отрегулированного двигателя, а второй разряд, например, будет соответствовать результату сравнения наблюдаемой величины отклонения измеренной величины от первой опорной пороговой величины со второй опорной пороговой величиной, в качестве которой может быть принято установленное значение предела отклонений. Тогда по результатам обоих сравнений на интервалах I - IV оптической индикаторной диаграммы, показанной на фиг. 2, будет сформирован кодированный сигнал, имеющий вид: "01 11 10 00".

Сформированный кодированный сигнал далее сравнивают с набором различных кодированных сигналов, хранящихся, например, в базе данных ЭВМ. Каждый из сигналов этого набора соответствует одному из известных технических состояний двигателя. При совпадении сформированного кодированного сигнала с одним из сигналов набора диагностируют соответствующее техническое состояние двигателя.

В частном случае реализации заявляемого способа регистрацию интенсивности оптического излучения в цилиндре двигателя осуществляют с использованием оптического датчика (канала регистрации), чувствительного к определенному участку спектра оптического излучения. Поскольку некоторые технические состояния двигателя сопровождаются изменениями распределения энергий в спектре сгорания топлива, реализация частного случая выполнения заявляемого способа обеспечивает дополнительное расширение области применения способа. В остальном, реализация заявляемого способа в данном частном случае не отличается от его реализации в первом (основном) случае.

Источники информации:
1. Л. В. Мирошников, А.П.Болдин, В.И.Пал. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях. Москва, "Транспорт", 1977, стр. 71 - 198.

2. Технические средства диагностирования. Справочник. Под ред. чл.- корр. АН СССР В.В.Клюева. Москва, "Машиностроение", 1989, стр. 330 - 370.

3. Патент РФ, кл. F 02 М 65/00, N 2022152.

4. Патент США, кл. F 02 D 41/14, N 5067463.

5. Патент США, кл. F 02 D 41/14, N 5103789.

6. Заявка Японии, кл. F 02 D 45/00, N 5-34502.

7. Заявка Германии, кл. F 02 D 41/00, N 3922523.

8. Патент США, кл. F 02 P 9/00, N 5038744.

9. Патент США, кл. F 02 D 41/22, N 5063901.

10. Патент США, кл. F 02 P 5/10, N 5303684.

11. Патент США, кл. G 01 M 15/00, N 4891970.

12. Патент США, кл. F 02 D 41/14, N 5113828 - прототип.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для диагностирования неисправностей поршневых двигателей внутреннего сгорания, например автомобильных. Способ заключается в том, что регистрируют интенсивность возникающего в цилиндрах двигателя при сгорании в них топливной смеси оптического излучения, синхронизированные с углами поворота коленчатого вала двигателя значения интенсивности сравнивают с опорными пороговыми величинами, соответствующими условиям сгорания топлива в цилиндрах технически исправного и отрегулированного двигателя, по результатам сравнения формируют кодированный сигнал и сравнивают его с набором кодированных сигналов, соответствующих различным видам технических неисправностей двигателя, а при совпадении сформированного кодированного сигнала с одним из сигналов набора диагностируют определенную техническую неисправность двигателя. Регистрацию интенсивности оптического излучения могут выполнять в одном или нескольких заданных спектральных диапазонах. Это позволяет диагностировать неисправности, сопровождающиеся изменениями интенсивности излучения в различных участках спектра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностирования технического состояния поршневого двигателя внутреннего сгорания путем определения условий сгорания топлива, по крайней мере, в одном цилиндре двигателя, заключающийся в том, что регистрируют интенсивность возникающего в цилиндре при сгорании топлива оптического излучения и на отрезке времени, равном, по крайней мере, части рабочего цикла двигателя, формируют последовательность измеренных значений интенсивности оптического излучения, соответствующих текущим значениям углов поворота коленчатого вала, после чего сравнивают их с опорной пороговой величиной и определяют соответствие установленному критерию отличия сравниваемых величин, отличающийся тем, что регистрацию интенсивности оптического излучения выполняют, по крайней мере, в одной из фиксированных точек поля эксплуатационных режимов двигателя, последовательность зарегистрированных значений интенсивности сегментируют на N участков, ограниченных установленными значениями угловых положений коленчатого вала, сравнение измеренных значений и опорных пороговых величин выполняют раздельно для каждого сегментированного участка, после чего формируют кодированный сигнал, образованный соответствующей сегментированным участкам последовательность кодированных обозначений соответствия установленному для данного участка критерию отличия сравниваемых величин, сформированный сигнал сравнивают с набором образцовых кодированных сигналов, соответствующих различным условиям сгорания топлива при определенных технических состояниях двигателя и при его совпадении с одним из кодированных сигналов набора диагностируют соответствующее техническое состояние двигателя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию интенсивности оптического излучения выполняют, по крайней мере, в одном установленном спектральном диапазоне.