СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области технической диагностики, в частности к способам диагностирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания в процессе их изготовления, технического обслуживания и ремонта.

Известен способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания путем определения компрессии в цилиндрах, основанный на измерении давления в конце такта сжатия при прокручивании коленчатого вала стартером у карбюраторных двигателей или при работе на минимально устойчивых оборотах холостого хода у дизельных двигателей [1].

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость диагностирования, обусловленная необходимостью выворачивания свечей зажигания или снятия форсунок, и недостаточная точность вследствие влияния на результаты измерений теплового состояния двигателя и частоты вращения коленчатого вала, зависящей от степени заряженности аккумуляторной батареи. Кроме того, компрессия обладает низкой чувствительностью и даже при значительном износе ЦПГ ее значение снижается всего на 10-20%, что затрудняет объективную оценку технического состояния ДВС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания путем определения компрессии в цилиндре, заключающийся в том, что многократно осуществляют режим выбега, измеряют параметры выбега, обрабатывают их и сравнивают результаты с эталонными, а в качестве параметра выбега измеряют угловое положение остановки кривошипа, ближайшего к направлению хода сжатия относительно верхней мертвой точки его цилиндра, при обработке суммируют количество измеренных угловых положений, расположенных в пределах заданного сектора, размещенного симметрично относительно теоретически нормального положения кривошипа, причем величину сектора выбирают не более угла заклинки кривошипов вала [2].

Недостатками этого способа являются большая трудоемкость вследствие необходимости многократного осуществления режима выбега и недостаточная точность, обусловленная влиянием на угловое положение остановки кривошипа сил трения в сопряжениях ДВС, зависящих от технического состояния составных частей двигателя, его теплового режима и качества смазочного материала. Кроме того, этот способ позволяет определять не абсолютное, а относительное значение компрессии в цилиндрах, что снижает информативность получаемых результатов и не дает однозначного ответа о необходимости проведения профилактических и ремонтных воздействий.

Задачей предполагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости и повышение точности диагностирования двигателя за счет уменьшения количества выбегов и исключения влияния на результаты диагностирования сил трения в сопряжениях ДВС.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе диагностирования двигателя внутреннего сгорания путем определения компрессии в цилиндре, заключающемся в том, что осуществляют режим выбега, измеряют параметры выбега, обрабатывают их и сравнивают результаты с эталонными, в качестве параметра выбега непрерывно измеряют промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины за цикл работы двигателя с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра, в процессе обработки результатов измерений получают зависимость угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя, по которой определяют зависимость углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в этих же пределах, после чего на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, изменение углового ускорения представляют в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, определяют фазу этой гармоники, изменяющуюся в зависимости от компрессии, сравнивают ее величину с эталонным значением и делают заключение о техническом состоянии двигателя.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве параметра выбега непрерывно измеряют промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины за цикл работы двигателя с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра, в процессе обработки результатов измерений получают зависимость угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя, по которой определяют зависимость углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в этих же пределах, после чего на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, изменение углового ускорения представляют в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, определяют фазу этой гармоники, изменяющуюся в зависимости от компрессии, сравнивают ее величину с эталонным значением и делают заключение о техническом состоянии двигателя. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Непрерывное измерение в процессе выбега промежутков времени, соответствующих повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины за цикл работы двигателя с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра, получение в процессе обработки результатов измерений зависимости угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя, определение по ней зависимости углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в этих же пределах, представление изменения углового ускорения на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, позволяет по величине фазы гармоники определять компрессию в цилиндре в процессе одного выбега, что значительно уменьшает трудоемкость диагностирования. Принятая в качестве параметра, изменяющегося в зависимости от компрессии, фаза гармоники углового ускорения определяется только угловым положением экстремальных значений углового ускорения, которые обусловлены характером изменения компрессионной составляющей индикаторного момента и практически не зависят от величины сил трения в сопряжениях ДВС. В результате этого повышается точность способа. Кроме того, благодаря наличию однозначной функциональной связи фазы гармоники с компрессией представляется возможным оценивать не только относительное значение компрессии, но и определять ее абсолютное значение в каждом цилиндре, что увеличивает информативность получаемых результатов.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежом, на фиг.1 которого приведено изменение угловой скорости ω коленчатого вала по углу его поворота ϕ за цикл работы двигателя ЗМЗ-2401 на холостом ходу с выключенным третьим цилиндром, значение компрессии в котором соответствует номинальному; на фиг.2 - то же, с пониженной компрессией; I, II, III и IV - номера цилиндров в соответствии с порядком их работы; на фиг.3 изображена зависимость углового ускорения ε коленчатого вала по углу его поворота ϕ в пределах первой половины периода изменения крутящего момента на такте расширения выключенного третьего цилиндра (1 - с нормальной компрессией, 2 - с пониженной компрессией); на фиг.4 - линии тренда, аппроксимирующие указанные зависимости полиномом четвертой степени соответственно с нормальной (кривая 1) и пониженной (кривая 2) компрессией, ε_1max и ε_2max- максимальные значения углового ускорения, соответствующие этим линиям тренда; на фиг.5 - зависимость относительных утечек У сжатого воздуха из надпоршневого пространства, характеризующих компрессию, от фазы гармоники F углового ускорения коленчатого вала двигателя ЗМЗ-2401.

Предлагаемый способ основан на следующих теоретических предпосылках.

Из дифференциального уравнения движения коленчатого вала двигателя на неустановившемся режиме угловое ускорение при выбеге определяется соотношением [3]

где J_дв - приведенный момент инерции двигателя;
М_к - компрессионная составляющая индикаторного момента;
М_вп - момент внутренних потерь в двигателе;
М_ин - момент от сил инерции движущихся масс двигателя.

Компрессия двигателя характеризует величину утечек рабочего тела из надпоршневого пространства через неплотности. При снижении частоты вращения коленчатого вала величина утечек увеличивается, соответственно чувствительность компрессии повышается. Поэтому оценку компрессионных свойств двигателя наиболее целесообразно проводить при малых частотах вращения коленчатого вала. При таких частотах вращения моментом от сил инерции можно пренебречь.

Момент внутренних потерь двигателя обусловлен всеми видами механического трения, осуществлением процессов газообмена, необходимостью привода вспомогательных механизмов и оборудования. Величина механических потерь зависит от многих факторов, основными из которых являются тепловое состояние и скоростной режим двигателя. В процессе эксплуатации двигателей вследствие изменения их технического состояния, а также при различных температурных и скоростных режимах работы момент внутренних потерь будет изменяться, что необходимо учитывать при разработке способов определения компрессионных свойств двигателей. При неизменных температурном и скоростном режимах работы двигателя величину внутренних потерь можно принять постоянной, не зависящей от угла поворота коленчатого вала.

Компрессионная составляющая М_к индикаторного момента определяется текущим давлением в цилиндрах двигателя на тактах сжатия и расширения, которое, в свою очередь, зависит от массы рабочего тела. При наличии утечек рабочего тела из надпоршневого пространства его масса на тактах сжатия-расширения непрерывно уменьшается, что приводит к нарастающему по углу поворота коленчатого вала уменьшению давления в цилиндрах двигателя. Поэтому наибольшее уменьшение давления в цилиндрах будет наблюдаться на такте расширения. При углах поворота коленчатого вала, соответствующих первой половине периода изменения крутящего момента, наибольшее влияние на величину крутящего момента, а следовательно, и на величину углового ускорения коленчатого вала оказывает компрессионная составляющая индикаторного момента от цилиндра, в котором происходит такт расширения, а при углах поворота, соответствующих второй половине периода изменения крутящего момента - от цилиндра, в котором происходит такт сжатия. В связи с этим для определения компрессии в отдельных цилиндрах необходимо использовать изменение углового ускорения коленчатого вала в пределах первой половины периода изменения крутящего момента. При этих углах поворота угловое ускорение можно представить в виде отрезка синусоиды с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, для чего зависимость углового ускорения по углу поворота коленчатого вала необходимо подвергнуть дискретному преобразованию Фурье. В качестве параметра, характеризующего компрессионные свойства двигателя, наиболее целесообразно принять фазу гармоники, определяемую угловым положением экстремального значения углового ускорения, обусловленного характером изменения компрессионной составляющей индикаторного момента и практически не зависящего от величины сил трения в сопряжениях ДВС.

Диагностирование двигателя внутреннего сгорания по предлагаемому способу производят в следующей последовательности (на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя ЗМЗ-2401).

Предварительно с двигателя демонтируют воздухоочиститель для исключения влияния его загрязненности на сопротивление впускного тракта, затем запускают двигатель, прогревают его до нормального теплового состояния (80-85^oС), отключают один из цилиндров (например, третий) путем снятия со свечи зажигания высоковольтного провода и выводят двигатель на заданный скоростной режим (в данном случае ω_ср = 85±5 c^-1). Далее непрерывно измеряют промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины (например, через 720^o/256) за цикл работы двигателя (2 оборота коленчатого вала) с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра. Затем определяют значения угловой скорости коленчатого вала в пределах каждого углового интервала. По полученным результатам находят зависимость угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя (фиг.1). Далее получают зависимость углового ускорения коленчатого вала по углу его поворота в пределах первой половины периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра (например третьего, фиг.3, кривая 1). Представляют полученную зависимость в виде гармонической компоненты с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, и по фазе полученной гармоники с помощью тарировочного графика (фиг.5) определяют величину относительных утечек сжатого воздуха из надпоршневого пространства, характеризующих компрессию в цилиндре двигателя. В данном случае фаза гармоники F=3,4^o поворота коленчатого вала, а соответствующая ей величина относительных утечек составляет У= 8%. Сравнивают полученное значение относительных утечек с их нормативным значением (для двигателя ЗМЗ-2401 оно составляет 28%).

Если полученное значение относительных утечек сжатого воздуха не превышает нормативного значения (как в данном случае), то это указывает на то, что компрессия в данном цилиндре находится в допустимых пределах.

В случае, если в процессе диагностирования значение утечек сжатого воздуха превышает свое нормативное значение, то это свидетельствует о нарушении герметичности надпоршневого пространства и необходимости проведения соответствующих профилактических и ремонтных воздействий. Так, фаза гармоники, полученная по результатам диагностирования, приведенным на фиг.2 и 3 (кривая 2), составляет минус 21^o поворота коленчатого вала, а соответствующая ей величина утечек - 91% (фиг. 5). Полученное значение утечек сжатого воздуха превышает нормативное значение, что свидетельствует о нарушении герметичности надпоршневого пространства в данном цилиндре.

При этом следует отметить, что снижение компрессии в цилиндре двигателя приводит к изменению характера зависимостей угловой скорости (фиг.1 и 2) и углового ускорения (фиг.3) по углу поворота коленчатого вала и смещению углового положения экстремального значения углового ускорения ε_max в сторону увеличения (фиг.4).

Проводя аналогичные измерения при последовательном отключении всех цилиндров двигателя и сохранении неизменными скоростного и теплового режимов, анализируют изменение углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в пределах первой половины периода изменения крутящего момента каждого цилиндра, по величине фаз соответствующих гармоник определяют значения относительных утечек сжатого воздуха в цилиндрах двигателя и делают заключение о его техническом состоянии.

Таким образом, регистрация с высокой точностью изменения угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя при выбеге отдельных цилиндров позволяет определять техническое состояние двигателя при числе выбегов, не превышающем числа цилиндров, в результате чего уменьшается трудоемкость диагностирования. Нахождение по полученным исходным данным зависимости углового ускорения по углу поворота коленчатого вала и представление ее на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, позволяет в качестве диагностического параметра использовать фазу гармоники углового ускорения, однозначно связанную с компрессией в цилиндрах двигателя, определяемую угловым положением экстремальных значений углового ускорения и практически не зависящую от величины сил трения в сопряжениях ДВС, в результате чего повышается точность диагностирования.

Использование предлагаемого способа позволяет оперативно контролировать техническое состояние двигателя, своевременно проводить необходимые профилактические и ремонтные воздействия и за счет этого значительно повысить технико-экономические и эксплуатационные показатели работы двигателей внутреннего сгорания в процессе их производства и эксплуатации.

Источники информации:
1. Техническая эксплуатация автомобилей/ Под ред. Г.В. Крамаренко. - М.: Транспорт, 1983. - С. 155.

2. Авторское свидетельство СССР 787928, кл. G 01 М 15/00, 1980 (прототип).

3. Синий В.Ф. Контроль герметичности камер сгорания двигателей по неравномерности вращения коленчатого вала в эксплуатационных условиях: Автореф. дис.... канд. техн. наук. - Новосибирск, 1986. - 22с.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам диагностирования двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы и газораспределительного механизма ДВС. Изобретение позволяет уменьшить трудоемкость и повысить точность диагностирования двигателя. Способ диагностирования ДВС заключается в том, что измеряют параметры выбега, причем в качестве параметра выбега непрерывно измеряют промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины за цикл работы двигателя с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра. В процессе обработки результатов измерений получают зависимость угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя, по которой определяют зависимость углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в этих же пределах, после чего на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, изменение углового ускорения представляют в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, определяют фазу этой гармоники, сравнивают ее величину с эталонным значением и делают заключение о техническом состоянии двигателя. 5 ил.

Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания путем определения компрессии в цилиндре, заключающийся в том, что осуществляют режим выбега, измеряют параметры выбега, обрабатывают их и сравнивают результаты с эталонными, отличающийся тем, что в качестве параметра выбега непрерывно измеряют промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала на равные и смежные угловые интервалы заданной величины за цикл работы двигателя с синхронизацией начала измерений с верхней мертвой точкой первого цилиндра, в процессе обработки результатов измерений получают зависимость угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах цикла работы двигателя, по которой определяют зависимость углового ускорения по углу поворота коленчатого вала в этих же пределах, после чего на участке, соответствующем первой половине периода изменения крутящего момента на такте расширения диагностируемого цилиндра, изменение углового ускорения представляют в виде гармоники с периодом, равным периоду изменения крутящего момента, определяют фазу этой гармоники, изменяющуюся в зависимости от компрессии, сравнивают ее величину с эталонным значением и делают заключение о техническом состоянии двигателя.