СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/04 G01M15/10 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при диагностировании машин и механизмов, в частности поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ диагностирования машин (а.с. №1328714, G01m 15/00), заключающийся в измерении температуры поверхности составных частей. На поверхность диагностируемой составной части воздействуют калиброванным инфракрасным излучением плотностью Rт=0.615 Вт/см² и измеряют плотность излучения нагретой поверхности, затем пускают в ход машину на номинальный тепловой режим, измеряют плотность излучения второй раз и о техническом состоянии машины судят по отклонению значений излучения от эталонного.

Недостатками данного способа являются:

1. Низкая точность, обусловленная значительной неравномерностью нагрева поверхностей деталей двигателя.

2. Длительность диагностирования сравнима с непосредственным измерением компрессии в цилиндре.

3. Низкая информативность (проверяется только герметичность цилиндров).

4. Невозможность использования способа диагностирования в эксплуатационных условиях.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу относится способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания, включающий вывод его на номинальный тепловой режим, сравнение измеряемого теплового потока с поверхности диагностируемых частей с э галопом, при этом измерение теплового потока ведут в местах, лежащих на поверхности выпускного трубопровода напротив выхлопа из соответствующего цилиндра, а режим работы двигателя устанавливают путем изменения частоты вращения, причем для диагностирования величины подачи топлива устанавливают мощность, развиваемую двигателем (0,1-0,15)Ne max при частоте вращения коленвала (0,5-1,0)nmax, для диагностирования угла опережения впрыска устанавливают мощность двигателя (0,35-1,0)Ne max при частоте вращения коленвала (0,5-1,0)nmax, а для диагностирования давления впрыска топливной форсунки устанавливают режим по частоте вращения коленвала (0,6-1,0)nmax, без нагружения двигателя, где Ne mmax - максимальная эффективная мощность двигателя, nmax - максимальная частота вращения (а.с. №1546871, G01m 15/00).

Недостатками данного способа являются:

1. Низкая точность при диагностировании двигателя, имеющего более одной неисправности.

2. Ограниченность применения (числовые параметры способа фактически привязаны только к двигателю ЯМЗ-236).

3. Низкая информативность (проверяется только топливная аппаратура)

4. Сложность реализации способа в условиях эксплуатации (реализация способа привязана к мощности, а ее точное измерение возможно только в лабораторных условиях).

5. Длительность и трудоемкость проведения диагностирования по предлагаемому способу, а, например, угол опережения впрыска топлива можно проверить с высокой точностью в течение нескольких секунд стробоскопом промышленного изготовления.

Задача изобретения - упрощение диагностики двигателей внутреннего сгорания, снижение трудоемкости и времени проведения диагностики, повышение информативности, расширение области использования.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания, выводят на номинальный тепловой режим, измеряют температурное ноле на поверхности выпускного коллектора, определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенности движения выхлопных газов в коллекторе, после чего рассчитывают фактическую температуру выхлопных газов Т_ВГп для каждого цилиндра по формуле:

$${Т}_{ВГп}=k_n^p{\alpha }_{в}({Т}_{с1}-{Т}_{в})(\frac{1}{{\alpha }_{ВГ}}+\frac{\delta }{{\lambda }_k})+{Т}_{с1},$$

где k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;

n - порядковый помер цилиндра;

р - показатель, учитывающий особенности конфигурации выпускного коллектора;

α_ВГ - коэффициент теплопередачи выхлопных газов, Вт/(К·м²);

α_в - коэффициент теплопередачи воздуха, Вт/(К·м²);

λ_k - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/(К·м);

δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;

Т_c1 - температура наружной стенки выпускного коллектора, К;

Т_с2 - температура внутренней стенки коллектора, К;

Т_в - температура наружного воздуха, К;

Т_ВГ - температура выхлопных газов,

затем путем сравнения ее с эталоном устанавливают конкретное место или несколько мест неисправностей в двигателе.

Новые существенные признаки

1. Определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенности и движения выхлопных газов в коллекторе, после чего рассчитывают фактическую температуру выхлопных газов для каждого цилиндра с учетом конструктивных особенностей конфигурации выпускного коллектора, используя формулу:

$${Т}_{ВГп}=k_n^p{\alpha }_{в}({Т}_{с1}-{Т}_{в})(\frac{1}{{\alpha }_{вг}}+\frac{\delta }{{\lambda }_k})+{Т}_{с1},$$

где k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;

n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;

р - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;

α_вг - коэффициент теплопередачи выхлопных газов, Вт/(К·м²);

α_в - коэффициент теплопередачи воздуха, Вт/(К·м²);

λ_k - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/(К·м);

δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;

Т_с1 - температура наружной стенки выпускного коллектора, К;

Т_с2 - температура внутренней стенки коллектора, К;

T_в - температура наружного воздуха, К;

Т_в2 - температура выхлопных газов.

2. Сравнивают полученную температуру выхлопных газов с эталонной.

3. Устанавливают конкретное место или несколько мест неисправностей в двигателе.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат

1. Позволяет определить фактическую температуру выхлопных газов с учетом конфигурации выпускного коллектора. Ввиду того, что существует многообразие выпускных коллекторов как по количеству окон, так и по конфигурации газовыпуска (симметричные, асимметричные), даже при одинаковой температуре отработавших газов каждого цилиндра, температура поверхности коллектора будет различной вследствие различных тепловых потоков. Упрощение диагностики двигателей внутреннего сгорания, при которой исключается вмешательство в конструкцию последнего, полная или частичная разборка и сборка двигателя и как следствие повышение точности определения возможного места неисправности, снижение трудоемкости и времени диагностирования. Повышение информативности за счет точности определения мeстa неисправности двигателя внутреннего сгорания.

Расширение области использования

Диагностику можно проводить на мобильных агрегатах непосредственно в условиях эксплуатации, т.к. для этого не требуется снятие двигателя и установка на испытательный стенд.

2. Используют формулу:

$${Т}_{ВГп}=k_n^p{\alpha }_{в}({Т}_{с1}-{Т}_{в})(\frac{1}{{\alpha }_{вг}}+\frac{\delta }{{\lambda }_k})+{Т}_{с1},$$

где полученную в результате совместного решения уравнений закона Фурье $$q_1=\frac{{\lambda }_{к}}{\delta }({Т}_{с2}-{Т}_{с1})$$ и закона Ньютона q₂=α_В(Т_с1-Т_В); q₃=α_вг(Т_вг-Т_с2), где q₁, q₂, q₃ - удельные тепловые потоки через стенку коллектора, от стопки к окружающему воздуху, от выхлопных газов к стенке коллектора соответственно. Ввиду того, что существует многообразие выпускных коллекторов как по количеству окон, так и по конфигурации газовыпуска (симметричные, асимметричные), даже при одинаковой температуре отработавших газов каждого цилиндра температура поверхности коллектора будет различной вследствие различных тепловых потоков. Это учитывается коэффициентом - $$k_n^p$$ ;

k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;

n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;

р - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;

α_вг - коэффициент теплопередачи выхлопных газов, Вт/(К·м²);

α_в - коэффициент теплопередачи воздуха, Вт/(К·м²);

λ_k - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/(К·м);

δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;

Т_с1 - температура наружной стенки выпускного коллектора, К;

Т_с2 - температура внутренней стенки коллектора, К;

T_в - температура наружного воздуха, К;

Т_вг - температура выхлопных газов.

3. Сравнивают полученную температуру выхлопных газов с эталонной. Эталонную температуру находят в справочной литературе или измеряют на тормозном стенде с помощью термопар для каждой модели исправного двигателя, что позволяет упростить процесс нахождения места или мест неисправностей.

На фиг.1 представлена тепловизионная фотография асимметричного выпускного коллектора, четырехцилиндрового двигателя СМД-14, трактора ДТ-75Н.

На фиг.2 представлена тепловизионная фотография симметричного выпускного коллектора двухцилиндрового двигателя Д21А трактора Т-25.

Способ осуществляется следующим образом:

а) С помощью тепловизора Testo 881-1 произведена съемка теплового поля выпускного коллектора, например, двигателя СМД-14, фиг.1. Определены температуры поверхности коллектора напротив 1, 2, 3, 4 цилиндров - 238, 232, 290, 258 °С или 511, 505, 583, 531 К соответственно. (точки М1-М4). Конфигурация данного коллектора такова, что выхлопные газы первого цилиндра (M1) соединяются с выхлопными газами второго цилиндра (М1+М2), затем соединяются с выхлопными газами третьего цилиндра (М1+М2+М3), с одной стороны, и с выхлопными газами четвертого цилиндра (М4), с другой. Поскольку процесс газодинамики достаточно сложен, проведены экспериментальные исследования с дальнейшей аппроксимацией. в результате чего установлено, что для данного коллектора К=0,7; для 1, 2, 3 цилиндров р=n-1, для 4 цилиндра р=1, т.о. для первого цилиндра $$k_n^p={\mathrm{0,7}}^0=1$$ , для второго цилиндра $$k_2^p={0.7}^1=\mathrm{0.7,}$$ для третьего цилиндра $$k_3^p={\mathrm{0,7}}^0=\mathrm{0.49,}$$ для четвертого цилиндра $$k_4^p=\mathrm{0.7,}$$ подставив в расчетную формулу исходные данные, получим результат:

$${Т}_{вг1}=1*8(511-293)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+511=\mathrm{599,8}\text{ К}$$

$${Т}_{вг2}=\mathrm{0,7}*8*(505-293)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+505=565\text{ К}$$

$${Т}_{вг3}=\mathrm{0,49}*8(583-283)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+583=640\text{ К}$$

$${Т}_{вг4}=\mathrm{0,7}*8(531-293)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+531=598\text{ К}$$

Результаты расчета сведены в таблицу 1

Т_вг1, К Т_вг2, К Т_вг3, К Т_вг4, К 599,8 565 640 598

Температурным эталоном данного режима является значение 595-610 К, следовательно, аномалия находится во втором и в третьем цилиндрах, что означает недостаточную цикловую подачу топлива и/или недостаточную компрессию во втором цилиндре и плохое смесеобразование вследствие неэффективного распыла топлива форсункой третьего цилиндра.

б) Испытаниям подвергался трактор Т-25 с двигателем Д-21А. С помощью тепловизора Testo 881-1 произведена съемка теплового ноля выпускного коллектора, фиг.2. Определены температуры поверхности коллектора напротив 1 и 2 цилиндров, 483 К и 479 К соответственно. Для 1 и 2 цилиндров к=0,8; p₁=р₂=1:

$${Т}_{вг1}=\mathrm{0,8}*8(483-293)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+483=\mathrm{544,9}\text{ К}$$

$${Т}_{вг2}=\mathrm{0,8}*8(479-293)(\frac{1}{20}+\frac{\mathrm{0,05}}{55})+479=539\text{ К}$$

Температурным эталоном является Т_вг=535-545 К, тепловых аномалий нет. Двигатель находится в исправном техническом состоянии.

Изобретение может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС). ДВС выводят номинальный тепловой режим и измеряют температурное поле на поверхности выпускного коллектора (ВК). Определяют конфигурацию ВК и коэффициент, учитывающий особенности движения выхлопных (отработавших) газов (ВГ) в ВК. Затем рассчитывают фактическую температуру ВГ (Т_ВГп) для каждого цилиндра по формуле:

$${Т}_{ВГп}=k_n^p{\alpha }_{в}({Т}_{с1}-{Т}_{в})(\frac{1}{{\alpha }_{вг}}+\frac{\delta }{{\lambda }_k})+{Т}_{с1},$$

где k - коэффициент, учитывающий количество окон ВК; n - порядковый номер цилиндра; р - показатель, зависящий от особенностей конфигурации ВК; α_вг - коэффициент теплопередачи ВГ, Вт/(К·м²); α_в - коэффициент теплопередачи воздуха, Вт/(K·м²); λ_k - коэффициент теплопроводности материала ВК, Вт/(К·м); δ - толщина стенки ВК, м; T_с1 - температура наружной стенки ВК, К; Т_в - температура наружного воздуха, К; Т_вг - температура ВГ, затем путем сравнения ее с эталоном, устанавливают конкретное место или несколько мест неисправностей в двигателе. Технический результат заключается в снижении трудоемкости и уменьшении времени проведения диагностики, повышении информативности. 2 ил.

Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания, включающий вывод его на номинальный тепловой режим, измерение температурного поля на поверхности выпускного коллектора, отличающийся тем, что определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенности движения выхлопных газов в коллекторе, после чего рассчитывают фактическую температуру выхлопных газов Т_ВГп для каждого цилиндра по формуле:
$${Т}_{ВГп}=k_n^p{\alpha }_{в}({Т}_{с1}-{Т}_{в})(\frac{1}{{\alpha }_{вг}}+\frac{\delta }{{\lambda }_k})+{Т}_{с1},$$
где k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;
n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;
р - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;
α_ВГ - коэффициент теплопередачи выхлопных газов, Вт/(К·м²);
α_В - коэффициент теплопередачи воздуха, Вт/(К·м²);
λ_k - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/(К·м);
δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;
T_с1 - температура наружной стенки выпускного коллектора, К;
Т_В - температура наружного воздуха, К;
Т_ВГ - температура выхлопных газов,
затем путем сравнения ее с эталоном устанавливают конкретное место или несколько мест неисправностей в двигателе.