СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПОРШНЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЕ Российский патент 2014 года по МПК G01M15/08 G01M15/04 

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для диагностирования поршневых уплотнений ДВС при их эксплуатации.

Известны способы диагностирования ДВС с использованием индикаторной диаграммы (патенты RU 2246103 C1, 10.02.2005 и RU 2451276 C1, 22.02.2011). Однако эти способы относятся к двигателю в целом и не углубляются до уровня узлов двигателя, в частности до диагностирования поршневых уплотнений.

Известен способ диагностирования поршневых уплотнений ДВС, осуществляемый на работающем двигателе при отключении подачи топлива в диагностируемый цилиндр, - компрессионный способ (Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. - М.: Транспорт, 1993. - 150 с., стр.106 - 107). Суть его заключается в том, что изменение технического состояния поршневого уплотнения определяют по изменению диагностического параметра от его эталонного значения, соответствующего новому уплотнению, до предельного значения, соответствующего неисправному уплотнению. В качестве диагностического параметра используют отношение абсолютных давлений p₂/p₁. Здесь p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом на режиме диагностирования, p₂ - давление, измеренное в заданной точке процесса, происходящего в надпоршневом объеме на назначенном режиме диагностирования двигателя при выключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр. Заданной является точка, расположенная на линии сжатия, в которой давление достигает своего максимального значения. Давление p₂ измеряют по индикаторной диаграмме или с помощью максиметра. Компрессионным способом выявляют наличие значительных дефектов поршневого уплотнения (например, залегание и поломку нескольких колец). Однако использование его в современной системе технического обслуживания и ремонта, подразумевающей выявление дефектов, контроль их развития и своевременное устранение, не всегда дает положительный эффект. Причиной этого является недостаток компрессионного способа - низкая точность диагноза, обусловленная его слабой чувствительностью к изменению технического состояния уплотнения.

Задачей изобретения является создание способа диагностирования поршневого уплотнения ДВС по индикаторной диаграмме с чувствительностью, обеспечивающей выявление дефектов и контроль их развития для своевременного устранения при достижении допустимого предела.

Задача решается следующим образом. Прототипом выбран компрессионный способ. В заявляемом способе, как и в прототипе, изменение технического состояния поршневого уплотнения контролируют по изменению диагностического параметра от его эталонного значения, соответствующего новому уплотнению, до предельного значения, соответствующего неисправному уплотнению. В качестве диагностического параметра используют отношение абсолютных давлений p₂/p₁. Здесь p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом на режиме диагностирования, p₂ - давление, измеренное по индикаторной диаграмме в заданной точке процесса, происходящего в надпоршневом объеме на назначенном режиме диагностирования двигателя при отключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр. Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что точку, в которой измеряют давление p₂, задают на линии расширения не менее чем в одном и не более чем в двадцати пяти градусах поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки (ВМТ). При этом наилучший технический результат получают, задавая точку измерения давления p₂ на линии расширения не менее чем в пяти и не более чем в пятнадцати градусах поворота коленчатого вала от ВМТ.

Технический результат заключается в повышении точности диагноза до уровня, позволяющего выявлять дефекты уплотнения и контролировать их развитие для своевременного устранения при достижении допустимого предела. Результат достигается за счет того, что диагностический параметр измеряют на том участке индикаторной диаграммы, который в наибольшей степени реагирует на изменение технического состояния поршневого уплотнения.

Обоснованность выбранного технического решения поясняется описанием физического процесса, происходящего в поршневом уплотнении на тактах сжатия - расширения при нахождении поршня в районе ВМТ. Процесс, о котором идет речь, - обмен массой воздушного заряда, происходящий между надпоршневым объемом и примыкающими к нему объемами камер поршневого уплотнения (далее - массообмен). Упоминание о массообмене есть в литературе (Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. М.: Транспорт, 1969. - 216 с., стр.33 - 38). Закономерности массообмена, учитываемые в заявленном способе, изложены ниже. Массообмен включает в себя два этапа. Первый этап - перетекание массы заряда воздуха из надпоршневого объема в поршневое уплотнение. Он имеет место на ходе сжатия, когда давление над поршнем растет быстрее, чем в уплотнении, и на начальной части хода расширения, пока давление над поршнем выше, чем в уплотнении. Первый этап заканчивается при выравнивании давлений над поршнем и под верхним работающим кольцом. Выравнивание происходит при расширении на участке от пяти до пятнадцати градусов поворота вала от ВМТ. В конце первого этапа масса воздушного заряда в надпоршневом объеме минимальна. Второй этап - возврат массы из уплотнения в надпоршневой объем. Возврат начинается с того момента, когда давление над поршнем становится ниже давления в уплотнении, активно происходит в верхней части хода и продолжается до открытия выпускных органов. Изменение массы в надпоршневом объеме вызывает пропорциональное изменение давления в этом объеме, фиксируемое индикаторной диаграммой. Наиболее существенное изменение давления, вызванное массообменом, происходит на такте расширения от его начала до 25 градуса поворота вала от ВМТ, причем максимум изменения располагается в районе 5-15 градусов от ВМТ. Интенсивность массообмена зависит от состояния поршневого уплотнения. Износ втулки, поршневых колец, поршневых канавок, залегание и поломка колец увеличивают объем камер поршневого уплотнения и площадь проходов между ними и надпоршневым объемом. Рост объема и площади проходов увеличивают массообмен и уменьшают давление на упомянутом выше участке индикаторной диаграммы. Величина давления на данном участке используется для оценки состояния уплотнения в заявляемом способе. Заявляемый способ осуществляют следующим образом. У двигателя, работающего на назначенном диагностическом режиме, например на режиме холостого хода, определяют давление p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом, используя в первом случае барометр, во втором случае - барометр и штатный манометр на ресивере. Отключают подачу топлива в диагностируемый цилиндр. В диагностируемом цилиндре записывают индикаторную диаграмму, развернутую по углу вращения коленчатого вала, любым предназначенным для такой записи индикатором. На диаграмме измеряют давление в заданной точке поворота коленчатого вала. Измеренное давление используют для вычисления диагностического параметра p₂/p₁. Полученное значение диагностического параметра сравнивают с эталонным и предельным. По результату сравнения определяют текущее состояние поршневого уплотнения и его остаточный ресурс. На чертеже представлены фрагменты двух индикаторных диаграмм, записанных при выключенной подаче топлива на назначенном режиме диагностирования, в данном случае - на холостом ходу. На чертеже обозначено:

1 - диаграмма, полученная в цилиндре с новым комплектом деталей цилиндропоршневой группы (втулкой, поршнем, поршневыми кольцами) и соответствующая эталонному состоянию поршневого уплотнения;

2 - диаграмма, полученная в цилиндре с предельно изношенным комплектом деталей цилиндропоршневой группы и соответствующая предельному состоянию поршневого уплотнения.

Круглыми маркерами на диаграммах обозначены точки, в которых измеряют давление p₂ по способу, описанному в прототипе. Квадратными маркерами обозначены точки, в которых измеряют давление p₂ по заявляемому способу.

В таблице представлены значения давления p₂, измеренные в отмеченных маркерами точках, и значения диагностического параметра, рассчитанные при давлении наддува, измеренном на режиме диагностирования (p₁=114 кПа или 1,14 бара). Из таблицы видно, что изменение технического состояния поршневого уплотнения от эталонного до предельного вызывает уменьшение значения диагностического параметра. При измерениях и расчетах по способу, применяемому в прототипе, уменьшение составляет 7,9%. При измерениях и расчетах по заявляемому способу уменьшение составляет 20%. Сравнение показывает повышение чувствительности заявляемого способа примерно в 2,5 раза.

Таблица Диаграмма Параметр Значение параметра Прототип Заявляемый способ Диаграмма эталонного состояния Координата заданной точки, градусы поворота вала от ВМТ 0 10 Давление в заданной точке p₂, бары 38,8 33,1 Диагностический параметр, p₂/p₁ 38,8/1,14=34 33,1/1,14=29 Диаграмма предельного состояния Координата заданной точки, градусы поворота вала от ВМТ -3 10 Давление в заданной точке p₂, бары 35,7 26,5 Диагностический параметр, p₂/p₁ 35,7/1,14=31,3 26,5/1,14=23,2 Результаты сравнения диаграмм Изменение диагностического параметра относительно эталона, % -7,9 -20

Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Часть судовых, тепловозных, промышленных ДВС оборудована стационарными устройствами, предназначенными для записи индикаторных диаграмм, или обслуживается переносными устройствами, предназначенными для той же цели. С помощью упомянутых устройств периодически записывают и обрабатывают индикаторные диаграммы. Результаты обработки используют для определения мощности двигателя, проверок его регулировки и диагностирования состояния топливной аппаратуры. Применение заявляемого способа при обработке индикаторных диаграмм позволяет без существенных затрат дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать качественный диагноз состояния поршневых уплотнений, на основе которого можно осуществлять их своевременный ремонт.

Способ может применяться при эксплуатации ДВС с устройствами для записи индикаторных диаграмм. Для диагностирования поршневого уплотнения записывают индикаторную диаграмму в цилиндре на назначенном режиме работы двигателя. Запись выполняют при отключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр. На диаграмме измеряют давление в заданной точке на линии расширения. Измеренное значение используют для диагностирования. Технический результат заключается в существенном повышении точности диагноза. Повышение достигается за счет оптимального выбора места расположения точки замера. Оптимальным является выбор точки на ограниченном участке линии расширения. Границы участка - от 5 до 15 градусов поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки. На данном участке давление в цилиндре в наибольшей степени реагирует на изменение технического состояния поршневого уплотнения. Технический результат заключается в повышении точности диагностирования дефекта. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ диагностирования поршневого уплотнения двигателя внутреннего сгорания по индикаторной диаграмме, заключающийся в том, что изменение технического состояния поршневого уплотнения определяют по изменению диагностического параметра от его эталонного значения, соответствующего новому уплотнению, до предельного значения, соответствующего неисправному уплотнению, в качестве диагностического параметра используют отношение абсолютных давлений p₂/p₁, где p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом на режиме диагностирования, p₂ - давление, измеренное по индикаторной диаграмме в заданной точке процесса, происходящего в надпоршневом объеме на назначенном режиме диагностирования двигателя при отключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр, отличающийся тем, что точку измерения давления p₂ задают на линии расширения не менее чем в одном и не более чем в двадцати пяти градусах поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что точку измерения давления p₂ задают на линии расширения не менее чем в пяти и не более чем в пятнадцати градусах поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки.