СПОСОБ КОНТРОЛЯ УГЛОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01M15/00 G01M15/08 

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для диагностирования ДВС с клапанной или клапанно-щелевой конструкцией газообмена при их эксплуатации, а также при предремонтной и послеремонтной проверке.

Известен способ диагностирования элементов газораспределительного механизма ДВС (Мошкин Н.И., Лагерев А.В., описание изобретения к патенту RU 2374613 C2), состоящий в том, что при принудительном прокручивании коленчатого вала записывают разрежение во впускном трубопроводе двигателя, по записи определяют значения параметров разрежения воздушного потока, а по значениям параметров делают вывод о состоянии элементов газораспределительного механизма. Особенностью способа является необходимость режима принудительного прокручивания вала двигателя со скоростью, достаточной для создания заметного разрежения на впуске. Скоростное принудительное прокручивание автотракторных ДВС осуществляют, устанавливая их на стенды станций технического обслуживания и ремонта. Для более крупных промышленных, судовых, тепловозных ДВС, обслуживаемых и ремонтируемых на месте их применения, режим скоростного принудительного прокручивания нереализуем. Поэтому область применения рассматриваемого способа ограничена автотракторными ДВС. Недостаток способа - сложность его реализации, обусловленная выводом двигателя из действия для осуществления способа и большими затратами физического труда на монтаж двигателя на стенде, подготовку его к измерениям, выполнение самих измерений.

Известен способ диагностики газораспределительного клапана (Хартманн Дирк, заявка на изобретение RU 2009103809 A), осуществляемый на работающем двигателе и состоящий в том, что регистрируют звуковые волны, создаваемые ДВС, анализируют параметры волн в момент изменения положения клапана и по параметрам волн распознают ошибочное открытие клапана. Недостаток способа связан с тем, что промышленные, судовые и тепловозные ДВС оборудуют звукоизолирующими устройствами, снижающими уровень производимого шума и заодно препятствующими диагностике по параметрам звуковых волн. Необходимость затрат физического труда на демонтаж и последующий монтаж звукоизолирующих устройств усложняет реализацию этого способа.

Известен способ контроля углов газораспределения ДВС, называемый далее разборным (Королев Н.И. Регулирование судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1969. - 153 с., стр.29-30). Он состоит в том, что, проворачивая коленчатый вал выведенного из действия и подготовленного к измерениям двигателя, измеряют фактические углы положения вала, соответствующие моментам открытия газовых клапанов (далее - углы газораспределения), определяют отклонения фактических углов от номинальных, объявленных заводом-изготовителем двигателя, сравнивают полученные отклонения с допустимыми и по результатам сравнения судят о необходимости корректировки углов газораспределения. Недостаток разборного способа - сложность его реализации, обусловленная выводом двигателя из действия для осуществления способа и затратами физического труда на частичную разборку двигателя, подготавливающую его к измерениям (снятие защитного кожуха маховика и щитов, закрывающих доступ к кулачным шайбам клапанов), на выполнение измерений, на последующую сборку двигателя и ввод его в действие.

Обзор известных способов показывает, что контроль углов газораспределения ДВС затрудняют следующие факторы: вывод двигателя из действия для осуществления способа и затраты физического труда на подготовку двигателя к измерениям, на выполнение измерений.

Задачей изобретения является создание способа контроля углов газораспределения ДВС с клапанной или клапанно-щелевой конструкцией газообмена, осуществляемого на работающем двигателе и с минимальными затратами человеческого труда.

Задача решена следующим образом. Прототипом выбран разборный способ. В заявляемом способе, как и в прототипе, определяют отклонения фактических углов газораспределения от номинальных, сравнивают отклонения с допустимыми значениями и по результатам сравнения судят о необходимости корректировки углов газораспределения. Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что на установившемся режиме работы двигателя записывают диаграмму давления в надпоршневом объеме цилиндра, находят на диаграмме точку с характерным изменением давления, вызванным открытием клапана (далее - характерную точку), от измеренного значения угловой координаты характерной точки отнимают ее номинальное значение, присущее двигателям данной модели, и принимают разность в качестве отклонения фактического угла открытия клапана, причем номинальное значение угла характерной точки определяют в цилиндре двигателя данной модели, имеющего измеренное, например разборным способом, значение угла открытия клапана, для чего записывают диаграмму в данном цилиндре, находят на диаграмме характерную точку, вычисляют ее отклонение от измеренного значения угла открытия клапана, а затем определяют номинальное значение угла характерной точки, прибавляя вычисленное отклонение к номинальному значению угла открытия клапана. При этом характерную точку ищут на выделенном участке диаграммы, который в случае контроля выпускного клапана начинается при 90° и заканчивается при 180° поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки рабочего хода, а в случае контроля впускного клапана начинается при 450° и заканчивается при 360° поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой рабочего хода.

Поиск характерной точки выполняют путем визуального или математического анализа выделенного участка. Применяя визуальный анализ, в случае контроля выпускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку перегиба линии давления из вогнутости в выпуклость, характеризующуюся наименьшей на участке скоростью падения давления, а в случае контроля впускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку перегиба линии давления из выпуклости в вогнутость, характеризующуюся наибольшей на участке скоростью падения давления. Применяя математический анализ, в случае контроля выпускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку, характеризующуюся максимумом первой производной и нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала, а в случае контроля впускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку, характеризующуюся минимумом первой производной и нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала. В случае применения математического анализа выделенного участка сам анализ и последующие действия - измерение угловых координат характерных точек на диаграмме давления, вычисление отклонений измеренных значений от номинальных, сравнение отклонений с допустимыми значениями, составление информации об отклонениях, превышающих допустимые значения, - выполняют с помощью вычислительной техники, исключая применение человеческого труда.

Кроме того, для контроля открытия выпускного клапана диаграмму давления рекомендуется записывать при подаче топлива, обеспечивающей среднее индикаторное давление в цилиндре не менее 0,2 МПа, а для контроля открытия впускного клапана диаграмму давления рекомендуется записывать на режиме холостого или малого хода при отключенной подаче топлива в обследуемый цилиндр.

Технический результат реализации заявленного способа заключается в значительном упрощении и сокращении трудоемкости контроля углов газораспределения ДВС. Результат достигается за счет того, что в заявленном способе подготовительные и завершающие действия, такие как остановка, частичная разборка двигателя и последующая сборка двигателя, ввод его в действие, заменены записью индикаторных диаграмм на работающем двигателе. Измерения углов, выполняемые в прототипе вручную, в заявленном способе осуществляют математической обработкой записанных диаграмм. В заявленный способ включают из прототипа действия, выполняемые без затрат физического труда (вычисление отклонений, сравнение отклонений, составление информации об отклонениях). Все эти действия, от измерения углов до составления информации, выполнимы с помощью вычислительной техники без участия человека. Иллюстрации:

Фиг.1 - диаграмма четырехтактного дизеля, записанная при включенной подаче топлива в цилиндр, с фрагментом, выделенным для анализа открытия выпускного клапана.

Фиг.2 - определение отклонения угла открытия выпускного клапана на выделенном фрагменте диаграммы, записанной при включенной подаче топлива.

Фиг.3 - диаграмма четырехтактного дизеля, записанная при отключенной подаче топлива в цилиндр, с фрагментом, выделенным для анализа открытия впускного клапана.

Фиг.4 - определение отклонения угла открытия впускного клапана на выделенном фрагменте диаграммы, записанной при отключенной подаче топлива.

Фиг.5 и фиг.6 - примеры результатов машинной обработки диаграмм в форме гистограмм с отклонениями от нормы углов открытия выпускных и впускных клапанов.

Фиг.7 и фиг.8 - подтверждение объективности машинной информации об отклонениях от нормы углов открытия выпускных и впускных клапанов.

Фиг.1 и 2 поясняют действия, выполняемые при контроле угла открытия выпускного клапана. На фиг.1 показана индикаторная диаграмма, которую записывают при включенной подаче топлива в цилиндр. На ней выделен фрагмент с участком линии рабочего хода в границах от 90 до 180° после верхней мертвой точки, в пределах которого ищут характерную точку. На фиг.2 в масштабе, пригодном для анализа, представлен выделенный фрагмент. На нем видно, что до открытия выпускного клапана в цилиндре идет падение давления газов, обусловленное увеличением надпоршневого объема. При этом скорость падения давления постоянно снижается из-за уменьшения скорости поршня. Линия давления имеет вогнутый характер. В момент открытия выпускного клапана появляется новый фактор, влияющий на изменение давления в цилиндре - вытекание газа из цилиндра. Благодаря новому фактору скорость падения давления возрастает. Линия давления приобретает выпуклый характер. Точка перегиба - искомая характерная точка, на фигуре отмеченная квадратом.

Характерная точка обладает важным для контроля свойством. Она сдвинута относительно угла открытия клапана в сторону запаздывания на постоянную величину. Когда фактический угол открытия смещается относительно своего номинального положения на некую величину в ту или иную сторону, то и характерная точка на диаграмме изменяет свое положение на ту же величину и в ту же сторону. Величина углового сдвига между углом характерной точки и углом открытия клапана определяется исключительно профилем кулачной шайбы на участке подъема клапана. Так как профили шайб у двигателей одной модели одинаковы, то упомянутый угловой сдвиг имеет одно и то же значение у всех двигателей одной модели, причем на всех скоростных и нагрузочных режимах. Угловое положение характерной точки, соответствующее номинальному углу открытия клапана, именуется номинальным углом характерной точки. Если номинальный угол характерной точки известен, то находят на диаграмме характерную точку, вычисляют отклонение фактического угла характерной точки от номинального и по вычисленному отклонению определяют величину и направление смещения угла открытия клапана. Характерная точка отличается от прочих точек участка наименьшей скоростью падения давления. При визуальном анализе участка диаграммы ее находят как точку перегиба линии давления. При математическом анализе участка ее находят как точку с максимумом первой производной и нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала. Для случая, показанного на фиг.2, номинальный угол характерной точки равен 154°. Его значение складывается из номинального значения угла открытия выпускного клапана, равного у двигателей данной модели 135°, и значения угла запаздывания характерной точки, равного у двигателей данной модели 19°. Измеренный угол характерной точки равен 164°. Отклонение фактической характерной точки от номинала составляет 10°. Эта величина есть косвенно измеренное отклонение фактического угла открытия выпускного клапана от номинального угла.

Фиг.3 и 4 поясняют действия, выполняемые при контроле угла открытия впускного клапана. На фиг.3 показана диаграмма, которую записывают при выключенной подаче топлива в цилиндр. На ней выделен фрагмент с участком линии выпуска газа в границах от 450° до 360° перед ВМТ рабочего хода. В пределах выделенного фрагмента ищут характерную точку. На фиг.4 в масштабе, пригодном для анализа, представлен выделенный фрагмент. На фрагменте видно, что до открытия впускного клапана в цилиндре идет увеличение давления газов, обусловленное выталкивающим движением поршня к ВМТ и ростом противодавления в выпускном патрубке, наполняющемся выталкиваемым газом. В момент открытия впускного клапана появляется новый фактор, влияющий на изменение давления в цилиндре - к вытеканию газа из цилиндра в выпускной патрубок добавляется вытекание газа во впускной патрубок. Благодаря новому фактору давление в цилиндре начинает падать. Характерной точкой на рассматриваемом участке диаграммы является точка, отличающаяся наибольшей скоростью падения давления (на диаграмме отмечена квадратом). При визуальном анализе участка диаграммы ее находят как точку перегиба. При математическом анализе ее находят как точку с минимальным значением первой производной и с нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала. Для случая, показанного на фиг.4, номинальный угол характерной точки равен -401°. Его значение складывается из номинального значения угла открытия впускного клапана, равного у двигателей данной модели -420°, и значения угла запаздывания характерной точки, равного у двигателей данной модели 19°. Измеренный угол характерной точки составляет -403°. Отклонение фактической характерной точки от номинала равно -2°. Эта величина есть косвенно измеренное отклонение фактического угла открытия впускного клапана от номинального угла.

Номинальное значение угла характерной точки определяют при индицировании цилиндра двигателя данной модели, имеющего измеренное, например разборным способом, значение угла открытия клапана. При этом выполняют следующие действия. Записывают диаграмму в данном цилиндре, находят на диаграмме характерную точку, вычисляют ее отклонение от измеренного значения угла открытия клапана, а затем определяют номинальное значение угла характерной точки, прибавляя вычисленное отклонение к номинальному значению угла открытия клапана. Значения номинальных углов характерных точек двигателей некоторых моделей приведены в таблице 1.

Работоспособность заявленного способа контроля клапанов газораспределения зависит от уровня полезного сигнала, возникающего при открывании клапана и поступающего к средствам измерения, и уровня помех, накладывающихся на полезный сигнал. Экспериментально установлены режимы работы двигателя, на которых соотношение полезного сигнала и помех обеспечивает полную работоспособность заявленного способа. Установлено, что для контроля открытия выпускных клапанов пригодны все режимы работы, при которых среднее индикаторное давление в обследуемом цилиндре превышает 0,2 МПа (2 бара). При меньшем давлении, характерном для малого и холостого хода, возможны ошибки, порождаемые уменьшением полезного сигнала.

Установлено, что для контроля открытия впускных клапанов благоприятны режимы холостого и малого хода при отключенной подаче топлива в обследуемый цилиндр. В этих условиях минимальны помехи, накладывающиеся на полезный сигнал.

Примеры осуществления контроля клапанов газораспределения заявленным способом показаны на фиг.5-8.

На фиг.5 и 6 представлены результаты контроля выпускных и впускных клапанов шестицилиндрового двигателя, полученные путем машинной обработки диаграмм. Результаты показывают, что в цилиндре 3 угол открытия выпускного клапана сдвинут на недопустимую величину в сторону запаздывания, а в цилиндре 5 угол открытия впускного клапана сдвинут на недопустимую величину в сторону опережения. Если у пользователя возникают сомнения в достоверности результатов машинной обработки, он может их визуально проверить, вызвав на экран регистратора наложенные друг на друга фрагменты диаграмм, записанные на всех цилиндрах двигателя. На фиг.7 и 8 представлены те же результаты контроля клапанов, что на фиг.5 и 6, но в виде наложенных друг на друга фрагментов. На фрагментах квадратными маркерами отмечены характерные точки, являющиеся точками перегиба кривых. Визуальное изучение положения фактических углов характерных точек относительно номинального значения подтверждает объективность результатов, показанных на фиг.5 и 6.

Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Судовые, тепловозные и промышленные ДВС, как правило, обслуживаются стационарными или мобильными устройствами, предназначенными для записи и обработки индикаторных диаграмм. Применение заявляемого способа при обработке индикаторных диаграмм позволяет без каких-либо трудозатрат, дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать сведения об углах газораспределения и осуществлять на их основе своевременную корректировку углов.

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания. Способ контроля углов газораспределения двигателя внутреннего сгорания полезен при эксплуатации, при предремонтной и послеремонтной проверке двигателей. Применение способа позволяет существенно снизить трудозатраты на контроль углов газораспределения. Снижение достигается за счет замены трудоемких прямых измерений углов косвенными измерениями. Прямые измерения выполняют вручную на выведенном из действия и подготовленном к измерениям двигателе. Косвенные измерения выполняют в автоматическом режиме по индикаторной диаграмме, записанной на работающем двигателе. Для определения угла открытия выпускного клапана записывают диаграмму с включенной подачей топлива. Для определения угла открытия впускного клапана записывают диаграмму с отключенной подачей топлива. На диаграмме находят точку с характерным изменением давления, вызванным открытием клапана. По угловой координате найденной точки определяют отклонение фактического угла открытия клапана от номинального значения, сравнивают полученное отклонение с допустимыми значениями и по результатам сравнения судят о необходимости корректировки угла газораспределения. 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ контроля углов газораспределения двигателя внутреннего сгорания с клапанной или клапанно-щелевой конструкцией газообмена, заключающийся в том, что определяют отклонения фактических углов газораспределения от номинальных, объявленных заводом-изготовителем двигателя, сравнивают полученные отклонения с допустимыми значениями и по результатам сравнения судят о необходимости корректировки углов газораспределения, отличающийся тем, что на установившемся режиме работы двигателя записывают диаграмму давления в надпоршневом объеме цилиндра, находят на диаграмме точку с характерным изменением давления, вызванным открытием клапана (далее - характерную точку), от измеренного значения угловой координаты характерной точки отнимают ее номинальное значение, присущее двигателям данной модели, и принимают разность в качестве отклонения фактического угла открытия клапана, причем номинальное значение угла характерной точки определяют в цилиндре двигателя данной модели, имеющего измеренное значение угла открытия клапана, для чего в данном цилиндре записывают диаграмму, находят на диаграмме характерную точку, вычисляют ее отклонение от измеренного значения угла открытия клапана, а затем определяют номинальное значение угла характерной точки, прибавляя вычисленное отклонение к номинальному значению угла открытия клапана.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характерную точку ищут на выделенном участке диаграммы, который в случае контроля выпускного клапана начинается при 90° и заканчивается при 180° поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки рабочего хода, а в случае контроля впускного клапана начинается при 450° и заканчивается при 360° поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой рабочего хода.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что характерную точку ищут путем визуального анализа выделенного участка диаграммы, причем в случае контроля выпускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку перегиба линии давления из вогнутости в выпуклость, характеризующуюся наименьшей на участке скоростью падения давления, а в случае контроля впускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку перегиба линии давления из выпуклости в вогнутость, характеризующуюся наибольшей на участке скоростью падения давления.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что характерную точку ищут путем математического анализа выделенного участка диаграммы, причем в случае контроля выпускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку, характеризующуюся максимумом первой производной и нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала, а в случае контроля впускного клапана в качестве характерной точки на выделенном участке ищут точку, характеризующуюся минимумом первой производной и нулевым значением второй производной функции давления от угла поворота вала.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что измерение угловых координат характерных точек на диаграмме давления, вычисление отклонений измеренных значений от номинальных, сравнение отклонений с допустимыми значениями, составление информации об отклонениях, превышающих допустимые значения, выполняют с помощью вычислительной техники в автоматическом режиме.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для контроля угла открытия выпускного клапана диаграмму давления записывают при подаче топлива, обеспечивающей среднее индикаторное давление в цилиндре не менее 0,2 МПа.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для контроля угла открытия впускного клапана диаграмму давления записывают на режиме холостого или малого хода при отключенной подаче топлива в обследуемый цилиндр.