Устройство для оценки технического состояния и выявления зарождающихся неисправностей в системах и механизмах двигателя Российский патент 2024 года по МПК G01M15/10 G01L23/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области технического диагностирования и может быть использовано для определения технического состояния двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в частности цилиндропоршневой группы (ЦПГ), газораспределительного механизма (ГРМ), топливной системы (ТС) и системы впуска (СП) по количественному и качественному составу картерных газов, прорывающихся в картер из камеры сгорания через кольцевые уплотнения поршней. Может быть использовано как для предварительной диагностики на этапах эксплуатации, так и при техническом обслуживании автотранспортного средства.

Уровень техники

Проведение оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания по расходу прорывающихся в картер газов широко известно. Так из описания к авторскому свидетельству SU 1589090 А1 (МПК⁵ G01L 13/00, 1990) известен способ определения расхода картерных газов двигателя внутреннего сгорания, включающий вывод двигателя на заданный установившийся режим работы, герметизацию картерного пространства, дросселирование потока газов, выходящего из картера через маслозаливное отверстие, и определение расхода картерных газов по перепаду давления на дросселе и площади проходного сечения дросселя путем измерения одного из двух указанных параметров при заданном значении другого параметра.

В указанном техническом решении расход картерных газов определяют по площади проходного сечения дросселя (площади регулируемой щели) при заданной величине перепада давления на дросселе.

Из вышеуказанного авторского свидетельства известен также расходомер картерных газов, содержащий корпус с газоходным каналом и основанием, приспособленным для герметичного сообщения газоходного канала с маслозаливной горловиной двигателя, дроссель, установленный в газоходном канале, и измеритель перепада давления газов на дросселе.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности осуществления комплексного подхода при диагностировании, позволяющего достичь высокой достоверности результатов.

Из существующих способов оценки двигателя, известен способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания (Заявка на изобретение №2015116392 «Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания», МПК G01M 15/00, G01M 15/04 - опубл. от 20.11.2016). В этом способе говорится, что по времени достижения заданного давления в картере двигателя при работе в режиме холостого хода изолируют полость картера двигателя от атмосферы, регистрируют величину давления картерных газов за фиксированный промежуток времени. Далее значение величины давления картерных газов сравнивают с нормативным и на основании этого оценивают техническое состояние цилиндропоршневой группы двигателя.

Недостатками данного технического решения являются:

- высокая трудоемкость процесса измерения, которая обусловлена изоляцией полостей картера двигателя (отверстие сапуна, установочного отверстия масляного щупа и т.д.) от атмосферы.

Известен способ (Патент РФ №2213338 «Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания», МПК G01M 15/00 - опубл. от 27.09.2003). Способ, включающий измерение компрессии в цилиндре, проводимое дважды, после первого измерения проводят полную очистку цилиндропоршневой группы от нагара с помощью присадки-выносителя нагара, которую добавляют в топливо, полученные данные двух измерений сравнивают и сопоставляют с номинальными значениями компрессии в цилиндре для данного двигателя и по результатам сравнения оценивают техническое состояние.

Недостатками данного технического решения являются:

- высокая сложность процесса измерения, которая связана с отключением топливной системы и демонтажем свечей зажигания или форсунок;

- не возможность осуществления оперативного контроля состояния цилиндропоршневой группы.

Известен способ (Патент РФ №2212025 «Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания», МПК G01M 15/00 - опубл. от 10.09.2003). По этому способу в качестве диагностического параметра, характеризующему прорыв отработавших газов в картер двигателя, используют измеряемое на холостом ходу двигателя при номинальной частоте вращения коленвала время нарастания давления отработавших газов в картере от момента изолирования полости картера от атмосферы до момента достижения заданного уровня давления в картере.

Недостатками данного технического решения являются:

- конструктивная сложность, так как диагностика проводится с использованием опроса датчиков установленных на двигателе автомобиля;

- высокая трудоемкость, так как требуется обладание определенными знаниями и навыками в области диагностики двигателя внутреннего сгорания, а также наличие специального оборудования (осциллографа).

Известен способ оценки состояния двигателя внутреннего сгорания (Заявка на изобретение №2009116083/06 «Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания», МПК G01M 15/00 - опубл. от 10.11.2010), по которому определяют расход картерных газов на выпуске из маслозаливной горловины, установленной на картере двигателя. При этом определение расхода картерных газов на выпуске из картера осуществляют на пусковом режиме. Затем полученное значение сравнивают с нормативным и, на основании этого оценивают техническое состояние цилиндропоршневой группы.

Недостатками данного технического решения являются:

- высокая сложность процесса измерения, которая связана с необходимостью отключения системы питания двигателя, так как определение расхода картерных газов осуществляют на пусковом режиме;

- относительно низкая точность определения расхода картерных газов

из-за неодинаковой частоты вращения стартера на пусковом режиме.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является полезная модель (Патент №108141 «Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов », МПК G01L 13/00 - опубл. от 10.09.2011). Модель содержит средство измерения объемного расхода картерных газов, выполненное в виде датчика расхода дифференциального типа, и средство индикации результатов измерений. При этом датчик расхода дифференциального типа выполнен в виде датчика с электрическим выходом сигнала, средство индикации выполнено в виде цифрового дисплея. Устройство дополнительно снабжено датчиком давления картерных газов, датчиком температуры картерных газов, усилителем сигналов, поступающих от датчиков, и микроконтроллером, причем выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам усилителя, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера, а выход микроконтроллера подключен к входу цифрового дисплея.

Недостатками данного технического решения являются:

- относительно высокая сложность процесса измерения, которая связана с необходимостью установки пьезоэлектрического датчика на топливопроводе высокого давления;

- необходимость использования справочных материалов и проведение вычислений для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы. Общим недостатком всех способов оценки является невозможность комплексно выявить зарождающиеся неисправности в системах и механизмах двигателя.

В процессе эксплуатации двигателя сельскохозяйственной техники в зависимости от многих факторов, технико-экономические показатели постоянно меняются. Это вызвано не постоянством влажности воздуха и температуры, загрязненности фильтров и т.д. данный факт приводит к изменению состава топливовоздушной смеси, и соответственно изменению количественного и качественного состава компонентов в камере сгорания цилиндра двигателя, и следовательно в картере (Техническая эксплуатация автомобилей: закономерности изменения работоспособности: учебное пособие/ Н.А. Кузьмин.-М.: ФОРУМ, 2011.-208с.- (Высшее образование). ISBN 978-5-91134-534-1 и Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пос. для высшей школы.-2-е изд., испр. и доп.-М.: Академический Проект, 2010.-400 с.- (Gaudemus). ISBN 5-8291-0387-7).

Токсичными выбросами двигателей тракторов являются отработавшие и картерные газы и пары топлива, с которыми в атмосферу поступает до 45 % углеводородов от их общего выброса.

При износе ЦПГ снижается величина компрессии, мощность двигателя и ухудшаются топливо - экономические характеристики в целом. Известен способ оценки пневмоплотности каждого цилиндра по максимальному давлению такта сжатия, то есть по компрессии (см. Бельских В.И. Диагностика технического состояния и регулировка тракторов. - М.: Колос, 1973, стр.118).

Суммарная методическая погрешность оценки ЦПГ по давлению в конце сжатия составляет 0,1-0,18 МПа, что в переводе на относительные показатели в диапазоне изменения параметра 0,25 и 0,6 МПа составляет соответственно 25 и 30%.

Установлено, (см. Рекомендации по внедрению диагностической системы управления состоянием дизелей тепловозов и дизель-поездов по результатам анализа масла [Электронный ресурс]. - 2019. - Режим доступа : http://osjd.org/dbmm/download?vp=51&load=y&col_id=2066&id=1542; Никитченко, С.Л. Ресурсосберегающее управление процессами эксплуатации и технического сервиса сельскохозяйственной техники / С.Л. Никитченко, Н.П. Алексенко, А.В. Котович, И.А. Олейникова // Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование. - 2018. - № 4(44). - С. 57 - 65), что при работе ДВС сжимаемый воздух и газы, образующиеся при сгорании рабочей смеси через зазоры между поршнями и цилиндрами прорываются в картер ДВС. С увеличением износа ЦПГ указанные зазоры увеличиваются, поэтому при одних и тех же условиях работы ДВС расход картерных газов, выходящих в атмосферу, увеличивается. Увеличение зазоров в ЦПГ приводит к повышенному прорыву газов в картер двигателя и появлению сизого оттенка выхлопных газов. Это, как правило, является диагностическим признаком неработоспособной ЦПГ.

Незначительное изменение технического состояния двигателя внутреннего сгорания мобильных транспортных средств характеризуется непрерывным изменением прямых (структурных) и косвенных (диагностических) его параметров. Касательно систем, узлов и механизмов ДВС настоящие алгоритмы и действия осуществляются по косвенным признакам в моменты технического обслуживания, и не носят характера реального времени

Установлено, что выбросы картерных газов к общему выбросу отработавших газов составляет 6 - 12 %, и они являются канцерогенными. Это позволяет заключить, что по количеству и составу картерных газов можно косвенно, а по некоторым показателям точно оценить состояние систем и механизмов двигателя. Для этого необходимо определить симптомы проявления тех или иных неисправностей, обозначить диагностические параметры. Сочетание этих параметров может информировать о наличии возможных неисправностях в ГРП, СП, ТС, ЦПГ и др.

Основным показателем, характеризующим процесс смесеобразования и сгорания в цилиндре двигателя является коэффициент избытка воздуха , который представляет отношение действительного количества воздуха находящего в камере сгорания к теоретическому необходимому . (В.М. Шарипов, М.К. Бирюков, Ю.В. Дементьев, П.А Красавин, В.В. Ломакин, А.П. Маринкин, Е.С. Наумов, В.В. Селифонов, А.И. Сергеев, Ю.А. Феофанов, Н.Н. Шарипова, А.С. Шевелев, Ю.С. Щетинин, Тракторы и автомобили: Учебник для студентов вузов обу- чающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение»/ В.М. Шарипов, М.К. Бирюков, Ю.В. Дементьев и др.; Под общ. ред. В.М. Шарипова. - М.: Издательский дом «Спектр», 2010. - 351 с.: ил.)

В связи с тем, что картерные газы состоят из горючей смеси, а также продуктов полного и частичного сгорания, появление вышеуказанных неисправностей изменяют коэффициент избытка воздуха α непосредственно в камере сгорания цилиндра двигателя, тем самым, меняя состав картерных и отработавших газов.

Количество газов, прорывающихся в картер, увеличивается с возрастанием нагрузки двигателя, а также по мере износа цилиндров, поршней и поршневых колец и определяется по следующему выражению:

где - расход картерных газов, л/мин

- среднее индикаторное давление, кг/см²

- рабочий объем двигателя, см³

- - линейный размер одного цилиндра, см

- наработка двигателя, ч.

При этом поток прорвавшихся газов через не плотности ЦПГ выходит напрямую в окружающую среду. При замкнутой системе вентиляции картерных газов они попадают непосредственно во впускной коллектор, меняя качественное содержание свежей порции воздуха, и, следовательно, состав рабочей смеси в камере сгорания и как результат состав картерных и отработавших газов.

Действительное количества воздуха L находящего в камере сгорания складывается из трёх составляющих и определяется по формуле:

где - количество свежего заряда поступившего камеру сгорания цилиндра, кг;

- количество остаточных газов в камере сгорания цилиндра, кг;

- количество картерных газов в камере сгорания цилиндра, кг.

Следовательно

В этом случае не известно, на сколько изменится качественней состав картерных газов двигателя при изношенной ЦПГ и является ли это повышение результатом не корректной работы ТС впрыска дизеля? В любом случае эти обстоятельства приводят к изменению вязкости масла и соответственно износу основных механизмов двигателя, снижающие его ресурс.

Если установить взаимосвязь неисправностей возникающих в двигателе с показателями величин отдельных компонентов продуктов сгорания попавших в картер двигателя, концентрации которых в значительной степени зависят от технического состояния двигателя и его систем, влияющих на полноту сгорания топлива, то можно идентифицировать неисправности в системах и механизмах двигателя.

Теоретически оценить в процессе можно сделать косвенно через величину индикаторной мощности двигателя согласно следующему выражению:

где - индикаторная мощность двигателя, кВт;

- низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг;

- индикаторный КПД;

- частота вращения КВ двигателя, мин^-1;

- объем цилиндров двигателя, л;

- коэффициент наполнения камеры сгорания цилиндра;

- тактность двигателя;

- плотность воздуха кг/м³

Индикаторное давление определяется по следующему выражению:

Тогда расход картерных газов будет равен:

Выразив из выражения (6) значение и подставив в формулу (5), и после сокращений и преобразований получим:

Таким образом, выражение (8) позволяет определить коэффициент избытка воздуха с учетом картерных газов поступающих в камеру сгорания цилиндра. В свою очередь коэффициент избытка воздуха α, связан с показателями токсичности - окиси углерода (СО), углекислого газа (СО₂), окислов азота NO_x и углеводородов (C_mH_n) и др., который связан следующими зависимостями (фиг.1), таким образом, определив показатели токсичных компонентов в картерных газах, установив проявление симптомов и диагностических признаков, предоставляется возможность оценить не только техническое состояние двигателя, но и возможное наличие других неисправностей в его системах и механизмах, сравнив их с эталонными значениями.

Своевременное определение наличия в картерных газах углеводородов в виде паров топлива, разжижающих моторное масло, позволит предотвратить вспенивание масла и появление эмульсии, затрудняющей поступление масла к трущимся поверхностям. А выявление в картерных газах других компонентов в виде других токсичных компонентов образующих в масле смолистые вещества и кислоты, своевременно исключат коррозию трущихся поверхностей. Таким образом, своевременное определение качественного состава картерных газов может свидетельствовать о наличии скрытых неисправностей.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является выявление зарождающихся неисправностей в системах и механизмах двигателя, достоверное определение наличие токсичных компонентов в картерных газах и состояние ЦПГ, ГРМ, СП, ТС в ДВС непосредственно в процессе испытаний и эксплуатации транспортных машин.

Техническим результатом изобретения является упрощение процесса диагностирования систем и механизмов двигателя, а также осуществление оперативной косвенной оценки технического состояния ЦПГ, ГРМ, СП, ТС в ДВС.

Технический результат достигается с помощью устройства для оценки технического состояния и выявления зарождающихся неисправностей в системах и механизмах двигателя, включающего средство измерения объемного расхода картерных газов, при чем дополнительно содержит датчик кислорода, датчик разряжения, датчик окислов азота, датчик угарного газа, датчик углеводородов , датчик массового расхода воздуха, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, приемопередатчик, передающая антенна, постоянное запоминающее устройство, TFT - экран и базовая станция, при чем для электропитания микроконтроллера предусмотрен аккумулятор с напряжением 12 вольт, при этом выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, а соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу приемопередатчика, к которому присоединена передающая антенна, с которой сигнал поступает на базовую станцию, второй выход микроконтроллера соединён с ПЗУ и TFT - экраном расположенными в кабине транспортного средства, микроконтроллер с дисплеем смонтированы в компактном переносном корпусе.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлена характеристика токсичных веществ в отработавших газах в зависимости от коэффициента избытка воздуха α.

На фигуре 2 представлена схема реализации заявляемого устройства.

Осуществление изобретения

Устройство для диагностирования двигателя по количественному и качественному составу картерных газов, разработано в рамках программы «Приоритет 2030», при поддержке научных проектов молодых исследователей и научных коллективов молодых исследователей СтГАУ, содержит установленное на двигателе 1, средство измерения объемного расхода картерных газов 2, датчик кислорода 3, датчик разряжения 4, датчик окислов азота 5, датчик угарного газа 6, - датчик углеводородов 7, датчик массового расхода воздуха 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микроконтроллер 10, приемопередатчик 11, передающая антенна 12, постоянное запоминающее устройство 13 (ПЗУ), TFT - экран 14 и базовая станция15. (фиг.2).

Для электропитания микроконтроллера 10 предусмотрен аккумулятор с напряжением 12 вольт, в качестве которого может служить штатная аккумуляторная батарея транспортного средства, двигатель которого диагностируется. Выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя 9, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера 10. Выход микроконтроллера 10 подключен к входу приемопередатчика 11, к которому присоединена передающая антенна 12, с которой сигнал поступает на базовую станцию 15. Второй выход микроконтроллера 10 соединён с ПЗУ 13 и TFT - экраном 14 расположенными в кабине транспортного средства.

Микроконтроллер 10 многоканальный, 32-разрядный с частотой 60 МГц. В качестве цифрового дисплея 14 использован TFT-экран с активной матрицей размером 7 дюймов (150×90 мм), разрешением 800×480 точек, 256000 цветов. Микроконтроллер 10 с дисплеем 14 смонтированы в компактном переносном корпусе. Для подключения устройства к аккумуляторной батарее предусмотрены провода с зажимами типа "крокодил". Для установки датчиков 3,4,5,6,7,8 на элементы диагностируемого двигателя используется набор сменных соединительных переходников (адаптеров).

Средство измерения объемного расхода картерных газов 2 устанавливается на маслозаливную горловину ДВС 1. Датчики 4,8 (фиг. 2.) устанавливаются во впускной коллектор ДВС за фильтрующим элементом.

Остальные датчики располагаются в едином корпусе, через который проходят картерные газы. Корпус соединяется в разрыв системы рециркуляции картерных газов. В чип-памяти микроконтроллера 10 содержится база нормативных значений измеряемых параметров для конкретной модели двигателя.

После запуска и прогрева двигателя 1 можно проводить снятие показателей, или это возможно делать при эксплуатации машины, при работе на установившемся режиме. Через определённый интервал времени настроенный микроконтроллером 10, (например 5 часов), аналого-цифровой преобразователь 9 получает сигналы с датчиков 3,4,5,6,7,8, и с средства измерения объемного расхода картерных газов 2. Далее аналого-цифровой преобразователь 9 передает сигнал на микроконтроллер 10.

Микроконтроллер 10 обрабатывает полученные сигналы и сравнивает их с нормативными значениями, которые запрограммированы в чип-памяти устройства, и выводит информацию, на ЖК-дисплей 14 в кабину оператора и заносится в оперативную память ПЗУ 13. Параллельно сигнал с микроконтролёра 10 сигнал передаётся через приемопередатчик 11 и затем через передающую антенну 12 на базовую станцию 15, которая непосредственно находится в хозяйстве или на предприятии. Микроконтроллер 10, исполнен на базе процессоров ARM технологии, прошивкой которого является аппаратно-программный комплекс диагностирования ДВС. Он позволяет выполнять анализ параметров ДВС связанные с качественным составом картерных газов через ЦПГ, и отправить аварийный сигнал водителю и на базовую станцию, где будет сообщаться о неисправности, и передавать диагностические данные с определённым интервалом который может быть задан.

Интервал измерения параметров может варьироваться в различном диапазоне. Таким образом, с помощью электронных датчиков передающих сигналы, можно дистанционно определять изменения, происходящие в картере двигателя и своевременно ставить соответствующий диагноз, не дожидаясь очередного технического обслуживания.

Таким образом, предложенное устройство позволит достоверно и оперативно определять техническое состояние состояния систем и механизмов двигателя.

При сравнении предложенного технического решения с объектами аналогичного назначения, обнаруженными в процессе патентного поиска по доступным нам материалам, установлено, что в известных способах отсутствуют признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа.

Основываясь на вышеприведенных данных, можно заключить, что предложенное устройство контроля технического состояния ЦПГ, ГРМ, СП, ТС в ДВС обладает существенными отличиями.

Изобретение относится к методам контроля поршневых дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях. Устройство для оценки технического состояния и выявления зарождающихся неисправностей в системах двигателя включает средство измерения объемного расхода картерных газов, датчик кислорода, датчик разряжения, датчик окислов азота, датчик угарного газа, датчик углеводородов, датчик массового расхода воздуха, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, приемопередатчик, передающую антенну, постоянное запоминающее устройство, TFT–экран, базовую станцию, аккумулятор, причем второй выход микроконтроллера соединён с ПЗУ и TFT–экраном, микроконтроллер с дисплеем смонтированы в компактном переносном корпусе. Технический результат - упрощение процесса диагностирования систем и механизмов двигателя, а также осуществление оперативной косвенной оценки технического состояния ДВС. 2 ил.

Устройство для оценки технического состояния и выявления зарождающихся неисправностей в системах и механизмах двигателя, включающее средство измерения объемного расхода картерных газов, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик кислорода, датчик разряжения, датчик окислов азота, датчик угарного газа, датчик углеводородов, датчик массового расхода воздуха, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, приемопередатчик, передающую антенну, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), TFT–экран и базовую станцию, причем для электропитания микроконтроллера предусмотрен аккумулятор с напряжением 12 вольт, при этом выходы всех датчиков подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, соответствующие выходы которого подключены к соответствующим входам микроконтроллера, выход микроконтроллера подключен к входу приемопередатчика, к которому присоединена передающая антенна, с которой сигнал поступает на базовую станцию, второй выход микроконтроллера соединён с ПЗУ и TFT–экраном, расположенными в кабине транспортного средства, микроконтроллер с TFT–экраном смонтированы в компактном переносном корпусе.