Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания
DIAGNOSTIC METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области технической диагностики, в частности к измерительной технике, основанной на измерении действующего значения спектра частот, электрической энергии вибрации поверхности корпуса двигателя внутреннего сгорания (ДВС) нового изделия и действующего его значения на моменты после ремонтного использования.
В предлагаемом изобретении осуществляют оцифрованную диагностику по энергии звука вибрации корпуса ДВС во время движения встроенных деталей, механических изделий любого типа и конструкций
Диагностика ДВС измерением рабочего моторесурса R производится прокручиванием стартером коленчатого вала (КВ) ДВС в течение 1-2 сек или ручным приводом, при отключенных системах зажигания и питания.
Известен способ диагностики по энергии шумов в рабочих объемах цилиндров газораспределительного, цилиндропоршневого, кривошипно-шатунного и других механизмов ДВС (варианты).
(См. патент на изобретение РФ №2545253, заявл.30.07.2013, опубл. 10.02.2015 по кл. МПК - G01M 15/05, G01M 15/00)
Недостатком указанного способа является разделение измеряемой величины рабочего моторесурса ДВС на составляющие рабочих моторесурсов, каждого рабочего объема цилиндров (РОЦ), в многоцилиндровых ДВС, при этом оценка общего рабочего моторесурса ДВС как целого неделимого механизма затруднена.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу диагностики ДВС, заключающемуся в измерении рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра (РОЦ), обусловленных перемещением воздуха при прокручивании коленчатого вала ДВС, причем в качестве измерительного устройства выбирают Датчик шумов (ДШ), преобразующий шум, возникающий при взаимодействии деталей во время прокручивания коленчатого вала, в электрическую энергию, которая соответствует величине степени износа деталей механизмов на момент измерения рабочего моторесурса.
(См. патент на изобретение РФ №2582730 по классу МПК-7: G01M 15/00, G01M 15/12 заявлен. 29.05.2015 г., опубликован. 27.04.6. «Способ измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра (варианты)».
Недостатки выше указанного способа заключаются в том, что датчик измерения энергии шумов располагают на разделе среды РОЦ в ДВС и окружающей средой, ибо измерение рабочего моторесурса производят для каждого РОЦ раздельно при прокручивании КВ.
Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение достоверности диагностических данных и упрощение оценки рабочего моторесурса ДВС как целого неделимого механизма.
Техническим результатом, позволяющим решить эту задачу является измерение рабочего моторесурса по амплитуде энергии вибрации поверхности корпуса, для всех РОЦ в ДВС всех типов, при запуске в работу, определяемой датчиком измерения энергии вибрации.
н
d
Поставленная задача достигается тем, что в способе диагностики ДВС, заключающемся в измерении рабочего моторесурса кривошипношатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС, согласно предлагаемого изобретению Рабочий моторесурс определяют по формуле R=(I/I) × 100% Vat., где:
н
I - действующее значение электрического тока нового ДВС,
d
I - действующее значение электрического тока на момент запуска в работу.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемый способ диагностики ДВС неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ может найти широкое применение в области измерительной техники т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемый способ диагностики ДВС отличается от известных способов тем, что датчик измеряет энергию вибрации поверхности корпуса ДВС и находится в окружающей среде.
Измерение энергии спектра частот на поверхности корпуса, эквивалентно всем силам технологических процессов происходящих в полости каждого РОЦ в ДВС, любого типа.
Поскольку корпус ДВС объединяет все РОЦ в ДВС, связанных с единым коленчатым валом, то диагностика измерением рабочего моторесурса происходит за один оборот коленчатого вала в 2 тактном и за 2 оборота коленчатого вала в 4 тактном ДВС.
Время допустимое для запуска в работу ДВС, является основным параметром для предлагаемого способа диагностики, измерением рабочего моторесурса.
зап.
п.ц.
Время, допустимое для запуска в работу ДВС должно быть равно или больше времени полного цикла преобразования энергии в ДВС Т≥Т., где:
зап
п.ц.
Т - время запуска ДВС, Т - время полного цикла преобразования энергии во всех РОЦ в ДВС.
Датчик для измерения энергии вибрации в точке поверхности корпуса содержит микрофон звукового диапазона частот, любого типа нано технологических компонентов, вмонтированный в остроконечный вибра проводной щуп, для измерения величины энергии спектра частот вибрации, в любых точках однородного тела корпуса ДВС.
Сущность предлагаемого способа диагностики ДВС, заключающегося в измерении рабочего моторесурса кривошипношатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по амплитуде энергии вибрации поверхности корпуса, для всех РОЦ в ДВС, при запуске, определяемой датчиком измерения энергии вибрации, поясняется чертежами для двухтактных и четырехтактных двигателей, где представлены:
На Фиг. 1 представлена структурная схема датчика для измерения энергии вибрации поверхности корпуса ДВС,
использующая радиоэлемент микрофон любого типа Нана технологий в звуковом диапазоне частот, преобразующий энергию вибрации тела корпуса ДВС, в электрическую энергию, измерение производится на поверхности корпуса ДВС в любой его точке.
На Фиг. 2 представлена структурная схема регистратора уровня рабочего моторесурса ДВС, который состоит из преобразователя спектра шума вибрации в действующее значение постоянного тока электрической энергии, индикатор амперметр расположенный на панели управления механизма.
По статистическим данным исследования рабочего моторесурса эмпирично сделано заключение, величина энергии шумов в рабочем объеме цилиндра, сокращенно РОЦ, тождественна рабочему моторесурсу, вырабатываемой массе деталей механизмов, которая вместе с продуктами горения вылетает в выхлопную трубу ДВС, остается в фильтрах ГСМ и системы охлаждения.
х
х
Диагностика 4 тактного, 4 цилиндрового ДВС
Измерение производят прокручиванием стартером коленчатого вала ДВС, при отключенных системах зажигания и питания в течении (1-2) сек.
х
х
На Фиг. 3 представлен спектр вибрации поверхности корпуса 4 тактного, 4цилиндрового ДВС, представленный автомобиль используется постоянно в течение 7 лет, спектр воспроизведен и записан звуковым редактором Sound Forge чередования работы РОЦ в ДВС, настоящим способом измерения не поддерживается, Автор стохастическим методом выделил в РОЦ ДВС полные циклы преобразования энергии по амплитуде компрессии.
Временные участки спектра изменены с помощью звукового редактора Sound Forge, обработку сигнала производили в графическом редакторе CorelDraw, пуск ДВС, осуществляли стартером ДВС, при отключенных системах зажигания и подачи топлива.
Закон Пуассона: «случайная величина X распределена по закону Пуассона, если
т
вероятность того, что она примет определенное значение , выражается формулой
где а - некоторая положительная величина, называемая параметром закона Пуассона».
Интерпретации закона Пуассона, лежат в основе разработки и исследований; (См. описания патентов на изобретение №2545253 и №2582730), позволяют считать, свойство рабочий моторесурс ДВС, измеряемым параметром.
На Фиг. 4 представлено детальное рассмотрение энергетического спектра, сгустков амплитуды и уплотнений частот, спектра вибрации поверхности корпуса ДВС.
Равномерность амплитуды во времени участков полных циклов работы РОЦ, зависит от стабильности оборотов стартера, очевидно, максимальные пиковые отклонения амплитуды спектров, находятся при положении поршней РОЦ в верхних мертвых рабочих точках (ВМТ), а затухание амплитуды спектра, во время полного цикла преобразования энергии каждого РОЦ, эквивалентно такту рабочего хода поршня. На графике спектра наблюдается:
1. Время пуска ДВС, разгон оборотов коленчатого вала (KB).
2. Участки энергии вибрации их спектры частот полного цикла преобразования энергии всех РОЦ в ДВС, обозначенные 1ц, 2ц, 3ц, 4ц, иначе, 4цилиндровый ДВС, имеет 4 ДВС.
3. Время стоп, остановка вращения КВ.
Назначенная Автором настоящего предлагаемого изобретения величина параметра Пуассона, является величина компрессии в РОЦ нового ДВС, обозначена линиями на Фиг. 5, зона допустимой амплитуды колебаний энергии вибрации любого РОЦ в ДВС, соответствует параметру рабочего моторесурса, эксплуатация ДВС допустима.
В процессе работы величина компрессии в РОЦ, имеет тенденцию, постоянного снижения (уменьшения амплитуды спектра) за счет износа деталей механизма и как следствие увеличение энергии сил трения в узлах сочленения деталей.
По сути дела, Фиг. 4 спектрального анализа, полная диагностика рабочего состояния ДВС, критерий оценки; если хотя бы у одного из РОЦ в ДВС во времени полного цикла преобразования энергии, амплитуда спектра вибрации превысит линию, параметра Пуассона, эксплуатация ДВС недопустима.
На Фиг. 5 и 6 произведено совмещение временных участков формы спектра вибрации корпуса ДВС и формы спектра сил давления в РОЦ ДВС, см. Фиг. 4 Ц2 полного цикла 2 об. КВ, и формы спектра энергии полного цикла преобразования в РОЦ (см. патенты на изобретение №2545253, №2582730).
Наблюдается эмпирическое соответствие, формы амплитуд, спектра энергии вибрации корпуса ДВС и формы графика энергии сил, действующих в РОЦ.
Объясняется это тем что, во время подготовки топлива в РОЦ происходит сжатие газа за счет силы вращения КВ стартером, а во время рабочего хода и очистки РОЦ, за счет дополнительной силы давления сжатого газа на поршень кривошипа КВ.
Сдвиг по фазе формы спектра энергии вибрации, которая отстает по фазе от сил, действующих в РОЦ на 360° потому, что время полного цикла преобразования энергии, происходит за 2 оборота КВ.
2
Физико-математическое доказательство способа заключается в том, что математическое понятие производной величины dx/dt скорость изменения механических сил, действующих в РОЦ Фиг. 6, Фиг. 5 вторая производная величина dx/dt ускорение сил, энергия, воздействия сил на тело корпуса ДВС во времени, что является математическим доказательством способа диагностики измерением рабочего моторесурса, что доступно для мало-затратного цифрового измерения величины энергии вибрации корпуса механического изделия.
х
Диагностика 2 тактного, 1 цилиндрового ДВС
х
На Фиг. 7 представлен спектр вибрации поверхности корпуса 2 тактного, 1 цилиндрового ДВС, записан звуковым редактором Sound Forge чередования работы РОЦ в ДВС, настоящим способом измерения не поддерживается. Автор стохастическим методом выделил 4 полных циклов преобразования энергии, за один оборот КВ.
Временные участки спектра изменены с помощью звукового редактора Sound Forge, обработка сигнала производилась в графическом редакторе CorelDraw, пуск ДВС, осуществлялся стартером ДВС, при отключенных системах зажигания и подачи топлива.
На Фиг. 8 представлено детальное рассмотрение энергетического спектра, сгустков амплитуды и уплотнений частот, спектра вибрации поверхности корпуса ДВС.
На графике спектра наблюдается:
1. Время оборотов коленчатого вала КВ.
2. Участки сгустков энергии вибрации спектра частот, полного цикла преобразования энергии в РОЦ ДВС, обозначенные 1об, 2.об, 3об, 4об.
3. ОВО - открытие выпускного окна.
Очевидно, максимальные пиковые отклонения амплитуды спектров, находятся при положении поршней РОЦ, в верхних мертвых точках, а затухание амплитуды спектра, во время полного цикла преобразования энергии каждого РОЦ, эквивалентно такту рабочего хода поршня. Равномерность во времени участков полных циклов работы РОЦ зависит от стабильности оборотов ручного пускателя устройства.
Назначенная Автором настоящего предлагаемого изобретения величина параметра Пуассона, является величина компрессии в РОЦ нового ДВС, обозначена линиями на Фиг. 8, зона допустимой амплитуды колебаний энергии вибрации любого РОЦ в ДВС, соответствует параметру рабочего моторесурса, эксплуатация ДВС допустима.
В процессе работы величина компрессии в РОЦ, имеет тенденцию, постоянного снижения за счет износа деталей механизма и как следствие увеличение энергии сил трения в узлах сочленения деталей.
По сути дела, Фиг. 8 спектрального анализа, полная диагностика рабочего состояния ДВС, критерий оценки; если в РОЦ ДВС во времени полного цикла преобразования энергии, амплитуда превысит линии, параметра Пуассона, эксплуатация ДВС недопустима.
х
На Фиг. 9 и 10 произведено совмещение временных участков, спектров энергии вибрации корпуса ДВС, относительно положения поршня в ВМТ см. Фиг. 8, 3-й оборот. Фиг.10 полный цикл 1 об. КВ, форма спектра энергии полного цикла преобразования энергии в РОЦ 2 тактного ДВС (см. патенты №2545253 и №2582730)
Наблюдается эмпирическое соответствие, формы амплитуд спектра энергии вибрации корпуса, ДВС и формы графика энергии сил действующих в РОЦ ДВС.
Объясняется это тем, что, во время подготовки топлива в РОЦ происходит сжатие газа за счет силы вращения КВ стартером, а во время рабочего хода и очистки РОЦ, за счет дополнительной силы давления сжатого газа на поршень кривошипа КВ.
На графиках спектров наблюдается:
1. Время 3 об. КВ см. Фиг. 8
х
2. Форма спектра шумов в РОЦ, см. патенты №2545253 и №2582730, полный цикл работы 2 тактного ДВС.
3. На Фиг. 10 обозначено время положения поршня в ВМТ.
4. ОВО - время открытия выпускного окна для газов в РОЦ.
5. Время ОПК. открытие перепускного канала топлива из катера.
6. На Фиг. 9 и 10 совмещение во времени обозначено вертикальными линиями.
2
Физико-математическое доказательство способа заключается в том, что математическое понятие производной величины dx/dt скорость изменения механических сил, действующих в РОЦ Фиг. 10, Фиг. 9 вторая производная величина dx/dt ускорение сил, энергия, воздействия сил на тело корпуса ДВС во времени, что является математическим доказательством способа диагностики измерением рабочего моторесурса.
Шкала измерения рабочего моторесурса
На Фиг. 3 представлена структурная схема измерения рабочего моторесурса, по сути дела это преобразователь переменного тока в действующее значение постоянного тока, и индикатор уровня с относительной шкалой измерения.
к
Принимаем компрессию нового РОЦ в ДВС равной уровню параметра Пуассона I, что соответствует 100% рабочего моторесурса, по мере эксплуатации ДВС происходит износ деталей, выражаемый в увеличении энергии вибрации, до не допустимого уровня эксплуатации РОЦ в ДВС.
Составим соотношение, символом R обозначим рабочий моторесурс, тогда
k
d
R=(I/I) × 100%,
d
где I - действующее значение электрического тока.
ВАЖНО:
Износ деталей в N цилиндровых ДВС неравномерный, для каждого цилиндра, поскольку износ деталей в рабочем состоянии ДВС, подвержен случайным обстоятельствам воздействия окружающей среды и профессиональных способностей пользователя.