СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING TECHNICAL STATE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH COMPLEX CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к диагностированию технического состояния автомобильной техники и может быть использовано при техническом обслуживании и ремонте автомобильной техники.
Известен способ оценки неравномерности работы ДВС [1], заключающийся в том, что устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя без нагрузки, измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с частотой цикла работы двигателя, и амплитуды заданных гармонических составляющих, затем измеряют амплитуду гармонической составляющей углового ускорения коленчатого вала, совпадающей с четвертой гармоникой частоты вращения, находят отношения амплитуд измеренных гармоник к амплитуде этой гармоники, после чего двигатель нагружают и осуществляют на номинальной частоте вращения повторные измерения амплитуд гармоник и рассчитывают их отношения, а по разности отношений под нагрузкой и на холостом ходу оценивают неравномерность.
Недостатком данного способа является сложность и трудоемкость, вызванные необходимостью многократных измерений и необходимостью нагрузки двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания [2], заключающийся в непрерывном измерении при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра, измерения амплитуд заданных гармонических составляющих ускорения при достижении двигателем заданного значения частоты вращения коленчатого вала в вычитании из ускорения разгона этих гармонических составляющих и ускорения выбега, определения средних значений полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, и в определении степени неравномерности работы цилиндров по соотношению полученных величин, а по амплитудам заданных гармонических составляющих - степени неуравновешенности двигателя.
Недостатками данного способа являются: вследствие разной компрессии неисправные цилиндры на рабочем ходу оказывают влияние на измеряемые параметры, искажая их; низкая точность, вызванная несовершенством системы зажигания и разбросом цикловой подачи топлива между цилиндрами в цикле работы двигателя на разгоне за счет несовершенства работы системы питания; появление помехи при включении электродвигателя вентилятора системы охлаждения; сложность локализации неисправностей по показателям, определяемым в способе.
Технический результат направлен на повышение точности оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания с комплексной системой управления при его диагностировании в эксплуатационных условиях за счет исключения влияния неоптимальных параметров системы питания и зажигания для режима разгона (за счет использования при работе ДВС тестовых режимов обеспечить постоянство момента зажигания и длительности сигнала управления форсунками), а также установления результирующего значения ускорения коленчатого вала и на увеличение количества определяемых показателей технического состояния ДВС для возможности локализации неисправностей в его системах и механизмах.
Технический результат достигается за счет непрерывного измерения при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра, измерения амплитуд заданных гармонических составляющих ускорения при достижении двигателем заданного значения частоты вращения коленчатого вала в вычитании из ускорения разгона этих гармонических составляющих и ускорения выбега, определения средних значений полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня и в определении степени неравномерности работы цилиндров по соотношению полученных величин, а по амплитудам заданных гармонических составляющих - степени неуравновешенности двигателя, при этом все измерения проводятся при принудительно включенном электродвигателе вентилятора системы охлаждения, измерения на разгоне мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала для каждого цилиндра выполняют с момента времени достижения определенной частоты вращения коленчатого вала в цикле работы двигателя, фиксируется значение частоты вращения коленчатого вала, при которой завершается измеряемый цикл, причем в интервале необходимых частот вращения коленчатого вала стабилизируется цикловая подача топлива и устанавливается постоянный момент зажигания, исключающий детонацию в данном режиме, измерения на выбеге проводят для каждого цилиндра на рабочем ходу и тактах сжатия с момента времени достижения коленчатым валом частоты завершения измеряемого цикла на разгоне при отключенной подаче топлива во все цилиндры, при достижении двигателем определенного значения частоты вращения коленчатого вала вычитают из ускорения разгона заданные гармонические составляющие и среднее значение ускорения выбега на тактах сжатия всех цилиндров, кроме того цилиндра, который на разгоне на такте рабочего хода выбранного цилиндра находился на такте сжатия, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, по их значению выявляют неработающие цилиндры, при периодическом появлении отрицательных значений ускорения разгона коленчатого вала на рабочих тактах цилиндров фиксируются пропуски воспламенения, по средним значениям ускорения разгона на рабочем такте каждого цилиндра выполняют их оценку эффективной динамической мощности, по средним значениям ускорения выбега каждого цилиндра - оценку герметичности надпоршневого пространства.
Отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что все измерения проводятся при принудительно включенном электродвигателе вентилятора системы охлаждения, измерения на разгоне мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала для каждого цилиндра выполняют с момента времени достижения определенной частоты вращения коленчатого вала в цикле работы двигателя, фиксируется значение частоты вращения коленчатого вала, при которой завершается измеряемый цикл, при этом в интервале необходимых частот вращения коленчатого вала стабилизируется цикловая подача топлива и устанавливается постоянный момент зажигания, исключающий детонацию в данном режиме, измерения на выбеге проводят для каждого цилиндра на рабочем ходу и тактах сжатия с момента времени достижения коленчатым валом частоты завершения измеряемого цикла на разгоне при отключенной подаче топлива во все цилиндры, при достижении двигателем определенного значения частоты вращения коленчатого вала вычитают из ускорения разгона заданные гармонические составляющие и среднее значение ускорения выбега на тактах сжатия всех цилиндров, кроме того цилиндра, который на разгоне на такте рабочего ходе выбранного цилиндра находился на такте сжатия, определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня, по их значению выявляют неработающие цилиндры, при периодическом появлении отрицательных значений ускорения разгона коленчатого вала на рабочих тактах цилиндров фиксируются пропуски воспламенения, по средним значениям ускорения разгона на рабочем такте каждого цилиндра выполняют их оценку эффективной динамической мощности, по средним значениям ускорения выбега каждого цилиндра - оценку герметичности надпоршневого пространства.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства стабилизации цикловой подачи топлива;
на фиг.2 представлена функциональная схема устройства стабилизации момента зажигания;
на фиг.3 представлена диаграмма процесса появления гармоники ускорения в двигателе внутреннего сгорания при разгоне коленчатого вала;
на фиг.4 представлен график определения информативной полосы частот вращения коленчатого вала на разгоне и выбеге;
на фиг.5 представлена осциллограмма ускорения разгона коленчатого вала 4-цилиндрового двигателя с привязкой по углу поворота коленчатого вала;
на фиг.6 представлена диаграмма ускорения выбега коленчатого вала 4-цилиндрового двигателя;
на фиг.7 представлен график выделения суммарного поцилиндрового ускорения коленчатого вала 4-цилиндрового двигателя.
Функциональная схема устройства стабилизации цикловой подачи топлива (фиг.1) содержит электронный блок управления 1, формирователь импульсов 2, схему регулировки длительности импульсов 3, усилитель 4, коммутатор 5, форсунки 6.
Функциональная схема устройства стабилизации момента зажигания содержит (фиг.2) датчик положения коленчатого вала 7, формирователь импульсов 2, частотный компаратор 8, компаратор 9, счетчик 10, RS триггеры 11 и 12, логический блок 13, коммутаторы 5, импульсный усилитель 15, реле 16, электронный блок управления 1, катушки зажигания 17 и 18.
Способ осуществляется следующим образом.
В динамическом режиме движение подвижных деталей и частей двигателя определяются основным уравнением динамики ДВС (1).
Д
2
где J - приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся и поступательно-движущихся масс, кг·м;
ω - угловая скорость вращения вала двигателя, рад/с;
φ - угол поворота вала, рад;
i
M - приведенный к валу индикаторный момент силы;
M
M - приведенный к валу момент силы внутренних потерь ДВС;
НГ
М - приведенный к валу момент нагрузки;
e
M - приведенный к валу эффективный крутящий момент силы двигателя.
На основании этого уравнения в динамических режимах (разгон, выбег) имеет место изменение кинетической энергии подвижных частей ДВС (2):
1
при этом за один цикл работы двигателя на разгоне кинетическая энергия на определенной частоте вращения увеличится на Δω', которое соответствует Δn' (фиг.4, а), а на выбеге - уменьшится на Δω", которое соответствует Δn" (фиг.4, б). Для определения максимально приближенных условий в отношении кинетической энергии подвижных частей ДВС на разгоне и выбеге необходимо измерения диагностических параметров на выбеге выполнять в цикле работы двигателя с момента времени достижения коленчатым валом частоты завершения измеряемого цикла на разгоне, равной (n+Δn') (фиг.4).
-1
При выполнении диагностирования на неустановившихся режимах отрицательное влияние на точность диагностической информации оказывают системы питания и зажигания. Анализ сигналов управления форсунками на двигателях ЗМЗ 4062.10 показал, что длительность сигналов, следовательно и цикловая подача топлива в диагностируемом режиме при частоте вращения коленчатого вала 3000 на разгоне, имеет разброс в одном цикле работы двигателя, который составляет (1,2 ms), что значительно отразится на энергетическом потенциале цилиндров, следовательно и на равномерности работы цилиндров. Этот факт имеет место в связи с некоторой инерционностью сигнала отклика датчика массового расхода воздуха (ДМРВ) на изменение расхода воздуха (динамические свойства ДМРВ), дискретизацией сигнала отклика ДМРВ на изменение поступающего количества воздуха несовершенством связанной комплексной работы системы управления, возможном появлении завышенной помехи на сигнале ДМРВ от работы системы зажигания, и в связи с возможным аэродинамическим (волнообразным) движением воздуха во впускном коллекторе за счет отражения потока воздуха при закрытии впускных клапанов [3], что влияет на количество поступающего воздуха в цилиндры, и, следовательно, на состав смеси.
Кроме этого управление зажиганием в динамических режимах в данных двигателях осуществляется автоматически на грани детонации [4], тем самым имеет место нестабильность момента зажигания, влекущее за собой возникающий неравномерный разброс поцилиндровой мощности в цикле работы двигателя, что является помехой при диагностировании цилиндров. Возникающие недостатки в процессе диагностирования предлагается устранить с помощью устройства стабилизации цикловой подачи топлива (фиг.1) и устройства стабилизации момента зажигания (фиг.2), которое позволяет стабилизировать цикловую подачу топлива и устанавливать стабильный момент зажигания, следовательно вывести цилиндры на равнозначные условия работы.
В двигателе внутреннего сгорания на рабочем ходу каждого цилиндра основной нагрузкой при свободном разгоне является преодоление механических потерь и внутренних сил сопротивления, в том числе и противодавления на такте сжатия соответствующего цилиндра (в зависимости от порядка работы цилиндров). Например в 4-цилиндровом двигателе с порядком работы 1-3-4-2 на такте рабочий ход цилиндров происходит:
1 цилиндра - 3 ц. - сжатие, 4 ц. - впуск, 2 ц. - выпуск,
3 цилиндра - 4 ц. - сжатие, 2 ц. - впуск, 1 ц. - выпуск,
4 цилиндра - 2 ц. - сжатие, 1 ц. - впуск, 3 ц. - выпуск,
2 цилиндра - 1 ц. - сжатие, 3 ц. - впуск, 4 ц. - выпуск.
Поэтому в случае разной компрессии между цилиндрами на рабочем ходу цилиндры не находятся в равных условиях, так как они преодолевают заведомо разный момент сопротивления компрессионной составляющей, поэтому неисправные цилиндры осуществляют влияние на измеряемые параметры (угловую скорость и ускорение) и искажают их. Следовательно, для приведения измеренных значений диагностических параметров к равным условиям это явление необходимо учитывать, для этого из ускорения разгона необходимо вычитать среднее значение ускорения выбега на тактах сжатия всех цилиндров, кроме того цилиндра, который на разгоне на такте рабочего хода выбранного цилиндра находился на такте сжатия, так как работа, затраченная на преодоление сил сопротивления такта сжатия в этом цилиндре уже выполнена
i
pi
вi
где ε - определяемое значение диагностируемого параметра для i-го цилиндра; i - номер цилиндра; n - количество цилиндров; ε - ускорение разгона коленчатого вала на рабочем ходу i-го цилиндра; ε - ускорение выбега коленчатого вала на такте сжатия i-го цилиндра.
Для определения технического состояния двигателей при многократных разгонах и выбегах двигателя без нагрузки выполняют непрерывное измерение мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала на рабочем такте каждого цилиндра, измеряют амплитуды заданных гармонических составляющих ускорения (фиг.3, б), по которым определяется степень неуравновешенности двигателя, при этом измерения на разгоне мгновенных значений угловых скорости и ускорения коленчатого вала выполняют с момента времени достижения определенной частоты вращения коленчатого вала в цикле работы двигателя, фиксируется значение частоты вращения коленчатого вала, при которой завершается измеряемый цикл, в интервале необходимых частот вращения коленчатого вала на разгоне стабилизируется цикловая подача топлива и устанавливается постоянный момент зажигания, исключающий детонацию в данном режиме, измерения на выбеге проводят для каждого цилиндра на рабочем ходу и такте сжатия с момента времени достижения коленчатым валом частоты завершения измеряемого цикла на разгоне при отключенной подаче топлива во все цилиндры, при этом все измерения проводятся при принудительно включенном электродвигателе вентилятора системы охлаждения. Выбор именно этих циклов на разгоне и выбеге (фиг.4) дает минимальную погрешность при диагностировании цилиндров, возникающую из-за изменения в динамике запаса кинетической энергии и силы инерции подвижных частей двигателя с увеличением угловой скорости, на которой выполняют измерения на разгоне и выбеге. При достижении двигателем определенного значения частоты вращения коленчатого вала вычитают из ускорения разгона эти гармонические составляющие и среднее значение ускорения выбега на тактах сжатия всех цилиндров, кроме того цилиндра, который на разгоне на такте рабочего хода выбранного цилиндра находился на такте сжатия, и определяют средние значения полученных величин в каждом цилиндре за рабочий ход его поршня.
Полученные величины являются газовой (полезной) составляющей ускорения коленчатого вала [4] и отражают активные процессы сгорания топлива на тактах рабочий ход и создания положительного крутящего момента. Они используются для расчета коэффициента неравномерности по формуле
imax
imin
где ε и ε - максимальное и минимальное значения ускорений, вычисленные по формуле
pi
вi
гi
k
где ε, ε и ε - средние значения ускорений, измеренных в разгоне, выбеге и гармоник f ускорения в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров (фиг.3, 5, 6).
дв
e
где J - приведенный момент инерции (для конкретной модели двигателя является величиной приблизительно постоянной); ω - угловая скорость коленчатого вала (близкая к номинальной для N); ε - ускорение коленчатого вала.
Учитывая, что приведенный момент инерции для данного двигателя - величина приблизительно постоянная, то
по изменению углового ускорения при данном значении угловой скорости можно определить эффективную мощность двигателя.
р
в
В каждом цикле работы двигателя последний цилиндр согласно порядка работы имеет завышенные значения ускорения (фиг.7), т.к. он находится в условиях увеличенного скоростного режима в результате срабатывания предыдущих цилиндров и за счет нарастающей инерционности вращающихся частей ДВС. Для исключения этого явления измерения ускорения коленчатого вала выполняются в цикле работы двигателя в определенном интервале частот вращения коленчатого вала в разгоне и, соответственно, на выбеге. Кроме этого выполняется измерение инерционной составляющей ускорения, которая пропорционально изменяется с изменением угловой скорости вращения коленчатого вала, и ее необходимо вычитать из разности ускорений по формуле (5), измеренных в разгоне ε и выбеге ε, с целью компенсации влияния этой составляющей.
i
По вычисленным величинам ε выявляют неработающие цилиндры, при периодическом появлении отрицательных значений ускорения разгона коленчатого вала на рабочих тактах цилиндров фиксируются пропуски воспламенения, по средним значениям ускорения разгона на рабочем такте каждого цилиндра выполняют их оценку эффективной динамической мощности (7), по средним значениям ускорения выбега каждого цилиндра - оценку герметичности надпоршневого пространства и выявляют неисправные цилиндры.
Устройство стабилизации цикловой подачи топлива (фиг.1) работает следующим образом. Сигналы управления поступают со штатного электронного блока управления 1 на вход формирователя импульсов 2, где формируется стабильный по амплитуде и форме сигнал. Этот сигнал запускает схему регулировки длительности импульсов 3, с помощью которого задается необходимое и стабильное время длительности выходного сигнала. С выхода схемы регулировки длительности импульсов 3 прямоугольные сигналы усиливаются в усилителе 4 и через коммутатор 5 управляют работой форсунками 6.
Устройство стабилизации момента зажигания (фиг.2) работает следующим образом. Сигналы с датчика частоты вращения коленчатого вала (ДПКВ) 7 поступают на формирователь импульсов 2 и компаратор 9, который выделяет синхроимпульс ДПКВ. С выхода формирователя импульсов 2 симметричный меандр поступает на частотный компаратор 8 и на вход счетчика 10. Частотный компаратор 8 определяет начальный и конечный порог частоты поступающих с формирователя импульсов 2 сигналов, и в этом диапазоне частот частотный компаратор 8 вырабатывает сигнал высокого уровня, который поступает на логический блок 13 и импульсный усилитель 15. Усиленный сигнал переключает реле 16 в положение, при котором управляющие сигналы с коммутаторов 5 поступают через вторую пару контактов ключа SA1 на первичные обмотки катушек зажигания 17 и 18. Формирование управляющих сигналов катушками зажигания происходит следующим образом. Счетчик 10 первым поступившим импульсом запускает RS триггер 11 и шестнадцатым импульсом сбрасывает его, тридцать первым импульсом счетчик 10 запускает RS триггер 12 и сорок шестым импульсом сбрасывает его. Таким образом, через логический блок 13, коммутаторы 5 и вторую пару контактов ключа SA1 при наличии сигнала высокого уровня на выходах триггеров 11 и 12 устанавливается момент начала накопления энергии катушками зажигания, а при сбросе триггеров 11 и 12 устанавливается необходимый момент зажигания, исключающий детонацию. Сброс счета в счетчике 10 происходит при поступлении на его вход R синхроимпульса с коммутатора 9. В остальных диапазонах частот вращения коленчатого вала работой катушек зажигания 17 и 18 управляет электронный блок управления 1.
Таким образом, определение технического состояния двигателей внутреннего сгорания с комплексной системой управления указанным способом позволяет при проведении диагностирования за счет более точного определения технического состояния ДВС и локализовать неисправность, при этом исключается влияние на достоверность диагностирования работы систем и механизмов двигателя, повышается точность измерения и вычисляемых параметров, определяющих неравномерность работы цилиндров.
Источники информации
1. Авт.св. СССР №1629777, МПК G01M 15/00. Способ оценки неравномерности работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст] / И.П.Добролюбов, В.М.Лившиц, С.В.Самойлов, В.Е.Деречук, А.Р.Голштейн (СССР). - №4471154/06; заявл. 04.08.88; опубл. 23.02.91, Бюл. №7. - 4 с.: ил.
2. Патент №2208771, Российская Федерация, МПК G01L 23/08. Способ определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления [Текст] / Добролюбов И.П., Федюнин П.И., Ольшевский С.Н.; заявитель и патентообладатель: Институт механизации сельского хозяйства Новосибирском государственном аграрном университете. - №2001107684/06; заявл. 21.03.01; опубл. 20.07.03, Бюл. №20. - 28 с.: ил.
3. Бурячко, В.Р., Гук, А.В. Автомобильные двигатели. Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. / [Текст] / В.Р.Бурячко, А.В.Гук - СПб.: НПИКЦ, 2005. - 292 с.: ил. ISBN 5-902253-05-5.
4. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / [Текст] / В.Н.Луканин - 2-е изд., перераб. и доп. - М. Высшая школа, 2005. - 479 с.: ил. ISBN 5-06-004142-5.