СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF ENGINE TECHNICAL CONDITION DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области технической диагностики в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу, в частности к способам оценки работоспособности механических систем двигателя, систем, влияющих на эффективность (экономичность) работы и технического состояния двигателя в целом, по значению мощности механических потерь и может быть использовано для контроля и диагностирования ДВС в процессе их эксплуатации для проведения последующего предупредительного обслуживания и ремонта.
Известны способы определения мощности механических потерь ДВС путем выключения отдельных цилиндров из работы, проворачивания коленчатого вала от постороннего источника энергии (ГОСТ 14846-81), одиночного или двойного выбега и их разновидности (СССР №302644, G01M 15/00, 1971; СССР №465569, G01L 3/26, 1975; СССР №993060, G01L 3/24, 1981; СССР №1573355, G01L 3/26, 1990; РФ №2034259, G01M15/00, 1995).
Недостатками данных способов является то, что механические потери в двигателе определяются через регистрацию числа оборотов двигателя, которую осуществляют последовательно для ряда заданных в интервале от минимального до максимального скоростных режимов при фиксированной нагрузке в каждом режиме, что возможно только в стендовых условиях. Кроме того, способы не предусматривают постоянного использования в процессе эксплуатации машины и позволяют определить неисправность, только когда запущена система диагностики.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ определения мощности механических потерь двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2454643, МПК: G01L 3/24, заключающийся в том, что при работе двигателя на холостом ходу непрерывно измеряют значения угловой скорости коленчатого вала в равных угловых интервалах заданной величины в пределах цикла работы двигателя на любом установившемся скоростном режиме с синхронизацией начала измерения значений угловой скорости с положением коленчатого вала, соответствующим верхней мертвой точке поршня конкретного цилиндра, в котором осуществляется такт расширения, в начальный момент измерений отключают подачу топлива (зажигания) в одном из цилиндров, получают зависимость угловой скорости от угла поворота коленчатого вала, определяют значения средней угловой скорости и ускорения коленчатого вала, по произведению которых на приведенный момент инерции двигателя определяют значение мощности механических потерь, дополнительно определяют зависимость угловой скорости от угла поворота коленчатого вала при осуществлении рабочих процессов во всех цилиндрах, а затем - с момента отключения подачи топлива (зажигания) в третьем по порядку работы цилиндре, в обоих случаях определяют значения минимальных угловых скоростей на участках, соответствующих началу и окончанию такта расширения в конкретных цилиндрах, сравнивают соответствующие значения минимальных угловых скоростей, полученных при работе одного и того же цилиндра до и после отключения подачи топлива (зажигания), порядковый номер которого определяют по номеру цилиндра, с которого начато измерение зависимости угловой скорости с отключенным цилиндром; при их совпадении с относительной разностью не более 0,5%, значения средней угловой скорости определяют в интервале угла поворота коленчатого вала, соответствующего осуществлению тактов расширения во втором и третьем по порядку работы цилиндрах, а ускорения - на участке выбега коленчатого вала в том же интервале.
Недостатками данного способа являются:
1. Методика по прототипу не является комплексной диагностикой технического состояния двигателя. Недостатком прототипа является невозможность проведения диагностики отдельных механизмов и систем по величине механических потерь, а также невозможность диагностики систем, влияющих на эффективность (экономичность) работы двигателя, что увеличивает сложность локализации причины неисправности в дальнейшем.
2. В прототипе не учитываются мгновенные колебания частоты вращения из-за действия инерционных сил, что может привести к увеличению погрешности более чем на 5%.
3. Угловые мгновенные скорость и ускорение при определенном угле кривошипа зависят от средней частоты вращения, теплового состояния и других нагрузок на оборудование и поэтому не являются представительными характеристиками без коррекции результата измерений.
4. Прототип позволяет определить механические потери, только когда запущена система диагностики, которая требует специальных режимов работы двигателя и не предусматривает постоянного использования в процессе эксплуатации машины.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи оценки работоспособности механических систем двигателя, влияющих на эффективность (экономичность) работы и технического состояния двигателя в целом, за счет диагностики технического состояния двигателя в процессе эксплуатации, повышения информативности диагностики технического состояния двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики технического состояния двигателя, заключающемся в том, что при работе двигателя на холостом ходу проводят измерение механических потерь, согласно предлагаемому техническому решению диагностику проводят в два этапа, при которой на первом этапе проводят постоянный мониторинг расхода топлива на режиме холостого хода и его сравнение с контрольными значениями, без влияния на процесс работы двигателя, и при значении расхода топлива, выходящего за границы допуска, система мониторинга дает сигнал в электронный блок управления, запускающий второй этап диагностики, при котором рассчитывают изменение механических потерь для данного отклонения расхода топлива, затем для оценки величины механических потерь включают процесс выбега, при котором частоту вращения выводят на заданный уровень для данного двигателя, отключают подачу топлива (или зажигания) и замеряют угловое ускорение вала по осредненному значению зарегистрированного падения частоты вращения, полученные значения сравнивают с их значением при рассчитанном изменении по расходу топлива и в случае их равенства делают заключение о неисправности механических систем, при неравенстве параметров делают заключение о неисправности систем, влияющих на эффективность (экономичность) работы двигателя, на основании которого принимают дальнейшие меры по обслуживанию или ремонту двигателя.
Отличительными признаками настоящего технического решения от прототипа являются:
1. Диагностику проводят в процессе эксплуатации.
2. Диагностику проводят в два этапа.
3. Проводят постоянный контроль расхода топлива, без воздействия на двигатель, а при обнаружении отклонений, система запускает систему на второй этап диагностики.
4. При проведении метода выбега отключают подачу топлива на определенной частоте вращения, которая определяется для каждой модели двигателя отдельно.
5. Проводят диагностику отдельных механизмов и систем по величине механических потерь, а также диагностику систем, влияющих на эффективность (экономичность) работы двигателя.
6. Запуск диагностики по локализации причины неисправности (метод выбега) проводят только тогда, когда система считает необходимым проводить второй этап диагностики (когда контроль расхода топлива показал неисправность).
7. На определенном участке падения частоты вращения величину механических потерь оценивают по осредненному (сглаженному) значению зарегистрированной частоты вращения (значения мгновенной частоты вращения зависят от амплитуды и фазы колебаний частоты вращения, от скоростного режима, от теплового состояния).
Совокупность перечисленных признаков позволяет достичь необходимого технического результата, заключающегося в диагностике технического состояния двигателя в процессе эксплуатации, работе двигателя в технически исправном состоянии, а также в повышении информативности диагностики технического состояния двигателя для проведения последующего предупредительного обслуживания и ремонта.
Изобретение поясняется чертежами.
T
1
0
T
T
На фиг. 1 показано изменение расхода топлива (G) от изменения частоты вращения (n), при работе исправного двигателя (2) и при появлении неисправности (1); n и n - выбранные частоты вращения, ΔG и δG - отклонение изменения расхода топлива исправного двигателя от неисправного, по которым определяют переход на второй этап диагностики. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 приведены зависимости колебания мгновенной частоты вращения (Δn) от угла поворота коленчатого вала (ϕ), соответственно при 2100, 2300 и 1900 оборотов в минуту и для фиг. 2 характерна установившаяся амплитуда мгновенной частоты вращения для данного двигателя. На фиг. 5 и фиг. 6 приведена зависимость амплитуды мгновенного крутящего момента от частоты вращения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления способа (на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя BMW М30).
-1
К электронному блоку управления подсоединяют модуль, на котором установлено специальное программное обеспечение, которое позволяет снимать и обрабатывать данные с установленных датчиков на двигателе, а также передавать полученные данные. В процессе эксплуатации машины ведется непрерывный расчет расхода топлива с его последующим сравнением с заложенной топливной картой. Расчет расхода топлива происходит по времени открытия иглы форсунки. Как только система фиксирует превышение расхода топлива на 10%,  система ожидает момента выключения зажигания (движение окончено) и включается второй этап диагностики. Двигатель системой выводится на заданный установившийся скоростной режим холостого хода (в данном примере n=2100 с, см. фиг. 2 и 5) и с модуля подается сигнал на измерение значений угловых скоростей за цикл работы двигателя с одновременным отключением подачи топлива (или зажигания) и производят измерение значений угловых скоростей за цикл работы двигателя (достаточно два оборота коленчатого вала). По полученным значениям производится расчет мощности механических потерь (формула 6 и 14) и получают два диагностических параметра, полученные от двух этапов диагностики. Если разность диагностических параметров больше нуля, то неисправны системы двигателя, влияющие на эффективные показатели (впускные, выпускные коллектора; форсунки), а если разность равна или меньше нуля, то неисправность возникла из-за роста механических потерь (например, повышенных зазоров трущихся поверхностей или ухудшения смазывающих свойств масла).
Предлагаемый способ основан на следующих теоретических предпосылках.
Энергия, полученная поршнями ДВС от давления газов, передается потребителю не полностью. Часть энергии расходуется в ДВС на обеспечение его работоспособности и приводит к ухудшению эффективных показателей. При работе автомобильного двигателя без нагрузки вся индикаторная работа расходуется внутри двигателя (на трение, приведение в действие вспомогательных механизмов и газообмен). При работе двигателя под нагрузкой величина потерь несколько меняется из-за изменения теплового режима и действия сил газов и др. Для анализа этого явления рассмотрим соотношение вырабатываемой и потребляемой мощностей поршневого ДВС.
i
e
m
В общем случае на установившемся режиме работы двигателя справедливо известное соотношение (формула 1) между индикаторной мощностью N, эффективной мощностью N и мощностью механических потерь N.
При работе двигателя на холостом ходу индикаторная мощность равна мощности механических потерь, так как эффективная мощность на режиме холостого хода равна нулю (формула 2).
Механические потери ДВС оценивают в комплексе техническое состояние узлов трения, работу вспомогательных механизмов двигателя и элементов газообмена (формула 3).
тр
вм
го
где N - потери на трение (потери в подшипниках скольжения коленчатого вала, распределительного вала, трение колец о зеркало цилиндра, трение клапанов о втулки и т.д.); N - потери на привод вспомогательных механизмов (ТНВД, масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора и т.п.); N - потери на газообмен (аэродинамические и термодинамические потери на впуск свежего заряда и удаление отработавших газов).
При работе с нагрузкой топливо, поступающее в двигатель, расходуется на выработку индикаторной мощности, которая расходуется на преодоление механических потерь в двигателе и на передачу эффективной мощности потребителю. На режиме холостого хода вся получаемая от сгорания топлива энергия расходуется на преодоление механических потерь. Поэтому, на холостом ходу, изменение расхода топлива может свидетельствовать о нарушении показателей, характеризующих работу двигателя.
Известна зависимость для индикаторной мощности (формула 4):
H
o
в
T
i
v
h
к
-1
3
3
где Q - теплотворная способность топлива, кДж/кг; n - частота вращения коленчатого вала, мин; l - стехиометрический коэффициент; τ - тактность двигателя; G - часовой расход воздуха, кг/ч; G - часовой расход топлива, кг/ч; η - индикаторный кпд; η - коэффициент наполнения; V - объем цилиндра, м; i - число цилиндров; ρ - плотность поступившего воздуха, кг/м.
Из формулы (4) выразим расход топлива:
Из условия (2) получаем (формула 6):
h
H
o
в
v
к
Для заданных: конструкция ДВС (τ, V, i,), топливо (Q, l, ), режим работы (G, η, ρ и n) - можно принять постоянными (известными по значению), и тогда значение расхода топлива может быть определено по выражению (формула 7):
м
i
Расход топлива при постоянной частоте вращения зависит от изменения механических потерь и индикаторного КПД (формула 7). Поэтому, чтобы узнать, что именно повлияло на изменение расхода топлива N или η, необходимо разделить причины нарушения в работе систем двигателя. Это возможно сделать с помощью использования второго метода определения механических потерь, метода выбега.
Значения углового ускорения коленчатого вала в переходном процессе определяются из уравнения (формула 8) динамического равновесия вращающихся масс системы:
с
где М - крутящий момент на валу двигателя, М - момент сопротивления.
Момент сопротивления двигателя определяется (формула 9):
ст
где М - это статическая составляющая момента сопротивления, определяемая средним значением, которое за оборот коленчатого вала можно принять постоянным (формула 10):
o
o
где A и B - постоянные коэффициенты для данного двигателя;
д
М - это динамическая составляющая момента сопротивления, возникающая из-за непостоянства возвратно-поступательно движущихся масс, значение которой можно принять в виде (формула 11) (фиг. 2, 3, 4):
д
где i - число цилиндров; Ф - угол поворота вала с начала регистрации выбега; ϕ - фазовый сдвиг динамической составляющей; А - амплитудное значение динамической составляющей, которую можно выразить (формула 12) выражением (фиг. 5):
где a, b и с определяются для конкретного ДВС по результатам динамического расчета или предварительных испытаний.
м
Мощность N, равна (формула 13):
И в соответствии с зависимостью 2, для режима холостого хода имеем:
где ω - угловая скорость вращения коленчатого вала.
д
При использовании метода выбега во время работы двигателя, механические потери определяются по интенсивности замедления частоты вращения при отключении подачи топлива. На холостом ходу, момент сопротивления равен моменту механических потерь двигателя, и в процессе работы двигателя на значение падения угловой скорости оказывает влияние неравномерность изменения динамической составляющей момента сопротивления в зависимости от частоты вращения (М), при постоянных механических потерях. После проведения расчетов замечено, что есть определенная частота вращения (для каждого двигателя надо определять свою), на которой наблюдается минимальное значение амплитуды динамической составляющей момента сопротивления и по мере приближения к этой частоте ее амплитуда начинает уменьшаться и устанавливается на определенном значении (фиг. 2).
Для двигателя BMW М30 частота вращения, на которой необходимо проводить диагностику, соответствует значению примерно 2100 оборотов в минуту. При отключении подачи топлива (или зажигания) на частотах больше или меньше требуемой, изменение мгновенного крутящего момента будет не равномерным, что приведет к росту амплитуды динамической составляющей момента и росту погрешности в определении среднего значения частоты вращения (фиг. 5). Поэтому метод выбега целесообразно применять в диапазоне частот вращения, где амплитуда динамической составляющей момента имеет наименьшие значения, что позволит уменьшить ошибку определения среднего значения частоты вращения во время ее падения при выбеге.
От применения двух методов, мы получаем два диагностических параметра, разность которых позволяет судить об источнике неисправности двигателя (механические потери или индикаторные показатели):
1
2
1
2
Д-Д=ΔД, где Д - диагностический показатель, полученный при измерении расхода топлива и расчете механических потерь (формула 6); Д - диагностический показатель, полученный при выбеге и расчете механических потерь (формула 14).
Если ΔД больше нуля, то неисправны системы двигателя, влияющие на эффективные показатели (впускные, выпускные коллектора; форсунки), а если ΔД равна или меньше нуля, то неисправность возникла из-за роста механических потерь (например, повышенных зазоров трущихся поверхностей или ухудшения смазывающих свойств масла).
Разработанный способ диагностики двигателя, проводимый в два этапа, где на первом происходит постоянный контроль расхода топлива, при превышении которого включается второй этап, где производится выбег и расчет диагностических показателей, которые позволяют судить о техническом состоянии двигателя, исключает недостатки известных методов и позволяет проводить диагностику в процессе эксплуатации двигателя.
Метрологическая проработка всех звеньев цепи измерительного процесса, определяющих точность и достоверность способа определения мощности механических потерь, показала, что относительная погрешность способа не превышает 5%.