СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF EVALUATING FOUR-STROKE PISTON ICE SLEEVE ASSEMBLY

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технической диагностике четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ определения технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) ДВС, заключающийся в сравнении разности давлений перед и за калиброванным отверстием в надпоршневом пространстве цилиндра [1]. Недостатком данного способа является невозможность оценивать состояние ЦПГ непрерывно в процессе эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [2], является способ оценки технического состояния ЦПГ поршневого двигателя, при котором измеряют и сравнивают значения температур. Недостатками данного способа являются ограниченность использования (преимущественно для авиационных ДВС), невозможность непрерывного диагностирования состояния ЦПГ в процессе эксплуатации и высокая трудоемкость реализации.
Задачей технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик двигателя за счет непрерывной оценки текущего технического состояния ДВС и диагностирование уплотняющих и теплоотводящих функций первого поршневого кольца на ранних этапах начала формирования необратимых процессов разрушения ЦПГ.
Указанная задача решается за счет того, что в способе оценки технического состояния цилиндропоршневой группы поршневого двигателя внутреннего сгорания, при котором измеряют и сравнивают значения температур, измеряются мгновенные значения температур боковой поверхности цилиндра между первым и вторым поршневыми кольцами в момент нахождения поршня в области верхней мертвой точки (ВМТ), в начале такта впуска и в начале такта расширения, оба измерения производят одним и тем же датчиком, по измеренным значениям вычисляют разницу температур (Δt), которую непрерывно контролируют в процессе работы двигателя и при превышении Δt порогового значения сигнализируют и/или прерывают работу двигателя.
Приведенные выше признаки являются существенными и в своей совокупности позволяют решить поставленную задачу.
Введение измерений мгновенных значений температур в момент нахождения поршня в области ВМТ обусловлено следующим:
1) за счет задержки поступательного движения поршня в момент перехода ВМТ обеспечивается необходимое количество времени для включения датчика, проведения мгновенного измерения температуры (обусловленного постоянной времени) и его отключение;
2) датчик измерения максимально приближен к камере сгорания и в то же время закрыт от нее верхним поршневым кольцом в момент измерения, что исключает влияние температурных циклических процессов в камере сгорания на показания датчика.
Введение измерений мгновенных значений температур боковой поверхности цилиндра между первым и вторым поршневыми кольцами обусловлено следующими факторами:
1) поверхность наиболее приближена к камере сгорания и одновременно закрыта от нее верхним поршневым кольцом в момент измерения;
2) обеспечивается достаточное количество места для размещения и установки датчиков различного типа, как плоских, так и цилиндрических [8, стр.258];
3) уровень температуры масла под поршневым кольцом определяется температурой рабочих поверхностей кольца и гильзы цилиндра вследствие теплообмена через тонкую масляную пленку [6, стр.93], что обеспечивает измерение именно рабочей поверхности цилиндра;
4) известно, что величина пульсаций температур в камере сгорания от цикла к циклу может составлять более десяти градусов. Так, например, изменение температуры поверхности от цикла к циклу в камере сгорания дизеля 8ЧН12/12 составляет приблизительно двенадцать градусов [9, стр.335].
Измерение мгновенных значений температур в начале такта впуска и в начале такта расширения введено для контроля разницы (Δt) между этими значениями в процессе работы двигателя, так как при исправных поршневых кольцах (верхних), обеспечивающих нормальное динамическое уплотнение, влияние циклических пульсаций температуры на стенках камеры сгорания не распространяется на стенки цилиндров и Δt стремится к минимальному значению. Использование для измерения температур одного и того же датчика уменьшает погрешности, упрощает реализацию способа.
Введение процессов вычисления и контроля разницы температур Δt, которая колеблется от долей градуса до нескольких градусов [3, стр.445], в зависимости от типа двигателя, обеспечивает непрерывное диагностирование состояния ЦПГ ДВС в процессе эксплуатации.
Введение сигнализации неисправности и/или прерывания работы ДВС при превышении Δt порогового значения, позволяет на ранних этапах начала формирования необратимых процессов разрушения ЦПГ установить возникшую неисправность и предотвратить поломку двигателя.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что при работающем двигателе постоянно измеряются амплитуды мгновенных значений температур боковой поверхности цилиндра между первым и вторым поршневыми кольцами при нахождении поршня в области ВМТ в начале такта впуска и в начале такта расширения (рабочий ход). Полученные значения Δt постоянно сравниваются и контролируются. Измерения осуществляются безынерционным датчиком и производятся в те моменты времени, когда датчик отгорожен от камеры сгорания верхним поршневым кольцом.
Основными дефектами в работе колец являются пригорание (потеря подвижности), пропуски газов и масла, потеря упругости и повышенный износ [4, стр.233]. Такие дефекты, как «залегание» колец в канавке поршня, которое может произойти при перегреве двигателя, так и поломка колец должны немедленно устраняться [5, стр.187].
Известно [6, стр.10], что первое компрессионное кольцо находится в более жестких условиях, чем остальные, поэтому для него более вероятны поломки, «залегания», «провисы» колец и т.п., т.е. появление неисправностей, приводящих к прорыву высокотемпературных газов из камеры сгорания в заколечные объемы в начале каждого такта рабочего хода. Постоянно вычисляемая и контролируемая разница температур Δt в случае прорыва газов (на такте расширения) неизбежно оказывается выше порогового значения из-за утраты уплотняющей функции поршневого кольца. Далее подается сигнал о неисправности и/или производится останов двигателя.
Технический результат - снижение трудоемкости способа оценки технического состояния ЦПГ двигателя, повышение надежности и достоверности диагностирования, предупреждение неисправности работы ЦПГ двигателя.
Таким образом, приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает появление такого технического результата, который обеспечивает решение задачи изобретения, и в то же время является актуальным для всех поршневых ДВС.
Анализ уровня техники показывает, что неизвестен способ оценки технического состояния ЦПГ четырехтактного поршневого ДВС, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения, что свидетельствует о его неизвестности и, следовательно, новизне.
Что касается признаков, отличающих предложенный объект от ближайших аналогов, то они в них не обнаружены, что позволяет сделать заключение о соответствии предложенного решения изобретательскому уровню.
На фиг.1 схематично показано осуществление предлагаемого способа. Изображен поперечный разрез ЦПГ поршневого двигателя в момент нахождения поршня в области ВМТ.
На фиг.2 представлена блок-схема одного из возможных вариантов реализации предлагаемого способа.
Каждый цилиндр 1 поршневого двигателя 2, включающего поршень 3, компрессионные кольца: первое поршневое кольцо 4, второе поршневое кольцо 5 и маслосъемное кольцо 6, снабжен датчиком (или несколькими датчиками) температуры 7. Датчики установлены в зоне между первым 4 и вторым 5 поршневыми кольцами, в момент нахождения поршня 3 в области ВМТ. Количество и тип датчиков в каждом цилиндре определяется разработчиком в зависимости от стоимости, габаритов, скоростных и т.п. параметров двигателя. В качестве датчиков 7 регистрации температурных значений может быть использован, например, микротерморезистор MT-67-S [7] или термометр сопротивления с постоянной времени Т менее 0,1 мкс [8, стр.260].
Способ реализуется следующим образом. Разнообразность номенклатуры поршневых ДВС: дизельные, бензиновые, малогабаритные, крупногабаритные, например судовые и т.д., а также возможности конструктивных разновидностей даже однотипных двигателей, не позволяет подойти к определению порогового значения, критичного для вычисляемой разницы температур Δt, объективного для всех видов двигателей. Например, только варьируя диаметр первой перемычки, можно для двигателя Ч13/14 уменьшить температуру в районе первого поршневого кольца на 10-15% [6, стр.10], а при охлаждении поршня маслом составляющая теплового баланса поршня существенно меняются, большая доля отведенной теплоты приходится на охлаждающее масло [6, стр.9]. Исходя из вышеизложенного, перед началом эксплуатации каждый двигатель подвергается калибровке на различных режимах, при этом измеряемая разница температур Δt и устанавливаемая эксплуатационщиками пороговая температура заносится в память электронного блока управления двигателя и непрерывно сравнивается.
Поршневой двигатель 2 снабжен датчиком-отметчиком ВМТ 8, датчиком-отметчиком начала такта впуска 9 и датчиком-отметчиком начала рабочего хода 10. Преобразователь-вычислитель температуры 11 через устройство сравнения 12 связан с электронным блоком управления 13 ДВС. Во время эксплуатации при каждом запуске поршневого двигателя 2 поршень 3 начинает совершать возвратно-поступательное движение. Компрессионные кольца 4 и 5, плотно прилегая к стенкам цилиндра 1, обеспечивают необходимое для нормальной работы ДВС давление в камере сгорания. Маслосъемное кольцо 6 обеспечивает режим смазки стенки цилиндра. Автоматически, при каждом запуске, включается схема управления и контроля. Датчик-отметчик ВМТ 8 управляет последовательностью подключения датчика-отметчика 9 начала впуска и датчика-отметчика 10 начала такта расширения (рабочего хода), которые, в свою очередь, управляют включением датчика (или нескольких датчиков) температуры 7.
Длительность времени, в течение которого датчик температуры 7 находится во включенном состоянии, определяется параметрами ДВС, временными характеристиками конкретно применяемого датчика температуры и устанавливается во время калибровки. Сигнал с преобразователя-вычислителя 11 разницы температур (Δt) постоянно подается на устройство сравнения 12. При превышении порогового значения Δt, заложенного в устройстве сравнения 12, мгновенно подается сигнал в устройство управления двигателем 13, производится автоматическая остановка двигателя и выдается сигнал о неисправности в ЦПГ.
Следует отметить, что наиболее оперативным и точным будет такой алгоритм подключения датчика температуры 7, который будет срабатывать сначала вначале такта впуска, а затем вначале такта расширения при каждом цикле работы поршневого двигателя 2, но возможна и любая другая комбинация подключения, например через один цикл, через два цикла и т.д.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает повышение надежности технического диагностирования ЦПГ и предупреждение неисправности работы четырехтактного ДВС.
Источники информации
1) Заявка RU 2004105091/06, кл. G01M 1/00, 20.02.2004.
2) Заявка RU 2008130422/06, кл. G01M 15/04, кл. G01M 15/02, 24.07.2008.
3) Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. Учебное пособие для вузов. - М.: изд-во МГТУ им.Баумана, 2001. - 592 с.
4) Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов / Н.Х.Дьяченко, Б.А.Харитонов, В.М.Петров и др.; Под ред. Н.Х.Дьяченко. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1973. - 392 с.
5) Молдаванов В.П. и др. Производство поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1980. - 199 с.
6) Трение и теплопередача в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания: справочное пособие. Петриченко P.M., Петриченко М.Р., Канищев А.Б. Под ред. P.M.Петриченко. Л.: издательство Ленинградского университета, 1990. - 248 с.
7) URL: http://thermistor.narod.ru/catalogue/infocatalogue/MT-67.html.
8) Костин А.К. и др. «Работа дизелей в условиях эксплуатации». Под общ. ред. А.К.Костина. - Л.: Машиностроение, 1989. - 284 с.
9) Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. Учебное пособие для вузов. 2 изд., испр. и доп. М.: изд-во МГТУ им.Баумана, 2007. - 472 с.