СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАБОЧЕГО МОТОРЕСУРСА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО, ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОГО, ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО И ДРУГИХ МЕХАНИЗМОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ЭНЕРГИИ ШУМОВ В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ ЦИЛИНДРА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MEASURING WORKING TIME OF CRANK GEAR, SLEEVE, DISTRIBUTING AND OTHER MECHANISMS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES AT ENERGY OF NOISE IN WORKING VOLUME OF CYLINDER (VERSIONS)

Изобретение относится к области технической диагностики, в частности к измерительной технике, основанной на измерении действующей механической энергии шумов в рабочих объемах цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) во время прокручивания коленчатого вала для совершения полных циклов технологии преобразования химической энергии рабочего тела в механическую энергию.
poц
м
Рабочий моторесурс в настоящем описании заявляемого изобретения рассматривается как измеряемая величина степени износа кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по уровню значимости энергии шумов в рабочих объемах цилиндров (РОЦ) W, обозначенный символом (Р), отражающим степень износа технического устройства на момент времени диагностики, что является показателем надежности устройств.
n
роц
Количественные показатели надежности устройств зависят от набора показателей, для восстанавливаемых изделий вероятность появления n отказов за время t и в случае простейшего потока отказов определяется законом Пуассона, из которого следует, что вероятность отсутствия отказов за время t равна V(t)=ехр (-λt), где λ - параметр отказа за время t, аналогично энергия шумов в рабочих объемах цилиндров ДВС W(t)=ехр (-λt), где λ - параметры износа деталей по каждому из девяти составляющих физических свойств шумов (см. патент на изобретение РФ №2545253) за время t, отражается графиком экспоненциального закона надежности Пуассона.
м
к
аи
аи
В силу обстоятельства коренного отличия конструкции газораспределительного механизма двухтактных ДВС от четырехтактных в двухтактных ДВС Р можно измерять по энергии вибрации поверхности головки цилиндра ДВС, т.к. энергия импульса компрессии W=КW, где W - энергия акустического импульса; К - коэффициент пропорциональности между значениями величин энергий.
Известен способ диагностирования цилиндропоршневой группы ДВС, при осуществлении которого прокручивают коленчатый вал, изолируя надпоршневое пространство от атмосферы на такте сжатия, а на такте расширения измеряют новое разряжение в надпоршневом пространстве, причем техническое состояние определяют по отношению измеренных разряжений. (См. авторское свидетельство СССР №1467423, заявлено 15.06.1987 г., опубликовано 23.03.1989 г. )
Недостатком известного способа является то, что диагностика производится только цилиндропоршневой группы механизма ДВС, которая является одной из трех механизмов, участвующих в технологии преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию вращения коленчатого вала, без учета газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов, что приводит к возникновению ошибки прогнозирования моторесурса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра и выбранным в качестве наиболее близкого аналога является способ, в котором производится оценка износа деталей цилиндропоршневого, кривошипно-шатунного, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов (См. патент на изобретение РФ №2545253 по классу МПК-7: G01M 15/05, G01M 15/00, заявленное 30. 07.2013 г., опубликованное 27.03.2015 г. «Способ диагностики по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра газораспределительного, цилиндропоршневого, кривошипно-шатунного и других механизмов двигателей внутреннего сгорания (варианты)»).
Недостатком известного способа является разделение измеряемой величины рабочего моторесурса ДВС на составляющие рабочих моторесурсов; газораспределительного, цилиндропоршневого, кривошипно-шатунного и других механизмов ДВС, затруднена оценка общего рабочего моторесурса ДВС как целого неделимого механизма.
м
ш
м
В предлагаемом способе измерение Р, оценка степени износа деталей механизмов двухтактного и четырехтактного ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра (РОЦ), измеряемой датчиком шумов (ДШ), применяемым в известном способе (см. патент на изобретение РФ №2545253), отличаются от известного способа тем, что в качестве измерительного устройства выбирают датчик шумов, преобразующий шум, возникающий при взаимодействии деталей между собой во время сканирования шумов, последовательного возбуждения источников шума при прокручивании коленчатого вала ДВС, в электрическую энергию W, измеряемую ваттметром, которая соответствует величине степени износа деталей механизмов на момент измерения Р.
Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение достоверности диагностических данных и упрощение оценки рабочего моторесурса ДВС как целого неделимого механизма.
м
роц
Техническим результатом, позволяющим решить эту задачу для двухтактного и четырехтактного ДВС, является то, что измерение Р по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра W производят во время сканирования шумов прокручиванием коленчатого вала для преобразования датчиком шума механической энергии шумов в электрическую энергию, которую измеряют ваттметром.
Для двухтактного ДВС техническим результатом, позволяющим решить эту задачу, является то, что измерение Рм по энергии шумов в РОЦ производят во время сканирования шумов прокручиванием коленчатого вала для преобразования датчиком вибрации ДШв механической энергии вибрации в точке головки цилиндров в электрическую энергию, измеряемую ваттметром.
poц
м
м
poц
Поставленная задача для двухтактных и четырехтактных ДВС достигается тем, что в способе измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра (РОЦ), заключающемся в измерении измерительным устройством действующих механических сил в РОЦ, обусловленных перемещением воздуха при прокручивании коленчатого вала ДВС, согласно изобретению в качестве измерительного устройства выбирают датчик шумов (ДШ), преобразующий шум, возникающий при взаимодействии деталей во время прокручивания коленчатого вала, в электрическую энергию (W), измеряемую ваттметром, которая соответствует величине степени износа деталей механизмов на момент измерения рабочего моторесурса, обозначенного знаком Р, размещают ДШ герметично в любое отверстие прямого доступа в полость РОЦ четырехтактного или двухтактного ДВС и, в пусковом режиме, при отключенных системах подачи топлива и зажигания, в течение 1-2 секунд осуществляют измерение величины Р в каждом РОЦ ДВС, результат измерения выражают математической формой алгебраической суммы W:
в
м
в
Поставленная задача для двухтактных ДВС достигается тем, что в способе измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в РОЦ, заключающемся в измерении измерительным устройством действующих механических сил в рабочем объеме цилиндра, обусловленных перемещением воздуха при прокручивании коленчатого вала ДВС, согласно изобретению в качестве измерительного устройства выбирают датчик шумов вибрации (ДШв), преобразующий энергию вибрации W в точке поверхности головки цилиндра в электрическую энергию, размещают ДШв в любой точке головки цилиндра РОЦ двухтактного ДВС и, в пусковом режиме, при отключенных системах подачи топлива и зажигания, в течение 1-2 секунд осуществляют измерение величины Р в каждом РОЦ ДВС, результат измерения выражают математической формой алгебраической суммы W:
d
м
n
d
d
n
d
Для решения поставленной задачи принимается известная величина W, которая соответствует назначенной заводом изготовителем величине Р РОЦ, нового или после капитального ремонта ДВС, нахождение значения уровня энергии импульса шумов W является технической задачей описываемого способа, функциональная возможность определения допустимого времени перехода T из допустимого W состояния в недопустимое W состояние, иначе допустимого периода при эксплуатации ДВС Т, является главной задачей исследования.
м
poц
poц
poц
d
n
d,
За счет того что для двухтактного и четырехтактного двигателя в способе измерения Р ДВС по энергии шумов в РОЦ в качестве измерительного устройства выбирают ДШ, преобразующий во время сканирования шумов механическое воздействие шумов в электрическую энергию W во время прокручивания коленчатого вала, производится измерение ваттметром электрической энергии W для построения графика зависимости Wот (t) с целью определения перехода рабочего состояния из W в состояние W и назначения T за счет чего расширяются функциональные возможности и повышается надежность безотказной работы устройства с ДВС, таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет расширить функциональные возможности и повысить достоверность диагностических данных.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемый способ измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».
роц
d
n
d
Предлагаемый способ может найти широкое применение в области измерительной техники, основанной на измерении электрической энергии импульса полного цикла спектра шумов для оценки степени износа деталей механизмов по измерению энергии W во времени эксплуатации t от W до W, с целью определения допустимого эксплуатационного периода Т, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «промышленная применимость».
Автор проводит исследование, используя логику математического понятия значимости уровней статистического критерия, вероятности ошибочно отвергнуть основную проверяемую гипотезу, когда она верна и подчинена всем законам классической механики, которые утверждают, что при заданных начальных условиях и силах, действующих на тело или систему тел, движение будет происходить однозначно определенным образом, характеризуемым стационарным характером, использование известного в теории статистической проверки гипотез значимости уровня, называемого вероятностью ошибки первого рода.
роц
n
d
В настоящем исследовании принималось снижение КПД преобразования энергий W до уровня значимости W≤30% W, сканирование шумов в РОЦ производилось по технологии известного способа (см. патент на изобретение РФ №2545253) диагностики ДВС, механизмом, предоставленным заводом изготовителем для запуска ДВС в работу.
роц
d
d
n
poц
d
Решение поставленной задачи строится на измерении уровней значимости W множества двухтактных и четырехтактных РОЦ различных классов и моделей ДВС, выработавших допустимые периоды T и по накопленным статистическим данным измерений уровней W и W, позволяет произвести построение графиков зависимости W от времени t для определения и назначения допустимого периода Т для эксплуатации ДВС.
роц
пц
роц
Исследование проводилось с использованием измерительных устройств известного способа (см. патент на изобретение РФ №2545253) диагностики компьютера с звуковой картой и программного продукта, Sound Forge с использованием функции спектрального анализа электрической энергии импульса полного цикла технологии и предлагаемого способа с использованием ваттметра, для наглядного сравнения значимости уровней электрической энергии импульса W полного цикла Т и накопления статистических данных в построении графиков зависимости W от (t).
м
Сущность предлагаемого способа измерения Р кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра поясняется чертежами для двухтактных и четырехтактных двигателей, где представлены:
роц
На Фиг. 1 - функциональная измерительная схема для построения характеристик зависимости W от (t) - времени эксплуатации в двухтактных и четырехтактных РОЦ ДВС.
м
На Фиг. 2 - функциональная схема измерения Р по энергии шумов, проходящих в РОЦ ДВС.
На Фиг. 3 - экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 2, нового или после капитального ремонта четырехтактного ДВС.
На Фиг. 4 - экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 2, бывшего в эксплуатации четырехтактного ДВС.
роц
На Фиг. 5 - экспоненциальный график статистических усредненных данных зависимости W от времени эксплуатации t четырехтактного РОЦ.
На Фиг. 6 - экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 2, нового или после капитального ремонта двухтактного ДВС.
На Фиг. 7 - экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 2, бывшего в эксплуатации двухтактного ДВС.
роц
На Фиг. 8 - экспоненциальный график статистических усредненных данных зависимости W от времени эксплуатации t двухтактного РОЦ.
м
На Фиг. 9 - функциональная схема измерения Р исследуемого двухтактного и четырехтактного устройства ДВС.
На Фиг. 10 - эскиз конструкции приспособления.
м
На Фиг. 11 - функциональная схема измерения Р двухтактного N цилиндрового ДВС по энергии вибрации наружной поверхности головок цилиндров.
На Фиг. 12 - экран сканированных шумов вибрации поверхности головки цилиндра, рядом с местом установки свечи зажигания, по функциональной схеме Фиг. 11, нового или после капитального ремонта одноцилиндрового двухтактного ДВС.
На Фиг. 13 - экран сканированных шумов вибрации поверхности головки цилиндра, рядом с местом установки свечи зажигания, по функциональной схеме Фиг. 11, бывшего в употреблении одноцилиндрового двухтактного ДВС.
в
На Фиг. 14 - график статистических усредненных данных зависимости энергии вибрации в точке головки цилиндра W от времени эксплуатации t двухтактного РОЦ.
Способ измерения рабочего моторесурса кривошипно-шатунного, цилиндропоршневого, газораспределительного и других механизмов ДВС по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра осуществляется при помощи устройства, представленного на чертежах.
м
На фиг.1 показана функциональная схема исследования в Р, на которой обозначены позиции: корпус 1 ДВС, полость 2 РОЦ, место 3 установки ДШ, ДШ 4, кабель 5 соединения ДШ с измерительными устройствами, переключатель 6, ваттметр 7, экран компьютера 8, звуковая карта 9.
м
На фиг.2 показана функциональная схема измерения Р по энергии шумов, проходящих в РОЦ ДВС, на которой обозначены позиции: ДШ 4, ваттметр 7.
пц
пц
На фиг.3 показано изображения экрана сканированных шумов в РОЦ по схеме Фиг. 1, нового или после капитального ремонта четырехтактного ДВС, состоящего из двух окон, в левом окне экрана представлен спектральный анализ энергии шумов полного цикла Т преобразования электрической энергии в диапазоне частот (0-22000)Гц, величина уровней значимости электрической энергии в площади окна оценивается в цветном отображении: максимальное значение - красный цвет, минимальное значение - черный цвет, в черно-белом отображении градацией плотности черного цвета, от черного - максимальное значение до белого - минимальное значение электрической энергии участка плоскости окна, уровень значимости напряженного красного или черного цвета расположен в диапазоне частот (0÷967) Гц, в периоде времени Т, измеренное значение энергии шумов по схеме Фиг. 2 составляет 20 МВт.
На фиг.4 показан экран сканированных шумов в РОЦ по схеме фиг.2, бывшего в эксплуатации четырехтактного ДВС, наблюдается увеличение площади в цветном изображении красного цвета, в черно-белом изображении плотности черного цвета, измеренное значение энергии шумов по схеме фиг.2 составляет 80 МВт.
роц
d
n
d
На фиг.5 показан экспоненциальный график статистических усредненных данных зависимости W от времени эксплуатации t четырехтактного РОЦ, на котором обозначены позиции: W - электрическая энергия импульса полного цикла шумов, допустимая для эксплуатации РОЦ в ДВС, точка n на графике соответствует назначенной энергии W, недопустимой для эксплуатации РОЦ в ДВС, Т - период допустимой эксплуатации механизма РОЦ в ДВС.
На фиг.6 показан экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 1, нового или после капитального ремонта двухтактного ДВС, измеренное значение энергии шумов по схеме Фиг. 1 составляет 80 МВт.
На Фиг. 7 показан экран сканированных шумов в РОЦ, по схеме Фиг. 1, бывшего в эксплуатации двухтактного ДВС, измеренное значение энергии шумов по схеме Фиг. 1 составляет 20 МВт.
poц
d
d
i
i
d
На Фиг. 8 показан экспоненциальный график статистических усредненных данных зависимости W от времени эксплуатации t двухтактного РОЦ, на котором обозначены позиции: W - допустимая энергия для эксплуатации РОЦ в ДВС, точка n соответствует назначенной энергии, недопустимой для эксплуатации РОЦ в ДВС, точка m - состояние, когда W=W, где W - энергия шумов только от источников износа деталей механизмов РОЦ и других механизмов ДВС, T - период допустимой эксплуатации механизма РОЦ в ДВС.
м
На Фиг. 9 показана функциональная схема измерения Р исследуемого двухтактного и четырехтактного устройства ДВС, на которой обозначены позиции: корпус 1 ДВС, полость 2 РОЦ, место 3 с установленным ДШ 4, кабель 5, ваттметр 7.
м
роц
Рабочий моторесурс Р исследуемого устройства ДВС можно выразить математической формой алгебраической суммы значимости W:
На Фиг. 10 показан эскиз конструкции приспособления для ДШ, используемого при измерении энергии шумов вибрации, сокращенно (ДШв), на котором обозначены позиции: корпус 10 ДШв 11, игла 12 для контакта в точке наружной поверхности головки 10 цилиндров, место 13 установки ДШ.
в
Механическая энергия вибрации тела конструкции РОЦ пропорциональна действующим силам собственных, общих и внешних шумов, проходящих в полость РОЦ, порождающих энергию вибрации (W), характеризующую суммарный уровень степени износа деталей механизмов ДВС и других механизмов устройства; измерение величины энергии вибрации поверхности головки цилиндра двухтактного ДВС производится по схеме, представленной на Фиг. 2; измерение производится в любой точке поверхности конструкции РОЦ, например рядом с местом установки свечи зажигания; сканирование шумов производится по технологии известного способа (см. патент на изобретение РФ №2545253) диагностики ДВС механизмом, предоставленным заводом изготовителем для запуска двигателя внутреннего сгорания в работу.
м
На Фиг. 11 показана функциональная схема измерения Р двухтактного N цилиндрового ДВС по энергии вибрации наружной поверхности головок цилиндров, на которой обозначены позиции: корпус 1 ДВС, полость 2 РОЦ, место 3 установки ДШ, головка 10 цилиндров, ДШв 11, кабель 5, ваттметр 7.
На Фиг. 12 показан экран сканированных шумов вибрации поверхности головки цилиндра, рядом с местом установки свечи зажигания, по функциональной схеме Фиг. 11, нового или после капитального ремонта одноцилиндрового двухтактного ДВС. измеренное значение энергии шумов по схеме Фиг. 2 составляет 2 МВт.
На Фиг. 13 показан экран сканированных шумов вибрации поверхности головки цилиндра, рядом с местом установки свечи зажигания, по функциональной схеме Фиг. 11, бывшего в употреблении одноцилиндрового двухтактного ДВС, на экране спектрального анализа наблюдается увеличение площади напряженного цвета, измеренное значение энергии шумов по структурной схеме Фиг. 2 составляет 8 МВт.
в
d
n
d
в
d
n
а
а
пц
На Фиг. 14 показан график статистических усредненных данных зависимости энергии вибрации в точке головки цилиндра W от времени эксплуатации t двухтактного РОЦ, на котором обозначены; W - допустимая энергия вибрации, W- недопустимая энергия вибрации, T - допустимый период эксплуатации РОЦ в ДВС, величина экспериментальных уровней энергии вибрации поверхности головки РОЦ W (t) представляет экспоненциально возрастающий энергетический уровень шумов от минимального значения W до максимального значения W, в точке n соответствующего периоду допустимой эксплуатации Т механизма РОЦ, поскольку периоды акустических импульсов Т=Т.
ик
aи
ик
Рассмотрим свойства происхождения шумов энергетических уровней W и W: W - энергия импульса компрессии, процесс степени сжатия воздуха, сопровождаемый нагревом массы сжимаемого воздуха, увеличением ее объема и давления в полости РОЦ.
aи
W - начальный процесс открытия выпускного окна, выход нагретого воздуха через щель, сопровождаемый вихревым потоком струи воздуха, создающей происхождение энергии акустического звукового колебания.
aи
ив
Воздействие звукового давления импульса Wна стенки внутренней поверхности РОЦ возбуждает вибрацию внутренней поверхности РОЦ, распространяющуюся по телу конструкции РОЦ, и проявляется на ее поверхности энергетическим уровнем импульса вибрации W в точках поверхности конструкции РОЦ.
ик
aи
aи
ик
м
Исходя из вышеуказанных свойств происхождения уровней W и W, существует их прямо пропорциональная зависимость W=КW, из чего можно сделать заключение, что для двухтактных ДВС величину Р можно измерять по энергетическому уровню значимости вибрации наружной поверхности головки цилиндра, т.к. в этом свойстве физического параметра в диапазоне частот (0÷22) кГц имеют прохождение все девять основных составляющих физических свойств энергии шумов, разделенных в способе диагностики по энергии шумов в РОЦ газораспределительных, цилиндропоршневых, кривошипно-шатунных механизмов в ДВС на собственные, общие и внешние шумы, следовательно, энергия импульса полного цикла составляет конгломерат энергий шумов, воздействующих на внутреннюю поверхность РОЦ, соответствующий степени износа деталей механизма РОЦ и других механизмов в ДВС.
м
в
Рабочий моторесурс Р исследуемого устройства ДВС можно выразить математической формой алгебраической суммы значимости W:
м
poц
м
Проведенные исследования и экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что совокупность существенных признаков, указанных в двух независимых пунктах формулы, обеспечивает решение поставленной технической задачи: расширение функциональных возможностей, повышение достоверности диагностических данных и упрощение оценки рабочего моторесурса ДВС как целого неделимого механизма, а также обеспечивает достижение технического результата, позволяющего решить эту задачу, который для двухтактного и четырехтактного ДВС состоит в том, что измерение Р по энергии шумов в рабочем объеме цилиндра W производят во время сканирования шумов прокручиванием коленчатого вала для преобразования датчиком шума ДШ механической энергии шумов в электрическую энергию, которую измеряют ваттметром, для двухтактного ДВС техническим результатом, позволяющим решить эту задачу является то, что измерение Р по энергии шумов в РОЦ производят во время сканирования шумов прокручиванием коленчатого вала для преобразования датчиком вибрации ДШв механической энергии вибрации в точке головки цилиндров в электрическую энергию, измеряемую ваттметром.