Методика определения эффективной работы ДВС

© А.Л. Манаков1, А.С. Алехин2, Е.А. Ижбулдин3

Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191.

Рассмотрено решение проблемы безразборной диагностики многоцилиндрового поршневого ДВС, а также цилиндра, работающего неэффективно. Задачей исследования является разработка методики диагностики неисправности путем записи и анализа мгновенных значений углового ускорения коленчатого вала. Разработан диагностический комплекс, позволяющий на основе полученной с датчиков информации и ее цифровой обработки дать заключение о неэффективности работы цилиндра и необходимости дальнейшего углубленного диагностирования.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; диагностирование; цилиндр ДВС; угловое ускорение коленчатого вала.

METHODS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE EFFECTIVE OPERATION DETERMINATION A.L. Manakov, A.A. Alekhin, E.A. Izhbuldin

Siberian State Transport University,

191 Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia.

The article considers the solution of the problem of in-place diagnosis of a multi-cylinder piston internal combustion engine and an inefficient cylinder. The objective of the study is to develop a methodology to diagnose the problem by recording and analyzing the instantaneous values of crankshaft angular acceleration. A diagnostic system has been developed which allows to give an opinion about the inefficient operation of a cylinder and the need for further in-depth diagnosis on the basis of the information obtained from the sensors and its digital processing.

Keywords: internal combustion engine; diagnosis; cylinder of an internal combustion engine; angular acceleration of a crankshaft.

Транспорт

УДК 62-192

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ ДВС

Известно, что в процессе эксплуатации поршневого многоцилиндрового двигателя возникают различные неисправности. Существуют неисправности, вызывающие отказ либо неэффективность работы одного из цилиндров, что, в свою очередь, влияет на выходные характеристики двигателя.

Зачастую даже субъективными средствами диагностирования удается определить, что имеет место явный отказ одного из цилиндров, а затруднение вызывает определение какой именно.

Объективными показателями для оценки технического состояния поршневого многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания являются мощность, выходной

крутящий момент, количество потребляемого топлива, показатели токсичности выхлопных газов (СО, СН, твердые частицы).

В условиях эксплуатации отсутствует возможность измерять крутящий момент реального двигателя прямыми методами. Многие общепринятые методики позволяют определить неисправность двигателя, но при этом затрачивается большое количество времени и средств. Нецелесообразно производить оценку технического состояния при проведении ежедневного технического обслуживания автомобиля, например, путем оценки компрессии (путем сравнения измеренного значения с нормативными данными), несмотря на то, что этот параметр является наиболее информативным

1

Манаков Алексей Леонидович, доктор технических наук, доцент, ректор ФГОУ ВПО СГУПС, тел.: 79134800071, e-mail: manakov005@mail.ru

Manakov Aleksey, Doctor of technical sciences, Associate Professor, Rector of the Siberian State Transport University, tel.: 79134800071, e-mail: manakov005@mail.ru

2Алехин Алексей Сергеевич, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатации машин», тел.: 79529082671, e-mail: twoas@ngs.ru

Alekhin Aleksey, Lecturer of the Department of Technology of Transport Engineering and Machine Operation, tel.: 79529082671, e-mail: twoas@ngs.ru

3Ижбулдин Евгений Александрович, аспирант, тел.: 79137499394, e-mail: izhbuldin@ngs.ru Izhbuldin Evgeny, Postgraduate, tel.: 79137499394, e-mail: izhbuldin@ngs.ru

Транспорт

для оценки «механического» состояния ци-линдропоршневой группы (ЦПГ) (комплексный параметр, описывающий состояние всех элементов, входящих в состав ЦПГ). В то же время оценка значения давления в конце такта впуска производится в режиме прокрутки двигателя стартером, соответственно, измеренное значение может зависеть, кроме всего прочего, и от состояния бортовой электросети и аккумулятора, что, в свою очередь, может внести большую погрешность [1].

Еще одной составляющей правильной работы цилиндра многоцилиндрового поршневого ДВС являются характеристики производительности топливоподающей аппаратуры. Проведение диагностирования данной системы является задачей еще более трудоемкой, так как требует демонтажа и специализированного и дорогостоящего оборудования. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что существует необходимость разработки устройства, которое способно идентифицировать неисправный цилиндр двигателя без больших материальных и трудовых затрат. Дальнейшее выявление конкретной неисправности производится общепринятыми методами.

Известны методики диагностирования состояния двигателя внутреннего сгорания и отдельных его элементов по параметрам угловой скорости и углового ускорения коленчатого вала. Отличие описываемой методики заключается в возможности нахождения с помощью анализа интегрального показателя, записываемого на холостом ходу (без разгона и выбега коленчатого вала) вышедшего из строя цилиндра [2].

Одним из определяющих показателей эффективной работы ДВС является полезная работа цилиндра, зависящая от давления в конце такта сжатия и характеристик топливно-воздушной смеси. Определение полезной работы цилиндра на реальном работающем двигателе затруднено. Существуют методы прямого и косвенного индицирования, позволяющие получать индикаторную диаграмму испытуемого

ДВС, но эти методы пригодны для проверки двигателей на специально подготовленных стендах и не применимы в условиях реальной эксплуатации. Предложенная методика позволяет косвенно оценить крутящий момент каждого цилиндра ДВС по значению углового ускорения. Можно представить крутящий момент в виде функции:

Мкр=№5/яДД,0,

где Рг - давление газов в конце такта сжатия, - ход поршня и диаметр цилиндра; X - коэффициент избытка воздуха; Т - количество рабочих тактов; I - количество цилиндров.

Угловое ускорение является показателем эффективоной работы цилиндра, то есть характеристикой крутящего момента, а следовательно, разницей положительной и отрицательной работы в цикле. Соответственно, в случае, если один из цилиндров двигателя не совершил полезную работу, угловое ускорение коленчатого вала во время такта расширения будет либо отрицательным, либо близким к нулю.

В соответствии с целями и задачами исследования разработан комплекс для диагностирования состояния двигателя внутреннего сгорания по интегральным показателям. В его состав входят:

- инкрементальный энкодер-датчик угловых перемещений;

- оптический датчик, дающий информацию о прохождении верхней мертвой точки;

- коммутационное оборудование;

- аналогово-цифровой преобразователь;

- высокопроизводительный персональный компьютер (ноутбук);

- программное обеспечение для записи характеристик и их анализа.

Данный аппаратно-программный комплекс позволяет сделать запись мгновенных значений углового ускорения коленчатого вала исследуемого двигателя с точностью до одного градуса поворота, имеет привязку полученных значений углового ускорения к верхней мертвой точке

одного из цилиндров (как правило, первого), что, в свою очередь, позволяет идентифицировать вышедший из строя цилиндр в соответствии с порядком работы, обладает высокой мобильностью, возможностью оперативной установки на большинство двигателей.

На основе методики диагностики двигателя внутреннего сгорания, ранее разработанной на кафедре ТтМиЭМ СГУПС [3], предлагается устройство для выявления несправного, то есть неэффективно работающего, цилиндра многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

Суть методики детектирования неисправного цилиндра заключается в анализе мгновенных значений углового ускорения коленчатого вала исследуемого двигателя в процессе работы на холостом ходу.

Методика диагностирования включает в себя следующие этапы:

- установка и подключение диагностического оборудования;

- установка энкодера через кронштейн на хвостовик коленчатого вала; установка пьезоэлектрического датчика на топливопровод высокого давления первого цилиндра (для дизелей), установка индуктивного датчика на высоковольтный провод первого цилиндра (для бензиновых двигателей с попарно-параллельным искрообра-зованием) либо оптического датчика на шкив газораспределительного механизма или генератора через кронштейн; подключение проводов датчиков к распределительной коробке; соединение распределительной коробки с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), АЦП с ноутбуком; подключение питания приборов;

Рис. 1. Блок-схема методики диагностирования

I ИЩИ I

Транспорт

Опорные точки <> Точки смещения

00 0 1 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0

время, с

Рис. 2. График зависимости углового ускорения от времени исправного двигателя ВАЗ-2111 (слева),

с отключенным вторым цилиндром

| А Опорные точки О Точки смещения

150 -,-,-,-,-т-,-,-,-,-,-ь—

150

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

воемя. с

Рис. 3. График зависимости углового ускорения от времени исправного двигателя ЯМЗ-238 (слева),

с отключенным 5 цилиндром

- прогрев двигателя до установленной заводом-изготовителем эксплуатационной рабочей температуры;

- запись данных с помощью диагностического комплекса;

- вычисление программным комплексом графика зависимости углового ускорения двигателя от времени и угла поворота КВ;

- анализ значений углового ускорения каждого цилиндра в точке поворота коленчатого вала 90° от ВМТ такта сжатия (в соответствии с порядком работы цилиндров исследуемого ДВС);

- заключение о работоспособности каждого из цилиндров на основе анализа вышеописанных значений.

На рис. 1 представлена блок-схема методики диагностирования ДВС.

На рис. 2 и 3 показаны зависимости углового ускорения от времени при работе на холостом ходу для: четырехцилиндрового рядного двигателя ВАЗ-2111, работающего в нормальном режиме (рис. 2, левая половина), и с отключенным вторым цилиндром (рис. 2, правая половина); восьмицилиндрового У-образного двигателя ЯМЗ-238, работающего в нормальном режиме (рис. 3, левая половина), и с отключенным пятым цилиндром (рис. 3, правая сторона от черты).

На рисунках представлены результаты замеров, обработанные программой, входящей в диагностический комплекс, и выведенные на экран. Треугольник на графике обозначает положение верхней мертвой точки в конце такта сжатия первого цилиндра. Расстояния между двумя тре-

угольниками будет равно 720° поворота коленчатого вала, то есть одному рабочему циклу. Значения углового ускорения одного из цилиндров в точке 90° поворота коленчатого вала от ВМТ такта сжатия на правых частях рисунков значительно отличаются от значений в этой точке для других цилиндров и близки к нулю.

Таким образом, существует возможность оценить эффективность работы каждого из цилиндров двигателя на основе анализа величин углового ускорения коленчатого вала, полученных с помощью аппаратно-измерительного комплекса, и сделать заключение о необходимости проведения углубленных диагностических воздействий.

Статья поступила 15.05.2015 г.

Библиографический список

1. Теория поршневых и комбинированных двигателей: учебник / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин [и др.]; под ред. А.С. Орлина, М.Г. Кругло-ва. М.: Машиностроение, 1983. 376 с.

2. Пат. № 2187792, Российская Федерация. Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания / Отставнов А.А., Куверин И.Ю.

№ 2000127385/06; заявл. 01.11.2000. 3. Алехин А.С., Кочергин В.И., Манаков А.Л. Использование внутрицикловых параметров вращения коленчатого вала для оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: НГАВТ, 2013. № 1. С. 178-182.