Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания
Method for assessing the technical condition of the cylinder-piston group of an internal combustion engine

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу определения технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по давлению воздуха в конце такта сжатия [1]. Для реализации этого способа проверяют техническое состояние аккумуляторной батареи, системы питания воздухом и газораспределительного механизма, пускают и прогревают двигатель до номинального теплового режима и останавливают его. Для дизельных двигателей снимают форсунки или свечи накала, для бензиновых двигателей выворачивают свечи зажигания и открывают дроссельную заслонку. Очищают ветошью углубления для форсунок (свечей) в головке цилиндров и проворачивают коленчатый вал двигателя пусковым устройством до прекращения появления следов копоти из камеры сгорания цилиндров. В полученные отверстия последовательно для каждого цилиндра устанавливают компрессометр, прокручивают коленчатый вал двигателя с помощью пускового устройства и измеряют компрессию, сравнивают с нормативными значениями и делают вывод о техническом состоянии цилиндров.
Несмотря на то, что данный способ обладает высокой достоверностью получаемой диагностической информации, необходимость выполнения большого объема подготовительных операций при каждом диагностировании цилиндропоршневой группы приводит к тому, что компрессометр используется только во время предремонтного и послеремонтного диагностирования.
Известен способ диагностирования цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания [2] при котором измеряют давление внутри отключенного цилиндра во время работы двигателя с минимальной частотой вращения коленчатого вала и его угловое перемещение, полученную индикаторную диаграмму разбивают на равное количество участков, соответствующих угловому перемещению коленчатого вала на расстояние между зубьями венца маховика, а оценку состояния сопряжения "поршень-кольца-гильза" осуществляют по скорости изменения давления в соответствующем цилиндре на каждом участке.
Недостатками данного способа является трудоемкость получения индикаторной диаграммы и необходимость проведения большого объема вычислений.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания [3] при котором подготавливают к испытанию двигатель, устанавливают на него первичные преобразователи, датчик положения распределительного вала, к которым присоединяют измерительное устройство, проверяют техническое состояние системы питания воздухом, пускают и прогревают двигатель, отключают подачу топлива и останавливают его, затем проводят испытания, при которых прокручивают коленчатый вал стартером с пусковой частотой вращения и измеряют усилия, возникающие на опорах двигателя в конце такта сжатия каждого цилиндра отдельно, суммируют максимальные значения измеренных усилий и вычисляют среднее по опорам не менее чем за три рабочих цикла двигателя, максимальное значение из вычисленных средних усилий принимают за номинальное значение, сравнивают с максимальными средними значениями усилий остальных цилиндров и по величине отклонения от номинального значения делают вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы в целом.
Несмотря на низкую трудоемкость диагностирования указанным способом, компрессия в цилиндре определяется в относительных единицах, при этом в случае отклонения максимальной величины компрессии, принятой за номинальное значение от нормативного значения, потребуются дополнительные измерения.
Техническая задача - совершенствование способа оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.
При проведении предварительных испытаний подготавливают технически исправный двигатель, в опоры устанавливают первичные преобразователи силы, в корпус двигателя - датчик положения распределительного вала, к которым присоединяют измерительное устройство. Проверяют техническое состояние системы питания воздухом, пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла, прекращают подачу топлива и останавливают его. Для диагностируемого цилиндра бензиновых двигателей отключают подачу высокого напряжения на свечу зажигания и откручивают ее, для дизельных двигателей отключают подачу топлива на форсунку соответствующего цилиндра и демонтируют ее. Вместо свечи зажигания или форсунки устанавливают регулятор давления с датчиком давления воздуха и подключают к измерительному устройству. Пускают двигатель на работающих цилиндрах и устанавливают минимальную частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу согласно паспортным данным, при этом с помощью регулятора давления задают номинальное значение давления воздуха в конце такта сжатия диагностируемого цилиндра, измерительным устройством фиксируют усилия на опорах двигателя на такте сжатия этого цилиндра, максимальные значения измеренных усилий суммируют и вычисляют среднее по опорам не менее чем за пять рабочих циклов двигателя. Затем повторяют испытания диагностируемого цилиндра, постепенно снижая давление воздуха в конце такта сжатия до минимально допустимого значения согласно нормативно-технической документации с шагом 0,1 МПа. Испытания для остальных цилиндров проводят аналогичным образом. По результатам измерений строят зависимость изменения средних максимальных усилий по опорам, создаваемых каждым цилиндром не менее чем за пять рабочих циклов двигателя от давления воздуха в конце такта сжатия каждого цилиндра отдельно, а оценку технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания в условиях эксплуатации осуществляют по давлению воздуха в конце такта сжатия каждого цилиндра, установленному по полученной при предварительных испытаниях зависимости в соответствии с величиной средних максимальных значений усилий на опорах, создаваемых каждым цилиндром не менее чем за пять рабочих циклов двигателя
Таким образом, возможно создать достаточно простой способ определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.
ij
kj
kj
КВ
ДВС
iI
iII
iIII
iIV
На фиг. 1 представлена схема установки с обозначением сил и крутящих моментов, возникающих в кривошипно-шатунном механизме и в опорах двигателя при работе в режиме холостого хода, где F - усилие на i-й опоре создаваемое j-м цилиндром при работе двигателя в режиме холостого хода, Н; р - давление воздуха в надпоршневом пространстве j-го цилиндра, МПа; p - сила сопротивления сжатию воздуха в надпоршневом пространстве j-го цилиндра, Н; S - сила, направленная вдоль оси шатуна и вызывающая его повторно-переменное сжатие (растяжение), Н; N - боковая сила, прижимающая поршень к стенкам цилиндров, Н; М - крутящий момент на коленчатом валу на такте сжатия, Нм; М - обратный крутящий момент на остове двигателя на такте сжатия, Нм;. На фиг. 2 - усилие на i-й опоре четырехцилиндрового двигателя за один цикл работы в режиме холостого хода, где F, F, F и F - усилия на i-й опоре, создаваемые 1, 2, 3 и 4 цилиндрами соответственно, Н; - максимальные значения усилий на i-й опоре, создаваемые 1, 2, 3 и 4 цилиндрами соответственно, Н; на фиг. 3 - зависимость изменения средних максимальных значений усилий по опорам от давления в конце такта сжатия; - минимальное и номинальное значения средних усилий, Н;
I
II
III
IV
- минимальное и номинальное значения давления в конце такта сжатия; p, р р и p - давление в конце такта сжатия 1, 2, 3 и 4 цилиндра соответственно,  - средние значения максимальных усилий по опорам, создаваемых 1, 2, 3 и 4 цилиндром соответственно не менее чем за пять рабочих циклов двигателя
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
ij
В штатные опоры технически исправного двигателя устанавливают первичные преобразователи силы 1 (см. фиг. 1) таким образом, чтобы усилия F полностью воспринимались преобразователями. В корпус двигателя
устанавливают датчик положения распределительного вала 2 для определения мгновенного значения частоты вращения коленчатого вала, а также положения поршня соответствующего цилиндра в заданный момент времени. К преобразователям силы 1 и датчику положения распределительного вала 2 присоединяют измерительное устройство 3.
ij
k
КВ
ij
Проверяют техническое состояние системы очистки воздуха, пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла, выключают подачу топлива и останавливают двигатель. Для диагностируемого цилиндра бензиновых двигателей отключают подачу высокого напряжения на свечу зажигания и откручивают ее, для дизельных двигателей отключают подачу топлива на форсунку соответствующего цилиндра и демонтируют ее. В образовавшееся в цилиндре отверстие устанавливают регулятор давления 4 с датчиком давления воздуха 5 и подключают к указанному измерительному устройству 3. Пускают двигатель на рабочих цилиндрах и устанавливают минимальную частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, при этом с помощью регулятора давления 4 задают номинальное давление воздуха  в конце такта сжатия диагностируемого цилиндра согласно нормативно-технической документации. Измерительным устройством 3 фиксируют усилия на опорах двигателя F, возникающие вследствие преодоления кривошипно-шатунным механизмом силы сопротивления сжатию воздуха Р в надпоршневом пространстве диагностируемого цилиндра и действия боковой силы N, передаваемой через стенку цилиндра остову двигателя, частоту вращения коленчатого вала n и положение распределительного вала. Сопоставляют соответствующие значения усилий F на опорах с положением поршня диагностируемого цилиндра в верхней мертвой точке конца такта сжатия, максимальные значения измеренных усилий (см. фиг. 2) суммируют и вычисляют среднее значение максимальных усилий по опорам  создаваемых диагностируемым цилиндром за один цикл работы двигателя по формуле:
где  - среднее значение максимальных усилий по опорам, создаваемых j-м цилиндром за один цикл работы двигателя Н;
- максимальное усилие на i-й опоре, создаваемое j-м цилиндром за один цикл работы двигателя, Н;
i - номер опоры;
j - номер цилиндра; р - количество опор двигателя.
По результатам вычислений определяют среднее значение максимальных усилий по опорам , создаваемых диагностируемым цилиндром не менее чем за пять рабочих циклов двигателя по формуле:
где q - количество циклов работы двигателя.
- среднее значение максимальных усилий по опорам, создаваемых j-м цилиндром за n-й цикл работы двигателя, Н.
Затем повторяют испытания для диагностируемого цилиндра, постепенно снижая давление воздуха с шагом 0,1 МПа до минимально допустимого значения согласно нормативным данным. После проведения предварительных испытаний демонтируют регулятор давления 4 совместно с датчиком давления воздуха 5, для бензинового двигателя устанавливают свечу зажигания и подключают на нее подачу высокого напряжения, для дизельного двигателя устанавливают топливную форсунку и подключают подачу топлива.
Испытания для остальных цилиндров проводят аналогичным образом. По результатам измерений строят зависимости изменения средних максимальных усилий по опорам от давления в конце такта сжатия каждого цилиндра (см. фиг. 3), т.е.:
kj
где p - давления в конце такта сжатия j-го цилиндра, МПа;
- среднее максимальное усилие по опорам двигателя для j-го цилиндра, Н.
ij
КВ
При проведении последующих испытаний в условиях эксплуатации проверяют техническое состояние системы очистки воздуха, пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла, устанавливают минимальную частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, измерительным устройством 3 фиксируют усилия F, возникающие на опорах двигателя, частоту вращения коленчатого вала n и положение распределительного вала, сопоставляют значения усилий на опорах с положением поршня в верхней мертвой точке конца такта сжатия соответствующего цилиндра, суммируют максимальные значения измеренных усилий и вычисляют средние значения максимальных усилий по опорам , создаваемых каждым цилиндром за один цикл работы двигателя по формуле (1). По результатам вычислений определяют средние значения максимальных усилий по опорам , создаваемых каждым цилиндром не менее чем за пять рабочих циклов двигателя по формуле (2).
Затем по средним значениям максимальных усилий,  и полученной при предварительных испытаниях зависимости (см. фиг. 3) определяют давление воздуха в конце такта сжатия каждого цилиндра, сравнивают полученные значения с нормативными данными и делают вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы в целом.
Преобразователи силы и датчик положения распределительного вала устанавливают на стадии производства двигателя в целях снижения трудоемкости диагностирования при последующих испытаниях. В качестве измерительного устройства можно использовать аналого-цифровой преобразователь, регистрирующий получаемые электрические импульсы и производящий простейшие вычислительные операции. В качестве преобразователей силы можно использовать тензометрические датчики.
Среднее значение усилий по опорам, создаваемых цилиндром за один цикл работы двигателя вычисляют по формуле:
Техническое состояние цилиндропоршневой группы признают неработоспособным, если давление в конце такта сжатия хотя бы одного цилиндра будет меньше величины  или отклонение минимального значения давления в цилиндре  от максимального  составит более 0,2 МПа. В этом случае проводят диагностирование всех цилиндров по косвенным признакам известными методами и делают вывод о работоспособности двигателя.
Оценка частоты вращения коленчатого вала при испытании осуществляется для повышения точности предлагаемого метода. При отклонении частоты вращения коленчатого вала двигателя за время испытания на 10% и более от установленной при предварительных испытаниях величины, результаты измерений признаются недействительными.
При оценке технического состояния цилиндропоршневой группы бензиновых двигателей на стадии подготовки к испытанию дополнительно отключают катушки зажигания и открывают воздушную и дроссельные заслонки.
Список источников
1. Алилуев В.А. Практикум по эксплуатации машинно-тракторного парка / В.А. Аллилуев, А.Д. Ананьин, А.Х. Морозов. - М.: Агропромиздат, 1987.- С. 73.
2. Пат.№2554383 РФ, МПК G01M 15/00. Способ диагностирования цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания / В.Э. Шалимов, В.В. Чистяков. - №2013152519/06; заявл. 27.06.2015; опубл. 26.11.2015, Бюл.№18. - 8 с.
3. Пат.№2690998 РФ, МПК G01M 15/04. Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, С.А. Голубь, В.А. Зейб. - №2018130539; заявл. 22.08.2018; опубл. 07.06.2019, Бюл. №16. - 10 с.