Способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR ASSESSING THE UNEVEN OPERATION OF THE CYLINDERS OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области испытания и технического диагностирования машин, в частности к способу оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известен способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания [1], при котором производят отключение одного цилиндра, работающие цилиндры догружают до максимальной мощности и замеряют частоту вращения коленчатого вала. После чего включают неработающий цилиндр и вторично замеряют частоту вращения коленчатого вала, затем отключают другой цилиндр и остальные работающие цилиндры догружают до первоначальных оборотов максимальной мощности при предыдущей дозагрузке, далее все операции повторяют для каждого цилиндра и по результатам вторичных замеров числа оборотов определяют неравномерность работы цилиндров.
Данный способ не требует применения дорогостоящего оборудования для проведения измерений, но реализация рассматриваемого способа достаточно трудоемка, так как необходимо поочередно отключать и включать цилиндры двигателя и проводить повторные замеры частоты вращения коленчатого вала.
Известен способ определения неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания [2], при котором регистрируют тангенциальную компоненту ускорения блока цилиндров, пропорциональную угловому ускорению коленчатого вала, путем цифровой фильтрации выделяют эту компоненту из сигнала вибрации и отображают в виде семейства плоских замкнутых кривых, а неравномерность работы цилиндров ДВС оценивают по степени их компактности.
Данный способ сложно реализовать в условиях эксплуатации, так как необходимо использовать высокочастотное цифровое оборудование. В условиях повышенной вибрации блока ДВС при работе автотракторных двигателей точность измерений будет снижаться.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков техническим решением является способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания [3], при котором подготавливают к испытанию двигатель, в опоры устанавливают первичные преобразователи, датчик положения распределительного вала, к которым присоединяют измерительное устройство, проверяют техническое состояние системы питания воздухом, пускают и прогревают двигатель, затем проводят испытания, при которых устанавливают минимальную частоту вращения коленчатого вала, известными методами задают необходимое 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 проводят испытания для остальных цилиндров аналогичным образом и строят зависимость изменения средних максимальных усилий по опорам 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.
Реализация подобной методики измерения усилий на опорах ДВС для такта сгорания и расширения каждого цилиндра позволит получить необходимые данные для последующей оценки неравномерности работы его цилиндров.
Техническая задача - совершенствование способа оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания за счет снижения трудоемкости и повышения оперативности диагностирования.
Сущность изобретения заключается в следующем. При проведении испытаний в условиях эксплуатации подготавливают двигатель, в опоры устанавливают преобразователи силы. К преобразователям силы, штатному датчику частоты вращения коленчатого вала и штатному датчику положения распределительного вала двигателя подключают измерительное устройство. Пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла, загружают двигатель до максимальной мощности, после чего с периодом 2 градуса поворота коленчатого вала фиксируют усилия, возникающие на опорах двигателя, сопоставляют измеренные значения усилий с положением поршня соответствующего цилиндра в верхней мертвой точке начала такта сгорания и расширения, устанавливают аппроксимирующую зависимость изменения усилий на опорах двигателя от угла поворота коленчатого вала и вычисляют импульс сил за такт сгорания и расширения для каждого цилиндра отдельно на каждой опоре, по полученным значениям определяют средний по опорам импульс сил для каждого цилиндра за один рабочий цикл двигателя, затем вычисляют суммарный импульс сил для каждого цилиндра не менее чем за пять рабочих циклов двигателя, устанавливают максимальное и минимальное значения суммарных импульсов сил, определяют коэффициент неравномерности, сравнивают его с номинальным значением и делают вывод о неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, возможно создать достаточно простой способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
ij
0j
j
На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки с обозначением сил, возникающих в кривошипно-шатунном механизме и на опорах при работе двигателя. На фиг. 2 - аппроксимирующая зависимость усилий на i-й опоре, создаваемых на такте сжатия и расширения j-м цилиндром, от угла поворота коленчатого вала, где 1, 2, 3 и 4 - преобразователи силы, штатный датчик частоты вращения коленчатого вала, штатный датчик положения распределительного вала и измерительное устройство соответственно; i - номер опоры; j - номер цилиндра; F - усилие на i-й опоре, создаваемое j-м цилиндром при работе двигателя, Н;  - давление газов в надпоршневом пространстве j-го цилиндра на такте сгорания и расширения, МПа;  - сила, действующая на поршень вследствие давления газов на такте сгорания и расширения 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 цилиндра, Н; ϕ - угол поворота коленчатого вала двигателя, град.; ϕ - угол поворота коленчатого вала в начале такте сгорания и расширения j-го цилиндра, Н; ϕ - угол поворота коленчатого вала в конце такта сгорания и расширения j-го цилиндра, Н;  - аппроксимирующая зависимость усилий на i-й опоре, создаваемых на такте сжатия и расширения j-м цилиндром, от угла поворота коленчатого вала; , , ,  - импульсы сил на i-й опоре, создаваемые за такт сгорания и расширения I, II, III и IV цилиндром соответственно, Н⋅с.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
ij
ij
В штатные опоры ДВС устанавливают преобразователи силы 1 (см. фиг. 1) таким образом, чтобы усилия F полностью воспринимались преобразователями. К преобразователям силы 1, штатному датчику частоты вращения коленчатого вала 2 и штатному датчику положения распределительного вала 3 присоединяют измерительное устройство 4 для оценки величины силы на опорах, частоты вращения коленчатого вала и определения положения поршня соответствующего цилиндра в заданный момент времени. Пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла и загружают двигатель до максимальной мощности путем изменения сопротивления агрегата при выполнении технологической операции. После чего измерительным устройством 4 с периодом 2 градуса поворота коленчатого вала фиксируют усилия на опорах F, возникающие вследствие воздействия на поршни силы  и образующейся боковой силы N, передаваемой через стенки цилиндров остову и опорам двигателя. Затем сопоставляют измеренные значения усилий с положением поршня соответствующего цилиндра в верхней мертвой точке начала такта сгорания и расширения, устанавливают аппроксимирующую зависимость изменения усилий на опорах от угла поворота коленчатого вала  (см. фиг. 2) и вычисляют импульс сил за такт сгорания и расширения для каждого цилиндра отдельно по каждой опоре по формуле:
-1
где ω - частота вращения коленчатого вала, с.
По полученным значениям определяют средний по опорам импульс сил для каждого цилиндра  за один рабочий цикл двигателя по формуле:
р - количество опор двигателя, шт.
Затем определяют суммарный импульс сил для каждого цилиндра  не менее чем за пять рабочих циклов двигателя по формуле:
где q - количество циклов работы двигателя.
- средний по опорам импульс сил, создаваемых j-м цилиндром за n-й цикл работы двигателя, Н.
Устанавливают максимальное  и минимальное  значения суммарного импульса сил за пять рабочих циклов, затем определяют коэффициент неравномерности по формуле:
сравнивают полученное значение коэффициента неравномерности с номинальным значением и делают вывод о неравномерности работы цилиндров ДВС.
За нулевое значение усилий на каждой опоре принимается усилие, создаваемое весом неработающего двигателя во время нахождения машины на ровной горизонтальной поверхности.
Преобразователи силы устанавливают на стадии производства 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 результате представляется возможным оценить неравномерность работы цилиндров ДВС, используя простые средства измерений.
Список источников
1. Пат. №2053491, МПК G01M 15/00. Способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания / A.И. Прыгунов - №506497/06; заявл. 03.08.1992, опубл. 27.01.1996 г.
2. А.с. №785671, МПК G01M 15/00. Способ определения неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания / B. И. Вельских, Н.Т. Иванов - №2317722/25-06; заявл. 23.01.1976, опубл. 07.12.1980. Бюл. №45.
3. Пат. №2744668, МПК G01M 15/04. Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносов, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев - №2020122303; заявл. 30.06.2020, опубл. 12.03.2021 г. Бюл. №8.