Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR EVALUATION OF TECHNICAL CONDITION OF CYLINDER-AND-PISTON GROUP OF 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).
Существующие инструментальные методы определения технического состояния ЦПГ в условиях эксплуатации, основанные на измерении параметров сопутствующих процессов: давления в цилиндре в конце такта сжатия, разрежения в надпоршневом пространстве, расхода картерных газов, относительной неплотности ЦПГ или по стартерному току, имеют недостатки в виде низкой точности измерений или высокой трудоемкости реализации.
Известен способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по давлению воздуха в конце такта сжатия [1]. Для реализации этого способа предварительно необходимо проверить техническое состояние аккумуляторной батареи, провести операции технического обслуживания воздушного фильтра, проверить тепловой зазор в клапанном механизме. После чего пускают и прогревают двигатель до номинального теплового режима, затем останавливают его. Снимают со свечей зажигания наконечники проводов и открывают дроссельную заслонку у бензинового двигателя, отсоединяют топливопроводы высокого давления от форсунок у дизеля. Очищают ветошью и продувают сжатым воздухом углубления для форсунок (свечей) в головке цилиндров, снимают форсунки или выворачивают свечи зажигания. Проворачивают коленчатый вал двигателя пусковым устройством до прекращения появления следов копоти из камеры сгорания цилиндров. Подключая к каждому цилиндру компрессометр и прокручивая коленчатый вал двигателя с помощью пускового устройства, определяют компрессию, сравнивают с нормативными значениями и делают вывод о техническом состоянии каждого цилиндра.
Данный способ получил наибольшее распространение в связи с использованием простых технических средств и высокой достоверностью получаемой диагностической информации по каждому цилиндру двигателя. Необходимость выполнения большого объема подготовительных операций при диагностировании цилиндропоршневой группы на практике приводит к тому, что компрессометр применяется только во время предремонтного и послеремонтного диагностирования.
Известен способ диагностирования цилиндропоршневой группы ДВС путем измерения расхода картерных газов индикатором [2], при котом пускают двигатель и прогревают его до номинального теплового режима (85…95°С), затем герметизируют сапун и отверстие под масломерную линейку, используя принадлежности, входящие в комплект. Снимают крышку с маслоналивной горловины двигателя и устанавливают индикатор. При измерении сигнализатор удерживают рукой в вертикальном положении, устанавливают номинальную частоту вращения коленчатого вала и, медленно вращая крышку индикатора, фиксируют момент совпадения поднимающегося поршня с риской на корпусе сигнализатора (момент соответствует равновесию давления газов в картере и индикаторе) и определяют по шкале, нанесенной на крышке, текущий расход газов.
Несмотря на относительно низкую трудоемкость реализации данного способа, широкого распространения он не получил главным образом из-за отсутствия возможности определения технического состояния каждого цилиндра. Погрешность получаемой диагностической информации может достигать 25%.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ оценки компрессии по величине потребляемого тока стартером при прокрутке двигателя [3], при котором прогревают двигатель, подключают токовые клещи компьютерного комплекса на провод питания стартера, отключают подачу топлива, у бензиновых двигателей открывают полностью дроссельную заслонку. Затем осуществляют прокручивание двигателя, одновременно измеряя потребляемый стартером ток. По результатам измерения строится график абсолютного приращения тока стартера по цилиндрам и вычисляется относительная компрессия. За номинальное значение компрессии принимается цилиндр с наибольшим приращением тока. При значительном отклонении величины потребляемого тока по цилиндрам, осуществляют измерение компрессии в цилиндрах с наименьшей величиной тока известными методами и делают вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы.
Недостатки - низкая информативность диагностического параметра, а также зависимость получаемых результатов от технического состояния стартера и аккумуляторной батареи.
Известно, что при работе двигателя динамические усилия, возникающие в кривошипно-шатунном механизме, передаются на опоры двигателя. При прокручивании коленчатого вала двигателя стартером, усилия от сжатия воздуха в надпоршневом пространстве также передаются через блок цилиндров на опоры двигателя, при этом, чем больше усилия от сжатия, тем больше усилия на опорах. Таким образом, определив усилия на опорах при прокручивании двигателя стартером, можно сделать вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы.
Техническая задача - совершенствование способа оценки технического состояния цилиндропоршневой группы 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 первичные преобразователи (тензодатчики), 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 двигатель. При оценке технического состояния цилиндропоршневой группы бензиновых двигателей дополнительно отключают катушки зажигания и открывают воздушную и дроссельные заслонки. Затем включают стартер и вращают коленчатый вал двигателя с пусковой частотой, при этом измерительным устройством фиксируют 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 делают вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы в целом.
Таким образом, возможно создать достаточно простой способ определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.
К
Ш
I
II
Ш
IV
Imax
IImax
IIImax
IVmax
H
I
II
IV
На фиг. 1 представлена схема сил и крутящих моментов, возникающих в кривошипно-шатунном механизме и в опорах двигателя при прокручивании коленчатого вала стартером с пусковой частотой вращения, где  - усилия, создаваемые i-м цилиндром на j-й опоре, Н; F - сила сопротивления сжатию воздуха в надпоршневом пространстве цилиндра, Н; F - сила, передаваемая через шатун коленчатому валу, Н;  - крутящий момент стартера, Нм;  - момент сопротивления вращению коленчатого вала, Нм;  - опрокидывающий момент двигателя, Нм; α - угол поворота кривошипа, градус; β - угол отклонения оси шатуна в плоскости его качания в сторону от оси цилиндра, градус; r - радиус кривошипа, м. На фиг. 2 - средние значения усилий, возникающих в опорах четырехцилиндрового двигателя при прокручивании коленчатого вала стартером с пусковой частотой вращения за три рабочих цикла, где F, F, F и F - средние значения усилий на опорах, создаваемые соответственно 1, 2, 3 и 4 цилиндрами, Н; F, F, F и F - максимальные средние значения усилий на опорах, создаваемые соответственно 1, 2, 3 и 4 цилиндрами, Н; F - номинальное значение усилия, Н; ΔF, ΔF и ΔF - отклонения от номинального значения усилия максимальных средних значений усилий, создаваемых 1, 2 и 4 цилиндрами соответственно.
Практически предложенный способ может быть реализован следующим образом.
К
В штатные опоры двигателя устанавливают первичные преобразователи силы (тензодатчики) таким образом, чтобы усилия  (см. фиг. 1) полностью воспринимались преобразователями. В корпус двигателя устанавливают датчик положения распределительного вала для определения положения поршня соответствующего цилиндра в заданный момент времени. К преобразователям силы и датчику положения распределительного вала присоединяют измерительное устройство. Проверяют техническое состояние системы очистки воздуха, пускают и прогревают двигатель до номинальной температуры охлаждающей жидкости и масла, выключают подачу топлива и останавливают двигатель. Включают стартер, вращают коленчатый вал с пусковой частотой вращения и измерительным устройством фиксируют усилия  возникающие на опорах двигателя от опрокидывающего момента  который создается за счет преодоления стартером сил сопротивления сжатию воздуха F в надпоршневом пространстве каждого цилиндра, т.е.:
Imax
IImax
IIImax
IVmax
H
I
II
IV
IIImax
H
Сопоставляют соответствующие значения усилий  на опорах с положением поршня в верхней мертвой точке в конце такта сжатия каждого цилиндра отдельно, суммируют максимальные значения измеренных усилий и вычисляют средние F, F, F, F (см. фиг. 2) не менее чем за три рабочих цикла двигателя, максимальное значение из вычисленных средних усилий принимают за номинальное значение F, сравнивают с максимальными средними значениями усилий остальных цилиндров, определяя отклонения ΔF, ΔF, ΔF, при условии, что в нашем случае максимальное и, следовательно, номинальное значение средних усилий установлено для третьего цилиндра, т.е. F=F, и делают вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы в целом.
I
II
IV
H
При отклонении ΔF, ΔF и ΔF от F на 10% и более, что соответствует, к примеру, величине предельных отклонений компрессии по цилиндрам большинства бензиновых и дизельных двигателей, техническое состояние цилиндропоршневой группы признают неудовлетворительным.
Среднее значение усилия на опорах, создаваемого каждым цилиндром за один цикл работы двигателя вычисляют по формуле:
где i - номер цилиндра;
j - количество опор двигателя, шт.;
Среднее значение усилия на опорах, создаваемого каждым цилиндром за q циклов работы двигателя вычисляют по формуле:
где  - среднее значение усилия по опорам, создаваемого i-м цилиндром за q-й цикл работы двигателя и вычисленный по формуле (5).
q - количество циклов работы двигателя, шт.
Imax
IImax
IIImax
IVmax
Максимальные средние значения F, F, F, F также вычисляют по формуле (6).
Преобразователи силы и датчик положения распределительного вала 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.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что продолжительность испытания двигателя при оценке технического состояния цилиндропоршневой группы предлагаемым методом составляет не более 5 с. В результате представляется возможным оценивать техническое состояние цилиндропоршневой группы при каждом пуске прогретого двигателя с использованием общедоступных, простых средств измерений и регистрации возникающих усилий.
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. Ананьин А.Д. Диагностика и техническое обслуживание машин: учебник для студентов высш. учеб. заведений / А.Д. Ананьин, В.М. Михлин, И.И. Габитов и др. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - С. 136-137.
3. Компьютерный комплекс Дизель-тестер МТ10Д. Руководство пользователя. - Самара: НПП «НТС». - 2017. - С. 20-21.