СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
EVALUATION OF ICE CYLINDER-PISTON ASSEMBLY OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и позволяет повысить достоверность диагностирования деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания за счет определения конкретных наиболее характерных неисправностей.
Известны способы оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания по зависимости изменения мощности, механических потерь, амплитуды вибрации и температуры отработавших газов при износе ЦПГ, по расходу картерных газов, измерению компрессии, разрежению во впускном коллекторе, расходу масла, температуре отработавших газов, по скорости нарастания давления воздуха в цилиндре при сжатии на контролируемых режимах работы двигателя [1. Носырев Д.Я., Тарасов Е.М., Левченко А.С., Мохонько В.П. Научные основы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. - Самара: СамИИТ, 2001. - 174 с.; 2. Климпуш О.Д. Исследование и выбор диагностических параметров автомобильных двигателей семейства ЯМЗ: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: спец. 05.22.10 «Эксплуатация автомобильного транспорта» / О.Д. Климпуш. - К., 1973. - 28 с.; 3. Толстой В.А. Исследование параметров и методов диагностики цилиндропоршневой группы карбюраторных двигателей: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.22.10 «Эксплуатация автомобильного транспорта» / В.А. Толстой. - М., 1972. - 29 с.; 4. Диагностика автотракторных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Н.С. Ждановского. - Л.: Колос, 1977. - 264 с.].
Известен способ измерения степени сжатия, объема камеры сгорания и соответствующих показателей в цилиндре двигателя, при котором получают индикаторную диаграмму, разбивают ее на участки и определяют текущие объемы цилиндра и показатели политроп сжатия и расширения. По полученным данным судят, в частности, о величине утечки газа из цилиндра, состоянии поршневых колец, т.е. оценивают техническое состояние ЦПГ [ЕР 172983, опубл. 05.03.1986 г.].
Недостатками этих способов являются их невысокая точность и достоверность, низкая чувствительность контролируемых параметров к износу ЦПГ, высокая трудоемкость и технологическая сложность определения контролируемых параметров.
Известен способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, включающий измерение давления в цилиндре при заданном угле поворота коленчатого вала и сравнение его с эталоном, заключающийся в том, что дополнительно измеряют давление в цилиндре при другом значении угла поворота коленчатого вала, вычисляют отклонение этих величин давлений от эталонных и разность между этими отклонениями, рассчитывают действительный показатель политропы сжатия, его отклонение от эталона и по комбинации отклонений оценивают техническое состояние цилиндропоршневой группы [Авторское свидетельство СССР №1700418, G01M 15/00, 23.12.1991. Бюл. 47].
Недостатками данного способа являются невысокая точность и достоверность идентификации технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания из-за использования упрощенной модели. При анализе давления в цилиндре и вычислении показателя политропы сжатия принимаются величины давления при двух заданных углах поворота коленчатого вала, не учитывая различные скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя, при подаче и без подачи топлива, влияние атмосферных условий (давление, температура и влажность атмосферного воздуха) и других факторов, влияющих на показатели внутрицилиндровых процессов, в том числе на показатели сжатия и расширения.
Известен способ измерения степени сжатия, объема камеры сгорания и соответствующих показателей в цилиндре двигателя, при котором получают индикаторную диаграмму, разбивают ее на участки и получают текущие объемы цилиндра и показатели политроп сжатия и расширения. По полученным данным судят, в частности, о величине утечки газа из цилиндра, состоянии поршневых колец (патент ЕР №172983, МПК: G01F 17/00; G01L 23/08; G01M 15/08, опубл. 05.03.1986 г.).
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышения точности и достоверности идентификации технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, при котором получают индикаторную диаграмму, разбивают ее на участки и определяют показатели политроп сжатия и расширения, согласно изобретению производят измерение давления синхронно с измерением угла поворота коленчатого вала на тактах сжатия и расширения, при подаче и без подачи топлива на контролируемых режимах работы двигателя, далее измеренные значения давлений в цилиндре приводят к стандартным атмосферным условиям, фиксируют углы поворота коленчатого вала и определяют соответствующие им временные интервалы, определяют показатели политроп сжатия и расширения по углу поворота коленчатого вала и по временным интервалам, сравнивают их с эталонными значениями, по отклонениям оценивают техническое состояние цилиндропоршневой группы.
n
<mrow><mi>p</mi><mo stretchy="false">[</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>⋅</mo><mi>V</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>τ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mi>n</mi></msup><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
Для расчета показателя политропы сжатия и расширения используют метод определения мгновенного значения показателя политропы n, входящего в уравнение политропы p·V=const или
. На участке сжатия до подачи топлива показатель политропы сжатия имеет одинаковые значения, как при прокрутке (без подачи топлива), так и при работе дизеля. Это повышает достоверность получаемых результатов [Носырев Д.Я., Тарасов Е.М., Левченко А.С., Мохонько В.П. Научные основы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. - Самара: СамИИТ, 2001. - 174 с.].
Отличием настоящего технического решения от прототипа является то, что за счет использования предложенной диагностической модели, в том числе путем построения зависимостей показателей политропы сжатия и расширения по временным интервалам, анализа отклонения построенных зависимостей политроп сжатия и расширения от эталонных, более точно и достоверно производят оценку технического состояния ЦПГ по конкретным наиболее характерным неисправностям, в том числе определение утечки заряда в цилиндре через неплотности ЦПГ.
Величина показателя политропы сжатия зависит от частоты вращения двигателя, размера цилиндра, нагрузки двигателя, интенсивности охлаждения поршня, плотности поршневых колец.
При увеличении частоты вращения показатели политроп сжатия и расширения увеличиваются, так как снижается продолжительность теплообмена со стенками цилиндра за цикл.
Резко понижаются показатели политроп сжатия и расширения на пониженных частотах вращения коленчатого вала у двигателей с небольшими размерами цилиндра (D и S) из-за увеличительной относительной поверхности цилиндра (поверхность, приходящаяся на единицу объема цилиндра, F/V). Это приводит к увеличению теплоотдачи от заряда к стенкам цилиндра при сжатии и расширении.
С увеличением нагрузки показатели политроп сжатия и расширения повышаются, так как при этом температура стенок становится более высокой. В начале сжатия к рабочей смеси теплоты подводится больше, а в конце сжатия отводится меньше, чем при пониженной нагрузке. В начале расширения от рабочей смеси теплоты отводится меньше, а в конце расширения теплоты подводится меньше.
Мероприятия по интенсивности охлаждения поршня и цилиндра приводят к понижению показателей политроп сжатия и расширения.
Утечка заряда в процессе сжатия через неплотности уплотнительных поршневых колец и клапанов в крышке цилиндра приводит к снижению показателя политропы сжатия.
По мере сжатия рабочей смеси и роста давления в цилиндре, когда поршень приближается к верхней мертвой точке, помимо того, что температура рабочей смеси становится выше температуры стенок цилиндра, и теплота отводится от рабочей смеси к стенкам, что оказывает влияние на текущее значение политропы сжатия, важно то, что существенно возрастает интенсивность утечки заряда.
Следует учитывать ряд важных факторов, влияющих на величину утечки заряда в процессе сжатия через неплотности:
- повышение температуры двигателя снижает величину утечки, так как детали лучше прилегают друг к другу, принимая размеры и взаимное положение, больше соответствующие рабочим;
- масло, поступившее в камеру сгорания через направляющие втулки клапанов, поршневые кольца, систему вентиляции картера и уплотнения турбокомпрессора, снижает величину утечки, оказывая уплотняющее действие;
- топливо, поступившее в цилиндр в виде капель, напротив, повышает величину утечки, так как разжижает и смывает масло с деталей и не оказывает уплотняющего действия из-за малой вязкости;
- чем больше частота вращения коленчатого вала, тем меньше утечки через неплотности.
Заявляемый способ осуществляется на контролируемых режимах, различных для разных моделей и типоразмеров ДВС.
Для тепловозных дизелей контролируемыми режимами являются: холостой ход и нагрузочные режимы соответствующей мощности 25%, 50%, 75% и 100% от номинальной. При этом температура выпускных газов и частота вращения коленчатого вала двигателя на любом из режимов не должны выходить за пределы ограничительной характеристики, установленной заводом-изготовителем двигателя.
Во время проведения измерений нагрузка, частота вращения вала двигателя, температура и давление в системах двигателя должны поддерживаться в установленных пределах.
Для расчета параметров рабочего процесса используются технические характеристики двигателя, такие как: диаметр цилиндра, ход поршня, безразмерный параметр кривошипно-шатунного механизма, степень сжатия и другие.
Измерение контролируемых параметров производится после достижения двигателем установившегося температурного режима. Продолжительность установившегося температурного режима должна обеспечивать проведение необходимого количества измерений.
Выполнение измерений проводят в следующей последовательности [Носырев Д.Я., Тарасов Е.М., Левченко А.С., Мохонько В.П. Научные основы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов. - Самара: СамИИТ, 2001. - 174 с.]:
1. Открывают и закрывают индикаторный кран цилиндра для продувки.
2. Устанавливают датчик давления, предназначенный для измерения давления в цилиндре двигателя, на индикаторный кран. Убеждаются, что датчик надежно установлен на индикаторном кране цилиндра двигателя.
3. Открывают индикаторный кран. Убеждаются в отсутствии пропусков рабочей смеси.
4. Измеряют и анализируют параметры. Одновременно производится измерение давления в цилиндре двигателя и расчет параметров рабочего процесса. Корректировка нулевой линии индикаторной диаграммы осуществляется по текущим значениям измеренных давлений на тактах выпуска и впуска или продувки, при подаче и без подачи топлива, а индикаторную диаграмму изменения давления цилиндре строят в зависимости от текущего значения объема цилиндра на тактах выпуска и впуска или продувки, сжатия и расширения при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, при различных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя.
Во время работы двигателя давление газов в цилиндре регистрируется с помощью датчика давления. При этом датчик давления воспринимает усилия, пропорциональные давлению, преобразуя их в электрический сигнал, который поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Одновременно с этим производится измерение сигналов с датчика угловых меток по углу поворота коленчатого вала с регистрацией оборотной метки, совмещенной с верхней мертвой точкой поршня. В дальнейшем сигналы с АЦП передаются в ПЭВМ и обрабатываются. Процесс обработки полученных зависимостей индикаторного давления в цилиндре сводится к получению индикаторных диаграмм цилиндра путем измерения давления в цилиндре синхронно с измерением угла поворота коленчатого вала на тактах впуска, сжатия, расширения и выпуска при подаче и без подачи топлива на контролируемых режимах работы двигателя при различных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя. Далее измеренные значения давления в цилиндре приводят к стандартным атмосферным условиям. Приведение давлений к стандартным атмосферным условиям [ГОСТ Р 52517-2005 (ИСО 3046-1: 2002) «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики. Часть 1. Стандартные исходные условия, объявление мощности, расхода топлива и смазочного масла. Методы испытаний»] позволяет исключить влияние атмосферных условий на результаты определения показателей политроп сжатия и расширения и позволяет получить универсальные эталонные зависимости. Фиксируют углы поворота коленчатого вала и определяют соответствующие им временные интервалы. Определяют показатели политроп сжатия и расширения по углу поворота коленчатого вала и по временным интервалам до и после верхней мертвой точки. Затем сравнивают полученные показатели с эталонными значениями и по отклонениям оценивают техническое состояние цилиндропоршневой группы.
Длительность измерения для одного режима находится в пределах 3-10 с и зависит от выбранной частоты опроса АЦП.
5. Закрывают индикаторный кран.
6. Снимают датчик с индикаторного крана.
7. Повторяют операции 1-6 для всех цилиндров и контролируемых режимов двигателя.
Предложенный способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания методом индицирования и анализа расчетных показателей политроп сжатия и расширения может использоваться для проведения точной и достоверной идентификации технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, углов опережения подачи топлива, углов открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов и окон, качества работы форсунок, по значениям политроп сжатия и расширения в контролируемых точках и по зависимостям политроп сжатия и расширения от угла поворота и временным интервалом в стендовых и эксплуатационных условиях, а также для исследования рабочего процесса двигателя. При этом погрешность оценки технического состояния ЦПГ ДВС снижается в 1,5-2 раза, а достоверность повышается на 25-35%.