Способ диагностики двигателя внутреннего сгорания
DIAGNOSTIC METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

1. Область техники
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при диагностировании механизмов в частности поршневых двигателей внутреннего сгорания.
2. Уровень техники
Известен способ диагностики и прогнозирования технического состояния машин [Авторское свидетельство №1519350 СССР. 6 МПК G01M 15/00. Заявлено 30.06.87. Опубл. 10.06.97, Бюл. №16], заключающийся в измерении значения диагностических признаков вибрации корпуса у машин, которые испытывают до возникновения отказа, оценивают функции распределения вероятностей признаков вибрации для множества машин и их относительную долю поля рассеивания погрешности как значение функции распределения соответствующего признака, а по близости функции к 0 или 1 судят о состоянии машины и определяют ее категорию качества по прогнозируемому ресурсу. Недостаток этого способа - сложность и большое количество проводимых испытаний, требующих измерения вибрации корпуса у значительного количества машин, испытываемых до отказа.
Известен способ диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы [Патент №2151384 РФ. 7 МПК G01M 15/00, F02M 65/00. Заявлено 17.08.98, опубл. 27.04.2003, Бюл. №12]. Указанный способ, заключается в том, что производят измерение и преобразование сигналов, возникающих в результате взрыва топливной смеси в камере сгорания, причем сигнал с оптического датчика преобразуют в комплексный оптический спектр, а сигнал с акустического датчика - в комплексный акустический спектр, определяют относительный комплексный показатель (ОКП) путем деления акустического спектра на оптический, по величине ОКП судят о техническом состоянии двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы и прогнозируют процессы разрушения материала деталей двигателя. Основными недостатками способа являются:
- сложность конструкции, обусловленная дополнительным введением оптического датчика в камеру сгорания, что влияет на процессы сгорания в камере, и акустического датчика, встраиваемого в корпус двигателя;
- низкая точность проводимых измерений сигналов, вызванная погрешностями функции преобразования, динамическими и частотными ограничениями введенных оптического и акустического датчиков;
- узкий класс дефектов, определяемых из изменения сигналов, связанных только с взрывами топливной смеси в камере сгорания двигателя, и, в частности, отсутствует возможность диагностики турбомашин.
max
e max
max
max
e max
max
Известен способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания (а.с. №1546871 МПК G01m 15/00), являющийся наиболее близким к заявляемому способу и принятый в качестве прототипа. Указанный способ-прототип заключается в том. что двигатель выводя на номинальный тепловой режим, проводят сравнение измеряемого теплового потока с поверхности диагностируемых частей с эталоном. Измерение теплового потока ведут в местах, лежащих на поверхности выпускного трубопровода напротив выхлопа из соответствующего цилиндра, а режим работы двигателя устанавливают путем изменения частоты вращения, причем для диагностирования величины подачи топлива устанавливают мощность, развиваемую двигателем (0,5-1,0)n, для диагностирования угла опережения впрыска устанавливают мощность двигателя (0,35-1,0)N, при частоте вращения коленвала (0,5-1,0)n, а для диагностирования давления впрыска топливной форсунки устанавливают режим по частоте вращения коленвала (0,6-1,0)n, без нагружения двигателя; где N - максимальная эффективная мощность двигателя, n - максимальная частота вращения. Недостаткам данного способа являются:
1. Низкая точность при диагностировании двигателя, имеющего одновременно более одной неисправности.
2. Ограниченность применения (числовые параметры способа фактически привязаны только к двигателю ЯМЗ-236)
3. Низкая информативность (проверяется только топливная аппаратура)
4. Сложность реализации способа в условиях эксплуатации (реализация способа привязана к мощности, а ее измерение возможно только в лабораторных условиях).
5. Длительность и трудоемкость проведения диагностирования по предлагаемому способу, например, угол опережения впрыска топлива можно проверить с высокой точностью в течение нескольких секунд с помощью стробоскопа промышленного изготовления.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу относится способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания (патент на изобретение №2511801 МПК G01m 15/04; G01m 15/10, включающий вывод его на номинальный тепловой режим, измерение теплового поля на поверхности выпускного коллектора, при этом определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенность движения выпускных газов, после чего рассчитывают физическую температуру выхлопных газов цилиндра по формуле:
k - коэффициент, учитывающий количество окон в коллекторе
n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;
p - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;
ВГ
2
α - коэффициент теплоотдачи выхлопных газов, Вт/К м;
B
2
α - коэффициент теплоотдачи воздуха, Вт/К м;
к
λ - Коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора, Вт/Км;
c1
T - температура наружной стенки выпускного коллектора, К;
в
Т - температура наружного воздуха, К
Затем путем сравнения ее с эталоном, устанавливают конкретное место или несколько мест неисправностей в двигателе.
Недостатками данного способа являются:
1. Низкая точность при диагностировании неисправностей, воздействие которых имеют разнозначное влияние на температурное поле выпускного коллектора. Например: при неисправности №1 - заниженный угол опережения подачи топлива - горение растягивается на линии расширения, и, следовательно, температура коллектора становится значительно выше эталонной; при одновременном возникновении неисправности №2 - занижение значения цикловой подачи топлива вследствие неисправности топливной аппаратуры - температура коллектора становится ниже эталонной. В результате тепловое поле может соответствовать эталону, в то время как имеет место существенная потеря мощности.
2. Ограниченность применения обусловленная тем, что при расчете температуры выпускных газов по циклу в формуле не учтены внешние условия, влияющие на тепловое состояние коллектора: влажность воздуха, скорость движения воздуха, воздействие солнечной радиации (если имеется). При диагностике на открытых площадках эти факторы могут на столько снизить точность, что диагностика потеряет смысл.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности постановки диагноза технического состояния и расширение области применения.
Указанные недостатки устраняются тем, что при диагностировании технического состояния ДВС в дополнение к измерению теплового поля производится измерение уровня вибрации в области каждого цилиндра (по величине ускорения вибрации). Минимальную и максимальную температуру рассчитываются по формуле с учетом индекса тепловой нагрузки внешней среды. Для получения диагноза технического состояния двигателя используют комплексный показатель, рассчитанный для двух режимов: режима холостого хода на минимальной и максимальной частоте вращения. По сравнению фактического комплексного показателя с критическим определяют техническое состояние каждого цилиндра и двигателя в целом.
xx
min
xx
max
Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания выводят на номинальный тепловой режим, и дважды измеряют температурное поле выпускного коллектора и уровень вибрации напротив каждого цилиндра: в режиме холостого хода при n=n и n=n; определяют конфигурацию коллектора и коэффициент, учитывающий особенности движения выпускных газов в коллекторе, после чего рассчитывают фактическую температуру выпускных газов  для каждого цилиндра с учетом индекса тепловой нагрузки внешней среды Т**.
- температура выпускных газов n-го цилиндра на минимальной частоте вращения;
- температура выпускных газов n-го цилиндра на максимальной частоте вращения;
k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;
n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;
p - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;
ВГ
2
α - коэффициент теплоотдачи выпускных газов, Вт/(К м);
В
2
α - коэффициент теплоотдачи воздуха Вт/(К м);
δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;
k
λ - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора Вт/(Км);
cnmin
cnmax
T; T - температура наружной стенки выпускного коллектора К в области n цилиндра на минимальной и максимальной частотах вращения соответственно;
Т** - индекс тепловой нагрузки внешней среды
вл
c
чш
вл
с1
чш
Индекс тепловой нагрузки внешней среды рассчитывается по известной формуле: Т**=0,7Т+0,1t+0.2Т, где Т температура влажного термометра, К; Т - температура сухого термометра; Т - температура внутри зачерненного шара.
min
max
Затем, комплексный показатель технического состояния рассчитывают для двух режимов: n и n. по каждому цилиндру по формуле:
n min
n max
N; N, - значения комплексного показателя на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно;
T
в
k; k - коэффициенты, учитывающие значимость температурного и вибрационного признаков соответственно;
эmin
эmax
T; T эталонная температура на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно, К;
min
V - значение скорости вибрации на минимальной частоте вращения, м/с;
min
max
V; -V значения скорости вибрации на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно, м/с;
эmin
эmax
V; -V значения эталонной скорости вибрации на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно, м/с.
По предельному отклонению комплексного показателя от критического значения определяют место неисправности и техническое состояние двигателя. По данным эксперимента предельное отклонение составляет 0,07 (7%)
Новые существенные признаки
1. Температуру выпускных газов определяют для двух режимов: работа двигателя внутреннего сгорания на минимально и на максимально устойчивых частотах вращения.
2. Определяют температуру выпускных газов с учетом тепловой нагрузки внешней среды по формулам:
где
- температура выпускных газов n-го цилиндра на минимальной частоте вращения;
- температура выпускных газов n-го цилиндра на максимальной частоте вращения;
k - коэффициент, учитывающий количество окон коллектора;
n - порядковый номер цилиндра от периферии к общему каналу;
p - показатель, зависящий от особенностей конфигурации выпускного коллектора;
ВГ
2
α - коэффициент теплоотдачи выпускных газов, Вт/(К м);
B
2
α - коэффициент теплоотдачи воздуха Вт/(К м);
δ - толщина стенки выпускного коллектора, м;
k
λ - коэффициент теплопроводности материала выпускного коллектора Вт/(К м);
cnmin
cnmax
T; T - температура наружной стенки выпускного коллектора К в области n цилиндра на минимальной и максимальной частотах вращения соответственно;
Т** - индекс тепловой нагрузки внешней среды
3. При определении технического состояния двигателя внутреннего сгорания учитывают уровень вибрации по формулам:
где
n min
n max
N; N, - значения комплексного показателя на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно;
T
в
k; k - коэффициенты, учитывающие значимость температурного и вибрационного признаков соответственно;
min
V - значение уровня вибрации на минимальной частоте вращения, Дб;
min
max
V; -V значения уровня вибрации на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно, Дб;
эmin
эmax
V; V значения эталонного уровня вибрации на минимальной и максимальной частоте вращения соответственно, Дб.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат
1. Позволяет повысить точность определения технического состояния при наличии нескольких неисправностей, неоднозначно влияющих на диагностические признаки за счет использования комплексного диагностического показателя
2. Позволяет повысить точность определения технического состояния за счет определения фактической температуры выхлопных газов с учетом тепловой нагрузки внешней среды при одновременном наличии нескольких неисправностей.
3. Позволяет расширить область применения способа диагностики обусловленную тем, что при расчете температуры выпускных газов по циклу в формуле учитываются внешние условия, влияющие на тепловое состояние коллектора: влажность воздуха, скорость движения воздуха, воздействие солнечной радиации. Таким образом, способ может быть использован как на закрытых, так и на открытых площадках.
эmin
эmax
С целью подтверждения предлагаемого способа проведены экспериментальные лабораторно-стендовые исследования. В качестве объекта исследований использовался дизельный шестицилиндровый двигатель 3Д6. На предварительном этапе исследований двигатель был приведен в исправное техническое состояние, соответствующее требованиям завода-изготовителя. В результате этого этапа исследований были получены эталонные значения температуры выпускных газов и вибрации на различных режимах работы (T и T). На втором этапе исследований производилось измерение температуры поверхности выпускного коллектора с помощью тепловизора «TESTO 885» и скорости вибрации поверхности двигателя с помощью виброметра «Ассистент V» при различных регулировках и искусственно созданных характерных неисправностях и оценивалось их влияние на техническое состояние двигателя. При этом изменялись:
- давление впрыска топливных форсунок
- угол опережения подачи топлива
- зазор клапанах газораспределительного механизма
- зазор в замке поршневых колец (неисправность цилиндро-поршневой группы-имитация изношенного двигателя)
За критерий оценки технического состояния двигателя принята потеря эффективной мощности более чем на 10%.
На фиг. 1 представлена тепловизионная фотография фрагмента (цилиндр №3) асимметричного выпускного коллектора шестицилиндрового дизеля 3Д6
T
в
По полученным экспериментальным данным получены коэффициенты k=0,6; k=0,4, учитывающие значимость температурного и вибрационного признаков соответственно.
c
вл
чш
Далее по имеющимся данным была проведена диагностика двигателя в условиях рядовой эксплуатации. После измерений диагностических признаков (около 7 минут) был проведен расчет сначала по формулам 1, 2, а затем по формулам 3, 4. Результаты расчета на примере третьего цилиндра представлены далее: 1. Исследовани проводились при температуре окружающего воздуха t=20°С. Разность температуры сухого и влажного термометров во время эксперимента составила 6°С, T=14°С. В моторном отсеке солнечная радиация отсутствовала T=0
вл
c
чш
T*=0,7T+0,1t+0.2T=0,7*14+0,1*20+0=11.8°С (284,8К)
B
ВГ
c3min
c3max
k
2
2
Коэффициент, учитывающий количество окон коллектора k=0.8; p=n-1=2; коэффициенты теплоотдачи воздуха и выхлопных газов приняты α=8 Вт/мК; α=20 Вт/мК. T и T по результатам измерений составил 52,8°С (325.8 К) и 242°С (515К) соответственно; λ=55 Вт/м град; δ=0.1 м.
Измерение уровня вибрации на минимальных и максимальных частотах холостого хода двигателя проводился с помощью виброметра «Ассистент V».
З min
По результатом расчетов сделаны выводы о имеющей место неисправности цилиндра №3, так как значение N превышает критерий, равный 0,7.
В дальнейшем поиск конкретного узла, вызывающего неисправность подтвердил неисправность, выявив заниженное давление впрыскивания форсунки цилиндра №3.
В условиях рядовой эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, при проведении диагностики, использование таких дорогостоящих приборов как «Testo» и виброметров «Ассистент» необязательно. Достаточно использовать недорогие пирометры, например АКИП-9301 и контактные виброметры, например «МЕГЕОН 09630»