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).
Существующие способы оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания предполагают измерение параметров при номинальной загрузке каждого цилиндра отдельно, поочередной загрузке части цилиндров или загрузке всех цилиндров одновременно. В качестве диагностических параметров предложены частота вращения и ускорение коленчатого вала, виброускорение блока цилиндров, а также импульс силы на опорах двигателя, образующийся на такте сгорания и расширения соответствующего цилиндра. Реализация предложенных способов оценки неравномерности работы цилиндров двигателя не обеспечивает должной достоверности измерений и чувствительности диагностического сигнала, так как при номинальной загрузке двигателя незначительное изменение параметров технического состояния может не влиять на характер формирования рассматриваемых диагностических параметров в момент измерения, но может привести к отказу двигателя при последующей его эксплуатации. К тому же вывод двигателя в тестовый режим работы для проведения измерений существенно увеличивает трудоемкость диагностирования и расход топливо-смазочных материалов. Неравномерность работы цилиндров двигателя с целью оценки его технического состояния можно определить при работе в режиме холостого хода с минимальной частотой вращения коленчатого вала по величине приращения силы на опорах, образуемой на такте сгорания и расширения каждого цилиндра, так как при таком режиме работы двигателя даже незначительное отклонение параметров его технического состояния от номинальных значений существенно влияет на характер изменения регистрируемых сил на опорах.
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 его реализация 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 неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания [3], заключающийся в том, что двигатель загружают 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 по 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, вычисляют коэффициент неравномерности, сравнивают полученное значение коэффициента с номинальным значением и делают вывод о неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Данный способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя является простым в реализации, предполагает возможность проведения диагностирования непосредственно при производственной эксплуатации машин, однако при номинальной частоте вращения коленчатого вала время силового действия двигателя на опоры за такт сгорания и расширения каждого цилиндра минимально, что существенно снижает величину возникающего в опорах импульса сил и, соответственно, чувствительность диагностического параметра. В результате влияние отклонения параметров топливоподачи и технического состояния цилиндропоршневой группы на величину импульса силы на опорах при заданном режиме работы двигателя может не проявиться.
Реализация подобной методики оценки неравномерности работы цилиндров двигателя при работе в режиме холостого хода с минимальной частотой вращения коленчатого вала позволит оценить техническое состояние двигателя в целом и эффективность работы каждого цилиндра в отдельности при максимальной чувствительности диагностического параметра.
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, устанавливают минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу, после чего с периодом 2 градуса поворота коленчатого вала фиксируют силы, возникающие на опорах двигателя, сопоставляют полученные значения сил с положением поршня соответствующего цилиндра в верхней мертвой точке начала такта сгорания и расширения, строят аппроксимирующие зависимости изменения силы на каждой опоре двигателя от угла поворота коленчатого вала, на полученных зависимостях определяют максимальные значения силы на такте сгорания и расширения и минимальные значения силы на такте сжатия каждого цилиндра, по разности максимальных и минимальных значений вычисляют приращение силы на каждой опоре для каждого цилиндра отдельно и определяют среднее по опорам приращение силы для каждого цилиндра за один рабочий цикл двигателя, затем вычисляют среднее приращение силы для каждого цилиндра не менее чем за пять рабочих циклов двигателя, устанавливают максимальное и минимальное усредненные за пять рабочих циклов значения приращения силы, вычисляют коэффициент неравномерности, сравнивают полученное значение коэффициента с номинальным значением и делают вывод о неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
I
II
III
IV
ij
гj
гj
j
iI
iII
iIII
iIV
На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки с обозначением сил, возникающих в кривошипно-шатунном механизме и на опорах при работе двигателя в режиме холостого хода. На фиг. 2 - аппроксимирующая зависимость силы на i-й опоре от угла поворота коленчатого вала при работе четырехтактного четырехцилиндрового дизельного двигателя с минимальной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу , где 1, 2, 3 и 4 - преобразователи силы, штатный датчик частоты вращения коленчатого вала, штатный датчик положения распределительного вала и измерительное устройство соответственно; τ, τ, τ, τ - продолжительность такта сгорания и расширения соответственно 1, 2, 3 и 4-го цилиндров, град.; i - номер опоры; j - номер цилиндра; F - сила на i-й опоре, создаваемая j-м цилиндром при работе двигателя, Н; p - давление газов в надпоршневом пространстве j-го цилиндра на такте сгорания и расширения, МПа; Р - 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 стенке j-го цилиндра, Н; ϕ - угол поворота коленчатого вала двигателя, град.;  - максимальные значения силы на i-й опоре, возникающие на такте сгорания и расширения 1, 2, 3 и 4-го цилиндра соответственно, Н;  - минимальные значения силы на i-й опоре, возникающие на такте сжатия 1, 2, 3 и 4-го цилиндра соответственно, Н; ΔF, ΔF, ΔF, ΔF - приращение силы на i-й опоре на такте сгорания и расширения соответственно 1, 2, 3 и 4-го цилиндра, Н.
Предложенный способ может быть реализован следующим образом.
ij
ij
j
В штатные опоры ДВС устанавливают преобразователи силы 1 таким образом, чтобы силы 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 устанавливают минимальную устойчивую частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу. После чего измерительным устройством 4 с периодом 2 градуса поворота коленчатого вала фиксируют силы на опорах F, возникающие вследствие одновременного действия боковых сил N каждого цилиндра на остов двигателя, сопоставляют полученные значения сил на опорах с положением поршня соответствующего цилиндра в верхней мертвой точке начала такта сгорания и расширения. Затем строят аппроксимирующие зависимости изменения силы на каждой опоре двигателя от угла поворота коленчатого вала  (см. фиг. 2), на полученных зависимостях определяют максимальные значения силы на такте сгорания и расширения и минимальные значения силы на такте сжатия каждого цилиндра, по разности максимальных и минимальных значений вычисляют приращение силы на каждой опоре для каждого цилиндра отдельно по формуле:
Определяют среднее по опорам приращение силы для каждого цилиндра  за один рабочий цикл двигателя по формуле:
р - количество опор двигателя, шт.
Затем вычисляют среднее приращение силы для каждого цилиндра  не менее чем за пять рабочих циклов двигателя по формуле:
где q - количество циклов работы двигателя.
- среднее по опорам приращение силы, создаваемое j-м цилиндром за n-й цикл работы двигателя, Н.
Устанавливают максимальное  и минимальное  усредненные не менее чем за пять рабочих циклов значения приращения силы и вычисляют коэффициент неравномерности работы цилиндров двигателя по формуле:
сравнивают полученное значение коэффициента неравномерности с номинальным значением  и делают вывод о неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Следует подчеркнуть, что силы на опорах образуются за счет одновременного действия боковых сил TV всех цилиндров, поэтому минимальные значения силы на i-й опоре , возникающие на такте сжатия соответственно 1, 2, 3 и 4-го цилиндров одновременно являются минимальными значениями сил тактов сгорания и расширения предыдущих по ходу работы цилиндров, т.е. 2, 4, 1 и 3-го цилиндров соответственно и наоборот, максимальные значения сил на тактах сгорания и расширения цилиндров являются максимальными значениями сил, регистрируемых на тактах сжатия следующих по ходу работы цилиндров. Поэтому при расчете приращения сил важно сделать правильное сопоставление максимальных и минимальных значений сил с соответствующими тактами работы цилиндров
За нулевое значение силы на каждой опоре принимается сила, создаваемая 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.
Таким образом, используя простые средства измерений, представляется возможным оценить неравномерность работы цилиндров, характеризующую техническое состояние двигателя в целом и эффективность работы каждого цилиндра в отдельности.
Список источников
1. А.с. №785671, МПК G01M 15/00. Способ определения неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания / В.И. Вельских, Н.Т. Иванов - №2317722/25-06; заявл. 23.01.1976, опубл. 07.12.1980. Бюл. №45.
2. Пат. №2053491, МПК G01M 15/00. Способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания / А.И. Прыгунов - №506497/06; заявл. 03.08.1992, опубл. 27.01.1996 г.
3. Пат. №2772163, МПК G01M 15/04. Способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Курносое, Ю.А. Гуськов, Д.А. Домнышев и др. - №2021136872; заявл. 13.12.2021, опубл. 18.05.2022 г. Бюл. №14.