СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF TECHNICAL CONDITION OF CYLINDER-PISTON GROUP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к области технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания транспортных или тяговых машин, касается определения технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания непосредственно в процессе испытаний и эксплуатации.
Известно, что при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) сжимаемый воздух и газы, образующиеся при сгорании рабочей смеси через зазоры между поршнями и цилиндрами прорываются в картер ДВС. С увеличением износа цилиндропоршневой группы указанные зазоры увеличиваются, поэтому при одних и тех же условиях работы ДВС расход картерных газов, выходящих в атмосферу, увеличивается. Если кратковременно изолировать полость картера ДВС от атмосферы, то картерные газы создадут в нем давление, причем, чем больше износ ЦПГ, тем выше будет скорость нарастания давления картерных газов. Следовательно, степень износа ЦПГ можно оценивать по скорости нарастания давления картерных газов, измеряя время от момента герметизации полости картера до момента достижения в картере заданного давления. Величину указанного времени можно использовать в качестве диагностического параметра состояния ЦПГ. Контроль этого параметра является менее сложным, чем контроль расхода картерных газов, при этом измерить время можно с большей точностью (например, осциллографом) в сравнении с измерением расхода (см. патент РФ № 2212025 С1, Способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания / В.И. Черноиванов, А.Э. Северный, А.В. Колчин, Б.Ш. Каргиев, Г.Г. Емельянов, Т.И. Забалуев, 2002).
Известно, что изменение технического состояния двигателя внутреннего сгорания транспортной или тяговой машины характеризуется непрерывным изменением прямых (структурных) и косвенных (диагностических) его параметров. Касательно систем, узлов и механизмов ДВС настоящие алгоритмы и действия осуществляются по косвенным признакам в моменты технического обслуживания, и не носят характера реального времени (см. Рекомендации по внедрению диагностической системы управления состоянием дизелей тепловозов и дизель-поездов по результатам анализа масла [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа : http://osjd.org/dbmm/download?vp=51&load=y&col_id=2066&id=1542; Никитченко, С. Л. Ресурсосберегающее управление процессами эксплуатации и технического сервиса сельскохозяйственной техники / С. Л. Никитченко, Н. П. Алексенко, А. В. Котович, И. А. Олейникова // Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование. – 2018. – № 4(44). – С. 57 – 65).
Известен способ определения технического состояния ДВС и экспертная система для его осуществления (см. патент РФ № 2078324 G01М 15/00, Бюл. № 12, 27.04.97), по которым осуществляется определение индикаторных диаграмм цилиндров, основанный на непрерывном измерении в фазе текущих значений угловых скоростей коленчатого вала, а также связывающей активные силы в цилиндре с крутящим моментом, выделении составляющей ускорения, отражающей рабочие процессы, вычисления косвенной индикаторной диаграммы цилиндра, сравнении ее с эталоном, присущим нормальному двигателю, а также с зависимостью изменения этой диаграммы при изменении состояния двигателя, классификации состояний по степени их близости. Экспертная система включает систему для регистрации и обработки индикаторных диаграмм, содержащую датчики давления в цилиндрах, усилители с коррекцией нулевой линии, аналогово-цифровые преобразователи и датчик угловых меток с отметчиком оборотов, блок управления и др.
Недостатком известного способа является косвенное определение индикаторных показателей работы двигателя, снижающее достоверность получаемых данных, ограниченность области определения технического состояния только ЦПГ двигателя, а также отсутствие возможности оперативного определения остаточного ресурса систем, узлов и механизмов двигателя внутреннего сгорания. Недостатком следует считать то обстоятельство, что при использовании такого способа требуется наличие специалистов высокой квалификации.
Известен способ диагностики технического состояния ДВС и/или трансмиссии автомобиля (см. патент РФ № 2165605 G01M15/00, Способ диагностики технического состояния двигателя внутреннего сгорания и/или трансмиссии автомобиля, 20.04.2001 Бюл. № 11), включающий измерение виброакустических сигналов с корпуса двигателя, синхронизацию сигналов, фильтрацию сигналов, их последующую обработку с определением фактических значений параметров сигналов и сравнение фактических значений параметров сигналов с уровнем опорных сигналов с получением информации о техническом состоянии двигателя и/или трансмиссии автомобиля. Согласно изобретению, перед началом диагностирования, при прокручивании двигателя и при использовании датчика давления внутри опорного цилиндра, определяют фазовые задержки между верхней мертвой точкой рабочего хода опорного цилиндра и синхросигналом рабочего цикла, а также фазы открытия и посадки клапанов механизма газораспределения. При диагностике работающего двигателя синхронизацию сигналов проводят относительно положения верхней мертвой точки рабочего хода опорного цилиндра; причем в качестве параметра сигналов используют огибающую временной реализации в определенных частотных полосах с привязкой момента начала измерения к верхней мертвой точке опорного цилиндра и фазовой селекцией сигналов с получением информации о техническом состоянии двигателя и дефектах.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности реализовать комплексный подход при диагностировании, базирующийся на обработке потоков данных от датчиков вибрации и акустики и позволяющий на основании данных по обработке скейлограмм достичь высокой достоверности результатов.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату (прототипом) являются алгоритмы обработки сигналов в интегрированной системе виброакустической и тепловой диагностики двигателей (Тарасенко, В.Е. Алгоритмы обработки сигналов в интегрированной системе виброакустической и тепловой диагностики дизельных двигателей / В.Е. Тарасенко, О.Ч. Ролич, Д.А. Михаевич // Агропанорама. – Минск, 2020. – №6 (142). – С. 38–41 (прототип), согласно которым в целях идентификации дефектов узлов и агрегатов двигателей и детектирования моментов их зарождения в масштабе реального времени каждая из взаимно пересекающихся выборок постоянной длины подвергается вычислению одномерной гистограммы и вейвлет-преобразованию. Результирующее множество статистических и вейвлет-образов исходных выборок объединяется соответственно в двухмерную гистограмму и скейлограмму в виде полутоновых изображений, отражающих статистический и вейвлет ансамбли, динамически меняющиеся при добавлении или смене выборки в потоке данных. С целью подчёркивания контуров объектов аналитического ансамбля на его полутоновое представление возможно наложение цветовой палитры. Для вычисления интегральных характеристик объектов аналитического ансамбля его изображение подвергается адаптивной пороговой обработке и сегментации. Вектор признаков дефектов строится из описания отдельных объектов сегментированного изображения аналитического ансамбля множеством метрических характеристик, в общем состоящих из цепных кодов, геометрических и энергетических центров, периметров, площадей, показателей толщины, соотношений радиусов кривизны и взаимного расположения сегментированных объектов изображения аналитического ансамбля. Окончательное решение, связанное с состоянием узлов и агрегатов двигателей и распознаванием типов дефектов, принимается на базе корреляционного анализа результирующих векторов признаков сегментированных объектов с априори вычисленными векторами аналогичных признаков известных дефектов. По форме и максимальному значению корреляционной функции оценивается состояние узлов и агрегатов, в частности, их остаточный ресурс.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности осуществления комплексного подхода при диагностировании, позволяющего достичь высокой достоверности результатов. Эффективное определение дефектов узлов и агрегатов двигателей должно дополняться возможностью определения величины износа сопрягаемых поверхностей, который наступает в процессе эксплуатации двигателя при различных режимах нагружения.
Задачей предлагаемого изобретения является выявление зарождающихся дефектов как на поверхностях деталей пар трения, так и внутренних скрытых дефектов, достоверное определение степени износа и состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания непосредственно в процессе испытаний и эксплуатации транспортных или тяговых машин.
Поставленная задача решается за счёт того, что в способе контроля технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, включающем измерение виброакустических сигналов и теплового излучения от элементов двигателя, синхронизацию и фильтрацию сигналов, анализ на основе распознавания образов дефектов и динамики деформации формы сегментированных областей в интегрированном потоке изображений скейлограмм сигналов виброакустических датчиков и гистограмм сигналов тепловизионных сенсоров, осуществляют при прокручивании коленчатого вала двигателя пусковым устройством без подачи топлива в цилиндры осуществляют контроль параметров давления газов в картерном пространстве двигателя, измерение амплитуд импульсов давления и их положения по углу поворота коленчатого вала, регистрацию их осциллограмм, оценку по ним негерметичности кольцевого уплотнения поршней пропорционально амплитудам импульсов, а также контроль акустического сигнала со встроенного микрофона и пропускают сигнал через узкополосный низкочастотный фильтр до 50 Гц, обрабатывают данные диагностирования с использованием интегрированной системы диагностики на базе беспроводной mesh-сети.
При сравнении предложенного технического решения с объектами аналогичного назначения, обнаруженными в процессе патентного поиска по доступным нам материалам, установлено, что в известных способах отсутствуют признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа.
Основываясь на вышеприведенных данных, можно заключить, что предложенный способ контроля технического состояния ЦПГ ДВС обладает существенными отличиями.
Одним из важных этапов предложенного способа диагностирования ЦПГ ДВС (только частью возможных функций) является идентификация дефекта с последующим вычислением количественных (метрических) характеристик соответствующих ему образов в интегрированной системе диагностики на базе беспроводной mesh-сети.
Процесс идентификации дефекта включает: детектирование отклонений работы двигателя внутреннего сгорания или составляющего его узла от нормального режима; принятие решения о наличии дефекта в связи с выявленным отклонением от нормального режима; классификацию дефекта и определение его типа. Последовательность обработки потоков данных, поступающих от соответствующих датчиков и микрофона, заключается в следующем.
Каждая выборка полученных сигналов подвергается вейвлет-преобразованию. Каждый из используемых типов вейвлетов порождает полную ортогональную систему функций. Результирующее множество вейвлет-образов исходных выборок объединяется в двухмерную скейлограмму в виде полутоновых изображений, отражающих вейвлет ансамбли, динамически меняющиеся при добавлении или смене выборки в потоке данных.
Объединённый образ двухмерной скейлограммы далее обобщённо именуется «аналитическим ансамблем». С целью подчёркивания контуров объектов аналитического ансамбля на его полутоновое представление возможно наложение цветовой палитры.
Анализ аналитического ансамбля как изображения проводится стандартными способами цифровой обработки изображений, заключающимися в их сегментации и вычислении интегральных характеристик сегментированных объектов.
Для вычисления интегральных характеристик объектов аналитического ансамбля, на базе которых впоследствии распознаются образы дефектов или оценивается состояние систем, узлов и механизмов ДВС, изображение аналитического ансамбля в интегрированной системе диагностики на базе беспроводной mesh-сети подвергается адаптивной пороговой обработке и сегментации. Вектор признаков дефектов строится из описания отдельных объектов сегментированного изображения аналитического ансамбля множеством метрических характеристик, в общем состоящих из цепных кодов, геометрических и энергетических центров, периметров, площадей, показателей толщины, соотношений радиусов кривизны и взаимного расположения сегментированных объектов изображения аналитического ансамбля.
Далее производится оценка состояния ЦПГ двигателя по характеру изменения давления в картере при прокручивании коленчатого вала пусковым устройством без подачи топлива. При этом картер двигателя на период разгона изолируется от атмосферы при помощи разгрузочного клапана 3 (либо иным возможным способом). Контроль параметров давления газов в картерном пространстве двигателя осуществляется датчиком давления 4, расположенным в картере двигателя.
Характер изменения давления, а именно его производная, в данном случае есть величина прямо пропорциональная расходу картерных газов, прорывающихся через неплотности ЦПГ, а расход картерных газов напрямую связан с неплотностью ЦПГ. Данные о закономерностях расхода картерных газов в зависимости от неплотностей ЦПГ различных двигателей внутреннего сгорания размещены в базе данных интегрированной системы диагностики на базе беспроводной mesh-сети.
На чертеже изображена схема реализации заявляемого способа, где 1 –двигатель внутреннего сгорания; 2 – микрофон; 3 – разгрузочный клапан; 4 – датчик давления картерных газов; 5 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 6 – интегрированная система диагностики на базе беспроводной mesh-сети (с блоком индикации).
Способ реализуют следующим образом.
На двигатель внутреннего сгорания 1 к любому каналу, имеющему прямой доступ к полости его картера, параллельно подключают микрофон 2, разгрузочный клапан 3 и датчик давления картерных газов 4. Отключают систему вентиляции картерного пространства. При отсутствии в конструкции двигателя встроенного датчика частоты вращения коленчатого вала, в кожух маховика двигателя устанавливают датчик частоты вращения коленчатого вала 5 индукционного типа. При этом будет фиксироваться отметка верхней мертвой точки и могут использоваться индуктивные датчики приборов ЭМДП, ИМД, ИМД-2М, ИМД-Ц и им подобные. Микрофон 2, датчик давления картерных газов 4, разгрузочный клапан 3 и датчик частоты вращения коленчатого вала 5 подключают к интегрированной системе диагностики на базе беспроводной mesh-сети, которая корректируется с учетом вида двигателя и его основных конструктивных параметров.
С целью уменьшения помех от газодинамического фона в картере и импульсов акустического давления от соударения деталей двигателя коленчатый вал двигателя прокручивается пусковым устройством без подачи топлива в цилиндры, а сигнал с микрофона 2 пропускается через узкополосный низкочастотный фильтр с полосой пропускания до 50 Гц.
При прокручивании коленчатого вала пусковым устройством без подачи топлива в цилиндры ДВС 1 и посредством интегрированной системы диагностики на базе беспроводной mesh-сети осуществляется измерение амплитуд импульсов давления и их положение по углу поворота коленчатого вала, а также регистрация их осциллограмм. По полученным осциллограммам интегрированная система диагностики на базе беспроводной mesh-сети 6 в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя в автоматическом режиме осуществляет оценку негерметичности кольцевого уплотнения поршней пропорционально амплитудам импульсов с выводом информации в удобном для пользователя виде.
При прокручивании коленчатого вала пусковым устройством без подачи топлива интегрированная система диагностики на базе беспроводной mesh-сети 6 держит разгрузочный клапан 3 в закрытом состоянии, разобщая картер двигателя с атмосферой, и строит характеристику изменения давления картерных газов по датчику давления картерных газов 4.
Интегрированная система диагностики на базе беспроводной mesh-сети 6 способна вести контроль иных показателей двигателя для обеспечения корректного соотношения результатов, для чего она выполнена многоканальной. По полученной характеристике используемая система 6 делает обобщенную оценку состояния цилиндропоршневой группы. Результат выводится на блок индикации.
Сообщения и массивы данных в используемой интегрированной системе диагностики на базе беспроводной mesh-сети, построенной на базе радио интерфейса BLE, передаются как в advertise-режиме, так и в режиме прямого соединения. В относительно низкоскоростном advertise-режиме портативным мобильным прибором распределения целевых указаний отдаются команды управления, в частности, команды синхронизации времени, захвата массивов данных и сигнализации об их готовности. Считывание полученных результатов из очередного модуля данных, вследствие обмена значительным объёмом информации, осуществляется по высокоскоростному выделенному BLE-каналу в режиме прямого соединения с модулем.
В качестве портативного мобильного прибора распределения целевых указаний или внешнего конфигуратора, кроме предлагаемого прибора, может выступать мобильное устройство, работающее под операционной системой Android или iOS. Это связано со стандартом Bluetooth-интерфейса, встроенного практически в любой современный мобильный прибор, со стандартным протоколом взаимодействия по Bluetooth и защитой на транспортном уровне информации, передаваемой по соответствующему радиоканалу.
Окончательный диагноз состояния цилиндропоршневой группы ДВС и распознавание типов дефектов, принимается на базе корреляционного анализа результирующих векторов признаков сегментированных объектов с априори вычисленными векторами аналогичных признаков известных дефектов. Состояние цилиндропоршневой группы оценивается по форме и максимальному значению корреляционной функции двигателя.
Алгоритм построения скейлограммы состоит из следующих этапов.
В качестве диагностических векторов сегментированного аналитического ансамбля, позволяющих идентифицировать образы зарождающихся или прогрессирующих дефектов, используются множества чисел, включающие координаты энергетических и геометрических центров сегментированных объектов, их площади и определяющие форму коэффициенты толщины.
Принятие решения о наличии, типах и степени выраженности дефектов ЦПГ ДВС основывается на анализе пространственного расположения и форме сегментированных объектов (соответствующих определённым дефектам) аналитического ансамбля, степени их обособленности и характера группировки. Динамика деформации формы сегментированных объектов оценивается по изменению их площадей и коэффициентов толщины.
При наличии базы образов дефектов их распознавание и оценка скорости развития осуществляется путём анализа значений коэффициентов корреляции между диагностическими векторами сегментированных объектов аналитического ансамбля и аналогичными векторами, принадлежащих базе образов дефектов. Своевременное обнаружение зарождения дефектов позволит повысить работоспособность ЦПГ и значительно продлить ее эксплуатационный ресурс.
Описанный способ контроля технического состояния ЦПГ ДВС с использованием алгоритмов вычисления и обработки аналитического ансамбля потока данных позволяет выявлять дефекты как на поверхностях деталей пар трения, так и внутренние скрытые дефекты и достоверно определять степень износа ЦПГ ДВС в процессе диагностирования.