Способ диагностирования клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области технической диагностики, в частности к способам диагностирования двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано для определения технического состояния газораспределительного механизма в процессе изготовления, технического обслуживания и ремонта двигателей внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение точности и достоверности определения технического состояния клапанных пружин. Способ диагностирования заключается в том, что двигатель декомпрессируют, прокручивают от внешнего привода при заданной частоте вращения, регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах полного кинематического цикла, а жесткость пружин оценивают по изменению амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости, дополнительно прокручивают декомпрессированный двигатель от внешнего привода при той же частоте вращения и регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах, что достигается установкой зазоров в клапанных механизмах, превышающих величину подъема клапанов. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технической диагностикe, в частности к способам диагностирования двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано для определения технического состояния газораспределительного механизма в процессе изготовления, технического обслуживания и ремонта двигателей внутреннего сгорания.

Известен виброакустический способ диагностирования пружин клапана двигателя внутреннего сгорания путем определения их жесткости на работающем двигателе по разности фаз посадки клапана при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя от 800-1000 мин^-1 до максимальных оборотов холостого хода. Сравнивая полученную разность фаз посадки клапана с ее номинальным значением, делают заключение о техническом состоянии пружин [1].

Недостатками этого способа являются недостаточная точность и большая трудоемкость диагностирования, а также его недостаточная универсальность. При диагностировании клапанных пружин по этому способу серьезные трудности возникают с определением места и способа установки датчика вибрации. Сигналы, идущие от отдельных клапанов, проходят до датчика различный путь и через разные среды в корпусе двигателя, поэтому их энергия будет неодинаковой, что затрудняет расшифровку получаемой информации и приводит к уменьшению точности диагностирования. Дополнительные погрешности возникают вследствие измерения фаз посадки клапанов на различных скоростных режимах работы двигателя.

Кроме того, из-за значительного разброса частот собственных колебаний основных деталей большинства модификаций двигателей создание универсального устройства для реализации указанного способа практически невозможно. Создание же ряда специализированных средств диагностирования для каждой модификации двигателей экономически и технически неоправдано. Для надежного снятия сигнала со всех клапанов по этому способу предусмотрена установка на каждый цилиндр двигателя отдельного вибродатчика, а на коленчатый вал - датчика частоты вращения, что резко увеличивает трудоемкость диагностирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ диагностирования клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания путем оценки их жесткости при заданной частоте вращения, заключающийся в том, что двигатель декомпрессируют, прокручивают от внешнего привода при заданной частоте вращения, регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах полного кинематического цикла, а жесткость пружин оценивают по изменению амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости [2].

Недостатками этого способа являются недостаточная точность и достоверность определения технического состояния клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания вследствие совместного влияния на значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах периода ее изменения жесткости клапанных пружин, принадлежащих разным цилиндрам и клапанам (впускным и выпускным). Так, в четырехцилиндровом четырехтактном рядном двигателе с порядком работы 1-2-4-3 в пределах углов поворота распределительного вала 0-90^o значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости определяются моментом сопротивления от действия сил сжатия двух клапанных пружин, обусловленных работой в этот период выпускного клапана четвертого цилиндра и впускного клапана третьего цилиндра, в пределах 90-180^o - работой выпускного клапана первого цилиндра и впускного клапана четвертого цилиндра и т.д. Это приводит к невозможности идентификации клапанных пружин и уменьшению точности и достоверности диагностирования.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения технического состояния клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания за счет исключения совместного влияния на значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах периода ее изменения жесткости клапанных пружин, принадлежащих разным цилиндрам и клапанам.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе диагностирования клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания путем оценки их жесткости при заданной частоте вращения, заключающемся в том, что двигатель декомпрессируют, прокручивают от внешнего привода при заданной частоте вращения, регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах полного кинематического цикла, а жесткость пружин оценивают по изменению амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости, дополнительно прокручивают декомпрессированный двигатель от внешнего привода при той же частоте вращения и регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах, что достигается установкой зазоров в клапанных механизмах, превышающих величину подъема клапанов.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что дополнительно прокручивают декомпрессированный двигатель от внешнего привода при той же частоте вращения и регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах, что достигается установкой зазоров в клапанных механизмах, превышающих величину подъема клапанов. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Дополнительное прокручивание декомпрессированного двигателя от внешнего привода и регистрация изменения угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах позволяет исключить совместное влияние на значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах периода ее изменения жесткости клапанных пружин, принадлежащих разным цилиндрам и клапанам. Это обеспечивается тем, что при закрытых впускных клапанах работают только выпускные клапаны и наоборот, причем в пределах каждого периода изменения угловой скорости распределительного (коленчатого) вала работает только один клапан (соответственно выпускной или впускной). В этом случае на значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости в пределах указанных угловых интервалов оказывает влияние жесткость конкретных клапанных пружин, то есть принадлежащих впускным или выпускным клапанам соответствующих цилиндров. В результате этого повышаются точность и достоверность определения технического состояния клапанных пружин.

Поскольку в современных двигателях внутреннего сгорания распределительный и коленчатый валы непосредственно связаны между собой жесткой передачей, то диагностирование клапанных пружин по предлагаемому способу можно производить по изменению угловой скорости как распределительного, так и коленчатого валов. При этом в зависимости от конструкции ДВС распределительный вал прокручивают от внешнего источника как непосредственно (двигатели автомобилей ВАЗ, АЗЛК, имеющие привод распределительного вала с помощью легкосъемной цепной или ременной передачи) или через коленчатый вал (двигатели автомобилей ГАЗ, УАЗ с неразборным в эксплуатационных условиях приводом распределительного вала).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

Hа фиг. 1 приведено изменение угловой скорости ω коленчатого вала по углу его поворота ϕ при прокручивании стартером исправного декомпрессированного двигателя ЗМЗ-2401; на фиг. 2 - то же с нарушенной жесткостью клапанных пружин, работающих в интервале 0-180^o (0 - π радиан) по углу поворота коленчатого вала; на фиг. 3 - то же при закрытых впускных клапанах всех цилиндров; на фиг. 4 - то же при закрытых впускных клапанах всех цилиндров и уменьшенной жесткостью пружины выпускного клапана 4 цилиндра (A1, A2, A4 и 3 - значения амплитуд угловой скорости коленчатого вала в пределах угловых интервалов, соответствующих порядку работы двигателя; ϕ_1max,ϕ_2max,ϕ_4max,ϕ_3max - значения фаз экстремумов максимальной величины угловой скорости коленчатого вала в указанных угловых интервалах ϕ_1min,ϕ_2min,ϕ_4min,ϕ_3min - значения фаз экстремумов минимальной величины угловой скорости коленчатого вала в этих же угловых интервалах.

Диагностирование клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания по предлагаемому способу производят в следующей последовательности (на примере четырехцилиндрового четырехтактного двигателя ЗМЗ - 2401).

На холодном двигателе при температуре 15-20^oC проверяют во всех цилиндрах зазоры между носками коромысел и стержнями клапанов, и при необходимости доводят их до нормативного значения (0,35-0,40 мм). К коленчатому валу присоединяют фотоэлектрический датчик устройства для измерения неравномерности вращения (выполненного, например, по а.с. СССР N 832480), позволяющего непрерывно измерять мгновенную угловую скорость через 1-5^o по углу поворота в пределах кинематического цикла двигателя (двух оборотов коленчатого вала или одного оборота распределительного вала). Начало измерений угловой скорости синхронизируют с верхней мертвой точкой I цилиндра соответствующей ориентацией датчика относительно положения коленчатого вала.

Затем двигатель прогревают до Т = 320-360 К охлаждающей жидкости и масла. Цилиндры двигателя декомпрессируют (карбюраторного - выворачиванием свечей зажигания, дизельного - выворачиванием форсунок). Прокручивают коленчатый вал двигателя от внешнего источника энергии (например, стартера) при заданной частоте вращения (например, при средней угловой скорости ω ≈ 30 рад. /с) и регистрируют изменение угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла двигателя (фиг. 1). По полученной зависимости определяют значения амплитуд и фаз экстремумов угловой, скорости в пределах периода ее изменения A₁= ω_imax-ω_imin,ϕ_imax,ϕ_imin. В данном случае они составляют: A₁ = 3,8 рад./с; ϕ_1max= 15°; ϕ_1min= 110°; A₂ = 3,66 рад./с; ϕ_2max= 19°; ϕ_2min= 113°; A₄ = 3,72 рад./с; ϕ_4max= 14°; ϕ_4min= 109°; A₃ = 3,75 рад./с; ϕ_3max= 18°; ϕ_3min= 111°. Сравнивают полученные значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости с их нормативными значениями (A_i = 3,6-4,3 рад./с с допустимым отклонением по цилиндрам ΔA ≅ 0,3 рад./с; ϕ_imax = 18^o ± 5^o; ϕ_imin = 112^o ± 5^o). Если полученные значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости не превышают своих нормативных значений, как в данном случае, то это указывает на нормальное техническое состояние клапанных пружин всех цилиндров, и на этом процесс диагностирования заканчивается.

В случае если полученные в процессе диагностирования значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости отклоняются от своих нормативных значений, хотя бы в пределах одного углового интервала, соответствующего периоду ее изменения, то это свидетельствует о нарушении жесткости клапанных пружин, работающих в указанном угловом интервале. По данным, приведенным на фиг. 2, при средней угловой скорости коленчатого вала ω ≈ 30 рад./с значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости составляют: A₁ = 3,03 рад./с; ϕ_1max= 15°; ϕ_1min= 86°; A₂= 3,8 рад./с; ϕ_2max= 16°; ϕ_2min= 109°; A₄ = 3,66 рад./с; ϕ_4max= 14°; ϕ_4min= 109°.

A₃ = 3,72 рад./с; ϕ_3max= 18°; ϕ_3min= 113°,.

Как видно из полученных данных, значения A_i, ϕ_imax и ϕ_imin соответствуют своим нормативным значениям только в пределах углов поворота коленчатого вала, соответствующих интервалам 180-360^o (π[ - 2π рад.), 360-540^o (2π - 3π рад. ) и 540-720^o (3π - 4π рад.). В интервале 0-180^o (0 - π рад.), амплитуда A₁ и фаза ϕ_1min/ не соответствуют своим нормативным значениям, что указывает на нарушение жесткости пружин, работающих в этот период выпускного клапана четвертого цилиндра или (и) впускного клапана третьего цилиндра.

С целью идентификации дефектных пружин дальнейшее диагностирование производят раздельно при закрытых впускных или выпускных клапанах всех цилиндров при сохранении всех остальных условий постоянными. При этом в первом случае оценивают техническое состояние пружин выпускных клапанов, а во втором - техническое состояние пружин впускных клапанов. Допустим, что сначала диагностирование пружин производит при закрытых впускных клапанах. Для этого у впускных клапанов всех цилиндров вывертывают регулировочные винты на величину, превышающую высоту подъема клапана (9,5 мм), а у выпускных клапанов всех цилиндров зазоры между коромыслами и клапанами оставляют без изменения, т. е. нормативными. Прокручивают коленчатый вал при закрытых впускных клапанах всех цилиндров и аналогично регистрируют изменение угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла двигателя (фиг. 3). По полученной зависимости определяют в пределах периода изменения угловой скорости по каждому цилиндру ее экстремальные значения и их фазовые положения по углу поворота коленчатого вала относительно ВМТ соответствующего цилиндра. В данном случае значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости составляют: A₁ = 3,15 рад./с; ϕ_1max= 4°; ϕ_1min= 99°.
A₂ = 3,2 рад./с; ϕ_2max= 7°; ϕ_2min= 101°.
A₄ = 3,23 рад./с; ϕ_4max= 5°; ϕ_4min= 98°.
A₃ = 3,2 рад./с; ϕ_3max= 6°; ϕ_3min= 100°.
Сравнивают полученные значения A_i, ϕ_imax и ϕ_imin c их нормативными значениями (A_i = 2,9-3,3 рад./с с допустимым отклонением по цилиндрам ΔA ≅ 0,3 рад./с; ϕ_imax = 6^o ± 3^o; ϕ_imin = 100^o ± 3^o). Если полученные в процессе диагностирования значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости не выходят за пределы своих нормативных значений, как в данном случае, то это свидетельствует о том, что клапанные пружины всех выпускных клапанов находятся в нормальном техническом состоянии, и дальнейшее диагностирование необходимо производить при закрытых выпускных клапанах.

Если же в процессе прокручивания коленчатого вала при закрытых впускных клапанах всех цилиндров значения амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости в пределах периода ее изменения (фиг. 4)
A₁ = 2,6 рад./с; ϕ_1max= 4°; ϕ_1min= 79°.
A₂ = 3,3 рад./с; ϕ_2max= 6°; ϕ_2min= 98°.
A₄ = 3,23 рад./с; ϕ_4max= 5°; ϕ_4min= 98°.
A₃ = 3,2 рад./с; ϕ_3max= 6°; ϕ_3min= 100°.
отличаются от нормативных, то это указывает на пониженную жесткость соответствующих клапанных пружин выпускных клапанов. Для данного случая, как видно из результатов сравнения полученных и нормативных значений амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости, измеренные в интервале углов поворота коленчатого вала 0-180^o значения A₁ и ϕ_1min выходят за пределы своих нормативных значений, что указывает на потерю жесткости пружины работающего в этом угловом интервале выпускного клапана четвертого цилиндра.

Диагностирование пружин впускных клапанов производят аналогично, но только при закрытых выпускных клапанах и соответствующих этим условиям нормативах. При этом у всех выпускных клапанов вывертывают регулировочные винты на величину, превышающую высоту подъема клапана (9,5 мм), а у всех впускных клапанов устанавливают нормативные значения зазоров между коромыслами и клапанами (0,35-0,40 мм). При этих условиях нормативными значениями амплитуд и фаз угловой скорости являются: A_i = 2,9-3,3 рад./с с допустимым отклонением по цилиндрам ΔA ≅ 0,3 рад./с; ϕ_imax = 29^o ± 3^o; ϕ_imin = 123^o ± 3^o.

Таким образом, дополнительное прокручивание декомпрессированного двигателя от внешнего привода и регистрация изменения угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах на соответствующих скоростных и температурных режимах позволяет по изменению амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах периода ее изменения идентифицировать клапанные пружины с пониженной жесткостью и за счет этого повысить достоверность диагностирования клапанных пружин.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1160262, кл. G 01 М 15/00, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1437716, кл. G 01 М 15/00, 1988 (прототип).

Формула изобретения

Способ диагностирования клапанных пружин газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания путем оценки их жесткости при заданной частоте вращения, заключающийся в том, что двигатель декомпрессируют, прокручивают от внешнего привода при заданной частоте вращения, регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала в пределах полного кинематического цикла, а жесткость пружин оценивают по изменению амплитуд и фаз экстремумов угловой скорости, отличающийся тем, что дополнительно прокручивают декомпрессированный двигатель от внешнего привода при той же частоте вращения и регистрируют изменение угловой скорости распределительного (коленчатого) вала по углу его поворота в пределах полного кинематического цикла поочередно при закрытых впускных или выпускных клапанах, что достигается установкой зазоров в клапанных механизмах, превышающих величину подъема клапанов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4