Способ определения расхода картерных газов двигателя внутреннего сгорания и расходомер для осуществления этого способа

Изобретения предназначены для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по расходу газов, прорывающихся в картер из камеры сгорания через кольцевые уплотнения поршней. На прогретом двигателе открывают маслозаливную горловину картера и после герметизации картерного пространства устанавливают на горловину корпус расходомера, в газоходном канале которого установлен дроссель. Для данного типа двигателя в качестве дросселя используют каждую из двух сменных диафрагм с разными величинами площадей проходных сечений, наименьшая из которых выбирается из заданного условия. После вывода двигателя на заданный установившийся режим работы определяют расход картерных газов по перепаду давления на дросселе и площади проходного сечения дросселя путем двух измерений одного из двух указанных параметров при двух заданных значениях другого параметра с использованием приведенной зависимости. Изобретения обеспечивают точное и достоверное измерение расхода при одновременном снижении трудоемкости. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области технического диагностирования и может быть использовано для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания по расходу газов, прорывающихся в картер из камеры сгорания через кольцевые уплотнения поршней.

Проведение оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания по расходу прорывающихся в картер газов широко известно. Так из описания к авторскому свидетельству SU 1589090 А1 (МПК⁵ G 01 L 13/00, 1990) известен способ определения расхода картерных газов двигателя внутреннего сгорания, включающий вывод двигателя на заданный установившийся режим работы, герметизацию картерного пространства, дросселирование потока газов, выходящего из картера через маслозаливное отверстие, и определение расхода картерных газов по перепаду давления на дросселе и площади проходного сечения дросселя путем измерения одного из двух указанных параметров при заданном значении другого параметра. В указанном техническом решении расход картерных газов определяют по площади проходного сечения дросселя (площади регулируемой щели) при заданной величине перепада давления на дросселе.

Из вышеуказанного авторского свидетельства известен также расходомер картерных газов, содержащий корпус с газоходным каналом и основанием, приспособленным для герметичного сообщения газоходного канала с маслозаливной горловиной двигателя, дроссель, установленный в газоходном канале, и измеритель перепада давления газов на дросселе. Дроссель выполнен в виде регулируемой щели, а измеритель перепада давления - в виде дифференциального жидкостного манометра.

Недостатком известного способа является неудовлетворительная достоверность определения расхода, так как в результате измерения не учитывается некоторое количество газов, уходящих из картера, минуя измерительный прибор (расходомер), через такие возможные неплотности картерного пространства, как, например, передний и задний сальники коленчатого вала, масляные каналы, выполненные в блоке цилиндров и связывающие картерное пространство с полостью крышки головки блока цилиндров и др. Таким образом, величина расхода картерных газов, определяемая по известному способу, как правило, меньше действительной.

Чтобы минимизировать выход картерных газов через вышеуказанные возможные неплотности картерного пространства, измерения следует проводить при минимально возможном значении перепада давления на дросселе известного расходомера. Однако вследствие значительных скачков давления газов даже на установившемся режиме работы двигателя трудно зафиксировать заданный минимально возможный перепад давления, что отрицательно сказывается на точности определения расхода картерных газов и трудоемкости работ с известным расходомером.

Основной задачей настоящего изобретения является получение способа определения расхода картерных газов, который обеспечил бы достаточную достоверность измерений путем учета утечек газов из картера через вышеназванные неплотности, а также создание конструкции устройства (расходомера) для осуществления этого способа, которое обеспечило бы достаточную точность измерений и снижение трудоемкости работ.

Дополнительные задачи настоящего изобретения - обеспечение защиты дросселя от загрязнения парами масла, содержащимися в картерных газах, а также снижение погрешности измерений путем уменьшения пульсаций давления картерных газов на дросселе и путем уменьшения охлаждения картерных газов и конденсации их водяных паров в расходомере.

Применительно к предложенному способу решение указанной основной задачи достигается тем, что в способе, включающем вывод двигателя на заданный установившийся режим работы, герметизацию картерного пространства, дросселирование потока газов, выходящего из картера через маслозаливное отверстие, и определение расхода картерных газов по перепаду давления на дросселе и площади проходного сечения дросселя путем измерения одного из двух указанных параметров при заданном значении другого параметра, в соответствии с настоящим изобретением дополнительно измеряют один из указанных параметров при втором заданном значении другого параметра, а действительный расход Q_д картерных газов определяют по зависимости:

где С_д - коэффициент расхода дросселя;

ΔР₁ и ΔР₂ - перепады давления на дросселе соответственно при первом и втором измерениях;

F₁ и F₂ - площади проходного сечения дросселя соответственно при первом и втором измерениях.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим.

Массовый расход текучей среды, в том числе и газов, проходящей через дросселирующее отверстие, можно определить по общеизвестному уравнению:

где Q - массовый расход текучей среды;

С - постоянный коэффициент расхода;

F - площадь проходного сечения отверстия;

ΔР - перепад давления на отверстии.

Исходя из этого уравнения, а также из того, что действительный расход газов, прорывающихся в картер двигателя при установке расходомера на маслозаливной горловине картера, определяется суммой расхода газов, выходящих из картера через маслозаливное отверстие, и расхода газов, выходящих из картера через возможные неплотности картерного пространства, для двух значений перепада давления на дросселе расходомера могут быть составлены два уравнения:

для ΔP₁:

для ΔP₂:

где ΔP₁ и ΔP₂ - перепады давления на дросселе расходомера, соответствующие двум различным величинам проходных сечений дросселя F₁ и F₂ соответственно;

Q_д1 и Q_д2 - действительные расходы картерных газов, определенные при двух различных перепадах давления ΔP₁ и ΔР₂ соответственно;

Q₁ и Q₂ - расходы картерных газов, выходящих из картера через маслозаливное отверстие при перепадах давления ΔР₁ и ΔР₂ соответственно;

Q_н1 и Q_н2 - расходы картерных газов, выходящих из картера через возможные неплотности картерного пространства при перепадах давления ΔР₁ и ΔР₂ соответственно;

С_д1 и С_д2 - коэффициенты расхода дросселя расходомера при перепадах давления ΔP₁ и ΔР₂ соответственно;

С_н1 и С_н2 - коэффициенты расхода возможных неплотностей картерного пространства при перепадах давления ΔP₁ и ΔP₂ соответственно;

F_н - суммарная площадь возможных неплотностей картерного пространства.

Т.к. при обоих значениях перепада давления измерение расхода газов, прорывающихся в картер двигателя, проводится на одном и том же установившемся режиме его работы, то величина действительного расхода Q_д, определяемого при двух значениях ΔP₁ и ΔP₂ и соответственно F₁ и F₂, должна быть одинаковой, т.е. Q_д=Q_д1=Q_д2. Тогда правые части уравнений (2) и (3) равны друг другу:

Предварительные исследования и расчеты показали, что для диапазонов практически используемых значений перепадов давления (меньше 0,1 кг/см²), площадей проходного сечения дросселя и получаемых значений расходов картерных газов можно с высокой степенью точности принять, что коэффициенты расхода дросселя и возможных неплотностей картерного пространства постоянны при различных значениях перепада давления, т.е. С_д1=С_д2=С_д, а С_н1=С_н2=С_н, тогда

Откуда

Подставив полученное выражение для С_нF_н в уравнение (1), окончательно получим:

Определение расхода картерных газов по зависимости (4) позволяет учесть утечки газов через возможные неплотности картерного пространства и тем самым повысить достоверность измерений.

Применительно к предложенному устройству решение основной задачи достигается тем, что расходомер картерных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с газоходным каналом и основанием, приспособленным для герметичного сообщения газоходного канала с маслозаливной горловиной двигателя, дроссель, установленный в газоходном канале, и измеритель перепада давления газов на дросселе, согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере две сменные диафрагмы с разными величинами площадей проходных сечений, образующие по меньшей мере одну пару диафрагм, каждая из которых предназначена для использования в качестве дросселя, причем площадь F наименьшего проходного сечения в паре диафрагм выбрана из условия:

где N_e - номинальная величина эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания;

к - коэффициент пропорциональности между номинальной величиной эффективной мощности N_e двигателя внутреннего сгорания и допустимой величиной расхода Q_доп картерных газов для этого двигателя;

С_д - коэффициент расхода дросселя;

ΔP_max - максимальная величина перепада давления, которую можно создать на дросселе при проведении измерений расхода картерных газов (применительно к проверяемому типу двигателя).

Формула (5) получена на основании следующего. Известно, что допускаемая (без ремонтного вмешательства) величина расхода картерных газов Q_доп прямо пропорциональна номинальной величине эффективной мощности N_e двигателя, т.е.

Q_доп=к N_e.

Используя уравнение (1), получим где

F_i - площадь проходного сечения i-й диафрагмы, т.е. по меньшей мере первой или второй диафрагмы;

ΔP_i - перепад давления на i-й диафрагме.

При этом существует определенное максимально допустимое (предельное) значение давления ΔP_max картерных газов для определенных типов двигателей. Так для большинства дизельных автотракторных двигателей по данным конструкторских бюро их заводов-изготовителей можно принять ΔP_max=0,1 кг/см² (1 м вод.ст.). Поэтому площадь F проходного сечения наименьшей диафрагмы (площадь наименьшего проходного сечения) не должна быть меньше определенной величины, а именно

Для обеспечения защиты дросселя (диафрагм) от загрязнения парами масла картерных газов, а также для уменьшения пульсаций давления газов расходомер может быть снабжен установленным в газоходном канале перед диафрагмой защитным экраном в виде набора наклонных маслоотбойных пластин.

С целью уменьшения погрешности измерений вследствие охлаждения картерных газов и конденсации их водяных паров в расходомере его корпус может быть изготовлен из материала с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, например из полистирола. С этой же целью корпус может быть покрыт изнутри пленкой теплоизолирующего материала, например смазочного масла. Указанные выполнения корпуса препятствуют охлаждению и конденсации картерных газов в расходомере.

Следует уточнить, что как в указанном известном, так и в заявленном технических решениях под герметизацией картерного пространства понимается закрытие пробками отверстий сапуна и под масломерную линейку при обеспечении герметичного сообщения газоходного канала расходомера с маслозаливной горловиной двигателя.

На чертеже представлена схема предложенного устройства (расходомера).

Предложенный расходомер содержит полый цилиндрический корпус 1, внутри которого образован газоходный канал 2. Корпус 1 изготовлен из полистирола и покрыт изнутри пленкой смазочного масла. В основании корпуса 1, предназначенном для установки на маслозаливную горловину двигателя, имеется кольцевое уплотнение 3 для обеспечения герметичного сообщения канала 2 с указанной горловиной. В канале 2 на его выходе установлен дроссель в виде сменной диафрагмы 4, крепящейся в своем посадочном месте посредством, например, резьбового соединения с уплотнением. Расходомер имеет также измеритель давления в виде манометра 5, подключенного к каналу 2 перед диафрагмой 4, для измерения давления картерных газов. В комплект расходомера входят по меньшей мере две сменные диафрагмы 4 с разными величинами площадей проходных сечений, причем площадь F наименьшего проходного сечения выбрана из условия, определенного указанным выше уравнением (5). В состав расходомера может входить и большее количество сменных диафрагм для обеспечения расчета расхода картерных газов для разных типов двигателей по уравнению (4), при этом величина наименьшего проходного сечения в каждой паре диафрагм удовлетворяет условию по уравнению (5).

В канале 2 перед диафрагмой 4 установлен защитный экран 6 в виде набора наклонных маслоотбойных пластин. Такие пластины можно получить в виде отогнутых секторов круглого диска, образованных между выполненными в нем радиальными прорезями.

Предложенный способ измерения расхода осуществляют с использованием предложенного расходомера следующим образом.

На прогретом двигателе открывают маслозаливную горловину картера и герметизируют картерное пространство (закрывают пробками отверстия сапуна и под масломерную линейку). Корпус 1 расходомера устанавливают на маслозаливную горловину, обеспечив герметизацию стыка с помощью уплотнения 3. Выводят двигатель на заданный установившийся скоростной режим (номинальные или минимально-устойчивые обороты) и выдерживают его постоянным в течение измерений.

Для данного типа двигателя используют две диафрагмы 4 с разными величинами проходного сечения, выбранными из условия по уравнению (5). Сначала устанавливают диафрагму с наименьшим проходным сечением F₁ и манометром 5 измеряют перепад давления ΔP₁ на ней. Затем устанавливают вторую диафрагму из выбранной пары диафрагм, имеющую площадь проходного сечения F₂, и аналогично измеряют перепад давления ΔР₂. По измеренным величинам ΔP₁ и ΔР₂ при выбранных величинах F₁ и F₂, используя уравнение (4), вычисляют действительный расход Q_д картерных газов.

Как отмечено выше, при выборе диафрагм для большинства дизельных автотракторных двигателей принимают ΔР_доп=1 м вод.ст. Величину коэффициента к принимают в пределах от 0,45 до 0,6.

Площадь проходного сечения F₂ второй диафрагмы выбирают из тех соображений, что, с одной стороны, величина F₂ должна в достаточной степени отличаться от F₁ (при F₂>F₁), а с другой стороны, величину F₂ следует выбрать такой, чтобы величина соответствующего ей ΔР₂ составляла около 1/3 диапазона шкалы манометра, когда обеспечивается наибольшая точность измерения.

Из вышеизложенного должно быть понятно, что в заявленном техническом решении отпадает необходимость измерений при минимально возможном перепаде давления картерных газов (измерения возможны во всем диапазоне от 1 м вод.ст. и ниже), поэтому обеспечиваются более стабильные показания манометра, что позволяет получить более точные результаты измерений и в целом снизить трудоемкость работ несмотря на двукратное измерение ΔР.

В вышеприведенных зависимостях используются массовые значения расхода Q_м картерных газов. Однако должно быть также понятно, что для вычисления объемных значений расхода Q_об эти зависимости могут быть легко преобразованы с учетом плотности ρ картерных газов, при этом Q_об=Q_м/ρ. Преобразованные таким образом зависимости входят в объем настоящего изобретения.

Сопоставив полученное действительное значение расхода картерных газов с нормативным, можно сделать вывод о техническом состоянии цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания.

1. Способ определения расхода картерных газов двигателя внутреннего сгорания, включающий вывод двигателя на заданный установившийся режим работы, герметизацию картерного пространства, дросселирование потока газов, выходящего из картера через маслозаливное отверстие, и определение расхода картерных газов по перепаду давления на дросселе и площади проходного сечения дросселя путем измерения одного из двух указанных параметров при заданном значении другого параметра, отличающийся тем, что дополнительно измеряют один из указанных параметров при втором заданном значении другого параметра, а действительный расход Q_д картерных газов определяют по зависимости

где С_д - коэффициент расхода дросселя;

ΔР₁ и ΔР₂ - перепады давления на дросселе соответственно при первом и втором измерениях;

F₁ и F₂ - площади проходного сечения дросселя соответственно при первом и втором измерениях.

2. Расходомер картерных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с газоходным каналом и основанием, приспособленным для герметичного сообщения газоходного канала с маслозаливной горловиной двигателя, дроссель, установленный в газоходном канале, и измеритель перепада давления газов на дросселе, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере две сменные диафрагмы с разными величинами площадей проходных сечений, образующие по меньшей мере одну пару диафрагм, каждая из которых предназначена для использования в качестве дросселя, причем площадь F наименьшего проходного сечения в паре диафрагм выбрана из условия

где N_e - номинальная величина эффективной мощности двигателя внутреннего сгорания;

к - коэффициент пропорциональности между номинальной величиной эффективной мощности N_e двигателя внутреннего сгорания и допустимой величиной расхода Q_доп картерных газов для этого двигателя;

С_д - коэффициент расхода дросселя;

ΔР_max - максимальная величина перепада давления, которую можно создать на дросселе при проведении измерений расхода картерных газов.

3. Расходомер по п.2, отличающийся тем, что он снабжен установленным в газоходном канале перед диафрагмой защитным экраном в виде набора наклонных маслоотбойных пластин.

4. Расходомер по п.2, отличающийся тем, что корпус изготовлен из материала с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью.

5. Расходомер по п.4, отличающийся тем, что корпус изготовлен из полистирола.

6. Расходомер по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что корпус покрыт изнутри пленкой теплоизолирующего материала.

7. Расходомер по п.6, отличающийся тем, что в качестве теплоизолирующего материала использовано смазочное масло.