Способ диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2374613:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Восточно-Сибирский государственный технологический университет (RU)
Группа изобретений относится к диагностике элементов газораспределительного механизма ДВС. Способ заключается в измерении характера разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала двигателя, синхронизации данных зависимостей разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания от времени с сигналом положения поршня в «верхней мертвой точке» на такте сжатия. При этом математически описываются процессы, происходящие в газораспределительном механизме в зависимости от параметров технического состояния в режиме тестового воздействия, выявляется диагностический параметр, а обработку, анализ и регистрацию характеристик изменения воздушного потока в зависимости от времени выполняют с применением программы ЭВМ, кроме того, диагностирование элементов газораспределительного механизма выполняют в динамическом режиме. Приведен пример устройства. Такое выполнение повысит точность и оперативность диагностирования. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Группа изобретений относится к диагностике элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания и может быть использована на станциях диагностики, на предприятиях автомобильного сервиса, для проверки элементов пневматических цепей в других областях техники.
Известен способ диагностирования газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, предусматривающий определение неисправности газораспределительного механизма непосредственно на автомобиле с помощью электронного стетоскопа «Экранас», который позволяет: определить несоответствующее состояние клапанов, несоответствующую регулировку тепловых зазоров клапанов или дефект гидрокомпенсаторов, несоответствующее состояние распределительного вала, его подшипников или элементов привода механизма газораспределения. Такой способ диагностирования газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания может существовать только при наличии опытных операторов, которые обладают широким диапазоном знаний в данной области (см. Епифанов Л.И., Епифанова Е.А. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. - М.: ФОРУМ: Инфра. - М., 2006, с.87).
Недостатками данного способа диагностирования являются: продолжительность диагностирования во времени, необходимость специальных знаний методов диагностики двигателей, невысокая точность постановки диагноза в связи с высокой зависимостью от квалификации оператора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой группе изобретений, а именно способу диагностирования газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, является способ, который основан на измерении разрежения воздуха во впускном трубопроводе и его постоянстве. Величина и стабильность разрежения во впускном трубопроводе двигателя характеризуется скоростным напором воздуха и потерь напора, обусловленных компрессией, сопротивлением воздушного фильтра, неплотностью клапанов, неравномерностью рабочих процессов и т.д. Разрежение измеряют манометром, присоединяемым к впускному трубопроводу. Перед проверкой состояния механизмов двигателя внутреннего сгорания устраняют неисправности систем питания и зажигания. Ориентировочные нормативы разрежения при исправном состоянии двигателя составляют: при прокручивании коленчатого вала стартером 500-570 гПа, а при режиме холостого хода 640-745 гПа (см. Беднарский В.В. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Учебник. - Ростов н/Д: Феникс, 2005, с.120).
Однако недостатками известного способа диагностирования газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания являются недоработки, присущие как самим приборам, так и способу, являющемуся основой постановки диагноза, в котором оператор является ключевым звеном, и все недостатки, присущие оператору, отражаются на качестве диагностирования, которые заключаются в следующем: невысокая оперативность диагностирования, оператору необходимо время для анализа получаемой информации, проведение дополнительных измерений и тестовых воздействий, кроме того, такой способ не предусматривает автоматизацию ни самого процесса диагностирования, ни тестовых воздействий.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой группе изобретений, а именно устройству, является устройство для диагностирования газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, содержащее манометр с резьбовым штуцером для подключения, трубчатую пружину, соединенную со штуцером, стрелку и кинематический узел, состоящий из поводка, зубчатого сектора и зубчатой шестерни (трибки), закрепленной соосно со стрелкой, и противодействующей спиральной пружины (см. Беднарский В.В. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Учебник. - Ростов н/Д: Феникс, 2005, с.120).
Недостатками известного устройства являются не высокая оперативность диагностирования, возможность выполнения диагностирования лишь в статическом режиме, выполнение только общей диагностики, недостаточный уровень автоматизации диагностирования.
Заявленная группа изобретений направлена на решение технической задачи, заключающейся в автоматическом определении неисправного элемента в газораспределительном механизме двигателей внутреннего сгорания или возможного его отклонения от нормативных параметров, не влияющих на работоспособность механизма в целом, но приводящих к изменению эксплуатационных параметров автомобиля.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение точности и оперативности диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, повышение эффективности смесеобразования в цилиндрах двигателя, улучшение топливно-экономических характеристик, тягово-скоростных характеристик, уменьшение токсичных компонентов в отработавших газах.
Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания путем измерения разрежения во впускном трубопроводе двигателя, согласно изобретению во впускном трубопроводе двигателя устанавливают датчик разрежения воздуха, подсоединяют датчик положения коленчатого вала, принудительно прокручивают коленчатый вал двигателя и измеряют характер изменения разрежения во впускном трубопроводе в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала, получают зависимость разрежения во впускном трубопроводе двигателя от времени в режиме принудительного прокручивания и синхронизируют данные зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе двигателя от времени с сигналом положения поршня в «верхней мертвой точке» на такте сжатия, выявляют диагностический параметр, а диагностирование выполняют в динамическом режиме.
Достижение обеспечиваемого технического результата стало возможным благодаря устройству диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, содержащему датчик разрежения воздуха с манометром, установленным на впускном трубопроводе двигателя, датчик положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, причем датчики соединены с блоком питания и аналогово-цифровым преобразователем, последний соединен с электронно-вычислительной машиной, на манометре установлена платформа с возможностью возвратно-поступательного перемещения, аналогово-цифровой преобразователь выполнен в виде микросхемы, расположен вблизи платформы и закреплен на печатной плате, установленной на корпусе манометра, на печатной плате установлены оптический элемент слежения и светодиод для посылания пучка света в область подвижной платформы с возможностью отражения от ее поверхности и поступления на оптический элемент слежения, а затем сигнал поступает в микросхему и электронно-вычислительную машину.
Отличительными особенностями предлагаемого способа диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания являются:
- установка во впускном трубопроводе двигателя датчика разрежения воздуха с манометром, подсоединение датчика положения коленчатого вала, принудительное прокручивание коленчатого вала двигателя, измерение характера изменения разрежения во впускном трубопроводе в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала, что позволяет определить значения параметров разрежения воздушного потока;
- получение зависимости разрежения во впускном трубопроводе двигателя от времени в режиме принудительного прокручивания и синхронизация данных зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе двигателя от времени с сигналом положения поршня в «верхней мертвой точке» на такте сжатия обеспечивают соответствие значений параметров разрежения воздушного потока положению поршня двигателя внутреннего сгорания;
- выявление диагностического параметра и выполнение диагностирования в динамическом режиме позволят без разборочных операций произвести диагностику объекта, определять функциональные связи между параметрами технического состояния и диагностическими параметрами.
Новыми отличительными конструктивными признаками заявляемого устройства для диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания являются: установка датчика разрежения воздуха с манометром, установленного на впускном трубопроводе двигателя; установка датчика положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания; соединение датчиков с блоком питания и аналогово-цифровым преобразователем (АЦП); соединение АЦП с электронно-вычислительной машиной; установка на манометре платформы с возможностью возвратно-поступательного перемещения; выполнение аналогово-цифрового преобразователя в виде микросхемы, расположение его вблизи платформы и закрепление на печатной плате, установленной на корпусе манометра; установка на печатной плате оптического элемента слежения и светодиода для посылания пучка света в область подвижной платформы с возможностью отражения от ее поверхности и поступления на оптический элемент слежения; поступление сигнала в микросхему и электронно-вычислительную машину.
Заявляемая совокупность отличительных признаков в формуле изобретения на группу изобретений соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень», так как заявитель не выявил источники информации по патентной и научно-технической документации, включающие признаки, сходные или эквивалентные отличительным признакам формулы изобретения, и обеспечивает, согласно способу диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания и устройства для его осуществления, повышение точности и оперативности диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, повышение эффективности смесеобразования в цилиндрах двигателя, улучшение топливно-экономических характеристик, тягово-скоростных характеристик, уменьшение токсичных компонентов в отработавших газах.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообразных объектов образует единый изобретательский замысел, причем один из заявляемых объектов группы - способ диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания предназначен для использования в другом заявляемом объекте группы - устройстве для диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи - автоматическое определение неисправного элемента газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания с получением единого технического результата, заключающегося в повышении точности и оперативности диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, повышении эффективности смесеобразования в цилиндрах двигателя, улучшении топливно-экономических характеристик, тягово-скоростных характеристик, уменьшении токсичных компонентов в отработавших газах.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема диагностического стенда для прокручивания двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 изображена принципиальная схема датчика разрежения воздуха, на фиг.3 изображен график зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе от времени, на фиг.4 изображен общий вид программы для ЭВМ в ходе измерения зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе от времени, на фиг.5 показано состояние элементов газораспределительного механизма ДВС марки Toyota 5A-FE в исправном состоянии, на фиг.6 показано состояние элементов газораспределительного механизма ДВС марки Toyota 5A-FE в неисправном состоянии.
Предлагаемое устройство содержит электродвигатель 1, соединенный с цепным вариатором 2 и цилиндрическим редуктором 3, последний соединен с помощью карданной передачи 4 с коленчатым валом (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания. Электродвигатель 1 подключен к сети питания 380 В. Блок питания (+12 В) 5 соединен с датчиком 6 положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и с датчиком 7 разрежения воздуха (см. фиг.1).
Для измерения выходного сигнала, а именно величины изменения разрежения во впускном трубопроводе 8 в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания, необходимо с достаточной степенью точности измерять требуемые диагностические параметры газораспределительного механизма, для чего на впускном трубопроводе 8 установлен датчик 7 разрежения воздуха с манометром 9 для выполнения той функции устройства, которая позволяет в зависимости от величины разрежения воздушного потока обеспечивать возвратно-поступательное перемещение платформы 10, установленной на манометре 9. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 11 выполнен в виде микросхемы 12 и расположен вблизи от платформы 10. Светодиод 13 установлен на печатной плате 14 и предназначен для посылания пучка света в область подвижной платформы 10 с возможностью отражения от ее поверхности и поступления на оптический элемент слежения 15, установленный на печатной плате 14, а затем сигнал поступает в микросхему 12 АЦП 11 и электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 16. Датчик 6 положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и датчик 7 разрежения воздуха соединены с АЦП 11, последний соединен с ЭВМ 16. АЦП 11 закреплен на печатной плате 14, установленной на корпусе манометра 9.
Сущность предлагаемого способа диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания заключается в анализе областей локальных диагнозов (ОЛД) на характеристиках изменения разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе 8 в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания (см. фиг..3), где:
- Д1 - Область локального диагноза (ОЛД), характеризующая процесс открытия впускного клапана (на фиг.1, 2 не показано);
- Д2-ОЛД, характеризующая процесс нарастания разрежения во впускном трубопроводе 8;
- Д3-ОЛД, характеризующая процесс уменьшения разрежения во впускном трубопроводе 8;
- Д4-ОЛД, характеризующая процесс закрытия впускного клапана (на фиг.1, 2 не показано).
Все перечисленные области характеризуются рядом диагностических признаков, таких как: время начала открытия и закрытия впускного клапана (на фиг.1, 2 не показано), минимальное и максимальное значение разрежения во впускном трубопроводе 8 в зависимости от времени, и имеют функциональную связь с параметрами технического состояния газораспределительного механизма.
Последовательность сборки заявляемого устройства состоит в следующем. На раму устанавливают двигатель внутреннего сгорания (ДВС), например ДВС Toyota 5A-FE. С помощью карданной передачи 4 к ДВС присоединяют установку для прокручивания коленчатого вала (на фиг.1, 2 не показано), которая содержит цилиндрический редуктор 3 с передаточным отношением I=16, цепной вариатор 2 с диапазоном вращения от 265 до 2110 об/мин и электродвигатель 1 с частотой вращения 1500 об/мин. Далее к впускному трубопроводу 8 присоединяют, устанавливая и закрепляя, датчик 7 разрежения воздуха. Подсоединяют датчик 6 положения коленчатого вала. Датчики 6 и 7 через соединительные провода соединяют с блоком питания 5, с АЦП 11, последний соединяют с ЭВМ 16.
Устройство для диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. На первом этапе к впускному трубопроводу 8 подсоединяют датчик 7 разрежения воздуха (ДРВ), после чего подсоединяют датчик 6 положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
На втором этапе при работе двигателя внутреннего сгорания принудительно прокручивают коленчатый вал двигателя, измеряют характер изменения разрежения во впускном трубопроводе 8 в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала, получают зависимость разрежения во впускном трубопроводе 8 двигателя от времени в режиме принудительного прокручивания и синхронизируют данные зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе 8 двигателя от времени с сигналом положения поршня (на фиг.1, 2 не показано) в «верхней мертвой точке» первого цилиндра (на фиг.1, 2 не показано) на такте сжатия. Сигнал поступает в микросхему 12 АЦП 11, где поступивший сигнал кодируют и подают в ЭВМ 16.
В ЭВМ 16 из полученного сигнала выделяют численные значения диагностических признаков и с учетом их нормативных значений им присваивают диагностические коды. Полученные коды сравнивают с кодами в матрице и по результатам ставят диагноз в автоматическом режиме.
На третьем этапе устраняют указанную неисправность и предыдущие этапы повторяют до появления диагноза «механизм исправен».
Предлагаемый способ диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания позволяет: математически описать процессы, происходящие в газораспределительном механизме в зависимости от параметров технического состояния в режиме тестового воздействия, выявить диагностические параметры для выполнения теоретического анализа рабочих процессов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, а обработку, анализ и регистрацию характеристик изменения воздушного потока в зависимости от времени выполнить с помощью программы для ЭВМ «Счетчик».
Пример конкретного выполнения способа диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания марки Toyota 5A-FE путем проведения испытания состояния элементов газораспределительного механизма.
Диагностируемый двигатель был установлен на стенде (см. фиг.1). На впускном трубопроводе 8 устанавливают датчик 7 разрежения воздуха. Подсоединяют датчик 6 положения коленчатого вала. Датчики 6 и 7 через соединительные провода соединяют с блоком питания 5, с АЦП 11, последний соединяют с ЭВМ 16. Включают ЭВМ 16 и запускают программу для ЭВМ «Счетчик», подключают блок питания 5. Запускают комплекс, нажав клавишу «Пуск» на электродвигателе 1. С помощью электродвигателя 1 передают крутящий момент через цепной вариатор 2, цилиндрический редуктор 3 на коленчатый вал (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания. Энергию вращательного движения коленчатого вала 4 преобразуют в энергию возвратно-поступательного движения поршня (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания, тем самым, создают разрежение во впускном трубопроводе 8. Характер изменения разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе 8 в зависимости от времени отслеживают с помощью датчика 7 разрежения воздуха и преобразуют в электрический сигнал. Вместе с тем, синхронно, отслеживают сигнал положения поршня (на фиг.1, 2 не показано) в «верхней мертвой точке» на такте сжатиях помощью датчика 6 положения коленчатого вала (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания. Далее электрические сигналы с датчиков 6 и 7 поступают в микросхему 12 АЦП 11. АЦП 11 переводит электрические сигналы в двоичные коды и передает их в ЭВМ 16. С помощью программы для ЭВМ «Счетчик» строят графики зависимости изменения разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе 8 от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала (на фиг.1, 2 не показано) двигателя внутреннего сгорания. По истечении 30 с программу для ЭВМ «Счетчик» останавливают кнопкой «Выкл.» на электродвигателе 1, останавливают комплекс диагностического стенда.
После проведенного диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания марки Toyota 5A-FE были получены характеристики изменения воздушного потока в зависимости от времени. На фиг.5 показаны характеристики, полученные при диагностировании заведомо исправного состояния элементов объекта диагностирования. На фиг.6 показаны характеристики, полученные при диагностировании неисправного состояния элементов объекта диагностирования, а именно прогорание выпускного клапана газораспределительного механизма, имитируя неисправное состояние элементов газораспределительного механизма ДВС Toyota 5A-FE, изменяя его конструктивные параметры. Далее сопоставили полученные с помощью программы для ЭВМ характеристики изменения воздушного потока в зависимости от времени исправного и неисправного состояний элементов газораспределительного механизма, в результате чего стало известно, что подобные характеристики различны как по форме, так и по количественному состоянию. В случае, когда неисправностью газораспределительного механизма ДВС является прогорание выпускного клапана (на фиг.1, 2 не показано), заменяют неисправный клапан, и диагностирование проводят повторно.
Кроме этого с помощью способа диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания марки Toyota 5A-FE можно определить такие его неисправности как: зависание клапанов, увеличенный зазор между клапанами и толкателями, уменьшенный зазор между клапанами и толкателями, поломка пружины или штанги толкателя, смещение ремня ГРМ вперед, смещение ремня ГРМ назад. После обнаружения данных неисправностей проводят требуемые регулировочные и ремонтные работы (в основном разборка и замена неисправных элементов на исправные).
Преимущества предлагаемого способа диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом (см. Беднарский В.В. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. Учебник. - Ростов н/Д: Феникс, 2005, с.120) заключается в повышении точности и оперативности диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания, повышении эффективности смесеобразования в цилиндрах двигателя, улучшении топливно-экономических характеристик, тягово-скоростных характеристик, уменьшении токсичных компонентов в отработавших газах и может быть использовано на станциях диагностики, предприятиях автомобильного сервиса, на автотранспортных предприятиях, на автосборочных заводах для функциональной и дифференциальной диагностики технического состояния газораспределительного механизма автомобильных двигателей, для проверки элементов пневматических цепей в других областях техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».
1. Способ диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателей внутреннего сгорания путем измерения разрежения во впускном трубопроводе двигателя, заключающийся в том, что во впускном трубопроводе двигателя устанавливают датчик разрежения воздуха, подсоединяют датчик положения коленчатого вала, принудительно прокручивают коленчатый вал двигателя и измеряют характер изменения разрежения во впускном трубопроводе двигателя в зависимости от времени в режиме принудительного прокручивания коленчатого вала, получают зависимость разрежения во впускном трубопроводе от времени в режиме принудительного прокручивания и синхронизируют данные зависимости разрежения воздушного потока во впускном трубопроводе двигателя от времени с сигналом положения поршня в «верхней мертвой точке» на такте сжатия, выявляют диагностический параметр, а диагностирование выполняют в динамическом режиме.
2. Устройство диагностирования элементов газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания, содержащее датчик разрежения воздуха с манометром, установленный на впускном трубопроводе двигателя, датчик положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, причем датчики соединены с блоком питания и аналогово-цифровым преобразователем, последний соединен с электронно-вычислительной машиной, на манометре установлена платформа с возможностью возвратно-поступательного перемещения, аналогово-цифровой преобразователь выполнен в виде микросхемы, расположен вблизи платформы и закреплен на печатной плате, установленной на корпусе манометра, на печатной плате установлены оптический элемент слежения и светодиод для посылания пучка света в область подвижной платформы с возможностью отражения от ее поверхности и поступления на оптический элемент слежения, а затем сигнал поступает в микросхему и электронно-вычислительную машину.
