Способ диагностирования цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы отдельных цилиндров в двигателе внутреннего сгорания путем индицирования давления внутри отключенного цилиндра и вычисления скорости его изменения при работе двигателя на минимальной частоте вращения холостого хода. Предлагаемый способ заключается в том, что давление внутри отключенного цилиндра измеряют датчиком давления на работающем на минимальной частоте вращения холостого хода двигателе, при этом для оценки состояния сопряжения “поршень-кольца-гильза” цилиндро-поршневой группы измерение давления в цилиндре двигателя и вычисление по нему скорости его изменения осуществляют по углу поворота коленчатого вала при помощи датчика углового перемещения, который устанавливают напротив зубчатого венца маховика. Предложенный способ позволяет проводить оценку состояния сопряжения “поршень-кольца-гильза” цилиндро-поршневой группы двигателя по всей рабочей поверхности цилиндра, выявлять различные неисправности и прогнозировать остаточный ресурс двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано для определения технического состояния цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) отдельных цилиндров в двигателе внутреннего сгорания путем индицирования давления внутри цилиндра и вычисления скорости его изменения при работе двигателя на минимальной частоте вращения холостого хода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания, опубликованный в Интернет 29.10.2009 г. (Анализ осциллограммы давления в цилиндре http://old.quantexlab.ru).

Известный способ основан на получении осциллограммы давления в отключенном цилиндре при помощи установки в него датчика давления на работающем двигателе и анализе давлений в ее характерных точках.

Недостатком указанного способа является невозможность оценки сопряжения “поршень-кольца-гильза” ЦПГ по всей рабочей поверхности гильзы цилиндра из за отсутствия привязки к угловому перемещению коленчатого вала при измерении давлений внутри цилиндра, а также вычислению скорости его изменения.

Таким образом, для оценки сопряжения “поршень-кольца-гильза” ЦПГ по всей рабочей поверхности цилиндра помимо измерения давлений по углу поворота коленчатого вала необходимо учитывать скорость его изменения.

Заявляемый способ позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в качественной оценке сопряжения “поршень-кольца-гильза” ЦПГ по всей рабочей поверхности гильзы цилиндра.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков:

- в способе диагностирования ЦПГ, так же как и в прототипе, измерение давлений в отключенном цилиндре работающего двигателя осуществляется при помощи установки в него датчика давления;

- измерение давлений внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала осуществляется при помощи датчика углового перемещения;

- вычисление по осциллограмме скорости изменения давления осуществляется при помощи дифференцирования функции изменения давления внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала.

Сущность способа заключается в том, что измерение давления внутри отключенного цилиндра на работающем на минимальной частоте вращения холостого хода двигателе и вычисление скорости его изменения осуществляют при помощи датчика давления, при этом для увеличения точности и достоверности оценки состояния сопряжения “поршень-кольца-гильза” ЦПГ измерение давления в цилиндре двигателя осуществляют по углу поворота коленчатого вала при помощи датчика углового перемещения, который устанавливают напротив зубчатого венца маховика.

На фиг.1 представлена структурная схема измерительного устройства.

На фиг.2 представлен график изменения давления внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала.

Структурная схема измерительного устройства состоит из датчика давления 1, устанавливающемого на место свечи зажигания для бензиновых двигателей или на место форсунок у дизелей, датчика углового перемещения 2 коленчатого вала, устанавливаемого напротив зубчатого венца маховика, измерительного прибора 3, регистрирующего давление внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала и вычисляющего скорость изменения давления по всей рабочей поверхности гильзы цилиндра.

Измерительный прибор 3 снабжен индикатором, на котором отражается график изменения давления внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала. На маховике рядом с зубчатым венцом устанавливается маркер, соответствующий положению поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ) в момент, когда датчик углового перемещения находится напротив этого маркера. Датчик формирует сигнал ВМТ, который является синхронизирующим для отсчета давления в цилиндре по углу поворота коленчатого вала. На фиг.2 показан график изменения давления внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала.

На графике отчетливо видно изменение давления внутри цилиндра по углу поворота коленчатого вала. Здесь можно выделить характерные точки оценки состояния ЦПГ. P1 - давление на впуске. У бензиновых двигателей при закрытой дроссельной заслонке давление на впуске ниже атмосферного. Оно характеризует герметичность впускного тракта и состояние гильзы цилиндра. У дизелей этот параметр несколько выше, то есть давление ближе к атмосферному из-за отсутствия дроссельной заслонки, однако даже по нему можно оценить герметичность впускного тракта.

Давление P2 характеризует герметичность цилиндра, состояние клапанов. У бензиновых двигателей оно бывает в пределах 10-14 кг/см² в зависимости от степени сжатия, у дизелей - в пределах 24-28 кг/см².

Давление P3 ниже атмосферного и характеризует состояние поршневых колец и гильзы цилиндра. При движении поршня к верхней мертвой точке на такте сжатия часть воздушного заряда уходит в поддон картера через кольцевые неплотности, поэтому на такте расширения при движении поршня вниз за счет этой утечки и масляного клина в нижней части поршневых колец создается кратковременное разрежение до момента открытия выпускного клапана. Это разрежение характеризует, насколько поршневые кольца хорошо уплотняют надпоршневое пространство. Если кольца изношены, закоксованы или поломаны вместе с перегородками на поршне, то разрежение Р3 будет увеличиваться за счет того, что утечки на такте сжатия будут увеличиваться, а при движении поршня вниз на такте расширения масляный клин внизу колец будет препятствовать перетеканию воздушного заряда из поддона в надпоршневое пространство и поэтому разрежение будет увеличиваться.

По графику изменения давления в цилиндре можно также вычислять скорость изменения давления по всей рабочей поверхности гильзы цилиндра. Этот параметр позволяет оценивать состояние сопряжения “поршень-кольца-гильза” по углу поворота коленчатого вала от нижней до верхней мертвой точки движения поршня. В совокупности с давлением конца сжатия этот параметр увеличивает достоверность оценки состояния ЦПГ двигателя (может выявлять сколы, задиры на поверхности цилиндра). Для вычисления скорости изменения давления внутри цилиндра необходимо продифференцировать функцию изменения давления на индикаторной диаграмме.

где V_p(φ) - скорость изменения давления в цилиндре, МПа/град. п.к.в.;

$$P_{\varphi }^{\text{'}}$$ - производная функции изменения давления по углу поворота коленчатого вала;

$$\frac{dp}{d\varphi }$$ - дифференциал функции изменения давления по углу поворота коленчатого вала.

Для этого используются численные методы дифференцирования. Индикаторная диаграмма разбивается на малые промежутки (фиг.2), соответствующие угловому перемещению коленчатого вала, равные расстоянию между соседними зубьями маховика. На каждом таком участке вычисляется скорость изменения давления.

где $$\frac{\Delta p}{\Delta \varphi }$$ - отношение разности давлений P i-го и P i-1-го, МПа, к разности угловых перемещений φ i-го и φ i-1-го, угол п.к.в.

Зная эталонные диаграммы изменения давления по углу поворота коленчатого вала внутри цилиндра и вычисленную скорость изменения давления, можно с высокой точностью и достоверностью оценивать состояние ЦПГ, выявлять различные неисправности и прогнозировать остаточный ресурс двигателя.

Стремительный рост микроэлектроники позволяет в настоящее время отказаться от традиционных стрелочных манометрических приборов, позволяющих контролировать отдельные показатели в процессе диагностирования. Сегодня существует огромный перечень микроконтроллеров, позволяющих в реальном масштабе времени контролировать различные процессы, в том числе и измерение, и обработку индикаторных диаграмм давлений в цилиндре двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Низкая стоимость и малые габариты микроконтроллеров позволяют создавать миниатюрные диагностические приборы, имеющие цветной графический дисплей, кнопочное управление, возможность передачи диагностической информации на большие расстояния.

Способ диагностирования цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что давление внутри отключенного цилиндра измеряют датчиком давления на работающем на минимальной частоте вращения холостого хода двигателе путем индицирования, отличающийся тем, что для увеличения точности и достоверности оценки состояния сопряжения “поршень-кольца-гильза” цилиндро-поршневой группы измерение давления в цилиндре по углу поворота коленчатого вала и вычисление по нему скорости его изменения осуществляют путем дифференцирования функции изменения давления по формуле:
$$\frac{dp}{d\phi }=P_{\phi }^{\text{'}}=V_p(\phi ),$$
где V_p(φ) - скорость изменения давления в цилиндре, МПа/град. п.к.в.;
$$P_{\varphi }^{\text{'}}$$ - производная функции изменения давления по углу поворота коленчатого вала;
$$\frac{dp}{d\varphi }$$ - дифференциал функции изменения давления по углу поворота коленчатого вала;
при помощи датчика углового перемещения, установленного напротив зубчатого венца маховика, который разбивает индикаторную диаграмму на промежутки, соответствующие угловому перемещению коленчатого вала, равные расстоянию между соседними зубьями маховика, и на каждом таком участке вычисляют скорость изменения давления по формуле:
$$\frac{\Delta P}{\Delta \phi }=\frac{P_i-P_i{}_{-1}}{{\phi }_i-{\phi }_{i-1}}=V_{pi}({\phi }_i),$$
где $$\frac{\Delta P}{\Delta \varphi }$$ - отношение разности давлений P i-го и P i-1-го, МПа, к разности угловых перемещений φ i-го и φ i-1-го, угол п.к.в.;
по результатам определения изменения давления и скорости его изменения судят о техническом состоянии цилиндро-поршневой группы двигателя.