Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания

(5 ОПИСА ИЯ Т Е ИЗОБ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Воронежский лесотехнический институт (72) А.Н. Филин, В,Е; Гондарь и Ю.М. Крохотин(56) Авторское свидетельство СССР М 1573355, кл, 6 01 М 15/00, 1986.(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: изобретение позволяет просто, быстро и с высокой точ- ностьЮ оценить мощностные и экономические показатели работы двигателя при бестормозных испытаниях, в условиях эксплуатации. Поскольку оценка показателей осуществляется путем определения механического КПД на режиме холостого хода при периодическом отключении цйлиндров и замера расхода топлива на этом режиме, мощностные и экономические показатели находятся по, например, номограмме нормативных показателей, которую получают при предварительном испытании двигателя на стенде путем замера мощностных и экономических показателей при торможении двигателя стендом и определения при фиксированном положении органа управления подачей топлива на установившейся частоте вращения холостого хода механического Изобретение относится к бестормозным способам испытания двигателя внутренного сгорания (ДВС) и, гредназначено для диагностирования двигателя в условиях эксплуатации.Известен способ определения условной мощности механических потерь как показателя, характеризующего техническое состоКПД двигателя при периодическом отключении цилиндров и использовании его (КПД) в качестве нормативного показателя. Номограмму представляют в виде зависимостей постоянных эффективных мощностей и эффективных удельных расходов топлива от частоты вращения и механического КПД и (или) постоянных эффективных удельных расходов топлива и механических КПД от частоты вращения и эффективной мощности. На номограмму наносят показатели работы двигателя по внешней скоростной (регуляторной) характеристике, При этом сначала получают номограмму нормативных показателей на тормозном стенде. Затем при диагностировании двигателя в условиях эксплуатации периодически отключают цилиндры на холостом ходу двигателя, одновременно замеряют установившуюся частоту вращения и расход топлива. По величинам механического КПД и замеренной установившейся частоты вращения находят по номограмме эффективную мощность. По значениям механического КПД, частоты вращения, эффективной мощности и замеренному расходу топлива рассчитывают остальные показатели, При диагностировании авто- тракторных двигателей орган управления фиксируют в положении максимальной подачи топлива, 3 з.п, ф-лы, 2 ил,яние двигателя, заключающийся в том, что на режиме холостого хода постоянно отключают несколько цилиндров, Изменением положения органа управления подачей топлива устанавливают заданную частоту вращения, не изменяя положения органа управления подачей топлива, включают в работу все цилиндры, дополнительной за1788453 Ыб ИО Л Составитель А, Фили Техред М,Моргентал орректо да еская изводственно-издательский комбинат "Патент". г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 70 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5грузкой тормозным стендом выводят двигатель на прежний скоростной режим и замеряют эффективную мощность двигателя,которая равна индикаторной мощности цилиндров, отключенных на режиме холостогохода,Недостатком этого способа "холостогохода" является то, что он может быть применен при диагностировании двигателя в условиях эксплуатации толькона тормозномстенде, например, с беговыми барабанами.Это снижает его точность из-за трудноститочного учета потерь мощности в трансмиссии, а также из-за того, что мощности механическиих потерь определяется какразность индикаторной и эффективноймощностей, а при испытании цилиндры отключают постоянно нарушается тепловойрежим масляного слоя и зазор поршень-цилиндр), Необходимость неоднократного;последовательного постоянного отключения цилиндров снижает производительность способа,Известен "бестормозный" способ определения условной мощности механическихпотерь в условиях эксплуатации, основанный "на испоЛьзовании в качестве нагрузкимеханических потерь самого двигателя в сочетании с выключением из работы части цилиндров и применением догрузочныхустройств, позволяющих использовать дополнительные сопротивления, организуемые в системах самой машины". Длявращения и вывода на номинальный скоростной режим необходимо подключениевнешнего источника энергии. Для этого может быть использован небольшой электростендв режиме двигателя илинавеснойэлектропривод с динамометрическим устройством.Этот способ является разновидностьюпредыдущего известного способа со всемиприсущими ему недостатками,Известны также бестормозные способыоценки механического коэффициента полезного действия и"мощности механическихпотерь способ выбега и способ двойноговыбега, Способы достаточно просты; основаны на оценке расхода кинетической энергии вращающихся частей двигателя напреодоление механических потерь по количеству совершенных оборотов до остановкидвйгателя, по скорости падения частотывращения.Наиболее совершенный способ двойного выбега имеет погрешность в определении механического коэффициентаполезногодействия, близкую к таковой индикаторного метода, т,е. +. 3.4, 5)% и со вершенно непригоден по точности10 определения мощностей механических потерь, эффективной и не позволяет оценитьэкономичность двигателя.Наиболее близким к предложенному является способ определения механического коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, заключающийся втом, что периодически отключают цилиндрына определенное число циклов через определенные, заранее выбранные промежуткивремени при бестормозных испытаниях двигателя на режиме холостого хода прификсированном положении органа управления подачей топлива, замеряют установив 15 шуюся частоту вращения двигателя, а овеличине механического коэффициента полезного действия двигателя, работающегона замеренной установивше,"ся частоте совсеми включенными цилиндрами, судят по20 отношению числа циклов с отключеннымицилиндрами к общему числу циклов во всехцилиндрах,Известный способ позволяет просто свысокой точностью и производительностью25 определить механический коэффициент по- .лезного действия, который может быть использован как показатель придиагностировании двигателя. Однако он дает ограниченную информацию, оценивая30 только соотношение мощностей эффективной, индикаторной и механических потерьПрйчем это соотношение зависит от количества подачи топлива в цилиндры двигателя,что снижает точность оценки технического35 состояния двигателя по величине механического коэффициента полезного действия.Целью предлагаемого изобретенияявляется сокращение времени процесса диагностирования при сохранении точности40 оценки мощностных и экономических показателей при бестормозном диагностировании двигателя на режиме холостого хода,Цель достигается тем, что в известномспособе диагностирования двигателя внут 45 реннего сгорания, заключающемся в том,что при бестормозных испытаниях двигателя на режиме холостого хода с фиксированным положением органа управленияподачей топлива периодически отключают50 цилиндры на определенное число цикловчерез определенные, заранее выбранныепромежутки времени, замеряют установившуюся частоту вращения и по отношениючисла циклов с отключенными цилиндрами55 к общему числу циклов во всех цилиндрахсудят о величине механического коэффициента полезного действия двигателя, работающего на замеренной установившейсячастоте со всеми включенными цилиндрами, согласно изобретению, предварительно, периодически отключая цилиндры двигателя на холостом ходу при различных фиксированных положениях органа управления подачей топлива и отношениях числа циклов с отключенными цилиндрами к общему числу циклов во всех цилиндрах, получают зависимость установившейся частоты вращения от механического коэффициента полезного действия и включают ее в нормативные показатели, представляемые, например, в виде номограммы взаимозависимостей частоты вращения, механического коэффициента полезного действия, эффективной мощности и эффективного удельного расхода .топлива, а затем, при диагностировании замеряют одновременно установившуюся частоту вращения и расход топлива, по но .1 ограмме и величине механического коэффициента полезного действия находят эффективную мощность, развиваемую двигателем со всеми включенными цилиндрами при фиксированном положении органа управления подачей топлива на замеренной установившейся частоте вращения, по эффективной мощности и замеренному расходу топлива рассчитывают часовой и эффективный удельный расходы топлива, по известным зависимостям рассчитывают индикаторные показатели и показатели механических потерь и, сравнивая полученные величины с нормативными показателями на замеренной установившейся частоте вращения, оценивают техническое состояние двигателя, При этом номограмму получают по результатам последовательного снятия на тормозном стенде при одном и том же фиксированном положении органа управления подачей топлива зависимости установившейся частоты вращения от механического коэффициента полезного действия при периодическом отключении цилиндров на холостом ходу дви, гателя и зависимости эффективной мощности и эффективного удельногорасхода топлива от частоты вращения при всех включенных цилиндрах и загрузке тормозным стендом, выполняют в виде кривых, представляющих зависимости постоянных эффективных мощностей и эффективных удельных расходов топлива от частоты вра. щения и (или) постоянных эффективных удельных расходов топлива и механических коэффициентов полезного действия от частоты вращения и эффективной мощности, и на нее наносят кривые показателей работы двигателя по внешней скоростной или регуляторной характеристике, а диагностирование проводят при фиксировании органа управления в положении максимальной подачи топлива.30 На фиг. 1 приведен вариант номограммы зависимости постоянных эффективных мОщностей и удельных расхода топлива от частоты вращения и механического коэффи циента полезного действия с нанесеннымина нее нормативными показателями по внешней скоростной характеристике двигателя; на фиг, 2 - вариант номограммы зависимости постоянных эффективных 10 удельных расходов и механических коэффициентов полезного действия от частоты вращения и эффективной мощности с нанесенньми на нее нормативными показателями по внешней скоростной характери стике двигателя,Предлагаемый способ диагностирования ДВС реализуется следующим образом.Предварительно, например, после изготовления (ремонта) и обкатки или во время 20 испытаний опытной партии двигатель испыть 1 вают на тормозном стенде и получают нормативные показатели. Для этого, например, фиксируют орган управления подачей топлива и, загружая двигатель тормозным 25 стендом, определяют показатели его работы на разных частотах вращения, т,е, снимают скоростную (регуляторную) характеристику:м = (1) От = (и) (2) Ке= Ч (и) (3) 9 е=У(П) (4)где М - крутящий момент;бт - часовой расход топлива;35 Ие - эффективная мощность;9 е - эффективный удельный расход топлива;и - частота вращения двигателя.При этом же фиксированном положе нии органа управления подачей топлива периодически отключают цилиндры на холостом ходу двигателя, т,е. без загрузки его тормозным стендом: по заданной программе из общего числа М циклов во всех .45 цилиндрах отключают Р циклов со сгоранием. Отключение циклов со сгоранием осуществляют известными устройствами. Такими устройствами могут быть управляемые электронной схемой по программе электромаг нитные фиксаторы толкателей топливногонасоса высокого давления, которые при подаче электрического тока Отэлектросхемы в обмотку электромагнита фиксирует на один или несколько циклов толкатель в положе нии нулевой подачи топлива, Периодическое отключение цилиндров может быть реализовано и известными устройствами, в основе которых лежит электросхема; осуществляющая пропуски по программе подачиискры на электроды свечи зажигания илипропуски по программе импульсов, тока, подаваемых в устройства управления впрыскиванием топлива (например,электромагнитные форсунки), На установившемся скоростном режиме производятзамер частоты вращения. При допущении,что условная мощность Механических потерь на установившейся часготе вращенияи работе двигателя как без отключения цилиндров, так и с отключением цилиндровостается неизменной (из-за тепловой инерции деталей, соприкасающихся с газами,сохраняются условия работы деталей цилиндро-поршневой группы, близкие к условиям при постоянном сгорании топлива вцилиндрах) имеют при фиксированном положении органа управления подачей топлива и работе двигателя со всемивключенными цилиндрами его механический коэффициент полезного действия равендм = - =1- - , (5)Йечм.М ц цгде Ц - индикаторная мощность.Им - условная мощность механическихпотерь.При периодическом отключении цилиндров вся индикаторная мощность двигателяна холостом ходу расходуется на механические потери и равнац = и - М, (б)где М - индикаторная мощность холостогохода двигателя при периодическом отключении цилиндров,. Совместно решая (5) и (6), получаютт - Ртт - Р РЦум=1 И -1 а =вРм = - (7) Таким образом, при периодическом отключении цйлиндров на замеренной установившейся частоте вращения холостого хода отношение Р/М является механическим коэффициентом полезного действия двигателя, работающего со всеми включенными циклами со сгоранием при фиксированном положении органа управления подачей топлива.Не изменяя положения органа управления подачей топлива, задавая новую программу отключения, т.е. новое отношение Р/М = цм, и, замеряя каждый раз установившуюся частоту вращения, получают зависимостьуум =3(п ) (8) Полученную зависимость (8) включают вскоростную (регуляторную) характеристикузависимости и получают ее в виде кривых(1), (2), (3), (4), (8),5 Зафиксировав орган управления подачей топлива в новом положении, повторяютснятие кривых (1), (2), (3), (4), (8). Получаюттаким образом серию скоростных характеристик, каждая из которых снята при опре 10 деленном фиксированном положенииоргана управления подачей топлива.Обрабатьвая совместно эту серию скоростных характеристик, получаэт известную многопараментную характеристику15 двигателя, выполненную, например, в виденомограммы фиг, 1."е =4(цм, и ) =.сопи 9)9 е=/(Цм, и ) =сопзт (: О)или номограммы фиг. 220 де =а(йе и) = сопзт (11)у 7 м=Е(Ме, и)= сопм(12)Полученные таким образом нормативные показатели могут быть представлень нетолько в виде номограмм фиг. 1 и 2, но и в25 виде таблиц, функций (9), (10), (1 1), (12), масс-иваа данных,Номограммы фиг, 1 и (или) фиг. 2 могутбыть получены и путем снятия серии известных нагрузочных характеристик двигателя30 при следующей последовательности:, пери-.одически отключают по заданному отношению Р/т = цм цилиндры на холостомходу. двигателя, изменяя положение органа управления подачей топлива, выводят его на35 определенную частоту вращения, замеряютэту частоту и фиксируют орган управленияподачей топлива; не изменяя положение органа управления подачей топлива включаютв работу все цилиндры двигателя и, загру 40 жая двигатель тормозным стендом, выводятего на замеренную частоту вращения и замеряют крутящий момент и часовой расходтоплива;- изменяют отношение Р/и = м, повторяют испытание двигателя при периодическом отлючении цилиндров и поднагрузкой со всеми включенными цилиндрами на той же частоте вращения и т.д. иполучают нагрузочную характеристику при50 данной частоте вращения, т,е.Ое = /1 (Ме)(13) 9 е = г 1 (че); (14)Цм =ф 1 (е) (15)Проводя таким образом испытания двигателя при работе по нагрузочной характеристике на различных частотах вращения и затем обрабатывая их совместно, получают номограммы фмг, 1 и (или) фиг, 2,Однако получение зависимостей (13),(14), (15) требует значительно большего времени из-за необходимости вывода двигателя на заданную частоту вращения нарежиме холостого хода при периодическом 5отключении цилиндров, При этом вследствие значительного увеличения времени работы двигателя на режиме периодическогоотключения цилиндров тепловой режим деталей, соприкасающихся с горячими газами, 10значительно отклоняется от такового приработе без отключения цилиндров, несмотря на тепловую инерцию деталей. Это увеличивает погрешность определениязависимости м(Ке) как нормативного 15показателя. Поэтому получение номограммфиг, 1, 2 путем снятия и обработки сериинагрузочных характеристик нецелесообразно,Полученные номограммы фиг. 1, 2 используются как нормативные показателипри диагностировании двигателя в течениевсего периода его эксплуатации, поэтомумогут быть включены в техническую характеристику или являться его технической характеристикой.При диагностировании в условиях эксплуатации на режиме холостого. хода двигателя периодически отключают цилиндры позаданному программой отношению Р/пт = 30м и замеряют одновременно установившуюся частоту вращения и расход топлива дви-.гателем, По величинам заданногомеханического коэффициента полезногодействия м (т. 1) и замеренной установившейся частоте вращения и (т. 2) находят.пономограмме фиг. 1 или фиг, 2 эффективнуюмощность Ке (т, 3), По значениям механического коэффициента полезного действияум, частоте вращения и, эффективной мощности Ке и замеренному расходу топливаОт рассчитывают остальные показателидвигателя,При этом, если двигатель периодически 45 .отключается путем пропуска зажигания при неизменнбм часовой расходе топлива (карбюраторный, газовый двигатель), то замеФренный расход топлива От равен его часовому расходу От на замерен ной устано вившейся частоте вращения при данном фиксированном положении органа управления подачей топлива и работе со всеми включенными цилиндрами.От =От 55 При отключении цилиндров прекращением подачи топлива (дизель, двигатель с впрыском бензина в каждый цилиндр) часовой расход топлива двигателем на режиме диагностирования определяется по зависимостиОт1 мЕсли обозначить расход топлива неотключенными цилиндрами при периодическом отключении цилиндров через Отр,тогда будем иметь для карбюраторного (газового) двигателяОтр = От (1 - 7 м);для дизеля,Отр = От,для газодизеля (при подаче газа в виде газовоздушной смеси через впускную систему ипериодическом отключении цилиндров прекращением подачи запальной дозы дизельного топлива).тОтр = Оту + Отг (1 - 7/м )ргде От - замеренный расход дизельноготоплива;Отг - эамеренный расход газа,Тогда для известных двигателей часовой расход топлива на режиме диагностирования (работа со всеми включеннымицилиндрами) может быть определен по зависимостиОт - тР, (16)1 - 1/ма эффективный удельный расход топлива -по известной зависимости9 е=От1 м(17)По известным зависимостям могут бытьопределены и другие показатели работыдвигателя на режиме диагностирования (работа со всеми включенными цилиндрами):Ке,индикаторная мощность К; = - ;миндикаторный удельный расход топлиОт От 7 мвд 9К Кеусловная мощность механических по 1 - тмтерь Йм = КеЦмКекрутящий момент М= - .иСравнивая полученные значения показателей работы двигателя с нормативными на установившейся частоте при заданном коэффициенте полезного действия и фиксированном положении органа управления подачей топлива, оценивают техническое состояние двигателя.При этом наиболее целесообразно диагностирование двигателя проводить пристрого определенных фиксированных положениях органа управления подачей топлива, В этом случае диагностирование проводят при фиксировании органа управ 1788453 12ления в положении, например,максимальной подачи топлива, а найденные при этомпоказатели сравнивают с таковыми номограммы; соответствующими работе двигателя на внешней скоростной (регуляторной)характеристике. Последнюю наносят на номограмму в виде кривой 1 (см. фиг, 1, 2),представляющей собой совмещенные зависимости Кен = т(п), 9 ен = т(п) и У/мн= т(п),кривой 2 часового расхода топлива Отн = 1(п).Может быть нанесена и кривая крутящегомомента двигателя, Результаты сравненияпоказателей работы двигателя могут быть,например, следующимиМе = Йен, От = Отн, Яе = Яен двигательтехническй исправен;ИеВен, От = Отн, ЯеЯен ДВИГатЕЛЬтехнически исправен,ИеВен, От Отн, Яе ф Яен - Завышена.подача топлива;Ме Йен, От(Отн, 9 еЯен Заниженаподача топливаКеВен, От = Отн, 9 еЯен ДВИГВТЕЛЬтехнически неисправен и др,При фиксировании органа управления вкаком - то промежуточном положении (между подачей холостого хода двйгателя и максимальной) по номограмме определяютнормативную эффективную мощность Кендвигателя и нормативный эффективный расход топлива Йен на режиме диагностирова.ния (при фиксированном положении органауправления подачей топлива, заданном цм= Р/гп и зэмеренной частоты вращения).Нормативный часовой расход топлива определяют по известной зависимостиОтн =. Яен Вен,.а при оценке технического состояния двйгателя считают, что его эффективная мощность Ие на диагностируемом режиме равнанормативной, т;е.Йе = ВенП р и м е р. Предлагаемый способ реа лизован на двигателе 2 Ч 8,5/11 следующимобразом.Технически исправный двигатель 2 Ч8,5/11 установлен на тормозном стенде сбалансирным электродвигателем постоян-.ного тока, оборудованном тензобалкой иуниверсальным электронным милливольтмеТром для замера крутящего момента, частотомером, расходомером топлива иустройством для периодического отключенйя" в виде электромагнитных фиксаторовтолкателей топливного насоса высокогодавления, управляемых электронной схемой по программе.Испытания дизеля 2 Ч 8,5/11 проводились путем снятия скоростных характеристик при фиксированных положениях органа управления подачей топлива (рычага управления топливного насоса высокого давления), При каждом фиксированном полокении органа управления подачей топли ва последовательно осуществлялисьзагрузка дизеля тормозным стендом до требуемой частоты вращения, замер расхода топлива, крутящего момерта, частоты вращенйя; перевод дизеля на режим холостого 10 хода с периодическим отключением цилиндров по заданному отношению числа циклов с отключенными цилиндрами к общему числу циклов во всех цилиндрах, замер установившейся частоты вращения; включе ние в работу всех цилиндров, загрузкадизеля тормозным стендом до требуемой частоты вращения, замер расхода топлива, крутящего момента, частоты вращения; перевод дизеля на режим холостого хода с 20 периодическим отключением цилиндров поизмененному заданному отношению числа циклов с отключенными цилиндрами к общему числу циклов во всех цилиндрах, замер установившейся частоты вращения;25 включение в работу всех цилиндров и т,д,В результате обработки серии скоростных характеристик получены номограммы фиг, 1, 2 нормативных показателей. дизеля 2 Ч 8,5/11.30 Диагностирование двигателя было осуществлено нэ режиме холостого хода приР 5пЕРиоДическоМ отключении с тТм = - = -гп 7и максимальной подаче топлива, Замерены/35 расход топлива От = 1,034 кг/ч (время замера расхода навески топлива ЛО = 0,05 кг составило т = 175,10 с) и установившаяся частота вращения и = 1912 мин .По номограмме фиг, 1 (фиг, 2) для 40 57 м = - = 0,7143 (т. 1)ми и = 1912 мин (т. 2) найдены эффективная мощностьМе = Иен = 13,65 квт, (т, 3); эффективный 45 УДельный РэсхоД топлива 9 ен = 266,7 г/КВтххч; часовой расход топлива Отн = 3,64 кг/ч,Подсчитаны на режиме диагностирования часовой расход топливаОт- 3,619 кг/чОн 1,034- У/м 1эффективный удельный расход топливаОт1000 3,619Яе ------ 265 1 г/кВт чКе 13,65индикаторная мощностьМ, е 3 65 7 - 19,11 кВт,Цм 5индикаторный удельный расход топли- вас целью сокращения времени диагностирования, предварительно периодически отключая цилиндры двигателя на холостом ходу при различных фиксированных положениях органа управления подачей топлива 5 и отношениях числа циклов с отключенными цилиндрами к общему числу циклов во всех цилиндрах, получают зависимость установившейся частоты вращения от механического КПД и включают ее в нормативные 10 показатели, проводят тормозные испытания двигателя и по результатам испытаний на режимах холостого хода и нагрузки определяют номограммы взаимозависимостей частоты вращения, механического КПД, эф фективной мощности и эффективного удельного расхода топлива, а в процессе эксплуатации для оценки технического состояния двигателя повторяют действия по отключению части рабочих циклов и измере нию установившейся частоты вращения, дополнительно на указанном контрольном режиме измеряют расход топлива двигателем и рассчитывают расход тбплива при работе двигателя при фиксированных 25 положениях органа управления подачей топлива и измеренной установившейся частотевращения со всеми включенными рабочими циклами, для полученных на контрольном режиме величин КПД и изме ренной установившейся частоте вращения йо номограмме определяют величину эффективной мощности, развиваемую двигателем при работе с фиксированным положением органа управления подачей 35 топлива, на измеренной контрольной частоте вращения вала со всеми включенными рабочими циклами рассчитывают удельный эффективный расход топлива, индикаторные показатели двигателя и показатели механических потерь,сравнивают полученные величины с эталонными и по результатам сравнения производят оценку технического состояния двигателя.2, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что испытания на тормозном стенде производят с фиксированным на каждом режиме положением органа управления подачей топлива, нагружают двигатель тормозным устройством, измеряют расход топлива и получают зависимости эффективной мощности двигателя и эффективного расхода топлива от частоты вращения. 3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что номограмму выполняют в виде кривых, представляющих зависимости постоянных эффективных мощностей и эффективных удельных расходов топлива от частоты вращения и механического КПД и (или) постоянных эффективных удельных расходов топлива и механических КПД от частоты вращения и эффективной мощности, и на нее. наносят кривые показателей работы двигателя по внешней скоростной или регуляторной характеристике,4, Способ по п.1, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью упрощения диагностирования автотракторых двигателей, диагностирование проводят при фиксировании органа управления в положении максимальной подачи топлива.