Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к эксплуатации машин и может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания. Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания включает измерение концентрации продуктов изнашивания, содержащихся в масле системы смазки двигателя, и определение скорости поступления железа в систему смазки, пробу масла отбирают из поддона картера двигателя, определяют массовую долю железа в масле, маслофильтре и на основании этих данных определяют эксплуатационную скорость поступления железа в систему смазки, а затем определяют ресурсную скорость по техническим характеристикам двигателя и установленным зависимостям изнашивания его деталей, сравнивают значения скоростей и по вычисленному коэффициенту судят о состоянии двигателя. Техническим результатом является повышение надежности и точности диагностирования. 1 ил.

Изобретение относится к эксплуатации машин и может быть использовано при диагностировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ выявления остаточного ресурса поршневого двигатели внутреннего сгорания путем определения величины отношения концентрации частиц железа в системе смазки к расходу топлива за контрольный период работы двигателя и по ней выявляют износ гильзы цилиндров, а по последнему устанавливают остаточный ресурс двигателя, используя специально разработанную номограмму.

Недостатком такого способа является то, что он не может обеспечить необходимую точность выявления остаточного ресурса двигателя и широкое применение, поскольку не учитывается количество железа, удаляемое из системы смазки с угоревшим маслом, угар которого значительно увеличивается в зависимости от степени износа гильз цилиндров, соответствия условий эксплуатации требованиям завода-изготовителя. Номограмма предусматривает обязательную замену поршневых колец, что не предписывается техническими условиями для современных двигателей, ограничена 6000 мото-ч, в то время как нормативный ресурс некоторых двигателей больше этого значения.

Кроме того, известен способ контроля технического состояния двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что периодически в моменты между доливками масла измеряют концентрации продуктов износа трущихся деталей, содержащихся в масле системы смазки двигателя, определяют количество масла, долитого в систему после последнего отбора пробы, проводят обработку результатов, сравнивают результат с критерием, в качестве которого определяют критическое значение концентрации износа, и по результату сравнения определяют показатель технического состояния двигателя.

Однако этот способ не позволяет качественно оценить величину остаточного ресурса двигателя, выраженную в единицах измерения его наработки, которая приводится в технической документации заводов-изготовителей изделия, а также не учитывает массу металла, удаленного с угоревшим маслом, что значительно снижает точность установления технического состояния двигателя.

Известен также способ диагностирования ДВС по износу цилиндропоршневой группы (ЦПГ), включающий измерение через определенный интервал наработки концентрации продуктов изнашивания в отложениях роторного центробежного маслоочистителя (РМЦ) и сравнение с эталоном. Далее измеряют скорость изнашивания ЦПГ при заданных значениях мощности, частоты пусков и реверсов, оценивают взаимосвязь скорости изнашивания в отложениях центробежного маслоочистителя.

Недостатком этого способа является то, что он также не обеспечивает достаточную точность диагностирования двигателя, поскольку учитывает концентрацию продуктов износа только в отложениях из РМЦ, а, как известно, значительная часть продуктов износа содержится в работающем масле и удаляется из него вместе с угоревшей частью, причем это соотношение не является постоянной величиной, кроме того, и, что самое главное, нет возможности оценить остаточный ресурс двигателя до ремонта.

Задачей предлагаемого способа является повышение надежности и точности диагностирования.

Для достижения указанной задачи в известном способе диагностирования двигателя внутреннего сгорания, включающем измерение концентрации продуктов изнашивания, содержащихся в масле системы смазки двигателя и в отложениях из центробежного маслоочистителя, и определения скорости поступления железа в систему смазки, согласно изобретению для измерения концентрации продуктов изнашивания пробу масла отбирают из поддона картера двигателя, определяют массовую долю железа в масле, маслофильтре и на основании этих данных определяют эксплуатационную скорость поступления железа в систему смазки, а затем по техническим характеристикам двигателя и установленным зависимостям изнашивания его деталей определяют ресурсную скорость, сравнивают значения скоростей и по вычисленному коэффициенту судят о состоянии двигателя.

Способ осуществляется следующим образом.

Определяется общая масса железа, поступившая в систему смазки: в масло, маслофильтр и удаленная с угоревшим маслом за время работы масла после его замены. Используя данные о массовой доле железа в масле, о наработке двигателя до последней замены масла и технические данные о двигателе, определяют эксплуатационную скорость поступления железа в систему смазки по формуле где fe_t - массовая доля железа в масле, %; V_к - объем масла в поддоне картера двигателя, л; ρ_M - плотность масла, г/см³; t - время работы масла с последней замены, мото-ч; U_tcp - среднее значение угара масла в течение времени t, г/(м²•мото-ч); D - диаметр цилиндра двигателя, мм; Н - длина изнашиваемой части гильзы цилиндра, мм.

Средний угар масла в течение времени после замены определяют по формуле U_tср = 0,5[3•10^-13•(T₁ ⁴ + T₂ ⁴) - 5•10^-9(T₁ ³ + T₂ ³) + 5•10^-5(T₁ ² + T₂ ²) - 0,0137(T₁ + T₂) + 364,5],
где Т₁ - наработка до последней замены масла, мото-ч;
Т₂ - наработка двигателя на момент диагностирования (Т₁+t), мото-ч.

Ресурсную скорость поступления железа в систему смазки определяют при условии наработки двигателем ресурса, заложенного заводом-изготовителем, по математической модели, разработанной на основе теории изнашивания поверхностей трения, установленных зависимостей изнашивания деталей двигателя (изменения геометрии деталей двигателя в процессе их работы) и технических данных двигателей по формуле

где J₀ - масса железа, поступившая в систему смазки за время Т, г;
Т - межремонтная наработка двигателя, мото-ч;
К_сг - массовая доля железа в металле гильзы цилиндра, %;
К_q - коэффициент, учитывающий массу железа, поступающего с нересурсоопределяющих деталей двигателя;
К_сг - массовая доля железа в металле поршневых колец, %;
К_пк - коэффициент, учитывающий массу металла, поступающую с поршневых колец.

Как ресурсоопределяющие были приняты детали ЦПГ.

Массу железа, поступающего в систему смазки двигателя, вычисляют по формуле
J₀ = J₁ + J₂ + J₃,
где J₁ - масса железа, поступившая с зеркала всех гильз цилиндров до износа, соответствующего техническим требованиям, г. Вычисляют по формуле
J₁ = 0,785•n•K_сг•К_гц•Н•ρ[(D + ΔD)² - D²],
где D - диаметр цилиндра, мм;
ΔD - максимально допустимый износ гильзы цилиндра согласно техническим требованиям, мм;
ρ - плотность железа, г/см³;
Н - длина изнашиваемой части зеркала гильзы цилиндра, мм;
n - количество цилиндров, шт;
К_гц - коэффициент, учитывающий геометрию износа зеркала гильзы цилиндра;
J₂ - масса железа, поступившая со всех шатунных шеек коленчатого вала до износа, соответствующего техническим требованиям, г. Вычисляют по формуле
J₂ = 0,785•n₂•K_ск•[d₁ ² - (d₁ - Δd₁)²]•h₁•ρ,
где d₁ - диаметр шатунных шеек коленчатого вала, мм;
Δd₁ - максимально допустимый износ шатунных шеек коленчатого вала согласно техническим требованиям, мм;
n₂ - количество шатунных шеек коленчатого вала, шт;
h₁ - ширина шатунных шеек коленчатого вала, мм;
К_ск - массовая доля железа в металле коленчатого вала, %;
J₃ - масса железа, поступившая со всех коренных шеек коленчатого вала до износа, соответствующего техническим требованиям, г. Вычисляют по формуле
J₃ = 0,785•K_ск•[d₂ ² - (d₂ - Δd₂)²]ρ•(h₂•n₃ + h₃•n₄),
где d₂ - диаметр коренных шеек коленчатого вала, мм;
Δd₂ - максимально допустимый износ коренных шеек коленчатого вала согласно техническим требованиям, мм;
h₂ - ширина широких коренных шеек коленчатого вала, мм;
h₃ - ширина узких коренных шеек коленчатого вала, мм;
n₃ - количество широких коренных шеек коленчатого вала, шт;
n₄ - количество узких коренных шеек коленчатого вала, шт.

Коэффициент условий эксплуатации вычисляем по формуле

Прогнозируемый остаточный ресурс вычисляют по формуле

На чертеже представлена блок-схема устройства, позволяющая осуществить предложенный способ.

Блок-схема устройства состоит из комплекта оборудования 1 для определения массовой доли железа в масле, счетчика наработки 2 и 3. Информация о наработке двигателя до последней замены масла, время работы масла, марка двигателя - позиция 4. Информация о марке трактора и заводском номере, заводском номере двигателя, хозяйственном номере трактора, месте работы трактора, Ф. И. О. тракториста и дата отбора пробы - позиции 5 и 6. В блок-схему входят также процессор 7, база данных 8, блоки 9 и 10 для определения скоростей поступления железа в систему смазки, блок 11 оценки условий эксплуатации, блок 12 поиска решений и выявления вариантов остаточного ресурса, блок памяти 13, блок 14 выдачи материалов на принтер, комплект 15 диагностического оборудования систем двигателя, комплект 16 оборудования для технического обслуживания.

Пример осуществления способа
Диагностика и прогнозирование производится по следующей схеме:
- отбирается проба масла из поддона картера двигателя и определяется содержание в нем железа - позиция 1 (см. чертеж);
- собирается информация о наработке двигателя до последней замены масла, время работы масла, марка двигателя - позиции 2, 3, 4 (см. чертеж);
- записывается информация о марке трактора и заводском номере, заводском номере двигателя, хозяйственном номере трактора, месте работы трактора, Ф.И. О. тракториста и дате отбора пробы - позиции 5 и 6.

Вся вышеуказанная информация вводится в ПК через интерфейс. Далее программный продукт работает по следующей схеме:
- в позиции 7 (см. чертеж) аккумулируется информация позиций 1-6 и, используя информацию позиции 8 (база данных), по разработанному программному продукту вычисляют ресурсную и эксплуатационную скорости изнашивания деталей двигателя - позиции 9 и 10;
- в позиции 11 производится оценка условий эксплуатации двигателя;
- в позиции 12 производится поиск решений и вычисляется остаточный ресурс двигателя;
- далее в позиции 13 и 14 происходит сохранение в памяти ПК результатов диагностирования и их печать соответственно.

Если значение коэффициента условий эксплуатации (К_УЭ) меньше единицы, например 0,95, то это означает, что двигатель эксплуатируется в благоприятных условиях и при дальнейшей работе в этих условиях его ресурс до ремонта будет на 5% больше предусмотренного заводом-изготовителем, например ресурс до ремонта, предусмотренный заводом-изготовителем для двигателя Д-240, составляет 5500 мото-ч, а при вышеуказанном параметре может наработать 5725 мото-ч. Если К_УЭ больше единицы, например 1,1, то это означает, что условия эксплуатации двигателя не соответствуют техническим требованиям и параметры показателей, характеризующие экономическую целесообразность его использования, достигнут предельных значений раньше, например наработка той же марки двигателя до ремонта составит не 5500 мото-ч, а - 4950 мото-ч.

При диагностировании двигателя СМД-62 при наработке 3272 мото-ч эксплуатационная скорость изнашивания, полученная по предлагаемому способу, составила 0,0523 г/мото-ч, а ресурсная 0,0481 г/мото-ч

Следовательно, условия эксплуатации не соответствуют техническим требованиям и как следствие общая наработка двигателя будет меньше заводской и составит 5334 мото-ч против предусмотренных заводом 5800 мото-ч, а остаточный ресурс

В случае, если условия эксплуатации двигателя не соответствуют техническим требованиям, по желанию потребителя специалистами устраняются причины, приведшие к такому результату, - позиции 15 и 16 и диагностика повторяется.

Таким образом, способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания заключается в сравнении эксплуатационной и ресурсной скоростей поступления железа в систему смазки, и по величине полученного значения судят о пределе остаточного ресурса. Эксплуатационную скорость определяют по количеству железа, находящегося в системе смазки двигателя и удаленного с угоревшим маслом за время работы, т.е. с учетом всей массы железа, находящегося в работающем моторном масле, центрифуге (мастофильтре) и удаленного с угоревшим маслом, что значительно превышает достоверность результатов и точность оценки условий эксплуатации.

Ресурсную скорость вычисляют по техническим характеристикам двигателя и установленным зависимостям изнашивания его деталей, определение ресурсной скорости не требует проведения предварительных дорогостоящих и длительных исследований с целью установления необходимых зависимостей, которые необходимы в вышеприведенных прототипах [1, 2, 3].

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 972297, кл. G 01 М 15/00, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР 1041893, кл G 01 М 15/00, 1981.

3. Авторское свидетельство СССР 1638588, кл G 01 М 15/00, 1988.

Формула изобретения

Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания, включающий измерение концентрации продуктов изнашивания, содержащихся в масле системы смазки двигателя, и определение скорости поступления железа в систему смазки, отличающийся тем, что пробу масла отбирают из поддона картера двигателя, определяют массовую долю железа в масле, маслофильтре и на основании этих данных определяют эксплуатационную скорость поступления железа в систему смазки, а затем определяют ресурсную скорость по техническим характеристикам двигателя и установленным зависимостям изнашивания его деталей, сравнивают значения скоростей и по вычисленному коэффициенту судят о состоянии двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1