Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к технике диагностирования двигателей внутреннего сгорания и предназначено для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя по времени нарастания заданной величины давления отработавших газов (ОГ) в картере. Изобретение направлено на повышение точности и снижение трудоемкости. Устройство содержит полый корпус, в котором выполнены нижнее входное отверстие для сообщения полости корпуса с полостью картера испытываемого двигателя и вышерасположенное выходное отверстие для обеспечения возможности вывода ОГ, поступающих в полость корпуса из указанного картера через входное отверстие, а также измерительное средство, реагирующее на изменение давления ОГ в полости корпуса. Измерительное средство выполнено в виде сочетания измерителя времени с клапанной системой, включающей в себя расположенный в корпусе клапан вертикального хода, клапанное седло, установленное в корпусе ниже клапана на пути движения потока ОГ от входного отверстия к выходному отверстию с возможностью полного перекрытия этого потока, и фиксатор открытого положения клапана. Измеритель времени связан с клапаном с возможностью включения измерителя в момент закрытия клапана в результате его освобождения от фиксатора и выключения измерителя в момент открытия клапана под действием заданной величины давления ОГ для определения за счет этого времени нарастания давления ОГ до заданной величины. 9 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике диагностирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для определения технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя по прорыву отработавших газов (ОГ) в картер этого двигателя как при его испытании в условиях эксплуатации, так и при техническом обслуживании.

Определение технического состояния ЦПГ является одним из важных элементов диагностирования ДВС. Выход параметра, характеризующего техническое состояние ЦПГ, за пределы допустимого значения приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы ДВС - снижению мощности, увеличению удельного расхода топлива, дымности ОГ, а также к ухудшению экологического состояния окружающей среды. Поэтому определение технического состояния ЦПГ в целом и отдельных цилиндров двигателя крайне важно как при эксплуатации, так и при техническом обслуживании ДВС.

В процессе работы двигателя газы, образующиеся при сгорании рабочей смеси в цилиндре, расширяясь, приводят поршень цилиндра в движение, при этом некоторая часть ОГ через зазоры между поршнями и соответствующими им цилиндрами прорывается в картер двигателя при рабочем ходе поршня. С увеличением износа ЦПГ указанные зазоры увеличиваются, поэтому при одних и тех же условиях, то есть при постоянной нагрузке и частоте вращения коленвала, увеличивается также количество попадающих в картер газов.

Известны устройства для определения технического состояния ЦПГ ДВС по диагностическому параметру, характеризующему количество ОГ, прорывающихся в картер двигателя (см. В.И. Бельских "Справочник по техническому обслуживанию и диагностированию тракторов". М.: Россельхозиздат, 1986, с.116-121; а также авторское свидетельство SU 1589090 А1, МКИ G 01 L 13/00, публ. 1990 г.).

Указанные известные устройства измеряют количество прорывающихся в картер ОГ в виде расхода картерных газов и по своему принципу работы одинаковые. Измерение прорыва газов в картер ДВС происходит через щель при изменении площади ее сечения с помощью заслонки. Изменение площади сечения щели производят, наблюдая за показанием сигнализатора давления. При этом поршень сигнализатора при измерении прорыва газов в картер ДВС должен занять определенное заранее отмеченное положение, по которому судят о величине давления газов в картере ДВС.

В связи с этим в момент измерения прорыва ОГ в картер ДВС приходится менять сечение щели и устанавливать сигнализатор в заданное положение по метке. При этом ошибка измерения увеличивается. В устройстве нет уровня, показывающего строго вертикальное положение сигнализатора, поэтому при отклонении сигнализатора от вертикального положения увеличивается трение между поршнем сигнализатора и внутренней стенкой трубки, за счет чего погрешность измерения увеличивается.

В качестве прототипа настоящего изобретения принято устройство для определения технического состояния ЦПГ ДВС, имеющее следующие признаки, сходные с признаками заявленного устройства: полый корпус, в котором выполнены нижнее входное отверстие для сообщения полости корпуса с полостью картера испытываемого двигателя и вышерасположенное выходное отверстие для обеспечения возможности вывода отработавших газов, поступающих в полость корпуса из указанного картера через входное отверстие, а также измерительное средство, реагирующее на изменение давления отработавших газов в полости корпуса (см. вышеуказанное авторское свидетельство SU 1589090). В этом известном устройстве измерительное средство (сигнализатор давления), реагирующее на изменение давления ОГ, выполнено в виде трубки Пито, заполненной жидкостью, которая в результате колебаний давления газов может выплеснуться из трубки. Жидкость в сигнализаторе не удерживается в заданном положении при измерении расхода газов и в течение измерения приходится менять сечение щели, что снижает точность измерения.

Таким образом, использование количества (расхода) прорывающихся в картер двигателя газов в качестве диагностического параметра для оценки технического состояния ЦПГ сопряжено с большой трудоемкостью процесса измерений расхода картерных газов и невысокой точностью измерений.

Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, устраняющего вышеотмеченные недостатки и обеспечивающего определение диагностического параметра, характеризующего прорыв газов в картер, с достаточной точностью при невысокой трудоемкости.

Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащем полый корпус, в котором выполнены нижнее входное отверстие для сообщения полости корпуса с полостью картера испытываемого двигателя и вышерасположенное выходное отверстие для обеспечения возможности вывода отработавших газов, поступающих в полость корпуса из указанного картера через входное отверстие, а также измерительное средство, реагирующее на изменение давления отработавших газов в полости корпуса, это измерительное средство выполнено в виде сочетания измерителя времени с клапанной системой, включающей в себя расположенный в корпусе клапан вертикального хода, клапанное седло, установленное в корпусе ниже клапана на пути движения потока отработавших газов от входного отверстия к выходному отверстию с возможностью полного перекрытия этого потока, и фиксатор открытого положения клапана, причем масса клапана рассчитана из условия его открытия при заданной величине давления отработавших газов, а измеритель времени связан с клапаном с возможностью включения измерителя в момент закрытия клапана в результате его освобождения от фиксатора и выключения измерителя в момент открытия клапана под действием заданной величины давления отработавших газов для определения за счет этого времени нарастания давления отработавших газов до заданной величины.

Если в течение некоторого времени работы двигателя обеспечить изолирование полости картера от атмосферы, то прорывающиеся в картер газы создадут в нем давление, причем, чем больше износ ЦПГ, тем быстрее картер будет наполняться газами, т. е. скорость нарастания давления газов в картере будет увеличиваться. Следовательно, степень износа ЦПГ можно определять по скорости нарастания давления картерных газов, измеряя время этого нарастания от момента изолирования полости картера от атмосферы до момента достижения в картере заранее заданной величины давления при установившемся режиме работы двигателя. Таким образом, величину указанного времени можно использовать в качестве диагностического параметра для определения технического состояния ЦПГ. Процесс измерения этого параметра является менее трудоемким, чем измерение расхода картерных газов, при этом измерение времени можно осуществить с большей точностью (используя, например, электронный секундомер) в Сравнении с измерением расхода вышеуказанными известными устройствами.

Описанная выше конструкция заявленного устройства обеспечивает сообщение полости корпуса этого устройства с полостью картера, за счет чего момент изолирования полости картера от атмосферы происходит в момент закрытия клапана, который открывается по истечении некоторого промежутка времени, требуемого, чтобы давление ОГ в полости картера, действующее снизу на клапан, достигло заданной величины. Таким образом, заявленное устройство позволяет измерить время нарастания давления ОГ в картере, и по этому времени оценить техническое состояние ЦПГ ДВС.

Клапан в заявленном устройстве выполнен преимущественно в виде поршня, свободно перемещающегося внутри стакана корпуса, а выходное отверстие выполнено в боковой стенке корпуса.

Измеритель времени выполнен преимущественно в виде секундомера электрического или электронного типа.

Секундомер может быть связан с клапаном посредством по меньшей мере одного электрического контакта, установленного в боковой стенке корпуса с возможностью воздействия клапана на контакт для включения и выключения секундомера в указанные моменты времени.

По достижении заданной величины давления ОГ в картере в нем будут возникать импульсы давления, отражающие прорывы газов в картер из каждого отдельного цилиндра двигателя, причем общий уровень давления в картере будет оставаться постоянным. Чем больше изношен отдельный цилиндр, тем большее количество газов прорывается через зазоры между этим цилиндром и его поршнем и, следовательно, тем больше будет в картере величина (амплитуда) импульса давления, соответствующего прорыву газов из данного цилиндра. Поэтому по величине (амплитуде) такого импульса можно оценить техническое состояние конкретного отдельного цилиндра двигателя. При этом в заявленном устройстве под воздействием указанных импульсов давления клапан, находясь в целом в своем нижнем положении, будет совершать колебательные вертикальные перемещения, величина которых (вертикальный ход) будет соответствовать определенным импульсам давления, соответствующим, в свою очередь, состоянию определенных цилиндров, следовательно, величина вертикального хода клапана в определенные моменты времени будет соответствовать техническому состоянию какого-либо конкретного цилиндра.

Таким образом, заявленное устройство ко всему прочему позволяет оценить техническое состояние конкретных цилиндров, для чего устройство снабжено средствами для определения величины вертикального хода клапана под действием соответствующих отдельному цилиндру испытываемого двигателя импульсов давления отработавших газов при установившейся в целом указанной заданной величине их давления. Эти средства могут включать в себя указатель вертикального положения корпуса устройства, шкалу на верхней части корпуса, стрелку на стержне клапана как указатель положения клапана относительно шкалы при освещении их стробоскопом с датчиком, подключаемыми к соответствующему штуцеру топливопровода топливного насоса высокого давления испытываемого цилиндра двигателя. Стробоскоп обеспечивает возможность установления соответствия происходящего в определенный момент времени вертикального хода клапана (величина этого хода индицируется упомянутым указателем вертикального положения клапана) выбранному цилиндру, т.е. делает возможным визуальное снятие показаний указателя вертикального положения применительно к конкретному цилиндру.

Для того, чтобы обеспечить герметичное сообщение полости корпуса с полостью указанного картера через входное отверстие корпуса и маслозаливное отверстие картера, заявленное устройство может быть снабжено гофрированной трубкой.

Кроме того, для обеспечения условия открытия клапана при заданной величине давления отработавших газов масса клапана рассчитана как функция указанной заданной величины давления отработавших газов и проходного сечения клапанного седла, а именно как функция произведения двух последних величин.

Для обеспечения возможности надежной герметизации полости картера от атмосферы путем надежной и плотной посадки клапана в клапанном седле взаимосопрягаемые поверхности клапана и клапанного седла обработаны по 12-му классу чистоты.

На чертеже представлена схема заявленного устройства.

Заявленное устройство содержит полый корпус 1 с установленным в нем клапанным седлом 2, выполненным в виде кольцевого выступа, верхний торец которого имеет толщину 1 мм и обработан по 12-му классу чистоты. Внутри корпуса 1 также расположен уплотненный с цилиндрической боковой стенкой 3 корпуса клапан 4 в виде поршня, который имеет на своем нижнем торце цилиндрическое углубление с уплотнительной шайбой 13, предназначенной для сопряжения с верхним торцом седла 2. Сопрягаемая поверхность шайбы также обработана по 12-му классу чистоты. Клапан 4 размещается в цилиндре 3 корпуса 1 со скользящей посадкой и перемещается свободно внутри него в вертикальном направлении, закрывая и открывая проходное сечение А седла 2. Сечение А имеет определенную площадь, по которой определяется масса клапана 4 при заданной величине давления ОГ, прорывающихся в картер ДВС. Выше седла 2 в стенке 3 корпуса 1 выполнено выходное отверстие 5, а в нижней части корпуса 1 имеется входное отверстие 18.

Снаружи корпуса 1 закреплен секундомер 6. К нижнему входному отверстию 18 присоединяется один конец пластмассовой гофрированной трубки 7, которая другим своим концом соединяется с пробкой 8, плотно закрывающей маслозаливное отверстие картера ДВС. На верхнем торце пробки 8 сделано резьбовое отверстие 17 для установки датчика давления, например манометра, во время определения технического состояния ЦПГ. Когда устройство не эксплуатируется, в это отверстие вворачивают пробку. Устройство имеет также указатель 14 вертикального положения корпуса 1.

В комплект устройства входит стробоскоп 9 с датчиком (преобразователем) 10, который устанавливается на штуцер или топливопровод топливного насоса высокого давления (ТНВД) двигателя, ЦПГ которого контролируется. Стержень 11 может быть выполнен со стрелкой 15, положение которой при работе определяется шкалой. Стрелка может быть закреплена на вертикальном стержне, установленном на верху клапана 4 и жестко с ним соединенном, а шкала 16 - на корпусе 1 так, чтобы при установившейся в целом заданной величине давления ОГ в картере стрелка указывала по шкале величину подъема (вертикального хода) клапана 4.

Для фиксации открытого положения клапана 4 в заявленном устройстве предусмотрен соответствующий фиксатор 19, который может быть выполнен, например, в виде установленного в клапане 4 стопора.

Клапан 4 при перемещении внутри корпуса 1 управляет электрическим контактом 12, который запускает секундомер 6 в момент закрытия клапаном 4 сечения А и отключает секундомер 6 в момент открытия этого сечения в результате подъема клапана 4 под действием заданной величины давления ОГ.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Проверяют уровень масла в картере двигателя. Если уровень масла меньше или больше нормы, то доводят его до нормы по показанию масломерной линейки (щупа). Запускают и прогревают контролируемый двигатель, открывают маслозаливное отверстие и герметизируют картерное пространство ДВС, закрывая пробками отверстие сапуна и отверстие под масломерную линейку. Устанавливают пробку 8 устройства на маслозаливную горловину ДВС, предварительно зафиксировав клапан 4 в открытом положении.

Далее устанавливают требуемый скоростной режим работы ДВС (номинальные обороты холостого хода) и выдерживают его постоянным на время измерений. При заданном постоянном режиме работы двигателя освобождают клапан 4 от фиксированного верхнего открытого положения, клапан за счет своей массы опускается на седло 2 и закрывает герметично сечение А. Одновременно клапан 4 замыкает электрический контакт 12, и секундомер 6 запускается. Как только давление ОГ в картере поднимается до определенной заданной величины (например, 32 кПа), клапан 4 открывается, нажимает на электрический контакт 12, и секундомер 6 отключается. По показанию секундомера 6 определяют время нарастания давления прорывающихся газов в картер ДВС.

Если есть необходимость, определяют техническое состояние отдельного цилиндра. Для этого датчик стробоскопа 9 последовательно соединяют со штуцерами или топливопроводами ТНВД проверяемых цилиндров и по шкале 16 определяют вертикальный ход клапана 4, освещая при этом стрелку 15 и шкалу 16 стробоскопом 9. Ход клапана 4 соответствует импульсу давления газов, создаваемого в картере при каждом рабочем ходе поршня, т.е. прорыву газов в отдельных цилиндрах. По величинам хода клапана оценивают техническое состояние цилиндров двигателя. При этом можно определить неравномерность H прорыва газов в картер по следующей зависимости: H=2•[(h_mах-h_min)/(h_max+h_min)]•100%, где h_max-h_min - соответственно максимальный и минимальный ходы клапана по цилиндрам, мм.

Пример.

Проводились измерения времени нарастания давления ОГ в картере дизельного двигателя трактора МТЗ-80, дизель Д-240. Довели уровень масла в картере до нормы. Прогрели двигатель до номинального температурного режима. Плотно закрыли пробками сапун и отверстие под масломерную линейку.

Установили плотно пробку устройства на маслозаливной горловине. Запустили дизель и установили номинальные обороты холостого хода. При установившемся режиме работы дизеля измерили время нарастания давления ОГ в картере. Средняя величина этого времени составила 8,35 с. Относительная погрешность измерений времени составила 1,5%. Неравномерность прорыва газов в картер составила 4%.

Формула изобретения

1. Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, содержащее полый корпус, в котором выполнены нижнее входное отверстие для сообщения полости корпуса с полостью картера испытываемого двигателя и вышерасположенное выходное отверстие для обеспечения возможности вывода отработавших газов, поступающих в полость корпуса из указанного картера через входное отверстие, а также измерительное средство, реагирующее на изменение давления отработавших газов в полости корпуса, отличающееся тем, что измерительное средство выполнено в виде сочетания измерителя времени с клапанной системой, включающей в себя расположенный в корпусе клапан вертикального хода, клапанное седло, установленное в корпусе ниже клапана на пути движения потока отработавших газов от входного отверстия к выходному отверстию с возможностью полного перекрытия этого потока, и фиксатор открытого положения клапана, причем масса клапана рассчитана из условия его открытия при заданной величине давления отработавших газов, а измеритель времени связан с клапаном с возможностью включения измерителя в момент закрытия клапана в результате его освобождения от фиксатора и выключения измерителя в момент открытия клапана под действием заданной величины давления отработавших газов для определения за счет этого времени нарастания давления отработавших газов до заданной величины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что клапан выполнен в виде поршня, свободно перемещающегося внутри полости корпуса.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что выходное отверстие выполнено в боковой стенке корпуса.

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что измеритель времени выполнен в виде секундомера электрического или электронного типа.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что секундомер связан с клапаном посредством по меньшей мере одного электрического контакта, установленного в боковой стенке корпуса с возможностью воздействия клапана на контакт для включения и выключения секундомера в указанные моменты времени.

6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что оно снабжено средствами для определения величины вертикального хода клапана под действием соответствующих отдельному цилиндру испытываемого двигателя импульсов давления отработавших газов при установившейся в целом указанной заданной величине их давления.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средства для определения указанного вертикального хода включают в себя указатель вертикального положения клапана и располагаемый с возможностью освещения указателя стробоскоп с датчиком, подключаемым к соответствующему выбранному штуцеру топливопровода топливного насоса высокого давления испытываемого цилиндра.

8. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что оно снабжено гофрированной трубкой для герметичного сообщения полости корпуса с полостью указанного картера через входное отверстие корпуса и маслозаливное отверстие картера.

9. Устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что масса клапана рассчитана в зависимости от указанной заданной величины давления отработавших газов и проходного сечения клапанного седла.

10. Устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что взаимосопрягаемые поверхности клапана и клапанного седла обработаны по 12-му классу чистоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1