Устройство для диагностирования двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к измерительной технике, и может быть использовано для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить точность и достоверность определения технического состояния ДВС, а также расширить функциональные возможности устройства за счет дополнительного измерения параметров рабочего цикла в цилиндре - максимального давления сгорания топливовоздушной смеси, максимального давления сжатия при отсутствии подачи топлива и величины разности этих давлений. Устройство для диагностирования двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях содержит задатчик эталонных величин с тремя выходами по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, два компаратора, четыре индикатора-сигнализатора, датчик расхода топлива, выход которого подключен к входу блока нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, первый выход которого подключен к первому входу вычислителя удельного расхода топлива, второй вход вычислителя подключен к первому выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности, вход которого подключен к выходу блоку измерения мощности, вход которого подключен ко второму выходу блока нахождения экстремума, а выходы двух компараторов подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы этих компараторов подключены - один к выходам задатчика эталонных величин, второй - к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива. Устройство дополнительно снабжено вычислителем разности величин максимальных давления сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давления сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, тремя компараторами и четырьмя индикаторами-сигнализаторами, блок измерения мощности выполнен в виде датчика напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, и регистрирует давление сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давление сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, выход этого блока подключен к входу индикатора-фиксатора максимальной мощности, который выполнен с дополнительной фиксацией максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, его выходы подключены - один к входу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, два других - к первым входам четвертого и пятого компараторов, а вторые его входы подключены к дополнительным пятому и шестому выходам задатчика эталонных величин - по максимальным давлениям в цилиндре при подачи и без подачи топлива, а выходы четвертого и пятого компараторов подключены к входам седьмого и восьмого индикаторов-сигнализаторов, причем дополнительный четвертый выход задатчика эталонных величин - по степени повышения давления - подключен ко второму входу третьего компаратора, первый вход которого подключен к выходу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания, выходы третьего компаратора соединены с входами пятого и шестого индикаторов-сигнализаторов. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной и испытательной технике и может быть использовано для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатационных условиях.

Известен способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, которое предусматривает определение максимальной эффективности ДВС в данных эксплуатационных условиях при стохастическом характере нагружения, не требуя специальных нагрузочных устройств [А.с. 1647300 (СССР). МКИ³ G 01 L 3/24. Способ определения энергоресурса двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления. - 6 с. илл. Бюл. №17, 1991].

К недостаткам устройства относятся: замер дроссельного давления в цилиндрах двигателя требует вмешательства в конструкцию двигателя; не определяется частота вращения вала двигателя при достижении максимальной мощности; не определяется параметр, характеризующий экономичность работы двигателя - удельный расход топлива; не определяется соответствие величин: максимальной мощности, частоты вращения вала двигателя и удельного расхода топлива, их эталонным значениям для данных эксплуатационных условий.

Известно устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, содержащее датчик расхода топлива, блок нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, блок измерения мощности двигателя и индикатор-фиксатор максимальной мощности, оно снабжено вычислителем удельного расхода топлива, задатчиком предельно допустимых нормативных величин - по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, индикаторами-сигнализаторами и компараторами, причем в индикаторе-фиксаторе максимальной мощности фиксируются значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности, а датчик давления в блоке измерения мощности выполнен в виде наружного накладного датчика деформации трубопровода топливоподающей системы двигателя [Патент РФ №2213947, кл. G 01 М 15/00. Устройство для диагностирования работоспособности двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях. - 14 с. илл. Бюл. №28, 2003].

Данное устройство выбрано авторами в качестве прототипа.

Недостатками устройства являются невысокая точность идентификации максимальной мощности двигателя, представляющей собой функциональную зависимость от расхода топлива двигателем N=f(G), низкая достоверность определения технического состояния двигателя и невозможность локализации неисправности до конкретного узла или детали в условиях эксплуатации из-за использования интегральных признаков (максимальная мощность, частота вращения вала двигателя и удельный расход топлива), характеризующих общее теплотехническое состояние двигателя. Значительные погрешности при идентификации экспериментальных данных могут возникать, во-первых, из-за неточной тарировки датчиков регистрации деформации трубопровода топливоподающей системы, во-вторых, от того, что удельный расход топлива двигателем представляет собой отношение максимального расхода топлива двигателем к максимальной мощности двигателя , причем мощность представляет собой функциональную зависимость от расхода топлива. К недостаткам прототипа также относится то, что предложенное устройство не отвечает требованию универсальности, то есть быть пригодным для двигателей не зависимо от их конструктивных особенностей.

Техническим результатом является повышение точности и достоверности определения технического состояния ДВС, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет дополнительного измерения параметров рабочего цикла в цилиндре - максимального давления сгорания топливовоздушной смеси, максимального давления сжатия при отсутствии подачи топлива и величины разности этих давлений.

Технический результат достигается тем, что в устройство для диагностирования ДВС в эксплуатационных условиях, содержащее задатчик эталонных величин с тремя выходами - по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, два компаратора, четыре индикатора-сигнализатора, датчик расхода топлива, выход которого подключен к входу блока нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, первый выход которого подключен к первому входу вычислителя удельного расхода топлива, второй вход вычислителя подключен к первому выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности, вход которого подключен к выходу блоку измерения мощности, вход которого подключен ко второму выходу блока нахождения экстремума, а выходы двух компараторов подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы этих компараторов подключены - один к выходам задатчика эталонных величин, второй - к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива, дополнительно снабжено вычислителем разности величин максимальных давления сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давления сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, тремя компараторами и четырьмя индикаторами-сигнализаторами, а блок измерения мощности выполнен в виде датчика напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, и регистрирует давление сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давление сжатия в цилиндре при отсутствие подачи топлива, а выход этого блока подключен к входу индикатора-фиксатора максимальной мощности, который выполнен с дополнительной фиксацией максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, его выходы подключены - один к входу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, два других - к первым входам четвертого и пятого компараторов, а вторые его входы подключены к дополнительным пятому и шестому выходам задатчика эталонных величин - по максимальным давлениям в цилиндре при подачи и без подачи топлива, а выходы четвертого и пятого компараторов подключены к входам седьмого и восьмого индикаторов-сигнализаторов, причем дополнительный четвертый выход задатчика эталонных величин - по степени повышения давления - подключен ко второму входу третьего компаратора, первый вход которого подключен к выходу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания, а выходы третьего компаратора соединены с входами пятого и шестого индикаторов-сигнализаторов.

Точность определения технического состояния ДВС в эксплуатационных условиях достигается за счет блока измерения мощности, выполненного в виде датчика напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, и регистрирующего давление сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давление сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, и индикатора-фиксатора максимальной мощности, максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре. Достоверность оценки технического состояния ДВС в эксплуатационных условиях достигается за счет блока измерения мощности, максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, частоты вращения коленчатого вала двигателя и вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, а расширение функциональных возможностей и обеспечение универсальности устройства достигается за счет блока измерения мощности, максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, частоты вращения коленчатого вала двигателя, индикатора-фиксатора максимальной мощности, максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, задатчика эталонных величин - по максимальным давлениям в цилиндре при подаче и без подачи топлива и степени повышения давления, компараторов и индикаторов-сигнализаторов.

На чертеже изображена структурная блок-схема устройства для контроля и диагностирования ДВС в эксплуатационных условиях.

Устройство для диагностирования ДВС в эксплуатационных условиях состоит из датчика непрерывного измерения величины расхода топлива 1; блока нахождения экстремума 2; блока измерения мощности 3, давления сгорания топливовоздушной смеси и давления сжатия в цилиндре, состоящего из датчика напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, который также отражает частоту вращения коленчатого вала двигателя; блока индикатора-фиксатора 4, состоящего из оперативно-запоминающего устройства, фиксирующего максимальные значения мощности, давления в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива и частоту вращения коленчатого вала двигателя, соответствующие максимальным значениям мощности и давлений в цилиндре; вычислителя удельного расход топлива 5; вычислителя 6 величины разности максимальных давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, состоящего из устройства вычитания двух величин - максимального давления сгорания в цилиндре при подаче топлива и максимального давления сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива; компараторов 7, 8, 9, 10, 11, 12; задатчика 13, в котором зафиксированы установленные нормативной документацией или расчетом для данных эксплуатационных условий эталонные (с учетом допустимых отклонений) значения величин: максимальных мощности, давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, удельного расхода топлива, величины разности давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива: минимальной и максимальной и частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальных значениях мощности и давлений в цилиндре двигателя: минимальной и максимальной; индикаторов-сигнализаторов 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21.

Устройство для диагностирования двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях работает следующим образом.

При работе двигателя сигнал от датчика расхода топлива 1 поступает на вход блока нахождения экстремума 2, а в блоке измерения мощности 3 сигнал от датчика напряжений поступает на вход вычислителя среднеквадратического значения и в дифференциатор, где формируются сигналы, пропорциональные мощности двигателя, давлению газов в цилиндре при подаче топлива и при отсутствии подачи топлива и частоте вращения (частота циклов).

Датчик напряжений в составе блока 3 может быть выполнен в виде стальной шайбы с закрепленными на ней тензорезисторами, предназначенной для измерения напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, устанавливается под гайку или болт, крепящий головку блока цилиндров. Датчики напряжений для разных типов двигателей изготавливают индивидуально. Внутренний диаметр стальной шайбы больше наружного диаметра резьбы шпильки или болта, обеспечивая установку датчика без натяга, наружный диаметр шайбы выбирают для обеспечения условий работы материала датчика в зоне упругих деформаций и нахождения наружной поверхности датчика под действием осевых сил, действующих на шпильку или болт. Высоту шайбы выбирают для обеспечения условия нахождения рабочей части тензорезистора в зоне с пропорциональной зависимостью между усилием, воздействующим на шайбу, и ее деформацией.

При работе двигателя на номинальном режиме расход топлива достигает максимального значения и его фиксируют в оперативно-запоминающем устройстве блока 2. Одновременно подают информационный сигнал (на чертеже показан пунктирной линией), разрешающий передачу сигнала о значениях мощности двигателя, давления газов в цилиндре при подаче топлива и частоты вращения коленчатого вала из блока 3 в блок 4, где их фиксируют в оперативно-запоминающем устройстве как максимальную мощность, максимальное давление сгорания топлива в цилиндре и соответствующую этим показателям частоту вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, из блока 3 в блок 4 передают сигнал о значении давления сжатия газа в цилиндре при отсутствии подачи топлива, где его фиксируют как максимальное давление сжатие в цилиндре при отсутствии подачи топлива.

Сигнал о величине максимальной мощности из первого выхода оперативно-запоминающего устройства блока 4 поступает на первый вход вычислителя 5, на второй вход которого поступает из оперативно-запоминающего устройства блока 2 сигнал о максимальном расходе топлива, а сигналы о величинах максимальных давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива из второго выхода оперативно-запоминающего устройства блока 4 поступают на первый вход вычислителя 6. Выходы из вычислителей 5 и 6, соответствующие удельному расходу топлива и разности величин максимальных давлений газа в цилиндре, измеренных при подаче топлива и отсутствии подачи топлива соответственно, поступают на входы компараторов 7 и 8. Одновременно на входы компараторов 9, 10, 11 и 12 поступают сигналы третьего, четвертого, пятого и шестого выходов оперативно-запоминающего устройства блока 4 о величинах максимальной мощности, максимальных давлений в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива и частоте вращения коленчатого вала двигателя. На вторые входы компараторов 7, 8, 9, 10, 11, 12 поступают сигналы от задатчика 13 о эталонных (для данных эксплуатационных условий (природно-климатических, режимов работы и др.)) значениях максимальной мощности, удельного расхода топлива, разности величин максимальных давлений газа в цилиндре: допустимого минимального и максимального, максимальных давлений в цилиндре при подачи топлива и отсутствии подачи топлива, а также частоты вращения вала двигателя: допустимого максимального и минимального.

По результатам сравнения в компараторах 7, 8, 9, 10, 11, 12 измеренных (текущих) и эталонных величин в индикаторах-сигнализаторах 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 появляются сигналы о несоответствии нормативно-технической документации, то есть неработоспособности ДВС по каждому из измеренных показателей: максимальной мощности, удельного расхода топлива, максимального давления в цилиндре при подаче топлива и отсутствии подачи топлива, разности величин максимальных давлений газа в цилиндре (максимальной и минимальной), частоте вращения вала двигателя (максимальной и минимальной). Если нет отклонений от эталонных величин, сигнал по данному показателю отсутствует.

Предлагаемое устройство для диагностирования двигателей внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях по показателям его работы может использоваться для проведения экспертизы технического состояния ДВС с достаточно глубокой локализацией неисправности в стендовых и эксплуатационных условиях, а также для исследования рабочего процесса двигателя, так как в качестве высокоинформативных диагностических параметров используются значения параметров рабочего цикла в цилиндре - максимальное давление сгорания топливовоздушной смеси, максимальное давление сжатия и величина разности этих давлений, характеризующие степень совершенства элементов конструкции, которая определяет рабочий процесс и в первую очередь смесеобразование и горение.

Устройство для диагностирования двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях, содержащее задатчик эталонных величин с тремя выходами - по мощности, частоте вращения вала двигателя, удельному расходу топлива, два компаратора, четыре индикатора-сигнализатора, датчик расхода топлива, выход которого подключен к входу блока нахождения экстремума с оперативно-запоминающим устройством максимального расхода топлива, первый выход которого подключен к первому входу вычислителя удельного расхода топлива, второй вход вычислителя подключен к первому выходу индикатора-фиксатора максимальной мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности, вход которого подключен к выходу блока измерения мощности, вход которого подключен ко второму выходу блока нахождения экстремума, а выходы двух компараторов подключены к индикаторам-сигнализаторам, а входы этих компараторов подключены: один - к выходам задатчика эталонных величин, второй - к выходам индикатора-фиксатора максимальной мощности и вычислителя удельного расхода топлива, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вычислителем разности величин максимальных давления сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давления сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, тремя компараторами и четырьмя индикаторами-сигнализаторами, блок измерения мощности выполнен в виде датчика напряжений, действующих в шпильках или болтах, крепящих головку блока цилиндров, и регистрирует давление сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре и давление сжатия в цилиндре при отсутствии подачи топлива, выход этого блока подключен к входу индикатора-фиксатора максимальной мощности, который выполнен с дополнительной фиксацией максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, его выходы подключены: один - к входу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания и сжатия в цилиндре, два других - к первым входам четвертого и пятого компараторов, а вторые его входы подключены к дополнительным пятому и шестому выходам задатчика эталонных величин - по максимальным давлениям в цилиндре при подачи и без подачи топлива, а выходы четвертого и пятого компараторов подключены к входам седьмого и восьмого индикаторов-сигнализаторов, причем дополнительный четвертый выход задатчика эталонных величин - по степени повышения давления - подключен ко второму входу третьего компаратора, первый вход которого подключен к выходу вычислителя разности величин максимальных давлений сгорания, выходы третьего компаратора соединены с входами пятого и шестого индикаторов-сигнализаторов.